A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 8

Phân Hạch Nguyên Tử

Trần Trí Năng
(University of Minnesota & Ecosolar International)

“Science makes people selflessly for truth and objectivity; it teaches people to accept reality, with wonder and admiration, not to mention the deep awe and joy that the natural order of things brings to true scientist”

(Lise Meitner) [2]

Trong bài viết trước, chúng tôi đă tŕnh bày công tŕnh nghiên cứu về phân hạch nguyên tử của GS Lise Meitner, một nhà khoa học lớn của thế kỷ 20 và cũng là người mà cộng đồng khoa học mệnh danh bà là “người mẹ của năng lượng hạt nhân”. Albert Einstein có lần gọi bà là Marie Curie của Đức. Bà đă nỗ lực không ngừng vượt qua thành kiến về phụ nữ đối với những công tác liên quan đến khoa học và giáo dục trong xă hội lúc bấy giờ và sự kỳ thị chủng tộc trong việc đàn áp người gốc Do Thái [1]. Trong số này chúng tôi viết về bối cảnh lịch sử đưa đến thành quả nghiên cứu đại này. Trước 1900, hầu hết những hoạt động khoa học chỉ liên quan đến điện học. Hai thập niên sau đó, với sự khám phá về phóng xạ và những đặt tính liên hệ, nhiều giải đáp của vấn đề bí ẩn về hạch nhân được t́m ra. Cấu trúc cơ bản của nguyên tử được lănh hội vào năm 1920, và sự hiện diện của nơtron được t́m ra vào năm 1932. Đây là khám phá then chốt bởi v́ nơtron là yếu tố cơ bản trong việc thiết lập phản ứng dây chuyền của phân hạch nguyên tử. Và mười năm sau đó, vào năm 1942, phản ứng tự duy tŕ đầu tiên ( the first self-sustaining reaction) được thực hiện. Kỹ thuật liên quan được tiếp tục khai phát và tiến bộ tới điểm người ta có thể chế tạo ḷ phân hạch nguyên tử dùng để cung cấp điện lực trong phạm vi thương mại vào năm 1956.

GS Meitner và GS Otto Hahn là hai người người đầu tiên trên thế giới đă khám phá và cắt nghĩa thành công hiện tượng vật lư xảy ra khi urani (uranium) bị bắn phá với nơtron Bà Meitner ly luận rằng hạt nhân của urani có thể bị tách ra thành hai hạt nhân nhỏ hơn (gọi là phân hạch của nguyên tử), và cho ra môt lượng năng lượng khổng lồ dựa theo phương tŕnh E=mc2 của Einstein. Thành công này đưa đến việc chế tạo bom nguyên tử và những ứng dụng dùng trong việc cung cấp nguồn năng lượng điện lớn cho nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới. TS Leó Szilárd – đồng nghiệp của TS Meitner ở Đức- và TS Otto Robert Frisch - người cháu và cũng là người cộng tác với bà ở Thụy Điễn –sau này là thành viên của Kế hoạch Manhattan với mục đích chế tạo vũ khí nguyên tử trong Thế Giới Đại Chiến Thứ Hai. Trong bài viết kế tiếp, người viết sẽ thảo luận chi tiết hơn về Kế Hoạch Manhattan.

Từ khóa:

Nuclear fission, neutron, proton, electron, nucleus, self-sustaining reaction, uranium, quantum behavior, radioactive decay, transmutation, alpha decay, Lise Meitner, Otto Hahn, Otto Robert Frisch, Leó Szilárd, Niel Bohr, Fritz Strassmann, James Chadwick, Enrico Fermi, Albert Einstein, Ernest Rutherford.

 

1. Tản mạn bên lề

Thật là một thiếu sót nếu không viếng Kiyomizu Temple (hay thường gọi là Kiyomizudera) khi về thăm Kyoto. Kiyomizudera là một trong những ngôi chùa Phật giáo lớn và lâu đời nhất nằm trên một ngọn đồi ở phía đông Kyoto. Ngôi chùa này được xây và thời Heian (năm 778) và được tu sửa lại bởi Tokugawa Iemitsu vào năm 1633. Địa điểm đầu tiên chúng tôi thấy là Otowa-no-taki (thác nước của núi Otowa), nước chảy ra từ chân núi và nhỏ giọt vào trong một cái hồ nhỏ. Khách thập phương đến đó xin uống nước này để cầu xin cho sức khỏe, tuổi thọ và trí tuệ [H́nh 1, bên trái]. Cái tên Kiyomizu có nghĩa là nước tinh khiết! Nổi bật nhất là đường dẫn đến chánh điện nơi đặt bức tượng của Phật Bà Quan Âm và con đường lên đến đỉnh núi, ở đó du khách có thể nh́n toàn cảnh thành phố Kyoto.

 

        

Otowa-no-taki. Du khách hứng nước suối từ ba nguồn nước
tượng trưng cho sức khỏe, tuổi thọ và trí tuệ.
Chiếc gáo cán dài này làm bằng kim loại (h́nh bên trái)

và Cổng Nioomon (h́nh bên phải)

(Yahoo images) 

Chúng tôi đi ngang qua đền Jishu Shrine, được xây để sung bái Thần t́nh ái Ookuninushi với hai tảng đá lơn nằm chễm chệ với hai bên cách nhau khoảng 18 m. Theo truyền thống, th́ ai có thể đi từ tảng đá này sang tảng đá kia với đôi mặt bịt lại, người đó sẽ t́m được t́nh yêu chân thật. Vài cô cậu cũng t́m cách “thử thời vận” của ḿnh và cười nói vui vẻ.

Rải rác đó đây một số đền thờ nhỏ và vài nghĩa địa với h́nh Địa Tạng (Jizoo hay Ojizoo-sama) mang những chiếc yếm màu trắng.biểu tượng những vị thần bảo vệ linh hồn của trẻ em không may chết sớm hay chết trước khi chào đời.

Lúc sống ở vùng Osaka, tôi thường về Kyoto. Kyoto cho tôi nhiều kỷ niệm với vui buồn lẫn lộn, với những chuyến tàu mừng đón, chia tay. Đối với tôi, Kyoto lúc nào cũng hiền diệu và dễ thương.  

“…Ngồi đây nhớ lại những chiều
Kyoto gió thoảng buồn hiu con tàu
Về đâu, biết đi về đâu?
Sân ga tuyết đổ trắng màu thời gian…” 

Tôi đi qua nhiều hàng quán, ryokan (khách sạn kiểu Nhật), và một dăy o-mikuji (bản đoán thời vận) nằm chen chút nhau hai bên đường.. 

“...Con đường đi qua dư âm năm xưa vuốt ve ngọt ngào
Cuối ngày chiều lên mưa bay mưa bay trong ḷng phố xưa…”
 

Bước chân người đi dịu dàng. Với nụ cười thân yêu, triều mến. Nhớ lại những ngày chủ nhật sinh hoạt với anh em nơi xá sinh viên quốc tế. Chuyện tṛ, hát ḥ, chơi bóng chuyền, bóng bàn .. Cùng vui với nhau trong những ngày xa xứ, không biết tương lai mai này rồi sẽ đi về đâu… 

“…Thương thương quá, thương ai tà áo đó
Một thuở hẹn ḥ, một thoáng mộng mơ
Chiều quá khứ lê chân về quán trọ
Đường vắng thênh thang, bước nhỏ chuyện tṛ..” 

Chúng tôi tiếp tục theo những bực thang đi lên. Bầu trời vẫn c̣n u ám. Gió thoảng ŕ rào qua những rặng cây. 

“…Rồi ngày cứ lên. Và nắng cứ phai. Chân cứ bước đi. Từng bước nhịp nhàng. Như đếm nhịp điệu thời gian chợt đến, chợt tan. Đi trên đồi cao nên gió tháng năm hơi lành lạnh. Người đón chào người. Tay vỗ tay vui. ” 

2. Bối cảnh về nghiên cứu khoa học đưa đến sự phân hạch nguyên tử

Sự khám phá ra phân hạch nguyện tử xảy là kết quả của hơn 50 năm nghiên cứu trong lănh vực khoa học về phóng xạ và vật lư nguyên tử [2,3]. Trước 1900, hầu hết những hoạt động khoa học chỉ liên quan đến điện học. Rồi hai thập niên sau với sự khám phá về phóng xạ và những đặc tính liên hệ, nhiều giải đáp của vấn đề bí ẩn về hạch nhân được t́m ra. Năm 1911, Ernest Rutherford đề xướng mô h́nh về nguyên tử (Rutherford model) trong đó hạch gồm có điện tích dương của prôton (proton) (lúc đó nơtron chưa được khám phá) và được bao quanh với những quỹ đạo của hạt electrons có điện tích âm. Năm 1913, Niels Bohr cải tiến mô h́nh Rutherford bằng cách du nhập vào mô h́nh khái niệm về động thái lượng tử của hạt electrons (quantum behavior of electrons)- gọi là Bohr model. Công tŕnh nghiên cừu của Henri Becquerel, Marie Curie , Pierre Curie và Rutherford đưa ra kết luận rằng hạch nhân , mặc dù bị nối buộc chặt, vẫn có thể biến dạng theo nhiều dạng thức khác nhau như phân ră phóng xạ (radioactive decay) và v́ thế chuyển hóa (transmutation) thành những nguyên tố khác nhau. Thí dụ như sự phân ră alpha (alpha decay) phát ra hạt alpha với hai prôton và hai nơtron buột chặt với nhau tạo thành hạch helium. Năm 1917, Rutherford chứng tỏ rằng ông có thể chuyển hóa nitơ thành oxy . Đây là phản ứng hạch lần đầu tiên được quan sát , nơi đó hạt sinh ra từ sự phân ră được dùng để chuyển hóa sang một hạch nguyên tử khác. Sau khi James Chadwick [H́nh 2, bên trái] khám phá ra nơ tron vào năm 1932 ở Anh , Enrico Fermi [H́nh 2, bên phải] và đồng nghiệp của ông ta ở Rome nghiên cứu kết quả của sự bắn phá urani (uranium) với nơtron vào năm 1934. Fermi đưa ra kết luận cho rằng thí nghiệm của ông đă tạo ra hai nguyên tố mới với 93 và 94 prôton. Có nhiều người trong giới khoa học vẫn c̣n bi quan về khám phá này. Môt nhà hóa học khác tên là Ida Noddack; ông này cho rằng thay v́ tạo ra nguyên tố 93, “có thể” là hạch bị phân đoạn và phá vở ra thành nhiều mảnh “. Nhưng đề nghị của Noddack không được nhiều người trong giới khoa học để ư đến lúc bấy giờ [4].

Sau bài báo cáo của Fermi, ở Berlin University, Otto Hahn, Lise Meitner và Fritz Strassmann bắt đầu làm thí nghiệm về sự phân hạch vào năm 1938 [H́nh 3]. Sau đó Meitner trốn sang Thụy Điễn, nhưng vẫn giữ liên lạc với Hahn . Ở Thụy Điễn bà cộng tác với người cháu tên là Otto Robert Frisch. Nhưng cũng may mắn trong thời điểm này bà thiết lập được quan hệ làm việc với GS Niels Bohr và thường đi lại giữa Stockholm và Copenhagen. Thỉnh thoảng, qua trung gian của Niels Bohr, bà gặp ông Hahn tại Copenhagen và tiếp tục trao đổi và thảo luận luận những kết quả nghiên cứu. Ông Haln phải giữ bí mật những cuộc gặp gỡ này để tránh những phiền toái có thể gặp phải với chính quyền Đức Quốc Xă lúc bấy giờ. Lúc này, bà hướng hướng nghiên cứu của ḿnh về lănh vực bắn phá urani với nơtron . Otto Hahn bên Đức cũng nghiên cứu đề tài tương tự và bà Meitner là người cắt nghĩa cơ bản vât lư những hiện tượng ông Hahn t́m được trong pḥng thí nghiệm của ông. Hai bên trao đổi kết quả nghiên cứu và chính bà Meitner đă chỉ trích những thiếu sót trong những thí nghiệm ban đầu và thuyết phục ông Hahn phải làm thí nghiệm trở lại với những biến số thay đổi mới.[5].

 Vào ngày 19 tháng 12, bà nhận một lá thư từ Otto Hahn cắt nghĩa thí nghiệm của ông và và người trợ tá của ông – Fritz Strassmann, cho rằng bắn phá hạch của urani (uranium) với nơtron cho ra bari (barium). TS Hahn cho rằng đây là “sự vỡ tung của hạch”, nhưng không chắc chắn về cơ cấu vật ly của hiện tượng này. Bari có khối lượng nguyên tử 40% ít hơn uranium và không có thí nghiệm nào trong quá khứ về phân ră phóng xạ có thể cắt nghĩa được nguyên nhân của sự khác nhau quá lớn về khối lượng của hạch trong phản ứng này. Làm thế nào hạch uranium có thể bị “vỡ vụn” thành bari? Frisch có vẻ bi quan, nhưng bà Meitner tin tưởng vào kết quả thí nghiệm này v́ bà đánh giá rất cao về khả năng chuyên môn của TS Haln về lănh vực hóa học . Frisch hỏi bà Meitner : “có thể nào TS Hahn sai lầm trong lúc làm thí nghiệm không?” Trả lời câu hỏi này, bà Meitmer đáp lại: “ không, ông Hahn là một nhà hóa học giỏi và thận trọng nên không thể nào có thể phạm sai lầm như thế”. Một thời gian ngắn sau, dựa vào lư thuyết của Niels Bohr, bà có thể cắt nghĩa thành công cấu trúc của nguyên tử urani phản ứng với bari dùng mặt tuyết như bản phấn và đưa ra kết luận rằng nơtron chậm của nguyên tử bari phản ứng với hạch của urani, gây ra sư sự phân hạch. Kết luận của bà căn cứ trên dữ kiện là trọng lượng của vật chất mới tạo ra cân nhẹ hơn tổng số trọng lương của những vật chất đầu vào , và một lượng năng lượng khổng lồ được phát sinh. Rồi bà tính năng lượng phát sinh, và năng lượng này tuân theo dự đoán trong phương tŕnh của Einstein E= mc2. Bà cũng có nhắc lại là bà cắt nghĩa điều bà mới khám phá trong lần gặp mặt lần đầu với Albert Einstein tại Salzburg năm 1909; lúc đó Einstein bảo bà là khối lượng (mass) bị mất trong phản ứng sẽ bằng khoảng 1/5 khội lượng proton của urani (cho năng lượng bằng khoảng 300 MeV). Với sự kiện này, Meitner và Robert Frisch đă chứng minh cơ cấu của phản ứng đầu tiên về sự phân hạch urani (uranium fission) [5]

 

chadwick1        Enrico Fermi

H́nh 2: TS James Chadwick, người khám phá ra nơtron (h́nh bên trái); và  

TS Enrico Fermi, người đầu tiên thực hiện phản ứng hạch dây chuyền (h́nh bên phải)

 

hahnmeit 

H́nh 3. Bà Lise Meitner với ông Otto Hahn trong pḥng thí nghiệm của họ tại Đức [4]. 

3. Sơ lược về sụ phân hạch nguyên tử (Nuclear Fission) 

Trong lănh vực vật ly hạt nhân và hóa học hạt nhân, phân hạch nguyên tử có thể hoặc là phản ứng hạt nhân (nuclear reaction) hay phân ră phóng xạ ( radioactive decay). Trong phản ứng này, hạt nhân của nguyên tử bị chẻ tách ra thành những hạt nhân nhỏ hơn (smaller nuclei). Quá tŕnh phân hạch này này cho ra nơtron tự do và gamma quang tử và kết quả là một lượng năng lượng rất lớn phát ra. Phân hạch là một h́nh thức chuyển hóa hay biến đổi hạt nhân (nuclear transmutation) bởi v́ những mảnh sinh ra không có cùng những phần tử như nguyên tử ban đầu. Hai hạt nhân sinh ra có những tầm cở có phần hơi khác nhau, với tỉ số khối lượng (mass ratio) điễn h́nh khoảng 2 đến 3 dối với những đồng vị phân hạch thông thường (for common fissile isototopes). Những phân hạch này hầu hết là nhị phân (binary fissions), có nghĩa là biến thành hai mảnh tích điện. Sự kiện này xảy ra do phản ứng dây chuyền nguyên tử. Sự phân hạch nguyên tử sản xuất năng lượng dùng đă cung cấp điện và trong vũ khí nguyên tử. Lượng năng lương này có thể hàng triệu lần năng lương chưa trong cùng khối lượng trong nhiên liệu hóa học như xăng dầu.  

 

           

 H́nh 4. Một thí dụ về phản ứng dây chuyền của sự phân hạch nguyên tử [4]

đồ của phản ứng dây chuyền của sự phân hạch nguyên tử có thể diễn tả như sau:

(1). Nguyên tử Uranium -235 hấp thụ nơtron và phân hạch thành hai nguyên tử mới (mảnh phân hạch), cho ra ba nơtron mới và cho ra một số năng lượng cần thiết để phá nguyên tử; (2). Một trong những nơtron bị hấp thụ bởi uranium-238 và không tiếp tục phản ứng. Nơtron th́ mất (bị rời ra và mất đi) và không xung đột với những nguyên tử chung quanh và cũng không tiếp tục phản ứng. Tuy nhiên, nguyên tử xung đột với nguyên tử uranium-235, phân hạch và cho ra hai nơtron và một số năng lượng cần thiết để phá nguyên tử (binding energy); (3) Cà hai nơtron này xung đột với uranium-235, phân hạch và cho ra từ một cho đến ba nơtron; những nơtron này tiếp tục phản ứng phân hạch gọi là “phân đoạn nguyên tử /splitting the atoms” [H́nh 4, bên phải]

Về cảm ứng dây chuyền phân hạch (induced fission reaction). Nơtron hập thụ bởi nguyên tử uranium-235, trong một giai đoạn ngắn biến thành kích thích hạch (excited uranium-236 nucleus) uranium-236, với năng lượng kích thích cung cấp bởi động năng của nơtron cộng với lực kết nối nơtron. Uranium -236, tiếp theo đó, phân đoạn thành những nguyên tố nhẹ hơn nên di động nhanh (sản phẩm của phân hạch) và cho ra ba nơtron tự do . Đồng thời, tia gamma cũng được sinh ra (không có trong h́nh)- [H́nh 4, bên trái].

5. Kế Hoạch Manhattan

Nên nhớ là không lâu sau khi Adolf Hitler lên nắm chính quyền ở Đức vào năm 1933. tất cả những đồng nghiệp gốc Do Thái của bà Meitner , kể cả Robert Frisch (con của người chị của bà), và Leó Szilárd đều bị bắt buộc phải từ chức hay bị sa thải. Hấu hết rời khỏi Đức. V́ bà nghĩ là bà có thể được bảo vệ bởi v́ bà có quốc tích Áo, nên bà vẫn tiếp tục giữ im lặng và bù đầu vào việc nghiên cứu của bà . Vào tháng ba, 1938, t́nh trạng trở nên nguy cập và khó khăn cho bà hơn. Vào ngày 13 cùng tháng, bà phải trốn khỏi Đức. Sau khi đến Thụy Điễn khoảng một khoảng thời gian sau, bà may mắn thiết lập được quan hệ làm việc với GS Niels Bohr và thường đi lại giữa Stockholm và Copenhagen. Thỉnh thoảng , qua trung gian của Niels Bohr, bà gặp ông Haln tại Copenhagen để trao đổi và thảo luận luận kết quả nghiên cứu. Leó Szilárd, đồng nghiệp với Meitner và cùng dạy vật ly nguyên tử và hóa học ở Berlin University và Robert Fisch đều tị nạn sang Mỹ. Sau khi đến Mỹ, Leó Szilárd đă tŕnh bày kết quả nghiên cứu hạch phản ứng với Enrico Fermi và t́m cách liên lạc với Einstein. Sau cùng ông gặp được và đề nghị với Einstein viết một lá thư gửi đến Tổng Thống F.D. Rosevelt đề nghị chính phủ Mỹ bắt đầu hoạt động nghiên cứu liên quan đến hạch nguyên tử. Và Kế Hoạch Manhattan xuất phát từ lần gặp gỡ này (tham khảo lá thư Einstein viết cho Tổng Thống Rosevelt ở dưới) [6].

 

      

H́nh 5 : TS Otto Frisch, người cháu và là cộng tác viên với bà Meitner trong việc khám phá phân hạch nguyên tử. Ông này tị nạn qua Mỹ và là một thành viên trong Kế Hoạch Manhattan (h́nh bên trái). TS. Leó Szilárd, cùng với GS Einstein soạn thảo lá thư gửi cho Tổng Thống F.D. Rosevelt (h́nh bên phải)- Wikipedia

 

H́nh 6 : Một phần của lá thư GS Albert Einstein viết gửi cho Tổng Thống F.D. Rosevelt vào ngày 2 tháng 8, 1939 đề nghị chính phủ Mỹ bắt tay nghiên cứu về năng lương hạch nguyên tử[6]. 

Chúng tôi ghi lại phần của lá thư GS Einstein gửi cho Tổng thống trong h́nh trên như sau để cho độc giả dễ đọc. 

“…Some recent work by E. Fermi and L. Szilard, which has been communicated to me in manuscript, leads me to expect that the element uranium may be turned into a new and important source of energy in the immediate future. Certain aspects of the situation which has arisen seem to call for watchfulness and, if necessary, quick action on the part of the Administration. I believe therefore that it is my duty to bring to your attention the following facts and recommendations.

  In the course of the last four months it has been made probable-through the work of Joliot in France as well as Fermi and Szilard in America- that it may become possible to set up a nuclear chain reaction in a large mass of uranium, by which vast amounts of power and large quantities of new radium-like elements would be generated. Now it appears almost certain that this could be achieved in the immediate future.

 This new phenomenon would also lead to the construction of bombs, and it is conceivable- through much less certain- that extremely powerful bombs of a new type may thus be constructured. A single bomb of this type, carried by boat and exploded in a port, might very well destroy the whole port together with some of the surrounding territory. However, such bombs might very well prove to be too heavy for transportation by air.

….”

6. Lời kết 

Mô h́nh nguyên tử với nơtron, prôton, hạt electrons và khái niệm về đồng vị nguyên tố chúng ta có hiên tại là công tŕnh nghiên cứu lâu dài với sự đóng góp của nhiều người trên thế giới. Có khoảng 20 giải Nobel về vật ly hạt nhân và phóng xạ và hóa học hạt nhân trong khoảng thời gian 50 năm kể từ 1901, năm giải Nobel đầu tiên được phát ra.

Hai thập niên sau 1900, với sự khám phá về phóng xạ và những đặt tính liên hệ, nhiều giải đáp của vấn đề bí ẩn về hạch nhân được t́m ra. Sự phân hạch nguyên tử sản xuất năng lượng rất lớn cho năng lượng nguyên tử và vũ khí nguyên tử. Sự kiện này xảy ra do phản ứng dây chuyền nguyên tử. Lượng năng lượng này có thể hàng triệu lần năng lương chưa trong cùng khối lượng trong nhiên liệu hóa học như xăng. Trong bài kế tiếp, người viết sẽ thảo luận chi tiết hơn về Kế Hoạch Manhattan.

 

6. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Nobel-Prizes-Part-8-2016.htm

 [2] Arthur Golden: Memoirs of a Geisha, published by Alfred A. Knopf, Inc. 1997

[3] Robin Chaplin: Historical Background 2014, 2014 UNENE, University of Brunswick

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Lise_Meitner

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission

[6]https://www.reddit.com/r/AskHistorians/comments/2mi0e0/why_was_einstein_not_heavily_involved_in_the/