Uranium - Nhiên liệu của thế kỷ XX (Phần 3)
#Trong phần 1 chúng ta đã biết được tính chất phóng xạ của Urani và các hợp chất của nó được khám phá bởi Henry Becquerel.
#Trong phần 2 chúng ta đã biết thêm một số nguyên tố có tính chất phóng xạ giống Urani là Poloni và Radi và các phát hiện mở đầu cho tính chất phân hạch của Urani. Cùng với dự đoán của Enrico Fecmi về sự tạo thành nguyên tố số 93.
#Trong phần 3 này chúng ta sẽ biết rằng dự đoán của Enrico Fecmi là sai, nhưng một phần nhờ vào dự đoán sai này Enrico Fecmi đã được trao giải Nobel vật lý năm 1938 !
Thí nghiệm phản ứng phân hạch|fission reaction|реакция деления
Iren Jôlio – Quyri ( Irène Joliot-Curie ) – con gái của Mari Quyri, đã cố gắng trả lời câu hỏi trên. Bà đã lặp lại những thí nghiệm của Fecmi và nghiên cứu kỹ lưỡng thành phần khoa học của urani sau khi bị bắn phá bằng nơtron. Kết quả lại bất ngờ hơn : trong urani xuất hiện nguyên tố Lantan là nguyên tố nằm ở khoảng giữa bảng tuần hoàn, nghĩa là cách rất xa urani.
(con gái và con rể nhà Curie)
Cũng làm các thí nghiệm như vậy, các nhà bác học người Đức là Ôtto Han (Otto Hanh) và Friđric Stơratxman (Fridrich Strassman) đã tìm thấy trong urani không những chỉ có lantan mà còn có cả bari nữa. Thật là bí ẩn này thiếp theo bí ẩn khác!
Han và Stơratxman đã thông báo với bạn mình là nhà vật lý học nổi tiếng Liza Mâytne về thí nghiệm mà họ đã làm. Đến đây, cùng một lúc nhiều nhà bác học lớn muốn giải quyết vấn đề urani. Đầu tiên là Fređeric Jôlio – Quyri, sau đó là Liza Mâytne đều cùng đi đến một kết luận : khi bị nơtron bắn vào, hạt nhân urani dường như bị vỡ làm hai mảnh. Điều đó giải thích cho sự bất ngờ của Lantan và Bari là các nguyên tố có khối lượng nguyên tử xấp xỉ bằng một nửa của urani.
Nhà vật lý học người Mỹ là Lui Anvaret (Louis Alvarez) (sau này đã được trao tặng giải thưởng Nobel - 1968) đã bắt gặp tin này vào một buổi sáng tháng giêng năm 1939 khi đang ngồi trên ghế cắt tóc. Ông đang bình thản xem lướt qua một tờ báo, bỗng nhiên, một đầu đề khiêm tốn đập vào mắt ông : “Nguyên tử urani đã bị phân chia thành hai mảnh”. Sau một khoảnh khắc, trước sự ngạc nhiên của người thợ cắt tóc và những người đang chờ đến lượt mình, người khách kỳ lạ này vụt chạy ra khỏi cửa hiệu cắt tóc với cái đầu mới húi được một nửa và chiếc khăn choàng đang buộc chặt vào cổ, tung bay phần phật trước gió. Không để ý đến những khách qua đường đầy kinh ngạc, nhà vật lý học lao ngay vào phòng thí nghiệm của trường đại học tổng hợp California, nơi ông làm việc, để báo tin cho các bạn đồng nghiệp của mình biết cái tin sốt dẻo này. Lúc đầu, các bạn ông rất sừng sờ trước hình ảnh kỳ dị của Anvaret khi ông vung vẩy tờ báo, nhưng khi họ nghe kể về phát minh làm chấn động dư luận này thì họ đã quên ngay cái đầu tóc khác thường của ông.
Đúng, đây là một tin chấn động dư luận thật sự trong khoa học. Song Jôlio – Quyri còn khám phá ra được một sự thật rất quan trọng nữa : sự phân hạch hạt nhân urani mang tính chất một vụ nổ, trong đó, các mảnh sinh ra tung bay về mọi phía với tốc độ lớn. Khi chỉ mới phá vỡ được các hạt nhân riêng rẽ, năng lượng của các mảnh vỡ cũng đã nung được một mẩu urani. Nếu như có nhiều hạt nhân bị phá vỡ thì sẽ phát ra một lượng năng lượng khổng lồ.
Phản ứng dây chuyền (phân hạch) | Nuclear chain reaction | Цепная реакция деления
Vậy tìm đâu ra số lượng nơtron nhiều đến thế để chúng bắn phá nhiều hạt nhân urani cùng một lúc? Các nguồn nơtron mà các nhà khoa học đã biết chỉ cung cấp được một số lượng nơtron nhỏ hơn nhiều tỉ lần so với số cần thiết. Nhưng rồi chính thiên nhiên đã đến giúp sức. Jôlio – Quyri đã phát hiện ra rằng khi hạt nhân urani bị phân hạch, có một số nơtron bay ra. Sau khi bắn phá vào nguyên tử của hạt nhân bên cạnh, chúng sẽ phải dẫn đến sự phân hạch mới – cái gọi là phản ứng dây chuyền sẽ bắt đầu. Bởi vì các quá trình này diễn ra trong vài phần triệu giây, cho nên, một lượng năng lượng khổng lồ sẽ được giải phóng và sự nổ là điều ắt phải xảy ra. Dường như tất cả đều đã rõ ràng. Tuy vậy, người ta đã nhiều lần dùng nơtron để bắn phá các mẩu urani, vậy mà chúng vẫn không nổ, nghĩa là không xuất hiện phản ứng dây chuyền. Có lẽ là phải thêm những điều kiện nào đó nữa. Những điều kiện gì vậy? Fređeric Jôlio – Quyri chưa thể giải đáp được câu hỏi này.
(mô hình phản ứng phân hạch và phản ứng dây chuyền)
Nhưng rồi lời giải đáp đã được tìm ra. Các nhà bác học Xô - viết trẻ tuổi là Ya. B. Zenđovich và Yu. B. Khariton đã tìm được cũng trong năm 1939. Qua các công trình nghiên cứu của mình, hai ông đã xác định được rằng, có hai cách triển khai phản ứng hạt nhân dây chuyền. Cách thứ nhất là tăng kích thước của khối urani, vì khi bắn phá một cục nhỏ, nhiều nơtron vừa mới thoát ra có thể văng ra ngoài mà không gặp một hạt nhân nào trên đường đi. Nếu tăng khối lượng của cục urani thì xác suất trúng đích của các nơtron tất nhiên cũng tăng lên.
Còn một cách thứ hai nữa là làm cho urani giàu đồng vị 235. Nguyên do là urani thiên nhiên có hai đồng vị chủ yếu với khối lượng nguyên tử là 238 và 235. Trong hạt nhân của đồng vị thứ nhất (mà số nguyên tử của nó nhiều hơn của các loại kia hàng trăm lần), có nhiều hơn ba nơtron so với đồng vị thứ hai. Urani – 235 “nghèo” nơtron nên hấp thụ nơtron một cách “tham lam” – mạnh hơn rất nhiều so với “ông anh khá giả” của nó. Còn “ông anh” này thì trong những điều kiện nhất định, sau khi “nuốt” xong nơtron lại không chịu phân chia thành từng mảnh mà biến thành nguyên tố khác. Về sau, các nhà bác học đã lợi dụng tính chất này để điều chế các nguyên tố siêu urani nhân tạo. Còn sự thờ ơ của urani – 238 đối với nơtron thì rất nguy hại cho phản ứng dây chuyền, nó làm cho quá trình phản ứng suy yếu vì không kịp “lấy lại sức”. Bởi vậy, trong urani càng có nhiều nguyên tử “khao khát” nơtron (tức là đồng vị urani – 235) thì phản ứng sẽ xảy ra càng mạnh.
(Biểu diễn một số loại "tiết diện tương tác" cơ bản của U-235, sẽ đề cập trong các bài viết tới)
(mô phỏng phản ứng phân hạch bên trong lò phản ứng)
Nhưng để cho phản ứng bắt đầu được thì cần phải có nơtron đầu tiên – một que diêm để nhem lêm “đám cháy” nguyên tử. Tất nhiên, để đạt mục đích này, có thể sử dụng các nguồn nơtron thông thường mà trước đây các nhà bác học đã dùng trong các công trình nghiên cứu của mình ; cách này tuy không thuận tiện lắm nhưng có thể dùng được. Chẳng lẽ không có que diêm nào thích hợp hơn ư?
Có đấy. Các nhà bác học Xô - Viết K. A. Petrzhak và G. N. Flyorov đã tìm thấy nó (năm 2012 IUPAC đã lấy tên Flyorov đặt tên cho nguyên tố số 114 - Flerovi). Trong những năm 1939 – 1940, khi nghiên cứu biến trạng của urani, họ đã đi đến kết luận rằng, các hạt nhân của nó có khả năng tự phân hạch (Spontaneous fission). Kết quả các thí nghiệm do họ tiến hành ở Lêningrat đã xác nhận điều đó.
Song cũng có thể bản thân urani không tự phân hạch, mà là do tác động của các tia vũ trụ chẳng hạn: chính trái đất luôn luôn nằm dưới tầm bắn của chúng. Thế nghĩa là cần phải làm lại các thí nghiệm sâu dưới lòng đất, nơi mà các “vị khách vũ trụ” này không thể đến được. Sau khi hỏi ý kiến I. V. Kurchatop – nhà nguyên tử học Xô - viết vĩ đại nhất, các nhà nghiên cứu trẻ tuổi đã tiến hành thí nghiệm tại một ga tàu điện ngầm nào đó ở Maxcơva. Điều đó không gặp trở ngại gì ở Bộ dân uỷ phụ trách đường giao thông, nên chẳng bao lâu, một bộ khí cụ thí nghiệm nặng gần ba tấn đã được các cán bộ khoa học khuân đến phòng làm việc của trưởng ga tàu điện ngầm “Đinamo” nằm ở độ sâu 50 mét.
Vẫn như mọi khi, các đoàn tàu xanh vẫn qua lại, hàng ngàn hành khách vẫn lên xuống theo thang máy và không ai nghĩ rằng, ngay sát đâu đây đang tiến hành những thí nghiệm mà ý nghĩa của chúng thật khó đánh giá hết được. Cuối cùng đã thu được những kết quả tương tự như trước đây đã nhận được ở Lêningrat. Chẳng phải nghi ngờ gì nữa, hiện tượng tự phân hạch vốn là thuộc tính của các hạt nhân urani. Để nhận thấy điều đó, cần phải thể hiện một tài nghệ thực nghiệm phi thường : trong một giờ, cứ 60 000 000 000 000 nguyên tử urani thì chỉ có một phân tử bị phân rã. Thật đúng là giọt nước trong biển cả!
K. A. Petrzhak và G. N. Flyorov đã viết trang kết luận vào phần tiểu sử của urani trước khi thực hiện phản ứng dây chuyền đầu tiên trên thế giới. Enricô Fecmi đã thực hiện phản ứng này vào ngày 2 tháng 12 năm 1942.
