Nghiên cứu xác định sơ đồ mức, mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân 182Ta sử dụng phương pháp phổ gamma nối tầng

Luận án tiến sĩ: Mật độ mức và hàm lực bức xạ hạt nhân 182Ta - Nguyễn Hoàng Phúc

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Anh
• Trường học: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Nghiên cứu xác định sơ đồ mức, mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân 182Ta sử dụng phương pháp phổ gamma nối tầng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân 182Ta

Hạt nhân 182Ta là một đồng vị kích thích có cấu trúc biến dạng phức tạp. Nghiên cứu mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân 182Ta đóng vai trò trọng tâm trong vật lý hạt nhân năng lượng thấp. Mật độ mức phản ánh số lượng trạng thái kích thích khả dĩ trên một đơn vị năng lượng. Đại lượng này đặc trưng cho tính chất thống kê của hệ nhiều nucleon khi năng lượng kích thích tăng cao. Đồng thời, hàm lực bức xạ mô tả xác suất chuyển dời điện từ thông qua phát xạ photon gamma. Hai đại lượng này liên kết chặt chẽ với nhau trong quá trình phân rã của các trạng thái kích thích. Việc xác định chính xác các đại lượng trên giúp làm sáng tỏ cơ chế phản ứng hạt nhân. Giới khoa học đặc biệt quan tâm đến cấu trúc cộng hưởng tại vùng đuôi năng lượng thấp. Hạt nhân 182Ta sở hữu độ biến dạng cao, tạo điều kiện thuận lợi cho các mode dao động tập thể xuất hiện. Các mô hình lý thuyết truyền thống thường gặp khó khăn khi mô tả vùng năng lượng chuyển tiếp. Do đó, việc nghiên cứu thực nghiệm cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các thư viện hạt nhân quốc tế. Dữ liệu chuẩn xác hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng và tính toán che chắn bức xạ.

1.1. Khái niệm mật độ mức và hàm lực bức xạ

Mật độ mức hạt nhân xác định số lượng mức năng lượng trong một khoảng xác định. Ở vùng năng lượng thấp, các mức này tồn tại rời rạc và tách biệt rõ rệt. Khi năng lượng kích thích tăng lên gần ngưỡng tách nơtron, khoảng cách giữa các mức thu hẹp dần. Hệ hạt nhân chuyển sang trạng thái thống kê liên tục. Ngược lại, hàm lực bức xạ là thước đo cường độ trung bình của quá trình phát xạ bức xạ gamma. Đại lượng này phụ thuộc vào năng lượng chuyển dời và loại bức xạ điện từ. Cả hai thông số đều là thành phần cốt lõi trong mô hình thống kê Hauser-Feshbach. Chúng quyết định độ rộng bức xạ toàn phần và tiết diện phản ứng hạt nhân.

1.2. Tầm quan trọng của đồng vị hạt nhân 182Ta

Đồng vị 182Ta được hình thành chủ yếu qua phản ứng bắt nơtron nhiệt trên hạt nhân bia 181Ta. Đây là một hạt nhân lẻ-lẻ nặng có độ biến dạng ellipsoid rõ nét. Cấu trúc phức tạp này tạo ra mật độ mức rất dày đặc ngay tại vùng năng lượng thấp. Nghiên cứu 182Ta giúp kiểm chứng tính chính xác của các mô hình cấu trúc hạt nhân vi mô hiện đại. Đồng thời, tantan đóng vai trò vật liệu kết cấu quan trọng trong công nghệ hạt nhân và hàng không vũ trụ. Sự kích hoạt nơtron của 182Ta ảnh hưởng lớn đến mức độ phóng xạ và an toàn bức xạ của lò phản ứng. Do đó, việc nghiên cứu tính chất hạt nhân của 182Ta mang lại giá trị khoa học lẫn thực tiễn cao.

II. Vấn đề xác định mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân 182Ta

Việc phân tích cấu trúc hạt nhân 182Ta đối mặt với nhiều khó khăn lớn về mặt thực nghiệm và lý thuyết. Hạt nhân này có mật độ mức cực kỳ cao ở vùng kích thích trung bình. Sự chồng chập của các mức năng lượng gây khó khăn cho việc phân tách các vạch phổ gamma riêng lẻ. Nhiều phương pháp phổ kế thông thường không đủ độ phân giải để ghi nhận toàn bộ quá trình chuyển dời. Ngoài ra, hàm lực bức xạ tại vùng đuôi năng lượng thấp vẫn còn nhiều tranh cãi học thuật. Các hiện tượng tăng cường photon như cộng hưởng cắt kéo hay cộng hưởng uốn cong chưa được làm sáng tỏ đầy đủ trên 182Ta. Các mô hình lý thuyết hiện hành thường đưa ra các dự đoán phân kỳ đáng kể. Một số mô hình giả định sự tồn tại của đỉnh cộng hưởng cục bộ trong khoảng 2 đến 4 MeV. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm trước đây lại thiếu sự thống nhất về cường độ lẫn vị trí đỉnh. Sự thiếu hụt này cản trở việc xây dựng bộ tham số chuẩn cho tính toán phản ứng hạt nhân.

2.1. Hiện tượng suy biến mức và mật độ trạng thái dày đặc

Đặc tính hạt nhân lẻ-lẻ khiến mật độ mức của 182Ta tăng vọt theo cấp số nhân khi năng lượng kích thích tăng. Ở vùng năng lượng gần năng lượng liên kết nơtron, khoảng cách giữa các mức trở nên rất nhỏ. Sự xen phủ giữa các mức lân cận gây ra hiệu ứng suy biến phổ. Hiện tượng này làm mất đi khả năng nhận diện các trạng thái lượng tử riêng biệt bằng phổ kế đơn lẻ. Do đó, các nhà nghiên cứu không thể xác định sơ đồ mức bằng các kỹ thuật đo trực tiếp truyền thống. Cần có một kỹ thuật phân tích thống kê chuyên biệt để tách biệt các đóng góp của từng tầng phân rã gamma. Nếu không xử lý được vấn đề này, các tham số mật độ mức thu được sẽ chịu sai số hệ thống nghiêm trọng.

2.2. Tranh cãi về cộng hưởng cắt kéo trong hàm lực bức xạ

Cộng hưởng cắt kéo là một mode kích thích từ tính tập thể đặc trưng cho các hạt nhân biến dạng. Ở chế độ này, khối proton và khối nơtron dao động ngược pha quanh trục đối xứng. Dao động này tạo nên một đỉnh tăng cường cục bộ trong hàm lực bức xạ từ tính ở vùng năng lượng khoảng 2 đến 4 MeV. Tuy nhiên, sự xuất hiện của cấu trúc này trong hạt nhân 182Ta vẫn đang là chủ đề tranh luận. Các thí nghiệm sử dụng phương pháp khác nhau thường đem lại kết quả bất đồng về biên độ cộng hưởng. Sự thiếu đồng thuận giữa dữ liệu tán xạ photon và dữ liệu bắt nơtron đặt ra yêu cầu kiểm chứng thực nghiệm độc lập. Việc xác thực cấu trúc này có ý nghĩa quyết định đối với độ chính xác của hàm lực bức xạ tổng.

III. Giải pháp đo mật độ mức và hàm lực bức xạ của hạt nhân 182Ta

Phương pháp phổ gamma nối tầng là giải pháp thực nghiệm tối ưu để giải quyết bài toán cấu trúc của 182Ta. Kỹ thuật này sử dụng hệ trùng phùng hai kênh gamma để ghi nhận các chuỗi phân rã hai bước. Quá trình bắt nơtron nhiệt tạo ra trạng thái dừng ban đầu với năng lượng xác định. Sau đó, hạt nhân phân rã về trạng thái cơ bản hoặc các trạng thái kích thích thấp thông qua hai photon kế tiếp. Phổ biên độ xung trùng phùng cho phép cô lập các nhánh phân rã độc lập. Phương pháp này giảm thiểu đáng kể phông bức xạ và sự chồng chập mức. Dữ liệu thực nghiệm thu được sau đó được phân tích bằng thuật toán thống kê đảo nghịch. Các mô hình lý thuyết như mô hình khí Fermi biến tính và gần đúng pha ngẫu nhiên giả hạt được áp dụng đồng thời. Sự kết hợp giữa thực nghiệm đo trùng phùng và mô phỏng số mang lại kết quả có độ tin cậy cao. Nhờ đó, các thông số về mật độ mức và hàm lực bức xạ được trích xuất một cách đồng thời và nhất quán.

3.1. Kỹ thuật phổ gamma nối tầng trong phản ứng bắt nơtron

Kỹ thuật phổ gamma nối tầng khai thác chùm nơtron nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân để kích thích hạt nhân bia 181Ta. Hệ thống đo gồm hai đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết đặt đối xứng nhau. Thiết bị điện tử hạt nhân ghi nhận các tín hiệu trùng phùng thời gian và biên độ của hai photon phát xạ đồng thời. Phương pháp này giúp tái tạo chính xác sơ đồ chuyển dời từ trạng thái bắt nơtron xuống các mức trung gian. Cường độ của các nhánh nối tầng phản ánh trực tiếp xác suất phân rã của từng mức. Dữ liệu thực nghiệm này là đầu vào độc lập, không bị phụ thuộc vào các giả định mô hình tiên nghiệm.

3.2. Ứng dụng mô hình vi mô và thuật toán trích xuất dữ liệu

Để trích xuất đồng thời mật độ mức và hàm lực bức xạ, thuật toán phân tích phổ nối tầng thực hiện phép khớp dữ liệu lặp. Quá trình này kết hợp mô hình vi mô Goriely Hybrid và mô hình QRPA nhằm mô tả thành phần lưỡng cực điện và lưỡng cực từ. Các hiệu ứng nhiệt độ hạt nhân và tương quan ghép cặp được đưa vào tính toán một cách hệ thống. Thuật toán phân tích giúp phân tách rõ ràng ảnh hưởng của mật độ mức khỏi cường độ phát xạ bức xạ. Đồng thời, độ bất định của các tham số được kiểm soát chặt chẽ thông qua phân tích độ nhạy. Kết quả trích xuất mang lại sự thống nhất cao giữa mô phỏng lý thuyết và dữ liệu phổ đo được.

IV. Ứng dụng nghiên cứu hàm lực bức xạ và mật độ mức hạt nhân 182Ta

Kết quả nghiên cứu về mật độ mức và hàm lực bức xạ của 182Ta mang lại nhiều đóng góp thiết thực cho khoa học hạt nhân. Trước hết, công trình cung cấp bộ số liệu thực nghiệm hoàn chỉnh để chuẩn hóa các thư viện dữ liệu hạt nhân quốc tế như ENDF hay RIPL. Dữ liệu này đóng vai trò quyết định trong việc tính toán chính xác tiết diện phản ứng bắt nơtron. Trong lĩnh vực năng lượng nguyên tử, hiểu rõ cơ chế kích hoạt tantan giúp nâng cao tính an toàn của các lò phản ứng thế hệ mới. Các kỹ sư hạt nhân có thể dự báo chính xác nồng độ phóng xạ và nhiệt phân rã trong thanh điều khiển và vật liệu che chắn. Ngoài ra, nghiên cứu còn thúc đẩy sự hiểu biết sâu sắc hơn về quá trình tổng hợp hạt nhân thiên văn. Quá trình bắt nơtron chậm trong các vì sao phụ thuộc trực tiếp vào các thông số bức xạ này. Cuối cùng, phương pháp luận nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận hiệu quả cho các hạt nhân biến dạng nặng khác. Những đóng góp này củng cố nền tảng lý thuyết lẫn kỹ thuật trong ứng dụng bức xạ hiện đại.

4.1. Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu hạt nhân phục vụ lò phản ứng

Các thư viện dữ liệu hạt nhân quốc tế thường xuyên cập nhật số liệu về phản ứng nơtron với tantan. Tantan là thành phần quan trọng trong hợp kim chịu nhiệt và cấu kiện lò phản ứng. Việc cung cấp bộ dữ liệu mật độ mức và hàm lực bức xạ chuẩn xác giúp giảm thiểu sai số trong các phép tính dòng nơtron. Mô phỏng kích hoạt vật liệu trở nên đáng tin cậy hơn, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế lõi lò. Hơn nữa, việc quản lý chất thải phóng xạ đòi hỏi đánh giá chính xác hoạt độ của đồng vị phóng xạ 182Ta sau thời gian dài chiếu xạ. Kết quả nghiên cứu đáp ứng trực tiếp các tiêu chuẩn khắt khe về an toàn hạt nhân công nghiệp.

4.2. Đóng góp cho vật lý thiên văn hạt nhân và tổng hợp nguyên tố

Trong vật lý thiên văn, nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong vũ trụ được giải thích qua các quá trình bắt nơtron. Quá trình bắt nơtron chậm xảy ra bên trong các ngôi sao khổng lồ đỏ đòi hỏi các giá trị tiết diện phản ứng cực kỳ chính xác. Hàm lực bức xạ và mật độ mức của 182Ta cung cấp dữ liệu cơ sở để tính toán tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các nhà thiên văn học sử dụng dữ liệu này để mô phỏng sự tiến hóa hóa học của thiên hà. Ngoài ra, việc xác nhận các mode kích thích tập thể như cộng hưởng cắt kéo giúp kiểm chứng các mô hình cấu trúc sao neutron. Nghiên cứu do đó mở rộng tầm nhìn về sự hình thành vật chất trong vũ trụ.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân thông qua sơ đồ mức (SĐM), mật độ mức (MĐM) và hàm lực bức xạ (HLBX) đóng vai trò trung tâm trong vật lý hạt nhân hiện đại. Ở vùng năng lượng kích thích thấp, cấu trúc hạt nhân được mô tả qua SĐM rời rạc. Khi năng lượng kích thích tăng dần tới năng lượng liên kết nơtron ($S_n$), số lượng mức kích thích tăng theo hàm số mũ khiến các mức trở nên dày đặc, đòi hỏi việc mô tả phải chuyển sang các đại lượng thống kê là MĐM và HLBX. Các đại lượng này là tham số đầu vào trong mô hình thống kê Hauser–Feshbach nhằm tính toán tiết diện phản ứng bắt nơtron và tốc độ phản ứng hạt nhân.

Tantalum ($^{181}\text{Ta}$) là kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ nóng chảy khoảng $2996^\circ\text{C}$, độ bền cơ học cao và khả năng chống ăn mòn tốt, được ứng dụng làm vật liệu thanh điều khiển trong lò phản ứng nơtron nhanh, vật liệu cho hệ thống dẫn động bằng máy gia tốc và các thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch. Đồng vị phóng xạ $^{182}\text{Ta}$ tạo thành qua phản ứng bắt nơtron phát ra các tia $\gamma$ đặc trưng: vạch $1.12\text{ MeV}$ được sử dụng làm nguồn bức xạ chuẩn, còn các tia $\gamma$ năng lượng thấp ($100-260\text{ keV}$) được dùng để hiệu chuẩn đường cong hiệu suất của các hệ phổ kế. Trong y học hạt nhân, $^{182}\text{Ta}$ được dùng làm dây cấy nội mô thay thế radium, hỗ trợ xạ trị nhãn khoa và khối u bàng quang. Trong vật lý thiên văn hạt nhân, $^{182}\text{Ta}$ là điểm chờ (waiting point) trong quá trình bắt nơtron chậm ($s$-process) tại vùng Ta–W, chi phối việc giải thích bất thường tỷ số đồng vị $^{184}\text{W}/^{182}\text{W}$ trong thiên thạch.

Khoảng trống nghiên cứu lớn đối với $^{182}\text{Ta}$ là hệ thống dữ liệu thực nghiệm về SĐM, MĐM và HLBX còn tồn tại nhiều thiếu sót và bất định. Cơ sở dữ liệu hạt nhân ENSDF thiếu hụt nhiều chuyển dời sơ cấp và chưa xác định chắc chắn giá trị spin của nhiều mức trung gian. Dữ liệu MĐM từ phương pháp Oslo phân tán mạnh tùy theo mô hình chuẩn hóa. Về HLBX, việc có hay không cấu trúc cộng hưởng cắt kéo (Scissors Resonance – SR) trong thành phần lưỡng cực từ $M1$ quanh vùng năng lượng $E_\gamma \approx 2\text{ MeV}$ vẫn đang tồn tại mâu thuẫn học thuật giữa các công bố quốc tế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

1. Thiết lập thực nghiệm và đo đạc phổ phân rã $\gamma$ nối tầng hai bước (TSC) của hạt nhân $^{182}\text{Ta}$ từ phản ứng bắt nơtron nhiệt trên bia $^{181}\text{Ta}$ tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
2. Xây dựng SĐM riêng phần của hạt nhân $^{182}\text{Ta}$, nhận diện các chuyển dời sơ cấp, thứ cấp, các mức kích thích trung gian và thu hẹp dải spin khả dĩ của các mức kích thích.
3. Trích xuất đồng thời MĐM và HLBX của hạt nhân $^{182}\text{Ta}$ từ phổ TSC thực nghiệm thông qua phương pháp trung bình có trọng số $\chi^2$, kiểm chứng độ phù hợp của các mô hình lý thuyết và kiểm tra sự xuất hiện của cộng hưởng cắt kéo (SR).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Trạng thái hợp phần và các trạng thái kích thích của hạt nhân $^{182}\text{Ta}$ hình thành sau phản ứng $^{181}\text{Ta}(n, 2\gamma)^{182}\text{Ta}$.
• Phạm vi không gian: Thực nghiệm được tiến hành tại kênh ngang số 3 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯHN).
• Phạm vi thời gian và năng lượng: Khảo sát các chuyển dời điện từ từ trạng thái hợp phần ở năng lượng $E^* \approx 6062\text{ keV}$ về 8 trạng thái cuối năng lượng thấp; luận án hoàn thành năm 2026.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Hệ thống dữ liệu cấu trúc hạt nhân của $^{182}\text{Ta}$ hiện hành được tổng hợp từ nhiều kỹ thuật đo đạc khác nhau:

• Thư viện dữ liệu cấu trúc hạt nhân ENSDF (Evaluated Nuclear Structure Data File) của Trung tâm Dữ liệu Hạt nhân Quốc gia thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven lưu trữ thông tin về mức năng lượng, spin, độ chẵn lẻ và cường độ chuyển dời của $^{182}\text{Ta}$. Tuy nhiên, dữ liệu này phần lớn dựa trên các phép đo $(n, \gamma)$ đơn phổ hoặc phân rã phóng xạ, nơi nền phông Compton và sự chồng chập đỉnh cao làm hạn chế khả năng nhận diện các nhánh chuyển dời yếu.
• Phương pháp Oslo do nhóm nghiên cứu tại Đại học Oslo phát triển đã được áp dụng để trích xuất đồng thời MĐM và HLBX của $^{182}\text{Ta}$. Trong công bố năm 2017 [23], nhóm tác giả ghi nhận dấu hiệu của cộng hưởng cắt kéo (SR). Tuy nhiên, trong công bố năm 2019 [22], nhóm này kết luận không quan sát thấy đỉnh sắc nét của SR trên cùng một hệ số liệu. Ngoài ra, việc chuẩn hóa MĐM trong phương pháp Oslo phụ thuộc vào các mô hình ngoại suy lên vùng năng lượng tách nơtron $S_n$ (như CT+FG, BSFG, HFB), dẫn đến sự phân tán đáng kể về độ lớn của MĐM.
• Các phép đo bắt nơtron cộng hưởng: Bắt cộng hưởng trung bình (ARC) [93] và bắt cộng hưởng rời rạc (DRC) [105] cung cấp dữ liệu HLBX $E1$ và $M1$ ở vùng dưới $S_n$ từ $2-3\text{ MeV}$, nhưng chịu ảnh hưởng của thăng giáng Porter–Thomas do số lượng cộng hưởng khảo sát hữu hạn.
• Dữ liệu quang hạt nhân: Các phép đo tiết diện quang nơtron của Makinaga và cộng sự [107], Utsunomiya và cộng sự [108], Bergere và cộng sự [109] cung cấp HLBX $E1$ trên thang tuyệt đối ở vùng năng lượng trên ngưỡng phân tách nơtron ($E_\gamma > S_n$), làm điểm neo năng lượng cao cho các mô hình cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR).
• Phương pháp phân rã $\gamma$ nối tầng (Dubna): Sử dụng phép đo trùng phùng $\gamma-\gamma$ sau phản ứng bắt nơtron nhiệt để phân tích MĐM và HLBX qua phổ tổng cường độ, đã được ứng dụng tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cho các hạt nhân biến dạng như $^{153}\text{Sm}$ [19], $^{164}\text{Dy}$ [20] và $^{172}\text{Yb}$ [21].

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm độc lập từ phép đo trùng phùng $\gamma-\gamma$ phân giải theo từng trạng thái cuối; bổ sung các chuyển dời và mức năng lượng còn thiếu trong ENSDF; giải quyết bất định trong việc lựa chọn mô hình chuẩn hóa MĐM của dữ liệu Oslo; và kiểm chứng thực nghiệm sự tồn tại của cấu trúc cộng hưởng cắt kéo (SR) trong HLBX thành phần $M1$ của $^{182}\text{Ta}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết lượng tử về cấu trúc hạt nhân và phân rã phóng xạ điện từ. Mỗi trạng thái kích thích hạt nhân được đặc trưng bởi năng lượng kích thích $E^*$, mômen động lượng toàn phần (spin) $J$ và độ chẵn lẻ $\pi$. Chuyển dời $\gamma$ giữa trạng thái đầu $(E_i, J_i, \pi_i)$ và trạng thái cuối $(E_f, J_f, \pi_f)$ tuân thủ các định luật bảo toàn: năng lượng bức xạ $E_\gamma = E_i - E_f$; quy tắc chọn lọc bậc đa cực $|J_i - J_f| \le L \le J_i + J_f$; và quy tắc bảo toàn độ chẵn lẻ $\pi_i \pi_f \pi_\gamma = 1$, trong đó $\pi_\gamma = (-1)^L$ cho chuyển dời điện ($EL$) và $\pi_\gamma = (-1)^{L+1}$ cho chuyển dời từ ($ML$).

Mật độ mức hạt nhân riêng phần $\rho(E^, J, \pi)$ được phân rã thành: $$\rho(E^, J, \pi) = P(E^, J, \pi) R(E^, J) \rho_\text{tot}(E^)$$ trong đó $R(E^, J)$ là phân bố spin Ericson phụ thuộc tham số cắt spin $\sigma(E^)$, $P(E^, J, \pi)$ là phân bố độ chẵn lẻ (thường giả thiết đối xứng ở năng lượng cao), và $\rho_\text{tot}(E^*)$ là MĐM toàn phần. Tại năng lượng liên kết nơtron $S_n$, đại lượng ràng buộc thực nghiệm quan trọng là khoảng cách cộng hưởng nơtron trung bình $D_0$.

Hàm lực bức xạ $f_{XL}(E_\gamma)$ mô tả xác suất chuyển dời điện từ trung bình: $$f_{XL}(E_\gamma) = \frac{\langle\Gamma_{\gamma XL}(E_\gamma)\rangle}{E_\gamma^{2L+1} D}$$ với $\langle\Gamma_{\gamma XL}(E_\gamma)\rangle$ là độ rộng bức xạ riêng phần trung bình và $D$ là khoảng cách mức trung bình của các trạng thái ban đầu. Thành phần lưỡng cực ($E1$ và $M1$) chi phối chủ yếu phổ phân rã, mang các cấu trúc vật lý đặc trưng: cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (GDR), cộng hưởng Pygmy, cộng hưởng cắt kéo (Scissors Resonance – SR hình thành do dao động ngược pha giữa phân bố proton và nơtron trong hạt nhân biến dạng), và cộng hưởng uốn cong năng lượng thấp (LEE/Upbend).

Các mô hình lý thuyết được luận án đưa vào hệ thống khảo sát gồm:

Phân loại	Mô hình mật độ mức (MĐM)	Mô hình hàm lực bức xạ (HLBX)
Hiện tượng luận	- Mô hình nhiệt độ không đổi kết hợp khí Fermi (CT+FG) - Mô hình khí Fermi dịch chuyển ngược (BSFG) - Mô hình siêu lỏng tổng quát (GSM)	- Mô hình Lorentzian chuẩn (SLO) - Mô hình Lorentzian tổng quát (GLO) - Mô hình Lorentzian cải biên đơn giản (SMLO) - Mô hình Lorentzian ba thành phần (TLO)
Vi mô / Bán vi mô	- Mô hình Hartree–Fock–BCS (HFBCS) - Mô hình Hartree–Fock–Bogoliubov tổ hợp (HFBC) - Mô hình HFB tổ hợp ở nhiệt độ hữu hạn (HFBT) - Mô hình hạt độc lập kết hợp giải chính xác bài toán kết cặp (EP+IPM)	- Mô hình lai Goriely (Goriely's hybrid) - Mô hình HFB+QRPA lực Gogny D1M (D1M) - Mô hình HFB+QRPA phụ thuộc nhiệt độ của Goriely - Mô hình suy giảm phonon kết hợp kết cặp chính xác (EP+PDM) - Mô hình trường trung bình tương đối tính phụ thuộc nhiệt độ (T-RMF)

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích số liệu:

• Nguồn nơtron: Chùm nơtron nhiệt tại kênh ngang số 3 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt chiếu xạ vào bia mẫu kim loại $^{181}\text{Ta}$, tạo trạng thái hợp phần $^{182}\text{Ta}$ ở năng lượng kích thích xấp xỉ $6062\text{ keV}$.
• Hệ đo: Hệ phổ kế trùng phùng $\gamma-\gamma$ sử dụng hai đầu dò bán dẫn HPGe có độ phân giải năng lượng cao.
• Hiệu chỉnh trôi phổ: Áp dụng thuật toán hiệu chuẩn hai điểm nhằm khắc phục sự dịch chuyển đỉnh năng lượng giữa 8 đợt đo độc lập, đảm bảo độ chuẩn xác của vị trí kênh và độ rộng bán cao (FWHM).
• Phân tích phổ TSC: Thiết lập phổ tổng năng lượng $E_1 + E_2 = S_n - E_f$ và trích xuất các phổ vi phân phân rã $\gamma$ nối tầng hai bước (TSC) ứng với 8 trạng thái cuối $E_f$ khác nhau.
• Phương pháp đánh giá: Thay vì gộp chung thành phổ tổng cường độ như phương pháp Dubna truyền thống, luận án giữ nguyên các phổ vi phân TSC riêng rẽ theo từng trạng thái cuối, sử dụng mã tính toán Hauser–Feshbach mô phỏng phổ TSC từ các tổ hợp mô hình MĐM và HLBX, sau đó áp dụng phương pháp trung bình có trọng số theo tiêu chuẩn $\chi^2_\text{TSC}$ để tìm dải nghiệm tối ưu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lý thuyết và tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở vật lý hạt nhân về trạng thái kích thích, các đặc trưng lượng tử (năng lượng $E^$, spin $J$, độ chẵn lẻ $\pi$), quy tắc chọn lọc chuyển dời $\gamma$, ước lượng độ rộng Weisskopf và cấu trúc của sơ đồ mức rời rạc. Tác giả phân tích bản chất vật lý của MĐM, phân bố spin, tham số cắt spin $\sigma(E^)$, phân bố độ chẵn lẻ và mối liên hệ với khoảng cách mức trung bình $D_0$ tại ngưỡng tách nơtron $S_n$. Về HLBX, chương làm rõ vai trò thống trị của các chuyển dời lưỡng cực điện $E1$ và lưỡng cực từ $M1$, cơ chế dao động tập thể GDR, cùng các hiện tượng tăng cường cục bộ ở vùng năng lượng thấp như cộng hưởng Pygmy, cộng hưởng uốn cong (LEE) và cộng hưởng cắt kéo (SR).

Chương 1 tổng quan chi tiết các phương pháp thực nghiệm hiện hành: phương pháp đếm mức rời rạc, phổ bay hơi, cộng hưởng huỳnh quang hạt nhân (NRF), bắt cộng hưởng rời rạc (DRC), bắt cộng hưởng trung bình (ARC), phản ứng quang hạt nhân, phương pháp Oslo và phương pháp Dubna. Phân tích chỉ rõ ưu điểm của phương pháp phân rã $\gamma$ nối tầng hai bước (TSC) trong việc loại bỏ phông tán xạ Compton và hạn chế chồng chập phổ.

Đồng thời, chương đánh giá sâu tình trạng dữ liệu của hạt nhân $^{182}\text{Ta}$: chỉ rõ các khoảng trống trong thư viện ENSDF, sự bất định giữa ba phương án chuẩn hóa (CT+FG, BSFG, HFB) của dữ liệu Oslo năm 2019, và sự mâu thuẫn về cấu trúc SR trong thành phần $M1$ giữa hai nghiên cứu của nhóm Oslo năm 2017 và 2019. Từ đó, tác giả luận giải sự cần thiết phải nghiên cứu đồng thời SĐM, MĐM và HLBX của $^{182}\text{Ta}$ bằng phương pháp (n, 2$\gamma$) tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

Chương 2. Thực nghiệm phân rã $\gamma$ nối tầng và phương pháp xử lý số liệu

Chương 2 mô tả chi tiết thiết lập thực nghiệm tại kênh ngang số 3 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, bia mẫu $^{181}\text{Ta}$ và hệ phổ kế trùng phùng $\gamma-\gamma$ sử dụng hai đầu dò HPGe. Quy trình xử lý số liệu thực nghiệm được triển khai qua các bước:

1. Thuật toán hiệu chỉnh hiện tượng trôi phổ: Sử dụng phương pháp hiệu chuẩn hai điểm để xác định hệ số co dãn $\alpha_j$ và độ dịch $\beta_j$ cho từng đợt đo, đưa các phổ $\gamma$ từ 8 đợt đo về cùng hệ quy chiếu năng lượng chuẩn. Kết quả cho thấy các đỉnh phổ sau hiệu chỉnh có độ rộng FWHM ổn định, loại bỏ hiện tượng mở rộng đỉnh và triệt tiêu các đỉnh giả trên phổ tổng.
2. Dựng phổ phân rã $\gamma$ nối tầng: Dựng phổ tổng năng lượng $E_1 + E_2$, xác định các đỉnh tổng tương ứng với sự chuyển dời về các trạng thái cuối $E_f$ đã biết của $^{182}\text{Ta}$. Thiết lập các cửa sổ chọn lọc năng lượng để trích xuất phổ vi phân TSC cho 8 trạng thái cuối (gồm trạng thái cơ bản $3^-$ và 7 trạng thái kích thích thấp).
3. Xây dựng SĐM: Xác lập nguyên tắc phân định thứ tự chuyển dời sơ cấp ($E_{\gamma 1}$) và thứ cấp ($E_{\gamma 2}$) dựa trên việc xuất hiện lặp lại của cùng một chuyển dời sơ cấp khi phân rã về nhiều trạng thái cuối khác nhau; xác định spin khả dĩ của mức trung gian dựa trên quy tắc chọn lọc lưỡng cực từ trạng thái hợp phần ($J^\pi = 3^+, 4^+$ hình thành do bắt nơtron sóng $s$ trên bia $^{181}\text{Ta}$ có $J_0^\pi = 7/2^+$) và chuyển dời về các mức cuối; chuẩn hóa cường độ tuyệt đối $I_{\gamma\gamma}$ thông qua chuyển dời tham chiếu $5434.9\text{ keV}$.
4. Phương pháp xác định MĐM và HLBX: Mô phỏng phổ TSC lý thuyết từ các cặp tổ hợp mô hình MĐM và HLBX thông qua mã tính toán thống kê Hauser–Feshbach. Sử dụng tiêu chuẩn sai số bình phương tối thiểu $\chi^2_\text{TSC}$ giữa phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm vi phân của 8 trạng thái cuối để xác định trọng số thống kê cho từng mô hình, từ đó trích xuất giá trị trung bình có trọng số và dải bất định của MĐM và HLBX.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các phát hiện định lượng thu được từ thực nghiệm:

• Về sơ đồ mức (SĐM): Ghi nhận 202 cặp chuyển dời nối tầng, trong đó 157 cặp được xác định rõ thứ tự chuyển dời. SĐM riêng phần của $^{182}\text{Ta}$ được xây dựng với 67 chuyển dời sơ cấp và 157 chuyển dời thứ cấp gắn liền với các mức kích thích trung gian. So sánh đối chiếu với thư viện ENSDF:
  • 32 chuyển dời sơ cấp, 52 mức trung gian và 11 chuyển dời thứ cấp trùng khớp với dữ liệu ENSDF.
  • Bổ sung mới 35 chuyển dời sơ cấp, 15 mức kích thích trung gian và 146 chuyển dời thứ cấp chưa từng được ghi nhận trong ENSDF.
  • Thu hẹp dải spin khả dĩ của 15 mức kích thích đã biết thành một giá trị spin duy nhất nhờ quy tắc chọn lọc chuyển dời đồng thời về nhiều mức cuối.
  • Phân tích số mức tích lũy $N(E^*)$ trong dải spin $J = (2-5)\hbar$ cho thấy số liệu của luận án bổ sung đáng kể số mức bị thiếu hụt trong ENSDF ở vùng năng lượng kích thích trên $1.5\text{ MeV}$, tiệm cận sát đường cong tiên đoán của mô hình CT+FG.
• Về mật độ mức (MĐM): Phổ TSC tính toán tái hiện tốt hình dạng phổ thực nghiệm trên cả 8 trạng thái cuối. Kết quả MĐM toàn phần trích xuất từ phương pháp trung bình có trọng số $\chi^2$ thể hiện sự phù hợp với dữ liệu thực nghiệm Oslo, trong đó chỉ ra sự tương thích cao nhất với phương án chuẩn hóa sử dụng mô hình vi mô HFB của nhóm Oslo.
• Về hàm lực bức xạ (HLBX): Thành phần lưỡng cực điện $E1$ và lưỡng cực từ $M1$ trích xuất được mô tả tốt dữ liệu thực nghiệm ARC, DRC và dữ liệu quang hạt nhân ở vùng năng lượng cao. Đáng chú ý, thành phần $M1$ xuất hiện một cấu trúc tăng cường dạng cộng hưởng cắt kéo (Scissors Resonance – SR) rõ nét quanh năng lượng $E_\gamma \approx 2\text{ MeV}$. Kết quả này ủng hộ công bố năm 2017 [23] của nhóm Oslo và bác bỏ nhận định năm 2019 [22] khi nhóm này cho rằng không có đỉnh SR sắc nét ở $^{182}\text{Ta}$.

Bảng tổng hợp số liệu chuyển dời và mức năng lượng của $^{182}\text{Ta}$ xác định trong luận án so với ENSDF:

Đại lượng cấu trúc hạt nhân	Tổng số ghi nhận trong luận án	Trùng khớp với ENSDF	Phát hiện mới của luận án
Cặp chuyển dời $\gamma$ nối tầng	202	-	-
Cặp nối tầng xác định được thứ tự	157	-	-
Chuyển dời $\gamma$ sơ cấp ($E_{\gamma 1}$)	67	32	35
Mức kích thích trung gian ($E_i$)	67	52	15
Chuyển dời $\gamma$ thứ cấp ($E_{\gamma 2}$)	157	11	146
Mức được thu hẹp về giá trị spin duy nhất	15	-	15

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp về dữ liệu thực nghiệm cấu trúc hạt nhân: Xây dựng thành công SĐM riêng phần của $^{182}\text{Ta}$ với độ tin cậy cao, bổ sung cho cơ sở dữ liệu quốc tế ENSDF 35 chuyển dời sơ cấp mới, 15 mức năng lượng trung gian mới và 146 chuyển dời thứ cấp mới; đồng thời xác định giá trị spin duy nhất cho 15 mức kích thích trước đây chỉ có dải spin khả dĩ.
2. Đóng góp về lý luận và vật lý hạt nhân: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm khẳng định sự tồn tại của cộng hưởng cắt kéo (Scissors Resonance – SR) trong thành phần hàm lực lưỡng cực từ $M1$ của hạt nhân biến dạng $^{182}\text{Ta}$ quanh vùng năng lượng $E_\gamma \approx 2\text{ MeV}$, góp phần giải quyết mâu thuẫn học thuật giữa các công bố của nhóm Oslo (2017 và 2019).
3. Đóng góp về phương pháp đánh giá MĐM: Chứng minh rằng trong ba phương án chuẩn hóa của phương pháp Oslo, phương án chuẩn hóa dựa trên mô hình Hartree–Fock–Bogoliubov (HFB) cho kết quả tương thích nhất với dữ liệu phân rã $\gamma$ nối tầng thực nghiệm.
4. Đóng góp thực tiễn: Cung cấp hệ số liệu thực nghiệm độc lập về SĐM, MĐM và HLBX làm thông số đầu vào chính xác cho việc tính toán tiết diện phản ứng bắt nơtron $^{181}\text{Ta}(n,\gamma)^{182}\text{Ta}$, phục vụ tính toán độ cháy nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân, thiết kế thanh điều khiển Tantalum và giải bài toán tổng hợp hạt nhân quá trình $s$-process trong vật lý thiên văn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phương pháp phân rã $\gamma$ nối tầng hai bước bị giới hạn bởi ngưỡng năng lượng thấp của hệ đo và hiệu suất hình học của hai đầu dò HPGe, dẫn đến việc chỉ khảo sát được các nối tầng kết thúc ở 8 trạng thái cuối năng lượng thấp.
  • SĐM xây dựng được là SĐM riêng phần, chưa bao quát toàn bộ các nhánh chuyển dời đa cực cao ($L \ge 2$) hoặc các phân rã qua nhiều hơn hai bước chuyển dời.
  • Việc trích xuất MĐM và HLBX vẫn phụ thuộc vào không gian tham số của các mô hình lý thuyết được lựa chọn trong quá trình tính toán trung bình có trọng số $\chi^2$.

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nâng cấp hệ phổ kế trùng phùng với nhiều đầu dò HPGe góc lớn nhằm nâng cao hiệu suất ghi nhận và mở rộng đo đạc tương quan góc $\gamma-\gamma$, hỗ trợ xác định trực tiếp tính đa cực của chuyển dời và tính chẵn lẻ của các mức kích thích.
  • Mở rộng khảo sát phân rã nối tầng về các trạng thái cuối có năng lượng cao hơn khi độ phân giải phổ được cải thiện.
  • Áp dụng phương pháp phân tích phổ vi phân TSC cho các hạt nhân biến dạng khác trong vùng đất hiếm và kim loại chuyển tiếp nhằm kiểm chứng tính phổ quát của cộng hưởng cắt kéo.

Giá trị tham khảo

Nghiên cứu của luận án có giá trị ứng dụng và tham khảo cho nhiều đối tượng:

• Các nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý hạt nhân: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về kỹ thuật xử lý trôi phổ hai điểm, phương pháp phân tích phổ vi phân TSC phân giải theo từng trạng thái cuối và quy trình trích xuất MĐM, HLBX bằng phương pháp trung bình có trọng số $\chi^2$.
• Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và các nhóm đánh giá dữ liệu hạt nhân: Bộ số liệu mới về 35 chuyển dời sơ cấp, 15 mức năng lượng và 146 chuyển dời thứ cấp là nguồn dữ liệu thực nghiệm trực tiếp để cập nhật, hiệu chỉnh thư viện dữ liệu hạt nhân ENSDF và RIPL.
• Kỹ sư công nghệ lò phản ứng và an toàn hạt nhân: Cung cấp các tham số cấu trúc chính xác phục vụ tính toán tiết diện bắt nơtron của Tantalum, hỗ trợ mô phỏng độ cháy thanh điều khiển và vật liệu bia trong lò phản ứng nơtron nhanh hoặc hệ thống máy gia tốc ADS.
• Các nhà vật lý thiên văn hạt nhân: Dữ liệu MĐM và HLBX là đầu vào để tính toán chính xác tốc độ phản ứng $^{181}\text{Ta}(n,\gamma)^{182}\text{Ta}$, hỗ trợ giải mã sự tiến hóa hóa học của các nguyên tố nặng và bất thường tỷ số đồng vị $^{184}\text{W}/^{182}\text{W}$ trong hệ Mặt Trời nguyên thủy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp phân rã $\gamma$ nối tầng $(n, 2\gamma)$ phát hiện được nhiều chuyển dời mới hơn so với các phép đo $(n, \gamma)$ thông thường trong ENSDF? Trong các phép đo $(n, \gamma)$ đơn phổ thông thường, phổ bức xạ bị chi phối bởi nền phông tán xạ Compton rất lớn và hiện tượng chồng chập giữa hàng nghìn đỉnh phổ năng lượng cao, khiến các chuyển dời có cường độ yếu bị che khuất hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp $(n, 2\gamma)$ sử dụng kỹ thuật trùng phùng thời gian giữa hai đầu dò, chỉ ghi nhận các cặp tia $\gamma$ phát ra đồng thời thỏa mãn điều kiện bảo toàn năng lượng $E_1 + E_2 = S_n - E_f$. Cơ chế này triệt tiêu phần lớn nền phông Compton và loại bỏ các tia $\gamma$ không thuộc nhánh phân rã hai bước, giúp phát hiện rõ nét các chuyển dời sơ cấp và thứ cấp có cường độ nhỏ.

2. Điểm khác biệt cốt lõi giữa phương pháp xử lý số liệu của luận án và phương pháp Dubna truyền thống là gì? Phương pháp Dubna truyền thống gộp toàn bộ các phổ trùng phùng tương ứng với các trạng thái cuối khác nhau thành một phổ tổng cường độ duy nhất để cải thiện thống kê, đồng thời sử dụng các hàm giải tích chứa nhiều tham số tự do để khớp phổ. Ngược lại, phương pháp trong luận án giữ riêng rẽ các phổ vi phân TSC ứng với từng trạng thái cuối cụ thể (8 trạng thái cuối), sau đó sử dụng các tổ hợp mô hình lý thuyết vi mô và hiện tượng luận có sẵn kết hợp phương pháp trung bình có trọng số $\chi^2_\text{TSC}$. Cách tiếp cận này bảo toàn tính chọn lọc kênh phản ứng và giảm bớt tính tùy ý khi điều chỉnh tham số tự do.

3. Kết quả tính toán của luận án đưa ra kết luận gì về cuộc tranh luận liên quan đến cộng hưởng cắt kéo (Scissors Resonance) ở $^{182}\text{Ta}$? Năm 2017, nhóm Oslo công bố phát hiện dấu hiệu của cộng hưởng cắt kéo ở $^{182}\text{Ta}$, nhưng đến năm 2019 chính nhóm này lại kết luận không quan sát thấy đỉnh sắc nét của SR. Kết quả phân tích hàm lực bức xạ thành phần $M1$ trong luận án này ghi nhận một cấu trúc tăng cường dạng cộng hưởng rõ rệt quanh năng lượng $E_\gamma \approx 2\text{ MeV}$. Phát hiện này cung cấp bằng chứng thực nghiệm độc lập khẳng định sự tồn tại của cộng hưởng cắt kéo trong hạt nhân biến dạng $^{182}\text{Ta}$, củng cố nhận định ban đầu năm 2017 của nhóm Oslo.

4. Kết quả trích xuất MĐM của luận án đánh giá như thế nào về ba phương án chuẩn hóa của phương pháp Oslo? Phương pháp Oslo trích xuất MĐM phụ thuộc vào việc ngoại suy lên điểm neo tại năng lượng liên kết nơtron $S_n$ thông qua ba mô hình: CT+FG, BSFG và HFB, tạo ra sự phân tán số liệu đáng kể. Khi đối chiếu dải nghiệm MĐM trung bình có trọng số trích xuất từ phổ TSC thực nghiệm tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, kết quả cho thấy MĐM thực nghiệm của luận án tương thích tốt nhất với bộ dữ liệu Oslo được chuẩn hóa theo mô hình Hartree–Fock–Bogoliubov (HFB).

5. Luận án đã thu hẹp spin cho 15 mức năng lượng đã biết trong ENSDF bằng cách nào? Trong ENSDF, nhiều mức kích thích chỉ được gán dải spin khả dĩ gồm 2 đến 4 giá trị (ví dụ $J = (2, 3, 4)\hbar$) do thiếu dữ liệu về tính đa cực của chuyển dời. Trong nghiên cứu này, trạng thái hợp phần có spin xác định là $3^+$ hoặc $4^+$, và mỗi mức trung gian được quan sát thấy phân rã đồng thời về nhiều mức cuối khác nhau có spin đã biết chắc chắn. Dựa trên quy tắc chọn lọc chuyển dời bức xạ lưỡng cực ($|J_i - J_f| \le 1$) cho cả bước sơ cấp và bước thứ cấp, phần giao giữa các tập spin cho phép từ các nhánh phân rã khác nhau đã loại trừ các giá trị không thỏa mãn, giúp xác định duy nhất một giá trị spin cho 15 mức kích thích này.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Hoàng Phúc đã thực hiện thành công phép đo trùng phùng $\gamma-\gamma$ sau phản ứng bắt nơtron nhiệt trên bia $^{181}\text{Ta}$ tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, xây dựng SĐM riêng phần của $^{182}\text{Ta}$ với 35 chuyển dời sơ cấp, 15 mức trung gian và 146 chuyển dời thứ cấp mới bổ sung cho thư viện ENSDF. Đồng thời, nghiên cứu đã áp dụng hiệu quả phương pháp trung bình có trọng số $\chi^2$ trên phổ vi phân phân rã $\gamma$ nối tầng để trích xuất đồng thời MĐM và HLBX, chỉ ra sự phù hợp cao nhất với phương án chuẩn hóa HFB của phương pháp Oslo. Đặc biệt, luận án đã xác nhận thực nghiệm sự tồn tại của cấu trúc cộng hưởng cắt kéo (Scissors Resonance) trong thành phần $M1$ quanh vùng năng lượng $2\text{ MeV}$, đóng góp dữ liệu hạt nhân quan trọng cho vật lý cấu trúc hạt nhân, công nghệ lò phản ứng và vật lý thiên văn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trước hết trình bày các định nghĩa nền tảng của những đại lượng vật lý quan trọng được nghiên cứu và sử dụng trong nghiên cứu này, bao gồm SĐM, MĐM, và HLBX. Tiếp đó, các phương pháp thực nghiệm thường được sử dụng để nghiên cứu SĐM, MĐM và HLBX, cùng với một số mô hình lý thuyết thường được sử dụng để mô tả các đại lượng này, được giới thiệu sơ lược nhằm cung cấp cho độc giả một cái nhìn tổng quan về cơ sở phương pháp luận và tình hình nghiên cứu hiện nay. Tiếp theo, nội dung chương được tập trung vào hạt nhân 182 Ta, trong đó các dữ liệu hiện có về SĐM, MĐM và HLBX được xem xét, đồng thời những vấn đề còn tồn đọng của các nguồn dữ liệu này được chỉ ra. Cuối cùng, chương giới thiệu ngắn gọn phương pháp phân rã 𝛾 nối tầng và làm rõ khả năng áp dụng của phương pháp này trong việc bổ sung thông tin thực nghiệm, kiểm chứng và hoàn thiện dữ liệu về SĐM, MĐM và HLBX của hạt nhân 182 Ta.

Các khái niệm nền tảng 1. Trạng thái kích thích của hạt nhân và các đặc trưng lượng tử 1. Trạng thái kích thích của hạt nhân là gì? Hạt nhân nguyên tử là một hệ lượng tử nhiều hạt phức tạp, trong đó các nucleon liên kết với nhau thông qua lực tương tác mạnh. Do tính chất lượng tử của hệ, các trạng thái của hạt nhân không phân bố liên tục mà được đặc trưng bởi những mức năng lượng rời rạc.

Cấu hình ứng với mức năng lượng thấp nhất của hệ được gọi là trạng thái cơ bản. Khi hệ hạt nhân nhận thêm năng lượng đủ lớn từ bên ngoài, chẳng hạn thông qua phản ứng hạt nhân, kích thích Coulomb hoặc quá trình phân rã 𝛽, cấu hình năng lượng thấp nhất này không còn được duy trì và hạt nhân được đưa lên các trạng thái có năng lượng cao hơn, gọi là các trạng thái kích thích. Mỗi trạng thái của hạt nhân, dù là trạng thái cơ bản hay trạng thái kích thích, đều được đặc trưng bởi một số đại lượng lượng tử cơ bản, trong đó các đại lượng quan trọng nhất là năng lượng kích thích 𝐸 ∗ , mômen động lượng toàn phần hay còn gọi là spin 𝐽 và độ chẵn lẻ 𝜋. Năng lượng kích thích 𝐸 ∗ được xác định là độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái đang xét và trạng thái cơ bản của hạt nhân.

Trong khi đó, spin 𝐽 và độ chẵn lẻ 𝜋 16 phản ánh các đặc trưng lượng tử nội tại của trạng thái hạt nhân. Các đại lượng này không chỉ giúp phân biệt các trạng thái kích thích khác nhau, mà còn chi phối quá trình khử kích thích của hạt nhân. Đặc biệt, đối với chuyển dời 𝛾, sự thay đổi spin và độ chẵn lẻ giữa trạng thái đầu và trạng thái cuối sẽ quyết định các quy tắc chọn lọc, bậc đa cực và loại chuyển dời điện từ có thể xảy ra. Vì vậy, việc làm rõ ý nghĩa vật lý của spin và độ chẵn lẻ là cần thiết trước khi trình bày về các nội dung tiếp theo.

Các đặc trưng lượng tử của một trạng thái kích thích hạt nhân Spin hạt nhân 𝐽 là mômen động lượng toàn phần của một trạng thái hạt nhân. Mỗi nucleon chuyển động trong hạt nhân có mômen động lượng toàn phần được xác định bằng tổng của mômen động lượng quỹ đạo ℓ® và spin nội tại 𝑠® , tức 𝑗® = ℓ® + 𝑠®. Do đó, đối với hạt nhân gồm 𝐴 nucleon, mômen động lượng toàn phần của hạt nhân được xác định là: 𝐴 ∑︁ 𝐽® = 𝑗®𝑖 .1) 𝑖=1 Theo mẫu vỏ, tương tác nucleon–nucleon tạo ra một trường thế trung bình và xem các nucleon chuyển động độc lập với nhau [24]. Đồng thời, các nucleon cùng loại (proton– proton hoặc nơtron–nơtron) luôn có xu hướng kết cặp để cực tiểu hoá năng lượng.

Điều này dẫn đến hạt nhân có số khối 𝐴 chẵn sẽ có giá trị spin là số nguyên. Trong khi hạt nhân có số khối 𝐴 lẻ, spin được quyết định bởi nucleon đơn lẻ không được ghép cặp, dẫn đến giá trị spin của hạt nhân này là một số bán nguyên. Bên cạnh spin, độ chẵn lẻ là một đặc trưng lượng tử quan trọng khác của trạng thái hạt nhân. Đại lượng này phản ánh tính đối xứng của hàm sóng hạt nhân trong phép phản xạ gương (r → −r).

Trong cơ học lượng tử, phép biến đổi này được mô tả bởi toán tử đối xứng gương 𝑃ˆ tác dụng lên hàm sóng tọa độ Ψ(r) như sau: 𝑃ˆ Ψ(𝑟) = Ψ(−𝑟) = 𝜋 Ψ(𝑟).2) ˆ dẫn đến trị riêng độ chẵn Từ tính bất biến của trạng thái hạt nhân đối với phép biến đổi 𝑃, lẻ chỉ có thể nhận hai giá trị 𝜋 =±1. Trong đó, 𝜋 = +1 tương ứng với trạng thái có độ chẵn lẻ dương, còn 𝜋 = −1 tương ứng với trạng thái có độ chẵn lẻ âm. Theo mẫu vỏ, độ chẵn lẻ của mỗi nucleon ở quỹ đạo có số lượng tử 𝑙𝑖 là 𝜋𝑖 = (−1) 𝑙𝑖. Do đó, độ chẵn lẻ của một cấu hình hạt nhân gồm 𝐴 nucleon có thể viết dưới dạng: 𝐴 Ö Í𝐴 𝜋= 𝜋𝑖 = (−1) 𝑖=1 𝑙𝑖.

Chuyển dời 𝛾 Bản chất của các trạng thái kích thích là không bền vững. Do đó, hạt nhân sẽ giải phóng phần năng lượng dư thừa dưới dạng bức xạ điện từ để chuyển dời về các trạng thái năng lượng thấp hơn và cuối cùng trở về trạng thái cơ bản. Quá trình này được gọi là hiện tượng chuyển dời 𝛾. Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích 𝑖(𝐸𝑖 , 𝐽𝑖 , 𝜋𝑖 ) về trạng thái thấp hơn 𝑓 (𝐸 𝑓 , 𝐽 𝑓 , 𝜋 𝑓 ), nó phải tuân theo các đặc trưng sau: • Năng lượng của tia 𝛾 phát ra được xác định bởi: 𝐸 𝛾 = 𝐸𝑖 − 𝐸 𝑓 ; (1.4) • Vì chuyển dời 𝛾 là chuyển dời điện từ, bức xạ phát ra mang theo một mômen động lượng xác định.

Đại lượng đặc trưng cho mômen động lượng này được gọi là bậc đa cực, ký hiệu là 𝐿. Từ điều kiện bảo toàn mômen động lượng toàn phần, 𝐿 phải thỏa mãn: |𝐽𝑖 − 𝐽 𝑓 | ≤ 𝐿 ≤ 𝐽𝑖 + 𝐽 𝑓 ; (1.5) • Với cùng một bậc đa cực 𝐿, chuyển dời 𝛾 có thể thuộc loại điện (EL) hoặc từ (ML). Hai loại chuyển dời này khác nhau ở tính chất trường điện từ phát ra và ở quy tắc biến đổi độ chẵn lẻ. Điều kiện bảo toàn độ chẵn lẻ của hệ được viết dưới dạng: 𝜋𝑖 𝜋 𝑓 𝜋 𝛾 = 1 (1.6) trong đó 𝜋 𝛾 là độ chẵn lẻ của bức xạ 𝛾.

Đối với chuyển dời điện và chuyển dời từ, 𝜋 𝛾 được xác định bởi:  (−1) 𝐿 , chuyển dời điện (𝐸 𝐿),    𝜋𝛾 = (1.  Như vậy, một chuyển dời 𝛾 chỉ có thể xảy ra khi đồng thời thỏa mãn các điều kiện bảo toàn năng lượng, mômen động lượng toàn phần và độ chẵn lẻ. Đối với chuyển dời điện, độ chẵn lẻ giữa hai trạng thái thay đổi khi 𝐿 lẻ và không thay đổi khi 𝐿 chẵn. Ngược lại, đối với chuyển dời từ, độ chẵn lẻ không thay đổi khi 𝐿 lẻ và thay đổi khi 𝐿 chẵn.

Một số chuyển dời thường gặp với 𝐿 = 1–3 được tóm tắt trong Bảng 1.1: Quy ước bậc đa cực (𝐿 = 1–3) và phân loại chuyển dời 𝛾 𝐿 Cấu trúc (2 𝐿 ) Tên gọi 𝜋 𝛾 Ký hiệu Loại chuyển dời 1 2 Lưỡng cực − E1 Lưỡng cực điện 1 2 Lưỡng cực + M1 Lưỡng cực từ 2 4 Tứ cực + E2 Tứ cực điện 2 4 Tứ cực − M2 Tứ cực từ 3 8 Bát cực − E3 Bát cực điện 3 8 Bát cực + M3 Bát cực từ Một điểm đáng chú ý trong phân tích phổ 𝛾 thực nghiệm là xác suất chuyển dời phụ thuộc mạnh vào năng lượng tia 𝛾, bậc đa cực và loại chuyển dời điện từ. Theo ước lượng Weisskopf [25], khi bậc đa cực tăng, xác suất chuyển dời nhìn chung giảm mạnh. Tuy nhiên, mức độ suy giảm không phải là một giá trị cố định mà còn phụ thuộc vào năng lượng 𝐸 𝛾 và cấu trúc của các trạng thái hạt nhân tham gia chuyển dời. Do đó, các chuyển dời bậc thấp, đặc biệt là 𝐸1 và 𝑀1, thường chiếm ưu thế trong phổ 𝛾, trong khi các chuyển dời bậc đa cực cao hơn có xác suất nhỏ hơn đáng kể.

Sơ đồ mức hạt nhân SĐM là biểu diễn hệ thống các trạng thái năng lượng của hạt nhân cùng với các chuyển dời điện từ liên kết giữa chúng. Một SĐM đầy đủ không chỉ bao gồm năng lượng kích thích của các mức hạt nhân, mà còn chứa các đặc trưng quan trọng như spin, độ chẵn lẻ, thời gian sống, năng lượng chuyển dời 𝛾, cường độ chuyển dời, tỷ số phân nhánh, hệ số biến hoán trong và kiểu đa cực khi xác định được. Vì vậy, SĐM có thể được xem là bản đồ cấu trúc rời rạc của hạt nhân, mô tả cách các trạng thái kích thích được hình thành và khử kích thích thông qua các kênh chuyển dời khác nhau. Dữ liệu SĐM phần lớn được trích xuất một cách trực tiếp từ thực nghiệm, với sự phụ thuộc tối thiểu vào các giả thuyết mô hình.

Chính vì vậy, SĐM được coi như một dữ liệu chuẩn để kiểm chứng và hiệu lực hóa nhiều mô hình lý thuyết, chẳng hạn như mô hình vỏ [26] và mô hình boson tương tác [27]. Trong các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về MĐM, SĐM thường được sử dụng làm ràng buộc ở vùng năng lượng thấp để chuẩn hóa và kiểm tra MĐM. Chẳng hạn, trong các phân tích hệ thống của von Egidy và 19 Bucurescu [28], dữ liệu mức rời rạc được sử dụng để ràng buộc các tham số của MĐM. Tương tự, trong phương pháp Oslo, SĐM là đầu vào quan trọng để chuẩn hóa MĐM thực nghiệm [29].

Đối với nghiên cứu phân rã 𝛾 nối tầng, SĐM cung cấp thông tin về các mức cuối, các chuyển dời nối tầng và tỷ số phân nhánh, qua đó hỗ trợ việc nhận diện các đỉnh tổng, trích xuất phổ TSC và xây dựng quy trình đánh giá MĐM và HLBX. Do dữ liệu SĐM được xây dựng từ nhiều kênh phản ứng và phân rã khác nhau, các thông tin thực nghiệm này cần được tổng hợp, đối chiếu và đánh giá một cách hệ thống trước khi sử dụng. Một trong những thư viện dữ liệu SĐM quan trọng nhất hiện nay là ENSDF, do Trung tâm Dữ liệu Hạt nhân Quốc gia thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, Hoa Kỳ, thu thập, đánh giá và lưu trữ. Theo thông tin công bố trên ENSDF tại thời điểm truy cập tháng 04/2026, thư viện này chứa 20100 bộ dữ liệu tương ứng với 3444 hạt nhân [30].