by Niels Henrik David Bohr là nhà vật lý người Đan Mạch nhận giải Nobel vật lý năm 1922 cho "thành tựu nghiên cứu về cấu trúc nguyên tử". Mô hình Bohr là mô hình nguyên tử mà chúng ta sử dụng trong giảng dạy môn vật lý cho tới nay. Bài viết này lược trích vai trò của ông liên quan tới phản ứng phân hạch urani, dẫn tới dự án Manhattan về chế tạo vũ khí hạt nhân.
Niels Henrik David Bohr (7/10/1885 – 18/11/1962)
Niels Bohr mang thông tin phân hạch urani đến Mỹ
Ngày 6 tháng 1 năm 1939 hai nhà hóa học Otto Hahn (a) và Fritz Strassmann tại Berlin lần đầu tiên đã công bố xác nhận nguyên tố bari (Ba) là sản phẩm của bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (U) bằng nơtron, là bằng chứng hóa học xác nhận rằng nguyên tử urani bị phân tách (phân hạch) thành các nguyên tố nhẹ có điện tích và khối lượng chỉ khoảng một nửa của urani. Ngày 10 tháng 2 năm 1939, hai nhà vật lý Lise Meitner và Otto Frisch (cháu của Meitner) đã công bố lý giải vật lý thành công đầu tiên về hiện tượng phân hạch hạt nhân urani cùng với ước tính lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng trong quá trình này là khoảng 200 megaelectron volts (200MeV).
Niels Bohr rời Copenhagen vào ngày 7 tháng 1 năm 1939 tới Mỹ để tiến hành loạt bài giảng tại Đại học Princeton. Trước khi Bohr rời khỏi ga xe lửa, Frisch đưa cho Bohr bản nháp của bài báo phân hạch hạt nhân. Trên tàu thủy Drottningholm đến Mỹ, Bohr đã thảo luận với Léon Rosenfeld (b) về lý giải về phân hạch hạt nhân của Meitner và Frisch, cũng như việc Hahn và Strassmann đã xác định được bari là sản phẩm phân hạch của urani. Trong vài ngày, Bohr đã phát triển một lý giải đầy đủ hơn về hiện tượng này. Rosenfeld sau đó đã nhớ lại: "Khi chúng tôi gặp nhau trên tàu Bohr đã nói: Tôi có trong tay bản thảo bài bo của Frisch do Frish đưa liên quan đến một khám phá mới rất quan trọng mà tôi vẫn chưa hiểu hết. Chúng ta phải xem xét nó!”. Bohr chấp nhận ngay kết luận về phân hạch vì đó là kết quả khẳng định được trực tiếp từ các thí nghiệm. Nhưng Bohr vẫn không hiểu tại sao hạt nhân bị phân tách ra. Sau chuyến đi kéo dài khoảng sáu ngày, Bohr đã tìm ra được lý giải. Và hóa ra nó cực kỳ đơn giản!”.
Ngày 16 tháng 1 năm 1939, tàu Drottningholm cập bến New York. Khi tới đại học Princeton, Bohr trao đổi với Albert Einstein (c) và John Wheeler (d). Nhưng Bohr quên dặn Rosenfeld giữ bí mật nên Rosenfeld ngay lập tức nói với mọi người về tin tức phát hiện phân hạch tại câu lạc bộ tạp chí và do đó từ Princeton, tin tức được truyền miệng đến nhiều nhà vật lý gần đó bao gồm cả Enrico Fermi (e) tại đại học Columbia. Fermi và các cộng sự ngay lập tức bắt đầu thực việc tìm các xung ion hóa nặng mà có thể nhận được từ quá trình phân hạch cũng như giải phóng năng lượng. Nhưng rồi Fermi rời Columbia để tham dự hội nghị tại Washington. Hội nghị này là "hội nghị Washington lần thứ 5 về vật lý lý thuyết", do Đại học George Washington và Viện Carnegie ở Washington đồng tài trợ và do George Gamow (f) và Edward Teller (g) tổ chức.
Bohr cũng được mời tham dự hội nghị này. Đêm trước hội nghị (25 tháng 1 năm 1939), Gamow gọi điện cho Teller và nói: "Bohr đúng là điên rồ! Bohr nói rằng hạt nhân uranium bị phân tách!”.
Sáng ngày 26 tháng 1 năm 1939, thay vì phiên thảo luận về vật lý nhiệt độ thấp như trong kế hoạch, Bohr đã thuyết trình về phân hạch hạt nhân. Bohr và Fermi gọi urani là "Kẻ bị chia tách”. Vào đêm 28 tháng 1 năm 1939, thí nghiệm phân hạch đã được lặp lại thành công tại Viện Carnegie ở Washington, sử dụng nơtron phát ra từ liti (Li) khi bị bắn phá bởi deuteri (D) với năng lượng 1 MeV. Fermi, Bohr và khách hội nghị đã tận mắt quan sát một xung rất lớn trên máy hiện sóng từ các sản phẩm phân hạch. Sau này Teller hồi tưởng lại: "Thật không thể nào tin được: thí nghiệm này là một trong những thí nghiệm dễ thực hiện nhất. Thế mà phải mất ngần ấy năm để hiểu được chuyện gì đang thực sự xảy ra!”
Trong phòng 209 của tòa nhà ở góc đường số 19 và đường G tại Đại học George Washington có treo một tấm bảng đồng khắc dòng chữ: „Trong phòng này, vào ngày 26 tháng 1 năm 1939, Niels Bohr lần đầu tiên đã thông báo công khai về sự phân hạch urani thành bari cùng với lượng năng lượng giải phóng khoảng hai triệu Mega vôn từ một phân hạch”. Năm 2002, một tấm bảng bằng đồng mới đã được gắn ở cửa vào tòa nhà Hóa học và Vật lý trong khuôn viên đại học George Washington mô tả về thông báo về thời đại nguyên tử-sự kiện diễn ra vào ngày 26 tháng 1 năm 1939.
Bảng đồng kỷ niệm "Thông báo về thời đại nguyên tử” về sự kiện diễn ra vào ngày 26 tháng 1 năm 1939, gắn ở cửa vào tòa nhà Hóa học và Vật lý trong khuôn viên đại học George Washington.
Chuỗi phản ứng về phản ứng phân hạch urani
Trước khi cuộc họp ở Washington kết thúc, một số phòng thí nghiệm ở Mỹ đã xác nhận phân hạch thực nghiệm: tại Viện Carnegie ở Washington (vào ngày 28 tháng 1, gửi bài đăng ngày 4 tháng 2), tại Đại học John Hopkins (vào ngày 28 tháng 1, gửi bài đăng ngày 3 tháng 2), tại Đại học California (hai nhóm, gửi đăng vào ngày 31 tháng 1 và ngày 3 tháng 2). Bốn bài báo đầu tiên về thí nghiệm phân hạch cùng xuất bản trong cùng một số của Tạp chí Vật Lý (Physical Review, số 4 tập 55) ra ngày 15 tháng 2 năm 1939. Trong số tiếp theo (Physical Review, số 5 tập 55) xuất bản ngày 1 tháng 3 có thêm 2 bài đăng từ Đại học California, 1 bài từ viện Carnegie ở Washington và 1 bài từ đại học Colombia.
Nhóm Fermi tại Đại học Columbia là nhóm đầu tiên thực hiện phản ứng phân hạch tại nước Mỹ vào ngày 25 tháng 1 năm 1939, sử dụng máy gia tốc cyclotron 75 tấn nằm trong hầm đá bên dưới tòa nhà Vật lý, và thu được sự phân tách cực mạnh của urani và các bức ảnh thu được cho thấy rằng các đỉnh phóng điện cao tới hai trăm triệu volt. Nhưng bài báo của họ lại không phải là bài báo đầu tiên, mà xuất bản chậm hơn 2 tuần, vì họ chỉ gửi đăng vào ngày 16 tháng 2, nên bài báo của họ chỉ xuất bản vào ngày 1 tháng 3 năm 1939.
Tại Paris, vào ngày 16 tháng 1 năm 1939 Frédéric Joliot-Curie (h) đã biết được kết quả của Hahn và Strassmann về bari là sản phẩm phân hạch của urani. Vào ngày 26 tháng 1, ông đã thu được các mảnh phân hạch và ông công bố kết quả trên Comptes Rendus vào ngày 30 tháng 1 năm. Ông không biết về các bài báo của Meitner và Frisch cũng như các thí nghiệm của Frisch tại Copenhagen.
Bohr, với mục đích nhấn mạnh tầm quan trọng của khám phá của Meitner và Frisch cũng như các thí nghiệm của Frisch, đã gửi bài báo ngắn cho tạp chí Thiên nhiên (gửi ngày 20 tháng 1, tức là 4 ngày sau khi đến Mỹ, xuất bản ngày 25 tháng 2 năm 1939) và cho Tạp chí Vật lý (Physical Review, gửi ngày 7 tháng 2, đăng ngày 15 tháng 2 năm 1939. Cho đến cuối năm 1939, đã xuất hiện khoảng 100 bài báo về chủ đề phân hạnh urani.
Phản ứng hạt nhân dây chuyền chỉ bởi đồng vị U-235
Ngay trong hội nghị tại Washington, Fermi đã đề cập với Bohr về khả năng phân hạch hạt nhân có thể là chìa khóa để giải phóng năng lượng khổng lồ theo cơ chế của phản ứng dây chuyền. Ông suy đoán rằng sự phân hạch của nguyên tử urani có thể giải phóng các nơtron bổ xung mà rồi có thể kích hoạt phân hạch các nguyên tử khác, và như vậy bắt đầu một phản ứng dây chuyền. Nhóm tại Viện Carnegie là những người đầu tiên phát hiện ra sự phát xạ neutron chậm từ quá trình phân hạch uranium vào tháng 2 năm 1939: những neutron bị trì hoãn, phát ra 1,5 phút sau khi bắn phá uranium, với cường độ 1 hạt nortron mỗi giây và với thời gian phân rã 12,5+/-3 giây (gửi bài ngày 10 tháng 3, bài đăng ngày 1 tháng 4, năm 1939).
Ngày 27 tháng 2 năm 1939, nhóm Szilárd (i) và nhóm Fermi tại Đại học Columbia cùng đồng thời phát hiện ra phát xạ các nơtron tức thời từ quá trình phân hạch. Họ gửi bài đến Tạp chí Vật lý vào cùng ngày 16 tháng 3, yêu cầu đăng ký gửi bài nhưng không xuất bản, cho đến khi có quyết định mới. Cả Szilárd và Fermi ước tính khoảng 2 nơtron được phát xạ ra từ mỗi phân hạch (tức là trên mỗi neutron bị hấp thụ). Thí nhiệm này có ý nghĩa rất quan trọng. Nó chỉ ra rằng một phản ứng dây chuyền có thể xảy ra, do urani khi phân hạch có phát xạ ra thêm nơtron (dư thừa). Nhóm Joliot-Curie tại Paris, hoàn toàn độc lập với nhóm Columbia, vào ngày 8 tháng 3 năm 1939 đã quan sát thấy một lượng nơtron không xác định phát ra trong quá trình phân hạch. Họ đăng bài trên tạp chí Tự nhiên xuất bản ngày 18 tháng 3. Vào ngày 16 tháng 3, họ đánh giá được là giá trị trung bình là 3,5 ± 0,7 nơtron từ mỗi phân hạch, và gửi đăng bài mới vào ngày 21 tháng 3 năm 1939.
Nhóm Mỹ đã cố gắng thuyết phục Joliot giữ bí mật. Nhưng Joliot vẫn quyết định xuất bản. Vì vậy Tạp chí Vật lý đã công bố bài báo của Fermi và Szilárd vào ngày 15 tháng 4. Và tập chí Tự nhiên đã xuất bản bài báo tiếp theo của Joliot vào ngày 22 tháng 4 năm 1939. Nghiên cứu tiếp theo của Fermi và Szilárd đã xác nhận giá trị là 2,3 nơtron từ mỗi phân hạch. Giá trị được chấp nhận hiện nay là 2,4 nơtron trên mỗi phân hạch của urani-235. Tuy nhiên, dù phát hiện ra nơtron dư thừa, tại sao phản ứng dây chuyền phân hạch urani không thực sự xảy ra?
Trong một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ tại Đại học Columbia vào ngày 17 tháng 2 năm 1939, Bohr và Wheeler đã đưa ra một lý thuyết về phân hạch uranium. Theo đó, không phải tất cả urani thực sự phân hạch. Họ tin rằng chỉ một trong ba đồng vị của urani thực sự có khả năng phân hạch. Đồng vị này có trọng lượng nguyên tử là 235 (U-235), chỉ chiếm khoảng 0.7% trong hỗn hợp urani có trong tự nhiên trong khi 99.3% là đồng vị U-238, còn đồng vị U-234 là không đáng kể (0.006%). U-238 cực kỳ ổn định với thời gian bán rã được ước tính là một trăm triệu năm. Nó như là một tấm chăn ướt đắp trên U-235. Bohr và Wheeler lập luận rằng một phản ứng dây chuyền chỉ có thể thu được từ U-235 nguyên chất. Họ cũng đề xuất rằng phản ứng dây chuyền có thể được bắt đầu bằng cách bắn phá với nơtron chậm. Fermi đề kiến rằng than chì hoặc nước nặng có thể được sử dụng làm chậm hoặc điều tiết. Nơtron thường phát ra rất nhanh (10.000 dặm mỗi giây). Các nơtron nhanh như vậy dễ dàng bị bắt bởi U-238 và vì vậy không xảy ra phân hạch. Khi nơtron bị buộc phải vượt qua một số chất như than chì hoặc nước nặng, do va chạm, nơtron bị mất một phần năng lượng làm tốc độ của nó giảm xuống không quá 1 dặm (1.6km) mỗi giây. Nơtron chậm có thể nảy xung quanh từ hạt nhân U-238 này sang hạt nhân khác, cho đến khi nó gặp hạt nhân của nguyên tử U-235 thì sẽ phân tách nó ra. (Để dễ hình dung hơn, độc giả có thể so sánh hiệu quả của nơtron chậm (hoặc nơtron nhiệt) với các quả bóng trên sân gôn. Khi quả bóng golf lăn chậm từ từ thì nó có thể nhẹ nhàng rơi vào hố trên thảm cỏ. Còn khi quả bóng golf chuyển động nhanh, nó có thể lăn lướt qua hố chứ không bị rơi vào hố, và rồi lăn đi tiếp.)
Bohr và Wheeler gửi đăng bài vào ngày 28 tháng 6, và một cách ngẫu nhiên bài báo xuất bản đúng ngày 1 tháng 9 năm 1939, ngày chiến tranh thế giới thứ hai nổ ra. Alfred O. Nier tại Đại học Minnesota là người đầu tiên tách được một lượng U-235 nguyên chất từ hỗn hợp đồng vị urani tự nhiên. Ông đã gửi số lượng siêu nhỏ U-235 này (khoảng 0,02 microgam) cho Fermi và những người khác tại Đại học Columbia. Một lượng nhỏ trong lượng U-235 từ Nier và một lượng khác từ phòng thí nghiệm General Electric đã bị bắn phá bởi các nơtron chậm trong máy gia tốc tại Columbia. Dự đoán của Bohr và Wheeler đã được xác nhận (bằng thực nghiệm) vào tháng 3 năm 1940. Chỉ trong vài tháng, các nhà vật lý ở châu Âu và Mỹ đã tìm ra các điều kiện để urani có thể duy trì một phản ứng hạt nhân dây chuyền và giải phóng đủ năng lượng để chế tạo bom. Niels Bohr cũng thuộc nhóm các nhà khoa học làm việc cho Dự án Manhattan (j) dưới cái tên giả định là Nicholas Baker vì lý do an ninh.
Chú dẫn:
(a) Otto Hahn (1879-1968) là nhà hóa học người Đức đạt giải Nobel hóa học năm 1944 cho phát hiện sản phẩm phân hạch hạt nhân.
(b) Léon Rosenfeld (1904-1974) là nhà vật lý người Bỉ đã đặt ra cái tên lepton. Ông là trợ lý và đồng nghiệp của Niels Bohr.
(c) Albert Einstein (1879-1955) là nhà vật lý Mỹ gốc Đức đạt giải Nobel Vật lý năm 1921 cho phát hiện ra định luật hiệu ứng quang điện. Ông cũng là tác giả của thuyết tương đối tổng quát, một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại.
(d) John Archibald Wheeler (1911-2008) là một nhà vật lý lý thuyết người Mỹ, người đã tham gia vào sự phát triển lý thuyết của bom nguyên tử.
(e) Enrico Fermi (1901-1954) là nhà vật lý người Ý đạt giải Nobel vật lý năm 1938 cho chứng minh sự tồn tại của các nguyên tố phóng xạ mới được tạo ra bởi bức xạ nơtron, và cho phát hiện các phản ứng hạt nhân với các nơtron chậm.
(f) George Gamow (1904-1968) là nhà vật lý người Mỹ gốc Nga, người đầu tiên đề xuất mô hình giọt lỏng (1928) và là người nổi tiếng với lý thuyết Alpher-Bethe-Gamow (lý thuyết Alpha_Beta_Gamma (1948)) có đóng góp lớn cho lý thuyết vụ nổ lớn (Big Bang).
(g) Edward Teller (1908-2003) là nhà vật lý Mỹ gốc Hung, được biết đến là cha đẻ của bom hyđrô.
(h) Jean Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) là nhà khoa học Pháp đạt giải Nobel hóa học năm 1935 (cùng với vợ Irène Joliot-Curie) về tổng hợp các nguyên tố phóng xạ mới.
(i) Leó Szilárd (1898-1964) là nhà vật lý người Mỹ gốc Hung, là tác giả bằng sáng chế về phản ứng dây chuyền hạt nhân, và đồng tác giả (với Erico Fermi) bằng sáng chế về lò phản ứng hạt nhân.
(j) Dự án Manhattan (1942-1946) là một dự án nghiên cứu và phát triển đã chế tạo ra những quả bom nguyên tử đầu tiên trong Thế chiến II, chủ yếu do Mỹ thực hiện với sự giúp đỡ của Anh và Canada.
Tác giả bài viết: Nhữ-Tarnawska Hoa Kim Ngân, Câu lạc bộ Lê Quý Đôn tại Ba Lan
0 comments: