Vật lý và tiến bộ khoa học công nghệ

2

Vật lý và tiến bộ khoa học công nghệ

Viện sĩ I. K. KIKOIN

Phần đầu tiên của bài viết này, đề cập đến ảnh hưởng của những khám phá vật lý đối với sự phát triển của công nghệ trong thế kỷ 19, đã được đăng trên số thứ 3 của tạp chí của chúng tôi.

Năm 1896, nhà vật lý người Pháp Anise Becquerel, khi tìm hiểu về khám phá của Roentgen, đã đề xuất rằng nguồn RENTGENA đại diện cho trường hợp tốt nhất về chất huỳnh quang*. Becquerel có cả một bộ sưu tập các chất như vậy, trong đó muối cân bằng phát huỳnh quang mạnh nhất. Ông đã tiến hành một số thí nghiệm. Trong thí nghiệm của Becquerel, muối cân bằng huỳnh quang thực sự chiếu sáng nhựa chụp ảnh, bao gồm cả giấy đen. Nhưng một ngày nọ, anh vô tình để quên một lượng muối cân bằng sơ bộ gần tấm nhựa chụp ảnh. Hóa ra là ngay cả trong những điều kiện này, khi không có huỳnh quang, muối cân bằng vẫn chiếu sáng tấm nhựa chụp ảnh được bảo vệ bằng giấy đen. Becquerel quyết định rằng muối cân bằng sẽ phát ra các tia tương tự như RENTGENA. Vì vậy, một hiện tượng đã được phát hiện, một cái tên hay hơn cho tính chất tiền hoạt động (từ tiếng Latin bán kính - tia).

Các nhà vật lý người Pháp Maria Sklodowska-Curie và Pierre Curie bắt đầu quan tâm đến hiện tượng này.

*) Huỳnh quang là sự phát sáng của một số chất phát sinh sau khi chiếu xạ ánh sáng. Huỳnh quang có thời gian hữu hạn.

Unnies bắt đầu nghiên cứu chi tiết về uranium và chất thải từ quá trình sản xuất tại nhà máy của mình và lần đầu tiên phát hiện ra rằng chất thải này tạo ra bức xạ mạnh hơn nhiều so với bức xạ của chính uranium. Là kết quả của công việc to lớn, Marie và Pierre Curie, lần đầu tiên trên thế giới, đã phân lập được từ chất thải này hai nguyên tố mới chưa được biết đến cho đến nay - posi và radium.

Cường độ bức xạ của radium (thực ra là radium clorua) hóa ra cao hơn cường độ bức xạ của uranium một triệu lần. Tôi mơ thấy mỗi gam radium phát ra khoảng 580 niềm vui trong vòng một giờ. Sự phát xạ liên tục của nguyên tố hóa học năng lượng là hoàn toàn không thể hiểu được và thoạt nhìn có vẻ mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng.

Khả năng của radium phát ra một lượng năng lượng đáng kể, mặc dù rất chậm, là điều mà hầu hết các nhà vật lý quan tâm. Nguyên nhân nào khiến chất phóng xạ phát ra tia? Bản chất của các tia này là gì? Các chất phóng xạ lấy năng lượng mà chúng phát ra dưới dạng tia nắng từ đâu? Những câu hỏi như vậy khiến các nhà vật lý lo lắng. Đây chính là bí ẩn về radium. Nhiều nhà vật lý đã bối rối trước lời giải của nó.

Các nghiên cứu thực nghiệm về bức xạ radium được tiếp tục bởi Marie và Pierre Curie. Họ đặt radium trong một từ trường (giữa các dải nam châm điện) và nhận thấy một hiện tượng đáng kinh ngạc - bức xạ radium suy yếu rõ rệt. Vợ chồng Curies đồng ý rằng sự suy yếu của bức xạ radium trong từ trường có liên quan đến sự lệch của một số hạt được nạp trong trường này. Những hạt này được gọi là hạt β. Ngày nay người ta biết rằng hạt β là electron.

Rutherford phát hiện ra rằng ngoài hạt β, radium còn phát ra một hạt tích điện dương. Chúng được gọi là hạt α. Cuối cùng, phần bức xạ radium hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi từ trường được gọi là hạt γ.

4

Nếu trong hệ mặt trời các hành tinh chuyển động dưới tác dụng của lực hấp dẫn Newton, thì trong nguyên tử, các electron chuyển động xung quanh điện tích dưới tác dụng của lực điện, lực Coulomb.

“Mặt trời” được gọi là hạt nhân của một nguyên tử, có điện tích dương bằng tổng điện tích của các electron quay xung quanh nó (để nguyên tử vẫn trung hòa về điện). Đây được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử Rutherford. Kích thước của hạt nhân không vượt quá 10 phần nghìn kích thước của chính nguyên tử (giống như kích thước của Mặt trời nhỏ hơn nhiều so với kích thước của toàn bộ hệ mặt trời). Đây là cách mà một thuật ngữ mới đặc trưng cho nguyên tử ra đời - lõi nguyên tử. Việc phát hiện ra hạt nhân đánh dấu sự khởi đầu của một nhánh vật lý mới, ngày nay được gọi là vật lý hạt nhân.

Các nghiên cứu về sự tán xạ của hạt α trên các nguyên tố khác nhau trong bảng tuần hoàn đã dẫn đến một khám phá quan trọng: điện tích dương của hạt nhân bằng tích của số thứ tự của một nguyên tố nhất định trong bảng tuần hoàn và điện tích của electron. Điều này làm sáng tỏ định luật vĩ đại của Mendeleev, mang lại cho nó một ý nghĩa vật lý sâu sắc. Hóa ra số lượng nguyên tố hóa học trong bảng giá trị của nó bằng số lượng electron quay quanh hạt nhân. Người ta cũng phát hiện ra rằng hạt nhân chứa các hạt tích điện dương - proton, điện tích của chúng bằng điện tích của electron và khối lượng lớn hơn khối lượng của electron khoảng 1800 lần.

Lúc đầu, việc nghiên cứu hạt nhân nguyên tử chỉ được thực hiện ở một số rất ít phòng thí nghiệm trên thế giới. Đó là phòng thí nghiệm của Rutherford ở Cambridge, phòng thí nghiệm của Madame Curie ở Paris và phòng thí nghiệm của D. V. Skobeln ở Leningrad. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1930 - các tính chất cơ bản của nguyên tử đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và nhiều nhà vật lý trên thế giới chuyển sự chú ý sang hạt nhân nguyên tử.

Năm 1932, một trong những khám phá lớn nhất của vật lý hạt nhân thế kỷ 20 đã được thực hiện: neutron được phát hiện - một hạt trung hòa về điện có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của proton. Rõ ràng là hạt nhân bao gồm các proton và neutron.

Thật vậy, vào thời điểm đó người ta đã biết rằng các nguyên tử có cùng số lượng trong bảng tuần hoàn có thể có khối lượng khác nhau. Những nguyên tử như vậy được gọi là đồng vị của một nguyên tố nhất định. Do đó, hạt nhân của các đồng vị nguyên tử chứa cùng số proton nhưng khác nhau về số neutron.

Năm 1934, vợ chồng Irene và Frederic Jolnot-Curie đã có một khám phá quan trọng không kém về phóng xạ nhân tạo. Nó nằm ở chỗ các nguyên tố nhẹ (ví dụ, berili), khi được chiếu xạ bằng các hạt alpha, bản thân chúng trở nên phóng xạ, phát ra neutron.

Khi chiếu xạ các nguyên tố nặng, người ta không quan sát thấy những hạt nhân như vậy. Nhà vật lý nổi tiếng người Ý Fermi đồng ý rằng các nguyên tố nặng có quá nhiều điện tích hạt nhân và một hạt α có điện tích cùng dấu không thể đến rất gần nó. Một neutron không mang điện sẽ không chịu tác dụng của lực Coulomb mang điện tích dương. Fermi đã hoàn thành một loạt mục tiêu chung là chiếu xạ nhiều nguyên tố khác nhau bằng neutron và phát hiện ra rằng hầu như tất cả các nguyên tố đều trở nên có tính phóng xạ nhân tạo sau khi chiếu xạ. Sau khi chiếu xạ bằng một nguồn lớn, các hạt α và β, tia γ và neutron được phát ra. Khi các hạt α và β được phát ra, các nguyên tố hóa học mới được hình thành.

Chẳng bao lâu sau, Fermi đã xuất bản một công trình lớn trình bày kết quả nghiên cứu của ông về hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, những nguyên tố này trở nên phóng xạ sau khi chiếu xạ bằng neutron. Đồng thời, ông đưa ra mô tả gần như đầy đủ về tính phóng xạ nhân tạo của từng nguyên tố. Do đó, một sự biến đổi tiếp theo mới của các nguyên tố với sự chiếu xạ thích hợp đã được phát hiện.

6

Nếu có thể cô lập $^{235}\text{U}$ thực tế ở dạng nguyên chất, thì bằng cách đảm bảo khối lượng tới hạn của nó, người ta có thể thu được một lượng năng lượng khổng lồ. Như các tính toán đã chỉ ra, quá trình phân phối $^{235}\text{U}$ tinh khiết thực tế dưới tác dụng của neutron xảy ra rất nhanh và có tính chất của một vụ nổ (các tính toán như vậy được thực hiện bởi Ya. B. Zeldovich, Yu. B. Khariton ở Liên Xô và một số nhà vật lý nước ngoài). Hơn nữa, để đạt được mục đích này, thậm chí không cần đến một nguồn neutron đặc biệt, bởi vì trong bầu khí quyển Trái đất luôn có một lượng nhỏ neutron có nguồn gốc vũ trụ, đủ để gây ra phản ứng nổ nếu uranium đạt đến khối lượng tới hạn. Rõ ràng là bằng cách này có thể tạo ra một loại vũ khí đáng gờm - bom nguyên tử.

Nhiều nhà vật lý trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu chi tiết về quá trình phân hạch của hạt nhân uranium. Hầu như mọi số tạp chí vật lý trên thế giới đều đăng các bài báo hoặc ghi chú khoa học làm sáng tỏ các chi tiết liên quan đến sự phân bố của hạt nhân uranium. Nhưng việc thu được $^{235}\text{U}$ nguyên chất với số lượng cần thiết, khoảng hàng chục kg, vào thời điểm đó dường như là điều tuyệt vời.

Tuy nhiên, người ta nhanh chóng nhận ra rằng hỗn hợp tự nhiên của các đồng vị uranium có thể chịu phản ứng dây chuyền hạt nhân. Để làm được điều này, bạn chỉ cần bằng cách nào đó giảm năng lượng của neutron phát ra trong quá trình phân hạch hạt nhân $^{235}\text{U}$. May mắn thay, hóa ra là tốc độ của neutron có thể được điều chỉnh để giảm nó một cách rất đơn giản. Để làm được điều này, chỉ cần truyền neutron qua một chất bao gồm các nguyên tử, khối lượng của nó khác rất ít so với khối lượng của neutron. Sau đó, khi neutron va chạm với các nguyên tử như vậy, chúng truyền khá nhanh một phần năng lượng sang các nguyên tử này, do đó làm giảm tốc độ của chúng xuống ngang mức tốc độ chuyển động nhiệt của nguyên tử.

Những chất có khối lượng nguyên tử không quá lớn thích hợp để thay thế neutron. Điều cần thiết là những chất này không hấp thụ neutron mà chỉ có khả năng thay thế chúng và phân phối hạt nhân uranium tương ứng. Nước nặng chứa hai nguyên tử với nhau nên có khả năng hấp thụ neutron rất ít.