I. V. Kurchatov: những bước đầu tiên trong LPTI

3

I. V. Kurchatov: những bước đầu tiên trong LPTI

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
A. N. ZAIDEL,
Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
V. Y. FRANKEL

Khi đọc tiểu sử của nhà khoa học và nhà tổ chức khoa học xuất sắc của Liên Xô Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960), bạn tự hỏi: có thể dùng từ nào có sức thuyết phục để định nghĩa cá tính của ông? - có vẻ thích hợp nhất: nhanh chóng bước vào một lĩnh vực khoa học mới, độc lập - đây là đặc điểm của cả Kurchatov trưởng thành và hiện đại. Năm 1923, ông tốt nghiệp Đại học Simferopol và cùng năm đó, trong vòng chưa đầy năm tháng, ông đã hoàn thành nghiên cứu về độ phóng xạ của tuyết, nắm vững cả các phép đo kỹ thuật thực nghiệm chính xác về độ phóng xạ và tập hợp thông tin địa vật lý cần thiết để thực hiện và hiểu rõ công trình này, công trình này đã trở thành chủ đề trong ấn phẩm khoa học đầu tiên của ông.

Sáu tháng trôi qua, Kurchatov thấy mình đang ở trạm khí tượng ở Fedosia, nơi anh nghiên cứu vật lý của biển. Chàng trai trẻ (anh ta mới 21 tuổi) phải mất bốn tháng để thực hiện một nghiên cứu phức tạp về sự dao động mực nước của Biển Azov và Biển Đen. Vào đầu những năm 30, khi tên tuổi của Kurchatov được một nhóm đồng nghiệp tương đối hẹp biết đến, những tác phẩm này đã được đưa vào các tác phẩm kinh điển về vật lý biển.

Ngày 1 tháng 10 năm 1925. Trong kho lưu trữ của Viện Vật lý-Kỹ thuật mang tên. A.F. Ioffe thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô (PTI) đã lưu giữ một hồ sơ cho đến ngày nay: Igor Vasilyevich Kurchatov (lưu ý: người vào thời điểm này đã hoàn thành và xuất bản năm công trình khoa học) được ghi danh vào Viện với tư cách là nhân viên thuộc loại đầu tiên (giá trị này gần tương ứng với vị trí lý thuyết của một nhà nghiên cứu cấp cao). Và vào ngày 16 tháng 11 cùng năm, Kurchatov, cùng với K. D. Sinelnikov (1901-1966), người mà họ học cùng tại Đại học Simferopol, đã xác định ngày hoàn thành cuốn sách đầu tiên “Về câu hỏi về sự truyền của các chất điện tử qua các lá kim loại mỏng”. Tác phẩm ngay lập tức được dịch sang tiếng Anh và cả hai phiên bản của nó - tiếng Nga và tiếng Anh - đều được gửi đi in: trong “Kỷ yếu của Phòng thí nghiệm Vật lý và Công nghệ Leningrad” và trên tạp chí “Physical Review” của Mỹ. Cả hai bài báo đều được xuất bản vào năm sau, 1926 - cách đây 60 năm.

Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học trẻ từ Viện Vật lý kỹ thuật chỉ mang tính khoa học thuần túy và ứng dụng. Việc xác định mức độ thấm của các lá mỏng đối với các chất điện tử có thể góp phần vào việc tiếp thu các công trình của Brown - như cách gọi của máy hiện sóng vào thời điểm đó. Độ nhạy của chất lân quang phủ lên màn hình của ống Brown không đủ để chụp ảnh thành công những vật được tia điện đánh dấu. Do đó, nhựa hoặc phim chụp ảnh được đặt bên trong một ống chân không và việc di chuyển của nó được thực hiện khá khó khăn bằng cách sử dụng một thiết bị đặc biệt (cái gọi là cống chân không). Một ý tưởng nảy sinh: đưa chùm điện đi qua đầu ống được phủ một lá kim loại mỏng ngay bên ngoài, bên ngoài thể tích chân không và đặt nhựa quang vào đó. Để làm được điều này, cần phải tìm hiểu xem phiên bản tiếng Anh có khả năng thấm như thế nào với các electron năng lượng thấp của lá kim loại. Công trình của nhà khoa học người Mỹ G. Harttag, xuất bản năm 1925 trên trang “Tạp chí Vật lý”, có liên quan đến vấn đề này (đây là lý do tại sao các nhà xã hội vật lý cần gửi phiên bản tiếng Anh có các electron năng lượng thấp đến các lá kim loại). Từ kết quả mà Garttier thu được, theo đó, các electron, được gia tốc ngay cả trong các trường nhỏ cỡ vài volt, đã giải phóng các lá nhôm dày tới 10 micron. Nó dường như đối với các nước.

Kurchatov và Sinelnikov quyết định kiểm tra công việc của Harttag. Họ lặp lại thí nghiệm của ông theo một cách sắp xếp tương tự: giấy bạc được đặt trên đường đi của các chất điện thoát ra khỏi cực âm; nếu các electron “xuyên thủng” lá kim loại thì chúng sẽ rơi xuống cực dương và có dòng điện chạy qua mạch điện. Kết quả mà các nhà vật lý thu được dường như đã xác nhận kết luận của Harttag. Nhưng sau đó họ quyết định kiểm tra xem liệu họ có

4

Những kết quả này là hệ quả của sự không hoàn hảo của lá kim loại - khởi đầu của những phản ứng vô hình trong chúng. (Hartig đã bị thuyết phục về sự hoàn hảo của những lá giấy bạc của mình bằng cách đưa chúng ra ánh sáng.) Với sự trợ giúp của một thiết lập đơn giản, những người Leningraders đã phát hiện ra rằng những lá giấy bạc “không có khiếm khuyết khi nhìn bằng mắt” thực sự có thể chứa đựng câu trả lời. Sự tồn tại của những phản ứng như vậy đã được chứng minh bằng cách quan sát các bong bóng trong chất lỏng hình thành khi không khí thoát ra qua giấy bạc. Thí nghiệm đơn giản này là bằng chứng quyết định về sự sai lầm trong các kết quả của Harting. Sơ đồ thí nghiệm do các tác giả Leningrad thực hiện được thể hiện ở hình. Bằng cách sử dụng các lá kim loại không có khiếm khuyết được xử lý bằng cơ cấu như vậy, Kartatov và Sinelnikov đã đảm bảo rằng các electron chậm không xuyên qua lá bia mục tiêu; Bằng cách tạo ra những phản hồi nhỏ trên giấy bạc không có khiếm khuyết, họ đã tái tạo lại được kết quả của Harting một cách vật lý.

Rõ ràng là nhà vật lý người Mỹ đã “bỏ sót” khuyết điểm của các lá kim loại dùng trong thí nghiệm của mình. Chúng ta không biết chính xác các điều kiện của thí nghiệm mà ông quan sát chúng dưới ánh sáng, nhưng có thể đưa ra một số giả định hợp lý về chúng và cố gắng ước tính quy mô của phản ứng mà Hartig có thể nhìn thấy.

Khả năng nhìn thấy một kết quả đơn giản được xác định bởi lượng năng lượng ánh sáng đi vào đồng tử. Sau khi đưa ra các giả định tự nhiên về cường độ của nguồn sáng chiếu vào phản ứng và biết giá trị ngưỡng màu của mắt, chúng ta sẽ ước tính kích thước của phản ứng vẫn có thể nhìn thấy được.

Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng trong điều kiện chiếu sáng liên tục, cường độ của dòng năng lượng tương ứng với ngưỡng tới hạn của mắt thích nghi với bóng tối tốt là khoảng 5·10⁻¹⁷ J/s. Một bóng đèn điện chuyển đổi khoảng 2% năng lượng điện cung cấp cho nó thành năng lượng ánh sáng mà mắt có thể cảm nhận được. Do đó, một bóng đèn 40 watt—loại đèn phổ biến nhất vào giữa những năm 1920—phát ra 0,8 joules năng lượng ánh sáng mỗi giây. Giả sử năng lượng này phát ra đều theo mọi hướng, anh ta sẽ tính phần năng lượng đó đi qua vòi trên màn hình (đường kính vòi d) nằm cách bóng đèn một khoảng l. Diện tích của phản ứng như vậy là π²/4 và góc khối được phân bổ bởi nó từ một quả cầu có bán kính l là π²/4l². Từ đây, đối với dòng năng lượng ánh sáng đi qua kết nối, ta thu được các giá trị

$$\Phi_d = \frac{0,8}{4\pi} \frac{\pi d^2}{4l^2} = 5 \cdot 10^{-2} \frac{d^2}{l^2} \text{ Вт.}$$

Lấy l=0,1 m, ta có:

$$\Phi_d = 5d^2 \text{ Вт},$$

trong đó d được biểu thị bằng mét. Chúng ta có thể giả sử rằng một phản ứng có đường kính rất nhỏ trên màn (xem qua giấy bạc) bức xạ đồng đều trong một bán cầu, tức là một góc đặc 2π (điều này sẽ dẫn đến

5

nhiễu xạ). Khi đó ở khoảng cách có tầm nhìn tốt nhất $r=0,25$ m sẽ có một luồng năng lượng trên mỗi đồng tử có đường kính $d_{3p}$

$$\Phi_{3p} = \frac{\Phi_d}{2\pi} \frac{\pi d_{3p}^2}{4r^2} = 0,625 \frac{d_{3p}^2}{r^2} d^2 \text{ Вт.}$$

Lấy đường kính đồng tử của mắt thích ứng bằng 0,005 m, đối với lực đi vào mắt ta tìm được:

$$\Phi_{3p} = 0,625 \frac{25 \cdot 10^{-6}}{0,625 \cdot 10^{-1}} d^2 = 2,5 \cdot 10^{-4} d^2 \text{ Вт.}$$

Đánh đồng nó với công suất ngưỡng $5 \cdot 10^{-17}$ W, chúng ta thu được sự tương ứng để xác định $d: 2,5 \cdot 10^{-4} d^2 = 5 \cdot 10^{-17}$, từ đó $d \approx 0,5 \cdot 10^{-6}$ m = 0,5 µm.

Vì vậy, kích thước tối đa của phản ứng có thể nhìn thấy trong ánh sáng là 0,5 micron.

Thật thú vị khi tính áp suất sẽ tạo ra hiệu ứng “đẩy” (thổi) lên giấy bạc, nghĩa là nó sẽ cho hình ảnh các bong bóng trong bình mà Kurchatov và Sinelnikov quan sát được (xem hình).

Người ta biết rằng bề mặt của chất lỏng hoạt động giống như một màng bị kéo căng (nó có sức căng bề mặt). Do đó, để tạo ra bong bóng xà phòng chẳng hạn, cần phải tạo ra áp suất dư trong đó, được xác định theo công thức Laplace:

$$\Delta p = \frac{2\sigma'}{R},$$

trong đó $\sigma' = 2\sigma$ là hệ số căng bề mặt gấp đôi của chất lỏng (màng có hai bề mặt), $R$ là bán kính của bong bóng. Nếu bạn đặt một ống vào chất lỏng ở độ sâu $h$, thì để thổi bong bóng với sự trợ giúp của nó, bạn cần tạo ra trong đó một áp suất vượt quá áp suất khí quyển một lượng bằng tổng áp suất Laplace $\Delta p$ và áp suất thủy tĩnh $\rho gh$. Kích thước của bong bóng theo thứ tự đường kính bong bóng, và nếu nó nhỏ thì áp suất Laplace lớn hơn đáng kể so với áp suất thủy tĩnh, trong trường hợp này có thể bỏ qua. Xem bong bóng là bán sắt, áp suất có thể đập được có thể được tìm thấy theo công thức

$$\Delta p = \frac{2\sigma}{R} = \frac{4\sigma}{d} \quad (*)$$

(bong bóng khí trong chất lỏng có một bề mặt). Có thể sử dụng công thức tương tự để ước tính áp suất dư cần tạo ra trên bề mặt của giấy bạc ngâm trong nước để sản phẩm tiếp xúc với nó qua bề mặt; Rõ ràng là áp suất này sẽ càng nhỏ thì bề mặt sức căng của chất lỏng càng nhỏ.

(Về phần kết, xem trang 50).