Phản ứng hạt nhân đầu tiên 100 năm trước

Phản ứng hạt nhân đầu tiên do Rutherford thực hiện cách đây đúng 100 năm, vào năm 1919.

Ernest Rutherford là nhà vật lí người New Zeeland. Ông được coi là một trong những nhà khoa học lừng lẫy nhất mọi thời đại. Đóng góp của ông trong lĩnh vực nguyên tử được ví như là đóng góp của Darwin trong lịch sử tiến hóa, Newton trong cơ học, và Einstein trong thuyết tương đối tổng quát.

Ông đưọc coi là cha đẻ của vật lý hạt nhân. Ông hoàn toàn thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên qua ba khám phá quan trọng: 1) ông giải thích vấn đề phóng xạ là sự phát xạ tự nhiên của các nguyên tử (chứ không phải là nguyên tử luôn ổn định như đã được giả định kể từ thời Hy Lạp cổ đại), 2) ông đã xác định cấu trúc của nguyên tử, đặt cơ sở cho thuyết hiện đại về cấu tạo nguyên tử, 3) ông là nhà giả kim thành công đầu tiên trên thế giới khi chuyển đổi nitơ thành oxy, hay nói cách khác là ông là người đầu tiên đã phân tách nguyên tử. 

1. Khởi đầu của lĩnh vực vật lý hạt nhân (từ những năm cuối thế kỷ 19)

Cho đến tận cuối thế kỷ 19, nguyên tử được coi là một quả cầu rắn không thể phân chia được. Từ “nguyên tử” (tiếng anh “atom”) có nguồn gốc từ tiếng Hy lạp (atomos (ἄτομος)), có nghĩa là ‘không-thể-cắt’ được, khái niệm của các nhà triết học cổ đại Leucippus và Democritus từ những năm 460 - 370 trước Công Nguyên.

Năm 1902-1903 ông cùng với Frederick Soddy (nhà hóa học người Anh đạt giải Nobel Hóa học năm 1921) đã đưa ra „thuyết phân rã” về phóng xạ, xem xét hiện tượng phóng xạ như quá trình nguyên tử chứ kg phải là quá trình phân tử. Lý thuyết được minh chứng bởi rất nhiều bằng chứng thực nghiệm, một số chất phóng xạ mới đã được phát hiện và vị trí của chúng trong hàng loạt các chuyển đổi đã được xác định.

Năm 1908, Rutherford được tặng giải thưởng Nobel hóa học “cho các công trình nghiên cứu về sự phân rã của các nguyên tố và hóa học của các chất phóng xạ”. Cũng trong năm này, ông đã chứng minh một cách thuyết phục điều mà ông đã nghi ngờ từ lâu: tia alpha hay hạt alpha chính là nguyên tử heli đã bị tước đi các điện tử của nó (tức là hạt nhân heli bao gồm hai prôton và hai nơtron (He(2+)).

2. Thí nghiệm chiếu xạ lá vàng Rutherford hay thí nghiệm Geiger-Marsden (năm 1909)

Năm 1909, dưới sự chỉ đạo của Ernest Rutherford, tại phòng thí nghiệm vật lý của Đại học Manchester, Hans Geiger (phụ tá của Rutherford, được biết đến nhiều nhất với tư cách là người đồng phát minh ra bộ đếm Geiger) và Ernest Marsden (sinh viên) thực hiện thí nghiệm chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha truyền qua và tán xạ. Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomét (tức là bề dày khoảng 200 nguyên tử vàng): hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt bị lệch hướng, và cứ khoảng chừng 8000 hạt thì có một hạt bị tán xạ ngược lại với góc tán xạ lớn hơn 90 độ. Rutherford đã mô tả lại kết quả này một cách đầy hình tượng: “Đó là sự kiện đáng chú ý nhất trong cuộc đời tôi. Điều này giống như khi bạn bắn một phát súng đại bác vào một mảnh giấy và viên đạn bay ngược trở lại trúng vào bạn”.

Kết quả này đã lật đổ giả thuyết trước đó về nguyên tử, mô hình „bánh pudding mận” của Joseph John Thomson (đạt giải Nobel Vật lý năm 1906). Nếu cấu trúc nguyên tử giống như bánh pudding mận, khi mà điện tích âm và điện tích dương trộn lẫn với nhau, giống như quả mận được trộn lẫn trong bánh, nó sẽ trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa nguyên tử và các hạt alpha, thì các hạt alpha sẽ đi xuyên qua lá vàng. Rutherford suy luận rằng sự phản xạ của hạt alpha đã cho minh chứng nguyên tử có một lõi nhỏ giống như là những lá chắn cứng đối với các hạt alpha. Hạt alpha có tốc độ rất lớn, khoảng 10.000 km/s. Để đẩy bật ngược được nó, thì phải có một lực đẩy tĩnh điện rất mạnh từ các điện tích dương của nguyên tử trong lá vàng. Điều đó chỉ có thể xảy ra khi mà toàn bộ điện tích dương tập hợp lại trong một thể tích rất nhỏ. Năm 1911, Rutherford đã giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên giả thiết rằng 1) phần mang điện tích dương rất nhỏ (về thể tích) và phân bố rất thưa thớt vì thế phần lớn các hạt alpha đi qua lá kim loại dễ dàng, 2) phần mang các hạt điện tích dương này phải có lượng điện tích rất lớn nên đã đẩy những hạt alpha đi gần nó đi lệch khỏi hướng hoặc ngược hướng ban đầu. Ông gọi đó là hạt nhân. Từ kết quả này, Rutherford đã đề xuất “mẫu hành tinh nguyên tử”: nguyên tử có cấu tạo rỗng chứa một hạt nhân nhỏ bé mang điện tích dương trong lõi với các điện tử chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Ông đã tìm thấy rằng xác xuất tán xạ hạt alpha tuân theo phương trình (1/(sin(theta/2)^4)) một cách chính xác. Từ đó ông tính được kích thước hạt nhân cỡ femtomét (10^(-15) m), tức là khoảng 100 nghìn lần nhỏ hơn so với kích thước nguyên tử cỡ Ångström (10^(-10) m). Tuy thể tích hạt nhân rất nhỏ, nhưng phần lớn khối lượng nguyên tử lại tập trung ở trong hạt nhân.

Kết quả tán xạ ngược ngày nay được ứng dụng phổ biến trong nguyên cứu vật liệu, gọi là phương pháp tán xạ ngược Rutherford (Rutherford backscattering), ví dụ như là để xác định thành phần hóa học các nguyên tố chứa trong các màng mỏng cũng như xác định độ dày của màng. Phương pháp này cũng đã được sử dụng để phân tích mẫu đất đá thu được từ bề mặt mặt trăng từ cuộc thám hiểm (Surveyor V) năm 1967. 

Chiếc bánh kem (với chiều dài và chiều rộng mỗi chiều hơn 1m) với hình ảnh Rutherford để chiêu đãi các đại biểu trong hội nghị quốc tế lần thứ 19 về phân tích chùm ion được tổ chức tại Cambridge năm 2009, nhân dịp kỷ niệm 100 năm cuộc thí nghiệm chiếu xạ lá vàng Rutherford.

1. Phản ứng hạt nhân đầu tiên (năm 1919)

Năm 1919 Rutherford xuất bản kết quả thực hiện phản ứng hạt nhân đầu tiên khi ông làm việc tại Đại học Manchester. Ông đã bắn phá hạt nhân các nguyên tử nitơ (N-14) với hạt alpha (He-4) với năng lượng 7,68 MeV, được phát ra bởi đồng vị polonium Po-214 trong nguồn poloni tự nhiên, và tạo ra một hạt nhân hợp chất không ổn định mà đã nhanh chóng phân rã thành hạt nhân của đồng vị oxy (O-17), bằng cách phát ra một hạt nhân hydro (H-1) mà sau đó ông gọi nó là hạt proton (năm 1920). Như vậy, ông cũng là người đầu tiên thu được bằng chứng về sự tồn tại của prôton (trong tiếng Hy Lạp, “protos” có nghĩa là “đầu tiên”). Sau đó ông cũng dự đoán sự tồn tại hạt nơtron. Phản ứng hạt nhân đầu tiên này được biểu thị như sau:

Phản ứng hạt nhân đầu tiên (dòng trên) và dạng viết gọn của phản ứng (dòng dưới).

Các chỉ số dưới là số điện tích hay số nguyên tử (Z), các chỉ số trên là khối lượng hạt nhân hoặc trọng lượng nguyên tử (A). Năng lượng giải phóng trong phản ứng xuất hiện là động năng của các sản phẩm phản ứng, chủ yếu là từ hạt prôton phát ra. Nó được gọi là phản ứng (α,p): hạt bắn phá là α và hạt phát ra sau đó là một prôton (p).

Thiết bị mà Rutherford xây dựng và sử dụng để tiến hành thí nghiệm năm 1919 hiện được trưng bày trong bảo tàng của phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge, Anh.

Thiết bị thí nghiệm phân rã hạt nhân của Rutherford trưng bày trong bảo tàng của phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge, tại 19 J J Thomson Avenue. (Ảnh của tác giả.)

Một kết quả quan trọng nữa là phản ứng hạt nhân này đã giải phóng năng lượng. Tuy nhiên Rutherford lại không tin vào khả năng sản xuất năng lượng với quy mô lớn từ phản ứng hạt nhân. Không chỉ Rutheford, mà cả các nhà khoa học nổi tiếng lúc đó như Albert Eistein (đạt giải Nobel Vật lý năm 1921) và Niels Bohr (đạt giải Nobel Vật lý năm 1922) cũng chia sẻ quan điểm về khả năng không thể khai thác sử dụng năng lượng nguyên tử trong thực tế. Trong thời kỳ bình minh của vật lý hạt nhân, không một ai có thể dự đoán được rằng hạt nhân nguyên tử có thể bị phân tách, điều mà còn phải cần tới thêm 20 năm nghiên cứu mới có thể minh chứng được (vào cuối năm 1938 đầu năm 1939).

(Bạn đọc muốn tìm hiểu thêm về lịch sử phản ứng phân hạch hạt nhân có thể đọc trên trang: http://www.lequydon.org/vi/news/Khoa-hoc/Ky-niem-80-nam-mot-trong-nhung-phat-hien-vi-dai-nhat-cua-the-ky-20-phan-hach-hat-nhan-nguyen-tu-4440/)

Khi bạn đến thăm bảo tàng của phòng thí nghiệm Cavendish nổi tiếng, bạn sẽ có thể ngạc nhiên là trong số chân dung và ảnh của rất nhiều nhà khoa học nổi tiếng không có ảnh của Rutherford. Để ghi nhớ công lao của ông, cả một tòa nhà của trường đại học Cambridge được mang tên ông: tòa nhà Rutherford. Chân dung của ông được treo riêng trong tòa nhà này. Từ phòng thí nghiệm Cavendish, đi qua những hành lang dài nối các tòa nhà sẽ đến tòa nhà Rutherford.

Chân dung của Rutherford treo ở cầu thang trongi tòa nhà mang tên ông ở Cavendish, trường đại học Cambridge.

Tác giả bài viết: Nhữ-Tarnawska Hoa Kim Ngân.

Tài liệu tham khảo

1. Rutherford - Tiểu sử tóm tắt, http://www.rutherford.org.nz/biography.htm

2. Rutherford, trang giải Nobel http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1908/rutherford-bio.html

3.  Nhu-Tarnawska Hoa Kim-Ngan, Imre Pázsit, “The Discovery of Nuclear Fission. Women Scientists In Highlight”, Chalmers Reproservice, Göteborg Sweden, English version (2007, 2008), Swedish version (2016), Japanese version (2018). ISBN 978-91-633-1047-8.