HAHN, MEITNER, VÀ STRASSMANN
Lise Meitner sinh ra trong một gia đình Do Thái ở Vienna, Áo, vào năm 1878. Bà yêu thích vật lí học từ thuở nhỏ, nhưng con đường khoa học chẳng dễ dàng gì cho một người phụ nữ vào thời ấy. Tuy vậy, bà cố gắng lấy được bằng tiến sĩ vật lí tại Đại học Vienna. Sau khi có bằng, bà đến Viện Kaiser Wilhelm ở Berlin và bắt đầu làm việc với vai trò phụ tá cho nhà hóa học Otto Hahn.6 Ban đầu bà làm việc không lương, nhưng sau cùng bà trở thành trưởng phòng của một chuyên ngành hóa. Bà làm việc với Hahn trong ba mươi năm, thực hiện được một số khám phá quan trọng.7
Khi Hitler lên nắm quyền vào năm 1933, bà đang đảm đương vai trò giám đốc Viện Hóa học. Mặc dù sinh ra trong một gia đình Do Thái, nhưng bà đã cải đạo Cơ đốc lúc còn trẻ, và khi trưởng thành bà tự nhận mình là người theo chủ nghĩa Luther. Hơn nữa, bà mang quốc tịch Áo. Vì thế, thoạt đầu bà chẳng lo lắng trước hành động của Hitler chống người Do Thái. Bà vùi đầu trong công việc. Những người khác, trong đó có gia đình Joliot-Curie ở Paris đi theo phương pháp của Fermi dùng neutron bắn phá các nguyên tố nặng, đặc biệt là uranium. Hahn và Meitner sớm quan tâm đến công trình của họ.
Tuy nhiên, Meitner vừa mới bắt đầu công trình nghiên cứu khi Hitler thôn tính nước Áo và công khai bài người Do Thái, kể cả người Do Thái đến từ Áo. Mặc dù bà không còn xem mình là người Do Thái, nhưng Meitner biết rằng đối với đảng Nazi điều đó chẳng nghĩa lí gì. Bà phải đi khỏi khu vực ảnh hưởng của người Đức càng sớm càng tốt, thế nhưng có một trục trặc. Visa của bà hết bạn, và bà không thể xin visa mới bởi như thế sẽ khiến chính quyền chú ý. Bà không biết phải làm sao, thế nên bà viết thư cho Niels Bohr ở Copenhagen. Bohr thu xếp cho bà đến Hà Lan mà không cần visa. Nhưng bà phải vượt qua các đội tuần tra Nazi tại biên giới. Và, đúng như bà lo ngại, một viên chức Nazi yêu cầu bà trình visa. Bà biết nó đã hết hạn, nhưng bà vẫn đưa nó cho anh ta. Anh ta tỉ mỉ nhìn ngó nó trong khi bà ngồi trong trạng thái tim đập loạn xạ. Cuối cùng, sau vài phút anh ta đưa nó lại cho bà mà không nói năng gì. Vài phút sau, bà không dám tin nổi, bà đã ở bên lãnh thổ Hà Lan.
Bohr dành cho bà một vị trí ở Stockholm, Thụy Điển, nhưng vị trí đó hầu như không được trợ cấp, và bà sớm rơi vào tình thế khốn đốn. Hơn nữa, Hahn và trợ lí của ông, Fritz Strassmann, đang tiếp tục làm các thí nghiệm mà họ đã bắt đầu. Fermi từng giả định rằng khi bắn phá neutron vào uranium nó sẽ tạo ra một nguyên tố hậu uranium, nặng hơn, nhưng ông chưa chứng minh được một cách rõ ràng. Còn khi Hahn và Strassmann tiến hành thí nghiệm, họ vô cùng bối rối. Họ không thể xác thực kết quả của Fermi; thêm nữa, một nguyên tố, ấy là barium, với chỉ khoảng một nửa trọng lượng nguyên tử của uranium, có vẻ như được tạo ra. Điều đó chẳng có ý nghĩa gì, nhưng Hahn đã chạy thí nghiệm vài lần, mỗi lần đều thu được kết quả giống nhau. Biết rằng Meitner có hiểu biết về vật lí hạt nhân tốt hơn bản thân, nên Hahn gửi cho bà một lá thư nhờ bà đưa ra lời giải thích, nếu có.
GIÁNG SINH NĂM 1938
Meitner bất ngờ trước kết quả ấy, xen lẫn bối rối nữa. Bà không có lời giải thích, nhưng bà cam đoan rằng Hahn không phạm sai sót nào. Nếu ông nói barium có mặt sau khi bắn phá, thì điều đó phải đúng thôi. Nhưng barium này từ đâu mà có? Giáng sinh đã gần kề, bà vắt óc suy nghĩ về kết quả kì lạ đó. Bà có một người cháu trai, Otto Fisch, đang làm việc cho Bohr ở Copenhagen, và bà biết anh chàng còn độc thân. Thế là bà viết thư hỏi anh chàng có muốn đến nghỉ Giáng sinh cùng bà không. Anh chàng hồi âm rằng anh rất hoan hỉ được nghỉ lễ chung với bà. Anh đang nghiên cứu một dự án thú vị liên quan đến tính chất từ của hạt nhân, và anh háo hức muốn kể cho nghe về dự án, vì bà có thể nêu cho anh một số đề xuất.8
Tuy nhiên, anh chàng có chút thất vọng khi gặp bà. Bà lập tức nói ngay về chuyện lá thư mà bà nhận được từ Hahn. Cuối cùng bà đưa nó cho anh đọc. Fisch đề xuất rằng kết quả lạ của thí nghiệm của Hahn có thể là một sai số do nhiễm bẩn, nhưng bà cãi rằng Hahn là nhà hóa học giỏi làm gì cho phép xảy ra chuyện như vậy. Họ trao đổi khá lâu với nhau về nó.
Nói chung, chỉ những hạt nhỏ electron, neutron, và hạt alpha mới được quan sát thấy trong phản ứng hạt nhân. Một hạt nhân nặng hơn hoặc nhẹ hơn một chút có thể được tạo ra, song dường như chẳng có cách nào cho một hạt nhân bằng một nửa trọng lượng nguyên tử của uranium được tạo ra cả. Cách duy nhất để nó được tạo ra là giả sử bằng cách nào đó hạt nhân uranium vỡ làm hai nửa. Nhưng điều đó là không thể - năng lượng cần thiết cho hiện tượng như vậy phải vô cùng lớn, và các neutron đập vào hạt nhân chỉ có một năng lượng nhỏ thôi.
Frisch có mang theo đồ trượt tuyết và muốn đi chơi trượt tuyết khi qua Đức, vì thế họ khăn gói lên đường, Frisch lướt ván trượt còn Meitner đi bộ trên tuyết. Họ bắt đầu trao đổi về hai mô hình hạt nhân. Ernest Rutherford đề xuất nó là một quả cầu nhỏ, rắn chắc, còn Bohr mới nêu một mô hình mới và khác lúc ấy gây không ít tranh cãi. Ông đề xuất rằng hạt nhân thật ra tương đối mềm và dẻo – giống như một giọt nước.
Chẳng có cách nào trong mô hình Rutherford cho phép một hạt nhân chia tách làm đôi, mỗi hạt nhân mang một nửa kích cỡ của hạt nhân ban đầu. Tuy nhiên, mô hình của Bohr thì có thể. Họ dừng lại và ngồi xuống trên một cây đổ ở gần lối đi. Lise rút ra từ túi ra một tờ giấy và một cái bút chì. Họ vẽ một hình của hạt nhân uranium, giả sử nó là một quả cầu. Điều gì sẽ xảy ra nếu một neutron đập vào nó? Nếu nó giống như một giọt nước, thì nó có thể thay đổi chút ít hình dạng; nó có thể trở nên thuôn dài ra. Meitner bắt đầu tính các lực tác dụng lên giọt đó. Lực cố kết giữ giọt chất lại, vì thế nếu cuối cùng nó bị vỡ ra, thì các lực này sẽ bị vượt qua. Và lực cố kết đó liên hệ với lực căng bề mặt của giọt chất. Lực có thể thắng được nó phải có nguồn gốc từ điện tích của hạt nhân. Và quả vậy, hạt nhân uranium to lớn, không bền có khả năng sẽ chao đảo. Nếu thế, lúc đầu nó sẽ trở nên thuôn dài, nhưng khi tiếp tục dao động nó có thể bắt đầu na ná một quả tạ, và nếu điều này xảy ra, thì hai khối lượng ở hai đầu quả tạ sẽ đẩy nhau ra do điện tích giống nhau của chúng.9
Một giọt chất lỏng chao đảo phân chia thành hai giọt nhỏ hơn.
Meitner tính năng lượng sẽ giải phóng nếu hiện tượng này xảy ra. Bà bất ngờ thấy rằng nó sẽ vào cỡ 200 triệu electron volt (một electron volt là năng lượng mà một electron thu được khi đi qua một hiệu điện thế 1 volt). Năng lượng này không lớn gì, nhưng khi nhân với số lượng hạt nhân chia tách, thì con số sẽ là rất lớn. Thế năng lượng này từ đâu mà có? Meitner lập tức nghĩ tới một bài giảng bà từng tham dự hồi nhiều năm trước tại đó Einstein có đưa ra một công thức liên hệ khối lượng và năng lượng. Bà cộng khối lượng của hai hạt nhân sản phẩm và so sánh tổng đó với khối lượng uranium. Rồi bà dùng công thức Einstein biến đổi hiệu khối lượng đó thành năng lượng. Thật bất ngờ, kết quả đúng như vậy: 200 triệu electron volt. Đây rõ ràng không phải sự trùng hợp ngẫu nhiên. Hạt nhân uranium chia tách làm đôi – một khám phá thú vị biết mấy nếu nó thật sự xảy ra. Họ quyết định công bố các kết quả của mình càng sớm càng tốt.
Frisch hối hả trở về Copenhagen. Anh đứng ngồi không yên chờ kể cho Bohr nghe. Nhưng Bohr đang chuẩn bị cho một chuyến đi Mĩ và không có nhiều thời giờ với anh. Tuy vậy, ông rất vui trước tin tức ấy, và ông khích lệ Frisch và Meitner công bố càng sớm càng tốt. Frisch bắt tay vào viết bài báo, nhưng anh bị vướng phải vấn đề làm sao mô tả sự phân chia đó. Một người bạn lưu ý rằng nó khá giống với việc chia tách một tế bào đơn giản trong sinh học, và quá trình ấy được gọi là “phân đôi”. Tên gọi “phân hạch” lập tức lóe lên trong đầu, và anh dùng cụm từ này trong bài báo. Nó được xuất bản sau đó năm tuần trên tạp chí khoa học Nature.
Lúc ấy, Hahn đã công bố kết quả của ông, nhưng Meitner chưa nói với ông về cách giải thích do bà và Frisch phát triển, thành ra trong bài báo của ông không hề nhắc tới sự phân hạch. Thật ra, Meitner có lưỡng lự một chút trước khi bà kể với Hahn. Bà muốn chắc ăn rằng bài báo của bà và Frisch được công bố trước. Tuy nhiên, trong câu chuyện này lại có một chút mỉa mai. Hahn được trao Giải Nobel năm 1944 cho khám phá sự phân hạch, không hề nhắc tới Meitner, mặc dù bà chính là người lí giải kết quả của ông là sự phân hạch.
PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
Bohr khó dồn nén cảm xúc hứng khởi trước khám phá mới khi ông giong buồm sang Mĩ. Cùng với người cộng sự Leon Rosen, ông cố vạch ra các chi tiết của hiện tượng xảy ra trong sự phân chia của hạt nhân uranium. Rõ ràng có một năng lượng rất lớn sẽ được giải phóng. Vậy có thể dùng nó chế tạo bom hay không? Ông hứa với Frisch rằng ông sẽ không nhắc tới khám phá ấy cho đến khi Frisch và Meitner công bố các kết quả của họ, nhưng ông quên nhắc chuyện này với Rosen.
Bohr, Rosen và nhóm của họ đến New York gặp Fermi, vợ Ferm, và John Wheeler, một học trò cũ của Bohr. Bohr chẳng nói gì về khám phá ấy, nhưng trong một thời gian ngắn ông phát hiện rằng hình như mọi người ai cũng biết tới nó. Thế rồi ông nhận ra mình đã quên dặn Rosen giữ bí mật. Bí mật đã bị bật mí, thành ra ông quyết định đưa ra công bố tại một hội nghị ở Washington về vật lí lí thuyết mà ông sẽ tham dự trong vòng vài ngày. Nhiều nhà vật lí hàng đầu thế giới có mặt tại cuộc họp đó, bao gồm Hans Bethe, Edward Teller, George Gamow, Harold Urey, Isidor Isaac Rabi, Otto Stern, và Gregory Breit. Đúng như kì vọng, mọi người đều sửng sốt khi tin tức được công bố, nhất là sau khi Bohr đề cập chuyện sử dụng sự phân hạch có thể chế tạo một loại siêu bom.
Khi Fermi nghe tới khám phá ấy, ông có những cảm xúc lẫn lộn; ông nhận thấy bản thân mình lẽ ra đã tiến rất gần đến khám phá ấy, và ông thấy bực mình. Nhưng đồng thời ông nhận ra rằng dó là một khám phá bước ngoặt, và điều quan trọng là đuổi theo nó càng nhanh càng tốt. Ông lập tức bố trí một thí nghiệm đơn giản tại Đại học Columbia để xác thực kết quả, và ông hài lòng thấy nó rất rõ ràng: hạt nhân uranium quả thật phân chia.
Mọi người đều bàn tán về khám phá mới ấy, và khi Bohr, Wheeler, Fermi và Leo Szillard gặp nhau ăn tối sau hội nghị một ngày họ vẫn tiếp tục không ngớt xoay quanh các ý tưởng liên quan đến khám phá ấy. Một trong những ý tưởng thú vị nhất trong số này là ý tưởng mà Bohr tình cờ nhắc đến trong cuộc họp. Ông nói rằng nếu hạt nhân uranium tách làm đôi, để lại hai hạt nhân nặng hơn, thì phải còn sót một số neutron nữa, nhưng không ông chắc có bao nhiêu neutron. Tuy vậy, nếu có hai hoặc nhiều neutron giải phóng khỏi phản ứng, thì mỗi neutron có thể gây ra một phân hạch mới. Hơn nữa, nó có chút giống với câu chuyện xưa kể về một người chủ trả công cho một người làm thuê mới một cent cho ngày thứ nhất, sau đó tăng gấp đôi tiền công sau mỗi ngày tiếp theo. Sau khi phản đối, người làm thuê mới nhận ra rằng anh ta sẽ thành triệu phú trong vòng một tháng. Tóm lại, theo cách đó chẳng mất bao nhiêu lần nhân đôi để một con số nhỏ trở thành khổng lồ. Và vì mỗi phân hạch mới sẽ xảy ra trong một phần hết sức nhỏ của một giây, nên một lượng năng lượng lớn khủng khiếp sẽ được giải phóng rất nhanh.10
Khả năng ấy kích thích đến mức Bohr hỏi Wheeler chứ anh có muốn đến làm việc hợp tác với ông để xem những gì là có thể hay không, và Wheeler đồng ý. Nhưng họ sớm nhận thấy rằng họ sẽ cần một số kết quả thực nghiệm nữa, vì thế một thí nghiệm được bố trí tại Đại học Princeton để tính xem tốc độ phân hạch bị ảnh hưởng như thế nào bởi tốc độ hay năng lượng của các neutron đến, hay bắn phá. Đặc biệt, họ muốn làm rõ xem có khác biệt gì không giữa neutron chậm và neutron nhanh. Họ bắt đầu bắn phá uranium bằng các neutron năng lượng cực cao, và, đúng như trông đợi, năng lượng neutron càng cao thì tốc độ phân hạch càng lớn. Song họ còn thu được một kết quả ngoài trông đợi: ở những năng lượng neutron rất thấp, tốc độ phân hạch cũng tăng lên. Tóm lại, tốc độ phân hạch là cao đối với neutron chậm và cũng cao đối với neutron rất nhanh. Điều này trông có chút quái dị. Bohr và Wheeler nghĩ mãi về nó. Nguyên nhân hẳn phải liên quan đến uranium mà họ đang sử dụng, đó là uranium thiên nhiên lấy từ lòng đất.
Sự phân hạch tạo ra phản ứng dây chuyền
Để hiểu được điều này quan trọng như thế nào, ta phải trở lại với các nguyên tố và nhìn kĩ hơn vào cách cấu tạo của chúng. Như ta đã thấy ở phần trước, các nguyên tố có một số lượng nhất định proton và neutron trong hạt nhân của chúng (ta sẽ bỏ qua các electron, vì chúng không liên quan gì trong phần thảo luận này). Hơn nữa, mỗi nguyên tố được nhận ra bởi số khối A (liên hệ mật thiết với trọng lượng nguyên tử), và số nguyên tử (Z). Số khối bằng số proton cộng số neutron, còn Z là số proton trong hạt nhân, và chính số proton trong hạt nhân xác định duy nhất một nguyên tố. Ví dụ, hạt nhân carbon có sáu proton, song nó có thể chứa bảy hoặc tám neutron. Sự khác biệt số lượng neutron như vậy không biến nó thành một nguyên tố mới; thay vậy, số lượng neutron khác nhau định danh các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. Và, như vỡ lẽ, uranium cũng có hai đồng vị khác nhau về số lượng neutron mà chúng chứa. Chúng được gọi là U-238 và U-235. Uranium thiên nhiên là một hỗn hợp gồm hai đồng vị này.
Khi Bohr và Wheeler nhìn kĩ vào các kết quả của thí nghiệm Princeton, họ nhận thấy rằng sự tăng đột ngột số phản ứng phân hạch khi bắn phá neutron chậm là do bởi U-235. Số phản ứng tăng lên với neutron nhanh chủ yếu là do U-238. Điều này có nghĩa là phân hạch U-235 tiêu hao ít năng lượng hơn phân hạch U-238. Như vậy, U-235 sẽ thích hợp hơn để làm bom, đặc biệt do bởi các neutron thứ cấp là rất chậm. Vấn đề là uranium thiên nhiên gồm hầu như đa số là U-238; chỉ 0,7 phần trăm uranium thiên nhiên là U-235. Và tình hình còn tệ hơn, do chúng có hóa tính giống nhau, nên chẳng có quá trình hóa học nào có thể tách U-235 ra khỏi U-238. Người ta sẽ phải dùng đến một số quá trình vật lí nào đó, ví dụ như khuếch tán, nhưng nhiệm vụ này sẽ khó thực hiện.
Mặc dù lúc ấy họ không nhận ra, nhưng những người khác cũng đã suy nghĩ theo hướng tương tự. Irene Joliot-Curie cùng chồng bà, Frederic, ở Paris, cũng nhận thấy có khả năng làm bom. Hơn nữa, Otto Hahn, vẫn đang ở nước Đức Quốc xã, chẳng mấy chốc cũng đi tới kết luận giống vậy. Ngoài ra, Werner Heisenberg, một trong nhà vật lí lỗi lạc và nổi tiếng nhất thế giới, cũng ở Đức, cùng với số ít nhà vật lí danh tiếng thế giới khác. Một người đặc biệt lo lắng trước khả năng chế tạo bom của sự phân hạch là Leo Szilard.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
