Bài giảng Điện học (Phần 12)

Benjamin Crowell

2.6 Lực hạt nhân yếu; phân rã beta

Mọi quá trình hạt nhân mà chúng ta đã nói tới ở trên đều liên quan tới sự sắp xếp của các proton và neutron, không có sự thay đổi nào ở tổng số proton hay tổng số neutron. Bây giờ hãy xét tỉ lệ neutron và proton trong cơ thể bạn và trong hành tinh Trái Đất: neutron và proton nhiều xấp xỉ bằng nhau trong hạt nhân cacbon và oxygen trong cơ thể bạn, và cũng như trong nikel và sắt cấu thành nên đa phần Trái Đất. Tỉ lệ khoảng chừng 50 – 50. Nhưng, như thảo luận chi tiết hơn trong phần 2.10 không bắt buộc, những nguyên tố hóa học duy nhất được tạo ra với số lượng đáng kể trong Big Bang là hydrogen (khoảng 90%) và helium (khoảng 10%). Nếu vũ trụ sơ khai hầu như không có gì cả ngoài các nguyên tử hydrogen, hạt nhân của chúng chỉ là proton, thì tất cả neutron từ đâu mà có ?

Câu trả lời là có một lực hạt nhân nữa, lực hạt nhân yếu, có khả năng chuyển hóa neutron thành proton và ngược lại. Hai phản ứng có khả năng là:

(Cũng còn có một loại thứ ba gọi là bắt electron, trong đó một proton tóm lấy một trong số các electron của nguyên tử và chúng tạo ra một neutron và một neutrino).

Trong khi phân hủy alpha và sự phân hạch chỉ là sự phân chia lại của những hạt đã tồn tại trước đó, thì những phản ứng này liên quan tới sự phân hủy một hạt và hình thành ba hạt mới trước đó không tồn tại.

Ở đây có ba hạt mới bạn chưa bao giờ gặp từ trước tới giờ. Kí hiệu e⁺ dành cho phản electron, hạt giống hệt electron về mọi mặt, trừ ở chỗ điện tích của nó là dương chứ không phải âm. Phản electron còn được gọi là positron. Không ai biết tại sao electron thì phổ biến trong vũ trụ, còn phản electron thì lại khan hiếm. Khi một phản electron chạm phải một electron, chúng hủy lẫn nhau, tạo ra tia gamma, và đây là định mệnh của mọi phản electron sinh ra bởi sự phóng xạ tự nhiên trên Trái Đất. Phản electron là một ví dụ của phản vật chất. Một nguyên tử hoàn toàn phản vật chất sẽ gồm các phản proton, phản electron và phản neutron. Mặc dù từng hạt phản vật chất xuất hiện phổ biến trong tự nhiên do sự phóng xạ tự nhiên và tia vũ trụ, nhưng chỉ có một vài nguyên tử hoàn toàn phản hydrogen được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo.

Kí hiệu n dành cho một hạt gọi là neutrino, và ν~ có nghĩa là phản neutrino. Neutrino và phản neutrino đều không có điện tích (vì thế mới có tên).

Giờ chúng ta hãy liệt kê bốn lực cơ bản của vật lí:

• lực hấp dẫn
• lực điện từ
• lực hạt nhân mạnh
• lực hạt nhân yếu

Các lực khác mà chúng ta đã biết, như lực ma sát và lực thông thường, đều phát sinh từ tương tác điện từ giữa các nguyên tử, và do đó không được xem là lực cơ bản của vật lí học.

Ví dụ 2. Phân rã của ²¹²Pb

Như một ví dụ, hãy xét đồng vị phóng xạ của chì ²¹²Pb. Nó gồm 82 proton và 130 neutron. Nó phân rã bởi quá trình n → p + e ^- + ν~. Proton mới sinh được giữ bên trong hạt nhân bằng lực hạt nhân mạnh, nên hạt nhân mới chứa 83 proton và 129 neutron. Có 83 proton khiến nó là nguyên tố bismuth, nên nó sẽ là nguyên tử ²¹²Bi.

Trong một phản ứng giống như phản ứng này, electron bay ra ở tốc độ cao (thường gần tốc độ ánh sáng), và electron thoát ra là thứ khiến cho một lượng lớn loại phóng xạ này trở nên nguy hiểm. Electron thoát ra là cái đầu tiên mách nước cho các nhà khoa học đầu những năm 1900 về sự tồn tại của loại phóng xạ này. Vì họ không biết các hạt phát ra là electron, nên họ gọi chúng là hạt beta, và loại phân rã phóng xạ này do đó có tên là phân rã beta. Một thuật ngữ sáng sủa hơn nhưng kém thông dụng gọi hai quá trình này là phân hủy electron và phân hủy positron.

Neutrino hay phản neutrino phát ra trong một phản ứng đẹp như thế bỏ qua hết mọi vật chất, vì nó không có điện tích nên nó được miễn trừ lực điện, và nó cũng vẫn tách khỏi tương tác hạt nhân mạnh. Cho dù là nó bay ra thẳng xuống đất, thì hầu như nhất định nó sẽ đi qua toàn bộ Trái Đất mà không tương tác với bất kì nguyên tử nào theo bất kì kiểu nào. Nó sẽ bay ra ngoài không gian xa thẳm mãi mãi. Hành vi của neutrino khiến nó cực kì khó phát hiện, và khi phân rã beta lần đầu tiên được phát hiện, không ai nhận ra neutrino tồn tại. Ngày nay chúng ta biết neutrino mang hết một số năng lượng sinh ra trong phản ứng, nhưng vào lúc đó, người ta thấy hình như năng lượng toàn phần sau phản ứng (không tính đến năng lượng của neutrino) lớn hơn năng lượng toàn phần trước phản ứng, vi phạm sự bảo toàn năng lượng. Các nhà vật lí đã sẵn sàng ném nguyên lí bảo toàn năng lượng ra ngoài cửa sổ như một định luật cơ bản của vật lí khi bằng chứng gián tiếp  dẫn họ tới kết luận rằng neutrino tồn tại.

Vấn đề neutrino Mặt Trời

Những hạt neutrino này là gì ? Tại sao trước đây bạn chưa hề nghe nói tới chúng ? Không phải vì chúng khan hiếm – khoảng một tỉ neutrino đi xuyên qua cơ thể bạn trong mỗi micro giây, nhưng cho đến gần đây hầu như người ta chẳng biết gì về chúng. Được tạo ra như một hiệu ứng phụ của phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng cho Mặt Trời và những ngôi sao khác, những mảnh vật chất ma quỷ này được cho là hạt có số lượng nhiều nhất trong vũ trụ. Nhưng chúng tương tác quá yếu với vật chất thông thường nên hầu như toàn bộ neutrino đi vào Trái Đất ở phía bên này sẽ đi ra phía bên kia hành tinh của chúng ta mà không hề bị làm cho chậm lại.

Cái nhìn trộm thật sự của chúng ta vào tính chất của neutrino hay lảng tránh đến từ một máy dò khổng lồ đặt trong một mỏ thiếc ở Nhật Bản, s. Một đội các nhà vật lí quốc tế đã trang bị cho hầm mỏ phủ kín những bộ cảm biến ánh sáng, và rồi lấp đầy toàn bộ mọi thứ trong nước tinh khiết đến mức bạn có thể nhìn xuyên qua nó một trăm mét, so với chi vài mét nước vòi chảy bình thường. Dòng neutrino liên tục đi qua 50 triệu lít nước, giống như chúng đã gây ngập lụt mọi thứ khác xung quanh chúng ta, và đa số chúng không bao giờ tương tác với một phân tử nước. Tuy nhiên, một phần trăm rất nhỏ thật sự tự hủy trong nước, và lóe sáng nhỏ xíu mà chúng tạo ra có thể phát hiện bởi các ống chân không có kích thước bằng quả bóng chuyền bãi biển nằm sắp hàng trong hầm mỏ tối đen. Đa số neutrino xung quanh chúng ta đến từ Mặt Trời, nhưng vì những lí do kĩ thuật, loại máy dò kiểu nước này lại nhạy hơn với những neutrino kém phổ biến nhưng có năng lượng tính cao hơn tạo ra khi các tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển của Trái Đất.

Neutrino được biết là có ba “mùi”, có thể phân biệt chúng bằng những hạt sinh ra khi chúng va chạm với vật chất. Một “neutrino mùi electron” tạo ra một electron bình thường khi chúng phân hủy, còn hai loại kia tạo ra những hạt kì lạ hơn gọi là hạt mu và tau. Hãy nghĩ ba loại neutrino là sôcôla, vani và dâu. Khi bạn mua một nón kem sôcôla, bạn mong rằng nó sẽ giữ vị sôcôla khi bạn ăn nó. Kết quả không mong đợi từ thí nghiệm ở Nhật Bản là một số neutrino thay đổi mùi vị giữa thời gian khi chúng được tạo ra bởi tia vũ trụ và thời điểm khi chúng nhấp nháy chứng tỏ tồn tại trong nước. Trong chừng mực nào đó, nó giống như nón kem sôcôla của bạn đã tự chuyển hóa một cách kì diệu sang vị dâu khi bạn quay lưng sang chỗ khác.

Làm thế nào các nhà vật lí tìm hiểu được sự thay đổi mùi vị đó ? Thí nghiệm đó phát hiện một số neutrino phát sinh trong bầu khí quyển phía trên Nhật Bản, và cũng có nhiều neutrino đến từ những phần xa xôi trên Trái Đất. Một neutrino tạo ra phía trên Đại Tây Dương đến Nhật Bản từ dưới lòng đất, và thí nghiệm đó có thể phân biệt những neutrino xuyên từ dưới lên này với neutrino địa phương xuyên từ trên xuống. Họ tìm thấy hỗn hợp neutrino đến từ phía dưới khác với hỗn hợp neutrino đến từ phía trên, với một số neutrino mùi electron và mùi tau rõ ràng biến đổi thành neutrino mùi mu trong hành trình của chúng xuyên qua Trái Đất. Những neutrino đến từ phía trên không có thời gian để biến đổi mùi trong hành trình ngắn hơn nhiều của chúng.

Điều này được hiểu là bằng chứng cho thấy neutrino liên tục biến đổi tới lui giữa ba mùi. Trên cơ sở lí thuyết, người ta tin rằng một sự dao động như thế chỉ có thể xảy ra nếu như neutrino có khối lượng. Ở đây chỉ có thể có một ước tính thô về khối lượng đó: hình như neutrino có khối lượng đâu đó trong khoảng lân cận một phần tỉ khối lượng của một electron, hay khoảng 10^-39 kg.

Nếu khối lượng neutrino quá nhỏ như vậy, nó có còn là vật chất không ? Nó có ý nghĩa với các nhà thiên văn học. Neutrino là những hạt duy nhất có thể dùng để khảo sát những hiện tượng nhất định. Ví dụ, chúng là máy dò trực tiếp duy nhất mà chúng ta có để kiểm tra mô hình của chúng ta về lõi của Mặt Trời của chúng ta, nguồn năng lượng cho mọi sự sống trên Trái Đất. Một khi các nhà thiên văn có được sự nắm bắt tốt về những tính chất cơ bản của neutrino, họ có thể bắt đầu nghĩ một cách nghiêm túc việc sử dụng chúng cho mục đích thiên văn học. Như trong năm 2006, khối lượng neutrino đã được xác nhận bằng một thí nghiệm dựa trên máy gia tốc, và những quan sát neutrino đã và đang hoạt động trong vài năm ở Nam Cực, sử dụng khối băng tự nhiên khổng lồ theo kiểu giống như nước dùng trong thí nghiệm ở Nhật Bản.

Câu hỏi thảo luận

A. Trong các phản ứng n → p + e ^- + ν~ và p → n + e ⁺ + ν, hãy kiểm tra điện tích được bảo toàn. Trong phân rã beta, khi một trong những phản ứng này xảy ra với một neutron hay proton trong một hạt nhân, một hay nhiều tia gamma cũng có thể được phát ra. Hiện tượng này có ảnh hưởng tới sự bảo toàn điện tích ? Có khả năng cho một số electron nữa được giải phóng mà không vi phạm sự bảo toàn điện tích hay không ?

B. Khi một phàn electron và một electron hủy nhau, chúng tạo ra hai tia gamma. Điện tích có được bảo toàn trong phản ứng này ?

u/ 1. Nguồn gốc năng lượng Mặt Trời của chúng ta là sự nhiệt hạch hạt nhân, nên sự nhiệt hạch hạt nhân cũng là nguồn cung cấp năng lượng cho mọi sự sống trên Trái Đất, trong đó có cánh rừng nhiệt đới này ở Fatu-Hiva, 2. 3. Sự giải phóng năng lượng lần đầu tiên bởi sự nhiệt hạch hạt nhân bằng công nghệ của con người là vụ thử  Ivy Mike năm 1952 tại Enewetak Atoll. 4. Dãy máy dò tia gamma này có tên là GAMMASPHERE. Khi hoạt động, dãy này đóng lại, và một chùm ion tạo ra bởi một máy gia tốc hạt va chạm với bia tại tâm của nó, tạo ra phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Nghiên cứu tia gamma có thể cung cấp thông tin về cấu trúc của hạt nhân nóng chảy, những trạng thái thường không tìm thấy trong tự nhiên. 5. Sự phân hạch hạt nhân hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch, vô tận. Tuy nhiên, mục tiêu của năng lượng nhiệt hạch hạt nhân có thể thực hiện về mặt thương mại vẫn còn khó nắm được, do những khó khăn kĩ thuật, như việc giam giữ bằng từ một khối plasma (khí ion hóa) ở một nhiệt độ và mật độ đủ cao. Hình này cho thấy lò phản ứng thí nghiệm JET, với thiết bị mở phía bên trái, và đang hoạt động ở phía bên phải.

Còn tiếp...

Xem lại Phần 11

Bài trước | Bài kế tiếp