Chemistry Labs

Hoá học hạt nhân và phóng xạ

Tổng hợp các nguyên tố mới

Cách các chùm máy gia tốc và bia actini phóng xạ mở rộng ranh giới của bảng tuần hoàn hướng tới đảo bền vững thông qua phản ứng hợp nhất ion nặng và bay hơi neutron.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácTrực giác: hợp nhất các hạt nhân chống lại lực đẩy khổng lồ

Mỗi hạt nhân mang điện tích dương. Để đưa hai hạt nhân nặng lại đủ gần cho lực hạt nhân mạnh tầm ngắn gắn kết chúng đòi hỏi phải vượt qua một hàng rào Coulomb khổng lồ. Khi hợp nhất thành công, hạt nhân hợp phần sinh ra ở trạng thái kích thích mạnh đến mức gần như luôn tự phân hạch vỡ vụn. Việc sống sót nhờ bay hơi vài neutron để tạo thành một nguyên tử siêu nặng duy nhất là một biến cố cực kì hiếm hoi.

Sơ đồ tương tác so sánh nhiệt hạch nóng (48Ca + 249Cf -> 294Og qua bay hơi 3n rồi phân rã alpha tới 282Cn và phân hạch tự phát) và nhiệt hạch lạnh (70Zn + 208Pb -> 277Cn qua bay hơi 1n xuống tới 257No).

Phổ thôngMức phổ thông: các nguyên tố siêu urani và phản ứng hợp nhất–bay hơi

Định nghĩa: Hạt nhân hợp phần và phản ứng hợp nhất–bay hơi

Khi một hạt nhân đạn được gia tốc hợp nhất hoàn toàn với hạt nhân bia, chúng tạo thành hạt nhân hợp phần tạm thời mang toàn bộ khối lượng, điện tích và năng lượng kích thích. Để về trạng thái cơ bản mà không bị phân hạch vỡ vụn, hạt nhân kích thích sẽ bay hơi một hoặc nhiều neutron (kênh xn) và phát xạ năng lượng dư thừa dưới dạng photon gamma.

Sau neptuni (Z=93) và plutoni (Z=94), các nguyên tố đến fecmi (Z=100) được tạo ra nhờ bắt liên tiếp nhiều neutron trong lò phản ứng và phát hiện trong tro bụi vụ thử nhiệt hạch (như vụ thử Ivy Mike năm 1952 với einsteini và fecmi). Vượt qua Z=100, chu kì bán rã quá ngắn không thể tích lũy làm bia, buộc phải dùng phản ứng hợp nhất ion nặng: chùm hạt đạn gia tốc (như 48Ca hoặc 70Zn) va chạm với bia nặng (208Pb, 209Bi hoặc actini siêu urani).

X2048X220248Ca+X98249X2982249Cf→[X118297X21182297OgX∗]→X118294X21182294Og+3 X01X2021n\ce{^{48}_{20}Ca + ^{249}_{98}Cf -> [^{297}_{118}Og^*] -> ^{294}_{118}Og + 3 ^1_0n}
Các mốc lịch sử tổng hợp nguyên tố siêu urani và siêu nặng
Nguyên tốZNămPhản ứng / Phương phápCơ sở / Nhóm nghiên cứu
Neptuni (Np)931940Bắt neutron nhiệt: X238X22238U(n,γ)→βX−X239X22239Np\ce{^{238}U(n,\gamma) ->[\beta^-] ^{239}Np}Máy gia tốc cyclotron 60 inch tại Berkeley (McMillan & Abelson)
Plutoni (Pu)941940–1941Bắn phá chùm đơteri: X238X22238U+X2X222H→X238X22238Np+2 n\ce{^{238}U + ^2H -> ^{238}Np + 2n}Đại học UC Berkeley (Seaborg, McMillan, Kennedy, Wahl)
Bohri đến Copernici107–1121981–1996Nhiệt hạch lạnh trên bia X208X22208Pb\ce{^{208}Pb} / X209X22209Bi\ce{^{209}Bi} (kênh 1n)Viện nghiên cứu GSI Darmstadt với máy tách SHIP (Hofmann, Münzenberg)
Nihoni (Nh)1132004–2012Nhiệt hạch lạnh: X3070X230270Zn+X83209X2832209Bi→X113278X21132278Nh+n\ce{^{70}_{30}Zn + ^{209}_{83}Bi -> ^{278}_{113}Nh + n}Trung tâm RIKEN Nishina, máy tách GARIS (Morita và cộng sự)
Flerovi đến Oganesson114–1181999–2010Nhiệt hạch nóng: chùm X48X2248Ca\ce{^{48}Ca} trên các bia actini (kênh 3n–4n)FLNR Dubna máy DGFRS kết hợp LLNL và ORNL (Oganessian và cs)

Ví dụ: Nhận dạng một nguyên tử đơn lẻ bằng chuỗi phân rã di truyền

Trong các thí nghiệm ion nặng, hiệu suất tạo thành thấp đến mức từng nguyên tử đơn lẻ phải được nhận diện chắc chắn. Một máy tách hạt giật lùi và đầu dò nhạy vị trí chứng minh một nguyên tử của nguyên tố 118 được tạo ra như thế nào?

Lời giải

Máy tách hạt giật lùi lọc sạch các ion chùm không phản ứng trong vài microgiây và cấy hạt nhân hợp nhất vào đầu dò silicon dải. Đầu dò ghi lại tọa độ pixel chính xác và thời điểm cấy. Tại đúng pixel đó, các phân rã alpha liên tiếp được quan sát: 294Og phát hạt alpha (11,65 MeV) thành 290Lv, phân rã tiếp (10,84 MeV) thành 286Fl, rồi alpha thành 282Cn và kết thúc bằng phân hạch tự phát. Vì sự trùng khớp vị trí và thời gian sống nối liền với các hạt nhân con đã biết, chuỗi di truyền xác lập phát minh không thể tranh cãi.

Đại họcĐại học: động học phản ứng, hàng rào Coulomb và năng lượng kích thích

Trong phản ứng hợp nhất ion nặng, hạt nhân đạn có khối lượng A1 và điện tích Z1 va chạm với hạt nhân bia (A2, Z2). Thế năng tĩnh điện đạt cực đại tại bán kính tiếp xúc R = r0 (A1^(1/3) + A2^(1/3)). Nhiệt hạch lạnh dùng các đạn nặng (50Ti, 54Cr, 58Fe, 62Ni, 64Ni, 70Zn) bắn vào bia cầu vỏ kín (208Pb, 209Bi), tạo hạt nhân hợp phần có năng lượng kích thích thấp E ~ 10-15 MeV nên chỉ bay hơi 1 hoặc 2 neutron. Nhiệt hạch nóng dùng đạn 48Ca ma thuật kép bắn vào các bia actini biến dạng (238U, 242Pu, 243Am, 245Cm, 248Cm, 249Bk, 249Cf), hoạt động ở E ~ 30-35 MeV với các kênh bay hơi 3n hoặc 4n. Các máy tách hạt giật lùi tiêu biểu gồm SHIP và TASCA tại GSI, GARIS tại RIKEN, và DGFRS tại Dubna.

VC≈Z1Z2e24πε0 r0(A11/3+A21/3)≈1.44 Z1Z2r0(A11/3+A21/3)  MeVV_C \approx \frac{Z_1 Z_2 e^2}{4\pi\varepsilon_0 \, r_0 (A_1^{1/3} + A_2^{1/3})} \approx \frac{1.44 \, Z_1 Z_2}{r_0 (A_1^{1/3} + A_2^{1/3})} \;\mathrm{MeV}

Ví dụ: Hàng rào Coulomb và động học hệ khối tâm của 48Ca trên 249Cf

Ước tính hàng rào Coulomb tiếp xúc cho 48Ca (Z1 = 20, A1 = 48) hợp nhất với 249Cf (Z2 = 98, A2 = 249) dùng r0 = 1,30 fm. Nếu năng lượng phản ứng trong hệ khối tâm là E_cm = 252 MeV và giá trị Q của phản ứng là -217 MeV, tính năng lượng kích thích E của hạt nhân hợp phần 297Og.

Lời giải

Trước hết tính các bán kính: 48^(1/3) = 3,634 và 249^(1/3) = 6,292, tổng bằng 9,926. Với r0 = 1,30 fm, mẫu số là 1,30 9,926 = 12,90 fm. Hàng rào Coulomb là V_C = 1,44 20 98 / 12,90 = 218,7 MeV. Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần là E = E_cm + Q = 252 + (-217) = 35 MeV. Năng lượng ~35 MeV này được giải tỏa nhờ bay hơi 3 neutron (năng lượng liên kết ~7 MeV mỗi hạt cộng động năng ~2-3 MeV mỗi hạt) và phát bức xạ gamma để tạo thành 294Og.

Nâng caoNâng cao: hiệu chỉnh vỏ vi mô và đảo bền vững

Theo mô hình giọt chất lỏng cổ điển, thông số phân hạch x = (Z^2 / A) / (Z^2 / A)_crit dự đoán rằng bất kì hạt nhân nào có Z >= 104 đều có hàng rào phân hạch bằng 0 (B_fiss = 0) và sẽ vỡ vụn ngay lập tức trong 10^-22 giây. Các hạt nhân siêu nặng tồn tại hoàn toàn nhờ hiệu chỉnh vỏ lượng tử vi mô delta U_shell. Sự tập trung các mức năng lượng đơn hạt tạo ra một giếng thế nhân tạo phục hồi hàng rào phân hạch cao từ 5 đến 8 MeV. Lý thuyết dự đoán một đảo bền vững tập trung quanh vỏ neutron đóng dạng cầu N = 184 và các vỏ proton tại Z = 114, 120 hoặc 126.

Bfiss(Z,N)=Bmacro(Z,N)+δUshell(Z,N)+δPpair(Z,N)B_{\mathrm{fiss}}(Z, N) = B_{\mathrm{macro}}(Z, N) + \delta U_{\mathrm{shell}}(Z, N) + \delta P_{\mathrm{pair}}(Z, N)

Nghiên cứuRanh giới nghiên cứu: hướng tới nguyên tố 119 và 120 bằng chùm titan-50

Các chiến dịch nghiên cứu hiện tại tính đến năm 2025 tại RIKEN (Nhật Bản), Nhà máy Nguyên tố Siêu nặng tại FLNR Dubna (Nga) và GSI (Đức) đang tập trung vào các phản ứng như 50Ti + 249Bk -> 299(119) và 50Ti + 249Cf -> 299(120), cũng như 54Cr + 248Cm. Tiết diện của các phản ứng bất đối xứng này tụt dốc xuống hàng chục đến hàng trăm femtobarn, đẩy hiệu suất truyền qua của máy tách, hệ bánh xe làm mát bia và mạch điện tử đầu dò tới các giới hạn vật lý tột cùng.

Tài liệu tham khảo

  • Super-heavy element research · Y. T. Oganessian, V. K. Utyonkov, 2015
  • Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction 209Bi(70Zn,n)278113 · K. Morita et al., 2004
  • Toward the Discovery of New Elements: Production of Livermorium (Z=116) with 50Ti · J. M. Gates et al., 2024