Leo Szilard, đèn giao thông và phản ứng hạt nhân dây chuyền

  Leo Szilard (1898-1964)

Năm 1933 Szilard chuyển tới London để tránh khỏi chế độ Đức quốc xã. Ông đọc bài báo đăng trên tờ Thời đại (Time) ngày 12 tháng 9 năm 1933, tóm tắt lại bài phát biểu của Ernest Rutherford trong cuộc họp của Hiệp hội khoa học Anh có tựa đề „Phá vỡ nguyên tử”, đề cập đến phản ứng chuyển đổi hạt nhân nguyên tử và giải phóng năng lượng. (Rutherford là nhà vật lí người New Zeeland đưọc coi là cha đẻ của vật lý hạt nhân, ông đạt giải Nobel Hóa học năm 1908). Szilard đã hồi tưởng lại rằng khái niệm về phản ứng dây chuyền hạt nhân dựa trên nơtron đột nhiên nảy ra trong đầu ông, trong lúc nghiền ngẫm bài giảng của Rutherford trong khi đi dạo trên đường phố London. Ông nhớ lại: „Tôi nhớ rằng tôi đã dừng lại vì đèn tín hiệu đỏ ở ngã tư Holborn và Southampton Row. Khi đèn chuyển sang màu xanh, một ý tưởng này ra rằng nếu chúng ta có thể tìm thấy một nguyên tố bị phân tách khi nó hấp thụ một nơtron mà sẽ phát xạ ra hai nơtron, thì nó có thể phát sinh phản ứng hạt nhân dây chuyền. Lúc đó tôi cũng chẳng biết ai sẽ tìm được một nguyên tố như vậy, hay những thí nghiệm nào sẽ là cần thiết, nhưng ý tưởng đó không bao giờ rời khỏi tôi. Trong một số điều kiện nhất định, có thể duy trì được phản ứng hạt nhân dây chuyền, giải phóng năng lượng ở quy mô công nghiệp và chế tạo bom nguyên tử”. (Câu chuyện này chắc có chứa yếu tố hư cấu, vì theo bạn bè và đồng nghiệp, Szilard chả bao giờ dừng lại trước đèn đỏ (giao thông) cả.)

Ông đã đăng ký sáng chế ý tưởng phản ứng hạt nhân dây chuyền dựa trên nơtron tại văn phòng Bằng sáng chế Luân Đôn. Một bằng đăng ký vào ngày 12 tháng 3 năm 1934, một bằng vào ngày 28 tháng 6 năm 1934 (với số hiệu 440.023 và 630.726). Cả hai bằng đều dưới cùng tiêu đề: “Cải tiến hoặc liên quan đến sự chuyển đổi các nguyên tố hóa học”.

Trang thứ nhất của hai bằng sáng chế của Szilard năm 1934.

Bằng đầu tiên liên quan đến các phương pháp thu được nơtron khởi đầu và sự chuyển đổi hạt nhân bởi từng nơtron riêng lẻ. Ý tưởng về hiện tượng nổ (do năng lượng được giải phóng theo cấp số nhân) thu được từ phản ứng dây chuyền được trình bày trong bằng thứ hai. Tháng 3 năm 1936, vì muốn giữ bí mật, ông đã nhượng lại phát minh này cho Hải quân Hoàng gia Anh. Bằng sáng chế của ông đã được giữ bí mật trong suốt 13 năm và rồi cũng đã được công bố vào ngày 28 tháng 9 năm 1949.

Ý tưởng cơ bản của ông như sau „Phản ứng dây chuyền tạo nên bởi nơtron có thể được thực hiện với các nguyên tố giả bền. Nguyên tố này hấp thụ một nơtron riêng lẻ, sau đó bị phân rã, năng lượng được giải phóng và hai nơtron được phát xạ. Rất có khả năng (dù không phải là lớn nhưng không hoàn toàn là số không) là bom chế tạo theo cơ chế này có hiệu quả gấp hàng nghìn lần so với bom thông thường”. Ông cũng đưa ra một khái niệm quan trọng về khối lượng tới hạn mà khi đó ông gọi là độ dày tới hạn. Cụ thể là, vật liệu phản ứng phải có khối lượng vượt quá khối lượng tới hạn để có lượng nơtron dư được giải phóng mà sẽ kích thích các hạt nhân khác thực hiện phân hạch mới và tạo ra phản ứng dây chuyền (số lượng nơtron tạo ra trong phản ứng phải lớn hơn số lượng nơtron thất thoát khỏi vật liệu). Phản ứng của Szilard được viết một cách ngắn gọn là phản ứng  n --> 2n (một nơtron bị hấp thụ sẽ giải phóng 2 nơtron).

Ông đề xuất nguyên tố berili (Be) cho phản ứng dây chuyền. Be có khối lượng nguyên tử là 9 (Be-9), khi hấp thụ một nơtron, sẽ tạo nên đồng vị Be-8 và phát xạ ra hai nơrtron, và Be-8 sẽ bị phân rã ngay lập tức thành hai hạt nhân He-4. Tuy nhiên, dùng berili là một ý tưởng sai lầm. Tất nhiên phản ứng này có thể xảy ra, nhưng thay vì giải phóng năng lượng (phản ứng tỏa nhiệt), nó tiêu thụ năng lượng (phản ứng hấp thụ nhiệt). Lý do là tính toán của ông dựa trên các giá trị không chính xác của khối lượng nguyên tử đo được vào thời kỳ đó.

Szilard đã thử thực hiện phản ứng hạt nhân dây chuyền với nhiều nguyên tố khác nhau, tuy nhiên ông đã không thử nghiệm với nguyên tố urani. Ông tìm kiếm trong vô vọng phản ứng n --> 2n.  

Tháng 1 năm 1939, tin tức về sự phân hạch hạt nhân urani được loan truyền rộng rãi trên toàn thế giới. Rất nhiều nhà vật lý sớm nhận ra ngay khả năng của phản ứng dây chuyền khi dùng nguyên tố urani. Các nơtron dư thừa trong hai mảnh sản phẩm phân hạch sẽ phải được phát xạ và những nơtron này có khả năng tạo ra các phản ứng phân hạch tiếp theo cấp số nhân và tạo nên sự bùng nổ về giải phóng năng lượng.

Tháng 3 năm 1939, trong phòng thí nghiệm Pupin tại trường Đại học Columbia (New York. Mỹ), nhóm của Szilard đã quan sát thấy „sự phát xạ tức thời của nơtron nhanh” trong quá trình phân hạch urani. Nhóm của Erico Fermi (nhà vật lý Ý đạt giải Nobel vật lý năm 1938) tiến hành thí nghiệm độc lập với nhóm Szilard cũng đã quan sát được hiện tượng này. (Fermi và Szilard đã đến Mỹ từ năm 1938). Szilard và Fermi đã ước tính được rằng có 2 nơtron được phát xạ từ một phản ứng phân hạch (trên một neutron bị hấp thụ). Cả hai nhóm đã gửi báo cáo của họ đến tạp chí vật lý (Physical Review) vào ngày 16 tháng 3 năm 1939, yêu cầu đăng ký bài, nhưng không xuất bản ngay. Nhóm của Joliot (nhà khoa học Pháp đạt giải Nobel hóa học năm 1935) ở Paris đã tìm thấy giá trị trung bình là 3,5 ± 0,7 nơtron phát xạ cho một phân hạch và đã gửi báo cáo đến tạp chí Tự nhiên (Nature) vào ngày 21 tháng 3 năm 1939. Nhóm ở Colombia cố gắng thuyết phục nhóm ở Paris tầm quan trọng của việc giữ bí mật, nhưng Joliot vẫn quyết định xuất bản, nên nhóm ở Colombia cũng không trì hoãn việc xuất bản nữa. Cho nên là bài báo của Fermi và Szilard đã được xuất bản vào ngày 15 tháng 4, và bài báo của Joliot được xuất bản vào ngày 22 tháng 4 năm 1939. Fermi và Szilard sau đó đã xác nhận giá trị trung bình là 2,3 nơtron trên mỗi phân hạch. Giá trị được chấp nhận hiện nay là 2,4 nơtron trên mỗi phân hạch từ đồng vị urani U-235.

Ngày 2 tháng 8 năm 1939 Szilard cùng Albert Einstein(nhà khoa học vĩ đại nhất của thế kỷ 20, đạt giải Nobel vật lý năm 1921) đã viết một lá thư gửi tới tổng thống Mỹ là Franklin Delano Roosevelt, cảnh báo về tiềm năng nước Đức phát triển chế tạo vũ khí hạt nhân. Bức thư này là sự khởi nguồn dẫn tới sự ra đời của dự án Manhattan-kế hoạch của Mỹ nhằm thiết kế và chế tạo bom nguyên tử, tham gia cuộc đua hạt nhân chống lại Đức Quốc xã.

Niels Bohr (nhà vật lý Đan mạch đạt giải Nobel vật lý năm 1922) cùng với John Wheeler (nhà vật lý lý thuyết Mỹ), đã đưa ra lý thuyết phân hạch dựa trên giả định U-235 là đồng vị phân hạch trong urani tự nhiên, xuất bản vào tháng 9 năm 1939. Điều này đã được xác minh bằng thực nghiệm vào tháng 2 năm 1940. Chỉ trong vài tháng, các nhà vật lý ở châu Âu và Mỹ đã tìm ra các điều kiện mà theo đó urani có thể duy trì được phản ứng dây chuyền và giải phóng năng lượng bùng nổ để chế tạo bom nguyên tử.

Szilard và Fermi cùng tham gia triển khai dự án Manhattan. Một trong những nhiệm vụ của họ là xây dựng lò phản ứng hạt nhân tại Chicago. Ngày 2 tháng 12 năm 1942 phản ứng dây chuyền tự vận hành/tự ổn định đầu tiên được khởi nghiệm, là minh chứng thành công của ý tưởng về phản ứng dây chuyền của Szilard.

Rất nhiều nhà khoa học, ngay từ những ngày đầu khi quả bom nguyên tử đầu tiên chưa được chế tạo, luôn nhìn nhận rằng bom nguyên tử là vũ khí để gìn giữ hòa bình chứ không phải là vũ khí để hủy diệt. Khi được biết kế hoạch sử dụng bom nguyên tử của quân đội Mỹ để ném xuống Nhật bản, Szilard đã phản đối mạnh mẽ tướng Leslie Groves, là sếp của Julius Robert Oppenheimer-chủ nhiệm dự án Manhattan (Oppenheimer lúc đó là giáo sư vật lý đại học California Bekerley). Groves đã loại Szilard ra khỏi dự án Manhattan và còn muốn bỏ tù Szilard. Sau này Szilard trở thành người tích cực vận động không sử dụng vũ khí hạt nhân.

Tài liệu trích dẫn:

1. G. Marx, “The voice of the Martians”, third, revised edition. Akademiai Kiado (Academy Press), Budapest 2001.

2. L. Szilárd, “Leó Szilárd, His Version of the Facts: Selected Recollections and Correspondence”, Eds: Spencer R. Weart, Gertrud Weiss Szilárd. The MIT Press (Oct. 1980).