Irène Joliot-Curie và “quá tam ba bận” với giải Nobel

Irène Joliot-Curie(12.9.1897-17.3.1956)

1/ Tuột cơ hội đạt giải Nobel lần đầu khi nhầm hạt nơtron là tia gamma (nghiên cứutiến hành vào năm 1931)

            Năm 1930 hai nhà vật lý hạt nhân Walther Bothe và Herbert Becker ở Đức đã phát hiện ra rằng khi bắn phá các nguyên tố nhẹ như beri (Be), bo (Bo), flo (F), liti (Li) bằng hạt alpha phát ra từ nguồn phóng xạ poloni (Po), một bức xạ mới có độ xuyên thấu cao đã được tạo ra. (Walther Bothe đạt giải Nobel vật lý năm 1954). Họ quan sát thấy rằng bức xạ tạo ra từ bắn phá Be là mạnh nhất. Do là tia này không bị lệch hướng trong từ trường hay điện trường (nghĩa là nó là tia trung tính (không chứa điện tích)), và có độ xuyên thấu cao, nên họ suy luận là đó có thể là tia gamma năng lượng cao. (Hạt alpha là hạt nhân của nguyên tử heli (He-4). Tia gamma hoặc bức xạ gamma là một bức xạ điện từ có tần số cực cao.)

            Một năm sau, cặp vợ chồng Joliot-Curie tiến hành đo sự hấp thụ của bức xạ thứ cấp mới này phát ra từ beri, bằng cách đặt nhiều lá vật liệu khác nhau giữa mẫu beri và buồng đo (là buồng ion hóa). Lúc đó họ sở hữu nguồn phóng xạ poloni mạnh nhất thế giới. (Nguồn poloni của Joliot-Curie là do Marie Curie khám phá và phân tách được.) Họ nhận thấy rằng tia bức xạ xuyên thấu qua lá chì (Pb) dày gấp 3 lần so với tia gamma phát xạ từ nguồn phóng xạ. Tháng 12 năm 1931, họ quan sát thấy rằng bức xạ từ beri phát ra khi chiếu vào sáp parafin, hoặc bất kỳ hợp chất chứa hydro nào khác, sẽ làm các prôton có năng lượng cao (E=5.3 MeV, với vận tốc bằng 10% vận tốc ánh sáng) phát ra. Họ đã không giải thích đúng được hiện tượng này, khi nghĩ rằng các prôton này bị bật ra bởi tia gamma. Theo tính toán dựa trên định luật bảo toàn động năng và năng lượng, tia gamma của họ phải có năng lượng cao không tưởng, cỡ 50 MeV, hoàn toàn không phù hợp với kết quả thực nghiệm là 10.6 MeV. Tuy nhiên, vì chỉ dựa vào ý tưởng sai lầm là tia bức xạ xuyên thấu mới này là tia gamma, họ còn đưa ra giả định về „một cách thức mới trong tương tác của bức xạ với vật chất”.

            Jame Chadwick khi đó làm việc tại phòng thí nghiệm nổi tiếng Cavendish do Ernest Rutherford làm giám đốc. (Rutherford đạt giải Nobel hóa học năm 1908. Năm 1919 Rutherford phát hiện ra prôton. Năm 1920 ông đề xuất về „hạt trung tính”có thể làm khối lượng của hạt nhân tăng lên gấp đôi mà điện tích của nó không đổi. Năm 1921 trong hội nghị Solvay, Rutherford cũng đã gọi hạt trung tính này là „nơtron”). Chadwick cùng đồng nghiệp cũng đã tiến hành các thí nghiệm phân rã các nguyên tố nhẹ bằng bức xạ alpha từ poloni. Nhóm Chadwick cũng đã phát triển các phương pháp hiệu quả hơn để phát hiện, đếm và ghi lại các prôton bị đẩy ra. Ngay từ đầu khi biết kết quả của Joliot-Curie, Rutherford và Chadwick đã không tinlà tia gamma đủ mạnh để có thể đẩy bật ra được prôton. Chadwick lặp lại thí nghiệm của nhóm Paris, sử dụng beri tạo ra bức xạ thứ cấp để chiếu vào parafin. Ông đã xác định được các prôton bị bắn ra bởi những hạt có khối lượng tương tự prôton nhưng không có điện tích. Khi chuyển đổi sang đơn vị năng lượng thì giá trị năng lượng là 5,7 MeV, phù hợp với giá trị xác định từ thực nghiệm. Đó chính là nơtron. Chadwick đãđạt giải Nobel vật lý vào năm 1935 cho „ phát hiện ra nơtron”. Kết quả của Chadwick về nơtron có ý nghĩa rất quan trọng khi đã phát hiện ra một hạt cơ bản mới của các nguyên tử và phân tử.

            Phản ứng tạo nơtron được minh họa như sau:

Phản ứng tạo nơtron. Bên trái là phản ứng ‘đúng’ của Chadwick: hạt nortron (n) với khối lượng theo đơn vị nguyên tử (1) và điện tích (0) đã đánh bật hạt prôton khỏi parafin. Bên phải là phản ứng ‘sai’ của Joliot-Curie: họ suy luận là tia gamma, thay vì nơtron.

Như vậy vợ chồng Joliot-Curie đã có những bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về nơtron. Nếu họ giải thích đúng được kết quả thực nghiệm của chính họ, thì họ đã đạt giải Nobel cho phát hiện ra nơtron. Nhưng họ đã tuột mất thời cơ.

2/ Tuột cơ hội đạt giải Nobel lần thứ hai vì nhầm positron là prôton (nghiên cứu tiến hành vào năm 1932)

            Positron là phản hạt (hoặc phản vật chất) của điện tử (electron), có cùng khối lượng với điện tử, có giá trị điện tích bằng điện tử nhưng mang dấu dương.

            Carl David Anderson đã phát hiện ra positron vào ngày 2 tháng 8 năm 1932, trong khi nghiên cứu các thành phần của tia vũ trụ đi qua buồng sương mù (cloud chamber) và một tấm chì. Một nam châm bao quanh thiết bị này sẽ cho phép xác định điện tích của các hạt là dương hay âm, khi quĩ đạo của các hạt bị lệch/cong trong từ trường với các độ cong khác nhau và theo chiều hướng khác nhau phụ thuộc vào giá trị và dấu điện tích của chúng. Trong hàng trăm tấm ảnh ghi nhận, Anderson đã xác định được một „hạt mới” có quĩ đạo cong phù hợp với tỷ lệ khối lượng-điện tích của một điện tử, chỉ khác là chiều cong của nó theo hướng ngược lại với chiều cong của quĩ đạo điện tử, thể hiện điện tích của hạt mới này phải là dương. Anderson đã đạt giải Nobel vật lý năm 1936 về „khám phá ra positron”. Anderson không tạo nên thuật ngữ „positron”, nhưng ông đã đồng ý dùng nó theo gợi ý của biên tập viên-người mà ông đã gửi bài báo để đăng trong tập chí vật lý (Physical Review) cuối năm 1932.

            Trước đó, vào tháng 4 năm 1932, từ những nghiên cứu có hệ thống về phóng xạ, vợ chồng Joliot-Curie cũng đã ghi nhận được quĩ đạo của các „điện tử dương tích” bí ẩn (2). Tuy nhiên họ lại rút ra một kết luận sai. Họ suy luận là quĩ đạo cong theo hai hướng khác nhau là vì do hai loại điện tử có cùng điện tích âm nhưng chúng di chuyển theo hai hướng khác nhau, một là các điện tử di chuyển ‘đến nguồn’ và hai là các điện tử di chuyển ‘từ nguồn’. Họ không giải thích tại sao lại có thể tồn tại các hạt di chuyển đến nguồn, tức là các hạt điện tử từ bên ngoài mà lọt được vào buồng đo. Thực tế là những hạt ‘đến nguồn’ này chính là positron mà cũng di chuyển từ nguồn như điện tử, nhưng vì là nó mang điện tích dương nên quĩ đạo cong ngược lại so với hướng của điện tử.

Kết quả thực nghiệm của Joliot-Curie (trái) khi nguyên cứu về phóng xạ và của Anderson (phải) khi nghiên cứu tia vũ trụ, ghi nhận quĩ đạo của „điện tử dương tích” (positron). Kết quả của Anderson cho thấy rõ là positron đi vào từ phía dưới, đập vào tấm chì ở giữa và bị mất năng lượng nên phần quĩ đạo của nó ở phía trên tấm chì có độ cong lớn hơn.

Vợ chồng Joliot-Curie đã nhận được bằng chứng tồn tại của positron trước cả Anderson. Một lần nữa, họ đã không phân tích đúng kết quả thực nghiệm của họ, nên đã bỏ lỡ cơ hội khám phá ra positron và tuột mất cơ hội lần thứ hai đạt giải Nobel.

3/ „Quá tam ba bận”: đạt giải Nobel hóa học năm 1935 về tạo ra đồng vị phóng xạ nhân tạo (thực nghiệm thực hiện năm 1934)

            Gạt bỏ sự thất vọng sang một bên sau hai lần tuột mất cơ hội đạt giải Nobel, vợ chồng Joliot-Curietiếp tục tiến hành các nghiên cứu mới dựa trên việc sử dụng các hạt alpha phát xạ bởi nguyên tố phóng xạ poloni.

            Vào giữa tháng 1 năm 1934, họ nhận thấy rằng lá nhôm bị bắn phá bởi các hạt alpha đã phát ra nơtron và positron. Các nơtron chỉ được phát ra trong suốt quá trình bắn phá lá nhôm, đúng như dự đoán của họ. Điều khiến họ ngạc nhiên là sự phát xạ của positron vẫn tiếp diễn rất lâu cả sau khi đã ngừng bắn phá lá nhôm. Đây là một bằng chứng là một nguyên tố phóng xạ mới đã được tạo ra. Ngay lập tức, Frédéric và Irène đã thực hiện các phân tích cẩn thận và đã xác định được rằng sự bắn phá bằng hạt alpha đã làm nguyên tử nhôm bền (có số nguyên tử là 27 (Al-27)) chuyển đổi thành nguyên tử phốt pho phóng xạ (P-30), một đồng vị của phốt pho với chu kỳ bán rã 150 giây mà không tồn tại trong tự nhiên. Đó là nguyên tử phóng xạ nhân tạo đầu tiên đã được tạo ra. Phốt pho phóng xạ sau đó trải qua phân rã, phát xạ positron trở thành đồng vị nhân tạo bền của silíc (Si-30). Bằng chứng về nguyên tố phóng xạ mới đã được Joliot-Curie trình bày tại Viện hàn lâm Khoa học Pháp vào ngày 19 tháng 1 năm 1934.

            Phản ứng tạo đồng vị của phốt pho từ nhôm được minh họa dưới đây:

Nguyên tố nhôm (Al) khi bị bắn phá bằng hạt alpha sẽ được chuyển đổi thành đồng vị phóng xạ phốt pho (P) cùng với phát xạ ra nơtron. Phốt pho sau đó trải qua quá trình phân rã positron trở thành đồng vị nhân tạo của Silic (Si).

Họ tiếp tục khám phá ra đồng vị phóng xạ nhân tạo của nitơ từ bo, của silíc từ magiê. Bài báo của họ về đồng vị phóng xạ được xuất bản năm 1934. Joliot-Curie không phải là các nhà giả kim đầu tiên. Người đầu tiên đã chuyển đổi một nguyên tố này thành nguyên tố khác bằng cách bắn phá hạt nhân nguyên tử bằng hạt alpha là Rutherford vào năm 1919. Nhưng Rutherford chỉ biến một nguyên tố đã biết thành nguyên tố khác đã biết (biến nitơ thành ôxy). Thành công của vợ chồng Joliot-Curie ở chỗ là đã tạo ra được nhiều nguyên tố phóng xạ nhân tạo mới, không tồn tại trong tự nhiên.

Tóm tắt của bài báo của vợ chồng Joliot-Curie đăng trên Journal de Physique. Radium 5 (1934), trang 153-156.

Khám phá của Joliot-Curie có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Thời kỳ đó, không chỉ trong nghiên cứu khoa học, ứng dụng của vật liệu phóng xạ trong y học và công nghiệp đang phát triển mạnh. Khám phá của họ đã mở đường cho việc tạo ra các vật liệu phóng xạ (nhân tạo) một cách nhanh chóng, rẻ tiền và với số lượng lớn.

Ngay sau khi phát hiện ra nguyên tố phóng xạ phốt pho, Frédéric Joliot đã nói ngay với sinh viên của ông „Với nơtron, chúng tôi đã quá muộn. Với positron, chúng tôi cũng đã quá muộn. Bây giờ chúng tôi chớp được đúng thời cơ!” (đạt giải Nobel). Vợ chồng Joliot-Curies đã đạt được giải Nobel  hóa học năm 1935 về „tổng hợp các nguyên tố phóng xạ mới”. Vậy là quá tam ba bận, đến cơ hội lần thứ 3 họ mới đạt được giải Nobel.

4/ Lẽ ra Irène Joliot-Curie còn đạt thêm một giải Nobel nữa nếu đủ quyết đoán lantan chính là lantan (nghiên cứu thực hiện vào năm 1937)

            Sau phát hiện nơtron của Chadwick, Enrico Fermi (đạt giải Nobel vật lý năm 1938) là người đầu tiên nhận ra vai trò quan trọng của nơtron như một phương tiện để tạo ra các phản ứng hạt nhân: các nơtron không có điện tích nên có thể tiếp cận hạt nhân nguyên tử mà không bị cản trở bởi lực cản Coulomb. Ông và đồng nghiệp ở Roma là những người đầu tiên tiến hành các thí nghiệm bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (U) với hạt nơtron. Urani là nguyên tố có số hiệu (số nguyên tử hay số điện tích) cao nhất (Z=92) được tìm thấy trong tự nhiên thời bấy giờ. Fermi nghĩ rằng khi bắn phá hạt nhân urani bằng hạt nơtron, hạt nhân urani sẽ hấp thụ nơtron này và chuyển đổi thành các nguyên tố gọi là ‘siêu urani’ (các nguyên tố nặng hơn urani (transuranic elements)), tức là các nguyên tố có số hiệu lớn hơn số hiệu của urani (tức là nguyên tố với Z>92). Lúc bấy giờ không một ai có thể tiên đoán ra được hiện tượng phân hạch hạt nhân, vì không một ai có thể nghĩ tới khả năng là một nguyên tố bền và nặng như urani (với khối lượng nguyên tử là 235-238, số hiệu nguyên tử (số điện tích) là Z=92) lại có thể bị hạt nơtron ‘bé nhỏ’ (khối lượng nguyên tử là 1, điện tích bằng không) phá vỡ và bị phân tách thành những nguyên tố chỉ nhẹ bằng một nửa urani (chẳng hạn nguyên tố bari với Z=56). Các nhà vật lý học bỏ qua hoàn toàn giả thiết của Ida Noddak-một nhà hóa học về khả năng phân hạch của urani, nêu trong bài báo của bà vào năm 1934.

            Trong giai đoạn 1935-1938, nhóm của Irène Julliot-Curie tại Viện Radium ở Paris đã nghiên cứu đặc tính hóa học của các sản phẩm phóng xạ từ bắn phá urani và thori bằng nơtron. Cuối năm 1937, nhóm ở Paris đã tìm thấy nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã 3,5 giờ. Tháng 3 năm 1938 Irène xác định được là nguyên tố này có hoạt tính như lantan. Trong bài báo xuất bản tháng 8 năm 1938, bà viết: „…nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã là 3,5 giờ có các đặc tính hóa học tương tự như của đất hiếm…. Có vẻ là nó không phải là nguyên tố siêu urani vì nó có đặc tính rất khác với các nguyên tố siêu urani đã biết”. Nhưng vì Irène Curie không nghĩ tới khả năng về nguyên tố nhẹ là một sản phẩm phân hạch nên đã không hiểu rằng nguyên tố được phát hiện thực sự chính là lantan-một nguyên tố thuộc nhóm đất hiếm, là nguyên tố ở giữa bảng tuần hoàn (Z=57). Irène Curie lại coi nó thuộc nhóm các nguyên tố siêu urani (Z>92) nhưng hàm chứa các đặc tính bất thường (là bởi vì nó có đặc tính hóa học tương tự lantan). Trong bài báo xuất bản tháng 10 năm 1938, bà mô tả: „ ... các hoạt tính của nguyên tố (có thời gian bán rã) 3,5 giờ là của lantan…Nếu nó là nguyên tố siêu urani thì nó phải chứa một số đặc tính dị thường trong tính chất hóa học”.

Nếu Irène Curie tin tưởng vào kết quả của mình, và quyết đoán khẳng định là đã phát hiện ra lantan, thì bà đã trở thành người đầu tiên phát hiện ra sản phẩm phân hạch hạt nhân. Otto Hahn và Fritz Strassmann ở Berlin đã phát hiện ra bari (Z=56) là sản phẩm phân rã của urani (Z=92) vào cuối năm 1938. Dù biết là đi ngược lại mọi suy đoán và sự hiểu biết của rất nhiều nhà vậy lý nổi tiếng cũng như toàn bộ thành tựu của vật lý hạt nhân lúc đó, đặc biệt là đi ngược lại sự tin tưởng thịnh hành lúc bấy giờ về các nguyên tố siêu urani, nên bản thân Hahn cũng không dám tin là hạt nhận urani có thể bị phân tách. Tuy nhiên Hahn vẫn tin tưởng tuyệt đối vào kết quả phân tích hóa học của mình. Bài báo khẳng định sản phẩm phân rã của urani chính là bari được xuất bản vào tháng 1 năm 1939. Hahn đã đạt giải Nobel về hóa học năm 1944 cho phát hiện phân hạch hạt nhân.

 Irène Curieđã lập lại đúng như con đường của mẹ bà đã đi: kết hôn với một nhà khoa học và cùng chồng đạt giải Nobel. Marie Curie là nhà khoa học nữ duy nhất đạt hai giải Nobel. Irène cũng là nhà khoa học nữ duy nhất cho tới hiện nay có cơ hội đạt hai giải Nobel, lập lại thành công của chính mẹ mình. Nhưng bà đã để tuột mất cơ hội đạt giải Nobel lần thứ hai về phát hiện sản phẩm phản ứng phân hạch.

Tài liệu tham khảo:

https://www.sciencehistory.org/historical-profile/irene-joliot-curie-and-frederic-joliot

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1935/summary/

Ảnh: Internet. Minh họa phản ứng hóa học của tác giả.