Lịch sử Nguyên Tử - Phần 3 potx

Lịch sử Nguyên Tử - Phần 3


Vào mùa hè năm 1900, khi Rutherford trở về Tân Tây Lan để cưới
vợ thì Frédérick Soddy tới Montreal. Soddy khi đó mới 22 tuổi, năm trước
vừa đậu văn bằng Hóa Học tại trường Đại Học Oxford, nhưng vì không
kiếm nổi việc làm tại nước Anh nên Soddy đành sang Canada. Trong thời
gian lưu lại Montreal, Soddy đã lóa mắt trước các phòng thí nghiệm lộng lẫy
do Sir William Macdonald, vua thuốc lá, xây dựng cho trường Đại Học
McGill. Vì vậy Soddy tình nguyện nhận chân nghiệm chế viên hóa học.
Chính tại phòng thí nghiệm của Rutherford, Soddy được giao phó việc khảo
sát chất Thorium. Soddy và Rutherford đã tìm ra một hóa chất còn nghi ngờ
với tên gọi là Thorium X.
Khi trở về làm việc tại Cambridge, Rutherford khảo sát sự “i ông”
hóa và thấy rằng Uranium phát ra hai loại tia mà ông đặt tên là tia alpha và
tia bêta. Sau đó nhà vật lý học trẻ tuổi của trường Đại Học McGill là Arthur
Gorden Grier nhận thấy rằng Thorium cũng như Uranium chỉ cho tia alpha
trong khi Uranium X và Thorium X phát ra tia bêta.
5/ Ngành Vật Lý Nguyên Tử vào đầu thế kỷ 20.
Vào đầu mùa hè năm 1902, Rutherford và Soddy cùng viết các bài
phúc trình trên Tạp Chí The Philosophical Magazine xuất bản tại London.
Khi gần viết hết loạt bài này thì tư tưởng của hai nhà bác học này lại chuyển
sang ý niệm về sự biến dịch (transmutation). Rutherford và Soddy đã đề cập
tới lý thuyết của sự biến đổi (La Théorie de la Transformation) và lý thuyết
này trở nên rất thích nghi vào các năm 1902/1903. Rutherford và Soddy còn
viết thêm bản tường trình cuối cùng trước khi Soddy nhận chức vụ tại phòng
thí nghiệm của Giáo Sư William Ramsay.
Ít lâu sau ngày khí Argon được khám phá, có người đã báo cho nhà
bác học Ramsay biết rằng có một khoáng chất, chất cléveite, khi cho hòa tan
vào trong một acít, đã để bốc ra một thứ khí có thể là Argon. Ramsay liền
làm thí nghiệm về chất cléveite và đã thấy rằng đó không phải là Argon, mà

là Hélium.
Thời bấy giờ Rutherford và Soddy đều đã khuyến cáo rằng khí
Hélium có thể là một nguyên tố do từ sự biến dịch của các chất Uranium và
Radium. Vì thế từ mùa xuân năm 1903, Rutherford tìm cách lấy khí Hélium
từ chất Radium trong khi Soddy lại nghĩ tới việc tạo ra Radium từ Uranium.
Thật là may mắn cho Soddy khi ông được cộng tác với Ramsay vì nhà khoa
học này ngoài việc khám phá ra khí Argon với Lord Rayleigh, còn tự tìm ra
nhiều khí hiếm khác cùng một họ, đó là các khí Hélium, Néon, Krypton,
Xénon. Soddy cùng Ramsy đã khảo sát khí Hélium để rồi đi đến kết luận
Hélium là một thứ khí hiếm mà cũng là một nguyên tố có các đặc tính cá
biệt. Hai nhà bác học này đã nhận thức được rằng một chất có thể biến dịch
từ một chất khác và như vậy, lý thuyết của Rutherford và Soddy mới đề cập
15 tháng trước đây được kể như đúng với sự thật. Nhưng giới khoa học phải
đợi tới mùa xuân năm 1905, lý thuyết về sự biến đổi mới được Rutherford
chứng minh một cách đầy đủ, trừ chất Polonium, chất này được cắt nghĩa
vào mùa hè năm 1906. Nhờ lý thuyết biến đổi, các nhà bác học đã có thể cắt
nghĩa về các chất phóng xạ.
Trong các năm đầu của thế kỷ 20, việc khảo cứu chất phóng xạ được
nhiều nhà bác học theo đuổi, chẳng hạn như Giáo Sư Willy Marckwald
thuộc trường Đại Học Berlin, Stephan Meyer và nhà vật lý Egon von
Schweidler, nhà hóa học kiêm vật lý thuộc trường Đại Học Vienne,
Heinrich Greinacher và Karl Herrmann, hai Giáo Sư người Đức,
Herbert N. McCoy, một nhà hóa học trẻ tuổi tại trường Đại Học Chicago,
Bertram Boltwood, nhà hóa học tại New Haven, Hoa Kỳ.
Đầu năm 1907, Giáo Sư Arthur Schuster thuộc trường Đại Học
Manchester, nước Anh, muốn về hưu. Ông ngỏ ý mong được Rutherford
thay thế mình. Lúc bấy giờ Rutherford đang ở McGill và đã trở nên vững
vàng về địa vị cũng như tiền bạc, nhưng Đại Học McGill lại ở xa trung tâm
thế giới khoa học của thời đó là châu Âu, trong khi tại châu Mỹ, việc khảo
cứu khoa học vẫn còn bị coi là thứ xa xỉ. Cũng vì vậy Rutherford đành

xuống tầu vào giữa tháng 5 năm đó để trở về nước Anh. Khi tới Manchester,
Rutherford gặp Hans Geiger mới đến nhận việc. Geiger khi đó vừa mới đậu
Tiến Sĩ từ trường Đại Học Erlangen và tới Manchester không phải với tư
cách sinh viên hay nhân viên giảng huấn mà chỉ để khảo cứu môn vật lý.
Geiger được Rutherford giao cho công việc làm phát triển phương pháp I
ông hóa và chủ đích của công việc này là tìm cách sáng chế một dụng cụ
dùng để đếm các hạt alpha.
Geiger và Rutherford đã dùng lại phát minh của John S. Towsend,
một người bạn cũ của Rutherford tại Cambridge và bổ túc bằng những ý
kiến của nhà toán học trẻ tuổi Paul J. Kirby. Hai nhà bác học kể trên đã
hoàn thành một máy đếm (compteur) nhờ đó người ta đếm được các hạt điện
tử. Rutherford và Geiger còn suy ra vào mùa hè năm 1908 rằng hạt điện tử
alpha giống hệt như nguyên tử Hélium. Ít lâu sau, Rutherford biết tin ông
được trao Giải Thưởng Nobel 1908 về Hóa Học.
Từ đầu năm 1909, với sự phụ tá của Geiger và Ernest Marsden, một
sinh viên trẻ tuổi, Rutherford vẫn tiếp tục nghiên cứu về các chất phóng xạ
để rồi tới tháng 5 năm 1911, ông cho phổ biến trên tạp chí The Philosophical
Magazine ý tưởng về một kiểu mẫu nguyên tử. Nguyên tử khi đó được quan
niệm là một khoảng trống không, bên ngoài có các điện tử di chuyển chung
quanh một tâm phân tán theo một điện trường có cường độ giảm theo bình
phương khoảng cách. Tâm phân tán này rất nhỏ, có điện dương và khối
lượng tương đối rất lớn. Lý thuyết nguyên tử của Rutherford giống như thái
dương hệ, đã cho phép cắt nghĩa được nhiều hiện tượng nhưng một trở ngại
được nêu lên. Nếu có các điện tử xoay quanh nhân, thì chắc hẳn phải có sự
phát ra ánh sáng và do đó, sinh ra sự co lại của các quỹ đạo khiến cho các
điện tử sẽ bị rơi vào nhân trong khi theo sự nhận xét, điều này đã không xẩy
ra.
Tới mùa xuân năm 1912, tất cả khoa học gia tại Manchester đều công
nhận kiểu mẫu nguyên tử của Rutherford nhưng chính vào lúc này, một du
khách tới Manchester: Niels Bohr. Bohr là con của một Giáo Sư Sinh Lý

Học thuộc trường Đại Học Copenhague. Ông vừa đậu xong văn bằng Tiến
Sĩ Vật Lý và sang nước Anh để học hỏi thêm. Sau 4 tháng, Bohr trở về
Copenhague với nhiều kiến thức thu lượm được.
Vào tháng 7 năm 1913, Bohr công bố những ý tưởng mới về nguyên
tử và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân”. Bohr đi tới kết luận như sau: ông
công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng ông đặt giả thuyết
rằng các điện tử xoay với vận tốc đều trên các quỹ đạo cố định chung quanh
nhân, nhưng không phát ra ánh sáng và vì vậy, không bị kéo về phía nhân.
Tại các quỹ đạo này, các điện tử ở trong trạng thái ổn định nghĩa là năng
lượng của chúng không bị thay đổi. Tuy nhiên vì các sự hỗn loạn do bên
ngoài gây nên, chẳng hạn như sự đụng chạm hay bức xạ, các điện tử sẽ bị
dời chỗ tạm thời để rồi trở về quỹ đạo cũ bằng cách nhẩy vọt và mỗi lần
nhẩy vọt từ quỹ đạo ngoài vào quỹ đạo trong kế cận sẽ phát ra một quang tử
(quantum) và quang tử này tiêu biểu cho sự khác biệt về năng lượng giữa
quỹ đạo bên ngoài vừa từ bỏ và quỹ đạo bên trong vừa chấp nhận. Như vậy
ánh sáng chỉ được phát ra trong trường hợp này mà thôi.
Niels Bohr đã dùng kiểu mẫu nguyên tử của ông và lý thuyết về
Quang Tử (Théorie des Quanta) của Max Planck và Albert Einstein để tiên
đoán về các màu sắc, về chiều dài làn sóng và về các loại ánh sáng do các
vật chất khác nhau phát ra. Các quan niệm về nguyên tử của Bohr đã giải
thích được nhiều điều thắc mắc và đã khiến cho việc khảo cứu nguyên tử đi
được các bước thật dài.

Vào năm 1924, nhà vật lý người Pháp là Louis de Broglie đã đề nghị rằng
các âm điện tử (electrons) có vài tính chất làn sóng rồi 4 năm sau, việc mô tả
cách xếp đặt các điện tử đã được thực hiện do các nhà vật lý Erwin
Schrodinger và Wolfgang Pauli người Áo, Max Born và Werner
Heisenberg người Đức. Tới năm 1928, các chuyển động của điện tử đã
được hiểu rõ nhưng nhân nguyên tử còn trong vòng bí ẩn. Từ năm 1902, các
nhà khoa học đã biết đến dương điện tử (protons) và vào năm 1914,

Rutherford cho rằng nhân nguyên tử có chứa loại dương điện tử này. Năm
1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick đã khám phá ra bên trong
nhân có các hạt điện tử không mang điện tích, được gọi là trung hòa tử
(neutrons) rồi vào thập niên 1930, các máy gia tốc hạt nguyên tử (particle
accelerators) được chế tạo để khảo sát về nhân nguyên tử, với chiếc máy đầu
tiên cyclotron do nhà vật lý người Hoa Kỳ là Ernest O. Lawrence.
Năm 1938, các nhà khoa học khám phá thấy rằng nếu dùng trung hòa
tử để bắn vào nhân nguyên tử Uranium, nhân này sẽ bị tách ra làm hai đồng
thời phát ra một năng lượng cực lớn. Trong chuyến du hành qua Hoa Kỳ,
Niels Bohr đã bàn luận về năng lượng của nguyên tử với Albert Einstein và
với nhiều nhà bác học khác trong đó có cả Enrico Fermi, khi đó đang làm
việc tại trường Đại Học Columbia. Thời bấy giờ chưa có nhà bác học nào
biết rằng giữa hai chất Uranium 238 và Uranium 235 với lượng rất ít, chất
Uranium nào đã bị phân hạch tâm để phát ra năng lượng lớn lao. Bohr đã
cùng Tiến Sĩ John A. Wheeler nghiên cứu vấn đề này và trong vài ngày, đã
đi đến kết luận rằng chỉ có chất Uranium 235 bị chia tách. Ít lâu sau đó, các
phòng thí nghiệm tại châu Âu đều công nhận lời tiên đoán của Niels Bohr về
chất Uranim 235. Ngoài ra lý thuyết về nhân hỗn hợp (compound nucleus)
của Bohr cũng là một đóng góp to lớn vào nền vật lý hạch tâm nhờ đó các
nhà vật lý đã cắt nghĩa được sự phóng xạ, sự phát ra trung hòa tử và sự phân
hạch tâm (fission).
Vào năm 1932, hai nhà vật lý người Anh Sir John D. Cockcroft và
Ernest Thomas Sinton Walton là các người đầu tiên dùng các hạt nguyên
tử tăng gia tốc để bắn vào nhân nguyên tử Lithium. Trong việc oanh kích
nhân nguyên tử, các hạt mới được tìm ra, chẳng hạn như các hạt “muons”
khám phá vào năm 1937 và hạt “pions” vào năm 1947. Sự khả hữu của các
hạt “pions”đã được nhà vật lý người Nhật Yukawa Hideki tiên đoán vào
năm 1935. Các hạt nguyên tử (particles) cũng được xếp hạng thành các loại
như Hadrons, Leptons, Bosons theo lực (force) vì đây là yếu tố kiểm soát
các phản ứng hỗ tương (interactions). Năm 1934, nhà vật lý Hoa Kỳ gốc Ý

Enrico Fermi đã thực hiện được việc phân hạch tâm nhưng phản ứng này
chưa được công nhận cho đến năm 1939, khi các nhà khoa học Đức Otto
Hahn và Fritz Strassmann công bố rằng họ đã tách được nhân Uranium do
bắn bằng neutrons.

Năm 1963, hai nhà vật lý Hoa Kỳ Murray Gell-Mann và George Zweig đề
nghị rằng hạt hadrons là phối hợp của loại hạt căn bản “quarks”. Mặt khác,
các phản ứng hạt nhân có các ích lợi thực tế gồm việc phân chia một nhân
nặng thành các nhân nhẹ, gọi là “phân hạch tâm” (fission) và việc phối hợp
hai nhân nhẹ thành một nhân nặng, gọi là “ghép hạch tâm” (fusion).


Ngày nay năng lực nguyên tử phát ra trong phản ứng dây chuyền đã
được dùng trong việc chế tạo bom nguyên tử A và sản xuất điện năng, còn
tác dụng ghép hạch tâm được dùng để cắt nghĩa về nguồn gốc của nhiệt
lượng và ánh sáng xẩy ra trên mặt trời và các ngôi sao, được dùng trong
phương pháp nổ bom khinh khí (hydrogen bomb), và các nhà vật lý đang tìm
kiếm áp dụng thực tế của tính chất ghép hạch tâm có kiểm soát (controlled
fusion)./.