Đột phá sau 4 thập kỷ: Tìm ra đồng vị siêu nặng của Uranium - giới vật lý hạt nhân mừng rỡ

Trong vài thập kỷ qua, các nhà vật lý thế giới đã phát hiện ra rằng việc xác định tính chất của các đồng vị giàu neutron là khó khăn do các vấn đề gây ra trong quá trình tạo ra chúng. Vì lý do đó, họ không ngừng tìm kiếm những cách mới để tổng hợp chúng trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Gần đây nhất, các nhà vật lý ở Nhật Bản đã phát hiện ra một đồng vị chưa biết trước đây của Uranium (Uranium-241) trong khi theo đuổi "con số ma thuật" (nghiên cứu nguyên tử của các nguyên tố nặng).

44 năm mới tìm được đồng vị Uranium-241

Hồi tháng 4/2023, các nhà khoa học lần đầu tiên công bố sản xuất được Uranium-241, lấp đầy khoảng trống trong danh sách dài các đồng vị của kim loại nặng có tính phóng xạ cao này. Chu kỳ bán rã của Uranium-241 ước tính khoảng 40 phút - quá ngắn để bất kỳ Uranium-241 nào được hình thành trong siêu tân tinh hoặc vụ nổ kilonova có thể tồn tại. 

Dẫu vậy, không giống như nhiều đồng vị có chu kỳ bán rã được đo bằng micro hoặc nano giây, đồng vị này đủ dài để các nhà khoa học nghiên cứu các tính chất của nó.

Đồng vị mới, Uranium-241, có 92 proton (giống như tất cả các đồng vị của Uranium) và 149 neutron, khiến nó trở thành đồng vị Uranium giàu neutron mới đầu tiên được phát hiện kể từ năm 1979.

[Trong khi các nguyên tử của một nguyên tố nhất định luôn có cùng số proton, các đồng vị hoặc phiên bản khác nhau của các nguyên tố đó có thể chứa số lượng neutron khác nhau trong hạt nhân của chúng. Để được coi là giàu neutron, một đồng vị phải chứa nhiều neutron hơn mức phổ biến đối với nguyên tố đó. Uranium-241 là một đồng vị như thế].

Uranium thuộc loại nguyên tố trong bảng tuần hoàn được gọi là "actinide", có số proton từ 89 đến 103. Tất cả các loại actinide đều có tính phóng xạ, nhưng Uranium là một trong bốn nguyên tố phóng xạ nhất, cùng với Radium, Polonium và Thorium.

"Chúng tôi đã đo khối lượng của 19 đồng vị actinide khác nhau (của Protactinium, Uranium, Neptunium và Plutonium) với độ chính xác cao ở mức một phần triệu, bao gồm cả việc phát hiện và xác định đồng vị Uranium mới" - Tiến sĩ Toshitaka Niwase, chuyên gia nghiên cứu tại Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng Cao của Nhật Bản thuộc Trung tâm Khoa học Hạt nhân Wako (WNSC) tại Nhật Bản, nói với Live Science trong một email. "Đây là khám phá mới đầu tiên về đồng vị Uranium giàu neutron trong 44 năm qua."

Tiến sĩ Toshitaka Niwase là tác giả chính có công phát hiện đồng vị Uranium mới, với bài báo được công bố trên tạp chí Physical Review Letters năm 2023.

Các đồng vị có thể ổn định, nghĩa là chúng giữ cấu hình nguyên tử của chúng; hoặc không ổn định, nghĩa là chúng phân rã và phân hủy thành các nguyên tố khác bằng cách thu hoặc loại bỏ các proton. Tốc độ phân rã được đo bằng chu kỳ bán rã của đồng vị hoặc thời gian cần thiết để một nửa vật liệu phân rã thành các nguyên tố khác.

Ông Toshitaka Niwase cho biết nhóm nghiên cứu vẫn chưa đo được chính xác chu kỳ bán rã của Uranium-241, nhưng các ước tính lý thuyết cho thấy nó vào khoảng 40 phút. 

Để hình dung, chu kỳ bán rã của Carbon-14 là 5.730 năm, chu kỳ bán rã của đồng vị rất không ổn định Technetium-99m là 6 giờ, và chu kỳ bán rã của Franxi-223 là 22 phút. Đồng vị phân rã nhanh nhất, hydro-7, đã biến mất một nửa chỉ sau 10^-23 giây.

Tại sao việc phát hiện một đồng vị mới (Uranium-241) lại quan trọng?

Sự sắp xếp của các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử tuân theo một số quy tắc dựa trên tính chất và cấu trúc của hạt nhân.

Khối lượng của một nguyên tử thấp hơn một chút so với tổng khối lượng của proton, neutron và electron. Vì vậy, việc đo khối lượng Uranium và các nguyên tố lân cận của nó mang lại thông tin hạt nhân cần thiết để hiểu được quá trình tổng hợp các nguyên tố nặng như vậy trong các sự kiện thiên văn bùng nổ.

Chưa hiết, các nhà vật lý hạt nhân và thiên văn học rất vui mừng khi biết thêm đồng vị của Uranium, vì nó có thể củng cố hiểu biết của giới khoa học về vật lý hạt nhân và có ý nghĩa lớn đối với việc thiết kế các nhà máy điện hạt nhân cũng như mô hình các ngôi sao đang nổ tung. 

Uranium-220 vẫn chưa được khám phá, nhưng với việc tìm ra Uranium-241, mọi đồng vị khác cho đến Uranium-242 hiện đã được tạo ra. 

Trong số này, phần lớn có chu kỳ bán rã nhỏ hơn một giây, thường là ít hơn nhiều, vì vậy mặc dù chu kỳ bán rã của Uranium-241 vẫn cần được đo, nhưng ước tính 40 phút đưa Uranium-241 vào số đồng vị tồn tại lâu hơn trong số 28 đồng vị đã biết của Uranimu, và không đồng vị nào vượt được Uranium-238 với chu kỳ bán rã lên đến... gần 4,5 tỷ năm!

Uranium không có đồng vị ổn định, nhưng U-235 và U-238 mất quá nhiều thời gian để phân rã nên một phần đáng kể các nguyên tử đó có mặt khi Trái Đất hình thành tồn tại đến ngày nay, cùng với một lượng nhỏ U-233, U-234 và U- 236. 

Tất cả các đồng vị khác của Uranium đều phải được sản xuất trong phòng thí nghiệm, và các nhà khoa học hy vọng sẽ khám phá ra những đồng vị khác của Uranium.

Uranium-241 được tìm thấy như thế nào?

Hai năm sau khi đồng vị nhẹ nhất của Uranium được phát hiện, giờ đây, các nhà khoa học đã tìm thấy đồng vị nặng thứ hai của nó.

Chuyên gia Niwase và các đồng nghiệp tại Nhật Bản của mình đã tạo ra Uranium-241 bằng cách bắn một mẫu Uranium-238 vào hạt nhân Plutonium-198 tại tại Hệ thống tách đồng vị KEK (KISS) thuộc Viện nghiên cứu Hóa lý RIKEN của Nhật Bản. Hai đồng vị sau đó hoán đổi neutron và proton — một hiện tượng được gọi là "sự chuyển giao đa nhân".

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã đo khối lượng của các đồng vị được tạo ra bằng cách quan sát thời gian để các hạt nhân thu được di chuyển một quãng đường nhất định qua một môi trường. Thí nghiệm cũng tạo ra 18 đồng vị mới, tất cả đều chứa từ 143 đến 150 neutron.

'Số ma thuật' là gì?

Người ta đặc biệt quan tâm đến các hạt nhân 'số ma thuật': Chứa một số proton hoặc neutron sao cho hạt nhân thu được có độ ổn định cao. Hạt nhân 'ma thuật' nặng nhất được biết đến là chì (82 proton).

Tiến sĩ Niwase thừa nhận rằng Uranium-241 có lẽ không có nhiều triển khai khoa học hoặc thực tế hữu ích, vì đồng vị này được tạo ra với số lượng cực kỳ nhỏ.

Tuy nhiên, việc nghiên cứu hành trạng của một đồng vị nặng như vậy có thể nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách các nguyên tử giàu neutron hoạt động.

Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng Cao của Nhật Bản đang cố gắng phát hiện ra nhiều hạt nhân actinide giàu neutron hơn, làm sáng tỏ tính ổn định của các hạt nhân và quá trình tổng hợp hạt nhân thiên văn.

Bài viết sử dụng các nguồn: Livescience, Iflscience, The Hindu