Đồng vị nặng Mendelevium-244 mới và bối rối về phân hạch trong thời gian ngắn
Tăng thêm hiểu biết về các nhân tố làm giới hạn sự tồn tại của các nguyên tố nặng bền là câu hỏi tồn tại cả thập kỷ của các nhà vật lý và hóa học. Các nguyên tố siêu nặng, các nguyên tố hóa học với các số nguyên tử lớn hơn 103, không xuất hiện trong tự nhiên và được tạo ra một cách nhân tạo với các máy gia tốc hạt. Chúng chỉ tồn tại trong vòng vài giây ngắn ngủi.
Bản đồ các hạt nhân trong vùng hạt nhân mendelevium. Mỗi ô thể hiện một hạt nhân nguyên tử với số lượng các proton gia tăng trong chiều dọc và số lượng các neutron trong chiều ngang. Hạt nhân đa biết hiển thị trong các ô tô màu, nơi màu sắc hiển thị phân rã dạng hạt nhân: phân rã alpha (vàng), phân rã beta (nâu), phân hạch tự phát (xanh lá cây). Các ô khung đậm chỉ dấu các hạt nhân lẻ – lẻ, trong đó phân hạch beta trễ được dự đoán xuất hiện với xác suất >1 % trong số tất cả các phân rã beta (dữ liệu từ J. Khuyagbaatar, Eur. Phys. J. A 55, 134 (2019)). Các xác suất được chỉ dấu màu xanh. Các đặc tính vị trí và phân rã trong đồng vị mới mendelevium-244 đã được ghi. Nguồn: J. Khuyagbaatar, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Một nhóm nghiên cứu từ GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt, trường đại học Mainz Johannes Gutenberg (JGU), Viện nghiên cứu Mainz Helmholtz (HIM) và trường đại học Jyvaeskylae, Phần Lan, do tiến sĩ Jadambaa Khuyagbaatar từ GSI và HIM dẫn dắt, đã đem lại những cái nhìn mới vào các quá trình phân hạch trong những hạt nhân lạ và cho đến nay là nguyên tố mendelevium-244. Các thực nghiệm này là một phần của “FAIR Phase 0”, giai đoạn đầu tiên của chương trình thực nghiệm FAIR. Các kết quả này mới được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters.
Các hạt nhân nặng và siêu nặng không bền tương phản với quá trình phân hạch, trong đó các hạt nhân phân tách khỏi hai lớp mảnh vỏ nhẹ hơn. Nó phụ thuộc vào lực đẩy Coulomb mạnh hơn giữa số lượnglớn các proton mang điện tích dương trong các hạt nhân và là một trong những giới hạn cho sự tồn tại của các hạt nhân nặng không bền.
Được khám phá hơn 80 năm qua, quá trình phân hạch hạt nhân được tập trung nghiên cứu rất nhiều. Phần lớn dữ liệu thực nghiệm về phân hạch tức thời là bởi các hạt nhân với số lượng các proton và neutron – gọi là “hạt nhân chẵn – chẵn”. Hạt nhân chẵn chẵn chứa toàn bộ các cặp proton và neutron và các đặc tính phân hạch của chúng đã được các mô hình lý thuyết miêu tả rất tốt. Trong hạt nhân với một số lẻ hoặc các neutron hoặc các proton, một trở lực của quá trình hạt nhân khi so sánh các đặc tính của hạt nhân chẵn – chẵn đã được quan sát và truy dấu trở lại thành ảnh hưởng của một cấu tử đơn không tạo cặp trong các hạt nhân.
Tuy vậy, trở lực phân hạch này là ‘hạt nhân lẻ – lẻ’, chứa cả một số lẻ proton và số lẻ neutron, vẫn còn chưa được biết đến nhiều. Dữ liệu thực nghiệm hiện có chỉ ra quá trình phân hạch tự phát trong hạt nhân là lực cản cực lớn, lớn hơn ngay cả với các hạt nhân chỉ có dạng thành phần số lượng lẻ.
Một khi xác suất phân hạch giảm đi, quá trình phân rã phóng xạ khác được mô hinh hóa như phân rã alpha hoặc beta trở thành có thể. Trong phân rã beta, một proton chuyển đổi thành một neutron (hoặc ngược lại) và như vậy hạt nhân lẻ – lẻ chuyển thành hạt nhân chẵn – chẵn, vốn có khả năng phân hạch cao. Do đó, nếu một hành động phân hạch được quan sát trong các thực nghiệm tạp ra các hạt nhân lẻ – lẻ, hoặc không thể bắt đầu từ ‘chị em’ phân rã beta chẵn – chẵn, vốn sau đó có thể trải qua quá trình phân hạch trễ beta. Trong thời gian gần đây, tiến sĩ Jadambaa Khuyagbaatar từ GSI và HIM đã dự đoán quá trình phân hạch trễ beta này có thể có liên quan với các hạt nhân nặng nhất và trên thực tế có thể là một trong những hình thức phân rã chính của các hạt nhân siêu nặng phân rã beta.
Trong các hạt nhân siêu nặng, vốn rất khó để tạo ra trong các thực nghiệm, phân rã beta không được quan sát một cách đầy đủ, ví dụ trong trường hợp của nguyên tố nặng nhất được tạo ra tại GSI Darmstadt, tennessine (nguyên tố 117), chỉ có hai nguyên tử của hạt nhân lẻ – lẻ tennessine-294 được quan sát trong một thực nghiệm kéo dài một tháng. Lượng sản phẩm được tạo ra quá nhỏ làm giới hạn việc xác nhận và nghiên cứu chi tiết về quá trình phân hạch trễ phân rã beta. Vi vậy dữ liệu thực nghiệm mới đã rọi ánh sáng vào quá trình này và giúp hiểu thêm về các hạt nhân lạ như những thứ có tỉ lệ proton và neutron thiếu cân bằng. Nhóm nghiên cứu từ GSI, JGU, HIM và trường đại học Jyväskylä đã tạo ra hạt nhân mendelevium-244, một hạt nhân lẻ – lẻ chứa 101 proton và 143 neutron.
Thiết bị TASCA dùng để hướng hạt nhân mendelevium vào trong một máy dò silicon phù hợp để ghi đo việc ghép các hạt nhân cũng như quá trình phân rã tiếp theo của chúng
Ước đoán lý thuyết đề xuất, cứ một trong năm trường hợp thì phân rã beta của hạt nhân này sẽ xuất hiện sau quá trình phân hạch. Tùy thuộc vào mức giải phóng năng lượng của quá trình phân hạch, có thể dò được hiện tượng này nhưng ngược lại, phân rã beta lại khó có thể đo đạc được. Để giải quyết tình huống này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một chùm tia titanium-50 hội tụ, vốn sẵn có tại máy gia tốc UNILAC của GSI để chiếu lên một bia vàng. Sản phẩm của phảm ứng là các hạt nhân titanium và vàng được phân tách trong thiết bị Transactinide Separator and Chemistry TASCA, nơi hướng hạt nhân mendelevium vào trong một máy dò silicon phù hợp để ghi đo việc ghép các hạt nhân cũng như quá trình phân rã tiếp theo của chúng.
Phần đầu của nghiên cứu này thực hiện trong năm 2018 đã dẫn đến quan sát bảy nguyên tử mendelevium-244. Trong năm 2020, các nhà nghiên cứu đã dùng chùm tia titanium-50 năng lượng thấp hơn, không đủ để dẫn đến việc tạo ra mendelevium-244. Thậm chí các tín hiệu từng được cho là mendelevium-244 trong nghiên cứu năm 2018 cũng không có trong bộ dữ liệu này, làm vững thêm tính chính xác của dữ liệu và xác nhận khám phá ra đồng vị mới.
Tiến sĩ Jadambaa Khuyagbaatar từ GSI và HIM dẫn dắt nghiên cứu
Tất cả bảy hạt nhân nguyên tử được ghi lại đều trải qua phân rã alpha, sự phát thải của một hạt nhân helium-4, dẫn đến đồng vị “chị em” einsteinium-240, được khám phá bốn năm trước bằng một thí nghiệm tại trường đại học Jyväskylä. Phân rã beta đã không được quan sát – việc quan sát cho phép lập giới hạn trên của dạng phân rã này tới 14 %. Nếu 20% xác suất phân hạch của mọi hạt nhân phân rã beta là chính xác, tổng xác suất cho phân rã trễ beta có thể là 2,8 % và việc quan sát nó có thể cần thiết để tạo ra các hạt nhân mendelevium-244 trong khám phá thực nghiệm thêm bền vững hơn.
Thêm vào phân rã alpha của mendelevium-244, các nhà nghiên cứu đã thấy các dấu hiệu của các sự kiện phân hạch thời gian ngắn với các đặc tính chưa từng biết tới liên quan đến số lượng của chúng, xác suất tạo ra, và thời gian bán rã. Hiện nay người ta chưa thể chỉ ra chính xác nguồn gốc của chúng và trên thực tế là hiểu biết hiện nay về quá trình tạo ra và phân rã của các đồng vị trong vùng này ở mendelevium-244 chưa thể lý giải được. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ đem đến cho bộ dữ liệu nhiều chi tiết quý giá hơn, vốn có thể giúp rọi thêm ánh sáng vào quá trình phân hạch trong các hạt nhân lẻ – lẻ.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn bài và ảnh: https://phys.org/news/2020-10-heavy-isotope-mendelevium-puzzling-short-lived.html
