Các nhà nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer PSI và Đại học Quốc gia Úc đã xác định lại chu kỳ bán rã của samari-146 với độ chính xác cao hơn trước đây. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với dữ liệu mà các nhà vật lý thiên văn và địa hóa học thu được từ các mẫu ngoài Trái đất. Nghiên cứu được công bố ngày 01/08/2024 trên Scientific Reports.
Từ nhiều năm nay, các nhà khoa học vẫn đặt câu hỏi về chu kỳ bán rã của Samari-146 với các giá trị 103 triệu năm hoặc 68 triệu năm hoặc có thể là 98 triệu năm. Cho đến nay, người ta vẫn chưa biết chính xác câu trả lời do nhiều lần đưa ra những kết quả trái ngược nhau kể từ những phép đo đầu tiên vào những năm 1950. Đối với các nhà vật lý thiên văn và địa hóa học, đây là một vấn đề lớn. Họ cần biết chu kỳ bán rã của samari-146 một cách chính xác nhất có thể để giải thích sự hình thành của các tiểu hành tinh và hành tinh cũng như xác định niên đại chính xác của các loại đá. Mới đây, kết quả nghiên cứu đã xác nhận Samari-146 có chu kỳ bán rã 92 triệu năm, rất phù hợp với việc đánh giá độ tuổi của thiên thạch và đá mặt trăng.
Zeynep Talip, Rugard Dressler và Dorothea Schumann (trái sang phải) vui mừng về kết quả sau nhiều năm nghiên cứu chu kỳ bán rã của samari-146, chất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời gian vật lý thiên văn và địa chất (Nguồn: Viện Paul Scherrer PSI/Markus Fischer)
Kết quả này được nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Paul Scherrer PSI ở Villigen, Thụy Sĩ và Đại học Quốc gia Úc ở Canberra công bố với người đứng đầu nhóm nghiên cứu Dorothea Schumann cho biết: “Kết quả của chúng tôi là chính xác nhất cho đến nay”. Trong nghiên cứu này, tất cả các bước đều được mô tả một cách dễ hiểu và do đó kết quả hoàn toàn có thể đánh giá được. Năm 2012, nhóm nghiên cứu từ Nhật Bản, Israel và Mỹ đã công bố giá trị chu kỳ bán rã của samari-146 thấp đáng ngạc nhiên là 68 triệu năm, với sai số 7 triệu năm. Điều đó gây ra sự kinh ngạc trên toàn thế giới đối với các nhà địa chất học, vì giá trị này không khớp với các thí nghiệm cũ cũng như dữ liệu đo lường từ các thiên thạch được sử dụng để xác định niên đại hình thành hệ mặt trời của chúng ta. Bởi vì không ai có thể kết luận chắc chắn kết quả nào là kết quả chính xác hơn, nên nhóm chuyên gia đã khuyến nghị sử dụng song song giá trị mới này và giá trị đã được thiết lập trước đó. Ví dụ, đối với đá mặt trăng, giá trị công bố trước đó dẫn đến sự chênh lệch 90 triệu năm, tương ứng với khoảng 35% tuổi hình thành của chúng. Sau đó, năm 2023, nhóm nghiên cứu năm 2012 đã xác định được sự không nhất quán ở một trong các bước trong quá trình chuẩn bị mẫu và do đó đã rút lại công bố trước đó của họ.
Các nhà địa chất học vẫn yêu cầu giá trị chính xác hơn về chu kỳ bán rã của samari-146 và một số hạt nhân phóng xạ khác đóng vai trò quan trọng trong việc xác định niên đại của sự hình thành các hành tinh. Điểm chung của tất cả các đồng vị phóng xạ này là có chu kỳ bán rã hàng triệu năm. Đó là khoảng thời gian để một nửa số chất phóng xạ phân hủy. Samari-146 là chất phát alpha thuần túy; nguyên tử phát ra hạt nhân heli và phân hủy thành neodymi-142. Vì không thể đợi hàng triệu năm để một lượng đáng kể vật liệu phân hủy nên cần có những phương pháp khác để có thể mang lại kết quả nhanh hơn. Để xác định chu kỳ bán rã của bất kỳ đồng vị phóng xạ nào, chỉ cần xác định số lượng nguyên tử trong mẫu cũng như hoạt độ, tức là tốc độ phân rã. Thương số sau đó cho chu kỳ bán rã lên đến một hệ số không đổi, logarit tự nhiên của 2. Tuy nhiên, “Chỉ” ở đây là một từ rất lạc quan vì con đường xác định chính xác hai giá trị trên là rất phức tạp.
Thí nghiệm được chia thành ba phần. Đầu tiên là việc khai thác đủ số lượng đồng vị samari-146, chất không xuất hiện tự nhiên trên Trái đất. Với thí nghiệm này, các mẫu tantalum được chiếu xạ bằng nguồn neutron từ thiết bị gia tốc ở SINQ (Thụy Sĩ). Sau một loạt các quá trình phân tách hóa học có tính chọn lọc cao, người ta đã thu được một dung dịch hợp chất samari cực kỳ tinh khiết để tạo ra mẫu rất mỏng dùng cho phép đo hoạt độ. Một phần dung dịch được lắng đọng trên màng carbon chỉ dày 75 micromet. Thứ hai là phép đo hoạt độ: Mẫu samari được chuẩn bị đặt ở một khoảng cách xác định so với máy dò bức xạ alpha. Màng samari chỉ có kích thước một phần micromet nên sẽ không ngăn được các hạt alpha. Bằng cách xác định năng lượng, các nhà nghiên cứu cũng có thể phân biệt được liệu hạt alpha có thực sự đến từ sự phân rã của samari-146 hay không. Thiết bị được hiệu chuẩn bằng mẫu americi-241 và xác định rất chính xác do Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB của Đức sản xuất ở Braunschweig. Do lượng samari-146 rất nhỏ, nên nhóm nghiên cứu phải thực hiện các phép đo trong ba tháng để xác định hoạt độ với độ chính xác vừa đủ; tốc độ gần như là 54 lần phân rã mỗi giờ.
Thứ ba là việc xác định số lượng nguyên tử: Ở đây, dung dịch samari được kiểm tra thành phần bằng cách sử dụng nhiều máy quang phổ khối khác nhau tại PSI và tại Đại học Quốc gia Úc bằng cách đếm số lượng nguyên tử của samari-146 cũng như tất cả các đồng vị samari khác có trong mẫu. Sau khi thêm lượng samari tự nhiên bổ sung, không chứa samari-146, tổng lượng của tất cả các đồng vị samari và cả samari-146 có thể được xác định chính xác. Bởi vì hỗn hợp này còn chứa một đồng vị nhân tạo bổ sung của samari phát ra bức xạ gamma nên các nhà nghiên cứu có thể suy ra có bao nhiêu nguyên tử samari-146 lắng đọng trên lá mỏng: chính xác là 6,28 lần 10e13 nguyên tử hoặc chỉ 0,000018 miligam samariumoxide (146Sm2O3). Ngoài ra, nhóm nghiên cứu không chỉ có thể khẳng định độ tinh khiết cao của mẫu mà còn thực sự chứng minh được điều đó thông qua các phép đo bổ sung. Một khi tất cả những thử thách thử nghiệm này được vượt qua, phần còn lại là dành cho máy tính. Kết quả chu kỳ bán rã của samari-146 là 92,0 ± 2,6 triệu năm.
Các phép đo được thực hiện hoàn toàn khả thi nhờ sáng kiến ERAWAST (Các hạt nhân phóng xạ từ máy gia tốc), dự án dài hạn tái sử dụng chất thải phóng xạ từ máy gia tốc PSI cho mục đích nghiên cứu. Từ máy gia tốc proton của PSI và nguồn neutron SINQ của Thụy Sĩ, nhiều đồng vị phóng xạ được tạo ra. Các nhà nghiên cứu của nhóm Đồng vị và Hóa học tại Phòng thí nghiệm Hóa học Phóng xạ tại PSI đã phát triển các kỹ thuật để tách hóa học nhiều đồng vị khỏi chất thải và tạo ra các mẫu có độ tinh khiết cao trong 15 năm qua.
Từ khóa: samarium; chu kỳ bán rã;
– CMD&DND –
