by Ngày 6 tháng 1 năm 1939 hai nhà hóa học Otto Hahn và Fritz Strassmann lần đầu tiên đã công bố xác nhận nguyên tố bari (Barium (Ba)) là sản phẩm của bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (Uranium (U)) với nơtron. Ngày 10 tháng 2 năm 1939 hai nhà vật lý Lise Meitner và Otto Frisch 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). Lịch sử phát hiện phân hạch hạt nhân khá ly kỳ và bao gồm khá nhiều sai sót của nhiều nhà vật lý nổi tiếng.
Phân hạch hạt nhân nguyên tử các nguyên tố nặng khi bị bắn phá (chiếu xạ) với nơtron (neutron), trong đó hạt nhân bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn cùng vài sản phẩm phụ khác và giải phóng năng lượng, là một trong những khám phá vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Sự phân hạch của một hạt nhân urani sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ 200 MeV. Để so sánh: năng lượng giải phóng khi phân hạch chỉ 1 gam nguyên tố urani (=5*1023 MeV = 8*1010J) sẽ tương đương với năng lượng nhiệt khi đốt khoảng 2.5 tấn than. Phát hiện này đã thay đổi cục diện thế giới và thế giới quan của con người.
*1 eV = 1e.1V = 1,602.10-19 C.V = 1,602.10-19 A.s.V = 1,602.10-19 W.s = 1,602.10-19 J
Các bội số thường dùng là keV, MeV, GeV.
Minh họa phản ứng phân hạch hạt nhân (Nuclear Fission): Nơtron chậm bắn phá hạt nhân nguyên tử nguyên tố nặng khiến nó bị biến dạng và rồi bị chia tách thành hai phần (sản phẩm phân hạch). Khối lượng bị mất (tức là sự khác nhau giữa tổng khối lượng sản phẩm và tổng khối lượng tác chất ban đầu) được chuyển sang dạng nhiệt và bức xạ điện từ, và đặc biệt là nó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.
1. Sự khởi đầu của nghiên cứu hạt nhân (thời kỳ 1919-1935)
Phản ứng hạt nhân đầu tiên được thực hiện bởi Ernest Rutherford (a) năm 1919. Ông đã bắn phá hạt nhân các nguyên tử nitơ (14N) với hạt alpha (là hạt nhân của nguyên tử heli (4He)). Kết quả của phản ứng là hình thành hạt nhân oxy (17O) và hạt nhân hydro (1H, gọi là hạt proton). Phản ứng này kèm theo 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! Ông đã công khai ý kiến của mình trong bài phát biểu có tựa đề "Phá vỡ nguyên tử" trong cuộc họp của Hiệp hội khoa học Anh năm 1933. Tuyên bố của ông đã được đăng lại trong tạp chí "Thời Đại" (Time) ngày 11 tháng 9 năm 1933: "Trong quy trình này, chúng ta có thể thu được nhiều năng lượng hơn là nhận được proton, nhưng chúng ta không thể tạo ra năng lượng theo cách này được (bằng phân hạch hạt nhân). Đó là một phương pháp sản xuất năng lượng rất kém và không hiệu quả, và bất kỳ ai tìm kiếm nguồn năng lượng bằng việc chuyển hóa nguyên tử đều là hão huyền. Nhưng chủ đề này rất thú vị về phương diện khoa học, bởi vì nó cho phép bạn nhìn vào cấu trúc bên trong nguyên tử”.
Tạp chí Tự nhiên (Nature) xuất bản ngày 12 tháng 9 năm 1933 cũng đăng bình luận của Rutherford: "Những chuyển hóa nguyên tử này có lợi ích phi thường đối với các nhà khoa học, nhưng chúng ta không thể kiểm soát năng lượng nguyên tử ở mức độ có giá trị thương mại, và tôi tin rằng chúng ta không bao giờ có khả năng làm như vậy...Mối quan tâm của chúng ta về vấn đề này là hoàn toàn thuần túy về khoa học, và các thí nghiệm đang được tiến hành sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn cấu trúc của vật chất".
Không chỉ Rutherford, người được coi là cha đẻ của Vật Lý hạt nhân, mà cả các nhà khoa học nổi tiếng lúc đó như Niels Bohr (b) và Albert Eistein (c) cũng chia sẻ quan điểm về khả năng không thể khai thác sử dụng năng lượng nguyên tử trong thực tế. Trong một cuộc họp báo năm 1934 Einstein đã so sánh sự bắn phá hạt nhân với việc bắn vào những con chim hiếm trong bóng tối. Còn Bohr cho rằng cơ hội sử dụng được năng lượng nguyên tử là rất xa vời.
Các thí nghiệm bắn phá hạt nhân nguyên tử urani đầu tiên với hạt nơtron được tiến hành bởi Enrico Fermi (d) và các đồng nghiệp ở Roma vào năm 1934. Fermi là người đầu tiên nhận ra vai trò quan trọng của nơtron như một phương tiện để tạo ra các phản ứng hạt nhân. Các nơtron không có điện tích nên có thể tiếp cận hạt nhân nguyên tử mà không bị cản trở bởi lực cản Coulomb xung quanh hạt nhân. Vào ngày 22 tháng 10 năm 1934, nhóm Fermi một cách ngẫu nhiên Fermi đã khám phá ra một đặc tính quan trọng của nơtron là các hạt nơtron nhiệt chậm đã bị hấp thụ (bị "bắt") bởi hạt nhân.
Urani là nguyên tố có số hiệu (số nguyên tử hay số điện tích) cao nhất (Z=92) được tìm thấy trong tự nhiên thời bấy giờ. Fermi nghĩ rằng việc bắn phá hạt nhân bằng hạt nơtron có thể được sử dụng để tạo ra các nguyên tố gọi là ‘siêu urani’ (các nguyên tố nặng hơn urani (transuranic elements)), tức là các nguyên tố có số hiệu lớn hơn số hiệu của urani. Cụ thể là chiếu xạ nơtron cho urani-238 (Z=92) sẽ tạo ra đồng vị urani-239 mà sau đó sẽ trải qua chuỗi phân rã beta và tạo nên nguyên tố X-239 với số hiệu Z=93. Tuy nhiên, khi bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (Z=92) và thori (Z=90) với nơtron, họ quan sát thấy không chỉ một mà là vài loại phóng xạ beta có chu kỳ bán rã (T1/2) khác nhau mà không thể giải thích được một cách đơn giản là do sự phân rã của nguyên tố siêu urani. Ví dụ như là Fermi chỉ có thể chứng minh rằng nguyên tố với chuỗi phân rã beta với T1/2=13 phút không phải là bất kỳ nguyên tố nào giữa urani (Z=92) và chì (Z=86) trong bảng tuần hoàn. Ông đề xuất khả năng xuất hiện nguyên tố với số hiệu 93. Trong bài báo đăng trên tạp chí Tự nhiên năm 1934, Fermi viết: "...chúng tôi đã loại trừ khả năng phân rã beta với chu kỳ bán rã 13 phút là do các đồng vị của urani (92), protacti (91), thori (90), actini (89), radi (88), bismuth (83), chì (82). Bằng chứng phủ định về hiện diện bức xạ 13 phút trong các nguyên tố nặng cho thấy khả năng xuất hiện nguyên tố có số nguyên tử có thể lớn hơn 92. Nếu đó là nguyên tố 93, nó sẽ có tính chất hóa học tương tự với mangan và rheni".
Nhóm Fermi đã không kiểm tra sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ hơn, bởi vì họ đã không tính đến khả năng phân tách hạt nhân urani thành hạt nhân nhẹ hơn. Trong bài thuyết trình trong buổi trao giải Nobel vào ngày 12 tháng 12 năm 1938, Fermi đã tuyên bố: "Chúng tôi kết luận rằng chúng là các nguyên tố có số hiệu lớn hơn 92. Ở Roma, chúng tôi gọi các nguyên tố 93 và 94 tương ứng là Ausenium và Hesperium". Chỉ 10 ngày sau bài thuyết trình tại giải Nobel của Fermi về các nguyên tố siêu urani, Otto Hahn (e) và Fritz Strassmann (f) tại Berlin đã tiếp cận kết quả lịch sử của họ về phát hiện bari là một sản phẩm phân hạch. Bari nằm giữa bảng tuần hoàn, là nguyên tố có số hiệu Z=56, tức là nhẹ chỉ bằng hơn nửa urani.
Ida Tacke-Noddack (g) là người đầu tiên chỉ ra khả năng phá vỡ hạt nhân urani vào tháng 9 năm 1934. Noddack đặt dấu hỏi về kết quả của nhóm ở Roma trong bài báo của bà với tiêu đề "Về nguyên tố 93" đăng trong tạp chí Hóa học Ứng dụng. Bà bình luận: "Hạt nhân của nguyên tố nặng khi bị bắn phá bởi hạt nơtron sẽ bị phân tách thành nhiều đồng vị của các nguyên tố đã biết (trong bảng tuần hoàn) có số hiệu thấp hơn, chứ không phải là các nguyên tố gần sát cạnh với urani”. Tuy nhiên, dù bà là một nhà hóa học, bà đã không tiến hành thí nghiệm để chứng minh sự hiện diện của các nguyên tố như vậy, mà chỉ giới hạn ở việc đưa ra một giả thuyết. Bài báo của bà kg thu hút được sự quan tâm của giới khoa học, vì giả thuyết của bà dường như rất vô lý. Nhóm Fermi thực tế đã phân tách nguyên tử urani, nhưng họ lại không biết về điều đó. Lẽ ra nhóm Fermi có thể thấy bằng chứng về sự phá vỡ hạt nhân, vì ông sử dụng bộ đếm Geiger (dùng để phát hiện ra các đồng vị phóng xạ). Nhưng vì họ đã đặt một lá nhôm mỏng giữa mẫu urani và máy đếm nên đã mất cơ hội phát hiện sản phẩm phân hạch có điện tích cao, có khả năng ion hóa mạnh mẽ và dễ bị hấp thụ. Cơ hội phát hiện hiện tượng phân hạch tuột khỏi tay Fermi.
2. Nguyên cứu sản phẩm bắn phá hạt nhân urani và thori bằng hạt nơtron (thời kỳ 1935-1938)
Otto Hahn và Lise Meitner (h) đã làm việc cùng với nhau hơn 30 năm (từ cuối năm 1907 đến tháng 7 năm 1938) tại Viện Kaiser Wilhelm ở Dahlem gần Berlin (ngày nay là Viện Max Planck). Từ cuối năm 1934, họ nghiên cứu chuyên sâu về xác định các sản phẩm phóng xạ được tạo ra khi bắn phá hạt nhân urani bằng hạt nơtron. Sau khi chiếu xạ urani với nơtron, họ hòa tan mẫu và dùng phương pháp hóa học để phân tách ra các nguyên tố. Từ giữa năm 1935, Fritz Strassmann-một nhà hóa học trẻ đã cùng tham gia nghiên cứu với họ.
Trong những năm 1935-1938, nhóm Berlin xác định được thêm 9 sản phẩm có phân rã beta. Các nguyên tố này dường như là phù hợp với các nguyên tố từ 93 đến 97. Do đó, họ tin rằng chúng là những nguyên tố siêu urani. Họ cũng tiến hành kiểm tra nguyên tố với chu kỳ bán phân rã 13 phút của nhóm Fermi bằng phân tích hóa học. Cũng như Fermi, họ tin rằng đó là nguyên tố 93. Họ xuất bản khá nhiều bài báo về lĩnh vực này. Sau này Metner thừa nhận " ...Tôi nhận ra rằng những khám phá của Hahn ơvề bari là sản phẩm phân hạch] đã mở ra một hướngng khoa học hoàn toàn mới và cũng cho thấy những công việc trước đây của chúng tôi đã có rất nhiều sai sót". Ngày 13 tháng 7 năm 1938, Meitner buộc phải rời Berlin, trốn khỏi chế độ Đức quốc xã, và đến Stockholm.
Song song với nhóm Berlin, trong giai đoạn 1935-1938, Irène Julliot-Curie (i) cùng với Pavlé Savitch (j) tại Viện Radium ở Paris đã nghiên cứu đặc tính hóa học các sản phẩm phóng xạ từ bắn phá urani và thori bằng nơtron. Cuối năm 1937, nhóm ở Paris đã ngạc nhiên tìm thấy nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã 3,5 giờ. Đầu tiên họ nghĩ rằng đó là một đồng vị phóng xạ mới của thori. Tháng 3 năm 1938 Irène Curie đã phát hiện ra là nguyên tố này có hoạt tính như lantan. Trong bài báo xuất bản tháng 8 năm 1938, Curie viết: "…nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã là 3,5 giờ với các đặc tính hóa học tương tự như của đất hiếm…. Có vẻ là nó không phải là nguyên tố chuyển hóa vì có đặc tính rất khác với các nguyên tố chuyển hóa đã biết". Nhưng vì Irène Curie kg nghĩ tới khả năng về nguyên tố nhẹ là một sản phẩm phân hạch nên đã không hiểu rằng nguyên tố được phát hiện thực sự là lantan, nguyên tố ở giữa bảng tuần hoàn (Z=57), nên lại coi nó thuộc nhóm các nguyên tố siêu urani (Z>92) nhưng hàm chứa các đặc tính bất thường (là bởi vì nó có đặc tính hóa học tương tự lantan). Trong bài báo xuất bản tháng 10 năm 1938, bà mô tả: "... các hoạt tính của nguyên tố 3,5 giờ là của lantan…nếu nó là nguyên tố chuyển hóa thì nó phải chứa một số đặc tính dị thường trong tính chất hóa học".
Nếu họ dám khẳng định là họ đã phát hiện ra lantan, thì họ đã trở thành những người đầu tiên phát hiện ra phân hạch hạt nhân.
3. Otto Hahn và Fritz Strassmann nhận diện bari là sản phẩm của phân hạch hạt nhân urani (tháng 12 năm 1938)
Hahn và Strassmann nhận thấy cường độ phóng xạ với chu kỳ bán rã là 3,5 giờ rất mạnh, có thể là do chứa radi, nên họ quyết định lặp lại thí nghiệm của Irène Curie.
Vào tháng 11 năm 1938, Hahn và Strassmann tìm thấy ít nhất 3 nguyên tố xạ có hoạt tính hóa học tương tự với bari. Khi chỉ xét đến các nguyên tố lân cận urani, họ nghĩ rằng chỉ có thể là radi hay actini. Hahn cũng ghi nhận một sự khác biệt lớn giữa thí nghiệm với urani và thori: các nơtron nhanh có hiệu quả hơn đối với thori, trong khi các nơtron chậm đã thúc đẩy quá trình đối với urani.
Vào đầu tháng 12 năm 1938, Hahn và Strassmann đã cố gắng xác minh sự hiện diện của radi. Vì radi và bari là các nguyên tố nhóm IIA trong bảng tuần hoàn có cùng đặc tính hóa học, nên họ cho thêm bari vào hỗn hợp đóng vai trò chất mang cho việc chiết tách lượng nhỏ radi như dự đoán. Nhưng rồi họ không thể tách radi ra khỏi bari. Họ lặp đi lặp lại thí nghiệm nhiều lần, rồi họ buộc phải đi đến kết luận rằng sản phẩm phóng xạ không chỉ là có tính chất giống như bari, mà nó chính là bari (Z=56).
Trong bức thư gửi cho Meitner ngày 19 tháng 12 năm 1938, Hahn viết về "tưởng tượng về bari" của mình: "Thời gian bán rã của 3 đồng vị được xác định khá chính xác, nó có thể được tách từ tất cả các nguyên tố chỉ ngoại trừ từ bari…Chúng tôi đang tiến gần đến kết luận đáng sợ: những đồng vị của radi không giống như radi mà lại giống bari…Tất cả cả nguyên tố khác, nguyên tố siêu urani , urani, thori, actini….chì đều nằm ngoài khả năng…Có lẽ bà có thể đưa ra được sự giải thích thích đáng. Chính chúng tôi biết rằng urani thực sự là không thể tự nhiên vỡ thành bari. Chúng tôi đang kiểm tra xem liệu các đồng vị actini sẽ là actini hay là lantan". Meitner nhận được tin về bari vào ngày 21 tháng 12 năm 1938 tại Stockholm. Bà trả lời ngay lập tức: "Kết quả của ông rất lý thú. Phản ứng với nơtron chậm [với urani] lại có thể tạo ra bari! Tại thời điểm này, giả định về sự phá vỡ hoàn toàn như vậy đối với tôi dường như là rất khó xảy ra, nhưng trong vật lý hạt nhân, chúng ta đã trải qua rất nhiều bất ngờ, nên không thể nói một cách vô căn cứ rằng: điều này là không thể".
Hahn là một nhà hóa học phóng xạ tài năng và kinh nghiệm. Cho dù ông không thể giải thích được nguồn gốc của bari, ông rất chắc chắn về kết quả phân tích của mình. Ngày 21 tháng 12, Hahn viết thư cho Meitner: "Chúng tôi không thể không tin vào kết quả của mình, ngay cả khi nó có vẻ ngớ ngẩn về phương diện vật lý…".
Hahn và Strassmann đã gửi đăng kết quả nghiên cứu vào ngày 22 tháng 12 năm 1938. Bài báo có giá trị lịch sử về khám phá ra bari với tựa đề "Về sự phát hiện và hoạt tính của các kim loại đất kiềm được tạo ra bởi sự chiếu xạ urani bằng hạt nơtron đã được xuất bản trong tạp chí Khoa học tự Nhiên của Đức vào ngày 6 tháng 1 năm 1939. Hahn viết: "Chúng tôi đã đi đến kết luận rằng 'đồng vị radi' có các tính chất của bari. Là nhà hóa học, chúng tôi khẳng định rằng các sản phẩm (của phân rã) không phải là radi, mà là chính bari.
Nếu "đồng vị radi" của chúng tôi không phải là radi, thì "đồng vị actin" cũng không phải là actin, mà là lantan”. Như vậy Hahn đã minh chứng được là các đồng vị bari (Z=56) được tạo thành từ bắn phá urani (Z=92) với nơtron. Tức là, hạt nhân của urani không chuyển thành nguyên tố siêu urani (do hấp thụ nơtron), mà lại bị phá vỡ ra thành hai mảnh.
Lúc bấy giờ không một ai có thể nghĩ tới khả năng là một nguyên tố nặng như urani có thể chuyển thành một nguyên tố nhẹ như bari. Có thể loại bỏ bớt bốn proton (ví dụ như bằng việc bớt đi hai hạt α) từ hạt nhân urani và như vậy sẽ tạo ra hạt nhân radi. Nhưng để tạo được bari từ urani thì cần loại bỏ bớt 100 hạt! Điều đó dường như là không thể. Các nhà vật lý đã không thể tiên đoán ra được hiện tượng phân hạch.
Mặc dù có những bằng chứng hóa học chắc chắn, Hahn và Strassman cũng rất miễn cưỡng đi ngược lại ý tưởng của các nhà vật lí hạt nhân nổi tiếng, và không dám tin là hạt nhận urani có thể bị phân chia thành hai phần. Hahn viết trong bài báo: "Là nhà hóa học, chúng tôi thực sự phải sửa đổi sơ đồ phân rã ở trên và thay các nguyên tố Ba, La, Ce vào vị trí Ra, Ac, Th. Tuy nhiên, với tư cách là 'các nhà hóa học hạt nhân' làm việc rất gần với lĩnh vực vật lý, chúng tôi không thể tự mình tiến một bước quyết định mà đi ngược lại toàn bộ thành tựu của vật lý hạt nhân. Cũng có thể là đã có một loạt các sự trùng hợp bất thường đã mang lại cho chúng tôi những dấu hiệu sai sót".
Không lâu sau đó Hahn và Strassmann phát hiện bari khi bắn phát hạt nhân thori, tức là họ cũng quan sát thấy sự phân hạch hạt nhân thori. Trong thư gửi cho Meitner ngày 10 tháng 1 năm 1939 Hahn viết: "Sản phẩm radi từ thori cũng là bari. Thí nghiệm mà chúng tôi thực hiện đã minh chứng một cách tuyệt đối …Tại sao bari luôn xuất hiện, tôi không biết".
Ngày 23 tháng 1 năm 1939, Hahn và Strassmann xác nhận về mặt hóa học sự hiện diện của nguyên tố stronti và yttri. Ngày 28 tháng giêng năm 1939, họ gửi bài báo đến tạp chí Khoa học tự nhiên về phát hiện mới với tiêu đề "Thẩm định sự hình thành các đồng vị Bari phóng xạ từ Urani và Thorium bằng cách chiếu xạ nơtron; Xác định các mảnh phóng xạ bổ sung từ phân hạch Uranium". Bài báo được xuất bản ngày 10 tháng 2 năm 1939, xác nhận sự hiện diện của các đồng vị bari cũng như stronti (Z=38), đồng vị yttri (Z=39), và cả khí trơ krypton (Z=36).
Hạt nhân urani rất ổn định. Uran tự nhiên bao gồm ba đồng vị: khoảng 99,28% là U-238 (T1/2 khoảng 4,5 tỷ năm), khoảng 0,71% là U-235 (T1/2=704 triệu năm) và 0,0054% là U-234 (T1/2=245 nghìn năm). Việc phát hiện ra bari là sản phẩm phân hạch của urani đã gây sốc lớn cho cộng đồng vật lý hạt nhân. Không một ai nghĩ được rằng một hạt nơtron có thể làm hạt nhân urani phân chia và rồi dẫn đến phản ứng dây chuyền và sự giải phóng bùng nổ của năng lượng.
Lý giải về phân hạch hạt nhân của Lise Meitner và Otto Frisch vào dịp Giáng sinh năm 1938
Dịp Giáng sinh năm 1938, Lise Meitner đi nghỉ ở Kungälv, cách thành phố Gothenburg của Thụy điển khoảng 20 km về phía bắc. Nhân dịp này, Otto Frischk) từ Copenhagen (thủ đô của Đan mạch) đã đến thăm bà (Frisch là con của chị gái của Metner).
Meitner đưa cho Frisch xem lá thư của Hahn đề ngày 19 tháng 12 năm 1938 về "tưởng tượng về bari". Sau đó, trong những cuộc bàn luận khi đi dạo trên tuyết, dựa trên mô hình hạt nhân dạng "giọt chất lỏng" của Niels Bohr, Meitner và Frisch đã tìm ra lý giải chính xác kết quả thực nghiệm phân hạch của Hahn và Strassmann. Hạt nhân nguyên tử như một giọt chất lỏng hình cầu. Sau khi hấp thụ nơtron, nơtron gây nên sự rung động mạnh trong hạt nhân làm nó bị biến dạng thành dạng giọt dài. Do lực biến dạng rất lớn, phần giữa của giọt bị thu hẹp dần và nó bị phân tách thành hai giọt nhỏ hơn không bằng nhau. Sau này Frisch hồi tưởng lại: "...Chúng tôi đi đi lại lại trên tuyết. Tôi trên bàn trượt, còn Meitner đi bộ ... và rồi ý tưởng dần dần hình thành, rằng hạt nhân urani không phải là bị nghiền hoặc bẻ gãy, mà là một quá trình phân chia có thể được giải thích bởi mô hình của Bohr…"
Khi trở về Copenhagen, Frisch đã gửi bản thảo đầu tiên của bài báo cho Meitner vào ngày 8 tháng 1 năm 1939. Ông hỏi William Arnold (nhà sinh học người Mỹ) - một đồng nghiệp trong viện: "sự phân chia tế bào (trong sinh học) được gọi là gì?". Arnold trả lời "Phân hạch!". Frish đã sử dụng thuật ngữ "phân hạch" (fission) để đặt tên cho phản ứng hạt nhân urani với nơtron. Ngày 16 tháng 1 năm 1939 Frisch gửi bài báo viết cùng với Meitner đến tạp chí Tự nhiên với tựa đề "Sự phân hạch của Uranium bởi nơtron: một loại phản ứng hạt nhân mới". Bài báo đánh dấu bước tiến vĩ đại trong lịch sử vật lý hạt nhân này được xuất bản vào ngày 11 tháng 2 năm 1939.
Dựa theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2, từ sự tính toán về sự hụt khối lượng khi hạt nhân phân tách, họ ước tính được lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng từ quá trình phân hạch này (của một hạt nhân urani) lên tới khoảng 200 triệu Volt. Họ đã dự đoán chính xác rằng tổng số số nguyên tử của hai sản phẩm phân hạch phải bằng với số nguyên tử của urani: "Nếu một sản phẩm là đồng vị bari (Z=56), thì sản phẩm kia phải là krypton (Z=92-56=36) mà sẽ phân rã thành rubidi, stronti, yttri rồi thành zirconi". Họ cũng dự đoán được về một số chuỗi phân rã beta từ các sản phẩm phân hạch: "Sau khi phân hạch, tỉ lệ nơtron/proton cao sẽ có xu hướng tự điều chỉnh bằng cách phân rã để thành nguyên tố nhẹ hơn. Mỗi sản phẩm phân hạch đều trải qua một loạt các chuỗi phân rã beta".
Ngày 13 tháng 1 năm 1939 tại Copenhagen, Frisch tiến hành thục nghiệm và quan sát thấy trong buồng ion hóa một xung lực lớn từ những mảnh vỡ phân hạch urani. Đây là thí nghiệm đầu tiên bằng phương pháp vật lý xác nhận phân hạch hạt nhân. Frish đã viết một bài báo riêng về các thí nghiệm của mình, đăng ngày 18 tháng 2 năm 1939.
Bài báo của Frish và Meitner thực sự đã kích hoạt hàng loạt thí nghiệm về phân hạch hạt nhân, là tiền đề cho việc chế tạo bom nguyên tử.
4. Phản ứng dây chuyền (năm 1939)
Ngày 7 tháng 1 năm 1939, Niels Bohr trước khi rời Copenhagen đến Mỹ để giảng bài tại Đại học Princeton đã nhận được bản thảo đầu tiên của Frish về lý giải phân hạch hạt nhân cũng như kết quả bari là sản phẩm phân hạch hạt nhân urani của Hahn và Strassmann. Ngày 16 tháng 1 năm 1939 khi tàu cập bến New York, thông tin về sự phân hạch của urani ngay lập tức loan truyền rất nhanh.
Georg Gamow (l) và Edward Teller (m) tổ chức hội nghị thứ năm về Vật lý lý thuyết tại Đại học Washington vào ngày 26 tháng 1 năm 1939. Bohr cũng được mời tới dự. Vào buổi tối trước khi hội nghị khai mạc, Gamow gọi điện cho Teller và nói: "Bohr thật điên rồ! Ông ấy cho biết là hạt nhân urani bị chia tách"!
Ngày hôm sau (ngày 26 tháng 1 năm 1939), Bohr công bố công khai về sự phân hạch hạt nhân nguyên tử. Khi đó, bài báo của Hahn và Strassmann (xuất bản ngày 6 tháng 1 năm 1939) cũng đã xuất hiện ở Mỹ. Thay vì chuyên đề vật lý nhiệt độ thấp theo như kế hoạch hội nghị, Bohr và Fermi thảo luận về việc phân tách hạt nhân urani, mà họ gọi là "kẻ bị phân tách" (splitter). Tối ngày 28 tháng 1, thí nghiệm phân hạch hạt nhân được lặp lại thành công tại Viện Carnegie (ở Washington) với sự chứng kiến của Fermi, Bohr, cùng các đại biểu tham gia hội nghị.
Sau sự kiện này, và đặc biệt là sau khi phát hiện ra rằng, không chỉ giải phóng rất nhiều năng lượng mà phản ứng phân hạch còn sản sinh ra các nơtron bổ sung. Các nơ tron này tiếp tục tạo nên sự phân hạch các hạt nhân urani khác, từ đó hình thành nên một phản ứng dây chuyền bùng nổ tạo nên một nguồn năng lượng vô cùng lớn theo cấp số nhân. Cuộc đua về chế tạo bom nguyên tử sử dụng trong chiến tranh đã bắt đầu.
Giải thưởng Enrico Fermi cho phân hạch hạt nhân (năm 1966).
Giải Nobel năm 1944 về hóa học (được công bố vào tháng 11 năm 1945, và được trao vào tháng 12 năm 1946) được trao cho riêng Otto Hahn về "phát hiện ra sự phân hạch của hạt nhân nặng". Không có giải Nobel về vật lý cho phát hiện đặc biệt quan trọng này.
Năm 1966 Ủy ban Năng lượng nguyên tử Hoa Kỳ đã trao giải thưởng Enrico Fermi cho Meitner, Hahn và Strassman, với tư cách là những người đồng sáng lập phân hạch hạt nhân. Hahn và Meintner nhận giải cho "nghiên cứu tiên phong về phóng xạ tự nhiên và các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu dẫn đến phát hiện phân hạch hạt nhân", và Strassman nhận giải cho "đóng góp cho hóa học hạt nhân và các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu dẫn đến phát hiện phân hạch hạt nhân".
Kết luận
Phát hiện vĩ đại về phân hạch hạt nhân thực tế đã được sử dụng để chế tạo bom nguyên tử - loại vũ khí đáng sợ nhất trong lịch sử loài người. Nhưng chúng ta nên nhớ tới cả việc năng lượng do phản ứng phân hạch sản sinh được sử dụng vì mục đích hòa bình: năng lượng nguyên tử là nguồn năng lượng phát điện lớn nhất hiện nay.
Chú dẫn:
a) Ernest Rutherford (1871-1937) - nhà vật lí gốc New Zeeland đạt giải Nobel Hóa học năm 1908 "cho nghiên cứu về sự phân rã của các nguyên tố và tính chất hóa học của các chất phóng xạ".
b) Albert Einstein (1879-1955) - một nhà vật lí Mỹ gốc Đức đạt giải Nobel Vật lý năm 1921 "vì 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.
c) Niels Henrik David Bohr (1885 - 1962) - nhà vật lí người Đan Mạch đạt giải Nobel Vật lý năm 1922 "cho thành tựu nghiên cứu về cấu trúc của các nguyên tử và bức xạ phát ra từ chúng".
d) Enrico Fermi (1901-1954) - 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".
e) Otto Hahn (1879-1968) - nhà hóa học người Đức và là người đạt giải Nobel Hóa học năm 1944 "cho phát hiện về sự phân hạch của hạt nhân nguyên tố nặng" và giải thưởng Enrico Fermi năm 1966 cùng với Fritz Strassmann và Lise Meitner.
f) Fritz Strassmann (1902–1980) - nhà hóa học người Đức được vinh danh với giải thưởng Enrico Fermi năm 1966 cùng với Otto Hahn và Lise Meitner cho nguyên cứu phân hạch hạt nhân.
g) Ida Tacke-Noddak (1896-1978) - nhà hóa học người Đức đã phát hiện ra nguyên tố Reni (cùng với Walter Noddack và O. Berg).
h) Lise Meitner (1878-1968) - nhà vật lý gốc Áo được vinh danh với giải thưởng Enrico Fermi năm 1966 cùng với Otto Hahn và Fritz Strassmann cho nghiên cứu phân hạch hạt nhân. Nguyên tố phóng xa 109 được mang tên bà (Meitnerium, ).
i) Irène Joliot-Curie (1897-1956) - nhà hóa học người Pháp đạt giải Nobel Hóa học năm 1935, cùng với chồng là Jean Frédéric Joliot-Curie (1900 - 1958) về "thành tựu tổng hợp các nguyên tố phóng xạ mới".
j) Pavlé Savitch (Pavlé Savić, 1909-1994) - nhà khoa học người Serbia làm việc tại Viện Radium năm 1935-1939. Sau này ông trở thành người sáng lập và là giám đốc khoa học đầu tiên của Viện Khoa học hạt nhân ở gần Beograd.
k) Otto Robert Frisch (1904-1979) - nhà vật lý người Anh gốc Áo, đồng tác giả với Meitner về lý giải vật lý đầu tiên hiện tượng phân hạch. Ông cũng là đồng sáng lập cơ chế lý thuyết đầu tiên cho vụ nổ bom nguyên tử (năm 1940).
l) Georg Gamow (1904-1968) - nhà vật lý người Mỹ gốc Nga được biết đến nhiều nhất với lý thuyết Alpher-Bethe-Gamow mà có đóng góp lớn vào lý thuyết vụ nổ vũ trụ.
m) Edward Teller (1908-2003) - nhà vật lý người Mỹ gốc Hung được biết đến là cha đẻ bom hydro.
Tác giả bài viết: Nhữ-Tarnawska Hoa Kim Ngân, Câu lạc bộ Lê Quý Đôn tại Ba Lan
0 comments: