Benjamin Crowell
2.10 Sự hình thành các nguyên tố
Sự hình thành hydrogen và helium trong Big Bang
Có phải mọi nguyên tố hóa học cấu thành nên chúng ta đều có nguồn gốc từ trong Big Bang ? Nhiệt độ trong những micro giây đầu tiên sau Big Bang là quá cao nên các nguyên tử và hạt nhân nói chung không thể giữ lại với nhau. Sau khi mọi thứ lạnh xuống đủ cho nguyên tử và hạt nhân tồn tại, có một thời kì khoảng chừng ba phút trong đó nhiệt độ và mật độ đủ cao cho sự nhiệt hạch xảy ra, nhưng không quá cao nên các nguyên tử có thể giữ lại với nhau. Chúng ta có được sự hiểu biết tốt và tường tận về các định luật vật lí áp dụng dưới những điều kiện này, nên các nhà lí thuyết có thể nói quả quyết rằng nguyên tố duy nhất nặng hơn hydrogen được tạo ra với số lượng đáng kể là helium.
Chúng ta là bụi sao
Trong trường hợp đó, mọi nguyên tố hóa học có từ đâu ? Các nhà thiên văn đã tiến gần tới câu trả lời. Bằng cách nghiên cứu sự kết hợp của những bước sóng ánh sáng, gọi là quang phổ, phát ra từ những ngôi sao khác nhau, họ đã có thể xác định loại nguyên tử mà chúng chứa. (Chúng ta sẽ nói nhiều hơn về quang phổ ở phần cuối cuốn sách này). Họ nhận thấy các sao chia ra làm hai loại. Một loại hầu như 100% là hydrogen và helium, còn loại kia chứa 99% hydrogen và helium và 1% các nguyên tố khác. Họ giải thích đây là hai thế hệ sao. Thế hệ thứ nhất hình thành từ những đám khí còn mới nguyên từ Big Bang, và thành phần của chúng phản ánh thành phần của vũ trụ sơ khai. Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, mà nhờ đó chúng chiếu sáng, chỉ làm tăng tỉ lệ tương đối của helium so với hydrogen, chứ không tạo ra bất kì nguyên tố nặng hơn nào.
y/ Tinh vân Con Cua là tàn dư của một vụ nổ sao siêu mới. Hầu như mọi nguyên tố cấu thành nên hành tinh của chúng ta có nguồn gốc từ những vụ nổ như thế.
Tuy nhiên, những thành viên thuộc thế hệ thứ nhất mà chúng ta thấy ngày nay chỉ là những thành viên đã sống một thời gian lâu dài. Những ngôi sao nhỏ bủn xỉn với nhiên liệu của chúng hơn so với những ngôi sao lớn, chúng có thời gian sống ngắn. Những ngôi sao lớn thuộc thế hệ thứ nhất vừa hoàn tất cuộc đời của chúng. Gần cuối quãng thời gian sống của nó, ngôi sao cạn kiệt hydrogen và chịu một loạt sự tái cấu trúc dữ dội và ngoạn mục khi nó làm tan chảy những nguyên tố ngày càng nặng hơn. Những ngôi sao rất lớn kết thúc chuỗi sự kiện này bằng sự bùng nổ sao siêu mới, trong đó một số vật chất của chúng bị ném vào không gian, còn phần còn lại thì đổ sập lại thành một đối tượng kì lạ, như lỗ đen hay sao neutron.
Thế hệ sau thứ hai, trong số đó Mặt Trời của chúng ta là một ví dụ, cô đặc từ những đám mây khí đã được làm giàu thêm những nguyên tố nặng do sự bùng nổ sao siêu mới. Đó là những nguyên tố nặng cấu tạo nên hành tinh của chúng ta và cơ thể của chúng ta.
Sự tổng hợp nhân tạo các nguyên tố nặng
Các nguyên tố lên tới uranium, số nguyên tử 92, được tạo ra bởi những quá trình thiên văn này. Cao hơn số nguyên tử đó, lực đẩy điện của các proton tăng lên dẫn tới chu kì bán rã càng ngắn lại. Cho dù một sao siêu mới một tỉ năm trước đây thật sự đã tạo ra một số lượng của một nguyên tố như berkelium, số nguyên tử 97, nhưng nó không còn gì trong lớp vỏ Trái Đất ngày nay. Những nguyên tố nặng nhất đều được tạo ra bằng những phản ứng nhiệt hạch nhân tạo trong các máy gia tốc. Như vào năm 2006, nguyên tố nặng nhất được tạo ra là nguyên tố 116. [Một khẳng định trước đó đã tạo ra được nguyên tố 116 do một nhóm tại Berbeley công bố hóa ra là một trò gian lận khoa học, nhưng nguyên tố đó sau đó đã được tạo ra bởi một nhóm khác, tại Dubna, Nga].
z/ Cấu tạo của máy gia tốc UNILAC ở Đức, một trong những máy được sử dụng cho thí nghiệm tạo ra những nguyên tố rất nặng. Trong một thí nghiệm như thế, sản phẩm nhiệt hạch nảy trở lại qua một dụng cụ gọi là SHIP (không có trong hình) tách chúng ra dựa trên tỉ số điện tích trên khối lượng của chúng – về cơ bản, nó chỉ là một mẫu quy mô lớn của thiết bị của Thomson. Một thí nghiệm tiêu biểu hoạt động trong vài tháng, và sản phẩm của hàng tỉ phản ứng nhiệt hạch sinh ra trong thời gian này, chỉ một hoặc hai có thể mang lại sự sản sinh các nguyên tố siêu nặng. Trong phần còn lại, hạt nhân tan chảy vỡ tan ngay tức thì. SHIP được dùng để nhận dạng số lượng nhỏ phản ứng “tốt” và tách chúng ra khỏi toàn cảnh dữ dội này.
Mặc dù việc tạo ra một nguyên tố mới, tức là một nguyên tử có số proton mới lạ, về phương diện lịch sử đã được xem là một thành tựu đầy quyến rũ, nhưng đối với nhà vật lí hạt nhân, việc tạo ra một nguyên tử có số neutron cho đến nay không ai thấy cũng có tầm quan trọng không kém. Số neutron lớn nhất đạt được từ trước đến nay là 179. Một mục tiêu trêu ngươi của loại nghiên cứu này là tiên đoán lí thuyết có thể có một ốc đảo ổn định nằm ngoài chóp biểu đồ hạt nhân đã được khảo sát tỉ mỉ trước đây, đã nói tới trong phần 2.8. Giống hệt như số lượng electron nhất định đã đưa tới sự ổn định hóa tính của các chất khí trơ (helium, neon, argon…), số lượng neutron và proton nhất định cũng đưa tới sự sắp xếp ổn định đặc biệt của các quỹ đạo. Những tính toán lùi lại thập niên 1960 cho biết có thể có hạt nhân tương đối bền có khoảng 114 proton và 184 neutron. Các đồng vị của nguyên tố 114 và 116 đã được tạo ra trước đây có chu kì bán ra trong ngưỡng giây hoặc mili giây. Giá trị này không thể xem là rất lâu, nhưng thời gian sống trong ngưỡng micro giây thì điển hình hơn đối với các nguyên tố siêu nặng đã được khám phá trước đây. Còn có suy đoán cho rằng những đồng vị siêu nặng nhất định sẽ đủ bền để được tạo ra với số lượng chẳng hạn cân được hay dùng trong các phản ứng hóa học.
Còn tiếp....
