Hàng loạt đồng vị phóng xạ mới phát hiện ở Nhật

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.