Ý tưởng & Sáng tạo VN (Vietnam Ideas & Creativities) [β7]

Trong bách khoa toàn thư có nhầm lẫm chăng? Những thông báo gây chấn động sư luận Ý tưởng của bọn trẻ Lantan được lấy từ đâu ra? Chuyện xảy ra ở hiệu cắt tóc Lấy nơtron ở đâu? Tính tham lam có lợi Có một que diêm.

Trong một chừng mực nào đó, việc phát hiện ra rađi đã làm cho giới khoa học ít chú ý đến urani. Ngót bốn mươi năm, urani không khuấy động tâm trí các nhà bác học nhiều lắm, và trong suy nghĩ của họ về kỹ thuật, ít khi nó được đề cập đến. Trong một tập sách của bộ bách khoa toàn thư về kỹ thuật xuất bản năm 1934, các tác giả đã khẳng định: Urani ở dạng nguyên tố không có công dụng thực tế. Bộ sách đồ sộ này không phạm tội chống lại sự thật, nhưng chỉ vài năm sau đó, cuộc sống đã đính chính lại một số điểm trong khái niệm về khả năng của urani.

Đầu năm 1939 đã xuất hiện hai bản thông báo khoa học. Thông báo thứ nhất do Fređeric Jôlio Quyri (Fréderic Joliot Curie) gửi đến viện hàn lâm khoa học Pháp với nhan đề Chứng minh bằng thực nghiệm về sự nổ vỡ của các hạt nhân urani và thori dưới tác động của nơtron. Thông báo thứ hai được đăng trong Tạp chí Thiên nhiên xuất bản ở Anh với đầu đề Sự phân rã của urani dưới tác động của nơtron: một dạng mới của phản ứng hạt nhân, mà các tác giả của nó là hai nhà vật lý học người Đức - Ôtto Frit (Otto Frisch) và Liza Mâytne (Lisa Meitner). Cả hai thông báo đều đề cập đến một hiện tượng mới, xảy ra với hạt nhân của nguyên tố nặng nhất là urani mà từ trước tới giờ chưa ai biết đến.

Trước đó mấy năm, bọn trẻ (nhóm các nhà vật lý học trẻ tuổi, đầy tài năng, làm việc dưới sự lãnh đạo của Enricô Fecmi tại trường đại học tổng hợp Roma, được người ta gọi một cách thân tình như vậy) đã đặc biệt quan tâm đến urani. Môn vật lý nơtron vốn tàng trữ nhiều điều mới lạ mà chưa ai biết vốn là niềm say mê của các nhà bác học này.

Người ta đã khám phá ra rằng, thông thường, khi bị chùm nơtron bắn vào, hạt nhân của nguyên tố này liền biến thành hạt nhân của nguyên tố khác chiếm ô tiếp theo trong hệ thống tuần hoàn. Nhưng nếu bắn nơtron vào nguyên tố đứng ở ô cuối cùng - ô thứ 92, tức là urani, thì sẽ ra sao? Khi đó phải xuất hiện một nguyên tố đứng ở vị trí thứ 93 một nguyên tố mà ngay cả thiên nhiên cũng không thể tạo ra được.

Bọn trẻ rất thích thú với ý tưởng đó. Vậy thì tại sao không lao vào tìm hiểu xem nguyên tố nhân tạo kia là cái gì, trông nó như thế nào, nó xử sự ra sao ? Thế là họ liền bắn phá. Nhưng điều gì đã xảy ra ? Trong urani đã sinh ra không phải chỉ có một nguyên tố phóng xạ như mọi người chờ đợi, mà ít nhất là một chục nguyên tố. Vậy là đã có một điều bí ẩn gì đó trong cách xử sự của urani. Enricô Fecmi gửi thông báo về việc này đến một tạp chí khoa học. Có thể, ông cho rằng nguyên tố thứ 93 đã được tạo thành, nhưng không có bằng chứng chính xác về điều đó. Mặt khác, lại có những bằng chứng nói lên rằng, trong urani bị bắn phá có mặt những nguyên tố khác nào đó. Vậy là những nguyên tố nào?

Iren Jôlio Quyri con gái của Mari Quyri, đã cố gắng trả lời câu hỏi trên. Bà đã lặp lại những thí nghiệm của Fecmi và nghiên cứu kỹ lưỡng thành phần khoa học của urani sau khi bị bắn phá bằng nơtron. Kết quả lại bất ngờ hơn : trong urani xuất hiện nguyên tố lantan là nguyên tố nằm ở khoảng giữa bảng tuần hoàn, nghĩa là cách rất xa urani.

Cũng làm các thí nghiệm như vậy, các nhà bác học người Đức là Ôtto Han (Otto Hanh) và Friđric Stơratxman (Fridrich Strassman) đã tìm thấy trong urani không những chỉ có lantan mà còn có cả bari nữa. Thật là bí ẩn này thiếp theo bí ẩn khác!

Han và Stơratxman đã thông báo với bạn mình là nhà vật lý học nổi tiếng Liza Mâytne về thí nghiệm mà họ đã làm. Đến đây, cùng một lúc nhiều nhà bác học lớn muốn giải quyết vấn đề urani. Đầu tiên là Fređeric Jôlio Quyri, sau đó là Liza Mâytne đều cùng đi đến một kết luận : khi bị nơtron bắn vào, hạt nhân urani dường như bị vỡ làm hai mảnh. Điều đó giải thích cho sự bất ngờ của lantan và bari là các nguyên tố có khối lượng nguyên tử xấp xỉ bằng một nửa của urani.

Nhà vật lý học người Mỹ là Lui Anvaret (Louis Alvarez) (sau này đã được trao tặng giải thưởng Noben) đã bắt gặp tin này vào một buổi sáng tháng giêng năm 1939 khi đang ngồi trên ghế cắt tóc. Ông đang bình thản xem lướt qua một tờ báo, bỗng nhiên, một đầu đề khiêm tốn đập vào mắt ông : Nguyên tử urani đã bị phân chia thành hai mảnh. Sau một khoảnh khắc, trước sự ngạc nhiên của người thợ cắt tóc và những người đang chờ đến lượt mình, người khách kỳ lạ này vụt chạy ra khỏi cửa hiệu cắt tóc với cái đầu mới húi được một nửa và chiếc khăn choàng đang buộc chặt vào cổ, tung bay phần phật trước gió. Không để ý đến những khách qua đường đầy kinh ngạc, nhà vật lý học lao ngay vào phòng thí nghiệm của trường đại học tổng hợp California, nơi ông làm việc, để báo tin cho các bạn đồng nghiệp của mình biết cái tin sốt dẻo này. Lúc đầu, các bạn ông rất sừng sờ trước hình ảnh kỳ dị của Anvaret khi ông vung vẩy tờ báo, nhưng khi họ nghe kể về phát minh làm chấn động dư luận này thì họ đã quên ngay cái đầu tóc khác thường của ông.

Đúng, đây là một tin chấn động dư luận thật sự trong khoa học. Song Jôlio Quyri còn khám phá ra được một sự thật rất quan trọng nữa : sự phân rã hạt nhân urani mang tính chất một vụ nổ, trong đó, các mảnh sinh ra tung bay về mọi phía với tốc độ lớn. Khi chỉ mới phá vỡ được các hạt nhân riêng rẽ, năng lượng của các mảnh vỡ cũng đã nung được một mẩu urani. Nếu như có nhiều hạt nhân bị phá vỡ thì sẽ phát ra một lượng năng lương khổng lồ.

Vậy tìm đâu ra số lượng nơtron nhiều đến thế để chúng bắn phá nhiều hạt nhân urani cùng một lúc? Các nguồn nơtron mà các nhà khoa học đã biết chỉ cung cấp được một số lượng nơtron nhỏ hơn nhiều tỉ lần so với số cần thiết. Nhưng rồi chính thiên nhiên đã đến giúp sức. Jôlio Quyri đã phát hiện ra rằng khi hạt nhân urani bị phân rã, có một số nơtron bay ra. Sau khi bắn phá vào nguyên tử của hạt nhân bên cạnh, chúng sẽ phải dẫn đến sự phân rã mới cái gọi là phản ứng dây chuyền sẽ bắt đầu. Bởi vì các quá trình này diễn ra trong vài phần triệu giây, cho nên, một lượng năng lượng khổng lồ sẽ được giải phóng và sự nổ là điều ắt phải xảy ra. Dường như tất cả đều đã rõ ràng. Tuy vậy, người ta đã nhiều lần dùng nơtron để bắn phá các mẩu urani, vậy mà chúng vẫn không nổ, nghĩa là không xuất hiện phản ứng dây chuyền. Có lẽ là phải thêm những điều kiện nào đó nữa. Những điều kiện gì vậy? Fređeric Jôlio Quyri chưa thể giải đáp được câu hỏi này.

Nhưng rồi lời giải đáp đã được tìm ra. Các nhà bác học Xô - viết trẻ tuổi là Ia. B. Zenđovich và Iu. B. Khariton đã tìm được cũng trong năm 1939. Qua các công trình nghiên cứu của mình, hai ông đã xác định được rằng, có hai cách triển khai phản ứng hạt nhân dây chuyền. Cách thứ nhất là tăng kích thước của khối urani, vì khi bắn phá một cục nhỏ, nhiều nơtron vừa mới thoát ra có thể văng ra ngoài mà không gặp một hạt nhân nào trên đường đi. Nếu tăng khối lượng của cục urani thì xác suất trúng đích của các nơtron tất nhiên cũng tăng lên.

Còn một cách thứ hai nữa là làm cho urani giàu đồng vị 235. Nguyên do là urani thiên nhiên có hai đồng vị chủ yếu với khối lượng nguyên tử là 238 và 235. Trong hạt nhân của đồng vị thứ nhất (mà số nguyên tử của nó nhiều hơn của các loại kia hàng trăm lần), có nhiều hơn ba nơtron so với đồng vị thứ hai. Urani 235 nghèo nơtron nên hấp thụ nơtron một cách tham lam mạnh hơn rất nhiều so với ông anh khá giả của nó. Còn ông anh này thì trong những điều kiện nhất định, sau khi nuốt xong nơtron lại không chịu phân chia thành từng mảnh mà biến thành nguyên tố khác. Về sau, các nhà bác học đã lợi dụng tính chất này để điều chế các nguyên tố siêu urani nhân tạo. Còn sự thờ ơ của urani 238 đối với nơtron thì rất nguy hại cho phản ứng dây chuyền, nó làm cho quá trình phản ứng suy yếu vì không kịp lấy lại sức. Bởi vậy, trong urani càng có nhiều nguyên tử khao khát nơtron (tức là đồng vị urani 325) thì phản ứng sẽ xảy ra càng mạnh.

Nhưng để cho phản ứng bắt đầu được thì cần phải có nơtron đầu tiên một que diêm để nhem lêm đám cháy nguyên tử. Tất nhiên, để đạt mục đích này, có thể sử dụng các nguồn nơtron thông thường mà trước đây các nhà bác học đã dùng trong các công trình nghiên ư cứu của mình ; cách này tuy không thuận tiện lắm nhưng có thể dùng được. Chẳng lẽ không có que diêm nào thích hợp hơn ư?

Có đấy. Các nhà bác học Xô - viết K. A. Petgiăc và G. N. Flerop đã tìm thấy nó. Trong những năm 1939 1940, khi nghiên cứu biến trạng của urani, họ đã đi đến kết luận rằng, các hạt nhân của nó có khả năng tự phân rã. Kết quả các thí nghiệm do họ tiến hành ở Lêningrat đã xác nhận điều đó.

(còn nữa)