Vật chất ở thể mới: vật chất toán học pps

Vật chất ở thể mới: vật chất
toán học
Chúng ta đã có chất rắn, chất lỏng, chất khí, dạng huyết tương và thể
Bâuxơ-Anhxtanh. Có vẻ như thời điểm chúng ta phát hiện ra dạng vật chất
chủ - một dạng mới của vật chất – dựa hoàn toàn vào toán học, đã đến.
Nils Bass,nhà toán học tại Đại học Khoahọc và Kĩ thuật Nauyở Trondheim
đã phát hiện ra một phương thức mới để các thành phần vật chất liên kết với
nhau.
Ông đã phát hiện điều này khinghiên cứu lĩnh vựchình dạnghọc – ngành khoa học
về tính chất của vậtchất màcác vật thể có chung nhờ vào hình dáng của chúng.
Nó liên quan tới các hình dạng đa dạng của
vậtchất khi chúng ta nén hoặc uốn chúng.
Vídụ, một chiếc bánhrán vàmột chéntrà
có chung hình tròn, thuật ngữ chuyên môn
gọi là cùng hình dạng học. Chúng ta cũng
có thể nặn cái bánhrán thànhhình chén
trà nếumuốn.
Bassđang nghiên cứu vòng Brun – tậphợp
các vòng tròn đượcliên kết với nhau
nhưngsẽ bị tách ra nếu chỉ một vòng tròn
bị tách. Tiêu biểu nhất của loại liênkết này
làvòng Borôm. Cứ haitrong ba vòng lại nối
vớinhauở một đầu, và cắt một vòng thôi
sẽ phá vỡ tất cả liên kết.
Basschỉ rarằng rấtnhiều kiểu liên kết có
thể được hìnhthành theo cách này. Không
chỉ là có bốn, năm thànhphần hay nhiều
hơn, mà sự liên kết của nhiều tổ hợp liên
kết này với nhaucũng theo kiểu Bruntạo
ra cái mà Bass gọi là “Siêu cấu trúc”.
Năm 1970, VitanyEfimov tiên đoánliên

kết ba Borôm cóthể được phản ánh trong
tự nhiên ở dạng nhóm ba yếu tố chưa được
pháthiện ngày ấy. Những nhóm như vậy
gần đây đã được tìm thấy trong vật lý.
Năm 2006,“Trạngthái Efimov” đượctìm thấy ở khí nguyên tử xezi siêu lạnh: mỗi
Vòng Borôm (dưới, trái) và
Brun (dưới, phải)được liên kết theo
kiểu chỉ cắt một phần,toàn bộ vòng
sẽ bị tách rời.
Tác độngvào mộtmặt của vòngBrun
để tạora một hình chữ C, những chữ
C này liên kết với nhau để tạo ra “siêu
cấu trúc” phức tạp (dưới, to). Nếu các
hạt được kết nhóm theo cách này,
chúng sẽ thể hiện những tính chất
chưa từng được biết tới từ trước đến
nay.
nguyêntử nối vớitừng nguyêntử còn lại, và tháo một mối nối thì tất cả liên kết tan
rã.
Năm 2010,các nhà nghiên cứu Nhật Bảntìm thấyvòng Borôm ở liên kết giữa các
nguyêntử lượng tử. “Những cấu trúc này phục vụ như một công thức chonhững gì
chúng ta có thể tạo ra ở thế giới”, Bassnói.
Nhưng siêu cấutrúc phức tạp của Basscó một sự khác biệt căn bản về hình dạng
học với tất cả những thứ ở trong tự nhiên. Nếu những nhómhạt đượccấu trúc
theo cách này, chúngsẽ tạo ranhững dạng vật chất mà chúngta chưa từngthấy.
Bass giảng giải: “Khi chúng ta đạt tới một cấp độ cao hơn, một thứ hoàntoàn mới
xảy ra một cáchđơn giản toánhọc – và tôi cho rằng điều này cũng sẽ xảy ra trong
thế giới thực”.
Bass đã kết hợp với Ned Seemancủa Đạihọc Newyork để tìm cách tạo rasiêu cấu
trúc.“Toán học có vẻ là một nhà dự báo tốt của tự nhiên”, Seeman– người tổng

hợp vòng Borôm từ các đoạn ADNnăm 1997chia sẻ.“Chúng tôi nghĩ rằng việc này
sẽ thành công”.
Bass có đầy đủ những con đườngđể hướngtới, baogồm những khám phácăn bản
của thuyết lượng tử. Khi cáchạt tương tác vớinhau,kể cả khiđã bị phân tách,
chúng đươc tổnghợp tỉ mỉ trong một quá trình lượng tử gọi là “kết rối”. Nếu các
hạt liên kết với nhautheokiểu vòngBrun phức tạp, kể cả khi đã bị tách ra chúng
vẫn cóảnh hưởngđến nhau.Điều này, Basscho hay, mở ranhữngkhả năng mới để
tạo ra những liênkết ma kiểunhư những con rối bị điều khiển bằng dây.
“Một khi(những liên kết này) được chỉ ra, chúng tacó thể quay lại và tìm chúngở
phươngtrình Sờ-ko-đing-gơ.”– phương trình miêu tả toán học của thuyếtlượng
tử, Bassdự đoán.
Từ đó, có thể tạo ra những trạngthái lượng tửmới tại các phòng thí nghiệm. Điều
đó đến lượtnó lạimở ranhững phương thứcmới để sản xuấtmáytính lượngtử
siêu mạnh – thaotác với thông tin đượcmang trong trạng thái lượng tử của hạt.
Những thông tin lượng tử như vậy có thể ở nhiều trạng thái trong cùng mộtthời
điểm, vì thế máy tínhlượng tử có thể thực hiện một lượng khổng lồ các phép tính
cùng lúc.
Chất phóng xạ polonium
Ít người biết đến chất phóng xạ polonium cho tới khi được tin cựu gián
điệp Alexander Litvinenko bị ám hại.
Nguồn gốc của polonium
Nguyên tử polonium dohai vợ chồng Pierrevà Marie Curiekhámphá năm 1898.
Lúc đó MarieCuriechỉ làmột nữ sinh cộng tácvới chồng, một nhàkhoa họcđã nổi
tiếngrồi. Chuyện poloniumđược xác định một cách ngẫu nhiên đáng được biểu
trưng để làm gương cho cácnghiên cứu sinhi.
Năm 1896,mộtnăm sau khi Pierre vàMarie Curie kết hôn, William Röntgen khám
phá ra tiaX vàHenri Becquerel nhận thấy uraniumlà phóngxạ tự nhiên. Đựơc tin
này, Mariequyết định chọn phóng xạ làm đề tài nghiên cứu.Thời đó chưa có
nguồnphóng xạ nhân tạo nên Pierre và MarieCurie phải chiết uraniumtừ quặng
pitchblende. Sau khichiết hết uraniumtừ quặng pitchblende thìhai vợ chồng nhận

thấyrằng hãy còn một chất liệu nào đó phát xạ. Họ tiếp tục phântích quặng
pitchblende và phát hiện ranguyên tử polonium có hoạt tính mạnh hơn400 lần
uranium.Để tưởng nhớ đến nước mẹ đẻ của MarieCurie,nước Ba-lan,nguyên tử
mớinày được đặt tên là polonium. Sau khichiết hết poloniumrồi, Pierrevà Marie
Curielại khám pháthêm một nguyên tử khác, nguyên tử radium,có hoạt tínhcòn
mạnhhơn nguyên tử polonium, mạnh tới 900 lần uranium.
Nói rằngPierre vàMarie Curiemay mắntình cờ khám phá rapolonium và radium
là sai.Không có khám phá khoahọc nào là hậu quả của sự ngẫu nhiên cả.
Để có những nguyên tử uraniummà nghiên cứu phóngxạ, nữ sinh Marie Curie đã
phải chiết uranium từ quặng pitchblende. Đây là mộtviệc rất vấtvả. Bà đã xử lý
đến cả tấn pitchbende để chiết ra được cóvài cân uranium.Thấy Marie làm việc
khổ sở quá, Pierre đã phải giúptay cô vợ mới cưới. Một khi có số lượng uranium
đủ để khởi đầu nghiên cứu về phóng xạ, Pierrevà Marie có thể bỏ qua nhận xét hãy
còn "cái gì đó" vẫn phát xạ trong quặng.Nhưng vì muốn tìm hiểu "cái gì đó"là gì
mà haivợ chồng đã khám phá rapoloniumrồi radium.Nhờ cônglao cần cùvà ý
chí tìm hiểu đó chứ không phảinhờ may rủi mànăm 1903Marie Curie trở thành
phụ nữ đầu tiên mang học vị tiến sĩ tronglịch sử ngành đại học Phápvà là người
đầu tiên,trong cả namlẫn nữ,nhận hai giải thưởng Nobel.
Poloniumlà một nguyên tử hiếm đếnnỗi không cóthể phát hiệnđược với những
máy đo nhạy nhất.Trong mộttấn quặng pitchblendechỉ cóchưa tới100 micro-
gram.Để có đủ poloniumđáp ứngnhu cầu của kỹ nghệ hạt nhân, người ta phải sản
xuấtthêm poloniumbằng haicách. Phương pháp thứ nhất là bắn hạt neutronvào
những nguyên tử bismuth.Nhờ có thêmmột neutron, đồng vị bismuth Bi209 trở
thành đồngvị bismuthBi 210. Đồng vị Bi 210 khôngổn địnhvà mau chóng phát ra
một tia bêta để trở thành đồngvị polonium Po 210. Phương pháp thứ hai làdùng
một máy tăng tốcđể bắn hạtproton vào những nguyên tử bismuth.Nhờ có thêm
một proton, đồng vị bismuth Bi209 trở thành đồng vị poloniumPo 210.
Những đặc tính và ứng dụng của polonium
Poloniumtự nhiên sinh ra từ chuỗi phânrã uranium. Trong số những nguyên tử
của bảng Mendelev,poloniumlà nguyên tử có nhiều đồng vị nhất : 25đồng vị.

Ngườita xác định được những đồng vị đó từ Po194 đến Po 218. Nhưng chỉ có tỷ
trọng đồngvị poloniumPo 210 là đángkể ii.Tất cả các đồng vị polonium này đều
phátxạ alphanghĩalà tự nhiênbắn ra ngoài một ion helium.
Ở nhiệt độ thườngthì poloniumở dưới dạng alpha, nghĩa là những nguyên tử sắp
xếp theo tinh thể hìnhkhối. Đây là trường hợp duy nhất một thể rắn có dạngtinh
thể hình khối mà khônglồng với nhau. Ở nhiệt độ trên 38° C thìtinh thể chuyển
sang hìnhthoi.
PoloniumPo 210có nửa đời 138ngày,nghĩa là hoạt tính giảmđi một nửa sau 138
ngày. Khi phânrã, polonium Po210 biến thành đồngvị chì Pb 206,một đồngvị ổn
định không phátxạ. Mỗi hạt alphaphát ra từ phản ứngphân rã đó có nănglượng
bằng5,407 MeViii. Đây là mộtcông suất rất cao làm cho hoạttính củamột gram
poloniumlên tới 140watt.Côngsuất đó mạnh đến nỗi một cục poloniumlúc nào
cũng nóng và khí quản xung quanh bị khích thích gây nên mộthào quang mầu
xanh.
Nhờ có thể làm nóng những vật liệu xungquanh, poloniumđược dùngđể làm
nguồnnhiệt giữ ấm những linhkiệncủaphi thuyền vũ trụ và vệ tinh nhân tạo.
Phóng xạ của poloniumcó thể làm nóng một kim loại có tính nhiệt điện vàsinh ra
điện. Áp dụng đặc tính đó, polonium đã được dùng làm pin phát điện chonhững
phi thuyền vũ trụ,nhữngvệ tinh nhân tạo. Ngày xưa có máy điều hòa nhịp tim
chạybằngpin polonium.
Khi trộn poloniumvới berylliumthìhạt alpha do poloniumphát ra làmvỡ hạt
nhânberyllium vàsinh ra neutron. Ngườita dùng đặc tính này để làm nguồn
neutron gây nên phản ứng phân hạchđầu tiên cho những lò hạt nhân. Người ta
cũng dùng đặc tínhnày để châm ngòi bom nguyên tử.
Ngày xưa người ta định dùng tính tĩnh điện củapolonium để pha với những chất
phụ gia cho nhiều ứng dụngnhư là sơn, lông chổi,…Nhưng vìpolonium rất độc hại
nên nhữngứng dụng này đã bị cấm.
Độ rủi ro của polonium
Như mọi chất phóngxạ, polonium rấtnguy hiểmcho sức khỏe con người.Vì hoạt
tính phóng xạ cao nên rất độc hại nếu để polonium xâm nhập vào cơ thể. Nếu hấp

thụ vàocơ thể polonium sẽ phát xạ alphado đó gây nên bệnhbạchcầuhay những
ung thư khác. Để so sánh, với cùng một trọng lượng, poloniumđộc hạihơn một
triệulần hydrogen cyanide, chấtthường dùng để đầuđộc người khác. Một lý do
nữa polonium đặc biệt nguy hiểm lànửa đời sinh học của nó khá dài, khoảng 50
ngày iv.
Nhưng cũngphải nói rằng polonium chủ yếuchỉ phát những tia alpha, mà tia alpha
bị ngăn chặn bởi vài centi-mét khôngkhí. Vì thế, nếu không tiếp cận sát gần một
nguồnpoloniumthì khôngbị nhiễm xạ. Nguycơ vô tìnhhấp thụ chất phóng xạ
poloniumgần như là không có. Poloniumkhông khuếch tánqua màngda. Vậy
poloniumchỉ có thể xâm nhập cơ thể qua hô hấp hayăn uống. Nhưng, như viết ở
trên,polonium ở ngoài thiên nhiên rấtít. Còn poloniumnhân tạo thì kỹ nghệ hạt
nhânchỉ sản xuất khoảng 100 gram mỗinăm, đủ để châm những lò phản ứng hạt
nhânmới xây. Với số lượngđó xác xuất hấp thụ poloniumnhân tạo tỏara ngoài
trời thực khôngđángkể.
Nguồn rủi ro tự nhiên của poloniumlà thuốc lá. Người ta dùngphân bónphosphat
để bón cây. Quặng phosphatcó vết uranium. Uraniumphân rã thành radon. Khi
bón câybằng phânphosphat thì cây hấpthụ nhữngnguyên tử radon. Radon phân
rã thành polonium.Điều nàykhông nguy hại gì vì,như nói ở trên, hàm lượng
poloniumtự nhiên không đáng kể và cơ thể sẽ mauchóng trụcxuất chất này sau
khi chúng ta ăn rauquả. Nhưngkhihút thuốc lá thìhơi nóng được hít vào trong
người. Hơi nónglàm nhữngnguyên tử radonvà polonium tách ra khỏi lá thuốc,
dẫn chúngvào cơ thể để chochúngbám vào cổ họng vàphổi. Sau đó,chúng sẽ
khôngra khỏi cơ thể nữa và liên tục phátxạ. Mặc dù lượng polonium hít vào người
rất ít, nhưng hút thuốc trongmột thời gian lâu thì cũng tích lũy một khốilượngđủ
để mắc bệnh ungthư. Theo cácbác sĩ Mỹ, đó là nguyên nhân của 90 phần trăm ung
thư người nghiệnthuốc lá.
Theo chúng tôi được biết,trong lịch sử ngành phóngxạ, có hai nhà bác học bị tai
nạn hấp thụ polonium.Đó là tiến sĩ Irene Joliot Curie, con gái của Pierrevà Marie
Curie,vợ và cộng sự viên của Frederic Joliot Curie,và giáo sư DrorSadeh, thuộc
WeizmannInstitute.Vào cuối những năm 50 của thế kỷ trước, hình như cómột

bác sĩ Nhật đã cố ý uống một liều polonium để tự sát haythử nghiệmtrên chính
mình hậu quả củaphóng xạ. Vụ ám sát Alexander Litvinenkolà vụ ám hại bằng
chất phóngxạ đầu tiên được biết đến. Khônghiểu vì sao sát-nhânchọn nghi-thức
này.
PMC