Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu về sơ đồ mức hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu cấu trúc và tính chất của hạt nhân nguyên tử. Với hơn 100 năm phát triển, từ mô hình Rutherford đến các lý thuyết hiện đại về tương tác mạnh và cơ học lượng tử, việc xác định các mức kích thích và chuyển dời gamma nối tầng giúp làm sáng tỏ các đặc trưng lượng tử của hạt nhân. Đặc biệt, hạt nhân Ta với trạng thái hợp phần 6062,94 keV là đối tượng nghiên cứu trọng tâm trong luận văn này, nhằm phân tích phân rã gamma nối tầng về trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích 16,273 keV.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thí nghiệm sử dụng phản ứng bắt neutron phát gamma (n,γ) với neutron nhiệt tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, trong khoảng thời gian thực hiện thí nghiệm năm 2022. Mục tiêu chính là xây dựng sơ đồ mức riêng phần của hạt nhân Ta, xác định các chuyển dời gamma nối tầng, đánh giá spin, độ chẵn lẻ và loại chuyển dời gamma, từ đó góp phần hoàn thiện dữ liệu hạt nhân phục vụ cho các mô hình cấu trúc hạt nhân và ứng dụng thực tiễn.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của sơ đồ mức hạt nhân, hỗ trợ các chương trình đánh giá số liệu hạt nhân quốc tế, đồng thời cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho các ứng dụng trong vật lý hạt nhân, y học hạt nhân và công nghệ năng lượng nguyên tử. Việc sử dụng kỹ thuật phổ kế trùng phùng gamma-gamma giúp giảm thiểu nhiễu nền và chồng chập đỉnh, nâng cao độ phân giải phổ gamma, từ đó tăng độ tin cậy của kết quả phân tích.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết nền tảng của vật lý hạt nhân, bao gồm:

  • Mô hình sơ đồ mức hạt nhân: Mô tả các mức năng lượng kích thích rời rạc của hạt nhân, đặc trưng bởi năng lượng Ex, spin J và độ chẵn lẻ P. Các chuyển dời gamma xảy ra khi hạt nhân chuyển từ mức kích thích cao về mức thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản, phát ra tia gamma có năng lượng bằng hiệu chênh lệch giữa hai mức.

  • Phân loại chuyển dời gamma theo bậc đa cực và độ chẵn lẻ: Chuyển dời gamma được phân loại thành điện (E) hoặc từ (M) với bậc đa cực L (ví dụ E1, M1, E2,...). Xác suất chuyển dời điện thường lớn hơn chuyển dời từ khoảng 100 lần với cùng bậc đa cực và năng lượng.

  • Phản ứng bắt neutron phát gamma (n,γ): Neutron nhiệt bắn phá hạt nhân Ta tạo ra hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích 6062,94 keV, sau đó giải kích thích bằng cách phát gamma nối tầng về các trạng thái thấp hơn.

  • Tương tác gamma với vật chất: Gamma khi đi vào đầu dò HPGe sẽ bị hấp thụ một phần hoặc toàn bộ năng lượng, tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với năng lượng hấp thụ. Hàm đáp ứng đầu dò R(Eγ, Eo) mô tả xác suất gamma bị hấp thụ hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng mẫu Ta tự nhiên có hàm lượng ^181Ta lên đến 99,988%, đặt tại vùng hoạt neutron nhiệt của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Dòng neutron nhiệt được lọc qua phin silic và chì để loại bỏ neutron trên nhiệt và gamma nền.

  • Thiết bị đo: Hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma gồm hai đầu dò HPGe siêu tinh khiết đặt cách mẫu 5 cm, được che chắn bằng buồng chì dày 10 cm và lớp chì 2 mm tại cửa sổ đầu dò để giảm nhiễu và hiện tượng trao đổi năng lượng giữa hai đầu dò.

  • Phương pháp phân tích: Ghi nhận sự kiện trùng phùng gamma-gamma trong cửa sổ thời gian nano giây, phân tích phổ nối tầng bậc hai bằng cách lọc các cặp gamma có tổng năng lượng gần bằng năng lượng trạng thái hợp phần (6062,94 keV) với sai số ±8 keV. Hiệu chỉnh hiệu suất ghi nhận theo năng lượng gamma dựa trên chuẩn đoán từ phân rã gamma của hạt nhân ^60Co.

  • Cỡ mẫu và timeline: Dữ liệu thu thập trong khoảng thời gian thực nghiệm tại Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt năm 2022, với cỡ mẫu là một tấm kim loại Ta 1,5 g đã được làm sạch hóa học, đảm bảo độ tinh khiết cao.

  • Xác định spin và loại chuyển dời: Dựa trên dữ liệu thư viện ENSDF để xác định thứ tự chuyển dời gamma nối tầng, spin và độ chẵn lẻ của các mức kích thích, từ đó đánh giá loại chuyển dời (E hoặc M) theo quy tắc bảo toàn spin và độ chẵn lẻ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định 22 trạng thái kích thích của hạt nhân Ta trong vùng năng lượng dưới 2 MeV, phù hợp với dữ liệu thư viện ENSDF trong phạm vi sai số ±2 keV. Trong đó, 5 chuyển dời sơ cấp mới được phát hiện chưa có trong thư viện số liệu.

  2. Phổ gamma nối tầng thu được từ trạng thái hợp phần 6062,94 keV về trạng thái cơ bản và trạng thái 16,273 keV cho thấy số lượng chuyển dời nối tầng về trạng thái cơ bản nhiều hơn gấp khoảng 4 lần so với trạng thái 16,273 keV, phản ánh sự khác biệt về spin (3^- so với 5^+).

  3. Đánh giá spin khả dĩ cho các mức kích thích dựa trên giả thiết chuyển dời gamma là lưỡng cực (L=1) cho thấy sự phù hợp cao với dữ liệu thư viện, ngoại trừ trạng thái 910 keV có sự khác biệt nhỏ về spin.

  4. Loại chuyển dời gamma chủ yếu là điện (E1) và từ (M1), với các chuyển dời bậc đa cực cao hơn (E2, M2) rất hiếm, phù hợp với lý thuyết xác suất chuyển dời gamma.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp đo phân rã gamma nối tầng bằng phổ kế trùng phùng gamma-gamma tại Lò phản ứng Đà Lạt có hiệu quả cao trong việc phát hiện và xác định các mức kích thích và chuyển dời gamma của hạt nhân Ta. Việc phát hiện các chuyển dời sơ cấp mới bổ sung dữ liệu quan trọng cho thư viện ENSDF, góp phần hoàn thiện sơ đồ mức hạt nhân.

Sự khác biệt về số lượng chuyển dời nối tầng giữa hai trạng thái cuối được giải thích bởi quy tắc bảo toàn spin và độ chẵn lẻ, đồng thời phản ánh tính chất lượng tử đặc trưng của từng trạng thái. Việc sử dụng dữ liệu thư viện để xác định thứ tự chuyển dời và spin là cần thiết do hạn chế của phương pháp trùng phùng không xác định được thứ tự gamma.

Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại các phòng thí nghiệm lớn như Brookhaven National Laboratory và các báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế, khẳng định tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp và dữ liệu thu thập.

Biểu đồ phổ gamma nối tầng và bảng số liệu chuyển dời gamma được trình bày chi tiết trong luận văn, minh họa rõ ràng vị trí đỉnh năng lượng và cường độ tương đối, giúp trực quan hóa các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng nghiên cứu với neutron có năng lượng cao hơn: Thực hiện thí nghiệm với neutron trên nhiệt để phát hiện các mức kích thích cao hơn năng lượng liên kết neutron, giúp hoàn thiện sơ đồ mức hạt nhân Ta trong vùng năng lượng rộng hơn.

  2. Nâng cao độ phân giải phổ gamma: Áp dụng các đầu dò HPGe thế hệ mới hoặc kỹ thuật đo đa đầu dò để giảm chồng chập đỉnh, tăng khả năng phát hiện các chuyển dời gamma có cường độ thấp.

  3. Phát triển phương pháp xác định thứ tự chuyển dời gamma: Kết hợp kỹ thuật trùng phùng thời gian cao hoặc sử dụng các phương pháp bổ sung như phổ beta-gamma để xác định chính xác thứ tự chuyển dời, từ đó xác định spin và độ chẵn lẻ chính xác hơn.

  4. Xây dựng cơ sở dữ liệu số liệu hạt nhân nội địa: Tổng hợp và cập nhật các kết quả nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm trong nước, tạo nền tảng dữ liệu phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong nước và quốc tế.

  5. Tăng cường hợp tác quốc tế: Tham gia các chương trình nghiên cứu chung với các phòng thí nghiệm lớn để trao đổi kỹ thuật, dữ liệu và nâng cao chất lượng nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân: Sử dụng dữ liệu và phương pháp nghiên cứu để phát triển các mô hình cấu trúc hạt nhân, nghiên cứu các phản ứng hạt nhân và tính chất lượng tử của hạt nhân.

  2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ hạt nhân: Áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế và vận hành lò phản ứng hạt nhân, cũng như trong phát triển các thiết bị đo lường và phân tích hạt nhân.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành vật lý nguyên tử và hạt nhân: Là tài liệu tham khảo học thuật, giúp hiểu sâu về kỹ thuật đo phổ gamma, phân tích dữ liệu và ứng dụng lý thuyết hạt nhân.

  4. Chuyên gia y học hạt nhân và vật liệu phóng xạ: Tham khảo các đặc trưng gamma của hạt nhân Ta để ứng dụng trong chuẩn đoán hình ảnh y học và nghiên cứu vật liệu phóng xạ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân rã gamma nối tầng là gì?
    Phân rã gamma nối tầng là quá trình hạt nhân giải kích thích từ trạng thái hợp phần qua một hoặc nhiều mức trung gian bằng cách phát ra các tia gamma nối tiếp. Ví dụ, hạt nhân Ta ở trạng thái 6062,94 keV phát gamma nối tầng về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái 16,273 keV.

  2. Tại sao sử dụng phổ kế trùng phùng gamma-gamma?
    Phổ kế trùng phùng gamma-gamma giúp giảm nhiễu nền và chồng chập đỉnh trong phổ gamma, tăng khả năng phát hiện các chuyển dời gamma nối tầng, đặc biệt trong các hạt nhân có phổ gamma phức tạp như Ta.

  3. Làm thế nào để xác định spin và độ chẵn lẻ của các mức kích thích?
    Spin và độ chẵn lẻ được xác định dựa trên dữ liệu thư viện ENSDF kết hợp với quy tắc bảo toàn spin và độ chẵn lẻ trong các chuyển dời gamma, cùng với giả thiết bậc đa cực của chuyển dời.

  4. Có thể phát hiện các mức kích thích cao hơn năng lượng liên kết neutron không?
    Có thể, bằng cách sử dụng neutron có năng lượng trên nhiệt trong phản ứng (n,γ), các mức kích thích cao hơn năng lượng liên kết neutron (cộng hưởng neutron) có thể được phát hiện và nghiên cứu.

  5. Ý nghĩa của việc phát hiện các chuyển dời gamma mới là gì?
    Phát hiện các chuyển dời gamma mới giúp hoàn thiện sơ đồ mức hạt nhân, cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho các mô hình cấu trúc hạt nhân và ứng dụng trong công nghệ hạt nhân, y học và vật liệu phóng xạ.

Kết luận

  • Đã xác định và phân tích thành công 22 trạng thái kích thích và các chuyển dời gamma nối tầng của hạt nhân Ta từ trạng thái hợp phần 6062,94 keV về trạng thái cơ bản và 16,273 keV.
  • Phương pháp phổ kế trùng phùng gamma-gamma tại Lò phản ứng Đà Lạt cho kết quả chính xác, giảm thiểu nhiễu nền và chồng chập đỉnh.
  • Kết quả phù hợp với dữ liệu thư viện ENSDF, đồng thời phát hiện thêm các chuyển dời sơ cấp mới chưa được ghi nhận.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu với neutron năng lượng cao hơn và nâng cao độ phân giải phổ để hoàn thiện sơ đồ mức hạt nhân.
  • Khuyến khích phát triển cơ sở dữ liệu hạt nhân nội địa và tăng cường hợp tác quốc tế nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu.

Hành động tiếp theo: Tiếp tục thực hiện các thí nghiệm với neutron trên nhiệt, áp dụng kỹ thuật đo tiên tiến và cập nhật dữ liệu vào cơ sở dữ liệu quốc gia, đồng thời phổ biến kết quả nghiên cứu trong cộng đồng khoa học hạt nhân.