Phản ứng tổng hợp hạt nhân, nguồn gốc của sự đa dạng các nguyên tố trong vũ trụ
Nguồn gốc các nguyên tố cơ bản:
Ai cũng biết vũ trụ của chúng ta hay nói gần hơn là các vật chất hiện hữu có những hạt cơ bản như Proton, Neutron và Electron.
Nhưng trở lại nguồn gốc sơ khai của vũ trụ theo học thuyết Big Bang, khi điểm kỳ dị được phát nổ mọi thứ quá nóng đến mức những hạt như Proton, Neutron còn chưa thể tồn tại. Khi mọi thứ bắt đầu nguội đi khoảng vài phút sau Big Bang, 3 loại hạt đủ điều kiện tồn tại, hạt nhân đầu tiên được hình thành với tên gọi Hydrogen với 1 proton và 1 electron và sau đó là các đồng vị của nó như Deuterium (H-2), Tritium (H-3) và Helium (He-4) (Quá trình này còn được gọi là tổng hợp hạt nhân Bigbang hayBigbang Nucleosyntheis). Đây được là nền tảng cho nguồn gốc các nguyên tố sơ khai nhất của vũ trụ.
Năng lượng từ các quá trình tổng hợp hạt nhân:
Câu hỏi đặt ra chính là làm sao để các phản ứng tổng hợp hạt nhân nhẹ thành nặng có thể duy trì trong hàng tỷ năm của vũ trụ, vì nếu quá trình này tiêu hao năng lượng thì vũ trụ phải mất cạn dần và mọi thứ không thể đi xa thêm. Câu trả lời chính là “Chúng không tiêu tốn năng lượng chúng sinh ra năng lượng”
Hãy cùng xét một hạt nhân Helium-4 (Với 2 neutron và 2 proton) có khối lượng là 4.00153 U.
Giờ hãy cùng tìm hiểu khối lượng riêng lẻ của các hạt: 1 hạt proton có khối lượng 1.00728 U còn 1 hạt Neutron là 1.00866 U. Cộng lại từng hạt và ta có con số 4.03188 U.
Vậy ta có thể thấy, trong quá trình kết hợp của 2 proton và 2 neutron, hạt nhân Helium đã thất thoát một phần khối lượng. Vậy nó đã đi đâu? Nó đã được chuyển thành năng lượng theo phương trình thuyết tương đối của Einstein E=mc^2, khối lượng thất thoát đã được chuyển thành năng lượng ra bên ngoài (còn được gọi là năng lượng liên kết). Như vậy, ngoại trừ nguồn nhiệt và áp suất điều kiện ban đầu cho quá trình tổng hợp, các quá trình này không tiêu tốn các “tài nguyên” ấy mà đã tự tạo ra năng lượng duy trì cho quá trình.
Giới hạn của phản ứng tổng hợp hạt nhân
Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong một ngôi sao
Để bắt đầu, ta hãy nhìn đến những ngôi sao. Các ngôi sao Thực chất là những khối cầu Hidro khổng lồ, chỉ là chúng được tụ lại trong một không gian nhất định và dưới sự sụp đổ hấp dẫn, các đám khí Hydrogen hình thành nên một khối cầu mà ta hay gọi là các ngôi sao. Tại đây với nguồn Hydrogen-1 dồi dào, quá trình tổng hợp hạt nhân Helium-4 bắt đầu và sản sinh năng lượng (Đây cũng là chu trình hợp hạch tạo năng lượng lớn nhất để duy trì sự hoạt động ổn định của ngôi sao. Các quá trình này sinh ra năng lượng, giúp ngôi sao duy trì trạng thái phản ứng tổng hợp, ngoài ra còn tạo ra những lực đẩy từ trong tâm ngôi sao giúp cân bằng lực hấp dẫn đang kéo mọi thứ về tâm của ngôi sao.
Sau khi Hydrogen được chuyển hóa hoàn toàn thành Helium, trong trường hợp ngôi sao vẫn như một số ngôi sao có thể chống lại sức mạnh nén vào của lực hấp dẫn sau khi mất đi quá trình tổng hợp hạt nhân chính, các hạt nhân Helium tiếp tục tham gia quá trình tổng hợp các nguyên tố sau Helium như Lithium, rồi đến Carbon, Oxygen…. Với nguồn năng lượng giải phóng giảm dần.
Cái chết của một ngôi sao
Phản ứng tổng hợp hạt nhân được thực hiện theo dây chuyền, biến các nguyên tố nhỏ thành các nguyên tố nặng hơn và mọi rồi mọi thứ “dừng lại ở nguyên tố Fe-56 (hay quá trình đã chạm đến “đỉnh sắt” hay Iron Peak)”.
Tại sao lại là Fe-56? Thực nghiệm cho thấy tông phản ứng tổng hợp hạt nhân, quá trình tổng hợp các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân nặng hơn sẽ sinh ra năng lượng nhưng đến khi kể từ nguyên tố sắt (một nguyên tố được chứng minh là rất bền và có Năng lượng liên kết mạnh nhất) chính vì vậy các nguyên tố nào muốn được tổng hợp để trở nên nặng hơn sắt đều cần được cung cấp thêm năng lượng cho phản ứng thay vì chính phản ứng đó sinh ra năng lượng.
Điều này dẫn đến các phản ứng tổng hợp hạt nhân càng chạm đến Fe-56 đều dần mất đi sự hiệu quả, không còn năng lượng cho phản ứng tổng hợp đó. Khi này, ngôi sao mất dần năng lượng, phản ứng không còn được xảy ra mạnh mẽ nữa và ngôi sao sẽ dần “tắt đèn”. Mọi thứ chấm dứt và ngôi sao sẽ bị lực hấp dẫn phá hủy và dẫn đến sự kiện Vụ nổ siêu tân tinh phóng đi mọi thứ ngôi sao đó đã tạo ra trong suốt phần đời của mình ra ngoài vũ trụ như các Helium, Lithium, Oxygen, Cacbon, Sắt, phần Hydrogen chưa được tổng hợp….. các nguyên tố này được sử dụng để góp phần hình thành nên các hành tinh (từ hành tinh đất đá như Trái Đất, Hỏa Tinh…. Cho đến các hành tinh khí như Mộc Tinh, Thổ Tinh….)
Vậy các nguyên tố nặng hơn sắt đến từ đâu?
Ta có thể thấy là xung quanh ta có rất nhiều nguyên tố nặng hơn sắt như Vàng, Bạc, Đồng… vậy chúng đến từ đâu nếu quá trình tổng hợp hạt nhân chỉ dừng lại ở Sắt? Thật ra chúng không dừng lại.
Như đã nói ở trên, phản ứng tổng hợp hạt nhân dần cạn đi nguồn tổng hợp hạt nhân Hydrogen, các nguyên tố đã được tổng hợp phần lớn thành sắt và hiệu quả của quá trình tổng hợp không tạo ra đủ năng lượng cân bằng với lực hấp dẫn; khi này vụ nổ siêu tân tinh sẽ chấm dứt vòng đời của một ngôi sao, một vụ nổ khổng lồ với năng lượng giải phóng bằng hoặc hơn cả vòng đời hàng tỷ năm của ngôi sao đó đã tạo ra, nguồn năng lượng này giải phóng chỉ trong từ vài giây, vài phút hoặc nhiều nhất là vài giờ. Khi này vùng xung quanh và bên trong vụ nổ có nhiệt độ, năng lượng và áp suất đủ thuận lợi cho quá trình tổng hợp được tiếp tục trong vụ nổ và sinh ra nhiều nguyên tố khác nhau như Đồng, Vàng, Bạc và nặng nhất là Uranium và Plutonium. Sau đó theo con đường phóng đi của vụ nổ, các nguyên tố này được tiếp tục đưa đi khắp nơi trong vũ trụ dưới dạng các thiên thể nhỏ.
Tổng kết:
Vũ trụ rất kì diệu khi từ những hạt rất cơ bản của mình, đã “nhào nặn” được hơn 90 nguyên tố tự nhiên, các hành tinh, ngôi sao và các hiện tượng khác nhau cấu thành nên vũ trụ của ngày nay, chúng còn biết tự duy trì trạng thái hoạt động của mình bằng chính năng lượng của các phản ứng trước để tiếp tục cho các hoạt động sau. Mọi thứ đều như những chu kỳ hoàn hảo đến đáng sợ của tự nhiên.
