- Joseph Reader và Charles W. Clark (Physics Today, tháng 3/2013)
Neutron
Như với deuterium, khám phá ra neutron vào năm 1932 đã mang lại cơn sốt ứng dụng của riêng nó. Vì neutron không tích điện, nên các nhà thực nghiệm nhanh chóng nhận ra rằng nó có thể dễ dàng xuyên qua rào chắn Coulomb hạt nhân. Vì thế, nó nhanh chóng được sử dụng để bắn phá nhiều loại hạt nhân và từ đó tạo ra những đồng vị mới.
Sáu năm sau đó xuất hiện một cao đỉnh mới. Khi Otto Hahn và Fritz Strassmann ở Berlin dùng neutron bắn vào uranium, vào năm 1938, họ bất ngờ nhận thấy họ đã tạo ra những hạt nhân với khối lượng bằng một nửa khối lượng của uranium. Họ đã khám phá ra sự phân hạch.
Còn có một tiền đề lịch sử cho khám phá của Chadwick. Vào năm 1930, Walther Bothe và Herbert Becker tại trường Đại học Giessen ở Đức đã bắn phá beryllium bằng những hạt alpha phát ra từ một nguồn polonium và sử dụng một máy đến Geiger để quan sát bức xạ từ beryllium phát ra. Từ đặc tính đâm xuyên của bức xạ đó, họ nghĩ rằng nó phải là tia gamma có năng lượng cao chưa có tiền lệ.
Quan sát Bothe–Becker sớm được tiếp bước bởi những thí nghiệm tương tự của Frédéric và Irène Joliot-Curie ở Paris. Nhưng họ đặt những tấm nguyên tố nhẹ khác nhau phía trước máy dò của họ và tìm thấy rằng các proton bị bắn vọt ra khỏi các tấm đó. Có lần họ sử dụng một tấm paraffin và, trước sự bất ngờ của họ, họ tìm thấy tốc độ đếm tăng dần đối với các proton.
Vợ chồng Joliot-Curies quy quan sát đó cho một loại tán xạ Compton của tia gamma ở paraffin. Nhưng Chadwick không nghĩ rằng điều đó là có thể và ông quyết định làm những thí nghiệm riêng của mình. Thật không may, ông không có một nguồn alpha tốt và ngài Rutherford tằn tiện từ chối mua thêm một nguồn mới. May thay, một đồng nghiệp đã mách với Chadwick về một nơi giữ những ống tiêm radon cũ tại một bệnh viện ở Baltimore, Maryland. Radon trong những ống tiêm đó đã phân hủy, tạo ra một lượng polonium khá lớn. Bệnh viện vui vẻ tặng chúng cho Chadwick, và polonium trở thành nguồn alpha của Chadwick.
Bố trí thí nghiệm khám phá của Chadwick được phác họa trong hình 3. Ông đã xác định năng lượng của những hạt alpha bắn ra là 5,7 MeV. Sau đó, từ động năng của những va chạm đàn hồi giả thuyết làm bắn proton ra khỏi paraffin, ông kết luận rằng bức xạ phát ra từ bia beryllium bị hạt alpha bắn phá chỉ có thể là những hạt trung hòa với khối lượng gần bằng khối lượng proton. Ông đã khám phá ra neutron, được giải phóng trong phản ứng
9Be + 4He → 12C + n
Liệu neutron có đơn giản là một kết hợp của một proton và một electron hay không? Liên hợp đó bị bác bỏ bởi thực tế là quang phổ phân tử đã xác định spin của hạt nhân nitrogen-14 là 1 (theo đơn vị ℏ). Nếu neutron chẳng là gì mà chỉ là một proton với một electron liên kết, thì hạt nhân 14N (điện tích +7) sẽ gồm 14 proton cộng với 7 electron. Tuy nhiên, người ta biết rằng cả proton và electron đều có spin ½. Cho nên không có cách nào để 21 hạt trong số chúng có thể kết hợp để tạo ra spin toàn phần bằng 1. Người ta phải kết luận rằng neutron cũng có spin ½. Như vậy, người ta chấp nhận rằng neutron tự nó là một hạt sơ cấp.
Năm 1935, Chadwick nhận Giải Nobel Vật lí “cho khám phá ra neutron”. Trong Thế chiến thứ hai, ông là thủ lĩnh của sứ mệnh Anh trong Dự án Manhattan, dự án cuối cùng đã đưa sự phân hạch vào ứng dụng hủy diệt đồng loại.
Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm của James Chadwick đưa đến khám phá ra neutron vào năm 1932. Nguồn polonium-210 tạo ra những hạt alpha 5,7 MeV làm vỡ bia beryllium mang lại neutron tự do, sau đó chúng va chạm đàn hồi với các proton trong paraffin giàu hydrogen đặt xuôi phía sau hệ thống dò tìm proton.
Positron
Khám phá lịch sử thứ ba trong năm 1932 xuất hiện vào tháng 8, khi Anderson, đang làm việc dưới sự cố vấn của Robert Millikan tại Caltech, khám phá ra positron. Anderson đang quan sát tia vũ trụ với một buồng mây gắn thẳng đứng bên trong một từ trường. Chia đôi buồng mây là một tấm chì nằm ngang. Từ độ cong và chiều dài của vết quỹ đạo tia vũ trụ đi qua tấm chì, Anderson kết luận rằng khoảng một tá trong số chúng, thu thập trong hơn vài tháng trời, thể hiện những electron tích điện dương, cái ông gọi là “positron”. Tại trường Đại học Cambridge khi ấy, Patrick Blackett và Giuseppe Occhialini đang nhìn thấy cái giống như vậy. Nhưng bài báo vào tháng 9 năm 1932 của Anderson trình bày một vài sự kiện đầu tiên của ông đã khiến họ bị chậm chân.
Theo một nghĩa nào đó thì sự tồn tại của positron đã được dự đoán vào năm 1928 bởi Paul Dirac. Phương trình sóng tương đối tính của ông cho electron có các nghiệm âm cho thấy sự tồn tại của những electron tích điện dương. Vào năm 1931, Dirac đã dự đoán rõ ràng những “phản electron” như thế, chúng sẽ hủy nhau với electron bình thường. Đó là một ví dụ sớm của sự tiên đoán thành công của một hạt mới từ những nguyên lí lí thuyết. Thật vậy, trong cùng bài báo đó, Dirac còn tiên đoán sự tồn tại của phản proton, hạt phải chờ 24 năm sau đó mới được nhìn thấy.
Năm 1936, Anderson nhận Giải Nobel Vật lí “cho khám phá ra positron”. Ông nhận chung giải với Victor Hess, người khám phá ra tia vũ trụ. Cùng năm đó, Anderson và người học trò cũ của ông, Seth Neddermeyer, lại một lần nữa sử dụng một buồng mây phơi xạ tia vũ trụ để khám phá ra một hạt tích điện mới – muon.
Vật lí hạt nhân
Mặc dù chúng có điện tích khác nhau, nhưng proton và neutron có khối lượng rất sát nhau. Heisenberg đề xuất rằng có thể xem chúng là những trạng thái của một fermion hai mức, cái sau đó được gọi là nucleon. Tất cả các hạt nhân khi đó sẽ chỉ gồm những hạt nucleon. Heisenberg đề xuất rằng mức tự do phân biệt proton với neutron, cái sau này gọi là “spin đồng vị” hay ngắn gọn là isospin, sẽ được xét trên cùng cơ sở như tọa độ không gian và tọa độ spin trong việc xây dựng những hàm sóng nhiều nucleon hoàn toàn phi đối xứng. Isospin vẫn là một nguyên lí tổ chức quan trọng của vật lí hạt nhân và vật lí hạt cơ bản.
Hạt nhân deuterium, gọi là deuteron, là một boson với spin 1 và isospin 0. Lực hạt nhân mạnh liên kết các nucleon với nhau chỉ tác dụng trên cự li cỡ 10-13 cm. Vào năm 1934, Rutherford và Mark Oliphant đã dùng neutron bắn phá deuteron và từ đó tạo ra tritium, đồng vị hydrogen thứ ba. Nó phân hủy thành 3He cộng với một electron, với chu kì bán rã 12 năm.
Ngày nay, tritium được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân, trong nước nặng dùng để làm chậm (trung hòa) các neutron lò phản ứng. Và tritium sẽ có một vai trò quan trọng trong các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Vì hai neutron của tritium tăng lực hút khi hạt nhân của nó và những hạt nhân khác ở gần, nên triton sẽ hợp nhất với một hạt nhân nhẹ khác dễ hơn so với hạt nhân hydrogen bình thường. Như vậy, phản ứng ưu tiên dự báo cho các lò phản ứng điện nhiệt hạch là
D + T → 4He + n
Nó cũng là phản ứng nguyên lí trong vũ khí nhiệt hạch.
