Vật lý hạt nhân là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về vật lý hạt nhân

Vật lý hạt nhân nghiên cứu thành phần và cấu trúc của hạt nhân nguyên tử, bao gồm proton, neutron và các liên kết giữ chúng vững bền. Ngành này tập trung vào lực hạt nhân mạnh, lực cơ bản chi phối tương tác giữa các nucleon trong phạm vi kích thước của hạt nhân (khoảng 10^–15 m). Hiểu biết về hạt nhân nguyên tử là nền tảng để phân tích các phản ứng phân hạch, hợp hạch và quá trình phóng xạ, đồng thời mở rộng đến các ứng dụng công nghiệp, y sinh và năng lượng.

Vai trò của vật lý hạt nhân không chỉ giới hạn trong lĩnh vực cơ bản mà còn lan tỏa ra công nghệ hạt nhân dân sự và quốc phòng. Các lò phản ứng hạt nhân, nguồn đồng vị phóng xạ trong y học, máy gia tốc hạt và các kỹ thuật phân tích hạt nhân đều dựa trên nguyên lý và phương pháp của vật lý hạt nhân. Tri thức hạt nhân góp phần giải quyết nhu cầu năng lượng, chữa bệnh ung thư và nghiên cứu cơ bản về vũ trụ.

Lịch sử phát triển

Khởi nguồn của vật lý hạt nhân là Thí nghiệm Rutherford năm 1911, khi Ernest Rutherford phát hiện hạt nhân nguyên tử bằng cách bắn hạt alpha vào tấm vàng mỏng. Kết quả cho thấy phần lớn khối lượng nguyên tử cô đặc tại một hạt nhân nhỏ ở trung tâm, mở đường cho mô hình hành tinh của nguyên tử.

Những thập niên sau đó, các nhà khoa học như Niels Bohr, Meitner, Weizsäcker và Fermi lần lượt đề xuất các mô hình hạt nhân và công thức tính năng lượng liên kết. Mô hình giọt chất lỏng của Meitner–Weizsäcker mô tả năng lượng liên kết phụ thuộc số hạt và tỷ lệ proton–neutron, trong khi lý thuyết Vỏ (Shell Model) của Mayer và Jensen giải thích tính ổn định của hạt nhân magic numbers.

Phát triển công nghệ máy gia tốc hạt từ giữa thế kỷ XX đã cho phép va chạm hạt nhân ở năng lượng cao, khảo sát tương tác yếu và nghiên cứu cấu trúc hạt nhân kích thích. Các trung tâm lớn như CERN và Fermilab ra đời, tiếp tục mở rộng biên giới hiểu biết về lực hạt nhân và vật chất cơ bản.

Cấu trúc hạt nhân

Mỗi hạt nhân nguyên tử được đặc trưng bởi số proton Z và số neutron N, tổng khối số A = Z + N. Proton mang điện dương, neutron trung hòa; sự kết hợp của chúng tạo nên đa dạng đồng vị với tính chất ổn định hoặc phóng xạ khác nhau. Mật độ hạt nhân vào khoảng 0,17 nucleon/fm³ trên hầu hết các hạt nhân bền.

Có hai mô hình cơ bản thường được áp dụng:

• Mô hình giọt chất lỏng: Xem hạt nhân như giọt chất lỏng tích điện, giải thích năng lượng liên kết theo thành phần thể tích, bề mặt, Coulomb và hiệu chỉnh lân cận.
• Mô hình Vỏ: Cho rằng proton và neutron chiếm các mức năng lượng riêng biệt (shells), với "magic numbers" tương ứng các vỏ đầy, tạo nên tính bền đặc biệt.

Bảng dưới đây minh họa kích thước và khối lượng điển hình của một số hạt nhân bền:

Đồng vị	Z (proton)	N (neutron)	A	Bán kính fm
⁴He	2	2	4	1,68
¹⁶O	8	8	16	2,70
⁵⁶Fe	26	30	56	4,61

Tương tác hạt nhân cơ bản

Có bốn lực cơ bản chi phối vật lý hạt nhân:

• Tương tác mạnh: Giữ proton và neutron kết hợp thành hạt nhân, phạm vi ngắn (~1 fm), cường độ lớn nhất trong bốn lực.
• Tương tác điện từ: Đẩy Coulomb giữa proton dương, ảnh hưởng đến sự ổn định hạt nhân và năng lượng liên kết.
• Tương tác yếu: Gây ra phân rã beta, biến neutron thành proton (và ngược lại), quan trọng trong cân bằng proton–neutron.
• Tương tác hấp dẫn: Rất yếu ở quy mô hạt nhân, thường bỏ qua trong tính toán hạt nhân.

Chi tiết và tham số định lượng các tương tác này được tổng hợp tại Particle Data Group: pdg.lbl.gov.

Phản ứng hạt nhân

Phản ứng phân hạch (fission) là quá trình hạt nhân nặng hấp thụ neutron và tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm giải phóng năng lượng. Năng lượng giải phóng được tính theo công thức $E = \Delta m \, c^2$, trong đó Δm là khối lượng mất mát (chênh lệch giữa khối lượng hạt nhân ban đầu và tổng khối lượng các mảnh phân hạch). Ví dụ, phân hạch của ¹³⁵U có thể giải phóng ~200 MeV mỗi sự kiện.

Phản ứng hợp hạch (fusion) tổ hợp hai hạt nhân nhẹ (như ²H và ³H) thành hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng năng lượng lớn do năng lượng liên kết trung bình của hạt nhân tăng khi A tăng từ 2–4 lên tới ⁴He. Năng lượng hợp hạch của D–T xấp xỉ 17.6 MeV mỗi phản ứng, hứa hẹn nguồn năng lượng sạch nếu kiểm soát được plasma.

Phản ứng	Hạt ban đầu	Sản phẩm	Năng lượng (MeV)
Phân hạch U-235	¹³⁵U + n	⁹⁵Kr + ¹³⁹Ba + 3n	~200
Hợp hạch D–T	²H + ³H	⁴He + n	17.6
Phân hạch Pu-239	²³⁹Pu + n	⁹⁶Sr + ¹⁴³Ba + 3n	~210

Các thông số này là cơ sở cho phát triển lò phản ứng hạt nhân và nghiên cứu năng lượng hợp hạch. Cân bằng neutron và hệ số hiệu quả nhân neutron (k_eff) quyết định chuỗi phản ứng và an toàn lò phản ứng.

Phóng xạ

Phóng xạ là quá trình hạt nhân không bền tự phân rã, phát ra bức xạ α (helium), β (electron hoặc positron) hoặc γ (photon năng lượng cao). Chu kỳ bán rã $T_{1/2}$ là thời gian hạt nhân giảm một nửa số lượng ban đầu, đặc trưng cho độ bền của đồng vị.

Các loại phân rã chính bao gồm:

• Phân rã α: hạt nhân nặng phát ra hạt ⁴He, giảm A đi 4 và Z đi 2.
• Phân rã β^–: neutron biến thành proton, electron và antineutrino; tăng Z lên 1.
• Phân rã γ: hạt nhân ở trạng thái kích thích phát ra photon để chuyển về trạng thái cơ bản, không thay đổi A và Z.

Thống kê phóng xạ và dữ liệu chu kỳ bán rã được tổng hợp tại NIST: NIST half-life decay data.

Ứng dụng của vật lý hạt nhân

Trong điện hạt nhân, phản ứng phân hạch kiểm soát trong lò phản ứng cung cấp nguồn nhiệt để sinh hơi làm quay tua-bin phát điện. Lò PWR, BWR và CANDU là các thiết kế thương mại phổ biến, mỗi loại có đặc điểm làm mát và phân tán neutron khác nhau.

Trong y sinh, đồng vị phóng xạ như ⁹⁹ᵐTc, ¹⁸F, ¹³¹I được sử dụng chẩn đoán PET, SPECT và điều trị ung thư. Kỹ thuật xạ trị tận dụng tia γ và neutron để tiêu diệt tế bào ác tính, giảm thiểu tổn thương mô lành.

Khí tượng vũ trụ và nghiên cứu vật chất cơ bản dùng neutrino và tia vũ trụ: quan sát neutrino Mặt Trời (Super-Kamiokande) giúp hiểu phản ứng nhiệt hạch trong lõi Mặt Trời, trong khi va chạm hạt tại CERN khám phá các tương tác yếu và hạt cơ bản mới.

Phương pháp nghiên cứu và thiết bị

Gia tốc hạt (cyclotron, synchrotron) tạo chùm proton, electron, ion nặng để va chạm vào mục tiêu hoặc va chạm chéo, khảo sát cấu trúc hạt nhân và tương tác cơ bản ở năng lượng cao. Cyclotron sử dụng từ trường và điện trường xoay chiều để tăng tốc liên tục, synchrotron điều chỉnh từ trường đồng bộ với năng lượng hạt.

Máy dò hạt (detectors) gồm bộ phát hiện sự ion hóa (Geiger–Müller), scintillator, buồng drift và buồng bọt; mỗi loại ghi nhận vị trí, năng lượng và thời gian bay (time-of-flight) của hạt, cho phép tái tạo quang phổ năng lượng và góc tán xạ.

Thiết bị neutron cung cấp neutron nhiệt và nhanh cho nghiên cứu phản ứng phân hạch, phân tích cấu trúc vật liệu bằng tán xạ neutron (neutron diffraction) và quang phổ neutron (neutron spectroscopy).

Thử nghiệm và mô phỏng

Tại CERN, máy gia tốc LHC va chạm proton ở năng lượng lên đến 13 TeV, tái tạo điều kiện sớm sau Big Bang và khám phá hạt Higgs boson. Fermilab với máy Tevatron trước đây tập trung vào va chạm proton–antiproton để tìm kiếm hạt top quark.

Mô phỏng Monte Carlo như GEANT4 mô phỏng chi tiết tương tác của hạt trong vật liệu, dùng trong thiết kế detector, ước tính liều xạ trong y học và đánh giá an toàn lò phản ứng. GEANT4 là công cụ tiêu chuẩn trong cộng đồng vật lý hạt nhân và y sinh: GEANT4.

Hướng phát triển và thách thức

Nghiên cứu năng lượng hợp hạch bền vững (ITER, NIF) nhằm đạt đốt cháy tự duy trì (ignition) và tỷ số năng lượng sinh ra so với tiêu thụ (Q>1). ITER (Pháp) dự kiến hoạt động giai đoạn đầu năm 2035 nhằm chứng minh khả năng tích lũy năng lượng từ D–T.

Neutrino và vật chất tối: thí nghiệm DUNE (Mỹ) và Hyper-Kamiokande (Nhật) nghiên cứu biến đổi mùi neurtino (oscillation) và CP-violation, đóng góp cho hiểu biết vũ trụ sơ khai. Khám phá vật chất tối bằng cảm biến xenon lỏng (LUX-ZEPLIN) vẫn là thách thức lớn.

Công nghệ phát hiện mới (siêu dẫn, silicon pixel) và mô phỏng đa quy mô (multi-scale) kết hợp AI sẽ tăng độ phân giải và hiệu suất tính toán, hỗ trợ khám phá tương tác yếu hiếm và cấu trúc hạt nhân chưa biết.

Danh mục tài liệu tham khảo

1. Roy R. R., Nigam B. P. Nuclear Physics: Theory and Experiment. John Wiley & Sons; 1991.
2. Preston M. A., Bhaduri R. K. Structure of the Nucleus. Addison-Wesley; 1975.
3. CERN. Rutherford Scattering. https://home.cern/science/physics/rutherford-experiment
4. Particle Data Group. Review of Particle Physics. https://pdg.lbl.gov
5. NIST. Half-Life and Decay Data. https://www.nist.gov/pml/half-life-decay-data
6. Agostinelli S. et al. GEANT4—a simulation toolkit. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2003;506(3):250–303. doi:10.1016/S0168-9002(03)01368-8
7. ITER Organization. https://www.iter.org
8. DUNE Collaboration. www.dunescience.org