Bỏ qua điều hướng

Hàng loạt đồng vị phóng xạ mới phát hiện ở Nhật

Hàng loạt đồng vị phóng xạ mới phát hiện ở Nhật
Nguồn ảnh: KhoaHoc.tv

Các nhà vật lý Nhật bản, trên tạp chí Physicsworld tháng 7/2010, cho biết bảng liệt kê số hạt nhân đã biết được kéo dài thêm một cách ấn tượng với 45 đồng vị giàu nơtron mới. Các hạt nhân này được tạo thành trong phòng thí nghiệm của RIKEN bằng cách bắn một chùm cực mạnh ion nặng vào những tấm bia B...

Các nhà vật lý Nhật bản, trên tạp chí Physicsworld tháng 7/2010, cho biết bảng liệt kê số hạt nhân đã biết được kéo dài thêm một cách ấn tượng với 45 đồng vị giàu nơtron mới. Các hạt nhân này được tạo thành trong phòng thí nghiệm của RIKEN bằng cách bắn một chùm cực mạnh ion nặng vào những tấm bia Berylium và Chì.

RIKEN là tên viết tắt của Viện Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên, một trung tâm khoa học lớn và nổi tiếng của Nhật Bản, được thành lập từ năm 1917 với 3.000 khoa học gia làm việc ở 7 cơ sở rải rác trên đất nước Mặt Trời mọc. Trong đó, cơ sở chính là Wako nằm ở ngoại ô Tokyo.

Cỗ máy lớn BigRIPS đã tìm được 45 đồng vị phóng xạ mới.

45 đồng vị được phát hiện ở RIKEN là đồng vị phóng xạ. Cũng cần nhắc lại một khái niệm đã biết: Một nguyên tố hóa học, ví như Sắt (ký hiệu hóa học Fe), Đồng (Cu) v.v…, bao gồm nhiều đồng vị có cùng nguyên tử số Z và khác nhau số nơtron N, trong số đó có cả đồng vị phóng xạ và đồng vị bền. Đồng vị phóng xạ khác với đồng vị bền ở chỗ nhiều hơn hay ít hơn số nơtron so với đồng vị bền, do đó sẽ bị phân rã để trở thành những hạt nhân bền hơn.

Các nhà vật lý ở RIKEN, từ những năm 1980, bắt đầu tạo ra đồng vị phóng xạ trên chiếc máy gia tốc sơ khai của mình. Từ một máy gia tốc hạt ban đầu ấy, RIKEN xây dựng và đã đưa vào vận hành một cỗ máy cái lớn gọi là Nhà máy Chùm Đồng vị Phóng xạ “khủng” (RIBF hay BigRIBF) giá trị đến nửa Tỷ USD. Trên thế giới có vài nhà máy tương tự, nhưng chỉ ở RIKEN thiết bị đầu tiên thuộc loại này thực sự bắt đầu hoạt động.

Cỗ máy lớn BigRIBF hoạt động như sau: một số máy gia tốc cyclotrons nối nhau để gia tốc chùm hạt nhân của bất kỳ nguyên tố nào, từ nhẹ là hydro (H) cho đến nặng nhất là uranium (U). Các hạt, sau khi được tăng tốc, bắn vào các tấm bia bằng Berylium hay Chì, quá trình bắn phá hay phản ứng phân chia xảy ra dẫn đến hàng loạt hạt nhân không bền mới giàu nơtron được tạo thành, rồi được gom lại, phân loại và phân tích nhờ một hệ thiết bị siêu dẫn.

Nhờ cỗ máy cái BigRIBF, số đồng vị phóng xạ mới tạo ra tăng thêm nhiều hơn. Hơn nữa, nhiều tính chất của các hạt nhân mới này, như thời gian sống, khối lượng, phổ bức xạ phát ra v.v… cũng được xác định, mở rộng sự hiểu biết về cấu trúc và nguồn gốc của các hạt nhân nguyên tử.

Quả vậy. Ngay sau khi khởi động vào năm 2007, các tập thể khoa học RIKEN, có cả người nước ngoài (Đức, Nga, Việt Nam v.v...), với thí nghiệm thực hiện trên chùm đạn U-238 của BigRIBF, đã phát hiện được hai đồng vị mới của Palladium.

Các nhà khoa học Nhật lại tiếp tục cải tiến hệ máy gia tốc, tăng cường độ chùm hạt gia tốc lên đến 50 lần, đến tháng 11/2008 tiến hành thí nghiệm lần thứ hai, đồ sộ hơn và káo dài 4 ngày đêm. Trong suốt một năm rưởi sau đó, tập thể các nhà nghiên cứu đã phân tích tỉ mỉ mọi số liệu thu được từ các phản ứng hạt nhân xảy ra trong thí nghiệm. Kết quả là thu được một “mẻ” lớn 45 đồng vị mới chưa hề biết trước đó.

Trong số 45 đồng vị phóng xạ mới đó, đặc biệt tìm thấy đồng vị palladium-128. Đây là điều rất thú vị, vì đồng vị này đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật lý thiên văn.

Cùng với palladium-128, đồng vị nickel-79 cũng được phát hiện. Cả hai loại hạt nhân mới này tạo nên sự hấp dẫn khác về mặt lý thuyết cấu trúc hạt nhân. Hạt nhân palladium-128 có số “magic” nơtron N = 82, do đó hẳn phải bền hơn nhiều so với những hạt nhân có số nơtron nhiều hay ít hơn. Còn nickel-79 có số nơtron 51, tức chỉ có duy nhất 1 nơtron nằm ngoài các lớp nơtron lấp đầy với 50 hạt. Nơtron “thừa” thứ 51 này hẳn phải liên kết yếu với hạt nhân, và nickel-79 hẳn rất kém bền vững. Vì thế, hai đồng vị nói trên có ý nghĩa đặc biệt, có thể dùng để đánh giá sự đúng đắn của mẫu lớp hạt nhân.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn cho rằng, với 45 đồng vị phóng xạ mới “xuất xưởng” này, hy vọng sẽ còn có hàng ngàn đồng vị khác nữa tiếp tục ra đời, từ đó nhân loại sẽ hiểu biết sâu hơn về các quá trình xảy ra trong vũ trụ, về cấu tạo của thế giới vật chất, đồng thời tạo nên những bước phát triển mới trong lĩnh vực công nghệ y học phục vụ con người.

Các cỗ máy cái đồ sộ tương tự cũng đang được xây dựng ở châu Âu, Mỹ quốc. Dự án FAIR ở trung tâm GSI ở Darmstadt (Đức) và hệ RIBF ở Đại học Michigan (Mỹ) cũng có những chương trình lớn, không chỉ về vật lý hạt nhân, mà cả về vật lý nguyên tử, vật lý plasma và vật lý hadron hay hạt cơ bản.

Tháng 7/2010, tạp chí Physicsworld đưa tin các nhà vật lý Nhật Bản bổ sung 45 đồng vị giàu nơtron vào danh sách những hạt nhân từng được biết đến. Thành quả này đến từ các thí nghiệm tại RIKEN, nơi một chùm ion nặng cực mạnh được gia tốc rồi bắn vào những tấm bia bằng Berylium và Chì. Phát hiện gây chú ý không chỉ vì số lượng lớn, mà còn vì mỗi hạt nhân mới mở thêm một cửa sổ quan sát cấu trúc vật chất và những quá trình diễn ra trong vũ trụ. RIKEN là tên viết tắt của Viện Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên Nhật Bản, trung tâm lớn thành lập từ năm 1917, hiện quy tụ khoảng 3.000 khoa học gia tại bảy cơ sở trên khắp đất nước. Cơ sở chính Wako nằm ở ngoại ô Tokyo, đồng thời là nơi đặt nhiều thiết bị nghiên cứu quan trọng phục vụ vật lý hạt nhân hiện đại. Từ những máy gia tốc sơ khai bắt đầu hoạt động trong thập niên 1980, RIKEN từng bước xây dựng năng lực tạo ra, thu gom và nghiên cứu các đồng vị phóng xạ rất hiếm. Trọng tâm của chương trình là Nhà máy Chùm Đồng vị Phóng xạ, thường gọi RIBF hoặc BigRIBF, công trình trị giá đến nửa tỷ USD. Hệ thống gồm nhiều máy gia tốc cyclotron nối tiếp, có thể tăng tốc chùm hạt nhân của nhiều nguyên tố, từ hydro nhẹ nhất đến uranium nặng nhất. Khi chùm hạt đập vào bia Berylium hoặc Chì, các phản ứng phân chia tạo ra hàng loạt hạt nhân mới, thường không bền và giàu nơtron. Sau phản ứng, những hạt nhân vừa sinh ra được gom lại, phân loại rồi phân tích bằng một hệ thiết bị siêu dẫn, giúp các nhà nghiên cứu nhận diện từng loại trong hỗn hợp phức tạp. Một nguyên tố như Sắt, ký hiệu Fe, hay Đồng, ký hiệu Cu, có thể gồm nhiều đồng vị cùng nguyên tử số Z nhưng khác số nơtron N. Đồng vị phóng xạ thường có lượng nơtron lệch khỏi trạng thái bền, vì vậy hạt nhân sẽ phân rã để tiến tới cấu hình ổn định hơn. BigRIBF không chỉ làm tăng nhanh số lượng đồng vị phóng xạ được tạo ra, mà còn cho phép đo thời gian sống, khối lượng và phổ bức xạ phát ra từ chúng. Những thông tin này giúp giới khoa học kiểm tra cách các proton và nơtron sắp xếp bên trong hạt nhân, đồng thời làm rõ hơn nguồn gốc của các hạt nhân nguyên tử. Thiết bị đầu tiên thuộc loại này thực sự đi vào hoạt động tại RIKEN, dù trên thế giới khi đó đã có một vài nhà máy tương tự. Ngay sau khi khởi động năm 2007, các nhóm nghiên cứu RIKEN, trong đó có nhà khoa học đến từ Đức, Nga, Việt Nam và nhiều nước khác, đã dùng chùm đạn U-238 để tiến hành thí nghiệm. Kết quả ban đầu là hai đồng vị mới của Palladium, cho thấy BigRIBF nhanh chóng chứng minh năng lực tạo ra những hạt nhân chưa từng được ghi nhận. Sau đó, các nhà khoa học Nhật tiếp tục cải tiến hệ gia tốc, nâng cường độ chùm hạt lên 50 lần trước thí nghiệm lớn thứ hai vào tháng 11/2008. Thí nghiệm lần thứ hai kéo dài bốn ngày đêm, nhưng việc xử lý dữ liệu không kết thúc cùng thời điểm máy ngừng hoạt động. Trong khoảng một năm rưỡi tiếp theo, các nhà nghiên cứu phân tích tỉ mỉ số liệu từ những phản ứng hạt nhân, cuối cùng xác định một “mẻ” gồm 45 đồng vị mới. Con số này tạo dấu mốc đáng kể cho nỗ lực mở rộng bản đồ hạt nhân, đặc biệt ở vùng giàu nơtron vốn còn ít được khám phá. Nổi bật trong danh sách là palladium-128, đồng vị được quan tâm vì có vai trò quan trọng trong các nghiên cứu vật lý thiên văn liên quan đến sự hình thành nguyên tố. Nickel-79 cũng gây chú ý, bởi nó có 51 nơtron, chỉ thêm một nơtron bên ngoài lớp đã lấp đầy với 50 nơtron, trong khi palladium-128 có số magic nơtron N = 82. Hai trường hợp đối lập này cung cấp phép thử giá trị cho các mẫu lớp hạt nhân, đồng thời nuôi hy vọng tạo thêm hàng ngàn đồng vị, mở rộng hiểu biết về vũ trụ, vật chất và những ứng dụng tương lai trong công nghệ y học phục vụ con người.