Phát hiện một đồng vị mới: Mendelevium-244
Một nhóm nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) đã khám phá ra một hình thức mới của mendelevium, nguyên tố do con người tạo ra và là nguyên tố 101 trên bảng tuần hoàn. Đồng vị mới này mang tên mendelevium-244 là hình thức nhẹ nhất trong số 17 đồng vị của nguyên tố mendelevium.
Mendelevium do các nhà khoa học tại Berkeley Lab lần đầu tạo ra vào năm 1955, và thuộc về danh sách 16 đồng vị mà các nhà khoa học ở đây phát hiện hoặc hỗ trợ phát hiện ra. Một đồng vị là một hình thức của một nguyên tố với ít hoặc nhiều neutron (các hạt không mang điện tích) trong các hạt nhân nguyên tử hơn những dạng khác của nguyên tố đó.
Trong khám phá mới nhất này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng máy gia tốc 88-Inch Cyclotron của Berkeley Lab với những chùm tia của những hạt mang điện tích được gia tốc cực lớn bắn vào các bia để tạo ra các nguyên tử của các nguyên tố siêu nặng để hình thành mendelevium-244. Một máy gia tốc cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt do chính Ernest O. Lawrence, người sau đó được lấy tên đặt cho phòng thí nghiệm này, thiết kế và lắp đặt vào năm 1930.
Nhóm nghiên cứu này, gồm các nhà khoa học từ UC Berkeley, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, trường đại học San Jose, trường đại học Lund Thụy Điển và do các nhà khoa học Berkeley Lab dẫn dắt, đã khám phá ra đồng vị mendelevium – 12 trong 17 đồng vị của mendelevium, và có được tất cả 640 đồng vị – khoảng 1/5 đồng vị đã biết và trở thành viện nghiên cứu duy nhất dẫn đầu trong hướng này. Khi năm 2019 khép lại, trên toàn thế giới có 3.308 đồng vị được biết đến. Mendelevium-244 là đồng vị đầu tiên do các nhà khoa học ở Berkeley Lab phát hiện kể từ năm 2010.
“Thật thách thức cho việc khám phá được dạng đồng vị mới của mendelevium bởi vì tất cả các đồng vị mendelevium liền kề đều có những đặc tính phân rã tương đồng”, Jennifer Pore, nhà khoa học dẫn dắt dự án nghiên cứu này tại Berkeley Lab, nói. Phân rã alpha miêu tả quá trình này bằng một nguyên tố phóng xạ như mendelevium bị phá vỡ thành các nguyên tố nhẹ hơn theo thời gian.
Về tổng thể, nhóm nghiên cứu đã đo đạc các đặc tính của 10 nguyên tử mendelevium-244, vốn là chi tiết được đề cập đến một cách chi tiết trong công bố trên Physical Review Letters với tiêu đề “Identification of the New Isotope Md244”.
“Mỗi đồng vị thể hiện một sự kết hợp độc nhất vô nhị giữa các proton và neutron”, Pore giải thích. “Khi một đồng vị mới được phát hiện ra thì đó là sự kết hợp cụ thể của các proton (các hạt mang điện tích dương) và các neutron (các hạt không mang điện tích) chưa từng được quan sát. Các nghiên cứu về những kết hợp mang tính độc đáo như thế có vai trò hết sức quan trọng với hiểu biết của chúng ta về tất cả các vật chất hạt nhân”.
Thêm vào khám phá về đồng vị mới, công việc của nhóm nghiên cứu cũng đem lại bằng chứng trực tiếp đầu tiên về một quá trình phân rã bao gồm một đồng vị của berkelium.
Họ đã tìm thấy bằng chứng là mendelevium-244 có hai chuỗi phân rã riêng rẽ, mỗi chuỗi dẫn đến một chu kỳ bán rã khác biệt: 0,4 giây và 6 giây, trên cơ sở các hình thức năng lượng khác nhau của các hạt trong các hạt nhân của nó. Một chu kỳ bán rã là thời điểm để số lượng các nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ bị giảm đi xuống còn một nửa khi phân rã hạt nhân của chúng thành một chất khác, hạt nhân nhẹ hơn.
Trong một phép đo đạc riêng rẽ từ một nghiên cứu tương tự, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng đầu tiên về quá trình phân rã alpha của berkelium-236, một đồng vị của nguyên tố berkelium, khi chuyển thành americium-232, một đồng vị nhẹ hơn chút đỉnh. Berkelium đã được tìm ra vào năm 1949 cũng do một nhóm nghiên cứu ở Berkeley Lab.
Trung tâm của khám phá đồng vị này là một thiết bị mang tên FIONA tại 88-Inch Cyclotron hay còn được gọi là “Để nhận diện Nuclide A” (For the Identification Of Nuclide A). Chữ “A” trong FIONA thể hiện số khối của một nguyên tố, vốn là số lượng của toàn bộ các proton và neutron trong một hạt nhân nguyên tử. Số khối của đồng vị mới là 244.
“Công cụ quan trọng nhất mà chúng tôi có trong khám phá này chính là FIONA”, Pore nói. Chị là một thành viên của nhóm nghiên cứu đã hỗ trợ các kiểm thử trên FIONA. FIONA có thể đo đạc một cách chính xác số khối của đồng vị mới.
Barbara Jacak, Giám đốc Bộ phận Khoa học hạt nhân tại Berkeley Lab, nói, “Chúng tôi xây dựng FIONA để thúc đẩy các khám phá như nghiên cứu này, và thật thú vị khi thấy công cụ này có thể ‘điểm trúng’ từng bước đi đó”.
Michael Thoennessen, một giáo sư xuất sắc của trường đại học Michigan và hiện là tổng biên tập của tạp chí American Physical Society, vẫn giữ một danh sách các khám phá đồng vị phòng xạ và lưu ý là danh sách đồng vị mới đã ít hơn những năm trước. “Các khám phá về đồng vị mang tính chu kỳ và phụ thuộc vào loại máy gia tốc mới và những tiên tiến quan trọng trong các thiết bị thực nghiệm được phát triển”, ông nói. FIONA của Berkeley Lab và Cơ sở Các chùm tia đồng vị hiếm (Facility for Rare Isotope Beams FRIB), một cơ sở của Bộ Năng lượng Mỹ phát triển tại trường đại học Michigan, có những năng lực độc đáo “với tiềm năng khám phá ở quy mô lớn” cho các dạng khác nhau của các đồng vị mới tại Mỹ, ông cho biết thêm.
Để đảm bảo các đo đạc của FIONA chính xác, nhóm nghiên cứu đầu tiên đo đạc các đặc tính của phân rã và các con số khối của những đồng vị mendelevium đã biết, bao gồm cả mendelevium-247, mendelevium-246, và mendelevium-245.
“Một khi tự tin đã hiểu biết rõ các đặc tính của những đồng vị mendelevium nhẹ, chúng tôi đã nỗ lực thực hiện thí nghiệm dể khám phá ra đồng vị ít được để ý trước đây là mendelevium-244”, Pore kể. “Không có xác nhận trực tiếp là đã tạo ra một đồng vị với số khối 244, có thể rất khó để giải thích các kết quả và chứng minh khám phá”.
Để tạo ra nhiều đồng vị lạ – ngay cả hình thức nhẹ nhất được biết của mendelevium vẫn còn nặng hơn nguyên tố xuất hiện một cách tự nhiên uranium – các nhà khoa học đã tạo ra một chùm hạt trên máy gia tốc 88-Inch Cyclotron có chứa các hạt mang điện tích argon-40, một đồng vị của argon, và chiếu thẳng chùm tia này là một tấm bia kim loại mỏng đã tạo ra bismuth-209, một đồng vị của bismuth.
Đôi khi trong các thí nghiệm này, một hạt nhân trong chùm tia các hạt năng lượng cao va đập một cách trực tiếp và tập trung vào một hạt nhân trong tấm bia kim loại đó, tạo ra một đơn nguyên tử của một nguyên tố nặng. Và với một đồng vị có chu kỳ bán rã cực ngắn, đó là một cuộc đua để đặt các phép đo đạc lên một nguyên tử trước khi nó phân rã thành một thứ hoàn toàn khác.
Máy gia tốc 88-Inch Cyclotron ở Berkeley có một công cụ khác ngược tuyến với FIONA mang tên Thiết bị phân tách chứa khí Berkeley (Berkeley Gas-Filled Separator). Thiết bị này giúp lọc ra các nguyên tử thích hợp để đo đạc một cách nhanh chóng và riêng rẽ trong từng chi tiết cùng FIONA.
Các nhà nghiên cứu có thể theo đuổi các nghiên cứu khác của mendelevium-244 với thiết bị khác để cố gắng tìm hiểu về cấu trúc của nó, Pore nói.
Và hiện tại, FIONA đã thể hiện được những giá trị của nó trong cuộc khám phá đồng vị, các nhà nghiên cứu Berkeley Lab đang thiết lập những cái nhìn mới về các đồng vị khác. “Chúng tôi mới lập kế hoạch về các nghiên cứu tương tự cùng các chuỗi đồng vị khác để khám phá ra những đồng vị mới”, Pore cho biết.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-06-isotope-mendelevium-.html
