- Joseph Reader và Charles W. Clark (Physics Today, tháng 3/2013)
Đó là năm 1932, trong khoảng lặng ngắn ngủi giữa hai cuộc đại chiến thế giới. Cuộc Đại Khủng hoảng đã gần tới đỉnh điểm của nó. Ở Mĩ, tỉ lệ người thất nghiệp đang ngấp nghé 25%. Con của Charles Lindbergh bị bắt cóc rồi bị thủ tiêu, và Amelia Earhart trở thành người phụ nữ đầu tiên một mình bay xuyên Đại Tây Dương. Iraq tuyên bố độc lập, và Franklin Roosevelt đắc cử tổng thống. Viện Vật lí Hoa Kì chính thức được sáp nhập và bổ nhiệm Harold Urey làm biên tập viên sáng lập của tờ tạp chí đầu tiên của viện, Journal of Chemical Physics.
Urey là phó giáo sư hóa học 39 tuổi tại trường Đại học Columbia vào năm 1932. Ông đã có một khởi đầu êm xuôi vào năm ấy: Vào ngày năm mới, Physical Review cho công bố “Một đồng vị hydrogen có khối lượng 2”, một lá thư Urey gửi cho biên tập viên Ferdinand Brickwedde, và George Murphy báo cáo đã khám phá ra deuterium. Đó là khám phá đầu tiên trong bốn khám phá trọng yếu của năm 1932. Các khám phá neutron, positron, và sự phân hủy hạt nhân bởi máy gia tốc hạt nhanh chóng tiếp gót sau đó. Những khám phá này nhanh chóng làm chuyển biến kiến thức về cấu trúc hạt nhân và chứng minh tính thực tại của phản vật chất.
Sáu giải thưởng Nobel có liên hệ trực tiếp với nghiên cứu được thực hiện trong năm thần kì 1932. Trong bài báo này, từ tầm nhìn ngày nay, chúng ta hãy nhìn ngược lại về những khám phá đó và những hệ quả của chúng.
Ủy ban năng lượng nguyên tử Anh quốc. Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives
Vật lí hạt nhân trước năm 1932
Năm 1911, Ernest Rutherford khám phá ra rằng các nguyên tử có một cái lõi nhỏ, nặng, cái ông gọi là “hạt nhân” (nucleus), một biến thể của nux, tiếng Latin gọi quả hạch. Nhưng vào năm 1932, chưa có ai hiểu chính xác cấu tạo của nó ra sao. Năm 1918, Rutherford dùng hạt alpha (hạt nhân helium) bắn phá các nguyên tử nitrogen, từ đó biến nitrogen thành oxygen cộng với một hạt nhân hydrogen được giải phóng. Ông xem hạt nhân hydrogen được giải phóng là một hạt mới và đặt tên cho nó là proton. Theo ông, nó chính là viên gạch cấu trúc của mọi hạt nhân và giải thích cho điện tích dương của chúng.
Sự tồn tại của các đồng vị mang đến một câu đố lớn. Các đồng vị được Frederick Soddy khám phá ra vào năm 1912 trong nghiên cứu của ông về sự phân hủy của uranium thành radon. Soddy nhận ra rằng có thể có các biến thể của một nguyên tố có khối lượng nguyên tử khác nhau, mặc dù hóa tính của chúng giống nhau.
Vào năm sau đó, J. J. Thomson thành công trong việc phân tách các đồng vị neon bằng cách cho một chùm nguyên tử neon đi qua một từ trường. Vào năm 1920, Rutherford đề xuất rằng sự chênh lệch giữa số nguyên tử của một hạt nhân và khối lượng nguyên tử của nó có thể là do những hạt trung hòa trong hạt nhân. Hạt trung hòa đó, ông đề xuất, có thể là một kết hợp của một proton với một “electron hạt nhân”. Nhưng sau bài báo công bố nguyên lí bất định của Werner Heisenberg vào năm 1927, sự giam cầm các electron hạt nhân như giả thuyết trong một thể tích nhỏ hơn 1014 lần thể tích của một nguyên tử trở thành một vấn đề khó. Sự giam cầm một hạt như thế cộng với khối lượng hết sức nhỏ của electron sẽ mang đến một động năng lớn không thể tin nổi cho bất kì electron hạt nhân nào.
Sang năm 1932, đó là năm những bài toán đó tìm ra hướng giải. Sáu tuần sau khi khám phá ra deuterium, James Chadwick công bố ông khám phá ra neutron, và vào tháng 8 Carl Anderson công bố khám phá ra một hạt electron dương – positron. Việc hợp nhất những khám phá mới thành lĩnh vực khoa học vật lí hạt nhân đang xuất hiện diễn ra với tốc độ nghẹt thở (xem bài báo của Charles Weiner trên Physics Today, số tháng 5/1972, trang 40).
Hydrogen nặng
Chỉ 21 năm sau khi khám phá ra nó, deuterium đã trở thành nhiên liệu cho quả bom nhiệt hạch đầu tiên. Ngày nay, nó là tâm điểm của niềm hi vọng về nguồn điện năng rẻ tiền qua sự ứng dụng hòa bình của quá trình nhiệt hạch. Và trong vũ trụ học hiện đại, phép đo hàm lượng deuterium nguyên thủy cung cấp một phép kiểm nghiệm nhạy của sự tổng hợp hạt nhân Big Bang (xem Physics Today, tháng 1/2012, trang 11).
Các nhà hóa học để ý thấy rằng trọng lượng nguyên tử của hydrogen, khi đo bằng các phương pháp hóa học, hơi khác với giá trị đo được bằng máy đo phổ khối. Người ta cho rằng sự chênh lệch đó có thể là do sự tồn tại của một đồng vị nặng của hydrogen sẽ có mặt trong nước thông thường với hàm lượng vài phần trong 104. Nhưng các cuộc tìm kiếm đồng vị giả thuyết đó bằng máy đo phổ khối đã không thành công. Các tín hiệu trong kênh khối lượng 2 bị nhiễu bởi sự có mặt của phân tử H2+, nó làm nhòe hết tín hiệu khả dĩ từ một đồng vị có cùng khối lượng. Urey bị thuyết phục trước khả năng tồn tại một đồng vị hydrogen nặng, và ông liên tục suy nghĩ với một biểu đồ do ông lập ra từ những đồng vị đã biết và dán lên tường chỗ làm việc của ông. Một bản sao lại của biểu đồ đó được thể hiện trong hình 1.
Hình 1. Một bản sao lại của biểu đồ năm 1931 của những đồng vị nguyên tố nhẹ đã truyền cảm hứng cho Harold Urey tìm kiếm deuterium. Những vòng tròn tô đen biểu diễn các đồng vị đã biết. Những vòng tròn rỗng biểu diễn các đồng vị Urey muốn tìm. Hạt nhân được cho là gồm toàn bộ proton, xác định số khối của nó, và đủ số “electron hạt nhân” để khớp với điện tích toàn phần của nó. Như vậy, trục tung thật ra biểu diễn số khối A, và trục hoành biểu diễn A trừ đi số nguyên tử tối thiểu Z, tức là số neutron.
Năm 1931, Urey đã có một ý tưởng khéo léo cho một kĩ thuật tìm kiếm mới, sử dụng quang phổ nguyên tử và mẫu nguyên tử Bohr. Người ta dễ dàng tính được sự phụ thuộc của các mức năng lượng của một nguyên tử hydrogen vào khối lượng hạt nhân và từ đó tiên đoán các tính chất phổ của nó. Urey quyết định tìm kiếm một vạch phát xạ của hydrogen nguyên tử ở bước sóng đã được dự đoán cho một đồng vị hydrogen có khối lượng 2. Theo mẫu Bohr, bước sóng của vạch Balmer-alpha của 2H sẽ bị lệch khoảng 0,1 nm về phía xanh của vạch phổ Balmer-alpha của 1H thường ở bước sóng 656,3 nm.
Vấn đề là làm sao tránh không để vạch phổ lệch đồng vị bị chìm trong vạch phổ Balmer-alpha bình thường nằm ở quá gần. Urey quyết định tạo những mẫu hydrogen trong đó đồng vị nặng sẽ được làm giàu và rồi sử dụng những mẫu đó để kích thích sự phóng điện trong nguồn sáng quang phổ của ông. Là một chuyên gia về các tính chất nhiệt động lực học của các phân tử, Urey đã tính được áp suất hơi nhiệt độ thấp của các phân tử khả dĩ 1H1H, 2H1H, và 3H1H (theo kí hiệu hiện đại: H2, HD, và HT [cho tritium]). Ông dự đoán các áp suất hơi tuân theo tỉ số 1,0:0,37:0,29. Từ đó ông kết luận rằng sẽ có khả năng tách riêng từng phần đồng vị bằng cách xử lí một mẫu hydroge lỏng và cho phép đồng vị nhẹ bay hơi trước.
Nhưng ông có thể thu được hydrogen lỏng với đủ lượng ở đâu chứ? Lúc ấy, chỉ hai nơi ở nước Mĩ có thể tạo ra đủ lượng hydrogen lỏng. Một là tại trường Đại học California, Berkeley. Nơi còn lại là Cục Tiêu chuẩn Quốc gia (nay là NIST) ở thủ đô Washington. Vào mùa thu năm 1931, Urey tranh thủ được sự giúp đỡ của Brickwedde, trưởng phòng thí nghiệm nhiệt độ thấp tại NBS. (Xem bài báo của Brickwedde trên Physics Today, tháng 9/1982, trang 34.)
Lúc ấy mới 28 tuổi, nhưng Brickwedde đã là một ngôi sao trong lĩnh vực vật lí nhiệt độ thấp thực nghiệm. Vào mùa xuân năm 1931, ông lãnh đạo một đội NBS tạo ra helium lỏng đầu tiên trên đất Mĩ. Có chút lạ là mất thời gian lâu như vậy sau khi Heike Kamerlingh Onnes lần đầu tiên hóa lỏng helium vào năm 1908 ở Hà Lan (xem bài báo của Dirk van Delft trên Physics Today, tháng 3/2008, trang 36) để một chất quan trọng như vậy được sản xuất trên đất Mĩ. Nhưng hạ tầng nhiệt lạnh đồ sộ mà chúng ta có ngày nay lúc ấy chưa hề có.
Với dự án của Urey, Brickwedde đã tạo ra vài mẫu hydrogen lỏng với độ chưng cất khác nhau (xem hình 2). Mẫu tốt nhất thu được từ 4 lít hydrogen lỏng bay hơi ở gần điểm ba cho đến khi chỉ còn lại 1 ml. Những mẫu đa dạng đã được Railway Express gửi đến Columbia, nơi Urey và Murphy nghiên cứu phổ phát xạ của chúng bằng một quang phổ kế phân giải cao. Họ tìm thấy ở bước sóng đã dự đoán cho 2H có một vạch phổ có cường độ tăng theo hàm lượng của mẫu. Không có dấu hiệu của một đồng vị khối lượng 3. Họ đã khám phá ra deuterium!
Hình 2. Ferdinand Brickwedde và vợ của ông, Marion, tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Mĩ hồi giữa thập niên 1930. Ở giữa họ là thiết bị mà ông đã sử dụng khi khám phá ra deuterium.
Không bao lâu sau khám phá trên, Urey và Edward Washburn, một nhà điện hóa tại NBS, tìm thấy rằng có thể phân tách deuterium tương đối dễ dàng bằng cách điện phân nước thường. Từ đó việc sản xuất deuterium không đòi hỏi những nỗ lực nhiệt độ thấp đặc biệt nữa. Nhà máy thủy điện Norsk Hydro ở Rjukan, Na Uy, sớm bắt đầu sản xuất “nước nặng” với quy mô công nghiệp. Vào năm 1934, nhà máy này cung ứng deuterium với giá bán 500 USD mỗi kg. Deuterium được tìm thấy có tiện ích độc nhất vô nhị trong sinh học, hóa học, và trong vật lí hạt nhân. Năm 1934, Urey được trao giải Nobel Hóa học “cho khám phá hydrogen nặng”.
Khám phá ra deuterium có lẽ là ví dụ đầu tiên trong đó việc sử dụng thuyết nguyên tử dẫn tới sự nhận ra một đồng vị trước đó chưa biết. Nhưng nó không làm sáng tỏ được sự có mặt của các electron trong hạt nhân. Kí hiệu trên biểu đồ đồng vị của Urey hàm ý rằng hạt nhân deuterium gồm hai proton và một electron hạt nhân. Bí ẩn của hạt nhân nguyên tử vẫn chưa được giải.
Lời giải đó xuất hiện không bao lâu sau đó. Ngay đầu tháng sau đó, Chadwick, đang nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Rutherford tại Phòng thí nghiệm Cavendish ở Oxford, Anh quốc, công bố khám phá ra neutron.
