Nghiên Cứu Hiệu Ứng Cầu Vồng và Cơ Chế Chuyển Alpha Trong Tán Xạ 12C+12C và 16O+12C

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu hiệu ứng cầu vồng và cơ chế chuyển alpha trong tán xạ 12c 12c và 16o 12c ở năng lượng, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Phúc
• Người hướng dẫn: GS. Đào Tiến Khoa
• Trường học: Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân
• Đề tài: Nghiên Cứu Hiệu Ứng Cầu Vồng và Cơ Chế Chuyển Alpha Trong Tán Xạ Hạt Nhân
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hiệu Ứng Cầu Vồng Hạt Nhân Thú Vị

Từ khi Rutherford khám phá ra cấu trúc nguyên tử, tán xạ hạt nhân luôn là hướng nghiên cứu trọng yếu trong vật lý hạt nhân hiện đại. Nghiên cứu này tập trung xác định thông tin cấu trúc, thế tương tác hạt nhân và tiết diện phản ứng. Tán xạ hạt nhân là quá trình phức tạp, nơi nhiều kênh tán xạ có thể xảy ra, ảnh hưởng lẫn nhau. Mô hình đơn giản nhất mô tả tán xạ là mô hình quang học (OM), mô tả tán xạ đàn hồi thông qua phương trình đơn kênh. Phương trình mô tả sự tương tác giữa các hạt, bao gồm thế tương tác U = V + iW, với V đại diện cho tương tác hạt nhân và W cho sự mất cường độ dòng từ kênh đàn hồi. Việc xác định thế quang học (OP) đóng vai trò quan trọng, cung cấp thông tin về tương tác hạt nhân. Như Rutherford đã chỉ ra, quá trình tán xạ có thể tiết lộ những bí mật sâu kín về cấu trúc của vật chất.

1.1. Mối liên hệ giữa Tán Xạ Hạt Nhân và Ánh Sáng

Quá trình tán xạ hạt nhân tương đồng với tán xạ ánh sáng lên quả cầu, như giọt nước. Xuất hiện hiệu ứng cầu vồng hạt nhân, tương tự như cầu vồng khí quyển. Ánh sáng đi vào giọt nước có thể được mô tả thành quỹ đạo của các tia sáng. Sự gia tăng cường độ ánh sáng xung quanh một góc lệch nhất định tạo ra cầu vồng. Sự tương đồng này giúp hình dung và hiểu rõ hơn về cơ chế tán xạ phức tạp trong thế giới hạt nhân. Phân tích kỹ lưỡng cho thấy các quy luật vật lý vi mô ảnh hưởng trực tiếp đến hiện tượng vĩ mô.

1.2. Sự Khác Biệt giữa Cầu Vồng Khí Quyển và Hạt Nhân

Không như cầu vồng khí quyển, nơi chiết suất và bước sóng không đổi với ánh sáng đơn sắc, trong tán xạ hạt nhân, bước sóng và chiết suất phụ thuộc vào thế tương tác và năng lượng E của hệ tán xạ. Sự phụ thuộc này thay đổi theo khoảng cách đến tâm tán xạ R. Cơ chế khúc xạ trong tán xạ hạt nhân trở nên rất phức tạp. Các sóng riêng phần đi sâu vào tâm tán xạ chịu ảnh hưởng mạnh bởi lực hạt nhân, bị khúc xạ với góc lệch lớn, biểu hiện trên tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc lớn. Đây là điểm khác biệt then chốt, làm nổi bật sự phức tạp của tán xạ hạt nhân.

II. Thách Thức Phân Tích Thế Hạt Nhân và Hiệu Ứng Cầu Vồng

Thông thường, sóng tán xạ đàn hồi khi đi sâu vào tâm tán xạ hầu hết bị hấp thụ sang các kênh không đàn hồi. Đặc trưng của các hệ tán xạ này là có phần ảo của OP sâu. Trong trường hợp này, các sóng riêng phần đi sâu vào tâm tán xạ hầu hết bị hấp thụ, khiến tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc lớn rất nhỏ. Điều này gây khó khăn trong việc thu thập thông tin về OP ở sâu bên trong hạt nhân. Dữ liệu tiết diện tán xạ đàn hồi chỉ mang thông tin OP ở bề mặt. Việc phân tích và giải mã thông tin này là một thách thức lớn, đòi hỏi phương pháp tiếp cận tinh vi.

2.1. Vấn Đề Hấp Thụ Sóng Tán Xạ Đàn Hồi ở Góc Lớn

Ở các hệ tán xạ có phần ảo của OP sâu, sóng tán xạ đàn hồi bị hấp thụ mạnh khi đi sâu vào tâm tán xạ. Tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc lớn trở nên rất nhỏ. Điều này làm giảm độ nhạy của dữ liệu tán xạ đàn hồi đối với OP ở vùng bên trong hạt nhân. Thông tin về tương tác hạt nhân ở khoảng cách ngắn trở nên khó xác định hơn. Cần có các kỹ thuật đặc biệt để vượt qua hạn chế này.

2.2. Giới Hạn về Thông Tin Tương Tác Hạt Nhân ở Bề Mặt

Khi sóng tán xạ bị hấp thụ mạnh ở vùng bên trong, tiết diện tán xạ đàn hồi chủ yếu mang thông tin về tương tác hạt nhân ở bề mặt. Thông tin về cấu trúc bên trong hạt nhân và tương tác ở khoảng cách ngắn bị che khuất. Điều này giới hạn khả năng nghiên cứu các hiện tượng vật lý liên quan đến vùng bên trong hạt nhân. Cần tìm kiếm các hệ tán xạ khác hoặc phương pháp phân tích khác để khắc phục hạn chế này.

2.3. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Tán Xạ Ion Nhẹ

Một số hệ tán xạ ion nhẹ như α, 12C, 16O lại ít bị hấp thụ hơn và được đặc trưng bởi thế ảo nông. Khi đó, các sóng tán xạ có thể sống sót nếu đi sâu vào bên trong tâm tán xạ. Các sóng khúc xạ ở bên trong có thể giao thoa tạo thành hiệu ứng cầu vồng hạt nhân. Việc nghiên cứu các hệ này có thể cung cấp thông tin quan trọng về OP ở cả bề mặt và sâu bên trong hạt nhân, khắc phục các hạn chế trên.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Cơ Chế Chuyển Alpha Trong Tán Xạ

Luận án tập trung vào hiệu ứng cầu vồng hạt nhân trên hệ tán xạ ion nhẹ 12C − 12C, 16O − 12C. Hai hệ này quan trọng không chỉ trong nghiên cứu cầu vồng hạt nhân mà còn trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp xảy ra trong quá trình tiến hóa các sao trong vũ trụ. Trong vùng năng lượng mà tiết diện tán xạ đàn hồi nhạy với OP sâu bên trong, dữ liệu tán xạ đàn hồi được đo ở các năng lượng khác nhau. Cần phân tích kỹ lưỡng các dữ liệu này để xác định OP và hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng.

3.1. Sử Dụng Mô Hình Quang Học OM và Thế Quang Học OP

Mô hình quang học (OM) là công cụ chính để phân tích tán xạ đàn hồi. Việc xác định thế quang học (OP) là rất quan trọng. OP được biểu diễn dưới dạng phức U = V + iW, với V là thế thực đại diện cho tương tác hạt nhân và W là thế ảo đại diện cho sự hấp thụ. Việc lựa chọn dạng hàm thích hợp cho V và W là rất quan trọng để mô tả chính xác dữ liệu thực nghiệm.

3.2. Phân Tích Tiết Diện Tán Xạ Đàn Hồi ở Góc Lớn và Góc Nhỏ

Tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc nhỏ chủ yếu mang thông tin về tương tác hạt nhân ở bề mặt. Tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc lớn nhạy với OP ở sâu bên trong hạt nhân. Bằng cách phân tích cả hai vùng góc này, có thể thu được thông tin đầy đủ hơn về OP. Sự phân tích Near/Far cho phép tách các đóng góp của các vùng khác nhau trên hạt nhân vào tiết diện tán xạ, giúp hiểu rõ hơn các cơ chế tán xạ.

IV. Ứng Dụng Hiệu Ứng Cầu Vồng Trong Nghiên Cứu Cấu Trúc Hạt Nhân

Hiệu ứng cầu vồng hạt nhân cung cấp công cụ mạnh mẽ để thăm dò cấu trúc bên trong hạt nhân. Cấu trúc giao thoa của các sóng riêng phần bao gồm các cực tiểu Airy và cực đại Airy (hay còn gọi là các vai cầu vồng). Bằng cách phân tích vị trí và cường độ của các cực trị này, có thể suy ra thông tin về hình dạng và kích thước của thế hạt nhân. Điều này giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố mật độ vật chất trong hạt nhân.

4.1. Xác Định Thế Hạt Nhân với Độ Chính Xác Cao

Khi có hiệu ứng cầu vồng hạt nhân, dữ liệu tán xạ đàn hồi nhạy với OP ở cả sâu bên trong và bề mặt hạt nhân. Điều này cho phép xác định OP với ít độ bất định nhất. Các tham số của OP, như độ sâu, bán kính và độ nhòe, có thể được xác định một cách chính xác. Điều này giúp cải thiện sự hiểu biết về tương tác hạt nhân.

4.2. Thăm Dò Cấu Trúc Bên Trong Hạt Nhân

Hiệu ứng cầu vồng hạt nhân cung cấp cơ hội để thăm dò cấu trúc bên trong hạt nhân. Các sóng riêng phần đi sâu vào bên trong hạt nhân mang thông tin về vùng này. Bằng cách phân tích các sóng này, có thể suy ra thông tin về sự phân bố mật độ vật chất và các hiệu ứng cấu trúc khác. Điều này giúp kiểm tra các mô hình cấu trúc hạt nhân khác nhau.

V. Kết Luận và Triển Vọng Nghiên Cứu Tương Tác Hạt Nhân

Nghiên cứu hiệu ứng cầu vồng hạt nhân và cơ chế chuyển alpha trong tán xạ hạt nhân là hướng đi đầy tiềm năng. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần làm sáng tỏ cấu trúc hạt nhân và tương tác giữa các hạt nhân. Việc phát triển các mô hình lý thuyết chính xác hơn và thu thập dữ liệu thực nghiệm ở các năng lượng khác nhau là rất quan trọng để tiến xa hơn trong lĩnh vực này. Đây là lĩnh vực nghiên cứu đầy thách thức nhưng cũng rất hứa hẹn.

5.1. Tầm Quan Trọng của Dữ Liệu Thực Nghiệm Chính Xác

Để phân tích hiệu quả hiệu ứng cầu vồng hạt nhân, cần có dữ liệu thực nghiệm chính xác ở các năng lượng khác nhau. Dữ liệu phải được đo ở dải góc rộng, bao gồm cả vùng góc lớn. Sai số thực nghiệm phải được kiểm soát chặt chẽ. Dữ liệu thực nghiệm chất lượng cao là nền tảng để xây dựng các mô hình lý thuyết chính xác.

5.2. Phát Triển Các Mô Hình Lý Thuyết Phức Tạp

Để mô tả đầy đủ các hiện tượng tán xạ hạt nhân, cần phát triển các mô hình lý thuyết phức tạp hơn. Các mô hình này phải tính đến các hiệu ứng cấu trúc hạt nhân, các kênh phản ứng khác nhau và sự phụ thuộc năng lượng của OP. Việc kết hợp các phương pháp tính toán hiện đại là rất quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu Kể từ khi Rutherford khám phá ra cấu trúc nguyên tử qua thí nghiệm tán xạ α lên bia vàng vào năm 1911, tán xạ hạt nhân-hạt nhân luôn là hướng nghiên cứu quan trọng của vật lý hạt nhân (VLHN) hiện đại nhằm xác định thông tin cấu trúc, thế tương tác hạt nhân, tiết diện phản ứng vv.Tán xạ hạt nhân là quá trình phức tạp, trong đó có nhiều kênh tán xạ có thể xảy ra trong quá trình va chạm của hai hạt nhân và các kênh tán xạ này ảnh hưởng lẫn nhau. Mô hình đơn giản nhất mô tả quá trình tán xạ là mẫu quang học (Optical Model, viết tắt là OM) mô tả tán xạ đàn hồi thông qua phương trình đơn kênh [1, 2]
E − K − U (R) χ(R) = 0, (1) với χ(R) là hàm sóng mô tả quá trình tán xạ, E và K lần lượt là năng lượng và toán tử động năng, U (R) là thế tương tác tại khoảng cách R của hai hạt nhân. Thế này có dạng phức U = V + iW , trong đó thế thực V đặc trưng cho tương tác hạt nhân-hạt nhân và thế ảo W đặc trưng cho sự mất cường độ dòng từ kênh đàn hồi sang các kênh không đàn hồi. Việc mô tả quá trình tán xạ đàn hồi với thế tán xạ có dạng phức cũng tương tự như việc mô tả ánh sáng tán xạ lên quả cầu hấp thụ với chiết suất phức.

Do đó mô hình đơn kênh này được gọi là mẫu quang học và thế tương tác U được gọi là thế quang học (Optical Potential, viết tắt là OP). Trong lý thuyết tán xạ, việc xác định OP đóng vai trò quan trọng giúp chúng ta thu được nhiều thông tin về thế tương tác hạt nhân. Quá trình tán xạ hạt nhân cũng tương đồng với sóng ánh sáng tán xạ 1 (LUAN.binh TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 2 lên quả cầu (chẳng hạn giọt nước). Trong đó, xuất hiện hiệu ứng cầu vồng hạt nhân tương tự như hiệu ứng cầu vồng khí quyển trong tự nhiên.

Để minh họa quá trình hình thành cầu vồng khí quyển, ánh sáng đi vào giọt nước có thể được mô tả thành quỹ đạo của các tia sáng theo như Hình 1 [3]. Xét Hình 1: Các đường đi của tia sáng đi vào giọt nước hình cầu được đánh số từ 1 đến 12 và rời khỏi giọt nước sau quá trình khúc xạ-phản xạ-khúc xạ. Hình minh họa được lấy từ [3]. trường hợp các tia sáng trải qua quá trình khúc xạ, phản xạ, khúc xạ và rời khỏi giọt nước, ta có thể thấy sự thay đổi góc lệch của tia sáng rời giọt nước (so với tia đến) phụ thuộc vào khoảng cách từ tâm giọt nước đến các tia sáng (tính theo phương đến của các tia sáng).

Hiệu ứng vật lý thú vị ở đây là có sự gia tăng cường độ ánh sáng xung quanh góc lệch ứng với các tia 7, 8, 9. Cầu vồng khí quyển là hiện tượng mà ta quan sát ánh sáng được tăng cường ở góc lệch này. Hình 1 là mô hình đơn giản mô tả đường đi của các tia sáng, nó không mô tả được bản chất sóng của ánh sáng. Vào thế kỉ 19, S.

George Airy đã sử dụng khái niệm mặt sóng ánh sáng của Huygens thay vì các tia sáng quang học như ở Hình 1. Airy đã chứng minh có sự tự giao thoa của 2 (LUAN.binh TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Hình 2: Đồ thị của tích phân Airy Ai(x) với x tỷ lệ với Θ − ΘR , x = 0 tương ứng với Θ = ΘR , trong đó Θ là góc lệch của tia sáng ra khỏi giọt nước so với tia tới, ΘR là góc lệch cực đại. Hình minh họa được lấy từ [2]. các mặt sóng khi nó trải qua quá trình khúc xạ và phản xạ trong giọt mưa.

Cường độ ánh sáng ra khỏi giọt nước được mô bằng hàm Ai(x) có đồ thị như ở Hình 2. Kết quả của quá trình giao thoa bao gồm các cực đại (được gọi là cực đại Airy) và cực tiểu (được gọi là cực tiểu Airy) của hàm Ai(x). Trong đó, cầu vồng chính là cực đại Airy thứ nhất, phía trước cực đại Airy chính là cực tiểu Airy chính kí hiệu A1. Các cực đại Airy thứ hai và thứ ba lần lượt là cầu vồng thứ cấp thứ nhất và thứ hai., tương ứng ta cũng có các cực tiểu thứ cấp A2, A3.

Không như trường hợp cầu vồng khí quyển được đặc trưng bởi quá trình khúc xạ có chiết suất và bước sóng không đổi với các ánh sáng đơn sắc, đối với tán xạ hạt nhân-hạt nhân , bước sóng và chiết suất phụ thuộc vào thế tương tác và năng lượng E của hệ tán xạ. Sự phụ thuộc này thay đổi theo khoảng cách đến tâm tán xạ R như ở biểu thức sau [4] q   q λB (R) = h/ 2µ E − UT (R) , n(R) = 1 − UT (R)/E, (2) với UT (R) là tổng của thế hạt nhân V (R), thế Coulomb VC (R) và thế li tâm, h và µ lần lượt là hằng số Planck và khối lượng rút gọn. Dẫn đến cơ chế khúc 3 (LUAN.binh TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 4 xạ trong tán xạ hạt nhân rất phức tạp. Với các sóng riêng phần đi sâu vào tâm tán xạ, chúng chịu ảnh hưởng mạnh bởi lực hạt nhân nên các sóng này bị khúc xạ với góc lệch lớn.

Do đó các đặc trưng của các sóng này được biểu hiện trên tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc lớn và mang thông tin quan trọng của OP ở sâu bên trong hạt nhân. Trong khi đó đối với các sóng riêng phần ở xa tâm tán xạ, chúng chỉ chịu ảnh hưởng yếu bởi lực Coulomb và hạt nhân nên các sóng này bị khúc xạ với góc lệch nhỏ. Các sóng này được biểu hiện trên tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc nhỏ và chỉ mang thông tin tương tác hạt nhân ở bề mặt. Quá trình khúc xạ được minh họa ở Hình 3.

Hình 3: Hình bên trái: Quỹ đạo của sóng riêng phần bị khúc xạ bởi lực hút hạt nhân và lực đẩy Coulomb. Hình bên phải: Góc lệch (góc khúc xạ) Θ của các sóng riêng phần tương ứng. Hình minh họa được lấy từ [5]. Đối với trường hợp tán xạ hạt nhân-hạt nhân, thông thường sóng tán xạ đàn hồi khi đi sâu vào tâm tán xạ hầu hết bị hấp thụ sang các kênh không đàn hồi.

Đặc trưng của các hệ tán xạ này là có phần ảo của OP sâu. Hình 4 minh họa cho trường hợp tán xạ đàn hồi 16 O+28 Si tại Elab = 142.5 MeV với OP có dạng Woods-Saxon (WS) [6] và phần ảo của OP sâu, các sóng riêng phần đi sâu vào tâm tán xạ hầu hết bị hấp thụ nên tiết diện tán xạ đàn hồi ở góc lớn rất nhỏ. Điều này có thể thấy ở Hình 4, tiết diện tán xạ đàn hồi giảm rất nhanh khi góc tán xạ θ tăng. Trường hợp này, các sóng tán xạ đàn hồi “sống sót ” chủ yếu là các sóng ở bề mặt và tiết diện tán xạ đàn hồi tập 4 (LUAN.binh TIEU LUAN MOI download : [e-mail] trung chủ yếu ở góc nhỏ, dữ liệu tiết diện tán xạ đàn hồi chỉ mang thông tin OP ở bề mặt.5 MeV 10 lab -2 10 R /d -3 10 d -4 10 OM -5 Exp.

Hình 4: Mô tả tiết diện tán xạ đàn hồi 16 O+28 Si tại Elab = 142. Đường liền nét là kết quả tính toán lại của NCS theo OM. Dữ liệu thực nghiệm và OP dưới dạng WS được lấy từ [6]. Tuy nhiên, trong một số trường hợp tán xạ của các hệ ion nhẹ, như α, 12 C, 16 O.

vv, đây là những hạt nhân bền chặt, ít bị hấp thụ sang các kênh không đàn hồi hơn và được đặc trưng bởi thế ảo nông. Khi đó, các sóng tán xạ có thể sống sót nếu đi sâu vào bên trong tâm tán xạ. Ở các điều kiện phù hợp, các sóng khúc xạ ở bên trong này có thể giao thoa tạo thành hiệu ứng cầu vồng hạt nhân. Đặc trưng của hiệu ứng cầu vồng hạt nhân là tiết diện tán xạ đàn hồi tăng đáng kể ở góc lớn.

Cấu trúc giao thoa của các sóng riêng phần này gồm các cực tiểu Airy và cực đại Airy (hay còn được gọi là các vai cầu vồng). Ví dụ Hình 5 mô tả trường hợp điển hình cầu vồng hạt nhân trên tán xạ đàn hồi 16 O−12 C tại Elab =200 MeV [7] với cấu trúc cầu vồng gồm cực tiểu chính A1 và cực tiểu thứ cấp A2 (xem Hình 5). Độ rộng của vai cầu vồng ứng với cực tiểu chính A1 trong khoảng từ 64◦ đến 120◦ và cực tiểu thứ cấp A2 trong khoảng từ 44◦ đến 64◦. Trường hợp này dữ liệu tán xạ đàn hồi nhạy với OP ở sâu bên trong cũng như ở bề mặt hạt nhân.

Nhờ đó mà ta có 5 (LUAN.binh TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 6 thể xác định được OP với ít độ bất định nhất và nó mang thông tin của OP ở cả bề mặt và sâu bên trong hạt nhân. 0 10 -1 16 12 10 O+ C, E =200 MeV lab -2 10 R A /d -3 2 10 d -4 10 OM Exp. Hình 5: Hiệu ứng cầu vồng hạt nhân trong tán xạ đàn hồi 16 O−12 C tại Elab = 200MeV [7], đường liền nét là kết quả tính toán lại của NCS dựa trên OM với OP có dạng hiện tượng luận WS được lấy từ [7]. Có hai nhóm tán xạ chính có thể quan sát hiện hiệu ứng cầu vồng hạt nhân là tán xạ đàn hồi trên các hệ α-hạt nhân như α+90 Zr, α+58 Ni, α+40 Ca.

[8, 9] và các hệ ion nhẹ như 12 C−12 C ,16 O−16 O , 16 O−12 C. Trong luận án này, chúng tôi tập trung vào hiệu ứng cầu vồng hạt nhân trên hệ tán xạ ion nhẹ 12 C−12 C , 16 O−12 C. Trong số lượng lớn thực nghiệm về tán xạ đàn hồi các ion nhẹ, 12 C−12 C có lẽ là hệ được nghiên cứu nhiều nhất với số liệu tán xạ được đo từ ngưỡng Coulomb đến năng lượng 200 MeV/nucleon. Hệ này cũng như hệ 16 O−12 C không những quan trọng trong nghiên cứu cầu vồng hạt nhân mà còn trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp xảy ra trong quá trình tiến hóa các sao trong vũ trụ.

Trong vùng năng lượng mà tiết diện tán xạ đàn hồi nhạy với OP sâu bên trong tương ứng ở khoảng cách ngắn, các dữ liệu thực nghiệm tán xạ đàn hồi đã được đo ở các năng lượng khác nhau trên dải góc rộng cho phép xác định rõ thế tương tác đến sâu bên trong tâm tán xạ. Điển hình, vào năm 1976, Stokstad và đồng nghiệp đã thực hiện đo 6 (LUAN.