Khám phá 'hòn đảo ổn định' cho các nguyên tố siêu nặng trên bảng tuần hoàn

Hợp tác từ các nhà nghiên cứu từ chương trình GSI/FAIR, Đại học Johannes Gutenberg Mainz và Viện Helmholtz Mainz đã nâng cao hiểu biết của chúng ta về "hòn đảo ổn định" trong các hạt nhân siêu nặng. Họ đã đạt được điều này bằng cách đo chính xác hạt nhân rutherfordium-252 siêu nặng, hiện được xác định là hạt nhân siêu nặng có tuổi thọ ngắn nhất trong hồ sơ. Phát hiện của họ đã được công bố trên Physical Review Letters.

Lực hạt nhân mạnh liên kết các proton và neutron bên trong hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên, điện tích dương của proton tạo ra lực đẩy, có thể làm mất ổn định hạt nhân với số lượng proton quá mức. Sự bất ổn nội tại này đặt ra những thách thức đáng kể trong việc tổng hợp các nguyên tố siêu nặng mới.

Một số tổ hợp proton và neutron nhất định, được gọi là "số ma thuật", mang lại cho hạt nhân sự ổn định bổ sung. Khi tính đến những sự kết hợp kỳ diệu này, các công trình lý thuyết có từ những năm 1960 dự đoán một vùng gọi là “hòn đảo ổn định trong biển hạt nhân siêu nặng không ổn định”. Đó là nơi hạt nhân có thể đạt được tuổi thọ rất dài, thậm chí gần bằng tuổi của Trái đất.

Kể từ đó, ý tưởng về hòn đảo này đã được thừa nhận dựa trên việc quan sát thấy chu kỳ bán rã tăng dần trong các hạt nhân nặng nhất hiện được biết đến. Theo quy luật đó, người ta dự đoán số lượng neutron kỳ diệu tiếp theo là 184 (các số kỳ diệu trước đó là 2, 8, 20, 28, 50, 82 và 126 tính chung cho cả số lượng proton kỳ diệu). Tuy nhiên, vị trí của “đỉnh” của hòn đảo này (độ cao tính trên đồ thị thời gian của chu kỳ bán rã tối đa dự kiến) và cả phần mở rộng của hòn đảo vẫn chưa được biết.

Đột phá trong việc lập bản đồ hòn đảo ổn định

Các nhà nghiên cứu tại chương trình GSI/FAIR ở Darmstadt, Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) và Viện Helmholtz Mainz (HIM) hiện đã tiến thêm một bước nữa trong việc lập bản đồ hòn đảo này nhờ việc phát hiện ra hạt nhân siêu nặng có tuổi thọ ngắn nhất được biết đến cho đến nay. Từ đó, họ đánh dấu vị trí của “đường bờ biển của hòn đảo” trong hạt nhân rutherfordi (Rf, nguyên tố 104).

Sau khi bắn chùm tia titan vào lá chì để kết hợp nguyên tử titan với nguyên tử chì (chì phổ biến 2 đồng là 207 và 2), ta có nguyên tử rutherfordi 252 với thời gian tồn tại cực ngắn 60 nano giây mà trước đây không thể đo được

Để có thể phát hiện thử nghiệm, thời gian sống tối thiểu của các hạt nhân siêu nặng vào khoảng một phần triệu giây. Điều đó khiến các hạt nhân siêu nặng có thời gian sống cực ngắn ở vùng biển bất ổn không thể tiếp cận được. Nhưng các nhà khoa học nghĩ ra một mẹo: Đôi khi, các trạng thái kích thích, được ổn định bởi các hiệu ứng lượng tử, có thời gian sống dài hơn và mở ra cánh cửa đến các hạt nhân có thời gian sống cực ngắn.

Tiến sĩ Khuyagbaatar Jadambaa đến từ bộ phận nghiên cứu về hóa học nguyên tố siêu nặng của chương trình GSI/FAIR đồng thời là tác giả đầu tiên của ấn phẩm cho biết: "Các trạng thái kích thích có thời gian sống dài như vậy, được gọi là đồng vị, rất phổ biến trong các hạt nhân siêu nặng có hình dạng biến dạng theo tính toán của tôi. Do đó, chúng làm phong phú thêm bức tranh về hòn đảo ổn định với 'những đám mây ổn định' lơ lửng trên biển bất ổn".

Phát hiện từ Rutherfordium-252

Nhóm nghiên cứu từ Darmstadt và Mainz đã thành công trong việc kiểm tra những dự đoán này bằng cách tìm kiếm hạt nhân Rf-252 vốn chưa được biết đến cho đến nay. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chùm tia titan-50 (xếp 22 trên bảng tuần hoàn) cường độ cao tại máy gia tốc UNILAC của GSI/FAIR để hợp nhất các hạt nhân titan với các hạt nhân chì (chì xếp 82 trên bảng tuần hoàn) trên một lá kim loại mục tiêu. Các sản phẩm hợp nhất được tách ra trong Máy tách TransActinide và Thiết bị hóa học TASCA. Chúng được cấy vào một máy dò silicon sau thời gian bay khoảng 0,6 micro giây. Máy dò này đã ghi lại quá trình hợp nhất cũng như quá trình phân rã tiếp theo của chúng.

Tổng cộng, 27 nguyên tử Rf-252 phân rã bằng phản ứng phân hạch với chu kỳ bán rã là 13 micro giây đã được ghi nhận. Nhờ hệ thống thu thập dữ liệu kỹ thuật số nhanh do khoa Điện tử Thí nghiệm của GSI/FAIR phát triển, họ đã phát hiện được các electron phát ra sau khi hợp thành đồng vị Rf-252m và bị giải phóng trong quá trình phân rã của nó thành trạng thái cơ bản. Ba trường hợp như vậy đã được ghi nhận. Trong tất cả các trường hợp, một phản ứng phân hạch tiếp theo đã xảy ra trong vòng 250 nano giây (1 micro giây = 1.000 nano giây). Từ những dữ liệu này, họ đã suy ra chu kỳ bán rã 60 nano giây cho trạng thái cơ bản của Rf-252 và nó trở thành hạt nhân siêu nặng (xếp từ 104 trên bảng tuần hoàn trở lên) có thời gian sống ngắn nhất hiện nay.

Giáo sư Christoph E. Düllmann, trưởng phòng nghiên cứu về hóa học nguyên tố siêu nặng tại chương trình GSI/FAIR cho biết: "Kết quả làm giảm giới hạn dưới của thời gian sống đã biết của các hạt nhân nặng nhất gần hai bậc độ lớn, xuống thời gian cực ngắn để đo trực tiếp khi không có trạng thái đồng vị phù hợp. Những phát hiện hiện tại đặt ra một chuẩn mực mới để khám phá sâu hơn các hiện tượng liên quan đến các trạng thái đồng vị như vậy, tính ổn định phân hạch ngược trong đó các trạng thái kích thích ổn định hơn trạng thái cơ bản và ranh giới đồng vị trong các hạt nhân nặng nhất".

Trong các kế hoạch thử nghiệm trong tương lai, người ta hình dung ra phép đo với nguyên tố nặng hơn tiếp theo là seaborgium (Sg, nguyên tố 106) và kết quả sẽ được sử dụng để tổng hợp các đồng vị Sg có thời gian sống dưới một micro giây để lập bản đồ ranh giới đồng vị sâu hơn.

Anh Tú