Lịch sử vật lý hạt nhân từ năm 1932 đến năm 1983 qua nghiên cứu tương tác nucleon nucleon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

LỊCH SỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN
TỪ NĂM 1932 ĐẾN NĂM 1983
QUA NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON - NUCLEON

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư
Ngành: Sư Phạm Vật lý
Giảng viên hướng dẫn: TS. Bùi Minh Lộc

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

LỊCH SỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN
TỪ NĂM 1932 ĐẾN NĂM 1983
QUA NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON - NUCLEON

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư
Ngành: Sư Phạm Vật lý
Giảng viên hướng dẫn: TS. Bùi Minh Lộc

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020


CHỮ KÍ XÁC NHẬN
Cán bộ phản biện

Cán bộ hướng dẫn

TS. Nguyễn Văn Hoa

TS. Bùi Minh Lộc

3


LỜI CẢM ƠN
Khóa luận tốt nghiệp này được hồn thành với sự nỗ lực hết mình từ bản thân, cùng với sự
giúp đỡ, động viên của thầy, gia đình và bạn bè.
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cám ơn TS. Bùi Minh Lộc, cám ơn Thầy đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ, có những ý tưởng mới để ln trợ giúp cho tơi hồn thành tốt nhất khóa luận
này. Nhờ Thầy mà tôi biết thêm được nhiều kiến thức, kĩ năng trong quá trình giảng dạy và
cũng nỗ lực tìm hiểu hơn rất nhiều để nâng cao năng lực của mình.
Cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã ln động viên, khuyến khích và hỗ trợ, giúp đỡ
tơi hết mình mỗi khi tơi gặp khó khăn trong q trình thực hiện khóa luận.
Một lần nữa, xin gửi đến tất cả mọi người lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Bích Thư

4


MỤC LỤC
Bảng 1. CÁC SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN
CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983 .............................. 9
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10

A.

B.

I.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ......................................................................................... 10

II.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .............................................................................................. 11
NỘI DUNG ............................................................................................................... 12

CHƯƠNG 1: SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN .......................................... 12
1.1. Khởi đầu của lĩnh vực VLHN (từ những năm cuối thế kỷ 19) .......................... 13
1.2. Thí nghiệm của Rutherford (1909) ..................................................................... 15
CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON .......................................... 18
2.1. Deuteron - Người anh em của Hydro ................................................................. 19
2.1.1. Nucleon ........................................................................................................ 23
2.1.1.1. Proton ................................................................................................... 23
2.1.1.2. James Chadwick và hạt mới neutron. ................................................... 24

2.1.2. Thuyết Yukawa về tương tác hạt nhân ........................................................ 26
2.1.2.1. Hideki Yukawa ..................................................................................... 26
2.1.2.2. Lý thuyết của Yukawa về sự tương tác hạt nhân. ................................ 26
2.2. Tán xạ NN .......................................................................................................... 30
2.3. Quark .................................................................................................................. 33
2.3.1. Gell – Mann: Cha đẻ của mơ hình hạt cơ bản quark ................................... 33
2.3.2. Quark ........................................................................................................... 34
CHƯƠNG 3: LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON
....................................................................................................................................... 36
3.1. Tương tác Skyrme .............................................................................................. 36
5


3.1.1. Tony Skyrme ............................................................................................... 36
3.1.2. Tương tác Skyrme ....................................................................................... 38
3.2. Lực Migdal ......................................................................................................... 39
3.2.1. Arkady Migdal............................................................................................. 39
3.2.2. Lực Migdal .................................................................................................. 41
3.3. Tương tác Gogny ................................................................................................ 44
3.3.1. Daniel Marc Gogny ..................................................................................... 44
3.3.2. Tương tác Gogny ......................................................................................... 45
3.4. Tương tác trên bề mặt delta ................................................................................ 45
3.5. Xác định tương tác hiệu dụng bằng thực nghiệm............................................... 46
3.6. Kết luận .............................................................................................................. 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 49
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 53

6

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Các sự kiện nổi bật của vật lý hạt nhân trong nghiên cứu tương tác nucleon –
nucleon từ 1932 – 1983 ....................................................................................................... 9
Bảng 2.1. Các tính chất cơ bản của deuteron .................................................................... 22
Bảng 2.2. Phân loại quark.................................................................................................. 34
Bang 3.1. Các tham số của lực Gogny .............................................................................. 45

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
1.1. Nhà triết học Democritus............................................................................................ 12
1.2. Henri Becquerel (1852 – 1908) .................................................................................. 13
1.3. Một tấm ảnh được thực hiện bởi Henri Becquerel cho thấy những ảnh hưởng của việc
tiếp xúc với phóng xạ. ....................................................................................................... 14
1.4. Vợ chồng Marie – Pierre Curie .................................................................................. 15
1.5. Ernest Rutherford (1871 – 1937) và thí nghiệm tán xạ hạt alpha .............................. 17
2.1. Harold Clayton Urey (1893-1981) ............................................................................. 20
2.2. Ba đồng vị của Hydro: Hyrogen, Deuterium, Tritium .............................................. 21
2.3. Niels Bohr (1885 – 1962) ........................................................................................... 24
2.4. James Chadwick (1891 – 1974) ................................................................................. 24
2.5. Hideki Yukawa (1907 – 1981) ................................................................................... 26
2.6. Carl David Anderson (1905 – 1991) .......................................................................... 28
2.7. Cecil Frank Powel (1903 – 1969) ............................................................................... 28
2.8. Giản đồ minh họa tương tác NN trong lý thuyết Yukawa ......................................... 29
2.9. Giản đồ Feynman ....................................................................................................... 30
2.10. Gell – Mann (1929 – 2019) ...................................................................................... 33
2.11. Cấu trúc quark của meson và baryon ....................................................................... 35
2.12. Cấu trúc quark của proton và neutron ...................................................................... 35

3.1. Tony Hilton Skyrme (1922 – 1987) ........................................................................... 36
3.2. Arkady Migdal ............................................................................................................ 39
3.3. Daniel Marc Gogny .................................................................................................... 44
3.4. Steven A. Moszkowski ............................................................................................... 46

8


Bảng 1. CÁC SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN
CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983
NĂM

SỰ KIỆN
-

Sự phát hiện ra Deuterium (Urey*, Brickwedde, Murphy)

-

Sự phát hiện ra neutron (Chadwick*)

-

Mơ hình hạt nhân proton – neutron (Heisenberg*)

1935

-

Giả thuyết về hạt meson (Yukawa*)

1947

-

Tìm được pi – meson (Powel*)

1964

-

Quark model of hadrons (Gell Mann Zweig)

1974

-

Charmed quark được xác nhận (Richer Ting)

1977

-

Bottom quark (Lenderman)

-

Operation of proton – antiproton collider at 300 GeV (CERN)

-

Phát hiện weak boson (Rubbia)

1932

1983

9


A. MỞ ĐẦU
I.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vật lý Hạt nhân (VLHN) đã có nền tảng với những bước đi đầu tiên như phát hiện hiện

tượng phóng xạ vào năm 1896 hay thí nghiệm Rutherford. Tuy nhiên chỉ đến khi Chadwick
tìm ra neutron vào năm 1932, thành phần của hạt nhân mới được hiểu rõ. Các cơng trình
của Cơ học lượng tử ngay lập tức được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Trong
vòng 50 năm tiếp theo, sự phát triển của VLHN đóng một vai trị then chốt trong sự phát
triển của vật lý hiện đại, góp phần tìm ra được các hạt mới (muon, pion, …). VLHN có
nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là y học hạt nhân, ví dụ như hình ảnh cộng
hưởng từ, … Ngay từ ban đầu, tương tác nucleon – nucleon (NN) đã trở thành một trong
những vấn đề được quan tâm nghiên cứu hàng đầu. Khác với tương tác điện từ có thể được
xây dựng từ những nguyên lý ban đầu của lý thuyết điện động lực học lượng tử, tương tác
NN là đối tượng nghiên cứu rất phức tạp. Hơn nữa nucleon không phải là hạt cơ bản mà là
trạng thái cân bằng lượng tử của quark và gluon. Sự hiểu biết về tương tác NN quyết định
thành công của nghiên cứu VLHN.
Hiện nay, tại Việt Nam, đã có các giáo trình phục vụ cho việc dạy học lịch sử của ngành
Vật lý, trong đó, “Lịch sử Vật lý” của Thạc sĩ Nguyễn Thị Thếp là một trong những giáo

trình được sử dụng phổ biến nhất ở các trường Đại học cũng như có nội dung tương đối đầy
đủ và chính xác khi tóm tắt các sự kiện từ thời Vật lý cổ đại đến những năm đầu của Vật lý
hiện đại ở các ngành Cơ, Nhiệt, Điện, Quang. Tuy vậy, sự phát triển của Vật lý học sau sự
ra đời của thuyết tương đối và thuyết lượng tử chỉ được tóm gọn một cách sơ lược ở những
trang cuối cùng của sách, trong đó, VLHN chỉ được đề cập một vài thành tựu nhất định và
kết thúc ở lý thuyết về quark của Gell Mann vào năm 1963 (trang 198).
Bên cạnh đó, có một sự thật khơng thể phủ nhận, đó là một bộ phận sinh viên chuyên
ngành Vật lý nhưng lại thiếu đam mê trong việc học mơn Vật lý, làm ảnh hưởng đến q
trình tiếp thu kiến thức, hệ quả là sinh viên bị điểm kém, và nó làm cho các bạn khơng cịn
động lực để học Vật lý. Cách giải quyết hiệu quả nhất lúc này là cho sinh viên tiếp xúc với
Vật lý thông qua lịch sử. Lịch sử Vật lý sẽ giúp sinh viên bổ sung những kiến thức còn
thiếu cũng như hệ thống lại các kiến thức rời rạc. Tương tự, lịch sử VLHN cũng sẽ đem lại
các tích cực cho sinh viên. Khi được tìm hiểu về VLHN thơng qua các sự kiện và nhân vật
10


lịch sử, sinh viên sẽ tìm thấy được động lực cho bản thân, từ đó lấy lại được đam mê, hiệu
quả học tập được nâng cao.

II. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
 Tìm hiểu quá trình hình thành và phát triển của VLHN thông qua các lý thuyết về tương
tác NN.
 Bổ sung kiến thức về VLHN.

11


B. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN
VLHN là ngành nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử. Loại lực đặc trưng cho các tính chất

của hạt nhân có nguồn gốc từ tương tác mạnh. Tuy nhiên, cả tương tác yếu lẫn tương tác
điện từ cũng đóng một vai trị quan trọng. Vì những lí do này, VLHN trở thành một ngành
vơ cùng cần thiết để có thể kiểm chứng các đặc điểm cơ bản của hạ nguyên tử cũng như
nghiên cứu các định luật nền tảng của Vật lý.
Các nghiên cứu về tính chất cơ bản của vật chất vốn đã được nhen nhóm bởi những
nhà triết học người Hy Lạp từ rất lâu về trước, đặc biệt là
Democritus sống ở thế kỉ thứ 4 trước cơng ngun. Ơng tin
rằng vũ trụ này được cấu thành từ hai thực thể: ngun tử và
chân khơng, trong đó “ngun tử là các hạt vật chất cực nhỏ,
khơng nhìn thấy được, khơng thể phân chia nhỏ hơn được
nữa”.
Trong vịng 2400 năm tiếp theo, quan điểm của
Democritus vẫn chỉ là một dự đốn. Cho đến tận đầu thế kỉ
Hình 1.1. Nhà triết học
Democritus (thế kỉ 4 TCN)
Nguồn: wikipedia

19, khi khoa học thực nghiệm ra đời và được áp dụng, người
ta tìm ra được các bằng chứng về sự tồn tại của nguyên tử và
từ đó, ý tưởng về “nguyên tử” trở thành lý thuyết khoa học

toàn diện. Một khi các nhà hóa học làm sáng tỏ, hệ thống được các nguyên tử và giải thích
các quy luật ảnh hưởng đến sự kết hợp của nguyên tử trong vật chất thì hiển nhiên sẽ xuất
hiện nhu cầu nghiên cứu về các đặc tính cơ bản của từng nguyên tử trong nguyên tố, đó
chính là Vật lý ngun tử. Từ đó đặt nền tảng cho các công cuộc nghiên cứu nguyên tử và
dần dần mở cánh cửa cho các nhà khoa học đến với VLHN.

12

1.1. Khởi đầu của lĩnh vực VLHN (từ những năm cuối thế
kỷ 19)
Sự khởi đầu của VLHN được đánh dấu bằng việc khám phá ra
một dạng bức xạ mới từ muối urani của Henri Becquerel. Henri
Becquerel là một nhà khoa học người Pháp, tháng 2/1896,
Becquerel hi vọng sẽ chứng minh được liên hệ giữa các khoáng
chất phát sáng khi tiếp xúc với ánh sáng mạnh (huỳnh quang)
và một loại bức xạ điện từ mới vừa được phát hiện – tia X.
Becquerel lên kế hoạch phơi một vật liệu huỳnh quang với

Hình 1.2. Henri

ánh nắng mặt trời, rồi đặt nó và một vật bằng kim loại trên một

Becquerel (1852 – 1908)

tấm phim chưa phơi sáng. Nếu tấm phim ghi lại hình ảnh của

Nguồn: wikipedia

vật thể, ơng có thể kết luận rằng các vật liệu huỳnh quang thực sự phát ra tia X.
Nhưng thời tiết liên tục có mây, buộc ơng phải trì hỗn thí nghiệm của mình trong nhiều
ngày. Ơng quấn các tinh thể huỳnh quang của mình – một hợp chất uranium có tên là
potassium uranyl sulfate – trong một tấm vải màu đen, cùng với tấm phim và một cây thánh
giá đồng Maltese, và chờ một ngày nắng hơn.
Vài ngày sau, khi lấy dụng cụ ra khỏi ngăn kéo, Becquerel đã vơ cùng ngạc nhiên khi
phát hiện hình ảnh cây thánh giá xuất hiện trên phim – mặc dù nó chưa từng bị phơi nắng.
Kết luận duy nhất là các tinh thể tự phát ra bức xạ. Becquerel quyết định lặp lại các điều
kiện của thí nghiệm: Ơng đặt trực tiếp một tinh thể muối uranium lên một tấm phim, đặt
gián tiếp qua một tấm nhơm và kính trên hai tấm phim khác.

Sau khi được đặt trong bóng tối vài giờ, tất cả ba tấm bị làm đen bởi bức xạ (tinh thể
tiếp xúc trực tiếp với phim cho thấy sự đen tối mạnh nhất). “Bây giờ tôi tin rằng muối
uranium tạo ra bức xạ vơ hình, ngay cả khi chúng được giữ trong bóng tối” – ơng viết trong
nhật ký thí nghiệm của mình – Đó chính là hiện tượng phóng xạ tự nhiên.

13


Hình 1.3. Một tấm ảnh được thực hiện bởi Henri Becquerel cho thấy những ảnh hưởng
của việc tiếp xúc với phóng xạ. Một cây thánh giá bằng kim loại đặt giữa tấm phim và
muối unrni phóng xạ đã để lại một cái bóng rõ ràng trên tấm phim
(nguồn: />
Trước cuối thế kỉ 19, phần lớn các hiện tượng Vật lý quan sát được đều được giải
thích bằng Vật lý cổ điển. Tuy nhiên, phóng xạ là một những bài tốn mà Vật lý cổ điển
không thể giải quyết được. Và chính khát khao tìm câu trả lời cho những hiện tượng này,
đồng thời thiết lập một hệ thống các định luật Vật lý đã tạo cơ hội cho Vật lý hiện đại được
hình thành.
Nhờ có phát minh của Becquerel, người ta quan tâm nhiều hơn về các chất phóng xạ.
Năm 1898, Pierre và Marie Curie đã phát hiện hai nguyên tố phóng xạ mới được gọi là
poloni và radi (Becquerel cùng với Pierre và Marie Curie đạt giải Nobel Vật lý năm 1903).
Cũng trong năm này, trong thời gian làm việc tại phịng thí nghiệm Cavendish của trường
Đại học Cambridge, Ernest Rutherford đã thông báo về sự tồn tại của hai tia phóng xạ trong
bức xạ urani và chỉ ra một số tính chất của chúng. Ơng đặt tên cho tia dễ dàng bị chặn lại
hơn (hay khó có khả năng đâm xuyên) là tia alpha (α) gồm các hạt 4He mang điện tích
dương, cịn tia dễ đâm xun hơn là tia beta (β) gồm các hạt electron hoặc positron, theo
tên hai kí tự đầu tiên của bảng chữ cái Hi Lạp. Rutherford cũng chứng minh rằng phóng xạ
là một hiện tượng phân rã tự phát của hạt nhân. Năm 1900, Paul Villard (nhà khoa học

14

người Pháp) đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ mới. Năm 1903, Ernest Rutherford đặt tên
cho nó là tia gamma (γ).

Hình 1.4. Vợ chồng Marie – Pierre Curie
Marie Curie là phụ nữ đầu tiên được nhận giải Nobel danh giá và đồng thời cũng là người
duy nhất nhận được hai giải thưởng Nobel ở hai lĩnh vực khác nhau: hóa học và vật lý.
(nguồn: Wikipedia)

1.2. Thí nghiệm của Rutherford (1909)
Năm 1909, dưới sự chỉ đạo của Ernest Rutherford, tại phịng thí nghiệm vật lý của Đại học
Manchester, Hans Geiger (phụ tá của Rutherford) và Ernest Marsden (sinh viên) thực hiện
thí nghiệm chiếu dịng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha truyền qua và tán
xạ. Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomet: hầu hết các hạt alpha đi
qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt bị lệch hướng, và cứ khoảng chừng 8000
hạt thì có một hạt bị tán xạ ngược lại và góc tán xạ lớn hơn 90o . Rutherford đã mô tả lại kết
quả này một cách đầy hình tượng: “Đó là sự kiện đáng chú ý nhất trong cuộc đời tôi. Điều
này giống như khi bạn bắn một phát súng đại bác vào một mảnh giấy và viên đạn bay ngược
trở lại trúng vào bạn”.
Kết quả này đã đưa ra một cái nhìn hồn tồn khác với giả thuyết trước đó về ngun
tử, mơ hình “pudding mận” (“plum pudding”) của Joseph John Thomson (đạt giải Nobel
Vật lý năm 1906). Nếu cấu trúc nguyên tử giống như bánh pudding mận, khi mà điện tích
15


âm và điện tích dương trộn lẫn với nhau, giống như quả mận được trộn lẫn trong bánh, nó
sẽ trung hịa điện tích và gần như khơng có lực tĩnh điện giữa các nguyên tử và các hạt
alpha, thì các hạt alpha sẽ đi xuyên qua lá vàng. Rutherford suy luận rằng sự phản xạ của
hạt alpha đã cho minh chứng nguyên tử có một lõi nhỏ giống như là những lá chắn cứng
đối với các hạt alpha. Hạt alpha có tốc độ rất lớn, khoảng 10.000 km/s. Để đẩy bật ngược

được nó, thì phải có một lực đẩy tĩnh điện rất mạnh từ các điện tích dương của nguyên tử
trong lá vàng. Điều đó chỉ có thể xảy ra khi mà tồn bộ điện tích dương tập hợp lại trong
một thể tích rất nhỏ.
Năm 1911, Rutherford đã giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên giả thuyết về “mẫu
hành tinh nguyên tử”: nguyên tử có cấu tạo rỗng chứa một hạt nhân nhỏ mang điện tích
dương trong lõi với các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh nó trên những
quỹ đạo khác nhau, giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt trời. Phần lõi này được
gọi là hạt nhân nguyên tử.
Do những giới hạn mà thời điểm đó, người ta chưa thể hiểu biết nhiều về cấu trúc của
thế giới vi mô như ngày nay. Mơ hình ngun tử của Rutherford là mơ hình đầu tiên đề
xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm tại tâm của nguyên tử, có thể coi là sự khai sinh cho khái
niệm hạt nhân nguyên tử. Sau khám phá này, việc nghiên cứu về nguyên tử được tách ra
làm hai nhánh, Vật lý hạt nhân nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử và Vật lý nguyên tử
nghiên cứu về cấu trúc của các electron bay quanh.

16


Hình 1.5. Ernest Rutherford (1871 – 1937) và thí nghiệm tán xạ hạt alpha
Ernest Rutherford là một nhà Vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phóng xạ và
cấu tạo nguyên tử - “cha đẻ” của VLHN. Nhờ làm sáng tỏ hiện tượng tán xạ trong thí nghiệm
với lá vàng mà ơng được giải Nobel hóa học vào năm 1908.
(nguồn: />
Có thể nói, khám phá của Rutherford vơ cùng quan trọng và chính là tiền đề cho sự
phát triển của VLHN hiện đại sau này vì vậy, Ernest Rutherford được mệnh danh là “cha
đẻ” của VLHN.

17

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON
Lực hạt nhân (hay là sự tương tác giữa nucleon với nucleon hoặc là phần thặng dư của lực
tương tác mạnh) là lực tương tác giữa hai hay nhiều nucleon. Nó là nguyên nhân gây ra sự
gắn kết của các proton và các neutron ở trong hạt nhân nguyên tử.
Những đặc điểm cơ bản của lực hạt nhân:
 Lực hạt nhân có cường độ rất lớn. Tương tác hạt nhân là tương tác mạnh. Ví dụ, năng
lượng liên kết do lực hạt nhân gây ra đối với hạt nhân deutron bằng 2,23 MeV, trong khi
năng lượng liên kết do lực điện từ gây ra đối với hydrogen bằng 13,6 eV.
 Lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn cỡ fermi, tức là cỡ 1013 cm. Điều này suy ra từ thí
nghiệm của Rutherford vè tán xạ của hạt alpha trên hạt nhân.
 Lực hạt nhân có tính bão hịa, mỗi nucleon trong hạt nhân chỉ tương tác với một số
nucleon quanh nó mà thơi, điều này thể hiện ở năng lượng liên kết trung bình trên
nucleon hầu như giống nhau đối với các hạt nhân khác nhau.
 Lực hạt nhân có tính độc lập điện tích. Trong các thí nghiệm về tán xạ NN, bao gồm tán
xạ n-n, n-p, p-p, sau khi loại bỏ phần tương tác Coulomb trong tán xạ p-p, người ta thấy
có sự đồng nhất về dáng điệu tán xạ của ba q trình trên. Do đó, về phương diện lực hạt
nhân thì ba quá trình tương tác trên là như nhau.
 Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin hạt nhân, tức là phụ thuộc vào sự định hướng tương đối
giữa spin của các nucleon. Điều này thể hiện trong tán xạ neutron – proton năng lượng
thấp.
 Lực hạt nhân không đối xứng tâm, tức là có tính chất tensor. Điều đó có nghĩa là phương
của lực tác dụng tương hỗ giữa hai nucleon không trùng với phương nối hai nucleon đo.s
Khi đó, lực hạt nhân khơng bảo tồn moment quỹ đạo. Tính khơng xun tâm của lực
hạt nhân suy từ sự có mặt của moment tứ cực điện của deutron.
 Lực hạt nhân có tính trao đổi. Khi va chạm nhau, các nucleon trao đổi với nhau điện tích,
hình chiếu spin, … tính chất trao đổi này suy ra từ các thí nghiệm tán xạ neutron năng
lượng cao lên proton.

18

 Lực hạt nhân có lõi đẩy mạnh, tức là khi đạt đến khoảng cách đủ nhỏ, lực hạt nhân không
hút các nucleon lại nữa mà trở thành đẩy chúng với cường độ lớn. Lõi đẩy bắt đầu xuất
13
hiện ở khoảng cách cỡ 0,5 fermi, tức là cỡ 0,5.10 cm.

 Lực hạt nhân có thể phụ thuộc mạnh vào vận tốc các hạt va chạm.
2.1. Deuteron - Người anh em của Hydro
Deuterium, hay còn gọi là hydro nặng, là một đồng vị bền của hydro có mặt phổ biến trong
các đại dương của Trái Đất với tỉ lệ khoảng 1 nguyên tử trong 6400 nguyên tử hydro
(khoảng 156,25 ppm). Deuterium chiếm khoảng 0,0156% (tương đương về khối lượng:
0,0312%) trong tổng số hydro tự nhiên trong các đại dương của Trái Đất; mức độ phong
phú thay đổi nhỏ theo từng loại hình nước tồn tại trong tự nhiên. Hạt nhân của deuterium
(được gọi là deuteron) chứa 1 proton và 1 neutron, trong khi các hạt nhân của hydro thơng
thường khơng có neutron. Tên đồng vị này có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp deuteros nghĩa là
"2", ám chỉ có 2 hạt cấu tạo nên hạt nhân.
Vào những năm 1920, William Giauque và Herrick Johnston đã phát hiện ra các đồng
vị bền của oxy. Ở thời điểm đó, đồng vị chưa được hiểu rõ; James Chadwick cũng không
khám phá ra neutron cho đến tận năm 1932. Người ta phân loại các đồng vị dựa trên các
tính chất hóa học và vật lý. Loại thứ hai được xác định bằng máy quang phổ khối. Vì người
ta biết rằng trọng lượng nguyên tử của oxy nặng gần gấp 16 lần so với hydro, Raymond
Birge và Donald Menzel đưa ra giả thuyết rằng hydro cũng có nhiều hơn một đồng vị. Dựa
trên sự khác biệt giữa kết quả của hai phương pháp, họ dự đoán rằng chỉ có một nguyên tử
hydrogen trong 4500 đồng vị nặng.
Năm 1931, Urey bắt đầu tìm kiếm đồng vị hydro. Urey và George Murphy đã tính
tốn từ dãy Balmer rằng đồng vị nặng sẽ có các vạch được dịch chuyển từ 1,1 đến
1,8 ångströms ( 1,1.1010 ~ 1,8.1010 m ). Urey đã truy cập vào 6,4 m lưới quang phổ, một
thiết bị nhạy cảm được cài đặt gần đây tại Columbia và có khả năng giải quyết các dãy
Balmer. Với độ phân giải 1 Å trên mỗi milimet, máy sẽ tạo ra sự khác biệt khoảng 1 milimét.
Tuy nhiên, vì chỉ có một nguyên tử trong 4500 là nặng, nên đường kẻ trên máy quang phổ

rất mờ nhạt. Do đó, Urey quyết định trì hỗn cơng bố kết quả của họ cho đến khi ơng có
thêm bằng chứng thuyết phục rằng đó là hydro nặng.
19


Hình 2.1. Harold Clayton Urey (1893-1981) là nhà hóa học người Mỹ
được coi là người mở hướng đi mới cho cơng nghệ năng lượng hạt nhân.
(nguồn: )

Urey và Murphy tính tốn từ mơ hình Debye rằng đồng vị nặng sẽ có điểm sơi cao
hơn một chút so với các đồng vị nhẹ. Bằng cách làm ấm cẩn thận hydro lỏng, 5 lít hydro
lỏng có thể được chưng cất thành 1 mililit, sẽ được tăng thêm trong đồng vị nặng từ 100
đến 200 lần. Để có được năm lít hydro lỏng, họ đã đi đến phịng thí nghiệm đơng lạnh
tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia ở Washington, DC, nơi họ có được sự giúp đỡ của Ferdinand
Brickwedde , người mà Urey đã biết tại Johns Hopkins.
Mẫu đầu tiên mà Brickwedde gửi đi đã bốc hơi ở 20 K (−253,2 ° C; −423,7 ° F) ở áp
suất 1 khí quyển tiêu chuẩn (100 kPa). Trước sự ngạc nhiên của họ, điều này cho thấy khơng
có bằng chứng của sự tăng thêm. Brickwedde sau đó đã chuẩn bị một mẫu thứ hai bay hơi
ở 14 K (−259,1 ° C; −434,5 ° F) ở áp suất 53 mmHg (7,1 kPa). Trên mẫu này, các dịng
Balmer cho hydro nặng gấp 7 lần. Bài báo cơng bố phát hiện ra hydro nặng, sau này được
đặt tên là deuterium, được Urey, Murphy và Brickwedde cùng xuất bản năm 1932. Urey
được trao giải thưởng Nobel về hóa học năm 1934 "vì phát hiện ra hydro nặng". Ơng từ
chối tham dự buổi lễ tại Stockholm, để ơng có thể có mặt khi con gái Mary Alice được sinh
ra.

20


Hình 2.2. Ba đồng vị của Hydro: Hyrogen, Deuterium, Tritium
(nguồn: )

Làm việc với Edward W. Washburn từ Cục Tiêu chuẩn, Urey sau đó đã phát hiện ra
lý do của mẫu dị thường. Hydro của Brickwedde đã được tách ra khỏi nước bằng phương
pháp điện phân, dẫn đến mẫu bị cạn kiệt. Hơn nữa, Francis William Aston hiện báo cáo
rằng giá trị tính tốn của ơng đối với trọng lượng ngun tử của hydro là sai, do đó làm mất
hiệu lực lý luận ban đầu của Birge và Menzel. Tuy nhiên, việc phát hiện ra deuterium vẫn
là một dấu mốc quan trọng.
Urey và Washburn đã cố gắng sử dụng điện phân để tạo ra nước nặng tinh
khiết. Phương pháp của họ là sử dụng âm thanh, nhưng đã bị đánh bại vào năm 1933 bởi
Lewis, người có thể dùng tài nguyên của Đại học California theo ý của mình. Sử dụng phép
tính xấp xỉ Born-Oppenheimer, Urey và David Rittenberg đã tính tốn các tính chất của khí
có chứa hydro và deuterium. Họ đã mở rộng điều này để làm giàu các hợp chất của carbon,
nitơ và oxy. Chúng có thể được sử dụng như các chất đánh dấu trong hóa sinh , dẫn đến
một cách hoàn toàn mới để kiểm tra các phản ứng hóa học. Ơng thành lập Tạp chí Vật lý
hóa học vào năm 1932, và là biên tập viên đầu tiên của nó, phục vụ trong khả năng đó cho
đến năm 1940.
Tại Columbia, Urey chủ trì Liên đồn Đại học vì Dân chủ và Tự do Trí tuệ. Ông ủng
hộ đề xuất của Atlanticist Clarence Streit cho một liên minh các nền dân chủ lớn của thế
giới và sự nghiệp cộng hòa trong cuộc Nội chiến Tây Ban Nha. Ông là một đối thủ đầu tiên
của chủ nghĩa phát xít Đức và hỗ trợ các nhà khoa học tị nạn, bao gồm Enrico Fermi, bằng
cách giúp họ tìm việc ở Hoa Kỳ, và thích nghi với cuộc sống ở một quốc gia mới.
Deuterium chính là khám phá đầu tiên trong bốn khám phá trọng yếu của năm 1932.
Các khám phá neutron, positron, và sự phân hủy hạt nhân bởi máy gia tốc hạt nhanh chóng
tiếp gót sau đó. Những khám phá này nhanh chóng làm chuyển biến kiến thức về cấu trúc
hạt nhân và chứng minh tính thực tại của phản vật chất.
21


Hệ gồm có một proton và một neutron thì hệ này có thể ở trạng thái liên kết. Trạng thái liên
kết của hạt nhân đơn giản là deuteron (hạt nhân của nguyên tử hidro nặng 2H, kí hiệu là 𝑑).

Mặc dù trong deuteron có hạt neutron là hạt khơng bền (phân rã β) nhưng hạt nhân deuteron
có thời gian sống lâu. Như vậy, deuteron là hệ bền vững. Vì vậy phải có năng lượng nào
giữ chúng ở trạng thái bền vững. Đó chính là năng lượng liên kết. Vậy năng lượng liên kết
là đặc trưng quan trọng của deuteron. Nó được tính bằng hiệu số khối lượng của deuteron
với khối lượng của các hạt tạo thành nó. Người ta đã tìm được nó là ε = 2,2245 MeV.
Ngồi ra, các đặc trưng cơ bản quan trọng khác của deuteron được thể hiện ở bảng 2.1.
Tính chất

Giá trị

Năng lượng liên kết E B

2,22457312(22) MeV

Spin và độ chẵn lẻ Jπ

1+

Spin đồng vị T

0

Momen lưỡng cực từ μd

0,857438230(24) MeV

Momen tứ cực điện Q d

0,28590(30) efm2

Bán kính rd

1,963(4) fm
Bảng 2.1. Các tính chất cơ bản của deuteron

Những số liệu cấu trúc này của deuteron thường xuyên được dùng để kiểm định thành
phần tương tác proton – neutron trong các mẫu tương tác tác NN khác nhau. Cụ thể, người
ta xác định hàm sóng Ψ𝑑 của deuteron từ nghiệm của phương trình Schrodinger sau cho hệ
proton – neutron
 2 2

  2    pn (r)   d (r)  E d  d (r)



(2.1)

Deuteron có dạng mật độ rất khác một hàm phân bố đối xứng cầu và các tính tốn sử
dụng mẫu lý thuyết chuẩn của tương tác NN luôn cho nghiệm của phương trình trên dưới
dạng tổ hợp của hai trạng thái S (với L = 0) và D (với L = 2) như sau:
d  0.98 3S1  0.20 3 D1

(2.2)

Với xác suất ~4% của deuteron nằm trong trạng thái 3D1 . Thành phn trạng thái D chỉ
xuất hiện được trong d nhờ tác dụng của lực tensor trong tương tác  pn (r) .
22


Deuteron là thí dụ điển hình minh họa sự phụ thuộc

của tương tác NN vào spin và spin đồng vị của cặp NN.
Cụ thể, tương tác NN chỉ có thể giữ cặp proton – neutron
với spin đồng vị T = 0 trong một trạng thái liên kết với
năng lượng cặp nhỏ hơn 0 khi S = 1. Nếu S = 0, cặp
proton – neutron chỉ có thể là cặp NN tương tác tự do với
nhau trong một quá trình phản ứng tán xạ NN (năng lượng
cặp lớn hơn 0). Ngoài ra, tương tác NN cũng không thể
liên kết cặp proton – proton hoặc cặp neutron – neutron

Hình 2.3. Niels Bohr

trong các trạng thái 3S1 và 3D1 . Lí do đơn giản là d có spin

(1885 – 1962)

đồng vị là T = 0 trong khi các cặp pp và nn đều có spin

Nguồn: wikipedia

đồng vị tổng T = 1. Hiệu ứng phụ thuộc spin đồng vị trong trường hợp này có thể giải thích
được trên cơ sở nguyên lý loại trừ Pauli của cơ học lượng tử. Theo nguyên lý Pauli thì hàm
sóng của một cặp ferrmion đồng loại (identical fermion) phải là phản đối xứng
(antisymmetric) đối với phép hoán vị tất cả các tạo độ của hai fermion.
2.1.1. Nucleon
Hạt nhân của bất cứ một nguyên tử nào cũng bao gồm các proton và neutron. Proton mang
điện tích dương, neutron thì khơng mang điện tích, và khối lượng của cả hai thì gần như là
xấp xỉ (chênh lệch 0,1%). Ngoại trừ Hidro chỉ có duy nhất một proton bên trong hạt nhân
của nó, thì tất cả các ngun tố khác đều bao gồm proton và neutron. Thuật ngữ “nucleon”
là tên gọi chung dành cho proton và neutron.
2.1.1.1. Proton

Proton được Ernest Rutherford tìm thấy vào năm 1911. Ơng đã thực hiện hàng loạt thí
nghiệm để khảo sát sự phóng xạ. Ơng cho rằng nguyên tử phải có một lõi trung tâm mà ở
đó tập trung tồn bộ điện tích dương và khối lượng của ngun tử. Và các điện tích dương
đó chính là proton. Số proton trong nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng điện tích hạt
nhân của ngun tố đó.
Năm 1913, Niels Bohr đã đưa ra mơ hình ngun tử của mình và đặt tên mơ hình
ngun tử Bohr, theo đó tồn bộ khối lượng của ngun tử tập trung ở hạt nhân. Bởi vì khối
23


lượng của electron không đáng kể so với khối lượng của proton, nên toàn bộ khối lượng
của nguyên tử, cũng như các proton, tập trung ở hạt nhân. Các nhà khoa học thử lấy 2 mẫu
hạt nhân – hạt nhân Hidro và hạt nhân Helium. Như đã nói ở trên thì tồn bộ khối lượng
của ngun tử sẽ tập trung ở hạt nhân. Vậy, Hidro có 1 proton, Helium có 2 proton có nghĩa
là khối lượng của Helium sẽ gấp hai lần khối lượng của Hidro. Nhưng khi tiến hành thực
nghiệm kiểm chứng, kết quả cho thấy khối lượng của Helium lại gấp 4 lần khối lượng của
Hidro. Câu hỏi được đặt ra: khối lượng tăng thêm của nguyên tử Helium đến từ đâu?
Các nhà khoa học đưa đến kết luận: cần phải có thêm một số hạt ở bên trong hạt nhân
của nguyên tử Helium. Các hạt này đã làm khối lượng của Helium tăng lên và hạt này
không thể mang điện tích. Bởi vì ngun tử trung hịa về điện, số electron bằng với số
proton. Nếu như các hạt mới này mang điện tích sẽ khiến cho nguyên tử khơng cịn bền
vững.
2.1.1.2. James Chadwick và hạt mới neutron.
James Chadwick sinh năm 1891 tại Manchester, Anh.
Ông ta là một đứa trẻ nhút nhát sinh ra từ một gia đình
thuộc tầng lớp lao động, nhưng tài năng của ông đã thu
hút được sự chú ý của giáo viên và đã được cử đi học
Vật lý tại Đại học Manchester, nơi mà sau này Chadwick
làm việc cùng với Ernest Rutherford trong các nghiên
cứu về phóng xạ.

Năm 1914, Chadwick quyết định tới Đức để học
cùng Hans Geiger. Thật không may, không lâu sau khi
đến Đức, chiến tranh thế giới thứ 2 nổ ra và Chadwick

Hình 2.4. James Chadwick
(1891 – 1974)
Nguồn: wikipedia

đã phải trải qua 4 năm tiếp theo trong một trại tù. Điều này khơng hề làm ơng nản chí với
các nghiên cứu khoa học của mình. Để khơng bị nhàm chán, ông và một số bạn tù đã thành
lập một câu lạc bộ khoa học, giảng bài cho nhau và thuyết phục các cai tù cho phép họ
thành lập một phòng thí nghiệm nhỏ. Mặc dù nhiều loại hóa chất rất khó có thể lấy được,
Chadwick thậm chí cịn tìm được một tuýp nhỏ chất phóng xạ được bán ở chợ đen Đức vào
thời điểm đó, và đã thuyết phục được các cai tù cung cấp cho ông. Sử dụng một vài lá thiếc
và một ít gỗ, ơng đã chế tạo một máy quang điện và thực hiện một số thí nghiệm đơn giản.
24


Sau chiến tranh, Chadwick trở lại nước Anh, hoàn thành bằng tiến sĩ tại Cambridge
năm 1921 cùng với Rutherford, lúc đó là Giám đốc phịng thí nghiệm Cavendish của Đại
học Cambridge. Chadwick lúc này đã có thể tiếp tục nghiên cứu về phóng xạ với những
thiết bị tân tiến hơn hẳn khi còn ở trong tù. Năm 1923, Chadwick được bổ nhiệm làm trợ
lý giám đốc phịng thí nghiệm Cavendish.
Tháng 2 năm 1932, Chadwick đã tiến hành một số thí nghiệm. Ông ấy sử dụng hạt
alpha chiếu vào hạt nhân Beryllium. Khi James thực hiện, ông ta quan sát được có một hạt
mới được giải phóng và đặt tên cho hạt này là neutron. Hạt này không bị lệch bởi các điện
tích và ơng kết luận neutron khơng mang điện tích.
4

He + 9Be →

12

C + neutron

Nhờ đây, bài tốn về khối lượng của Helium được giải quyết.
Việc phát hiện ra neutron đã nhanh chóng thay đổi quan điểm của các nhà khoa học về
nguyên tử và Chadwick nhờ có thành tựu này đã được trao giải Nobel năm 1935. Các nhà
khoa học sớm nhận ra rằng neutron mới được phát hiện, tuy khơng mang điện tích, nhưng
lại có khối lượng lớn, có thể dùng để thăm dị các hạt nhân khác và đồng thời, neutron cịn
có thể sử dụng để tạo ra phản ứng phân hạch của hạt nhân uranium, giải phóng một lượng
năng lượng đáng kinh ngạc, tạo ra vũ khí hạt nhân. James Chadwick, chính là người mở
đường cho bom nguyên tử, sau này ông làm việc cho Dự án Manhattan.
Đến những năm 1960, người ta vẫn cho rằng nucleon là hạt cơ bản và khơng thể tách
nó ra thành những thành phần nhỏ hơn nữa. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta đã biết được
nucleon là do ba hạt quark liên kết với nhau nhờ tương tác mạnh tạo thành. Tương tác giữa
hai hay nhiều nucleon được gọi là tương tác NN hoặc lực hạt nhân, mà bản chất của nó
chính là tương tác mạnh.

25