Phát hiện mới về hạt nhân nguyên tử thách thức quy luật vật lý

2 giờ trướcBài gốc

Hình minh họa một hạt nhân nguyên tử

Hơn một thế kỷ trước, vào năm 1911, nhà vật lý lừng danh Ernest Rutherford đã thay đổi hoàn toàn cách nhân loại nhìn nhận vật chất khi đưa ra giả thuyết rằng nguyên tử có chứa một hạt nhân ở trung tâm.

Kể từ khoảnh khắc lịch sử đó, các nhà khoa học đã không ngừng lấp đầy Bảng tuần hoàn hóa học với 118 nguyên tố và giải mã những quy tắc vận hành bên trong thế giới vi mô này. Chúng ta từng tin rằng hạt nhân tuân theo những trật tự "sắt đá" về sự ổn định giữa proton và neutron.

Tuy nhiên, một nghiên cứu quốc tế mới đây đã làm rung chuyển những hiểu biết đó khi phát hiện ra một hiện tượng kỳ lạ mang tên "Vùng đảo ngược" (Island of Inversion) nằm ngay tại khu vực mà lẽ ra phải ổn định nhất. Phát hiện này, xoay quanh hai đồng vị của nguyên tố Molybdenum, không chỉ thách thức các mô hình hạt nhân hiện hành mà còn mở ra một cánh cửa mới để thấu hiểu cách vật chất liên kết với nhau ở cấp độ cơ bản nhất.

Khi "luật chơi" của tạo hóa bị phá vỡ: Sự biến mất của những con số ma thuật

Để hiểu được tầm quan trọng của phát hiện này, chúng ta cần quay lại với những nguyên tắc cơ bản nhất của vật lý hạt nhân. Hãy tưởng tượng hạt nhân nguyên tử như một "ngôi nhà" chung của hai loại hạt: proton (mang điện tích dương) và neutron (không mang điện). Đối với các hạt nhân nhẹ (những nguyên tố nằm ở đầu bảng tuần hoàn), ngôi nhà này vững chãi nhất khi số lượng proton và neutron bằng nhau. Các nhà khoa học gọi đây là đường N=Z (trong đó N là neutron và Z là proton). Sự cân bằng này tạo nên sự ổn định tuyệt đối.

Tuy nhiên, khi nguyên tử trở nên nặng hơn với số lượng hạt tăng lên, "luật chơi" bắt đầu thay đổi. Các proton mang điện tích dương có xu hướng đẩy nhau ra xa do lực điện từ. Để giữ cho hạt nhân không bị nổ tung, tự nhiên cần thêm nhiều neutron hơn đóng vai trò như một loại "keo dán" hạt nhân để kìm hãm sự đẩy nhau của proton. Đó là lý do tại sao các nguyên tố nặng thường có số neutron nhiều hơn hẳn số proton, khiến chúng lệch khỏi đường cân bằng N=Z.

Trong suốt nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã tin vào sự tồn tại của những "con số ma thuật" (magic numbers). Đây là những con số cụ thể về lượng proton và neutron giúp hạt nhân có hình dạng cầu hoàn hảo và cực kỳ bền vững. Nhưng tự nhiên luôn ẩn chứa những bất ngờ. Các nhà khoa học đã quan sát thấy những hành vi kỳ quặc tại một số khu vực đặc biệt được gọi là "Vùng đảo ngược". Tại những "hòn đảo" này, các quy tắc thông thường ngưng hoạt động. Những con số ma thuật biến mất, trật tự năng lượng bị đảo lộn, và thay vì giữ hình cầu, hạt nhân bị biến dạng mạnh mẽ (méo mó).

Trước đây, hầu hết các "Vùng đảo ngược" này chỉ được tìm thấy ở những đồng vị "kỳ lạ" và hiếm gặp, nằm rất xa trạng thái tự nhiên. Chúng thường là những hạt nhân siêu giàu neutron, ví dụ như Beryllium-12, Magnesium-32 hay Chromium-64.

Hãy lấy Chromium làm ví dụ: đồng vị phổ biến nhất trong tự nhiên là Chromium-52 (24 proton và 28 neutron). Nhưng ở trạng thái "kỳ lạ" Chromium-64, nó vẫn giữ 24 proton nhưng lại chứa tới 40 neutron – một sự mất cân bằng khủng khiếp. Chính sự dư thừa neutron này được cho là nguyên nhân phá vỡ cấu trúc hạt nhân.

Thế nhưng, nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications đã lật ngược quan niệm này. Các nhà khoa học đã tìm thấy một "đảo dị thường" nằm ở khu vực giàu proton (hoặc cân bằng proton-neutron), nơi mà theo lý thuyết cũ, mọi thứ phải rất trật tự. Đối tượng nghiên cứu là hai đồng vị của Molybdenum: Mo-84 (với 42 proton và 42 neutron, tỷ lệ 1:1 hoàn hảo) và Mo-86 (42 proton và 44 neutron).

Điều gây sốc là chỉ với sự chênh lệch vỏn vẹn 2 neutron, Mo-84 đã trải qua một hiện tượng gọi là "kích thích hạt-lỗ" (particle-hole excitation). Hãy tưởng tượng các hạt nhân tử (nucleon) đang ngồi yên vị trên các hàng ghế trong một nhà hát (các quỹ đạo năng lượng). Đột nhiên, ở Mo-84, một số hạt nhảy vọt lên các hàng ghế cao hơn (mức năng lượng cao hơn), để lại những chiếc ghế trống (lỗ hổng) phía sau.

Hành vi này làm thay đổi cấu trúc và hình dạng hạt nhân một cách ngoạn mục. Vì hiện tượng này xảy ra ngay tại khu vực N=Z (số neutron bằng số proton) – nơi được coi là vùng ổn định – nó đã thách thức mọi dự đoán trước đây về nơi các "Vùng đảo ngược" có thể xuất hiện.

Cuộc săn tìm dấu vết gamma và tương lai của vật lý hạt nhân

Việc phát hiện ra sự kỳ lạ của Mo-84 phức tạp và tinh vi không kém gì chính bản chất của nó. Để "nhìn" thấy những gì diễn ra bên trong một hạt nhân siêu nhỏ tồn tại trong thời gian siêu ngắn, các nhà khoa học đã phải sử dụng những phương pháp thực nghiệm đỉnh cao. Nhóm nghiên cứu mô tả quá trình này là một thách thức cực đại vì việc tạo ra các hạt nhân có khối lượng trung bình-nặng với tỷ lệ N~Z gần bằng 1 là vô cùng khó khăn.

Quy trình bắt đầu bằng một cuộc "va chạm" quy mô nguyên tử. Nhóm nghiên cứu đã bắn một chùm ion Molybdenum-92 (Mo-92) đã được gia tốc vào một mục tiêu làm bằng Beryllium. Cú va chạm này tạo ra một loạt các mảnh vỡ hạt nhân. Từ đống hỗn độn đó, họ lọc ra các mảnh mong muốn. Khi các nguyên tử Mo-86 được tạo ra va vào một mục tiêu thứ hai, một số trong chúng bị kích thích và chuyển hóa thành Mo-84. Trong quá trình chuyển đổi và biến dạng này, chúng phát ra các tia gamma.

Đây chính là lúc công nghệ lên tiếng. Các tia gamma này được ghi lại bởi hai "siêu mắt thần" của giới vật lý hạt nhân: máy quang phổ tia gamma GRETINA và thiết bị TRIPLEX (Triple Plunger for Exotic beams). Cả hai thiết bị này đều có khả năng ghi lại những khoảng thời gian tồn tại cực ngắn của nguyên tử, cho phép các nhà khoa học đo đạc chính xác sự biến dạng của hạt nhân thông qua năng lượng mà nó giải phóng. Dữ liệu thu được cho thấy Mo-84 đã bị biến dạng mạnh mẽ, xác nhận sự tồn tại của một "Vùng đảo ngược đối xứng Isospin".

Các tác giả của nghiên cứu nhấn mạnh: "Trong khi hiện tượng này cho đến nay chủ yếu được nghiên cứu ở các hạt nhân rất giàu neutron, thì sự biểu hiện của nó ở phía giàu proton vẫn là một vùng đất hoang sơ chưa được khám phá chi tiết".

Việc so sánh hai đồng vị Mo-84 và Mo-86 đã hé lộ một sự thay đổi sâu sắc trong cấu trúc của chúng, cung cấp cái nhìn sâu hơn về sự tiến hóa của cấu trúc hạt nhân ngay tại đường ổn định – nơi mà chúng ta từng nghĩ mình đã hiểu rõ.

Phát hiện này không chỉ là một dòng chú thích trong sách giáo khoa vật lý. Nó là minh chứng cho thấy tự nhiên vẫn còn ẩn giấu những bí mật nằm ngoài quy luật "thông thường".

Việc tìm thấy sự bất ổn định ngay trong vùng ổn định gợi mở rằng lực liên kết hạt nhân phức tạp hơn nhiều so với mô hình proton-đẩy-neutron-kéo đơn giản. Hơn một thế kỷ sau thí nghiệm lá vàng của Rutherford, nhân loại vẫn đang trên hành trình giải mã trái tim của vật chất. Và với mỗi "hòn đảo" mới được tìm thấy trên bản đồ hạt nhân, chúng ta lại tiến thêm một bước gần hơn đến việc thấu hiểu nguồn gốc và cấu tạo của vũ trụ bao la này.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/phat-hien-moi-ve-hat-nhan-nguyen-tu-thach-thuc-quy-luat-vat-ly-243672.html