Mốc son quan trọng của Vạt Lý phần 2

Neutron

Như với deuterium, khám phá ra neutron vào năm 1932 đã mang lại cơn sốt ứng dụng của riêng nó. Vì neutron không tích điện, nên các nhà thực nghiệm nhanh chóng nhận ra rằng nó có thể dễ dàng xuyên qua rào chắn Coulomb hạt nhân. Vì thế, nó nhanh chóng được sử dụng để bắn phá nhiều loại hạt nhân và từ đó tạo ra những đồng vị mới.

>> Xem Phần 1, Phần 3

Sáu năm sau đó xuất hiện một cao đỉnh mới. Khi Otto Hahn và Fritz Strassmann ở Berlin dùng neutron bắn vào uranium, vào năm 1938, họ bất ngờ nhận thấy họ đã tạo ra những hạt nhân với khối lượng bằng một nửa khối lượng của uranium. Họ đã khám phá ra sự phân hạch.

Còn có một tiền đề lịch sử cho khám phá của Chadwick. Vào năm 1930, Walther Bothe và Herbert Becker tại trường Đại học Giessen ở Đức đã bắn phá beryllium bằng những hạt alpha phát ra từ một nguồn polonium và sử dụng một máy đến Geiger để quan sát bức xạ từ beryllium phát ra. Từ đặc tính đâm xuyên của bức xạ đó, họ nghĩ rằng nó phải là tia gamma có năng lượng cao chưa có tiền lệ.

Quan sát Bothe–Becker sớm được tiếp bước bởi những thí nghiệm tương tự của Frédéric và Irène Joliot-Curie ở Paris. Nhưng họ đặt những tấm nguyên tố nhẹ khác nhau phía trước máy dò của họ và tìm thấy rằng các proton bị bắn vọt ra khỏi các tấm đó. Có lần họ sử dụng một tấm paraffin và, trước sự bất ngờ của họ, họ tìm thấy tốc độ đếm tăng dần đối với các proton.

Vợ chồng Joliot-Curies quy quan sát đó cho một loại tán xạ Compton của tia gamma ở paraffin. Nhưng Chadwick không nghĩ rằng điều đó là có thể và ông quyết định làm những thí nghiệm riêng của mình. Thật không may, ông không có một nguồn alpha tốt và ngài Rutherford tằn tiện từ chối mua thêm một nguồn mới. May thay, một đồng nghiệp đã mách với Chadwick về một nơi giữ những ống tiêm radon cũ tại một bệnh viện ở Baltimore, Maryland. Radon trong những ống tiêm đó đã phân hủy, tạo ra một lượng polonium khá lớn. Bệnh viện vui vẻ tặng chúng cho Chadwick, và polonium trở thành nguồn alpha của Chadwick.

Bố trí thí nghiệm khám phá của Chadwick được phác họa trong hình 3. Ông đã xác định năng lượng của những hạt alpha bắn ra là 5,7 MeV. Sau đó, từ động năng của những va chạm đàn hồi giả thuyết làm bắn proton ra khỏi paraffin, ông kết luận rằng bức xạ phát ra từ bia beryllium bị hạt alpha bắn phá chỉ có thể là những hạt trung hòa với khối lượng gần bằng khối lượng proton. Ông đã khám phá ra neutron, được giải phóng trong phản ứng

⁹Be + ⁴He → ¹²C + n

Liệu neutron có đơn giản là một kết hợp của một proton và một electron hay không? Liên hợp đó bị bác bỏ bởi thực tế là quang phổ phân tử đã xác định spin của hạt nhân nitrogen-14 là 1 (theo đơn vịℏ). Nếu neutron chẳng là gì mà chỉ là một proton với một electron liên kết, thì hạt nhân ¹⁴N (điện tích +7) sẽ gồm 14 proton cộng với 7 electron. Tuy nhiên, người ta biết rằng cả proton và electron đều có spin ½. Cho nên không có cách nào để 21 hạt trong số chúng có thể kết hợp để tạo ra spin toàn phần bằng 1. Người ta phải kết luận rằng neutron cũng có spin ½. Như vậy, người ta chấp nhận rằng neutron tự nó là một hạt sơ cấp.

Năm 1935, Chadwick nhận Giải Nobel Vật lí “cho khám phá ra neutron”. Trong Thế chiến thứ hai, ông là thủ lĩnh của sứ mệnh Anh trong Dự án Manhattan, dự án cuối cùng đã đưa sự phân hạch vào ứng dụng hủy diệt đồng loại.

Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm của James Chadwick đưa đến khám phá ra neutron vào năm 1932. Nguồn polonium-210 tạo ra những hạt alpha 5,7 MeV làm vỡ bia beryllium mang lại neutron tự do, sau đó chúng va chạm đàn hồi với các proton trong paraffin giàu hydrogen đặt xuôi phía sau hệ thống dò tìm proton.

Positron

Khám phá lịch sử thứ ba trong năm 1932 xuất hiện vào tháng 8, khi Anderson, đang làm việc dưới sự cố vấn của Robert Millikan tại Caltech, khám phá ra positron. Anderson đang quan sát tia vũ trụ với một buồng mây gắn thẳng đứng bên trong một từ trường. Chia đôi buồng mây là một tấm chì nằm ngang. Từ độ cong và chiều dài của vết quỹ đạo tia vũ trụ đi qua tấm chì, Anderson kết luận rằng khoảng một tá trong số chúng, thu thập trong hơn vài tháng trời, thể hiện những electron tích điện dương, cái ông gọi là “positron”. Tại trường Đại học Cambridge khi ấy, Patrick Blackett và Giuseppe Occhialini đang nhìn thấy cái giống như vậy. Nhưng bài báo vào tháng 9 năm 1932 của Anderson trình bày một vài sự kiện đầu tiên của ông đã khiến họ bị chậm chân.

Theo một nghĩa nào đó thì sự tồn tại của positron đã được dự đoán vào năm 1928 bởi Paul Dirac. Phương trình sóng tương đối tính của ông cho electron có các nghiệm âm cho thấy sự tồn tại của những electron tích điện dương. Vào năm 1931, Dirac đã dự đoán rõ ràng những “phản electron” như thế, chúng sẽ hủy nhau với electron bình thường. Đó là một ví dụ sớm của sự tiên đoán thành công của một hạt mới từ những nguyên lí lí thuyết. Thật vậy, trong cùng bài báo đó, Dirac còn tiên đoán sự tồn tại của phản proton, hạt phải chờ 24 năm sau đó mới được nhìn thấy.

Năm 1936, Anderson nhận Giải Nobel Vật lí “cho khám phá ra positron”. Ông nhận chung giải với Victor Hess, người khám phá ra tia vũ trụ. Cùng năm đó, Anderson và người học trò cũ của ông, Seth Neddermeyer, lại một lần nữa sử dụng một buồng mây phơi xạ tia vũ trụ để khám phá ra một hạt tích điện mới – muon.

Vật lí hạt nhân

Mặc dù chúng có điện tích khác nhau, nhưng proton và neutron có khối lượng rất sát nhau. Heisenberg đề xuất rằng có thể xem chúng là những trạng thái của một fermion hai mức, cái sau đó được gọi là nucleon. Tất cả các hạt nhân khi đó sẽ chỉ gồm những hạt nucleon. Heisenberg đề xuất rằng mức tự do phân biệt proton với neutron, cái sau này gọi là “spin đồng vị” hay ngắn gọn là isospin, sẽ được xét trên cùng cơ sở như tọa độ không gian và tọa độ spin trong việc xây dựng những hàm sóng nhiều nucleon hoàn toàn phi đối xứng. Isospin vẫn là một nguyên lí tổ chức quan trọng của vật lí hạt nhân và vật lí hạt cơ bản.

Hạt nhân deuterium, gọi là deuteron, là một boson với spin 1 và isospin 0. Lực hạt nhân mạnh liên kết các nucleon với nhau chỉ tác dụng trên cự li cỡ 10^-13 cm. Vào năm 1934, Rutherford và Mark Oliphant đã dùng neutron bắn phá deuteron và từ đó tạo ra tritium, đồng vị hydrogen thứ ba. Nó phân hủy thành ³He cộng với một electron, với chu kì bán rã 12 năm.

Ngày nay, tritium được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân, trong nước nặng dùng để làm chậm (trung hòa) các neutron lò phản ứng. Và tritium sẽ có một vai trò quan trọng trong các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Vì hai neutron của tritium tăng lực hút khi hạt nhân của nó và những hạt nhân khác ở gần, nên triton sẽ hợp nhất với một hạt nhân nhẹ khác dễ hơn so với hạt nhân hydrogen bình thường. Như vậy, phản ứng ưu tiên dự báo cho các lò phản ứng điện nhiệt hạch là

D + T → ⁴He + n

Nó cũng là phản ứng nguyên lí trong vũ khí nhiệt hạch.

Máy gia tốc

Năm 1932 còn chứng kiến lần đầu tiên người ta sử dụng máy gia tốc để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân. John Cockcroft và Ernest Walton tại Phòng thí nghiệm Cavendish đang phát triển các thiết bị tạo ra những điện áp cực cao. Cơ cấu của họ xây dựng trên một dãy tụ điện và diode nắn điện xoay chiều thành một chiều. Vào đầu năm 1932, họ đã thu được điện áp ra 600 kV dùng để gia tốc proton.

Bia là một tấm mica mạ lithium. Khi các proton va vào bia lithium, phản ứng

p + ⁷Li → ⁴He + ⁴He

tạo ra hai hạt alpha bay ra theo chiều đại khái là ngược nhau. Các “proton nhanh”, như Cockcroft gọi, đã làm cho hạt nhân lithium phân hủy.

Vài tháng sau đó, Ernest Lawrence và Stanley Livingston tại Berkeley đã làm phân hủy lithium, boron, và fluorine bằng cách bắn chúng bằng những hạt proton 1,2 MeV từ cyclotron của Lawrence. Bằng cách gia tốc nhiều lần các proton đang quay tròn băng qua điện áp bằng nhau, cyclotron là máy gia tốc đầu tiên có thể thu được năng lượng hạt cao mà không cần điện áp cao.

Các thí nghiệm làm phân hủy lithium mang lại sự kiểm tra định lượng đầu tiên của hệ thức khối lượng-năng lượng của Einstein E = mc². Vì các khối lượng hạt nhân đã được biết rõ và động năng của các hạt alpha bay ra là có thể đo được, nên hệ thức khối lượng-năng lượng có thể được xác nhận.

Với sự tiến bộ của máy gia tốc, nghiên cứu vật lí đã thay đổi mãi mãi. Lawrence được trao Giải Nobel Vật lí năm 1939 “cho sự phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được cùng với nó, nhất là các đồng vị phóng xạ nhân tạo.” Cockcroft và Walton cùng nhận giải năm 1951 “cho nghiên cứu tiên phong của họ về sự biến tố của hạt nhân nguyên tử bởi các hạt nguyên tử được gia tốc nhân tạo”.

Neutron và deuteron

Với khám phá ra sự phân hạch, neutron và nước nặng đều sớm được ứng dụng để phát triển điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Các thí nghiệm thực hiện bởi Enrico Fermi và những người khác cho thấy các phản ứng giữa neutron và hạt nhân được tăng cường đáng kể nếu neutron bắn phá được làm chậm xuống vận tốc nhiệt. Cân nhắc sự khác nhau giữa sự phân hạch ở uranium và thorium vào đầu năm 1939, Niels Bohr đã nhận ra rằng chỉ có ở đồng vị ²³⁵U, chiếm chưa tới 1% uranium trong tự nhiên, trong đó các neutron chậm gây ra sự phân hạch (xem hình 4).

Hình 4. Sự phân hạch của hạt nhân uranium-235 gây ra bởi một neutron tới, sự hấp thụ neutron gây ra một trạng thái kích thích của ²³⁶U. Trong ví dụ này, hạt nhân bị kích thích vỡ thành những sản phẩm phân hạch chuyển động nhanh barium-141 và krypton-92, và giải phóng ba neutron tự do.

Các nhà vật lí ở một số nước, một số đối thủ tiềm năng, lập tức xét đến khả năng rằng quá trình phân hạch, tính trung bình, sẽ giải phóng đủ neutron để gây ra một phản ứng dây chuyền. Khả năng đó được hiện thực hóa khi đội của Fermi, làm việc hết sức bí mật bên dưới một khán đài tại Đại học Chicago, đã thu được một phản ứng dây chuyền vào tháng 12 năm 1942. Đó là thành tựu thực nghiệm chủ chốt đầu tiên của Dự án Manhattan, dự án do chính phủ Mĩ chủ trì nhằm phát triển vũ khí hạt nhân.

“Cột” đầu tiên của Fermi sử dụng 46 tấn uranium chưa làm giàu đặt rải rác những viên gạch graphite tinh khiết cao đảm nhận vai trò điều tiết các neutron phân hạch. Fermi và Leo Szilard đã đăng kí một bằng sáng chế bí mật ở Mĩ cho “lò phản ứng neutron” vào tháng 12 năm 1944. Bằng sáng chế đó được công bố công khai vào năm 1955.

Đúng hai năm rưỡi sau khi đội Chicago thu được một phản ứng dây chuyền tự duy trì, dụng cụ thử bom nguyên đầu tiên đã nổ tại bãi thử Trinity ở New Mexico. Nhiên liệu phân hạch của quả bom Trinity là plutonium-239, được sản xuất trong loạt xưởng lò phản ứng uranium của Dự án Manhattan. Chưa đầy một tháng sau thử nghiệm quả bom plutonium, một quả bom khác đã nổ ở Nagasaki, Nhật Bản, vào ngày 9 tháng 8 năm 1945. Quả bóm ²³⁵U san bằng thành phố Hiroshima ba ngày trước đó có cơ chế nổ đơn giản hơn nên đã không được thử nghiệm trước.

Các nhà khoa học người Đức, dưới sự lãnh đạo của Heisenberg, theo đuổi một lộ trình khác tiến đến với một lò phản ứng. Họ tin tưởng sai lầm rằng graphite sản xuất công nghiệp chắc hẳn sẽ bị nhiễm quá mức những chất hấp thụ neutron như boron nên không thể làm chất điều tiết. Chất điều tiết thay thế tốt nhất là deuterium. Nước nặng đã được sản xuất trên quy mô lớn tại nhà máy Rjukan thuộc hãng Norsk Hydro. Nhà máy này nằm bên một thác nước lớn và đã sản xuất ammonia bằng phương pháp điện phân kể từ những năm 1900. Với sự khám phá ra deuterium, Norsk Hydro nhận ra rằng nhà máy có thể sản xuất nước nặng là một phụ phẩm. Vào năm 1935, cơ sở này cung ứng 99% nước nặng tinh khiết cho các quốc gia trên khắp châu Âu phục vụ cho các thí nghiệm khoa học. Khi người Đức xâm lược nước Na Uy trung lập vào tháng 4 năm 1940, họ đã nhanh chóng nắm quyền kiểm soát nhà máy và bắt đầu sản xuất những lượng lớn nước nặng cho các phòng thí nghiệm vũ khí của họ.

Năm 1942, người Mĩ và người Anh bị thuyết phục rằng nước nặng là thành phần thiết yếu trong nỗ lực hạt nhân của Đức. Mặc dù deuterium có thể không được sử dụng trong bom phân hạch, nhưng các lò phản ứng sẽ là quan trọng trong việc thu được số liệu phân hạch thiết yếu và để sản xuất²³⁹Pu, cái cả hai phe đều hiểu là một loại nhiên liệu bom phân hạch tiềm năng có thể loại trừ sự khó khăn vô vàn và tốn kém của việc phân tách ²³⁵U ra khỏi uranium tự nhiên.

Vì thế quân Đồng minh muốn vô hiệu hóa nhà máy Norsk Hydro. Vì nhà máy nằm giữa vùng núi trập trùng, nên việc bắn phá từ trên cao tỏ ra khó khăn. Nhưng cuối cùng quân Đồng minh đã ném bom buộc phát xít Đức đóng cửa nhà máy. Để cứu lấy kho nước nặng có sẵn trong tay, họ đã chở nó về Berlin bằng đường sắt. Để băng qua một cái hồ ở gần nhà máy, toa xe tải cần leo lên phà. Nhưng lính bộ ở Na Uy đã lẻn vào và cài bom trên phà. Nó phát nổ ở giữa hồ, nhấn chìm toa tàu và kho hàng, đồng thời làm 14 thường dân Na Uy thiệt mạng.

Sau chiến tranh, nước Mĩ đã phát triển vũ khí nhiệt hạch – tức là bom khinh khí. Những thành phần chủ chốt của họ là deuterium và tritium. Thử nghiệm đầu tiên của một vũ khí như thế được triển khai vào năm 1952, trên đảo san hô Anewetak trong quần đảo Marshall. Thử nghiệm đó cần khoảng 1000 lít deuterium lỏng, nó được sản xuất tại phòng thí nghiệm nhiệt hạnh NBS ở Boulder, Colorado. Cơ sở này được phát triển riêng cho mục đích đó dưới sự chỉ đạo của Brickwedde, người đã tạo ra những mẫu deuterium đầu tiên trong hàng milli lít nước nặng hồi 21 năm trước đó.

Phản vật chất ứng dụng

Positron có thể được sản xuất với số lượng lớn bởi các nguồn phóng xạ và máy gia tốc electron. Ngày nay, chúng có nhiều ứng dụng khoa học và thực tiễn đa dạng. Các máy va chạm electron-positron năng lượng cao đã có những đóng góp lớn cho lĩnh vực vật lí hạt sơ cấp. Các nguồn sáng sychrotron thường sử dụng các chùm positron thay cho electron bởi vì các chùm positron đẩy các tạp chất phiền toái trong chùm ion ra xa. Bất chấp thời gian sống ngắn ngủi của nó, nhưng positronium – trạng thái liên kết electron-positron – là một phương tiện quan trọng trong các phép kiểm tra chính xác của điện động lực học lượng tử bằng phương tiện quang phổ laser phân giải cao.

Ứng dụng thực tiễn quen thuộc nhất của positron là trong phương pháp xạ positron, gọi là quét PET. Kĩ thuật ghi ảnh y khoa này cho phép các bác sĩ tìm kiếm các khối u và theo dõi hoạt động trao đổi chất trong mô sống. Bệnh nhân trước tiên được tiêm một chất đánh dấu – những phân tử sinh học nhất định mang một đồng vị phát xạ positron. Sau đó nhà xạ trị tìm kiếm sự tích lũy của phân tử đó trong cơ thể của bệnh nhân bằng cách định vị những vị trí hủy cặp electron – positron.

Một positron phân hủy xảy ra gần phân tử phát xạ, tạo ra một cặp photon tia gamma đặc trưng 511 keV. Vị trí tới của chúng và thời gian ghi được tại một ma trận máy dò đặt xung quanh bệnh nhân cho biết vị trí phát xạ positron đó. Kĩ thuật này được minh họa trong hình 5.

Hình 5. Kĩ thuật xạ positron vùng đầu của một bệnh nhân. Một ma trận máy dò tia gamma đặt xung quanh mặt phẳng của đầu lập bản đồ tích lũy của các phân tử tiêm vào mang một chất phóng xạ đánh dấu phát xạ positron. Một positron phân hủy (e⁺) nhanh chóng hủy với một electron lân cận để tạo ra một cặp photon (γ) cộng tuyến 511 keV để lộ điểm xuất phát chính xác của chúng trên đường bay thường gặp của chúng do sự chênh lệch dưới nano giây giữa thời gian tới của chúng ở hai bên đối diện nhau của ma trận máy dò.

Chất đánh dấu phát xạ positron được sản xuất bằng cách chiếu xạ một nguyên tố với các proton đến từ một cyclotron chuyên dụng. Nguyên tố phóng xạ khi đó được tích hợp vào vật liệu sinh học. Một chất đánh dấu thường gặp là glucose tích hợp đồng vị phóng xạ carbon-11, nó có chu kì bán rã 20 phút.

Những chất đánh dấu khác nhau được sử dụng để khảo sát những cơ quan khác nhau. Một trong những ứng dụng chính của kĩ thuật quét PET là phát hiện ung thư não. Nó còn cho phép các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động trao đổi chất dưới những trường hợp đa dạng trong những bộ phận khác nhau của bộ não khỏe mạnh.

• Tác giả Joseph Reader là nhà quang phổ học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ (NIST) ở Gaithersburg, Maryland. Charles Clark, cũng là nhà quang phổ học, là đồng giám đốc của Liên Viện Lượng tử tại NIST và Đại học Maryland, College Park. Bài đăng trên tạp chíPhysics Today, số tháng 3/2013