Bài giảng Điện học (Phần 15)

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 ?
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 15) Bài giảng Điện học (Phần 15) 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 từtrong Big Bang ? Nhi ệt độ trong những micro giây đầu tiên sau Big Bang là quá caonên các nguyên tử và hạt nhân nói chung không thể giữ lại với nhau. Sau khi mọithứ lạnh xuống đủ cho nguyên tử và hạt nhân tồn tại, có một thời kì khoảng chừngba phút trong đó nhiệt độ và mật độ đủ cao cho sự nhiệt hạch xảy ra, nhưng khôngquá cao nên các nguyên tử có thể giữ lại với nhau. Chúng ta có được sự hiểu biếttốt và tường tận về các định luật vật lí áp dụng dưới những điều kiện này, nên cácnhà lí thuyết có thể nói quả quyết rằng nguyên tố duy nhất nặng hơn hydrogenđược 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 vănđã tiến gần tới câu trả lời. Bằng cách nghiên cứu sự kết hợp của những bước sóngánh sáng, gọi là quang phổ, phát ra từ những ngôi sao khác nhau, họ đã có thể xácđịnh loại nguyên tử mà chúng chứa. (Chúng ta sẽ nói nhiều hơn về quang phổ ởphần cuối cuốn sách này). Họ nhận thấy các sao chia ra làm hai loại. Một loại hầunhư 100% là hydrogen và helium, còn loại kia chứa 99% hydrogen và helium và1% các nguyên tố khác. Họ giải thích đây là hai thế hệ sao. Thế hệ thứ nhất hìnhthành từ những đám khí còn mới nguyên từ Big Bang, và thành phần của chúngphản ánh thành phần của vũ trụ sơ khai. Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, mà nhờ đóchúng chiếu sáng, chỉ làm tăng tỉ lệ tương đối của helium so với hydrogen, chứkhông 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 ngàynay chỉ là những thành viên đã sống một thời gian lâu dài. Những ngôi sao nhỏ bủnxỉn với nhiên liệu của chúng hơn so với những ngôi sao lớn, chúng có thời giansống ngắn. Những ngôi sao lớn thuộc thế hệ thứ nhất vừa hoàn tất cuộc đời củachúng. Gần cuối quãng thời gian sống của nó, ngôi sao cạn kiệt hydrogen và chịumột loạt sự tái cấu trúc dữ dội và ngoạn mục khi nó làm tan chảy những nguyên tốngày càng nặng hơn. Những ngôi sao rất lớn kết thúc chuỗi sự kiện này bằng sựbùng 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 saoneutron. Thế hệ sau thứ hai, trong số đó Mặt Trời của chúng ta là một ví dụ, cô đặc từnhững đám mây khí đã được làm giàu thêm những nguyên tố nặng do sự bùng nổsao siêu mới. Đó là những nguyên tố nặng cấu tạo nên hành tinh của chúng ta và cơthể 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 quátrình thiên văn này. Cao hơn số nguyên tử đó, lực đẩy điện của các proton tăng lêndẫn tới chu kì bán rã càng ngắn lại. Cho dù một sao siêu mới một tỉ năm trước đâythật 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 nhấtđều 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 khẳngđịnh trước đó đã tạo ra được nguyên tố 116 do một nhóm tại Berbeley công bốhóa ra là một trò gian lận khoa học, nhưng nguy ên tố đó sau đó đã được tạo ra bởimột 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 ratrong thời gian này, chỉ một hoặc hai có thể mang lại sự sản sinh các nguyên tố siêunặng. Trong phần còn lại, hạt nhân tan chảy vỡ tan ngay tức thì. SHIP được dùng đểnhận 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 protonmới lạ, về phương diện lịch sử đã được xem là một thành tựu đầy quyến rũ, nhưngđối với nhà vật lí hạt nhân, việc tạo ra một nguyên tử có số neutron cho đến naykhông ai thấy cũng có tầm quan trọng không kém. Số neutron lớn nhất đạt được từtrước đến nay là 179. Một mục tiêu trêu ngươi của loại nghiên cứu này là tiên đoánlí thuyết có thể có một ốc đảo ổn định nằm ngoài chóp biểu đồ hạt nhân đã đư ...