Vì sao astatine hiếm hơn cả francium dù phân rã chậm hơn?

Một mẫu bismuth bị bắn phá trong máy gia tốc đã tạo ra lượng astatine nhỏ đến mức các nhà khoa học không thể nhận biết trực tiếp. Họ đưa cả mẫu cho một con chuột lang, rồi tìm nguyên tố này trong tuyến giáp của nó. Thí nghiệm kỳ lạ ấy cho thấy một nghịch lý: francium phân rã nhanh hơn astatine, nhưng astatine mới là nguyên tố tự nhiên hiếm nhất trên Trái Đất. [1]

Câu trả lời nằm ở hai quá trình khác nhau: một nguyên tố biến mất nhanh đến đâu, và nguyên tử của nó được tạo ra dễ hay khó đến mức nào. Chu kỳ bán rã chỉ giải thích phần đầu; để biết nguyên tố nào hiếm hơn, phải lần theo cả đường sinh ra của nó trong tự nhiên. [1]

Chu kỳ bán rã chưa quyết định độ hiếm

Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian cần để một nửa số nguyên tử phóng xạ phân rã thành chất khác. Theo mô tả trong bài viết của Science History Institute, astatine có chu kỳ bán rã khoảng bảy giờ, còn francium có chu kỳ bán rã khoảng hai mươi phút, tức một nửa số nguyên tử biến đổi trong khoảng thời gian đó. Nếu chỉ nhìn vào tốc độ biến mất, francium có vẻ chắc chắn phải hiếm hơn. [1]

Nhưng một nguyên tố có thể liên tục được tạo ra từ sự phân rã của nguyên tố khác. Vì vậy, lượng hiện diện tại một thời điểm là kết quả của cán cân giữa tốc độ sinh ra và tốc độ mất đi. Một chất có thời gian tồn tại rất ngắn vẫn có thể xuất hiện nhiều hơn chất tồn tại lâu hơn nếu nó được bổ sung thường xuyên. [1]

Uranium tạo ra hai con đường khác nhau

Trong tự nhiên, uranium không chỉ phân rã theo một kiểu. Hạt nhân của nó có thể phát ra những loại hạt khác nhau hoặc vỡ theo những cách khác nhau, tạo thành các nhánh sản phẩm riêng. Những nhánh đó tiếp tục biến đổi qua nhiều bước, và một số nguyên tố tưởng như đã biến mất từ lâu vẫn được tái tạo với lượng rất nhỏ. [1]

Đường dẫn từ uranium tới francium hiệu quả hơn đường dẫn tới astatine. Nói cách khác, nhiều nguyên tử uranium cuối cùng đi qua nhánh tạo francium hơn là nhánh tạo astatine. Francium vì thế được bổ sung đủ để lượng tồn tại tức thời lớn hơn, dù mỗi nguyên tử của nó biến mất nhanh hơn. [1]

Theo ước tính được nêu trong bài, tại một thời điểm có thể có vài chục ounce francium trên Trái Đất, trong khi astatine chỉ vào khoảng một ounce. Những con số này mô tả lượng cực nhỏ và phụ thuộc vào cách tính; điều quan trọng hơn là sự chênh lệch giữa khả năng tạo thành của hai nguyên tố. [1]

Vì sao chuột lang lại giúp phát hiện astatine?

Năm 1939, các nhà khoa học tạo astatine trong một mẫu bismuth bằng cách dùng hạt từ máy gia tốc cyclotron bắn phá mẫu. Lượng nguyên tố mới quá ít để nhận biết trực tiếp bằng phương pháp thông thường. Họ cần một cách tách nó khỏi phần vật chất còn lại và làm cho dấu hiệu của nó tập trung hơn. [1]

Astatine nằm ngay dưới iodine trong bảng tuần hoàn nên có một số tính chất tương tự iodine. Tuyến giáp vốn hấp thụ iodine; khi con chuột lang nhận mẫu đã được xử lý, tuyến giáp của nó cũng giữ lại và cô đặc astatine trong vài giờ. Nhờ vậy, nguyên tố mới có thể được phát hiện gián tiếp qua nơi nó tập trung. [1]

Đây là điểm đặc biệt của câu chuyện: con vật không tạo ra astatine và cũng không phải công cụ đo theo nghĩa thông thường. Cơ thể nó hoạt động như một bộ lọc sinh học, gom một lượng nguyên tố vốn phân tán quá ít để các nhà khoa học dễ quan sát. Astatine thường được xem là nguyên tố duy nhất được phát hiện với sự hỗ trợ trực tiếp của một sinh vật không phải con người. [1]

“Hiếm nhất” phải được hiểu trong phạm vi nào?

Kết luận astatine là nguyên tố hiếm nhất chỉ áp dụng cho các nguyên tố tự nhiên. Sau uranium còn có nhiều nguyên tố nhân tạo, thường được tạo trong phòng thí nghiệm với công sức lớn và lượng sản phẩm cực nhỏ. Có trường hợp các nhà khoa học chỉ tạo được vài nguyên tử, rồi chúng phân rã trong thời gian rất ngắn. [1]

Nếu đưa toàn bộ nguyên tố nhân tạo vào cùng một bảng xếp hạng, câu hỏi “hiếm nhất” sẽ không còn đơn giản. Một số đồng vị không còn nguyên tử nguyên thủy nào từ thời Hệ Mặt Trời, nhưng vẫn có thể xuất hiện lại nhờ các chuỗi phân rã. Vì thế, cần nói rõ đang xét nguyên tố tự nhiên, lượng tồn tại tại một thời điểm hay tổng số nguyên tử từng được tạo ra. [1]

Bài học từ một nghịch lý hóa học

Câu chuyện astatine nhắc rằng độ bền không đồng nghĩa với độ phổ biến. Francium giống như một dòng sản phẩm được bổ sung đều đặn nhưng biến mất rất nhanh; astatine tồn tại lâu hơn một chút nhưng được tạo ra khó hơn nhiều. Khi tốc độ sản sinh chênh lệch đủ lớn, nguyên tố phân rã nhanh hơn vẫn có thể hiện diện với lượng lớn hơn. [1]

Thí nghiệm với chuột lang cũng cho thấy việc phát hiện một nguyên tố không chỉ phụ thuộc vào việc tạo ra nó. Khi lượng vật chất quá nhỏ, nhà khoa học phải tìm một đặc tính có thể khai thác: trong trường hợp này là sự tương đồng với iodine và xu hướng tập trung ở tuyến giáp. Điều được quan sát không phải một kho astatine dưới lòng đất, mà là dấu vết của nó trong một chuỗi phân rã liên tục. [1]

Vì vậy, astatine hiếm hơn francium không phải vì nó biến mất nhanh hơn. Nó hiếm hơn vì tự nhiên tạo ra nó khó hơn nhiều. Con chuột lang chỉ giúp làm rõ dấu vết ấy; nghịch lý thật sự nằm trong cách các hạt nhân uranium chia thành những con đường khác nhau. [1]