Paddy Regan (Physics World, tháng 11/2011)
Tiến tới các giới hạn
Những hạt nhân nặng kì lạ có thể được tổng hợp bằng nhiều kĩ thuật thực nghiệm đa dạng. Trong một phương pháp, gọi là “bay hơi nhiệt hạch”, những chùm ion dương cường độ mạnh của những đồng vị bền về mặt phóng xạ, như calcium-48, nickel-64 và kẽm-70, được tăng tốc và chiếu vào một lá kim loại mỏng, nguyên chất đồng vị. Vì chúng đều mang điện dương, nên các ion và hạt nhân bia chịu lực đẩy tĩnh điện tương hỗ. Nhưng nếu các ion được tăng tốc lên những năng lượng ngay trên ngưỡng năng lượng đẩy này, thì chùm hạt và hạt nhân bia có thể chiến thắng lực đẩy và hợp nhất, từ đó kết hợp các proton và neutron riêng lẻ thành một hạt nhân hợp, nóng. Hạt nhân sinh ra sau đó nguội đi bằng cách “cho sôi” nhanh những hạt nhẹ, ví dụ như neutron, proton và hạt alpha, trong một khoảng thời gian chưa tới 10–15 s.
Có thể nhận ra những hạt nhân này hoặc gián tiếp bằng cách phát hiện các hạt sôi lên từ hệ hỗn hợp đã hợp nhất, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng một dụng cụ gọi là bộ phân tách khối lượng. Đây cơ bản là một nam châm lưỡng cực, và điện trường và từ trường của nó có thể thiết lập sao cho chỉ những hạt nhân có một khối lượng và điện tích nhất định truyền qua đến đầu kia của bộ phân tách. Do đó, dụng cụ chia tách hạt nhân còn lại “đáng quan tâm” khỏi những loại hạt “không đáng quan tâm”, ví dụ như những hạt chưa phản ứng của chùm tia hoặc các mảnh vỡ phân hạch sinh ra khi chùm tia và hạt nhân bia tương tác. Một khi hạt nhân còn lại đã được tách ra, các tính chất phân hủy của chúng có thể được nghiên cứu chi tiết, tách rời với phông nền của hạt nhân chùm tia. Quá trình na ná như việc tìm một cái kim (hạt nhân lạ hiếm) trong một đống cỏ khô gồm những sản phẩm phản ứng khác và các hạt trong chùm tia. Các thiết bị sử dụng sự bay hơi nhiệt hạch rồi phân tách khối lượng để tạo ra và nghiên cứu những hạt nhân nặng nhất có ở các phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Lawrence Berkeley ở Mĩ, phòng thí nghiệm cyclotron ở Jyvaskyla, Phần Lan, và JINR.
Một kĩ thuật thứ hai tạo ra và nghiên cứu hạt nhân lạ - thường là những đồng vị giàu neutron có phần nhẹ hơn (A < 238) – gọi là “phương pháp bay trực tiếp”, trong đó những tấm bia mục tiêu như beryllium được bắn phá bằng những chùm ion nặng, bền, ví dụ như xenon-136, chì-208 hoặc uranium-238. Những chùm hạt này có năng lượng cao – thường là hàng trăm mega-electron-volt trên nucleon hoặc cao gấp 100 lần trong phản ứng bay hơi nhiệt hạch – nên các hạt của chúng chuyển động nhanh hơn nhiều so với từng proton và neutron bên trong hạt nhân của chúng. Khi chùm hạt va chạm với bia, các hạt nhân không hợp nhất, như với phương pháp bay hơi nhiệt hạch, mà tạo ra nhiều hạt nhân đa dạng – qua các phản ứng đạn-mảnh vỡ hoặc đạn-phân hạch – nhẹ hơn các loại hạt trong chùm tia sơ cấp. Hơn nữa, vận tốc cao của chùm tia ban đầu có nghĩa là các sản phẩm phản ứng tập trung theo hướng về phía trước, cùng với những hạt chưa tương tác của chùm tia.
Hình 2. Tại phòng thí nghiệm ion nặng GSI ở Darmstadt, Đức, những hạt nhân lạ đã được tạo ra bằng cách cho va chạm một chùm hạt sơ cấp cường độ mạnh (như uranium-238 hay bạc-107) với một tấm bia kim loại cố định (thường là beryllium). Chuyển động ở tốc độ chừng một nửa tốc độ ánh sáng, các mảnh vỡ hạt nhân sinh ra đi qua một phân tách mảnh vỡ (FRS), về cơ bản là một tập hợp gồm bốn nam châm lưỡng cực lớn (màu xanh nhạt) có thể điều chỉnh sao cho chỉ những mảnh vỡ hạt nhân có tỉ số khối-lượng-trên-số-proton nhất định mới có thể đi qua. Thông tin này – cùng với thời gian để mỗi hạt nhân đi qua bộ phân tách và năng lượng mà mỗi hạt nhân truyền qua bị mất trong máy dò của FRS – có thể dùng để nhận ra từng hạt nhân đã truyền qua. Những hạt nhân lạ sau đó được mang tới đứng yên tại tiêu điểm cuối cùng của bộ phân tách, nơi đó chúng có thể chịu sự phân hủy phóng xạ hoặc phân hủy từ những trạng thái siêu bền. Dấu hiệu tia gamma độc nhất vô nhị từ những phân hủy này được đo bằng quang phổ kế tia gamma RISING (bên dưới), thiết bị gồm 105 tinh thể bán dẫn germanium siêu tinh khiết hiệu suất cao được làm lạnh bằng nitrogen lỏng. (Ảnh: J Grebosz/RISING Collaboration, GSI)
Để tách ra những hạt nhân lạ, các hạt được cho đi qua một “bộ phân tách mảnh vỡ hạt nhân”, ví dụ như thiết bị FRS tại Trung tâm Nghiên cứu Ion Nặng GSI Helmholtz ở Darmstadt, Đức (hình 2). Những thiết bị này gồm một dãy máy dò đo năng lượng của chùm hạt khi nó đi qua, với sự tiêu hao năng lượng tại mỗi máy dò liên hệ với số lượng proton của hạt nhân. Các nhà nghiên cứu có thể tính ra tỉ số khối-lượng-trên-điện-tích của mỗi hạt nhân truyền qua bằng cách kết hợp thông tin về “thời gian bay” của hạt nhân giữa hai điểm trên đường đi của máy phân tách với độ lớn từ trường của dụng cụ. Như với phương pháp bay hơi nhiệt hạch, một khi những hạt nhân lạ này đã truyền qua đến một tiêu điểm cuối cùng nào đó, những tính chất phân hủy của chúng có thể được nghiên cứu chi tiết từng sự kiện một.
Mặc dù bộ phân tách mảnh vỡ là một công cụ không nhạy về mặt hóa học cho phép nhà nghiên cứu tạo ra và nhận dạng những loại hạt nhân mới lạ, nhưng vẫn có những hạn chế về bản chất và số lượng hạt nhân như thế có thể được tạo ra và nghiên cứu. Thí dụ, một thí nghiệm hồi năm 2008 tại cơ sở GSI đứng đầu là Thomas Faestermann thuộc trường Đại học Kĩ thuật ở Munich đòi hỏi thời gian chùm hạt cường độ mạnh hơn hai tuần để tạo ra chỉ vào trăm hạt nhân thiếc-100, đó là hạt nhân nặng nhất với số lượng proton và neutron bằng nhau (Z = N = 50) đã được nhận ra từ trước đến nay. Tuy nhiên, ngay cả với những lượng nhỏ như thế, những thông tin mới và hấp dẫn và cấu trúc bên trong của những đồng vị kì lạ nhất trong tự nhiên đã có thể được tìm ra bằng cách đo bức xạ phát ra hoặc khi các proton và neutron bên trong hạt nhân sắp xếp lại hoặc khi trạng thái cơ bản của hạt nhân phân hủy phóng xạ.
Đẩy lùi các ranh giới
Một câu hỏi quan trọng đối với các nhà vật lí hạt nhân là xác định số lượng cực đại và cực tiểu của neutron hay proton mà các hạt nhân có thể chứa. Những biên giới này của sự tồn tại hạt nhân được gọi theo chuyên môn là đường nhỏ giọt, vì bất kì hạt nhân không bền nào nằm ngoài chúng sẽ phát ra, hoặc “nhỏ ra”, các proton hoặc neutron. Bất kì hạt nhân nào nằm ngay trên đường nhỏ giọt neutron sẽ chứa đầy neutron nên nó không thể nhận thêm neutron nào nữa, trong khi bất kì hạt nhân nào nằm trên đường nhỏ giọt proton thì giàu proton đến mức nó sẽ không kết hợp thêm bất kì proton nào nữa.
Một hạt nhân nằm trên đường nhỏ giọt hạt nhân đã được nghiên cứu trong thời gian gần đây bởi Adam Garnsworthy tại trường Đại học Surrey và các đồng nghiệp thuộc chương trình hợp tác RISING tại GSI là technentium-86. Mặc dù không bền (nó phân hủy bằng cách phát ra một positron và neutrino), nhưng technetium-86 sống đủ lâu để được truyền trong một trạng thái kích thích “siêu bền” qua thiết bị FRS tại GSI – một hành trình mất khoảng 100 ns – với những tia gamma do nó phát ra được đo bởi quang phổ kế RISING đặt trong mặt phẳng tiêu cuối cùng của FRS (hình 3). Cái làm cho technetium-86 đặc biệt hấp dẫn là, măc dù có số lượng lẻ proton và số lượng lẻ neutron (mỗi loạt 43 hạt), nhưng các mức năng lượng nội tại của nó hầu như bằng với 86Mo42, hạt nhân gần nó nhất có số lượng chẵn proton (42) và số lượng chẵn neutron (44). Những hạt nhân “chẵn-chẵn” như vậy thường có năng lượng liên kết lớn hơn những hạt nhân “lẻ-lẻ” có khối lượng tương đương vì spin của mỗi proton và neutron ở dạng trước có thể ghép cặp dễ dàng, trong khi ở dạng sau thì để lại một proton và neutron “lẻ loi”. Vì thế, những hạt nhân lẻ-lẻ và chẵn-chẵn nằm gần nhau thường có các mức năng lượng hơi khác nhau. Nguyên do technetium-86 (lẻ-lẻ) giống về cấu trúc với 86Mo44 (chẵn-chẵn) là vì technetium-86 – mặc dù spin của những nucleon chưa ghép cặp hướng ngược chiều nhau – có thêm một liên kết proton-neutron mạnh dường như chỉ đáng kể ở những hạt nhân có số lượng proton và neutron bằng nhau.
Hình 3 (a) Dựa trên dữ liệu từ một thí nghiệm tại thiết bị FRS ở phòng thí nghiệm ion nặng GSI ở Darmstadt, đồ thị này thể hiện có bao nhiêu hạt nhân có khối lượng khác nhau được tạo ra khi một chùm ion va chạm với một lá kim loại. Đồ thị cho thấy số lượng proton, Z, mà hạt nhân chứa là một hàm của tỉ số khối-lượng-trên-số-lượng-proton của chúng (tức là A/Z) đối với technetium (Z = 43) và các láng giềng của nó trong bảng tuần hoàn hóa học, với màu sắc thể hiện có bao nhiêu hạt nhân đã được nhìn thấy, biến thiên từ xanh (chỉ vài ba hạt) đến vàng (nhiều). Lưu ý rằng các hạt nhân có số chẵn proton, như molybdenum (Z = 42) và zirconium (Z = 40), có năng lượng liên kết lớn hơn các nguyên tố số thứ tự lẻ vì hiệu ứng “ghép cặp” proton, nên tỉ số A/Z xác định đường nhỏ giọt của chúng thấp hơn. (b) Một “lát cắt” qua tín hiệu với Z = 43, minh họa có bao nhiêu nguyên tử thuộc mỗi đồng vị technetium được tạo ra. Những dữ liệu này cho thấy đồng vị có ít neutron nhất, technetium-86, là đồng vị nhẹ nhất có thể có đối với nguyên tố này. (Ảnh: A B Garnsworthy/RISING Collaboration, GSI)
Một nghiên cứu đáng lưu ý khác sử dụng thiết bị RISING tại GSI, đứng đầu là Andrea Jungclaus thuộc trường Đại học Madrid và Marek Pfützner thuộc trường Đại học Warsaw, liên quan đến hạt nhân rất giàu neutron cadmium-130. Hạt nhân này có số thần kì neutron (82) và chỉ xém hai số là có số thần kì proton (48 thay vì 50). Một thứ khiến cấu trúc của cadmium-130 hấp dẫn là các tia gamma dấu hiệu của nó – quan sát từ sự phân hủy của một trạng thái kích thích siêu bền đã được chương trình hợp tác RISING nhận ra ở hạt nhân này – giống với tín hiệu từ cadmium-98. Thoạt nhìn, hai hạt nhân này có phần khác biệt nhau vì một hạt có 50 proton và hạt kia có 82 proton. Nhưng mặc dù có nhiều hơn khoảng 60% neutron, nhưng cấu trúc bên trong của cadmium-130 về cơ bản giống với cadmium-98. Sự tương tự đó có nguyên do là bởi thực tế 50 neutron ở cadmium-98 tạo thành một lớp vỏ đầy: nói cách khác, giống như cadmium-130 nó cũng có số thần kì neutron.
Những hệ hạt nhân lạ khác đã được khảo sát trong thời gian gần đây bao gồm những hạt nhân xoay quanh chì -208 (208Pb82), được nghiên cứu bởi Zsolt Podolyak ở Surrey và các đồng sự trong chương trình hợp tác RISING sau sự phân mảnh của chùm hạt uranium-238. Chì-206 là hạt nhân bền nặng nhất có số thần kì proton (82) lẫn số thần kì neutron (126). Podolyak và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu đầu tiên về thủy ngân-208 (208Hg80), tương tự với 208Pb82, ngoại trừ ở chỗ nó thiếu hai proton nữa mới có lớp vỏ đầy (tức là 80) và thừa hai neutron so với lớp vỏ đầy (tức là 128). Mặc dù hạt nhân chì và thủy ngân thiếu neutron đã nghiên cứu có đến ít hơn 30% số neutron, nhưng đây là hạt nhân đầu tiên đã được nghiên cứu trong vùng giàu neutron này của đồ thị hạt nhân và cung cấp những thông tin đầu tiên về những tương tác tinh vi giữa từng lỗ trống proton và hạt neutron cho kiến thức của chúng ta về cấu trúc hạt nhân của những hạt nhân nặng.
Tương lai của những hạt nhân lạ
Vậy tiếp theo ngành vật lí hạt nhân sẽ tiến về đâu? Những đồng vị tạo nên đường nhỏ giọt proton đã được đo đối với đa số những nguyên tố có số lẻ proton cho đến bismuth (Z = 83). Nhưng trong khi đường nhỏ giọt proton đã được hiểu rõ, thì đường nhỏ giọt neutron vẫn chưa được với tới, cả với những nguyên tố nhẹ nhất. Nói cách khác, chúng ta vẫn không biết có bao nhiêu neutron có thể gói ghém trong hạt nhân của những nguyên tử như thiếc và chì.
Một trong những động lực thúc đẩy việc tạo ra những nguyên tố mới ngày một nặng hơn là “hòn đảo ổn định” vốn khó nắm bắt. Thuật ngữ này ám chỉ một dự đoán đã có từ lâu rằng đầu chưa lập đồ thị của bảng tuần hoàn hóa học có thể chứa một nhóm nguyên tố siêu nặng, bền lạ thường ở những cấu hình đi cùng với số thần kì ở những hạt nhân nặng nhất. Những nguyên tử có số nguyên tử lên tới 118 đã được suy luận là những sản phẩm hiếm sống sót từ những phản ứng bay hơi nhiệt hạch tại JINR giữa những chùm ion calcium-48 và những tấm bia nặng, phóng xạ cấu tạo từ những đồng vị phân tách hóa học của những nguyên tố phóng xạ cao bao gồm plutonium-244, curium-245 and -248, và californium-249. Những hạt nhân hiếm này đã được nhận ra bởi sự phân hủy liên tiếp của những hạt alpha, thường kết thúc trong một sự kiện phân hạch tự phát được ghi lại trong cùng một điểm của máy dò hạt tích điện. Nhưng trong khi hòn đảo ổn định được cho là bắt đầu với những hạt nhân chứa khoảng 114 proton – và có khả năng vượt xa đến những hạt nhân có 126 proton – vấn đề là những hạt nhân này có khả năng có khoảng 184 neutron, một con số cao hơn so với cái hiện nay thu được bằng những phản ứng bay hơi nhiệt hạch với những chùm hạt bền. Có khả năng là nhiều năm nữa chúng ta mới có thể với tới trung tâm của hòn đảo của những hạt nhân bền siêu nặng đó.
Các giới hạn của đồ thị hạt nhân, cả ở số proton lẫn số neutron, tỏ ra là một lĩnh vực nghiên cứu có nhiều thành tựu trong 10 năm qua. Hướng tới thập niên trước mắt, có khả năng là các thí nghiệm sử dụng những chùm cường độ rất mạnh, những tấm bia phóng xạ đã làm lạnh và những hệ thống dò tìm phát hiện cực kì hiệu quả, sẽ đẩy bảng tuần hoàn hóa học lên tới Z = 120 và có lẽ còn cao hơn nữa. Các giới hạn của đồ thị hạt nhân ở phía thiếu neutron cũng đã được nghiên cứu rộng rãi, và sự phát triển của những cơ sở mới như Cơ sở Nghiên cứu Phản Proton và Ion (FAIR) tại GSI, Cơ sở Chùm Ion Phóng xạ tại RIKEN ở Nhật Bản, và Cơ sở Chùm Đồng vị Hiếm ở trường Đại học bang Michigan ở Mĩ sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đẩy xa hơn nữa những hệ giàu neutron nhất. Đã có nghiên cứu cho rằng những hệ như thế có thể có những tính chất vật lí rất khác với vật chất hạt nhân bình thường, kể cả những lớp “da” neutron bên ngoài. Những hạt nhân này là những mảnh quan trọng trong trò chơi sản sinh những nguyên tố bền trong tự nhiên nhưng, ít nhất là hiện nay, những hệ giàu neutron nhất vẫn cứ khó nắm bắt được.
Tóm tắt
- Một mục tiêu chỉnh của vật lí hạt nhân là tạo ra và nhận dạng những nguyên tố mới, từ đó xác định lại các giới hạn của bảng tuần hoàn hóa học
- Những thách thức tương tự xuất hiện khi tạo ra những hạt nhân “lạ” – biến thể của những nguyên tố hiện có với tỉ số proton trên neutron cao hoặc thấp khác thường
- Những hạt nhân nặng lạ có thể được tạo ra hoặc bằng cách hợp nhất những hạt nhân nhỏ hơn hoặc bằng cách bóc chúng ra khỏi những hạt nhân nặng hơn
- Các nỗ lực đang triển khai nhằm xác nhận các tiên đoán về những nguyên tố “siêu nặng” bền hơn và sống dai hơn với số lượng “thần kì” neutron và proton
Tham khảo
N Al-Dahan et al. 2009 Nuclear structure southeast of 208Pb: isomeric states in 208Hg and 209Tl Phys. Rev. C 80 061302(R)
A B Garnsworthy et al. 2008 Neutron–proton pairing competition in N = Z nuclei: metastable state decays in the proton dripline nuclei 82Nb and 86Tc Phys. Lett. B 660 326
Yu Ts Oganessian et al. 2011 Eleven new heaviest isotopes of elements Z = 105 to Z = 117 identified among the products of the 249Bk + 48Ca reactions Phys. Rev. C 83 054315
T Sumikama et al. 2011 Structural evolution in the neutron-rich nuclei 106Zr and 108Zr Phys. Rev. Lett. 106 202501
