Vì sao phát hiện ra sự phân hạch hạt nhân lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Sự phân hạch hạt nhân chính là quá trình nguyên tử urani tách và giải phóng năng lượng. Đây là một trong những tiến bộ vật lý khoa học vĩ đại nhất của thế kỷ XX, nó đã giải đáp được mọi băn khoăn của vật lý học thời bấy giờ, mở ra cánh cửa tiến vào thời đại nguyên tử. Phát hiện này đặt nền móng cho sự phát triển của sức mạnh hạt nhân và vũ khí hạt nhân.


Lise Meitner được vinh danh là “nhà nữ khoa học vĩ đại nhất thế kỷ” nhờ phát minh này. Nhà khoa học Enrico Femi cũng nổi tiếng bởi nhiều phát hiện khoa học trong lĩnh vực vật lý nguyên tử, nhưng điều giúp ông nổi tiếng hơn cả đó là lần đầu tiên trong lịch sử ông đã tự duy trì được phản ứng hạt nhân. Ông đã đưa phát hiện của Meitner vào ứng dụng trong thực tế, từ đó trở thành người đặt nền móng cho năng lượng hạt nhân.


Sự phân hạch hạt nhân được phát hiện ra như thế nào?


Lise Meitner và Otto Hahn đều là nghiên cứu viên của sở nghiên cứu Kaiser Wilhelm ở Đức. Khi nghiên cứu về nguyên tố mang tính phóng xạ, Meitner và Otto đã cùng nhau cố gắng nghiên cứu để tạo ra nguyên tử nặng hơn urani (transsuranic). Họ đã dùng proton tự do tác động vào nguyên tử urani, khi đó một vài proton sẽ va đập vào hạt nhân nguyên tử urani và tạo ra nguyên tố nặng hơn urani. Thí nghiệm này trình bày tuy đơn giản nhưng đều không thu được kết quả thí nghiệm như mong muốn.


Họ đã dùng những kim loại nặng khác để tiến hành kiểm nghiệm phương pháp của mình, nhưng mỗi phản ứng đều diễn ra bình thường và theo đúng phương trình của Meitner. Thế nhưng khi dùng urani - nguyên tố được cho là nặng nhất khi đó thì lại không tiến hành được. Trong suốt những năm 30 của thế kỷ XX, người ta không thể giải thích tại sao mọi thí nghiệm đều thất bại khi dùng urani.


Đứng về phương diện vật lý mà nói, thì các nguyên tố có trọng lượng nặng hơn urani có khả năng tồn tại. Thế nhưng, cả 100 lần làm thí nghiệm thì 100 lần thất bại mặc dù trong quá trình làm thí nghiệm có những hiện tượng phát sinh mà họ không nghĩ đến, họ cần phải làm thí nghiệm mới để xác định xem đã có hiện tượng gì xảy ra trong quá trình các proton tự do va đập vào nguyên tử urani.


Cuối cùng, Otto cũng nghĩ ra một phương pháp: dùng nguyên tố Ba (bari) phi phóng xạ làm mẫu thử để tìm kiếm và đo tính sự tồn tại của nguyên tố phóng xạ Ra. Nếu urani suy yếu thành Ra thì nguyên tố Ba sẽ tìm thấy nó.


Đầu tiên họ làm thí nghiệm để xác định phản ứng của Ba với Ra trong điều kiện tồn tại urani, và đo lại một cách chính xác tốc độ suy yếu và mô hình suy yếu của Ra. Công việc này tiêu tốn của họ khoảng thời gian là ba tháng.


Nhưng không chờ đến khi thí nghiệm được tiến hành, Lise phải sang Thụy Điển để trốn tránh đảng Nazi của Hitler. Otto đành một mình tiến hành thí nghiệm.


Hai tuần sau đó Otto hoàn thành thí nghiệm, Lise lập tức nhận được một bản báo cáo về kết quả thí nghiệm từ Otto, trong đó nói rằng thí nghiệm đã hoàn toàn thất bại. Trong khi làm thí nghiệm, ông đã dùng proton cô đặc để tác động vào urani, nhưng kết quả không xuất hiện nguyên tố Ra, mà chỉ xuất hiện một lượng lớn nguyên tố Ba nhiều hơn hẳn lúc ban đầu làm thí nghiệm. Ông cảm thấy bất lực trước kết quả này và nhờ Lise lý giải hộ rốt cuộc đã xảy ra điều gì.


Một tuần sau, khi đi bộ trên bãi tuyết của buổi chớm đông, trong đầu Lise bỗng tưởng tượng ra một bức tranh, bức tranh đó hiện lên vô cùng sinh động. Bà dường như có thể cảm nhận được các hạt nhân nguyên tử đang nhảy nhót và còn có thể nghe thấy âm thanh giòn giã khi nguyên tử bị phân chia.


Ngay lập tức bà nghĩ rằng mình đã tìm ra câu trả lời: khi proton tăng tốc làm cho nguyên tử urani không giữ được trạng thái thăng bằng, từ đó xảy ra quá trình phân chia. Họ tiếp tục làm một thí nghiệm khác chứng minh sẽ xảy ra hiện tượng: Mỗi một nguyên tử urani sẽ phân chia thành hai phần đó là Ba và kripton (K) và giải phóng năng lượng khi proton tự do va đập vào nguyên tử urani mang tính phóng xạ. Meitner đã phát hiện ra quá trình phân chia hạt nhân như vậy.


Gần bốn năm sau, vào 2 giờ 20 phút buổi chiều ngày mùng 2 tháng 12 năm 1942, lò phản ứng hạt nhân đầu tiên đã được thử nghiệm tại Đại học Chicago (Mỹ) do nhà vật lý Enrico Fermi thực hiện. Enrico Fermi ấn nút khởi động đưa hàng trăm những thanh điều khiển hấp thu nơtron làm từ cadimi lên khỏi những khối than chì được gắn với vài tấn các khối urani oxit. Enrico Fermi cho xếp 42 nghìn khối than graphit trên sân tennis phía dưới khán đài tây của sân bóng Stagg thuộc Đại học Chicago. Đây là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới. Phát minh đầu đạn nguyên tử vào năm 1945 là ứng dụng thứ hai trong phát hiện về sự phân hạch hạt nhân của Lise Meitner.

schoolnet