Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 2)

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 2) Hương vị lạ của những nguyên tố nặng nhất bảng tuần hoàn (Phần 2)Những hạt nhân nặng kì lạ có thể được tổng hợp bằng nhiều kĩ thuậtthực nghiệm đa dạng. Trong một phương pháp, gọi là “bay hơi nhiệthạch”, những chùm ion dương cường độ mạnh của những đồng vị bềnvề mặt phóng xạ, như calcium-48, nickel-64 và kẽm-70, được tăng tốcvà chiếu vào một lá kim loại mỏng, nguyên chất đồng vị. Vì chúng đềumang điện dương, nên các ion và hạt nhân bia chịu lực đẩy tĩnh điệntương hỗ. Nhưng nếu các ion được tăng tốc lên những năng lượng ngaytrên ngưỡng năng lượng đẩy này, thì chùm hạt và hạt nhân bia có thểchiến thắng lực đẩy và hợp nhất, từ đó kết hợp các proton và neutronriêng lẻ thành một hạt nhân hợp, nóng. Hạt nhân sinh ra sau đó nguội đibằng cách “cho sôi” nhanh những hạt nhẹ, ví dụ như neutron, proton vàhạt 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 hiệncác hạt sôi lên từ hệ hỗn hợp đã hợp nhất, hoặc trực tiếp bằng cách sửdụng một dụng cụ gọi là bộ phân tách khối lượng. Đây cơ bản là mộtnam châm lưỡng cực, và điện trường và từ trường của nó có thể thiếtlập sao cho chỉ những hạt nhân có một khối lượng và điện tích nhấtđịnh truyền qua đến đầu kia của bộ phân tách. Do đó, dụng cụ chia táchhạt nhân còn lại “đáng quan tâm” khỏi những loại hạt “không đángquan tâm”, ví dụ như những hạt chưa phản ứng của chùm tia hoặc cácmảnh vỡ phân hạch sinh ra khi chùm tia và hạt nhân bia tương tác. Mộtkhi hạt nhân còn lại đã được tách ra, các tính chất phân hủy của chúngcó thể được nghiên cứu chi tiết, tách rời với phông nền của hạt nhânchùm 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 hạttrong chùm tia. Các thiết bị sử dụng sự bay hơi nhiệt hạch rồi phân táchkhối lượng để tạo ra và nghiên cứu những hạt nhân nặng nhất có ở cácphòng 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 nhữngđồng vị giàu neutron có phần nhẹ hơn (A < 238) – gọi là “phương phápbay trực tiếp”, trong đó những tấm bia mục tiêu như beryllium đượcbắn phá bằng những chùm ion nặng, bền, ví dụ như xenon-136, chì-208hoặc uranium-238. Những chùm hạt này có năng lượng cao – thường làhàng trăm mega-electron-volt trên nucleon hoặc cao gấp 100 lần trongphản ứng bay hơi nhiệt hạch – nên các hạt của chúng chuyển độngnhanh hơn nhiều so với từng proton và neutron bên trong hạt nhân củachúng. 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 đadạng – qua các phản ứng đạn-mảnh vỡ hoặc đạn-phân hạch – nhẹ hơncác loại hạt trong chùm tia sơ cấp. Hơn nữa, vận tốc cao của chùm tiaban đầu có nghĩa là các sản phẩm phản ứng tập trung theo hướng vềphía trước, cùng với những hạt chưa tương tác của chùm tia.Hình 2. Tại phòng thí nghiệm ion nặng GSI ở Darmstadt, Đức, nhữnghạt nhân lạ đã được tạo ra bằng cách cho va chạm một chùm hạt sơ cấpcường độ mạnh (như uranium-238 hay bạc-107) với một tấm bia kimloại cố định (thường là beryllium). Chuyển động ở tốc độ chừng mộtnửa tốc độ ánh sáng, các mảnh vỡ hạt nhân sinh ra đi qua một phântách mảnh vỡ (FRS), về cơ bản là một tập hợp gồm bốn nam châmlưỡng cực lớn (màu xanh nhạt) có thể điều chỉnh sao cho chỉ nhữngmảnh vỡ hạt nhân có tỉ số khối-lượng-trên-số-proton nhất định mới cóthể đi qua. Thông tin này – cùng với thời gian để mỗi hạt nhân đi quabộ phân tách và năng lượng mà mỗi hạt nhân truyền qua bị mất trongmáy 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 cuốicùng của bộ phân tách, nơi đó chúng có thể chịu sự phân hủy phóng xạhoặc phân hủy từ những trạng thái siêu bền. Dấu hiệu tia gamma độcnhất vô nhị từ những phân hủy này được đo bằng quang phổ kế tiagamma RISING (bên dưới), thiết bị gồm 105 tinh thể bán dẫngermanium siêu tinh khiết hiệu suất cao được làm lạnh bằng nitrogenlỏng. (Ảnh: J Grebosz/RISING Collaboration, GSI)Để tách ra những hạt nhân lạ, các hạt được cho đi qua một “bộ phântách mảnh vỡ hạt nhân”, ví dụ như thiết bị FRS tại Trung tâm Nghiêncứu Ion Nặng GSI Helmholtz ở Darmstadt, Đức (hình 2). Những thiếtbị 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 protoncủa 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 phântách với độ lớn từ trường của dụng cụ. Như với phương pháp bay hơinhiệt hạch, một khi những hạt nhân lạ này đã truyền qua đến một tiêuđiểm cuối cùng nào đó, những tính chất ph ...