Tách đồng vị bằng ánh sáng

Các nhà khoa học ở Mĩ vừa công bố một phương pháp mới phân tách đồng vị bằng ánh sáng laser. Nói chung, kĩ thuật có thể dùng để tinh lọc lithium-7, đồng vị dùng để làm nguội là phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, trên nguyên tắc, phương pháp cũng có khả năng áp dụng cho nhiều đồng vị của những nguyên tố khác.

Người ta chia tách các đồng vị vì nhiều mục đích khác nhau. Có lẽ công dụng nổi tiếng nhất là y học hạt nhân, trong đó bệnh nhân được tiêm hoặc nuốt vào một chất phóng xạ làm chất đánh dấu. Để tránh cho người bệnh khỏi phải hấp thu những chất không cần thiết, đồng vị phóng xạ dùng trong điều trị trước tiên phải được tinh lọc.

Các đồng vị còn được sử dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân. Ví dụ, lithium được bổ sung vào nước trong lò phản ứng nước áp lực để trung hòa acid boric dùng để điều khiển phản ứng. Trong tương lai, các nhà vật lí còn đề xuất những lò phản ứng làm nguội bằng lithium fluoride nóng chảy. Tuy nhiên, cả hai ứng dụng đều gặp không khí vì lithium-6 xuất hiện trong tự nhiên có thể tạo ra tritium phóng xạ khi bị neutron bắn vào. Tritium dễ bị hấp thụ bởi cơ thể ở dạng nước, và để phòng tránh nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe, điều cần thiết là chỉ sử dụng lithium-7, đồng vị có nhiều nhất của nguyên tố lithium.

Mô phỏng máy tính này cho thấy lithium-7 ở những trạng thái từ tính nhất định bị lệch lên trên như thế nào trong một từ trường. Lithium-6 thì không bị lệch hoặc bị lệch xuống dưới, nên hai đồng vị bị phân tách ra làm đôi ngã. Thang đo ở cả hai trục đều tính theo mét. (Ảnh: New Journal of Physics)

Tốt hơn COLEX?

Hiện nay, lithium-7 được tinh lọc bằng phương pháp hoán đổi cột (COLEX) dựa trên thực tế là lithium-6 có tính ưa thủy ngân hơn s với lithium-7. Trước tiên, người ta cho lithium hòa tan trong thủy ngân và sau đó cho dung dịch phản ứng với nước. Phần dung dịch lithium hydroxide có nước hình thành phía trên cột chủ yếu là lithium-7, còn hỗn hống giàu thủy ngân tại phía đáy chứa chủ yếu là lithium-6. Sau đó có thể loại lithium-6 ra khỏi hỗn hống và mang thủy ngân ra dùng lại – ít nhất là trên nguyên tắc. Tuy nhiên, trong thực tế, mọi quá trình sử dụng lượng lớn thủy ngân đều đầy ắp nguy cơ. Thật vậy, gần 10% trong số 10 triệu kg đã sử dụng cho đến ngày nay trong quá trình COLEX vẫn còn mờ ám – người ta tin rằng 330.000 kg kim loại độc hại này đã tuồn ra theo nước thải, qua bay hơi và tràn đổ.

Trong khi một quá trình thân thiện môi trường hơn chắc chắn sẽ được chào đón, nhưng các ứng cử viên thật khó tìm. Việc sử dụng laser để phân tách những đồng vị có moment từ hạt nhân khác nhau đã được đề xuất trước đây, nhưng các yêu cầu năng lượng luôn cao ở mức khó đáp ứng. “Các phương pháp làm giàu bằng laser đã nêu trước đây chủ yếu dựa trên sự ion hóa của các nguyên tử, và đòi hỏi vài bước sóng khác nhau và các laser công suất rất cao,” phát biểu của Mark Raizen thuộc trường Đại học Texas ở Austin, người lãnh đạo nghiên cứu trên. “Làm ion hóa một nguyên tử thì na ná như leo lên một cái thang trơn tuột – bạn phải trèo lên thật nhanh mới không bị tuột xuống.”

Bơm quang học

Raizen và nhà vật lí đồng chí Bruce Klappauf quyết định nghiên cứu một hiệu ứng tinh vi hơn gọi là bơm quang học, nhờ đó sự hấp thụ ánh sáng laser có thể làm thay đổi trạng thái từ tính của một hạt nhân, làm cho nó chuyển động theo một hướng nhất định trước một từ trường. Những đồng vị khác nhau được kích thích ở những tần số hơi khác nhau một chút, và các laser chỉ phát ra ở một tần số rất chính xác nên phương pháp này mang lại một cách rất hiệu quả làm biến đổi trạng thái từ tính của một số đồng vị này nhưng không ảnh hưởng đến những đồng vị khác, và do đó phân tách chúng ra làm hai. “Tầm quan trọng của phương pháp này là ở chỗ có thể thực hiện nó với sự tiết kiệm ánh sáng, đó là điều quan trọng khi người ta xét khả năng triển khai của phương pháp,” Raizen nói.

Để chứng minh phương pháp là có thể, cặp đôi tác giả đã sử dụng một mô phỏng máy tính để tính quỹ đạo của những đồng vị khác nhau của lithium trong một từ trường. Họ tìm thấy hai đồng vị đó thật sự đi theo những quỹ đạo khác nhau và do đó có thể bị phân tách (xem ảnh).

Raizen tin rằng phương pháp trên có thể dùng cho các đồng vị của những nguyên tố khác, mặc dù ông thừa nhận rằng có nhiều trở ngại xảy ra với những nguyên tố rất nặng, ví dụ như uranium. “Chúng tôi không biết rõ nữa,” ông nói.

“Mang tính suy đoán cao”

Nhà vật lí hạt nhân Magdi Ragheb thuộc trường Đại học Illinois tại Urbana-Champaign tỏ ra thận trọng hơn. “Nghiên cứu trên nỗ lực kết hợp hai kĩ thuật đã dùng trong phân tách đồng vị: phân tách bằng điện từ hay phương pháp calutron, và phương pháp phân tách đồng vị bằng laser,” ông nói. “Nó mang tính suy đoán cao và nêu ra nhiều lựa chọn để triển khai nó nếu được. Một chương trình mô phỏng quỹ đạo thì không đảm bảo cho tính khả thi của nó nếu không có bằng chứng thực nghiệm xác thực.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí New Journal of Physics.

Trọng Nhân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com