Bài giảng Điện học (Phần 15) 2.10 Sự hình thành các nguyên tố Sự hình thành hydrogen và helium trong Big Bang Có phải mọi nguyên tố hóa học cấu thành nênchúng ta đều có nguồn gốctừ trong BigBang ? Nhiệtđộ trong nhữngmicrogiây đầu tiên sau BigBanglàquá cao nên các nguyên tử và hạtnhân nói chung không thể giữ lại với nhau. Sau khi mọi thứ lạnh xuốngđủ chonguyêntử và hạt nhân tồn tại,có một thời kì khoảng chừng ba phúttrong đó nhiệt độ và mật độ đủ caochosự nhiệt hạch xảy ra,nhưng không quá cao nên các nguyên tử có thể giữ lại với nhau. Chúng ta có đượcsự hiểu biết tốt và tường tận về các địnhluậtvật lí áp dụng dưới nhữngđiều kiện này,nên các nhà lí thuyếtcó thể nói quả quyết rằngnguyên tố duynhấtnặnghơn hydrogen được tạoravới số lượng đáng kể là helium. Chúng ta là bụi sao Trongtrường hợpđó, mọi nguyên tố hóa học có từ đâu ?Các nhàthiên văn đã tiến gần tới câu trả lời. Bằng cách nghiên cứu sự kết hợpcủa những bướcsóng ánh sáng, gọi là quangphổ, phát ra từ nhữngngôi saokhác nhau,họ đã có thể xác định loại nguyên tử mà chúngchứa. (Chúng ta sẽ nói nhiều hơnvề quang phổ ở phần cuốicuốn sách này).Họ nhận thấy cácsaochia ralàm hailoại. Mộtloại hầu như 100%là hydrogen và helium, còn loại kia chứa 99%hydrogen và helium và 1% cácnguyêntố khác. Họ giải thích đây làhai thế hệ sao. Thế hệ thứ nhất hình thành từ những đám khí còn mới nguyên từ Big Bang,và thành phần của chúng phản ánhthànhphần của vũ trụ sơ khai. Phản ứngnhiệt hạchhạt nhân,mànhờ đó chúng chiếu sáng, chỉ làm tăngtỉ lệ tương đối củahelium so với hydrogen,chứ khôngtạorabất kì nguyên tố nặng hơn nào. y/ Tinh vân Con Cua là tàn dư của một vụ nổ sao siêu mới. Hầu như mọi nguyên tố cấu thành nên hành tinh của chúng ta có nguồn gốc từ những vụ nổ như thế. Tuy nhiên, những thành viênthuộc thế hệ thứ nhất màchúng ta thấy ngày nay chỉ là nhữngthành viên đã sống một thờigianlâu dài. Nhữngngôi sao nhỏ bủn xỉn với nhiên liệu của chúng hơn sovớinhững ngôi sao lớn, chúngcó thời gian sống ngắn. Những ngôi saolớn thuộcthế hệ thứ nhất vừa hoàn tấtcuộc đờicủa chúng. Gần cuối quãng thờigian sốngcủa nó, ngôi sao cạn kiệt hydrogen và chịu một loạt sự táicấutrúc dữ dội và ngoạn mụckhi nó làm tanchảy những nguyên tố ngày càng nặng hơn. Nhữngngôisaorất lớnkết thúc chuỗi sự kiện nàybằngsự bùng nổ sao siêumới, trong đó một số vật chất của chúng bị ném vào khônggian, còn phần cònlại thì đổ sập lại thành mộtđối tượng kì lạ, như lỗ đen hay sao neutron. Thế hệ sau thứ hai,trong số đó Mặt Trời củachúngta là một ví dụ, cô đặc từ những đámmâykhíđã được làm giàu thêm những nguyên tố nặngdo sự bùng nổ sao siêu mới.Đó là nhữngnguyên tố nặng cấutạonên hành tinhcủa chúngta và cơ thể của chúng ta. Sự tổng hợp nhân tạo các nguyên tố nặng Các nguyên tố lêntới uranium,số nguyên tử 92, đượctạo rabởinhững quá trìnhthiên văn này. Cao hơnsố nguyên tử đó,lực đẩy điệncủa các protontănglên dẫn tới chu kìbán rã càngngắnlại. Cho dù một saosiêu mới mộttỉ năm trướcđây thật sự đã tạo ra một số lượng của mộtnguyêntố như berkelium,số nguyên tử 97, nhưng nó khôngcòn gìtrong lớpvỏ Trái Đất ngày nay. Nhữngnguyên tố nặng nhất đều đượctạo rabằng những phản ứng nhiệt hạchnhân tạotrong các máy gia tốc. Như vàonăm 2006, nguyên tố nặng nhất đượctạo ra lànguyên tố 116.[Một khẳng định trước đó đã tạora được nguyên tố 116 domộtnhóm tại Berbeley công bố hóa ralà một trògian lận khoahọc, nhưng nguyên tố đó sauđó đã được tạo ra bởi một nhóm khác, tại Dubna, Nga]. z/ Cấu tạo của máy gia tốc UNILAC ở Đức, một trong những máy được sử dụng cho thí nghiệm tạo ra những nguyên tố rất nặng. Trong một thí nghiệm như thế, sản phẩm nhiệt hạch nảy trở lại qua một dụng cụ gọi là SHIP (không có trong hình) tách chúng ra dựa trên tỉ số điện tích trên khối lượng của chúng – về cơ bản, nó chỉ là một mẫu quy mô lớn của thiết bị của Thomson. Một thí nghiệm tiêu biểu hoạt động trong vài tháng, và sản phẩm của hàng tỉ phản ứng nhiệt hạch sinh ra trong thời gian này, chỉ một hoặc hai có thể mang lại sự sản sinh các nguyên tố siêu nặng. Trong phần còn lại, hạt nhân tan chảy vỡ tan ngay tức thì. SHIP được dùng để nhận dạng số lượng nhỏ phản ứng “tốt” và tách chúng ra khỏi toàn cảnh dữ dội này. Mặcdù việc tạora một nguyên tố mới,tức là mộtnguyêntử có số proton mớilạ,về phươngdiện lịch sử đã đượcxemlà một thành tựuđầy quyến rũ, nhưng đối với nhà vật lí hạt nhân, việc tạora một nguyên tử có số neutroncho đến nay khôngaithấy cũng có tầm quantrọngkhông kém.Số neutronlớn nhất đạt được từ trướcđếnnaylà 179.Một mụctiêu trêu ngươi của loại nghiên cứu này là tiênđoán lí thuyết có thể có một ốc đảo ổn địnhnằm ngoàichóp biểu đồ hạt nhânđã được khảo sát tỉ mỉ trước đây, đã nói tới trongphần 2.8.Giống hệt như số lượng electronnhất địnhđã đưa tới sự ổnđịnh hóa tính của các chất khí trơ (helium, neon, argon…), số lượng neutronvàproton nhất định cũng đưa tới sự sắp xếp ổn định đặc biệtcủa các quỹ đạo. Những tínhtoán lùi lại thậpniên 1960 cho biếtcó thể có hạtnhân tương đối bền cókhoảng 114proton và 184 neutron. Cácđồngvị của nguyên tố 114 và 116đã được tạo ra trướcđây cóchu kì bán ra trongngưỡng giây hoặc miligiây. Giátrị này khôngthể xem là rất lâu, nhưng thời giansống trong ngưỡng micro giây thìđiển hìnhhơn đối với cácnguyên tố siêu nặng đã được khámphátrước đây. Còncó suyđoán cho rằng nhữngđồng vị siêu nặngnhất định sẽ đủ bền để được tạo ravớisố lượngchẳng hạn cân được hay dùng trong các phản ứng hóahọc. . Bài giảng Điện học (Phần 15) 2.10 Sự hình thành các nguyên tố Sự hình thành hydrogen và helium trong Big Bang Có phải mọi nguyên tố hóa học cấu thành nênchúng ta đều. hydrogen được tạoravới số lượng đáng kể là helium. Chúng ta là bụi sao Trongtrường hợpđó, mọi nguyên tố hóa học có từ đâu ?Các nhàthiên văn đã tiến gần tới câu trả lời. Bằng cách nghiên cứu sự kết hợpcủa. uranium,số nguyên tử 92, đượctạo rabởinhững quá trìnhthiên văn này. Cao hơnsố nguyên tử đó,lực đẩy điệncủa các protontănglên dẫn tới chu kìbán rã càngngắnlại. Cho dù một saosiêu mới mộttỉ năm trướcđây thật