Uranium - Nhiên liệu của thế kỷ XX (Phần 1)
Đây là chương cuối trong cuốn sách Kể chuyện về kim loại của tác giả người Nga S.I. Venetski, bản tiếng Việt được dịch bởi Lê Mạnh Chiến năm 1989 (đã được đăng ở nhiều web). Bằng cách kể chuyện dí dỏm, hài hước, tác giả sẽ dẫn chúng ta ngược dòng thời gian trở về thuở ban đầu của người anh em Urani. Bài viết khá dài, ban biên tập NLHN sẽ chia nhỏ bài viết ra làm 5 phần, kết hợp hình ảnh minh họa và lượt bớt một số đoạn cho mọi người dễ theo dõi.
Nguồn gốc tên nguyên tố "Uranium"
Khó mà nói được rằng, nhà bác học người Đức Martin Claprôt sẽ đặt tên gì cho nguyên tố hoá học đã được phát hiện vào năm 1789, nếu như trước đó mấy năm không xảy ra một sự kiện làm náo động tất cả mọi giới trong xã hội: năm 1781, khi quan sát bầu trời đầy sao bằng kính thiên văn tự tạo của mình, nhà thiên văn học người Anh là Uyliam Hecsơn (William Herschel) đã phát hiện ra một đám mây phát sáng mà lúc đầu ông tưởng là sao chổi, nhưng sau đó ông khẳng định là mình đang nhìn thấy một hành tinh mới mà từ trước tới giờ chưa ai biết đến – hành tinh thứ bảy của hệ mặt trời.
Để suy tôn vị thần trời trong thần thoại cổ Hy Lạp, Hecsơn đã đặt tên cho hành tinh mới này là Uranus (Thiên Vương Tinh). Mang ấn tượng sâu sắc về hiện tượng này, Claprôt đã lấy tên của hành tinh mới để đặt cho nguyên tố mà ông vừa tìm ra khi hòa tan quặng pitchblend trong axit nitric và sau đó trung hòa dung dịch bằng natri hydroxit NaOH.
Mục đích sử dụng ban đầu
Khoảng nửa thế kỷ sau đó, vào năm 1841, nhà hoá học người Pháp là Ơgien Peligo (Eugene Peligo) đã lần đầu tiên điều chế được urani kim loại (bằng cách khử uranium tetrachloride - UCl₄ bởi Kali). Song giới công nghiệp vẫn tỏ ra thờ ơ với nguyên tố nặng và tương đối mềm đó. Các tính chất cơ học của nó không lôi cuốn các nhà luyện kim và các nhà chế tạo máy. Chỉ có những người thợ thổi thuỷ tinh ở xứ Bôhemi và những người làm đồ sành sứ ở Xaxonia là sẵn lòng sử dụng oxit của kim loại này để làm cho cốc chén có màu vàng lục đẹp mắt hoặc để tạo ra những hoa văn cầu kỳ màu nhung đen trang trí cho bát đĩa.
Người La Mã cổ đại đã biết đến “tài năng mỹ thuật” của các hợp chất chứa urani. Trong các cuộc khai quật tiến hành ở gần Napôli, người ta đã tìm thấy những bức tranh tường ghép bằng những mảnh thuỷ tinh có vẻ đẹp kỳ diệu. Các nhà khảo cổ học rất kinh ngạc vì trải qua hai ngàn năm mà thuỷ tinh vẫn không bị mờ đục. Đem các mẫu thuỷ tinh này ra phân tích hoá học thì thấy chúng có urani oxit, nhờ vậy mà bức tranh tường giữ được màu sắc lâu bền đến thế. Tuy nhiên, trong khi các oxit và muối của urani “làm việc có ích cho xã hội”, thì bản thân kim loại này ở dạng nguyên chất lại hầu như chẳng được ai quan tâm đến.
Vị trí không tuần hoàn của Urani trong bảng tuần hoàn các nguyên tố
Ngay cả các nhà bác học cũng chỉ quen biết nguyên tố này một cách hời hợt. Những hiểu biết về nó rất nghèo nàn mà đôi khi lại hoàn toàn không đúng. Chẳng hạn người ta cho rằng, khối lượng nguyên tử của nó gần bằng 120. Khi Đ. I. Menđelêep xây dựng hệ thống tuần hoàn thì trị số này đã làm rối mọi sự sắp xếp của ông: theo các tính chất của mình thì urani hoàn toàn không muốn được ghi vào bảng tuần hoàn ở ô dành sẵn cho nguyên tố có khối lượng nguyên tử như thế. Lúc bấy giờ, bất chấp ý kiến của nhiều bạn đồng nghiệp, nhà bác học đã quyết định lấy trị số mới cho khối lượng nguyên tử của urani là 240 rồi chuyển nó xuống cuối bảng. Cuộc sống đã xác nhận sự đúng đắn của nhà bác học vĩ đại: khối lượng nguyên tử của urani bằng 238,03.
Nhưng thiên tài của Đ. I. Menđelêep không phải chỉ thể hiện ở chỗ đó. Ngay từ năm 1872, trong khi đa số các nhà bác học coi urani là một thứ “của nợ” trên nền các nguyên tố quý, thì người sáng tạo ra hệ thống tuần hoàn đã thấy trước tương lai sáng lạn của nó.
Ông viết: “Trong số tất cả các nguyên tố hoá học đã được biết đến thì urani nổi bật lên vì nó có trọng lượng nguyên tử lớn nhất … Sự tập trung trọng khối ở urani cao hơn hẳn các chất đã biết ắt phải kèm theo những đặc tính ưu việt…
Vững tin ở một lẽ là việc nghiên cứu urani kể từ cội nguồn thiên nhiên của nó sẽ còn dẫn đến nhiều phát minh mới, nên tôi mạnh dạn khuyên những ai đang tìm đối tượng cho các cuộc nghiên cứu mới thì nên nghiên cứu thật kỹ các hợp chất của urani”
Khái niệm về "phóng xạ"
Sau đó chưa đến một phần tư thế kỷ, lời tiên đoán của nhà bác học vĩ đại đã trở thành sự thật : năm 1896, khi tiến hành thí nghiệm với các muối của urani, nhà vật lý học người Pháp là Hăngri Beccơren (Antoine Henri Becquerel) đã hoàn thành một kỳ tích xứng đáng được liệt vào hàng những phát minh khoa học vĩ đại nhất mà con người đã từng làm được.
Điều đó đã diễn ra như thế này. Từ lâu, Beccơren đã quan tâm đến hiện tượng lân quang (tức là sự phát sáng) vốn có ở một số chất. Một hôm, nhà bác học đã quyết định sử dụng một trong các muối của urani cho những thí nghiệm của mình. Trên tấm kính ảnh bọc giấy đen, ông đặt một hình hoa văn làm bằng kim loại có phủ một lớp muối của urani, rồi đem tất cả ra phơi dưới ánh nắng chói chang để cho sự phát lân quang càng mạnh càng tốt. Sau đó bốn giờ, Beccơren cho hiện hình tấm kính ảnh và thấy rõ trên đó hiện lên bóng dáng rõ nét của hình hoa văn làm bằng kim loại. Làm đi làm lại thí nghiệm này nhiều lần, Beccơre vẫn thu được kết quả như trước. Ngày 24 tháng 2 năm 1896, tại phiên họp của viện hàn lâm khoa học Pháp, nhà bác học đã thông báo rằng, nếu được phơi sáng thì hợp chất urani phát lân quang mà ông nghiên cứu sẽ phát ra các tia không nhìn thấy; các tia này thường xuyên đi qua giấy đen và khử muối bạc trên kính ảnh.
Hai ngày sau, Beccơren lại quyết định tiếp tục các thí nghiệm, nhưng chẳng may lúc đó trời u ám, mà không có ánh sáng thì làm sao có lân quang được. Bực mình vì thời tiết xấu, nhà bác học đã cất các mẫu muối urani vào ngăn kéo bàn làm việc cùng với những tấm phim dương đã chuẩn bị sẵn nhưng chưa chiếu sáng, rồi để chúng nằm ở đó mấy ngày. Cuối cùng, đêm mùng 1 tháng 3, gió đã xua tan những đám mây đen trên bầu trời Pari và từ sáng sớm, những tia nắng đã chiếu dọi xuống thành phố bằng. Đang sốt ruột chờ trời tạnh ráo, Beccơren đã vội vã đến phòng thí nghiệm lấy các tấm phim dương ra khỏi ngăn kéo và đem phơi nắng. Vốn là một nhà thực nghiệm rất cẩn thận, nhưng trong giây phút cuối cùng, ông đã quyết định cho hiện hình các tấm phim dương, mặc dầu theo nguyên tắc thông thường mà xét thì sau mấy ngày vừa qua, không thể xảy ra điều gì đối với chúng, vì chúng nằm trong bóng tối, mà không được phơi sáng thì không một chất nào phát lân quang (các chất muốn phát lân quang thì phải có thời gian tích trữ năng lượng ánh sáng trước đó). Trong khoảnh khắc ấy, nhà bác học đã không ngờ rằng, chỉ vài giờ sau, những tấm kính ảnh thông thường chỉ đáng giá vài frăng lại có vinh dự trở thành của quý vô giá đối với khoa học, còn ngày 1 tháng 3 năm 1896 thì mãi mãi đi vào lịch sử khoa học thế giới .
Những gì mà Beccơren nhìn thấy trên những tấm kính ảnh vừa qua hiện hình đã làm cho ông hết sức ngạc nhiên : bóng đen của các mẫu đã hiện lên rõ ràng và sắc nét trên lớp cảm quang. Có nghĩa là sự phát lân quang xảy ra ngay chính tại đây, chẳng phải nhờ cái gì cả. Nhưng lúc ấy, muối urani phát ra những tia gì vậy ? Nhà bác học đã làm đi làm lại các thí nghiệm tương tự với các hợp chất khác của urani, trong số đó có cả những muối không có khả năng phát lân quang hoặc đã nằm hàng năm ở chỗ tối, nhưng lần nào cũng vậy, hình mẫu vẫn hiện lên trên tấm kính ảnh.
Beccơren đã nảy ra ý nghĩ, tuy chưa hoàn toàn rõ ràng, rằng, urani là “thí dụ đầu tiên của thứ kim loại bộc lộ một tính chất tương tự như sự phát lân quang không nhìn thấy ”.
Cũng trong thời gian này, nhà hoá học người Pháp là Hăngri Muatxan (Henri Moissan) đã hoàn thiện được phương pháp điều chế urani kim loại tinh khiết. Beccơren đã xin Muatxan một ít bột urani và đi đến kết luận rằng, urani nguyên chất phát xạ mạnh hơn nhiều so với các hợp chất của nó, hơn nữa, tính chất này của urani vẫn không thay đổi trong những điều kiện làm việc hết sức khác nhau, kể cả khi nung rất nóng hoặc khi làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp.
Beccơren không vội vã công bố các kết quả mới: ông đợi cho Muatxan thông báo về các cuộc khảo cứu rất thú vị của mình. Đạo đức của nhà khoa học bắt buộc phải làm như vậy. Và đến ngày 23 tháng 11 năm 1896, tại phiên họp của viện hàn lâm khoa học Pháp, Muatxan đã báo cáo về điều chế urani nguyên chất, còn Beccơren thì thuyết trình về một tính chất mới của nguyên tố này - đó là sự biến đổi tự phát của các nguyên tử urani kèm theo sự giải phóng năng lượng bức xạ. Tính chất này được gọi là tính chất phóng xạ (hiện tượng này được đặt tên năm 1898 bởi hai vợ chồng Curie).
Phát minh của Beccơren đã đánh dấu sự mở đầu một kỷ nguyên mới trong vật lý học – kỷ nguyên chuyển hoá các nguyên tố. Từ đây, nguyên tử không còn được coi là phân tử đơn nhất và không thể phân chia. Con đường đi vào chiều sâu của “viên gạch nhỏ” xây dựng nên thế giới vật chất đã được mở ra cho khoa học - vật lý hạt nhân.
[Chú ý - Vật liệu phóng xạ]
Rõ ràng là hiện nay urani đã buộc các nhà bác học phải chú ý đến mình. Đồng thời, một câu hỏi nữa đã khiến họ phải quan tâm: phải chăng, chỉ một mình urani là có tính phóng xạ? Trong thiên nhiên, liệu có thể có những nguyên tố khác nữa mang tính chất này không ?
