Khảo sát ảnh hưởng của bức xạ tương tự tia vũ trụ lên hợp chất hữu cơ mô phỏng môi trường liên sao

Những mẫu hợp chất hữu cơ mô phỏng môi trường liên sao tương tự như PAHs - Hydrocarbon đa vòng thơm đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm và được chiếu xạ bởi các ion tương tự tia vũ trụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

TƯƠNG TỰ TIA VŨ TRỤ LÊN HỢP CHẤT

Thành Ph ố Hồ Chí Minh – 2014

Lê T ấn Phúc

TƯƠNG TỰ TIA VŨ TRỤ LÊN HỢP CHẤT

Trong quá trình thực hiện công trình này, tôi đã nhận được nhiều giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích cũng như các điều kiện thuận lợi trong công tác và nghiên cứu để hoàn thành công việc Đầu tiên, tôi xin cảm ơn gia đình đã bên tôi trong những lúc khó khăn, khuyến khích tôi học tập và nghiên cứu; tôi xin gửi lời tri ân đặc biệt đến TS Cao Anh Tuấn - Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Sự Phạm Tp Hồ Chí Minh - đã hướng dẫn, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi và cho những lời khuyên hữu ích cho tôi thực hiện luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô ở Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền thụ kiến thức đại cương về vật lý để tôi có cách tiếp cận và hoàn thành công việc nghiên cứu này tốt hơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ths Hoàng Đức Tâm - bộ môn vật lý hạt nhân -

đã giúp đỡ tôi trong những bước đầu nghiên cứu; và các thầy cô trong Phòng Thí Nghiệm Vô Tuyến Điện, Khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh đã

hỗ trợ cho tôi về nơi làm việc và thiết bị nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn bạn bè trong khóa K23 và các anh chị khóa trước đã giúp đỡ tôi trong khi thực hiện luận văn

Tp HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2014

Tác giả

Lê Tấn Phúc

bởi các bức xạ như tia cực tím, tia vũ trụ, tia X, tia gamma và chịu tương tác của một

số yếu tố khác Việc nghiên cứu sự tiến hóa của vật chất trong môi trường liên sao rất quan trọng đối với ngành vật lý thiên văn Những mẫu hợp chất hữu cơ mô phỏng môi trường liên sao (tương tự như PAHs - Hydrocarbon đa vòng thơm) đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm và được chiếu xạ bởi các ion tương tự tia vũ trụ Chúng tôi thấy rằng cấu trúc hóa học của mẫu đã bị phá hủy do chiếu xạ Các liên kết hydrocarbon bị bẻ gãy và hydro nguyên tử được giải phóng bởi sự bắn phá của chùm ion Tại một số vị trí, sự phá hủy chiếm ưu thế hơn sự tái tạo vật chất và ngược lại Do

đó, tia vũ trụ ảnh hưởng đến môi trường liên sao thông qua việc va chạm giữa các ion với các liên kết hóa học Sự thay đổi của độ sâu quang học giúp ích cho việc tìm hiểu

về quá trình tiến hóa của vật chất trong ISM

Abstract

In the interstellar medium (ISM), atoms, molecules and dust grains are irradiated by UV photons, cosmic rays, X-rays and gamma rays, others The study of the evolution of ISM is an important contribution for astrophysics Samples of carbonaceous interstellar analogues (similar to PAHs – Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) have been produced in the laboratory by the irradiated ion beams, which are similar as the cosmic rays The analysis of the data shows that the chemical structures of the samples were destroyed by irradiation Hydrocarbon bonds were broken and hydrogen atoms were released by the ion beams At some positions, the destruction dominates over the construction, and vice versa Therefore, the cosmic rays affect the interstellar medium via the collisions of ion and chemical bonds The variation of optical depth is useful for the study of the evolution of ISM

Key words:cosmic rays, recombination model, interstellar medium, PAHs, infrared

spectrum, stretching – bending – out-of-plane vibration

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Cao Anh Tuấn Tất cả các dữ liệu phổ, số liệu phân tích,

đồ thị, hình vẽ và các bảng biểu trình bày trong phần kết quả nghiên cứu của tôi là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từng được bất cứ cá nhân hay tập thể nào công bố trong những công trình mà tôi không tham gia Tất cả các kết quả sử dụng lại của các tác giả khác đều được trích dẫn đầy đủ và chi tiết

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quanvề vật chất trong môi trường liên sao (ISM) và sự tương tác của chúng với môi trường 4

1.1 Tổng quan về ISM và vật chất trong ISM 4

1.1.1 Môi trường liên sao (ISM) 4

1.1.2 Vật chất trong môi trường liên sao 6

1.2 Các loại bức xạ trong môi trường liên sao 11

1.2.1 Ảnh hưởng của các bức xạ trong ISM đến vật chất trong nó 13

1.2.2 Cơ chế phát xạ hồng ngoại của vật chất hữu cơ 14

Chương 2 Các mẫu vật chất hữu cơ dùng trong nghiên cứu và quá trình chiếu xạ mẫu 17

2.1 Quá trình tạo mẫu 17

2.2 Quá trình chiếu xạ mẫu và thu phổ hồng ngoại 21

2.3 Các thông số chiếu xạ 22

Chương 3 Sự ảnh hưởng của tia bức xạ vũ trụ lên các vật chất mô phỏng môi trường liên sao - kết quả và thảo luận 25

3.1 Quá trình xử lý số liệu 25

3.2 Tiết diện phá hủy và mẫu tái tổ hợp 33

3.3 Hàm lượng hydro và sự tiến hóa của vật chất hữu cơ được chiếu xạ 35

Kết luận 50

Tài liệu tham khảo 52

Phụ lục 55

Hình Tên hình Trang

1.1 Sự phân bố vật chất trong môi trường liên sao 6

1.2 Một số PAHs đơn giản tính theo chiều kim đồng hồ từ phía trên

bên trái lần lượt là benz(e)acephenanthrylene, pyrene, và

dibenz(ah)anthracene

9

1.3 Các kiểu gắn kết của C-H vào vòng thơm 10

1.4 Tinh vân Red Rectangle chụp từ kính Hubble (nguồn NASA) 11

1.5 Độ phong phú của các nguyên tố trong tia vũ trụ (đường in đậm)

so với tia vũ trụ đến từ thiên hà (đường mảnh)[13]

12

1.6 Các chế độ dao động của phân tử [11] 15

2.1 Mô hình thí nghiệm tạo mẫu [18] 19

2.2 Phổ hồng ngoại của mẫu a-C:H 1, a-C:H 2 và bồ hóng [10] 19

2.3 Các vùng dao động của hợp chất hydrocarbon 20

3.1 Phổ hồng ngoại thu được từ thí nghiệm với mẫu bồ hóng được

chiếu xạ bằng các chùm ion C5+

50 MeV, Si7+ 85 MeV, Ni9+ 100 MeV với các thông lượng ion khác nhau, ở Tandem, Pháp vào

tháng 3, 2009

26

3.2 Phổ hồng ngoại vùng 1 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion C5+ 50 MeV

với những thông lượng ion khác nhau

27

3.3 Phổ hồng ngoại vùng 1 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion Si7+ 85 MeV 28

3.4 Phổ hồng ngoại vùng 1 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion Ni 100

MeV với những thông lượng ion khác nhau

28

3.5 Phổ hồng ngoại vùng 2 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion C5+ 50 MeV

với những thông lượng ion khác nhau

30

3.6 Phổ hồng ngoại vùng 2 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion Si7+ 85 MeV

với những thông lượng ion khác nhau

30

3.7 Phổ hồng ngoại vùng 2 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion Ni9+ 100

MeV với những thông lượng ion khác nhau

31

3.8 Phổ hồng ngoại vùng 3 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion C5+ 50 MeV

với những thông lượng ion khác nhau

31

3.9 Phổ hồng ngoại vùng 3 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion Si7+ 85 MeV

với những thông lượng ion khác nhau

32

3.10 Phổ hồng ngoại vùng 3 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion Ni9+ 100

MeV với những thông lượng ion khác nhau

3.14 Quan sát sự thay đổi hàm lượng hydro tại các vị trí đỉnh khác nhau

trong vùng 1 với các chùm ion khác nhau

41

3.16 Quan sát sự thay đổi hàm lượng hydro tại các vị trí đỉnh khác nhau

trong vùng 3 với các chùm ion khác nhau

44

3.17 Tổng cường độ các đỉnh trong vùng 1 theo các lượt chiếu xạ khác

nhau với thông lượng ion tăng dần tương ứng với ba loại ion C5+,

Si7+ và Ni9+

44

3.18 Tổng cường độ các đỉnh trong vùng 2 theo các lượt chiếu xạ khác

nhau với thông lượng ion tăng dần tương ứng với ba loại ion C

C5+, Si7+ và Ni9+

45

3.19 Tổng cường độ các đỉnh trong vùng 3 theo các lượt chiếu xạ khác

nhau với thông lượng ion tăng dần tương ứng với ba loại ion C5+

,

Si7+ và Ni9+

46

3.20 Tổng cường độ các đỉnh trong 3 vùng theo các lượt chiếu xạ khác

nhau với thông lượng ion tăng dần tương ứng với ba loại ion C5+,

Si7+ và Ni9+

47

3.21 Tổng cường độ các đỉnh trong 3 vùng và tổng cường độ đỉnh của

cả ba vùng đối với chiếu xạ từng ion theo các lượt chiếu xạ khác

nhau với thông lượng ion tăng dần tương ứng với ba loại ion C5+

,

Si7+ và Ni9+ được thể hiện trên cùng một đồ thị

48

3.22 Dạng của một buckyball 55

B ảng Tên b ảng Trang

1.1 Thành phần của môi trường liên sao [7] 6

1.2 Các phân tử được tìm thấy trong môi trường liên sao cho đến năm

2003 Danh sách được cập nhật bởi Allan Wootten

(http://www.cv.nrao.edu/ ~awootten) [13].Một bảng cập nhật đầy

đủ và chi tiết hơn cho tới 7/2014 có thể được tìm thấy ở trang web

của viện vật lý, đại học Cologne, Đức

2.2 Các thông số tiết diện hãm ứng với mẫu bồ hóng được chiếu xạ với

các ion khác nhau và năng lượng khác nhau tương ứng

24

2.3 hông số về mật độ dòng ion FI và mật độ năng lượng gửi qua FE

tương ứng với các chùm ion chiếu xạ lên mẫu

24

3.1 Các kiểu biến dạng nén dãn của liên kết CH trong vùng 1[5] 27

3.2 Các vị trí biến dạng uốn của liên kết CH và biến dạng nén dãn của

liên kết CC trong vùng 2 [5]

29

3.3 Các vị trí biến dạng lệch khỏi mặt phẳng của liên kết CH [5] 29

M ở đầu

Trong quá trình hình thành và tiến hóa của vũ trụ, kể từ những giây phút đầu tiên đến nay, vật chất liên tục được sinh ra từ những đám mây bụi nhỏ cho đến các ngôi sao nóng sáng, hệ hành tinh, thiên hà và đám thiên hà Vật chất đã trải qua những quá trình biến đổi liên tục; từ những nguyên tố vô cơ nhẹ cho đến những hợp chất hữu

cơ có cấu trúc phức tạp Những quá trình ấy được quan sát trong môi trường bụi khí liên sao (interstellar medium – ISM) - nơi những ngôi sao và hành tinh được sinh ra và bắt đầu vòng đời của chúng cho đến khi kết thúc

Một công việc quan trọng của ngành vật lý thiên văn là khảo sát sự tiến hóa của các vật chất hữu cơ trong ISM Trong môi trường liên sao này, các hợp chất hữu cơ tồn tại và chịu tác động của các bức xạ vật lý; trong đó sự ảnh hưởng mạnh mẽ của tia

vũ trụ lên các hợp chất hữu cơ đã được khảo sát [1],[6],[10],[18] Những mẫu chất hữu

cơ tương tự với vật chất trong ISM đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm ở Orsay, Pháp Những mẫu được tạo ra là Hydrogenated amorphous carbons (a-CH 1 và a-CH 2) và bồ hóng (carbon soots) Người ta chiếu xạ những mẫu này bằng các chùm ion tương tự như tia vũ trụ, và thu phổ hồng ngoại của chúng Kết quả phân tích phổ cho ta thấy được sự tiến hóa của các hợp chất hữu cơ trong ISM Một số công trình trước đây nghiên cứu về ảnh hưởng của tia vũ trụ trong các vùng bước sóng khác nhau, ví dụ như vùng hấp thụ 3.4 µm [10] Các kết quả cho thấy rằng việc các liên kết hóa học trong phân tử chất hữu cơ bị phá hủy bởi tia vũ trụ xảy ra trong thời gian cỡ 108 năm,

và tiếp tục kéo dài trong những khoảng thời gian lớn Tuy nhiên, chỉ có tia vũ trụ không thì không thể giải thích được việc quan sát thấy sự hấp thụ của phổ hồng ngoại trong những vùng mây đặc Trong vùng mây khuếch tán thì sự hình thành phân tử hydro chiếm ưu thế hơn là sự phá hủy bởi tia cực tím (UV photons); trong vùng này ảnh hưởng của tia vũ trụ là không đáng kể Như vậy, có nhiều yếu tố tác động lên vật chất trong môi trường liên sao, việc nghiên cứu các yếu tố này và sự tiến hóa của vật

chất liên sao trong suốt quá trình bị ảnh hưởng của bức xạ đặc biệt là tia vũ trụ giúp

giải quyết các câu hỏi còn bỏ ngỏ hiện nay; cụ thể là những vấn đề về sự tiến hóa của vật chất và nguồn gốc của sự sống

Được sự định hướng của thầy hướng dẫn - TS Cao Anh Tuấn - và sự hứng thú đến từ bản thân cùng với những kết quả khả quan trong lĩnh vực này của những người

đi trước; tôi chọn đề tài: “ Ảnh hưởng của bức xạ tương tự tia vũ trụ lên hợp chất hữu

cơ mô phỏng môi trường liên sao” Trong khuôn khổ nghiên cứu này tôi muốn khảo sát các vùng rộng hơn từ 4000 cm-1đến 500 cm-1(tương ứng với bước sóng từ 2,5 µm đến 20 µm) của phổ hấp thụ hồng ngoại Qua đó có thể quan sát các vùng hấp thụ do

sự phá vỡ liên kết phân tử khi chiếu xạ bằng chùm ion và tái tổ hợp lại [10],[14] Đề tài sẽ phân tích phổ hồng ngoại của các mẫu sau khi bị chiếu xạ và mong muốn thu được tỉ lệ hàm lượng hydro trong mẫu và sự thay đổi của tỉ lệ này trong suốt quá trình chiếu xạ để tìm hiểu sự tiến hóa của các vật chất trong ISM và những ảnh hưởng của môi trường xung quanh đến sự tiến hóa này

Trong công trình này tôi sẽ thực hiện những mục tiêu nghiên cứu cụ thể về khảo sát sự ảnh hưởng của bức xạ tương tự tia vũ trụ lên hợp chất hữu cơ mô phỏng môi trường liên sao được tạo ra trong phòng thí nghiệm Từ đó, tìm hiểu quá trình tiến hóa của vật chất trong môi trường liên sao Công việc cụ thể như sau:

• Khảo sát phổ của mẫu được chiếu xạ bởi nhiều chùm ion của nhiều nguyên tố

và có năng lượng và thông lượng khác nhau để khám phá các dải rộng của tiết diện hãm điện tử (electronic stopping cross sections)

• Tính toán các thông số tỉ số hàm lượng hydro trong mẫu trong từng lượt chiếu

xạ so với ban đầu và nồng độ hydro tồn dư (residual hydrogen content) ở cường độ dòng cao Củng cố thêm cho mẫu tái tổ hợp (recombination model) dùng để giải thích

sự mất hydro trong phân tử và tái tổ hợp từ hai hydro được giải phóng do chiếu xạ một lượng lớn ion lên vật liệu

• Quan sát lượng hidro tồn dư sau khi chiếu những liều ban đầu và xem xét sự thay đổi theo từng vùng để kết luận về sự thay đổi hóa học của hợp chất hữu cơ theo hướng phức tạp hóa cấu trúc

• Sử dụng kết quả phân tích phổ chiếu xạ để tìm hiểu quá trình tiến hóa của vật chất liên sao trong các đám mây đặc và đám mây khuếch tán

Trong quá trình nghiên cứu tôi sử dụng phổ hồng ngoại trong khoảng 4000 cm-1

đến 500 cm-1của các mẫu vật chất tương tự vật chất trong ISM được chiếu xạ bằng các chùm ion C5+ 50 MeV, Si7+ 85 MeV, Ni9+ 100 MeV Sử dụng phần mềm Origin (Origin Lab) để phân tích và xử lý số liệu từ phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu chiếu xạ Với những mục tiêu trên, luận văn này gồm 3 chương

Chương I: Tổng quan về vất chất trong môi trường liên sao (ISM) và sự tương tác của chúng với môi trường

Chương 1 trình bày các khái niệm về môi trường liên sao, vật chất trong môi trường liên sao Sự tương tác giữa vật chất trong môi trường liên sao với môi trường xung quanh, cụ thể là các tia vũ trụ và các bức xạ khác như tia cực tím, tia X

Chương II: Các mẫu vật chất hữu cơ dùng trong nghiên cứu và quá trình thu phổ khi chiếu xạ với các chùm ion

Chương 2 giới thiệu về các mẫu vật chất tương tự với vật chất trong ISM và cách tạo mẫu trong phòng thí nghiệm Quá trình chiếu xạ với các chùm ion tương tự tia vũ trụ Thu phổ hồng ngoại của các mẫu được chiếu xạ và phân loại phổ Trình bày các thông số chiếu xạ

Chương III: Sự ảnh hưởng của tia bức xạ vũ trụ lên các vật chất mô phỏng môi trường liên sao

Chương 3 trình bày cách tính toán lý thuyết tiết diện phá hủy (destruction cross section), mẫu tái tổ hợp (recombination model), nồng độ hidro tồn dư (residual hydrogen content) và các tham số liên quan được trích xuất từ việc phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu Qua đó tìm hiểu được sự tiến hóa của các vật chất sau chiếu

xạ và kết luận cho những hợp chất hữu cơ ngoài vụ trụ

Chương 1 Tổng quan về vật chất trong môi trường liên sao (ISM) và sự tương tác của

Môi trường liên sao tồn tại trong các khoảng không bao la ngoài vũ trụ bao quanh các sao, chòm sao hoặc thiên hà Trong môi trường này chứa nhiều vật chất cả

vô cơ lẫn hữu cơ Các vật chất trong ISM hấp thụ và bức xạ năng lượng Các tia bức

xạ đến từ nhiều nguồn khác nhau trong vũ trụ tương tác mạnh mẽ với vật chất trong ISM và làm chúng thay đổi về tính chất vật lý và hóa học; tạo nên một sự phát triển bền bỉ lâu dài và ngày càng phong phú hơn về mọi mặt Trong công trình này, việc nghiên cứu các vật chất trong môi trường liên sao tập trung vào các chất hữu cơ và việc tương tác của chúng với bức xạ môi trường đặc biệt là tia vũ trụ

1.1 Tổng quan về ISM và vật chất trong ISM

1.1.1 Môi trường liên sao (ISM)

Môi trường liên sao là môi trường tồn tại các vật chất giữa khoảng không của một hệ sao trong thiên hà Các vật chất trong môi trường này chứa các khí dưới dạng ion hoặc trung hòa, các nguyên tử, phân tử vật chất và tia vũ trụ Môi trường liên sao choáng đầy khoảng không giữa các vì sao, và chúng tập hợp quanh những thiên hà, trong vũ trụ Trong môi trường liên sao, năng lượng được thể hiện dưới dạng bức xạ điện từ và động năng của các hạt

Trong môi trường liên sao cũng có sự phân tách làm các vùng có tính chất khác nhau, dựa trên các tiêu chí như các loại nguyên tử, phân tử, ion, mật độ và nhiệt độ của đám mây vật chất Những vùng này được gọi là những pha khác nhau của môi trường liên sao

Giữa các pha này có một sự cân bằng về áp suất và nhiệt độ, thường được quyết định bởi từ trường và các dòng chảy hỗn loạn của đám mây vật chất Trong một môi trường như vậy, mật độ vật chất rất loãng

Dựa trên tiêu chí mật độ, môi trường liên sao được chia làm hai vùng:

+ Vùng đám mây đặc

+ Vùng đám mây khuếch tán

Trong khu vực mây đặc, nhiệt độ thấp hơn, có khoảng 106 phân tử vật chất trong 1 cm-3 Vùng này là vùng mà các ngôi sao sẽ hình thành nếu xuất hiện một thăng giáng hấp dẫn ngẫu nhiên Trong vùng này hydro ở trạng thái trung hòa; có thể nói rằng đây là khu vực đặc và lạnh của ISM với nhiệt độ T<300 K

Trong vùng mây khuếch tán, nhiệt độ cao hơn, trong vùng này quá trình ion hóa chiếm ưu thế; mật độ vật chất thấp - khoảng 10-4 phân tử vật chất trong 1 cm-3

- và nhiệt độ cỡ T~ 104 K Chúng ta có thể thêm vào một vùng nữa gọi là vùng nhiệt động;

vùng này có nhiệt độ cỡ T~ 106 K do bị ảnh hưởng mạnh mẽ từ bức xạ các sao, đôi khi

là một vụ nổ siêu tân tinh

Người ta cũng có thể chia môi trường liên sao thành hai khu vực: HI và HII dựa theo tiêu chí môi trường trung hòa và môi trường ion hóa Khu vực HI được gọi là vùng nguyên tử khí trung hòa liên sao (The Neutral Interstellar Gas) Môi trường này chiếm phần lớn khối lượng của ISM Việc mô tả môi trường này dựa trên sự quan sát của: vạch phát xạ 21 cm của hydro để tìm hiểu nhiệt độ của môi trường; cấu trúc tinh

tế trong phổ hổng ngoại xa và phổ vạch hấp thụ của ISM để xác định thành phần hóa học và các thông số vật lý [13] Vùng HII gọi là khí ion hóa liên sao (The Ionized Interstellar Gas) Trong vùng này, khí liên sao bị ion hóa do nhiều tác nhân như các tia cực tím xa đến từ các ngôi sao nóng sáng hoặc ion hóa do tia X và tia vũ trụ gây ra hoặc ion hóa do va chạm trong những cú sốc (shock) Khu vực đám mây ion hóa khuếch tán cũng được xem như nằm trong vùng này; ngoài ra còn có các đám mây nóng liên sao (hot interstellar medium) được cho là nằm gần các ngôi sao hoạt động mãnh liệt hoặc tàn dư của các vụ nổ siêu tân tinh [13]

Trong môi trường liên sao, 99 phần trăm khối lượng là khí và 1 phần trăm khối lượng là bụi, chủ yếu là các hạt silicate và graphite có kích thước gần bằng 0,1

µm[19] Trong vùng mây khí có khoảng 89 phần trăm là hydro, 9 phần trăm là heli và khoảng 2 phần trăm là các nguyên tố nặng hơn [7],[13] Vùng này gần các ngôi sao trẻ, quá trình ion hóa chiếm ưu thế do một lượng lớn các tia cực tím đến từ ngôi sao trẻ mới hình thành Các electron tái tổ hợp với các ion hydro và phát ra các bức xạ khả kiến Các ngôi sao sinh ra và chết đi trong ISM ảnh hưởng tích cực đến sự tiến hóa của các phân tử bằng những tương tác vật lý trong một thang đo thời gian lớn

Hình 1.1.Mô hình sự phân bố vật chất trong môi trường liên sao

Bảng 1.1.Thành phần của môi trường liên sao

1.1.2 Vật chất trong môi trường liên sao

Trong môi trường liên sao vật chất tồn tại đa phần ở dạng khí và một phần là bụi Các vật chất trong ISM bao gồm cả hữu cơ và vô cơ Những chất này được phát hiện bằng phương pháp quang phổ Khi chuyển đổi trạng thái của điện tử hoặc chuyển đổi các chuyển động quay và dao động, chúng sẽ phát ra các bức xạ đa phần là ở thang

đo hồng ngoại và vô tuyến Trong thế kỷ trước, ngoài phát hiện các chất vô cơ trong

môi trường liên sao, lần đầu tiên người ta đã nhận thấy sự xuất hiện của các nguyên tử carbon và chúng có gắn kết với hydro tạo thành những chất hữu cơ từ đơn giản đến phức tạp Sự phát hiện ra hợp chất hữu cơ loại Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) ở tinh vân Red Rectangle vào năm 2004 [17], đánh dấu một bước tiến quan trong trong việc tìm hiểu sự tiến hóa của vật chất trong vũ trụ

Trước đây, chúng ta chỉ biết đến một số ít các hợp chất hữu cơ ngoài vũ trụ Cụ thể là trước những năm 1965 chỉ có ba loại được biết là tồn tại trong môi trường liên sao gồm: CH, CH+

và CN [13] Chúng được phát hiện dựa vào quang phổ vạch hấp thụ thu được từ những ngôi sao và môi trường khuếch tán xung quanh ngôi sao đó Sự ra đời của kính thiên văn vô tuyến giúp ích đáng kể cho việc khám phá các phân tử trong môi trường liên sao, điều này như một cuộc chạy đua từ năm 1965 Trong năm đó, dựa vào sự thu nhận các vạch phổ phát xạ người ta phát hiện thêm OH, NH3 và H2O [17] Ngày nay, hàng trăm phân tử được tìm ra trong môi trường liên sao, vỏ của các ngôi sao lạnh hoặc sao chổi

Bảng 1.2 Các phân tử được tìm thấy trong môi trường liên sao cho đến năm

2003 Danh sách được cập nhật bởi Allan Wootten (http://www.cv.nrao.edu/

~awootten)}[13] Một bảng cập nhật đầy đủ và chi tiết hơn cho tới 7/2014 có thể được tìm thấy ở trang web của viện vật lý, đại học Cologne, Đức ( http://www.astro.uni- koeln.de/cdms/molecules )

Bảng 1.2 Các phân tử được tìm thấy trong môi trường liên sao cho đến năm 2003

(tiếp theo)

1.1.2.2Polycylic aromatic hydrocarbon

Một dạng vật chất hữu cơ được tìm thấy một cách phổ biến trong các đám mây vật chất liên sao là Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) PAHs là những hợp chất hữu cơ chứa hydro và carbon dưới dạng các vòng thơm Các PAHs được cấu thành từ

các vòng thơm chứa 6 nguyên tử carbon, các vòng này kết hợp với nhau thành đám theo kiểu một cạnh trong vòng này cũng là một bộ phận của vòng khác hoặc chúng nối với nhau bằng các cầu nối aliphatic Những hợp chất PAHs trong cuộc sống được tìm thấy ở các nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khi đốt hoặc là dầu thông

Hình 1.2.Một số PAHs đơn giản tính theo chiều kim đồng hồ từ phía trên bên trái lần lượt là benz(e)acephenanthrylene, pyrene, và dibenz(ah)anthracene

Các phân tử PAHs là trung tính và không phân cực Một số PAHs đơn giản được biết đến như là biphenyl với hai vòng thơm và anthracene với ba vòng cấu thành; các PAHs có chứa từ 5 đến 6 vòng là phổ biến nhất Thông thường các PAHs dưới 6 vòng gọi là PAHs - nhỏ và trên 6 vòng gọi là PAHs - lớn Trong các thí nghiệm, PAHs được chế tạo bằng cách trộn các chất hữu cơ loại ankan, olefin hoặc ankin và đốt trong môi trường thiếu oxy kèm theo một số điều kiện khác để hỗn hợp cháy không hoàn toàn Các mẫu PAHs thường có màu đen, là hỗn hợp của các hydrocarbon và muội than Các PAHs thường có nhiều đồng phân, chúng ít tan trong nước và dễ hòa tan trong dầu Người ta có thể dùng các phương pháp quang phổ huỳnh quang, quang phổ hấp thụ tia cực tím, quang phổ sắc kí khí - khối lượng (GC-MS) và một số phương

pháp khác để phát hiện ra sự hiện diện của PAHs PAHs có nhiều dải hấp thụ và mỗi dải như vậy tương ứng với những cấu trúc vòng thơm nhất định Một số vị trí hấp thụ ứng với các dao động trong liên kết phân tử - được trình bày ở phần cơ chế phát xạ hồng ngoại - của các phân tử PAHs [5] như sau:

- Chế độ nén giãn (stretching mode) của C-H ở vị trí: 3,3 µm

- Chế độ nén giãn (stretching mode) của C-C ở vị trí: 6,2 và 7,7 µm

- Biến dạng uốn (bending mode) của C-H trong mặt phẳng phân tử: 8,6 µm

- Biến dạng uốn (out-of-plane) của C-H lệch ra ngoài mặt phẳng phân tử gồm: (a) Kiểu đơn (mono): một liên kết C-H nối với một vòng thơm: 11,3 µm

(b) Kiểu kép (duo): hai liên kết C-H nối với một vòng thơm: 12 µm

(c) Kiểu bội tam (trio): ba liên kết C-H nối với một vòng thơm: 12,7 µm

(d) Kiểu bội tứ (quartro): bốn liên kết C-H nối với một vòng thơm: 13,6 µm

Hình 1.3.Các kiểu gắn kết của C-H vào vòng thơm

Trong các công trình nghiên cứu trước đây cho thấy rằng PAHs hiện hữu dồi dào trong vũ trụ, xuất hiện trong hầu hết các môi trường liên sao, sao chổi và các đĩa hành tinh; và chúng được hình thành rất sớm, khoảng vài tỉ năm sau Bigbang [12],[17] Những nghiên cứu về tinh vân Red Rectangle đã cho thấy sự hiện hữu đầu tiên của các PAHs đơn giản là anthracene và pyrene [17] Trong những nghiên cứu gần đây các fullerene hay còn gọi là các buckyball đã được tìm thấy trong một số tinh vân (xem phụ lục A); một số giả thiết đặt ra là: rất có thể nguồn sống nguyên thủy của trái đất đã được phát triển từ các buckyball đến từ vũ trụ [8].Như vậy, có thể nói rằng các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm (PAHs) phổ biến trong môi trường liên sao khắp vũ trụ chính là những tiền đề cho sự sống Chúng là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nên protein và vật chất di truyền Viêc nghiên cứu sự tiến hóa của các hợp chất như vậy trong vũ trụ đóng vai trò thiết yếu để hình thành môt quan niệm về sự tiến hóa của vật chất và kết nối đến sự sống đầu tiên Một số mẫu vật chất hữu cơ được chế tạo nhằm

đáp ứng việc mô phỏng PAHs trong môi trường liên sao và nghiên cứu sự tiến hóa của chúng do sự ảnh hưởng của tia vũ trụ sẽ được trình bày trong chương II

Hình 1.4.Tinh vân Red Rectangle ch ụp từ kính Hubble (nguồn NASA)

1.2 Các loại bức xạ trong môi trường liên sao

Trong môi trường liên sao, các vật chất luôn tương tác với các bức xạ Các bức

xạ có ảnh hưởng chủ yếu là tia vũ trụ, tia cực tím và tia X Ngoài ra, còn tồn tại các bức xạ hồng ngoại, ánh sáng khả kiến và các tia X chủ yếu được phát ra trong quá trình tương tác với tia vũ trụ trong các quá trình thứ cấp hoặc sự chuyển trạng thái kích thích của các nguyên tử Các ảnh hưởng do các electron quang điện và va chạm phân

tử cũng có đóng góp vào tương tác với vật chất liên sao

Tia vũ trụ: bao gồm khoảng 99% là hạt nhân của các nguyên tử và khoảng

chừng 1% các hạt electron; trong số các hạt nhân nguyên tử có tới 90% là các proton, khoảng 9% là hạt nhân heli và còn lại 1% là hạt nhân của các nguyên tố nặng hơn [13] Các tia vũ trụ có thể có nguồn gốc từ một vụ nổ siêu tân tinh, quasars hoặc phát ra từ vùng nhân hoạt động của thiên hà Tia vũ trụ được chia làm hai loại các tia vũ trụ sơ cấp và các tia vũ trụ thứ cấp, tức là khi các tia vũ trụ sơ cấp đi vào khí quyển của hành tinh hay một đám mây khí sẽ va chạm và ion hóa các phần tử vật chất của môi trường xung quanh và tạo ra các tia thứ cấp có năng lượng bé hơn Năng lượng của tia vũ trụ trong khoảng 0.3 GeV, một số tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn nữa gọi là tia vũ trụ năng lượng siêu cao (lên đến 1020eV) [13]

Hình 1.5.Độ phong phú của các nguyên tố trong tia vũ trụ (đường in đậm) so với tia vũ trụ đến từ thiên hà (đường mảnh)[13]

Tia X: Được phát ra trong vùng khí nóng của môi trường liên sao do các điện

tử bị kích tích nhảy lên các mức năng lượng phía trên, lúc này các electron lớp trên sẽ chiếm những lỗ trống vừa tạo ra và phát tia X Sự kích thích này đến từ việc hấp thụ photon hoặc va chạm với các điện tử tự do Các tia X cũng đến từ các siêu tân tinh

Tia gamma: phát ra do sự tương tác của tia vũ trụ với môi trường liên sao theo

ba cơ chế:

(a) Tương tác với hạt nhân: sự va chạm giữa các hạt mang điện là tia vũ trụ và nhân của các nguyên tử, phân tử trong môi trường liên sao sẽ giải phóng tia gamma thông qua hạt trung gian là meson π0 Xem như các tương tác của proton và hạt alpha

là không đáng kể thì trong tia vũ trụ với đa số là proton và vật chất liên sao sẽ tương tác theo kiểu p - p và tạo ra các meson π±

, π0 Những pion mang điện sẽ phân rã thành muon (µ±) và neutrino; các muon này lại phân rã thành electron và positron tương ứng với điện tích của chúng Các pion trung hòa phân hủy thành hai gamma với năng lượng bằng nhau [13]

(b) Phát bức xạ hãm (Bremsstrahlung): những điện tử năng lượng cao trong tia

vũ trụ đi vào vùng ảnh hưởng của hạt nhân các nguyên tử trong ISM và bị đổi hướng

do điện trường hạt nhân Sự thay đổi này như một cơ chế hãm điện tử; một photon gamma sẽ được tạo ra đúng bằng sự chênh lệch năng lượng sau khi điện tử bị hãm Các bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục

(c) Tán xạ ngược Compton: do sự tán xạ không đàn hồi của các photon có năng lượng thấp lên các electron năng lượng cao tạo ra các photon ở mức năng lượng

gamma Các va chạm này tuân theo hiệu ứng Sunyaev-Zel'dovich (SZ) tức là các

photon - thường đến từ bức xạ phông nền vũ trụ (microwave background radiation) -

và đi qua ISM bị tán xạ bởi các electron năng lượng cao trong khí và làm chệch hướng các photon Hiệu ứng này còn được quan sát thấy ở đĩa bồi tụ của các lỗ đen trong vũ trụ

1.2.1 Ảnh hưởng của các bức xạ trong ISM đến vật chất trong nó

Trong một môi trường liên sao thường xảy ra sự cân bằng nhiệt động lực học giữa các vùng Chuyển động nhiệt của các hạt trong môi trường liên sao tuân theo phân bố Maxwell - Boltzmann

Trong môi trường liên sao thường có những vùng nhiệt độ chênh lệch Tia vũ trụ năng lượng thấp là tác nhân chủ yếu để làm nóng vật chất trong môi trường liên sao Chúng tương tác với vật chất trong môi trường liên sao bằng cách bỏ năng lượng

mà nó mang dưới dạng động năng để ion hóa và kích thích phân tử; đồng thời còn tương tác với các điện tử tự do thông qua trường Coulomb Tia vũ trụ tương tác với vật chất liên sao không những làm tăng nhiệt độ mà còn bẻ gãy các liên kết của các hợp chất hữu cơ tồn tại trong môi trường liên sao, kích thích chúng phát ra các phổ trong dải bước sóng hồng ngoại

Tia tử ngoại phát ra từ những ngôi sao mới hình thành cũng tác động lên các hạt bụi, khí trong môi trường liên sao Các photon tử ngoại tương tác với vật chất liên sao, đột phá các rào thế nguyên tử và tách các electron ra khỏi chúng dưới dạng động năng Đối với các hạt vật chất nhỏ, không có cấu trúc phức tạp thì quá trình tương tác của tia cực tím là chiếm ưu thế và là nguyên nhân chủ yếu trong việc làm nóng các vùng mây khí liên sao Một cơ chế kèm theo là các electron bắn ra do tương tác của tia cực tím với vật chất; các electron này mang một năng lương bằng năng lương tia cực tím trừ đi năng lượng ion hóa và thể hiện dưới dạng động năng Sự va chạm của các điện tử này trong không gian liên sao sẽ sinh nhiệt Quá trình này chiếm ưu thế chủ yếu trong vùng

HII, nhưng không đáng kể trong vùng mây khuếch tán do sự thiếu thốn các nguyên tử carbon trung hòa trong vùng này

Ngoài ra các nguyên tử hydro tồn tại trên bề mặt các hạt bụi, hoặc do bị bẻ gãy liên kết do tương tác với tia vũ trụ cũng có thể gặp nhau và tổ hợp lại thành các phân

tử hydro Năng lượng sinh ra trong quá trình này khoảng 4,48 eV và tồn tại dưới chế

độ quay và dao động của phân tử hydro Năng lượng này là năng lượng phát ra do nhảy mức kích thích của phân tử hydro thông qua va chạm và sinh nhiệt

Trong vùng mây khí có mật độ cao, sự chuyển động và va chạm giữa các phân

tử khí với các hạt bụi cũng sẽ được chuyển đổi dưới dạng nhiệt Cơ chế này gọi là grain - gas heating, chúng chiếm ưu thế trong vùng tàn dư của những vụ nổ siêu tân tinh, nơi có nhiệt độ và mật độ vật chất rất cao Trong những vùng khác có mật độ và nhiệt độ thấp gồm các phân tử nhẹ, sự phát tia X và ion hóa thứ cấp do các electron quang điện gây ra cũng góp phần sinh nhiệt cho vật chất Những ảnh hưởng khác như gió sao, sự sụp đổ hấp dẫn, các vụ nổ sao cũng gây ra sự thay đổi trong cân bằng nhiệt động của môi trường liên sao

1.2.2 Cơ chế phát xạ hồng ngoại của vật chất hữu cơ

Các phân tử vật chất hữu cơ thông thường có chứa có chứa rất nhiều các liên kết hóa học dạng liên kết đơn như C-H, liên kết đôi như C=C và những liên kết bội ba Những liên kết này tạo thành dao động phân tử với mức năng lượng khác nhau (xem hình 1.6) Các kiểu dao động có thể xảy ra là dao động dạng biến dạng nén giãn (stretching mode), dao động dạng biến dạng uốn (bending mode) và dao động lệch khỏi mặt phẳng (out-of-plane) Trong quá trình thay đổi trạng thái dao động trong các liên kết này, chúng có thể hấp thụ hoặc bức xạ ra các photon trong các vùng xác định (hình 2.3); trong đó chúng tôi quan tâm chủ yếu đến vùng hồng ngoại

Trong thực nghiệm người ta thu được các dải phổ hồng ngoại của phân tử bằng máy quang phổ và thấy rằng các phân tử hữu cơ hấp thụ những tần số xác định ứng với những dao động đặc trưng về cấu trúc hóa học Những năng lượng ứng với tần số hấp thụ - như một sự cộng hưởng - rất khớp với các quá trình chuyển trạng thái dao động của các liên kết hóa học Hay nói cách khác phân tử hữu cơ chỉ hấp thụ một lượng

năng lượng đúng bằng năng lượng cần thiết để chuyển từ trạng thái dao động ban đầu sang trạng thái dao động có năng lượng cao hơn, quá trình phát xạ hồng ngoại có cùng

cơ chế nhưng ngược lại với quá trình hấp thụ Những mức năng lượng này có thể ước đoán bởi các thông số về dạng thế bề mặt phân tử, các kiểu dao động và khối lượng của phân tử đó

Một phân tử hữu cơ có thể dao động (hoặc rung - vibrational mode) theo nhiều kiểu như đã nêu ở trên Nếu xem xét một phân tử 2 nguyên tử đơn giản thì trong phân

tử này chỉ tồn tại duy nhất một liên kết và theo đó nó chỉ thực hiện được một kiểu dao động, ta nói chúng có 1 bậc dao động Nếu phân tử có N nguyên tử cấu thành thì chúng sẽ có nhiều bậc dao động hơn Cụ thể, nếu chúng là phân tử tuyến tính tức là các nguyên tử trong phân tử sắp xếp theo một đường thẳng với góc giữa hai liên kết là

1800 thì chúng có 3N-5 bậc dao động; một phân tử phi tuyến có khoảng 3N-6 bậc dao động [11]

Hình 1.6.Các chế độ dao động của phân tử[11]

Dựa vào phổ hồng ngoại ta có thể xác định cấu trúc liên kết của phân tử dựa vào các đặc trưng về cường độ và vị trí Chúng ta cũng có thể xem xét độ mạnh yếu

của một liên kết theo quy tắc Badger:độ mạnh của một liên kết tương quan với tần số

và kiểu dao động, tức là nếu liên kết càng mạnh thì tần số dao động càng cao và ngược lại Phổ hồng ngoại của phân tử được thu thập bằng cách cho một chùm tia

hồng ngoại với một dải tần số được tính toán trước đi qua mẫu Một máy thu phổ hồng ngoại được đặt để thu những photon hồng ngoại sau khi đã đi qua mẫu Những vị trí có

cộng hưởng tức là những vùng mà tần số dao động của liên kết giống như tần số của photon hồng ngoại thì chúng sẽ hấp thụ năng lượng hồng ngoại Một sự hao hụt năng lượng sẽ được ghi nhận trên phổ hồng ngoại của phân tử Chúng ta phân tích vị trí, dạng và cường độ của các đỉnh trong quang phổ để kết luận về cấu trúc phân tử của mẫu

Chương 2 Các mẫu vật chất hữu cơ dùng

Trong quá trình nghiên cứu, người ta sử dụng những chất hữu cơ nhân tạo tương tự như vật chất trong môi trường liên sao Khảo sát sự tiến hóa của các chất ấy bằng cách chiếu xạ lên chúng các chùm ion tương tự tia vũ trụ, người ta có thể tìm hiểu quá trình tiến hóa của các vật chất trong môi trường liên sao Phổ hồng ngoại của mẫu đươc thu nhận lúc ban đầu cũng như trong suốt quá trình chiếu xạ cho đến khi kết thúc thí nghiệm Các thông số chiếu xạ được thiệt lập cho phù hơp với công việc mô phỏng, một số giá trị được tính toán mô phỏng bằng SRIM code

2.1Quá trình tạo mẫu

Những mẫu chất hữu cơ được sử dụng trong nghiên cứu được các nhà khoa học Pháp nghiên cứu và tạo ra trong phòng thí nghiệm Hai loại hợp chất hữu cơ khác nhau

đã được tạo ra ở Orsay, Pháp là: hydrogenated amorphous carbons (a-C:H hay HAC)

và bồ hóng (carbons soots)

Đối với mẫu a-C:H, người ta sản xuất nó bằng cách sử dụng hệ thống PECVD (Palasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition) Đầu tiên, một dạng vi sóng plasma của khí hydrocarbon ban đầu được tạo ra trong buồng chân không (áp suất được duy trì trong khoảng 10-2mbar) thông qua cặp van Evenson với một máy phát vi sóng có tần số 2.45 GHz Khí ga ban đầu được dùng là methane hoặc butadiene Những chất ban đầu và các ion từ chùm plasma được lắng đọng trên một lớp chất nền (KBr hoặc KCl) được đặt cách đó vài cm Quá trình xảy ra trong vài phút hoặc vài giờ tùy vào điều kiện làm thí nghiệm Cuối cùng người ta sẽ thu được một phim a-C:H dày vài micro mét Mẫu a-C:H gồm hai loại con là a-C:H 1 và a-C:H 2 Mẫu a-C:H 1 được sản xuất nhờ khí gas ban đầu là methane còn mẫu a-C:H 2 thì tổng hợp từ plasma của butadiene có bổ sung thêm argon Mẫu a-C:H 1 có màu vàng và mẫu a-C:H 2 có màu cam-nâu [10]

Một thí nghiệm khác ở Laboratoire de Photophysique Moléculaires (Orsay, Pháp) là Nanograins dùng để sản xuất mẫu bồ hóng Người ta dùng phản ứng đốt cháy không hoàn toàn một hỗn hợp giàu nhiên liệu được trộn sẵn với ngọn lửa ở áp suất thấp (70 mbar) để tạo những phân tử hydrocarbon đa vòng thơm và mẫu bồ hóng ba chiều [10] Hệ thống thí nghiệm đươc lắp đặt như hình 2.1, bao gồm một buồng phản ứng (reactor chamber) có đầu đốt (burner) làm từ thép không gỉ kiểu McKenna, làm việc ở áp suất 50 mbar và một buồng lấy mẫu (sampling chamber) hoạt động ở áp suất khoảng 10-2 mbar Buồng lấy mẫu này sẽ được trang bị một ống dẫn phân tử, nơi các sản phẩm của thí nghiệm sẽ được hình thành và đưa ra ngoài [18] Trong buồng phản ứng, người ta trang bị một đầu đốt có đường kính cỡ 60 mm dùng để tạo ra ngọn lửa ở

áp suất thấp, để đốt cháy một cách không hoàn toàn các hỗn hợp khí hydrocarbon trộn với oxy Đầu đốt này có thể di chuyển theo một trục nằm ngang, dùng để thay đổi khoảng cách của đầu đốt với một buồng nhiệt bằng đồng (thermalisation chamber) được đặt trong buồng lắng đọng (deposition chamber) Xung quanh đầu đốt này, người

ta phủ một tấm chắn nhằm tạo ra một cột khí trơ để che chắn cho dòng khí đốt [18]

Hỗn hợp khí là các hydrocarbon như acetylene C2H2, ethylene C2H4 hay propylene C3H6 được trộn sẵn với khí oxy và được đưa vào buồng phản ứng với vận tốc khoảng 3 đến 6 lmin-1 Hỗn hợp được đặt cách đầu đốt từ 0 đến 60 mm, tỉ số C/O được thay đổi trong khoảng 0.5 đến 2 Trong quá trình đốt, áp suất duy trì ở mức thấp khoảng 20 đến 100 mbar bằng cách sử dụng máy bơm Ngọn lửa được điều khiển để tạo ra sản phẩm nằm trong vùng muội than (soot), nhiệt độ duy trì khoảng 2000±500

K Những hình nón bằng thạch anh với đường kính lỗ ở đỉnh khác nhau (0.25, 0.75 và

1 mm) được sử dụng để lấy mẫu ra ngoài; phần này được làm mát bởi nước [18]

Những hạt bồ hóng vừa tạo ra sẽ được gửi qua một lớp chất nền là CsI hoặc KBr rồi cho vào vòi phun phân tử (molecular jet) ở cuối của buồng nhiệt nơi khí sẽ phun ra qua một vòi phun Mẫu thu được sẽ có độ dày cỡ 1 đến 3 µm được tập hợp từ

vô số các hạt bồ hóng li ti có hình cầu đường kính khoảng 10-30 nm Mẫu sản xuất ra

có màu đen, mật độ hiệu dụng là 0.45±0.25 g/cm3 và mật độ tính theo từng hạt đơn độc là khoảng 1.7 ± 0.5 g/cm3tùy theo bản chất của bồ hóng tạo ra [4]

Hình 2.1.Mô hình thí nghiệm tạo mẫu [18]

Những nghiên cứu được trình bày trong công trình này sử dụng mẫu bồ hóng được tạo ra từ thí nghiệm Nanograins Các mẫu bồ hóng tạo ra nhằm mục đích mô phỏng lại các hydrocarbon trong ISM Bồ hóng sản xuất ra được chia làm hai loại theo tiêu chí tỉ số hấp thụ Rarom=aromatic C-H/(aliphatic C-H + aromatic C-H) [4] Các mẫu

bồ hóng có tỉ số Rarom trong khoảng 0.05 đến 0.8 Người ta gọi các mẫu bồ hóng có

Rarom> 0.6 là "aromatic-rich soot" và Rarom< 0.3 là " aliphatic-rich soot" [4] Trong công trình này, mẫu hỗn hợp của hai mẫu này được dùng để chiếu xạ

Như vậy, các thí nghiệm đã tạo ra được hai loại hydrocarbon có tính chất khác nhau được dùng trong nghiên cứu ISM - mẫu a-C:H và mẫu bồ hóng Các mẫu a-C:H

và bồ hóng sử dụng để thí nghiệm có tỉ số H/C là 0.1 và 0.01, mật độ là 1.2 và 1.8 gcm-3[10], và hệ số khúc xạ là 1.4 [9] và 1.7 [2] Do sự khác biệt về cấu trúc hóa học của các loại mẫu nên phổ hồng ngoại của chúng thu được cũng khác nhau

Hình 2.2.Phổ hồng ngoại của mẫu a-C:H 1, a-C:H 2 và bồ hóng[10]

Dựa vào phổ hồng ngoại của các mẫu (hình 3.1) ta thấy rằng phổ hồng ngoại của mẫu được chia thành các vùng khác nhau Dao động kiểu nén-giãn (stretching mode) thể hiện trong khu vực giữa 2800 và 3100 cm-1, dao động kiểu biến dạng uốn (bending mode) trong khoảng 1300 và 1500 cm-1 Xung quanh vị trí 1600 cm-1tương ứng với kiểu nén-giãn của liên kết C=C (sp2), còn từ 1000 đến 1500 cm-1là kiểu nén giãn của C-C (sp3) có đóng góp một phần của C=C (sp2) Khu vực dưới 1000 cm-1 là kiểu biến dạng uốn rời khỏi mặt phẳng (out-of-plane) của C-H Một vị trí nhiễu oxy nhỏ được quan sát thấy ở vị trí 1700 cm-1 thông qua liên kết C=O, nguyên nhân là do xảy ra trong quá trình làm thí nghiệm hoặc quá trình phân tích sau đó [10]

Hình 2.3.Các vùng dao động của hợp chất hydrocarbon

Mẫu a-C:H 1 có sự hydro hóa cao, chúng tạo thành các vật chất mạch nhánh (aliphatic) dùng để tái tạo lại phổ hồng ngoại của môi trường khuếch tán liên sao rất phù hợp Mẫu a-C:H 2 có cấu trúc khác hẳn với nhiều liên kết olefin hơn, có tỉ lệ lai hóa sp2/sp3 cao, hàm lượng hydro và khe quang học (optical gap)nhỏ hơn loại 1 [10]

Mẫu bồ hóng gồm các đơn vị thơm đa phân tử (polyaromatic) liên kết với nhau qua một cầu nối nhánh (aliphatic bridge) [10] Các mẫu bồ hóng có một sự hấp thụ liên tục do sự dịch chuyển electron nhưng mẫu a-C:H thì không Mẫu bồ hóng dùng để tái tạo những chất PAH thơm (Polyciclic aromatic hydrocarbon) tương tự với pha carbon thơm của bụi khí liên sao sẽ được nghiên cứu ở phần sau

2.2Quá trình chi ếu xạ mẫu và thu phổ hồng ngoại

Sau khi sản xuất được các chất hữu cơ mô phỏng môi trường liên sao; các mẫu này sẽ được đem đi chiếu xạ bằng các chùm ion tương tự tia vũ trụ Quá trình chiếu xạ ion lên mẫu được thiết lập ở nhiệt độ phòng Mẫu được chiếu với các chùm ion khác nhau và ở nhiều mức năng lượng Trong quá trình chiếu xạ, mẫu được đặt trong buồng chân không (10-7 mbar) và đối diện với chùm ion hoặc lệch một góc αtùy vào điều kiện thiết lập ban đầu

Các mẫu được chiếu xạ ở nhiều phòng thí nghiệm khác nhau với các chùm ion được gia tốc theo yêu cầu Các chùm ion được dùng để chiếu xạ ở Tandem accelerator

of the Institut de Physique Nucléaire in Orsay (Pháp) vào tháng ba năm 2009 gồm có các ion: H+: 10 MeV, C5+: 50 MeV, Si7+: 85 MeV và Ni9+: 100 MeV; và vào tháng hai năm 2010 là He2+: 20 MeV , C6+: 91 MeV và I12+: 160 MeV Một số thí nghiệm chiếu

xạ ở năng lượng thấp hơn được thực hiện ở INAF-Catania, Italy (the Laboratory for Experimental Astrophysics) vào tháng mười năm 2007 và tháng 2 năm 2009 với chùm ion H+: 200 keV, He+: 200 keV và Ar2+: 400 keV Các mẫu ở Orsay được chiếu xạ trên một vùng đường kính 5 mm và ở Catania là 1.5 cm [10]

Các thí nghiệm chiếu xạ ở Tandem và Catania có cùng điều kiện thí nghiệm là mẫu được đặt trong buồng chân không (khoảng 10-7mbar) Phổ hồng ngoại của chúng được thu bằng một phổ kế Bruker vector 22FTIR; thời gian thu phổ khoảng 5 đến 10 phút [10]

Khác biệt cơ bản giữa thí nghiệm của hai cơ sở này là ở Tandem người ta đặt mẫu đối diện với chùm ion chiếu Chùm tia hồng ngoại thu được có hướng lệch một góc 45 độ so với bề mặt mẫu và phổ thu được trong khoảng 6000 đến 600 cm-1 với độ phân giải cỡ 2 cm-1 Còn ở Catania thì cả chùm ion chiếu tới và tia hồng ngoại phát ra đều lệch góc 45 độ so với bề mặt mẫu và phổ thu được trong khoảng 8000 đến 400 cm-

1; và độ phân giải là 1 cm-1[10]

Phổ hồng ngoại của các mẫu bồ hóng được chiếu xạ ở Tandem, Orsay vào tháng 3, 2009 dưới các chùm ion: C5+: 50 MeV, Si7+: 85 MeV và Ni9+: 100 MeV sẽ được sử dụng làm dữ liệu để phân tích và xử lý trong công trình này

2.3 Các thông số chiếu xạ

Đối với các chùm tia chiếu tới khác nhau ta có những thông số chi phối khác nhau Cụ thể là ta có thể tính toán tiết diện hãm S= Se + Sn[10] Với S là tiết diện hãm,

Se và Sn là tiết diện hãm điện tử và tiết diện hãm hạt nhân Tiết diện hãm điện tử Selà tỉ

số năng lượng mà ion gửi đến các electron của bia khi nó đi xuyên qua mẫu (dE/dx) và mật độ của bia [10] Tiết diện hãm điện tử chiếm ưu thế hơn tiết diện hãm hạt nhân đối với những chùm ion tốc độ cao, như trong trường hợp của tia vũ trụ [10]

𝑆𝑆𝑒𝑒 =𝑑𝑑𝑑𝑑/𝑑𝑑𝑑𝑑𝜌𝜌 =𝑑𝑑𝑑𝑑/𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚𝑚/𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝑑𝑑𝑑𝑑/𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝑑𝑑𝑑𝑑/𝑑𝑑𝑆𝑆𝑚𝑚 (2.3.1)

Các thông số chiếu xạ được tính toán bằng mã SRIM (the Stopping and Range

of Ions in Matter) [20] và được trình bày trong bảng 2.2 và 2.3

Bảng 2.1 liệt kê các chùm ion khác nhau có năng lượng khác nhau được dùng ở Tadem và Catania Thông lượng dòng ion trong quá trình thí nghiệm ΦIvà thông lượng năng lượng tương ứng là ΦE Các giá trị FI,maxvà $ FE,max tương ứng với mật độ dòng ion cực đại ( từ 1012 đến 1016 ions cm-2) và mật độ dòng năng lượng cực đại và đạt được trong vài giờ chiếu xạ Thông lượng ion dùng trong thí nghiệm cỡ 1010 ions cm-

2

s-1 Trung bình mỗi mẫu nhận khoảng 109 đến 10 MeVmg-1

s-1 và năng lượng toàn phần khoảng 1014đến 1016 MeVmg-1s-1

Bảng 2.1 Các thông số chiếu xạ của mẫu vật chất mô phỏng môi trường liên

sao[10]

Bảng 2.2.Các thông số tiết diện hãm ứng với mẫu bồ hóng được chiếu xạ với

các ion khác nhau và n ăng lượng khác nhau tương ứng

Material C/H Ion Energy (MeV) SE (MeV/(mg/cm2)) SN (MeV/(mg/cm2))

Bảng 2.3.Thông số về mật độ dòng ion F I và mật độ năng lượng gửi qua F E

tương ứng với các chùm ion chiếu xạ lên mẫu

FI (ion/cm2) FE (MeV/mg) FI (ion/cm2) FE (MeV/mg) FI (ion/cm2) FE (MeV/mg)

4.0E+13

9.09E+14 1.58E+15

Trong quá trình thí nghiệm, người ta cố gắng sao cho tránh làm nóng mẫu khi chiếu xạ Theo ước tính thì mẫu sẽ tăng nhiệt độ cỡ 5 - 10 K, điều này hoàn toàn chấp nhận được trong khuôn khổ thí nghiệm [10] Trong thực tế thì quá trình chiếu xạ ngoài

vũ trụ diễn ra trong thời gian rất dài - hàng ngàn đến hàng triệu năm; việc này xảy ra trong thí nghiệm mô phỏng thì nhanh hơn rất nhiều, tối đa khoảng vài giờ Việc làm nóng mẫu là không tránh khỏi nhưng có thể chấp nhận trong một giới hạn nhất định

Chương 3 Sự ảnh hưởng của tia bức xạ vũ

Những mẫu hydrocarbon được sản xuất trong phòng thí nghiệm sẽ được dùng như những chất mô phỏng môi trường liên sao Việc chiếu xạ và thu phổ hồng ngoại của chúng sẽ giúp cho việc nghiên cứu sự tiến hóa của vật chất trong môi trường liên sao Những phổ hồng ngoại thu được sẽ được xử lý và trích xuất các thông số thể hiện thông tin cũng như quá trình tiến hóa của vật chất ngoài vũ trụ

3.1 Quá trình xử lý số liệu

Những phổ hồng ngoại thu được từ thí nghiệm sẽ được chia làm ba phần chính

để phân tích: vùng 1 từ 3400 cm-1đến 2650 cm-1là vùng biến dạng nén dãn (stretching) của liên kết C-H; vùng 2 từ 1850 cm-1 đến 980 cm-1là vùng biến dạng uốn (bending) của liên kết C-H và biến dạng nén dãn của liên kết C=C; vùng 3 từ 980 cm-1 đến 700

cm-1là vùng biến dạng lệch khỏi mặt phẳng (out-of-plane) của liên kết vòng thơm CH (xem bảng 3.1, 3.2 và 3.3)

Những dữ liệu chiếu xạ thu được từ phổ hồng ngoại của thí nghiệm sẽ được xử

lý theo từng vùng bằng cách tách một vùng rộng thành các đỉnh phổ đơn độc ứng với từng vị trí đỉnh cụ thể được trình bày dưới đây:

Hình 3.1.Phổ hồng ngoại thu được từ thí nghiệm với mẫu bồ hóng được chiếu

xạ bằng các chùm ion C 5+ 50 MeV, Si 7+ 85 MeV, Ni 9+ 100 MeV với các thông lượng ion khác nhau, ở Tandem, Pháp vào tháng 3, 2009

Sau đây, các phổ hồng ngoại của các vùng và ứng với các ion có năng lượng và thông lượng khác nhau đã thông qua xử lý sẽ được trình bày bên dưới theo mỗi vùng chiếu xạ riêng biệt Các ion dùng trong thí nghiệm chiếu xạ là C5+

50 MeV, Si7+ 85 MeV, Ni9+ 100 MeV Bằng cách sử dụng phần mềm vẽ và xử lý đồ thị Origin pro 9.0; các đỉnh phổ đã được làm khớp và tách riêng để có thể tính toán diện tích đỉnh Mỗi vị trí đỉnh trong từng vùng ứng với các vị trí có liên kết phân tử dao động theo những kiểu riêng biệt Sự tăng lên hoặc suy giảm diện tích đỉnh cho thấy sự thay đổi của các liên kết phân tử ứng với đỉnh đó; dựa vào điều này ta có thể khảo sát sự tiến hóa của mẫu chiếu xạ theo từng loại ion chiếu và với những năng lượng khác nhau từ đó có thể tìm hiểu quá trình phát triển của các chất hữu cơ tương tự trong môi trường liên sao Tất cả các dữ liệu về vị trí đỉnh, bề rộng một nửa và diện tích từng đỉnh được trình bày trong phụ lục (xem phụ lục B, C, D)

Bảng 3.1.Các kiểu biến dạng nén dãn của liên kết CH trong vùng 1[5]

Hình 3.2.Phổ hồng ngoại vùng 1 của bồ hóng chiếu xạ bởi ion C 5+ 50 MeV với những thông lượng ion khác nhau

Các phổ được thể hiện trên cùng thang đo để thể hiện sự thay đổi