- Joseph Reader và Charles W. Clark (Physics Today, tháng 3/2013)
Máy gia tốc
Năm 1932 còn chứng kiến lần đầu tiên người ta sử dụng máy gia tốc để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân. John Cockcroft và Ernest Walton tại Phòng thí nghiệm Cavendish đang phát triển các thiết bị tạo ra những điện áp cực cao. Cơ cấu của họ xây dựng trên một dãy tụ điện và diode nắn điện xoay chiều thành một chiều. Vào đầu năm 1932, họ đã thu được điện áp ra 600 kV dùng để gia tốc proton.
Bia là một tấm mica mạ lithium. Khi các proton va vào bia lithium, phản ứng
p + 7Li → 4He + 4He
tạo ra hai hạt alpha bay ra theo chiều đại khái là ngược nhau. Các “proton nhanh”, như Cockcroft gọi, đã làm cho hạt nhân lithium phân hủy.
Vài tháng sau đó, Ernest Lawrence và Stanley Livingston tại Berkeley đã làm phân hủy lithium, boron, và fluorine bằng cách bắn chúng bằng những hạt proton 1,2 MeV từ cyclotron của Lawrence. Bằng cách gia tốc nhiều lần các proton đang quay tròn băng qua điện áp bằng nhau, cyclotron là máy gia tốc đầu tiên có thể thu được năng lượng hạt cao mà không cần điện áp cao.
Các thí nghiệm làm phân hủy lithium mang lại sự kiểm tra định lượng đầu tiên của hệ thức khối lượng-năng lượng của Einstein E = mc2. Vì các khối lượng hạt nhân đã được biết rõ và động năng của các hạt alpha bay ra là có thể đo được, nên hệ thức khối lượng-năng lượng có thể được xác nhận.
Với sự tiến bộ của máy gia tốc, nghiên cứu vật lí đã thay đổi mãi mãi. Lawrence được trao Giải Nobel Vật lí năm 1939 “cho sự phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được cùng với nó, nhất là các đồng vị phóng xạ nhân tạo.” Cockcroft và Walton cùng nhận giải năm 1951 “cho nghiên cứu tiên phong của họ về sự biến tố của hạt nhân nguyên tử bởi các hạt nguyên tử được gia tốc nhân tạo”.
Neutron và deuteron
Với khám phá ra sự phân hạch, neutron và nước nặng đều sớm được ứng dụng để phát triển điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Các thí nghiệm thực hiện bởi Enrico Fermi và những người khác cho thấy các phản ứng giữa neutron và hạt nhân được tăng cường đáng kể nếu neutron bắn phá được làm chậm xuống vận tốc nhiệt. Cân nhắc sự khác nhau giữa sự phân hạch ở uranium và thorium vào đầu năm 1939, Niels Bohr đã nhận ra rằng chỉ có ở đồng vị 235U, chiếm chưa tới 1% uranium trong tự nhiên, trong đó các neutron chậm gây ra sự phân hạch (xem hình 4).
Hình 4. Sự phân hạch của hạt nhân uranium-235 gây ra bởi một neutron tới, sự hấp thụ neutron gây ra một trạng thái kích thích của 236U. Trong ví dụ này, hạt nhân bị kích thích vỡ thành những sản phẩm phân hạch chuyển động nhanh barium-141 và krypton-92, và giải phóng ba neutron tự do.
Các nhà vật lí ở một số nước, một số đối thủ tiềm năng, lập tức xét đến khả năng rằng quá trình phân hạch, tính trung bình, sẽ giải phóng đủ neutron để gây ra một phản ứng dây chuyền. Khả năng đó được hiện thực hóa khi đội của Fermi, làm việc hết sức bí mật bên dưới một khán đài tại Đại học Chicago, đã thu được một phản ứng dây chuyền vào tháng 12 năm 1942. Đó là thành tựu thực nghiệm chủ chốt đầu tiên của Dự án Manhattan, dự án do chính phủ Mĩ chủ trì nhằm phát triển vũ khí hạt nhân.
“Cột” đầu tiên của Fermi sử dụng 46 tấn uranium chưa làm giàu đặt rải rác những viên gạch graphite tinh khiết cao đảm nhận vai trò điều tiết các neutron phân hạch. Fermi và Leo Szilard đã đăng kí một bằng sáng chế bí mật ở Mĩ cho “lò phản ứng neutron” vào tháng 12 năm 1944. Bằng sáng chế đó được công bố công khai vào năm 1955.
Đúng hai năm rưỡi sau khi đội Chicago thu được một phản ứng dây chuyền tự duy trì, dụng cụ thử bom nguyên đầu tiên đã nổ tại bãi thử Trinity ở New Mexico. Nhiên liệu phân hạch của quả bom Trinity là plutonium-239, được sản xuất trong loạt xưởng lò phản ứng uranium của Dự án Manhattan. Chưa đầy một tháng sau thử nghiệm quả bom plutonium, một quả bom khác đã nổ ở Nagasaki, Nhật Bản, vào ngày 9 tháng 8 năm 1945. Quả bóm 235U san bằng thành phố Hiroshima ba ngày trước đó có cơ chế nổ đơn giản hơn nên đã không được thử nghiệm trước.
Các nhà khoa học người Đức, dưới sự lãnh đạo của Heisenberg, theo đuổi một lộ trình khác tiến đến với một lò phản ứng. Họ tin tưởng sai lầm rằng graphite sản xuất công nghiệp chắc hẳn sẽ bị nhiễm quá mức những chất hấp thụ neutron như boron nên không thể làm chất điều tiết. Chất điều tiết thay thế tốt nhất là deuterium. Nước nặng đã được sản xuất trên quy mô lớn tại nhà máy Rjukan thuộc hãng Norsk Hydro. Nhà máy này nằm bên một thác nước lớn và đã sản xuất ammonia bằng phương pháp điện phân kể từ những năm 1900. Với sự khám phá ra deuterium, Norsk Hydro nhận ra rằng nhà máy có thể sản xuất nước nặng là một phụ phẩm. Vào năm 1935, cơ sở này cung ứng 99% nước nặng tinh khiết cho các quốc gia trên khắp châu Âu phục vụ cho các thí nghiệm khoa học. Khi người Đức xâm lược nước Na Uy trung lập vào tháng 4 năm 1940, họ đã nhanh chóng nắm quyền kiểm soát nhà máy và bắt đầu sản xuất những lượng lớn nước nặng cho các phòng thí nghiệm vũ khí của họ.
Năm 1942, người Mĩ và người Anh bị thuyết phục rằng nước nặng là thành phần thiết yếu trong nỗ lực hạt nhân của Đức. Mặc dù deuterium có thể không được sử dụng trong bom phân hạch, nhưng các lò phản ứng sẽ là quan trọng trong việc thu được số liệu phân hạch thiết yếu và để sản xuất 239Pu, cái cả hai phe đều hiểu là một loại nhiên liệu bom phân hạch tiềm năng có thể loại trừ sự khó khăn vô vàn và tốn kém của việc phân tách 235U ra khỏi uranium tự nhiên.
Vì thế quân Đồng minh muốn vô hiệu hóa nhà máy Norsk Hydro. Vì nhà máy nằm giữa vùng núi trập trùng, nên việc bắn phá từ trên cao tỏ ra khó khăn. Nhưng cuối cùng quân Đồng minh đã ném bom buộc phát xít Đức đóng cửa nhà máy. Để cứu lấy kho nước nặng có sẵn trong tay, họ đã chở nó về Berlin bằng đường sắt. Để băng qua một cái hồ ở gần nhà máy, toa xe tải cần leo lên phà. Nhưng lính bộ ở Na Uy đã lẻn vào và cài bom trên phà. Nó phát nổ ở giữa hồ, nhấn chìm toa tàu và kho hàng, đồng thời làm 14 thường dân Na Uy thiệt mạng.
Sau chiến tranh, nước Mĩ đã phát triển vũ khí nhiệt hạch – tức là bom khinh khí. Những thành phần chủ chốt của họ là deuterium và tritium. Thử nghiệm đầu tiên của một vũ khí như thế được triển khai vào năm 1952, trên đảo san hô Anewetak trong quần đảo Marshall. Thử nghiệm đó cần khoảng 1000 lít deuterium lỏng, nó được sản xuất tại phòng thí nghiệm nhiệt hạnh NBS ở Boulder, Colorado. Cơ sở này được phát triển riêng cho mục đích đó dưới sự chỉ đạo của Brickwedde, người đã tạo ra những mẫu deuterium đầu tiên trong hàng milli lít nước nặng hồi 21 năm trước đó.
Phản vật chất ứng dụng
Positron có thể được sản xuất với số lượng lớn bởi các nguồn phóng xạ và máy gia tốc electron. Ngày nay, chúng có nhiều ứng dụng khoa học và thực tiễn đa dạng. Các máy va chạm electron-positron năng lượng cao đã có những đóng góp lớn cho lĩnh vực vật lí hạt sơ cấp. Các nguồn sáng sychrotron thường sử dụng các chùm positron thay cho electron bởi vì các chùm positron đẩy các tạp chất phiền toái trong chùm ion ra xa. Bất chấp thời gian sống ngắn ngủi của nó, nhưng positronium – trạng thái liên kết electron-positron – là một phương tiện quan trọng trong các phép kiểm tra chính xác của điện động lực học lượng tử bằng phương tiện quang phổ laser phân giải cao.
Ứng dụng thực tiễn quen thuộc nhất của positron là trong phương pháp xạ positron, gọi là quét PET. Kĩ thuật ghi ảnh y khoa này cho phép các bác sĩ tìm kiếm các khối u và theo dõi hoạt động trao đổi chất trong mô sống. Bệnh nhân trước tiên được tiêm một chất đánh dấu – những phân tử sinh học nhất định mang một đồng vị phát xạ positron. Sau đó nhà xạ trị tìm kiếm sự tích lũy của phân tử đó trong cơ thể của bệnh nhân bằng cách định vị những vị trí hủy cặp electron – positron.
Một positron phân hủy xảy ra gần phân tử phát xạ, tạo ra một cặp photon tia gamma đặc trưng 511 keV. Vị trí tới của chúng và thời gian ghi được tại một ma trận máy dò đặt xung quanh bệnh nhân cho biết vị trí phát xạ positron đó. Kĩ thuật này được minh họa trong hình 5.
Hình 5. Kĩ thuật xạ positron vùng đầu của một bệnh nhân. Một ma trận máy dò tia gamma đặt xung quanh mặt phẳng của đầu lập bản đồ tích lũy của các phân tử tiêm vào mang một chất phóng xạ đánh dấu phát xạ positron. Một positron phân hủy (e+) nhanh chóng hủy với một electron lân cận để tạo ra một cặp photon (γ) cộng tuyến 511 keV để lộ điểm xuất phát chính xác của chúng trên đường bay thường gặp của chúng do sự chênh lệch dưới nano giây giữa thời gian tới của chúng ở hai bên đối diện nhau của ma trận máy dò.
Chất đánh dấu phát xạ positron được sản xuất bằng cách chiếu xạ một nguyên tố với các proton đến từ một cyclotron chuyên dụng. Nguyên tố phóng xạ khi đó được tích hợp vào vật liệu sinh học. Một chất đánh dấu thường gặp là glucose tích hợp đồng vị phóng xạ carbon-11, nó có chu kì bán rã 20 phút.
Những chất đánh dấu khác nhau được sử dụng để khảo sát những cơ quan khác nhau. Một trong những ứng dụng chính của kĩ thuật quét PET là phát hiện ung thư não. Nó còn cho phép các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động trao đổi chất dưới những trường hợp đa dạng trong những bộ phận khác nhau của bộ não khỏe mạnh.
- Tác giả Joseph Reader là nhà quang phổ học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ (NIST) ở Gaithersburg, Maryland. Charles Clark, cũng là nhà quang phổ học, là đồng giám đốc của Liên Viện Lượng tử tại NIST và Đại học Maryland, College Park. Bài đăng trên tạp chí Physics Today, số tháng 3/2013
