Bảng tuần hoàn Russell - Thách thức hóa học hiện đại

“Các nguyên tố không phải là những cá thể riêng lẻ. Chúng là các nốt trong bản nhạc của vũ trụ, và tôi có thể nghe được những nốt còn thiếu.” - Walter Russell

Năm 1926, khi cuốn “The Universal One” được xuất bản, một trong những phần gây tranh cãi nhất là cái mà Russell gọi là “Lịch trình Các nguyên tố” (Schedule of the Elements) - một cách sắp xếp bảng tuần hoàn hoàn toàn khác với Mendeleev.

Và trong đó có 4 “ô trống” - nơi Russell dự đoán rằng các nguyên tố chưa được phát hiện sẽ ở đó.

Bốn nguyên tố đó là deuterium, tritium, neptunium và plutonium. Tất cả 4 đều được phát hiện sau đó.

Mendeleev và hệ thống tuyến tính

Để hiểu bảng tuần hoàn Russell, trước tiên cần nhắc lại bảng tuần hoàn Mendeleev mà chúng ta đều quen.

Dmitri Mendeleev (1869) sắp xếp các nguyên tố theo chiều ngang và chiều dọc - một bảng hình chữ nhật với các hàng (chu kỳ) và cột (nhóm). Các nguyên tố trong cùng một cột có tính chất hóa học tương tự nhau.

Hệ thống này hoạt động tốt. Mendeleev cũng dự đoán được một số nguyên tố chưa được phát hiện dựa trên những “ô trống” trong bảng của ông - và được xác nhận.

Nhưng có một điều mà Mendeleev thừa nhận: ông quan sát sự lặp lại theo chu kỳ của các tính chất nhưng không giải thích được tại sao nó lặp lại.

Bảng xoắn ốc của Russell

Russell tiếp cận vấn đề từ nguyên lý vũ trụ của ông: nếu vũ trụ vận hành theo nhịp điệu xoắn ốc, thì các nguyên tố hóa học - là biểu hiện của vũ trụ - cũng phải tuân theo cấu trúc xoắn ốc.

Ông sắp xếp các nguyên tố không theo bảng phẳng mà theo hình cầu xoắn ốc - các nguyên tố được đặt trên các vòng xoắn ốc, với mỗi vòng tương ứng với một “quãng tám” trong âm nhạc.

Trong hệ thống này:

• Mỗi nguyên tố không chỉ có vị trí trong bảng mà có “tần số” riêng
• Các nguyên tố trong cùng một “quãng tám” có mối liên hệ hài hòa với nhau
• Cấu trúc xoắn ốc giải thích tại sao các tính chất lặp lại theo chu kỳ

Và quan trọng nhất: cấu trúc xoắn ốc có những “khoảng trống” ở những vị trí cụ thể - nơi phải có nguyên tố để bản nhạc hoàn chỉnh.

Bốn nguyên tố được dự đoán

Dựa trên cấu trúc xoắn ốc, Russell xác định 4 vị trí có nguyên tố phải tồn tại nhưng chưa được phát hiện vào năm 1926.

Deuterium: Russell mô tả một dạng đặc biệt của hydrogen với khối lượng gấp đôi. Năm 1931, Harold Urey phát hiện deuterium - đồng vị của hydrogen với một neutron thêm vào. Urey được trao giải Nobel Hóa học năm 1934.

Tritium: Một dạng khác của hydrogen với khối lượng gấp ba. Được tổng hợp lần đầu năm 1934. Hiện được dùng trong vũ khí hạt nhân và nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch.

Neptunium: Nguyên tố thứ 93, nằm sau Uranium trong bảng tuần hoàn. Được phát hiện năm 1940 tại Đại học California Berkeley. Tên lấy từ hành tinh Neptune.

Plutonium: Nguyên tố thứ 94. Được tổng hợp năm 1940-1941. Đây là nguyên tố được dùng trong bom nguyên tử ném xuống Nagasaki và trong nhiều lò phản ứng hạt nhân.

Điều đáng chú ý: khi Plutonium được tổng hợp, nó là đột phá khoa học lớn nhất của thập kỷ. Walter Russell đã đặt “ô trống” cho nó trong bảng của mình 15 năm trước.

Phản ứng của cộng đồng khoa học

Năm 1930, khi đã có đủ bằng chứng để đánh giá, Russell đã trình bày hệ thống bảng tuần hoàn của mình cho một số nhà khoa học hàng đầu tại Mỹ.

Phản ứng chủ yếu là hoài nghi. Các lý do:

Thứ nhất, Russell không phải là nhà hóa học được đào tạo chuyên nghiệp. Trong cộng đồng khoa học, bằng cấp và nền tảng học thuật là điều kiện được coi trọng.

Thứ hai, cách tiếp cận của ông quá… triết học. Khoa học thế kỷ 20 đang tiến theo hướng toán học thuần túy và đo lường thực nghiệm. Một lý thuyết bắt đầu từ “Thượng Đế là Ánh Sáng Trắng” không phù hợp với phương pháp khoa học chính thống.

Thứ ba, và quan trọng nhất: tại thời điểm 1930, chưa có đủ nguyên tố được phát hiện để kiểm chứng các dự đoán.

Chỉ khi plutonium và các nguyên tố khác được xác nhận trong những năm 1940, nhìn lại, người ta mới nhận ra rằng Russell đã đúng về các vị trí đó.

Bảng tuần hoàn hiện đại có học được gì?

Một câu hỏi thú vị cho các nhà hóa học hiện đại: bảng tuần hoàn xoắn ốc của Russell có điểm mạnh gì mà bảng phẳng Mendeleev không có?

Một số nhà nghiên cứu độc lập chỉ ra rằng:

Tính đối xứng: Cấu trúc xoắn ốc làm rõ hơn sự đối xứng giữa các nhóm nguyên tố - đặc biệt là giữa các kim loại và phi kim, giữa các nguyên tố có số nguyên tử chẵn và lẻ.

Chu kỳ lặp lại: Bảng Mendeleev phẳng hiển thị sự lặp lại theo chu kỳ nhưng không giải thích trực quan tại sao. Cấu trúc xoắn ốc làm cho nhịp điệu lặp lại này trở nên trực quan hơn.

Nguyên tố siêu nặng: Khi khoa học bắt đầu tổng hợp các nguyên tố siêu nặng (110, 120, 130…), câu hỏi về cấu trúc của bảng tuần hoàn mở rộng trở nên thú vị hơn. Một số mô hình lý thuyết về “đảo ổn định” của các nguyên tố siêu nặng có điểm tương đồng với dự đoán xoắn ốc của Russell.

Cộng đồng khoa học chủ yếu vẫn dùng bảng Mendeleev - và hợp lý thôi vì nó là công cụ hiệu quả. Nhưng về mặt triết học, câu hỏi “tại sao bảng tuần hoàn lặp lại?” vẫn còn là một câu hỏi thú vị.

Đúng vì lý do đúng hay vì may mắn?

Câu hỏi công bằng nhất về 4 dự đoán của Russell là: ông đúng vì lý do đúng, hay vì may mắn?

Điều không thể phủ nhận: ông đúng. Bốn nguyên tố đều được xác nhận.

Nhưng liệu cấu trúc xoắn ốc của ông có thực sự là lý do chính xác hay đây chỉ là trùng hợp?

Câu trả lời trung thực là: không ai biết chắc. Nguyên tố siêu nặng trong vùng dự đoán của ông chưa được phát hiện đủ để kiểm chứng thêm. Và phương pháp của ông quá khác với khoa học chủ dòng để được kiểm chứng bằng cách thông thường.

Điều chắc chắn là: một người không học hết tiểu học, không được đào tạo hóa học, đã dự đoán chính xác 4 nguyên tố quan trọng 10-15 năm trước khi chúng được phát hiện. Bằng một hệ thống xuất phát từ triết học vũ trụ.

Ít nhất, đây là điều đáng suy nghĩ.