Chương 17
BOM NGUYÊN TỬ
Ta đã thấy ở chương trước rằng vật lí học giữ một vai trò quan trọng trong nhiều vũ khí của Thế chiến II, song nó còn giữ một vai trò to lớn hơn trong món vũ khí kinh hoàng nhất của cuộc chiến – đó là bom nguyên tử. Thật vậy, nó giữ một vai trò trung tâm, để có bom nguyên tử đòi hỏi chúng ta phải hiểu rõ các khái niệm vật lí căn bản. Các hạt hạ nguyên tử cấu thành hạt nhân, ở bên trong hạt nhân chúng gắn kết với nhau bằng cái gọi là năng lượng liên kết, và chính năng lượng liên kết này là cơ sở của bom nguyên tử.
Chẳng nghi ngờ gì nữa, việc phát triển bom nguyên tử là một trong những phát triển ấn tượng nhất và gây kinh hoàng nhất trong lịch sử. Không những nó cần một số đột phá căn bản do một số ít cá nhân ưu tú đem lại, mà nó còn đòi hỏi sự nỗ lực rất lớn của hàng nghìn con người. Và không những những con người này đã đạt được một mục tiêu mà nhiều người thoạt xem là hầu như bất khả thi, mà nó còn cho thấy rằng người ta có thể đạt được những gì nếu có đủ động cơ, lòng quyết tâm, và sự tài tình.
KHỞI ĐẦU
Thật khó nói chính xác câu chuyện bắt đầu ra sao, nhưng các thí nghiệm của James Chadwick tại Đại học Cambridge ở Anh là rất quan trọng. Ông đang lặp lại một thí nghiệm được thực hiện trước đó bởi Joliot-Curie và chồng bà, Frederic Joliot-Curie, trong đó một hạt lạ có khả năng đánh bật proton ra khỏi paraffin. Nhà Joliot-Curie cho rằng hạt lạ đó là tia gamma. Chadwick chỉ ra rằng nó thật ra là một hạt trung hòa điện, ông gọi tên là neutron.1 Hạt trung hòa này ở bên trong hạt nhân nguyên tử cùng với proton. Rồi người ta xác định được neutron có khối lượng ngang với proton. Tổng trọng lượng nguyên tử của các proton và trọng lượng nguyên tử của các neutron trong một nguyên tử xấp xỉ bằng trọng lượng nguyên tử (A) của nguyên tử đó. Chúng ta còn kí hiệu tổng số proton trong hạt nhân là số nguyên tử (Z). Và từ hai con số này ta có thể dễ dàng xác định số lượng neutron trong hạt nhân; nó bằng A – Z. Lấy ví dụ, xét nguyên tử hydrogen, chúng ta biết hạt nhân của nó gồm một proton thôi. Nó có A = 1 và Z = 1, và vì thế A – Z = 0, nó không có neutron nào. Tương tự như vậy, nguyên tử helium có A = 4 và hai proton, hay Z = 2, và do đó A – Z = 2, nó có 2 neutron. Ta có thể tiếp tục tính như vậy cho tất cả các nguyên tố.
Hóa ra neutron là một hạt đặc biệt quan trọng đối với nghiên cứu vì nó trung hòa điện. Ban đầu, các nhà vật lí đã cố gắng tìm hiểu về hạt nhân bằng cách bắn các hạt tốc độ cao vào nó xem chuyện gì sẽ xảy ra. Tuy nhiên, những hạt duy nhất được biết khi ấy là proton và electron, nhưng electron quá nhẹ để có bất kì tác động gì lên hạt nhân, còn proton thì mang điện dương, cùng loại điện với hạt nhân, vì thế hạt nhân và proton đẩy nhau ra. Bởi vậy, proton còn là một viên đạn không hiệu quả. Tuy nhiên, neutron không chịu lực đẩy điện bởi electron hay hạt nhân, vì thế nó là một viên đạn lí tưởng. Trước khi nhìn xem nó được sử dụng như thế nào, ta hãy xét đóng góp của Einstein cho bom nguyên tử.
VAI TRÒ CỦA EINSTEIN
Einstein thỉnh thoảng được gọi là cha đẻ của bom nguyên tử, một danh hiệu ông ghét cay ghét đắng, và trên thực tế ông có rất ít đóng góp trực tiếp cho nó. Thế nhưng ông có một đóng góp quan trọng. Trong một bài báo ngắn công bố không bao lâu sau khi ông cho trình làng bài báo nổi tiếng về thuyết tương đối hẹp vào năm 1905, ông chỉ ra rằng năng lượng và khối lượng có liên hệ với nhau. Tiêu đề của bài báo là “Phải chăng quán tính của một vật phụ thuộc vào lượng năng lượng của nó?” Bài báo chỉ dài ba trang, nhưng nó là một trong những bài báo quan trọng nhất từng được xuất bản. Bài báo này, cùng với một bài báo công bố sau đó một năm, chỉ ra một tương đương giữa khối lượng và năng lượng. Đặc biệt, nó cho chúng ta phương trình E = mc2, trong đó năng lượng (E) của một khối lượng cho trước bằng khối lượng (m) đó nhân với tốc độ ánh sáng (c) bình phương. Tốc độ ánh sáng là 186.000 dặm trên giây, và nếu bạn bình phương nó (nhân nó với chính nó), hiển nhiên bạn có được một con số rất lớn. Điều này cho chúng ta biết rằng có một lượng lớn năng lượng gắn liền với một khối lượng dù là rất nhỏ thôi. May thay, rất khó chuyển hóa khối lượng trực tiếp thành năng lượng, song đây thật sự là cái xảy ra trong một vụ nổ bom nguyên tử.
ĐỘT PHÁ CỦA NGƯỜI ITALY
Đa số nhà vật lí hoặc là nhà thực nghiệm hoặc là nhà lí thuyết. Tuy nhiên, Enrico Fermi ở Đại học Rome là một trong số ít người thông thạo ở cả hai lĩnh vực. Ông có những đóng góp lí thuyết quan trọng, song đồng thời ông cũng là một nhà thực nghiệm hàng đầu. Khi neutron được khám phá vào năm 1932, ông lập tức nhận ra rằng nó sẽ là một viên đạn lí tưởng. Nó sẽ không bị hạt nhân đẩy ra, và nó có thể dễ dàng bắn ra đủ nhanh để các electron xung quanh chẳng ảnh hưởng gì lên nó. Vấn đề là tìm một nguồn cung neutron cho tốt, và chẳng mấy chốc ông đã có thể nghĩ ra một thiết bị sẽ tạo ra một chùm neutron.3
Enrico Fermi
Một trong những lĩnh vực sôi nổi nhất trong vật lí học lúc bấy giờ là sự phân rã phóng xạ. Một số nguyên tố được biết là phân rã tự phát, phát ra các loại tia bức xạ, gọi là tia alpha, beta và gamma. Một số người, trong đó có Marie Curie, đã có những đóng góp quan trọng cho lĩnh vực này. Tuy nhiên, vào năm 1934, Irene Curie và Frederic Joliot công bố rằng họ có thể gây ra sự phóng xạ nhân tạo. Nói cách khác, họ đã làm cho một nguyên tố bền trở nên phóng xạ. Họ bắn các hạt alpha vào hạt nhân nhôm và làm cho nó trở nên phóng xạ. Họ còn tìm thấy rằng boron phản ứng theo cách giống vậy khi bị bắn phá bằng tia alpha.
Fermi bị kết quả đó cuốn hút, và ông tin chắc rằng ông có thể cải tiến nó.4 Các hạt alpha to lớn và nặng nề, và chúng có thể bị chặn lại dễ dàng, dù chỉ bởi một tờ giấy. Hơn nữa, chúng mang điện tích. Neutron sẽ là một viên đạn tốt hơn nhiều, và lúc này ông đã có một thiết bị tạo ra chúng. Ngoài ra, ông đã cải tiến một dụng cụ được phát minh trước đó vài năm, gọi là Máy đếm Geiger, nó được dùng để đo bức xạ sinh ra. Fermi và nhóm của ông bắt tay vào lặp lại các thí nghiệm của Joliot và Curie, và họ nhanh chóng xác thực các kết quả của nhà Curie. Sau đó họ chuyển sang các nguyên tố nặng hơn. Và quả vậy, nhiều trong số chúng trở nên phóng xạ, nhưng trong đa số trường hợp sự phóng xạ đó không tồn tại lâu. Thật vậy, một số nguyên tố có chu kì bán rã (thời gian cần thiết cho một khối vật liệu phóng xạ giảm còn một nửa giá trị ban đầu) chưa tới một phút.5
Fermi và đội của ông đã kiểm tra đa số các nguyên tố của bảng tuần hoàn bằng cách này, cho đến nguyên tố nặng nhất được biết khi ấy, đó là uranium. Và uranium đặc biệt gây hứng thú với ông. Chưa có nguyên tố nào được biết nặng hơn uranium, vì thế ông tự hỏi chuyện gì sẽ xảy ra nếu ông bắn một neutron vào hạt nhân uranium và nó bị hấp thu. Sẽ hình thành một nguyên tố mới chăng? Uranium có trọng lượng nguyên tử 238 (tổng số proton và neutron trong hạt nhân); nếu nó hấp thu một neutron nó sẽ trở thành uranium-239. Nhưng như vậy lại xuất hiện vấn đề mới: làm thế nào họ phát hiện được uranium-239? Điều này tỏ ra vô cùng khó khăn. Tuy nhiên, cuối cùng đội Fermi đã nhận ra một nguyên tố hơi nặng hơn. Fermi quá đỗi vui mừng. Ông đã tạo ra một nguyên tố vượt quá uranium-238. Với thành công này, ông cho dừng các thí nghiệm của mình, nhưng làm thế ông đã bỏ lỡ một trong những khám phá vĩ đại nhất trong lịch sử.
Trong khi đó, thế giới xung quanh ông ngày càng trở nên hỗn loạn. Hitler đã lên nắm quyền ở Đức và Mussolini vừa kí một hiệp ước với ông ta. Cuộc chiến của Hitler chống người Do Thái vừa mới khởi động, và ông yêu cầu Mussolini hợp tác. Bởi thế, người Do Thái ở Italy phải chịu những hạn chế pháp lí mới. Bản thân Fermi thì không nguy hiểm gì, nhưng Laura, vợ ông, là người Do Thái, và Fermi biết cuối cùng bà sẽ bị chính quyền áp bức. Ông không chắc phải làm gì nữa. Các viên chức chính phủ không thể cho ông rời tổ quốc cùng với vợ mình. Trước đó, ông đã được mời đảm đương một số vị trí tại các trường đại học ở Mĩ, nhưng ông đã từ chối. Ông quyết định viết thư hỏi họ xem có còn quan tâm chuyện đó không, và quả vậy ông nhận được một lời mời từ trường Đại học Columbia. Tuy nhiên, vấn đề lúc này là làm sao đi khỏi đất nước mà không gây nghi ngờ gì.
Bước đột phá ông đợi chờ xảy ra vào mùa thu năm 1938. Fermi có mặt ở Copenhagen dự một hội nghị vật lí thì Niels Bohr kéo ông ra ngoài và nói nhỏ với ông rằng ông đang nằm trong danh sách trao Giải Nobel vào cuối năm ấy. Fermi thấy hứng khởi, không những vì triển vọng giành giải thưởng, mà còn bởi vì nó có thể đem lại một lộ trình đi khỏi Italy. Quả vậy, vài tuần sau ông nhận được một cuộc gọi thông báo ông giành giải Nobel, và rằng ông phải đi Stockholm, Thụy Điển, để nhận giải. Hơn nữa, ông được mời mang cả gia đình đến Thụy Điển. Ngay sau buổi lễ trao giải Nobel, Fermi lên máy bay sang Anh, đi cùng với vợ con ông. Từ đây họ ngồi tàu sang New York.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
![[Ebook] Hải Vương tinh](/bai-viet/images/stories/Tin-hoc-nha-truong/hvt99.bmp)
![[Ảnh] Thiên hà xoắn ốc NGC 5033](/bai-viet/images/2012/08/n5033block_s913.jpg)