Chu kỳ bán rã của nguyên tố trong tinh thể tuyệt đẹp này dài gấp 1 tỷ lần tuổi thọ vũ trụ

Khi bạn hỏi một học sinh trung học rằng nguyên tố ổn định, không chứa phóng xạ nào nặng nhất, học sinh đó sẽ trả lời bạn đó là “chì”, các cụ nhà ta có câu "Nặng như chì" mà! Nhưng nếu bạn hỏi một nhà hóa học, người đó sẽ liếc qua bảng tuần hoàn và trả lời rằng đó là “Bismuth”. Thực tế về sự việc này phức tạp và thú vị hơn bạn nghĩ nhiều.

Nhà nghiên cứu về hóa học đã đúng (không thì họ mang danh nhà nghiên cứu hóa học để làm gì?). Tất cả nguyên tố nặng hơn bismuth (nguyên tố số 83) đều không có những đồng vị ổn định, và rất ít trong số đó có một quá trình phân rã dài, như thorium và uranium.

Nguyên tô Bismuth, so sánh với một khối 1cm khối.

Nhưng bismuth có thực sự ổn định không? Bismuth trong tự nhiên được tạo thành từ đồng vị bismuth-209, đồng vị mà nguyên tử của chúng chứa 83 proton và 126 neutron. Hiện tại, cấu trúc nguyên tử đã được nghiên cứu kĩ và ta đã có hiểu biết nhiều hơn về chúng, từ giả thuyết ta đã có thể tính được hạt nhân của bismuth-209 có trạng thái năng lượng lớn.

Theo vật lý lượng tử, phân rã alpha của bismuth-209 không vi phạm định luật bảo toàn năng lượng hay bất kì định luật nào khác, nên nó được coi là hoàn toàn có thể xảy ra, nhưng ta vẫn chưa chứng kiến được nó xảy ra lần nào.

Cho tới năm 2003, một nhóm nhà khoa học tại Pháp đã công bố kết quả nghiên cứu mới về sự phân rã của bismuth. Bằng việc phát hiện trực tiếp hạt alpha trong quá trình phân rã đồng vị bismuth-209, họ đã có thể tính toán được thời gian bán phân rã của bismuth-209 là 1,9x10¹⁹.

Nghe có vẻ dài nhỉ, nhưng thực sự nó dài bao nhiêu? Cho dễ so sánh, vụ trụ của chúng ta mới chỉ có 1,38x10¹⁰ năm tuổi thôi (tính từ vụ nổ Big Bang cho tới thời điểm hiện tại). Vậy có nghĩa là thời gian bán rã của bismuth-209 gấp gần 1 tỷ lần (10⁹) tuổi thọ của vũ trụ.

Cũng ngắn!

Vụ nổ Big Bang.

Dựa vào những hiểu biết của chúng ta về thiên văn học, cũng như việc hình thành các ngôi sao trong vũ trụ, tất cả các ngôi sao ấy sẽ tàn trong khoảng 10¹⁴ năm nữa. Vậy thì các bạn phải chờ một khoảng thời gian khá dài trước khi nguyên tử bismuth trong lọ thuốc dạ dày Pepto-Bismol kia phân rã hết. Phải đó, bismuth được sử dụng trong việc chế tạo loại thuốc dạ dày này, và cái nhãn “hạn sử dụng” kia không thực sự chính xác lắm đâu.

Vậy vũ trụ sẽ như thế nào trong 1019 năm nữa?

Trước khi những ngôi sao cuối cùng tàn lụi tại mốc 10¹⁴ năm, tất cả những thiên hà trong Nhóm Thiên hà Địa phương (The Local Group, gồm 50 thiên hà tính cả Ngân Hà – The Milky Way của chúng ta) sẽ hợp nhất lại thành một thiên hà khổng lồ. Nếu tài liệu thiên văn học thời nay của chúng ta còn tồn tại cho tới lúc đó, liệu những nhà thiên văn học thời ấy có tin rằng vũ trụ đã có nhiều thiên hà hơn lúc ấy không?

Đến khoảng thời gian 10¹⁵ năm, những hành tinh quay quanh quỹ đạo của những ngôi sao đã tắt sẽ bị bắn khỏi quỹ đạo vốn có của nó. Và thậm chí sau 10.000 lần khoảng thời gian như vậy, thì nửa số bismuth vẫn còn tồn tại.

Làm một chút tính toán nhé, thời gian phân rã của bismuth được tính bằng công thức sau:

Trong đó, t_1/2 là thời gian bán phân rã, λ là hằng số phân rã, τ là thời gian hiện tại, N là số lượng hạt trong mẫu tính, và A là số phân rã trên mỗi đơn vị thời gian (sử dụng đơn vị thời gian giống với yếu tố bán phân rã).

Giả dụ, ta có một khối bismuth nặng một gram với đường kính nửa centimet. Ta có thể tính được rằng lượng nguyên tử trong khối bismuth này là 2,9x10²¹. Dựa vào công thức trên, ta có được tỉ lệ phân rã trung bình của bismuth là 105 phân tử một năm (cứ một phân tử/một ngày rưỡi).

NHƯNG, đây mới chỉ là phân rã alpha. Những hạt alpha có sức xuyên phá rất bé, chúng không thể xuyên qua được lớp ngoài của nguyên tố nặng như bismuth. Vì vậy, khi phân rã, chỉ những phân tử bề mặt mới có thể thoát ra ngoài, phần còn lại sẽ bị khóa lại bên trong.

Phân rã alpha sẽ tạo ra những hạt alpha tách ra từ hạt nhân.

Quay lại với câu hỏi đầu tiên, vậy có đúng là “chì” là nguyên tố ỔN ĐỊNH nặng nhất trong bảng tuần hoàn không?

Thực ra vẫn là chưa hẳn. Chì tự nhiên được cấu thành bởi 4 đồng vị: chì-204, chì-205, chì-207 và chì-208, với lượng đồng vị chỉ-208 chiếm hơn nửa. Từ phép tính toán năng lượng làm các nhà vật hóa học hạt nhân nghi ngờ rằng bismuth có chút tính phóng xạ, mỗi hạt nhân của các đồng vị kia cũng sẽ phải có một thời gian bán rã rất dài. Nhưng qua thử nghiệm, các nhà khoa học chưa hề phát hiện ra điều tương tự xảy ra như với bismuth.

Nhưng dù vậy, khi tính tới những nguyên tố có chút tính phóng xạ, thì bismuth vẫn chưa phải là quán quân. Barium-130 phân rã thành xenon-130 qua quá trình phân rã từ 0,5 tới 2,7x10²¹ năm, nhiều hơn bismuth 100 lần. Và thậm chí, tellurium-128 phân rã thành xenon-128 cũng phải qua quá trình bán rã tận 2,2x10²⁴ năm, đây mới là nhà vô địch. Với quãng thời gian bán rã dài hơn bismuth 100.000 lần, và 160 triệu tỷ tuổi thọ của vũ trụ, thì không khó để đeo lên đầu tellurium-128 chiếc vương miện. Hãy tưởng tượng, bạn có trong tay một gram tellurium-128 (rất tốn kém để tổng hợp, nhưng đâu có ai đánh thuế tưởng tượng), bạn sẽ được chứng kiến cảnh nó phân rã lần đầu sau 674 năm.

Theo một giả thuyết vật lý hạt khác, proton cũng như các nguyên tố khác rồi cũng sẽ phải phân rã. Những thí nghiệm đã chỉ ra rằng NẾU như proton phân rã, thời gian để chúng bán rã sẽ là 10³³ năm, nhiều hơn bismuth gấp 50 triệu tỷ lần và 72 triệu tỷ tỷ lần lớn hơn tuổi thọ vũ trụ.

Bạn sẽ làm gì trong khi đợi proton phân rã hết? Đi dạo vài vòng quanh vũ trụ để chờ có vẻ là cách hợp lý.

Và cuối cùng, 22 phút là thời gian bán rã ngắn nhất, thuộc về francium, nguyên tố số 87 với đồng vị francium-223 của nó, 22 phút là con số khá khiêm tốn so với những con quái vật hàng chục số không kia. Nguyên tố này được phát hiện vào năm 1939, nguyên tố phóng xạ tự nhiên cuối cùng được tìm thấy, các nguyên tố sau này đều được con người tổng hợp nên. Ở mọi thời điểm, lượng francium trong lớp vỏ Trái Đất được ước tính khoảng 20-30 gram.Tất cả các nguyên tó từ hydro cho tới californium (nguyên tố 98) đều được tìm thấy trong tự nhiên, hầu như mọi nguyên tố phóng xạ đều được phát hiện bởi hoạt động tổng hợp phóng xạ, nhưng rồi sau này lại được tìm thấy trong quặng uranium tự nhiên.

Có một sự khác biệt giữa "nguyên tố tìm thấy trong tự nhiên" và "nguyên tố căn bản" đó. Trong số 98 nguyên tố được tìm thấy trong tự nhiên, thì chỉ 84 trong số đó có nguyên tử đã tồn tại trong tự nhiên từ khi hình thành Hệ Mặt Trời. Trong số ấy, 80 nguyên tố là ổn định và bốn trong số đó mang tính phóng xạ (bismuth, thorium, uranium, and plutonium).