Lịch sử Nguyên Tử - Phần 3 potx

Lịch sử Nguyên Tử - Phần 3 Vào mùa hè năm 1900, khi Rutherford trở về Tân Tây Lan để cưới vợ thì Frédérick Soddy tới Montreal. Soddy khi đó mới 22 tuổi, năm trước vừa đậu văn bằng Hóa Học tại trường Đại Học Oxford, nhưng vì không kiếm nổi việc làm tại nước Anh nên Soddy đành sang Canada. Trong thời gian lưu lại Montreal, Soddy đã lóa mắt trước các phòng thí nghiệm lộng lẫy do Sir William Macdonald, vua thuốc lá, xây dựng cho trường Đại Học McGill. Vì vậy Soddy tình nguyện nhận chân nghiệm chế viên hóa học. Chính tại phòng thí nghiệm của Rutherford, Soddy được giao phó việc khảo sát chất Thorium. Soddy và Rutherford đã tìm ra một hóa chất còn nghi ngờ với tên gọi là Thorium X. Khi trở về làm việc tại Cambridge, Rutherford khảo sát sự “i ông” hóa và thấy rằng Uranium phát ra hai loại tia mà ông đặt tên là tia alpha và tia bêta. Sau đó nhà vật lý học trẻ tuổi của trường Đại Học McGill là Arthur Gorden Grier nhận thấy rằng Thorium cũng như Uranium chỉ cho tia alpha trong khi Uranium X và Thorium X phát ra tia bêta. 5/ Ngành Vật Lý Nguyên Tử vào đầu thế kỷ 20. Vào đầu mùa hè năm 1902, Rutherford và Soddy cùng viết các bài phúc trình trên Tạp Chí The Philosophical Magazine xuất bản tại London. Khi gần viết hết loạt bài này thì tư tưởng của hai nhà bác học này lại chuyển sang ý niệm về sự biến dịch (transmutation). Rutherford và Soddy đã đề cập tới lý thuyết của sự biến đổi (La Théorie de la Transformation) và lý thuyết này trở nên rất thích nghi vào các năm 1902/1903. Rutherford và Soddy còn viết thêm bản tường trình cuối cùng trước khi Soddy nhận chức vụ tại phòng thí nghiệm của Giáo Sư William Ramsay. Ít lâu sau ngày khí Argon được khám phá, có người đã báo cho nhà bác học Ramsay biết rằng có một khoáng chất, chất cléveite, khi cho hòa tan vào trong một acít, đã để bốc ra một thứ khí có thể là Argon. Ramsay liền làm thí nghiệm về chất cléveite và đã thấy rằng đó không phải là Argon, mà là Hélium. Thời bấy giờ Rutherford và Soddy đều đã khuyến cáo rằng khí Hélium có thể là một nguyên tố do từ sự biến dịch của các chất Uranium và Radium. Vì thế từ mùa xuân năm 1903, Rutherford tìm cách lấy khí Hélium từ chất Radium trong khi Soddy lại nghĩ tới việc tạo ra Radium từ Uranium. Thật là may mắn cho Soddy khi ông được cộng tác với Ramsay vì nhà khoa học này ngoài việc khám phá ra khí Argon với Lord Rayleigh, còn tự tìm ra nhiều khí hiếm khác cùng một họ, đó là các khí Hélium, Néon, Krypton, Xénon. Soddy cùng Ramsy đã khảo sát khí Hélium để rồi đi đến kết luận Hélium là một thứ khí hiếm mà cũng là một nguyên tố có các đặc tính cá biệt. Hai nhà bác học này đã nhận thức được rằng một chất có thể biến dịch từ một chất khác và như vậy, lý thuyết của Rutherford và Soddy mới đề cập 15 tháng trước đây được kể như đúng với sự thật. Nhưng giới khoa học phải đợi tới mùa xuân năm 1905, lý thuyết về sự biến đổi mới được Rutherford chứng minh một cách đầy đủ, trừ chất Polonium, chất này được cắt nghĩa vào mùa hè năm 1906. Nhờ lý thuyết biến đổi, các nhà bác học đã có thể cắt nghĩa về các chất phóng xạ. Trong các năm đầu của thế kỷ 20, việc khảo cứu chất phóng xạ được nhiều nhà bác học theo đuổi, chẳng hạn như Giáo Sư Willy Marckwald thuộc trường Đại Học Berlin, Stephan Meyer và nhà vật lý Egon von Schweidler, nhà hóa học kiêm vật lý thuộc trường Đại Học Vienne, Heinrich Greinacher và Karl Herrmann, hai Giáo Sư người Đức, Herbert N. McCoy, một nhà hóa học trẻ tuổi tại trường Đại Học Chicago, Bertram Boltwood, nhà hóa học tại New Haven, Hoa Kỳ. Đầu năm 1907, Giáo Sư Arthur Schuster thuộc trường Đại Học Manchester, nước Anh, muốn về hưu. Ông ngỏ ý mong được Rutherford thay thế mình. Lúc bấy giờ Rutherford đang ở McGill và đã trở nên vững vàng về địa vị cũng như tiền bạc, nhưng Đại Học McGill lại ở xa trung tâm thế giới khoa học của thời đó là châu Âu, trong khi tại châu Mỹ, việc khảo cứu khoa học vẫn còn bị coi là thứ xa xỉ. Cũng vì vậy Rutherford đành xuống tầu vào giữa tháng 5 năm đó để trở về nước Anh. Khi tới Manchester, Rutherford gặp Hans Geiger mới đến nhận việc. Geiger khi đó vừa mới đậu Tiến Sĩ từ trường Đại Học Erlangen và tới Manchester không phải với tư cách sinh viên hay nhân viên giảng huấn mà chỉ để khảo cứu môn vật lý. Geiger được Rutherford giao cho công việc làm phát triển phương pháp I ông hóa và chủ đích của công việc này là tìm cách sáng chế một dụng cụ dùng để đếm các hạt alpha. Geiger và Rutherford đã dùng lại phát minh của John S. Towsend, một người bạn cũ của Rutherford tại Cambridge và bổ túc bằng những ý kiến của nhà toán học trẻ tuổi Paul J. Kirby. Hai nhà bác học kể trên đã hoàn thành một máy đếm (compteur) nhờ đó người ta đếm được các hạt điện tử. Rutherford và Geiger còn suy ra vào mùa hè năm 1908 rằng hạt điện tử alpha giống hệt như nguyên tử Hélium. Ít lâu sau, Rutherford biết tin ông được trao Giải Thưởng Nobel 1908 về Hóa Học. Từ đầu năm 1909, với sự phụ tá của Geiger và Ernest Marsden, một sinh viên trẻ tuổi, Rutherford vẫn tiếp tục nghiên cứu về các chất phóng xạ để rồi tới tháng 5 năm 1911, ông cho phổ biến trên tạp chí The Philosophical Magazine ý tưởng về một kiểu mẫu nguyên tử. Nguyên tử khi đó được quan niệm là một khoảng trống không, bên ngoài có các điện tử di chuyển chung quanh một tâm phân tán theo một điện trường có cường độ giảm theo bình phương khoảng cách. Tâm phân tán này rất nhỏ, có điện dương và khối lượng tương đối rất lớn. Lý thuyết nguyên tử của Rutherford giống như thái dương hệ, đã cho phép cắt nghĩa được nhiều hiện tượng nhưng một trở ngại được nêu lên. Nếu có các điện tử xoay quanh nhân, thì chắc hẳn phải có sự phát ra ánh sáng và do đó, sinh ra sự co lại của các quỹ đạo khiến cho các điện tử sẽ bị rơi vào nhân trong khi theo sự nhận xét, điều này đã không xẩy ra. Tới mùa xuân năm 1912, tất cả khoa học gia tại Manchester đều công nhận kiểu mẫu nguyên tử của Rutherford nhưng chính vào lúc này, một du khách tới Manchester: Niels Bohr. Bohr là con của một Giáo Sư Sinh Lý Học thuộc trường Đại Học Copenhague. Ông vừa đậu xong văn bằng Tiến Sĩ Vật Lý và sang nước Anh để học hỏi thêm. Sau 4 tháng, Bohr trở về Copenhague với nhiều kiến thức thu lượm được. Vào tháng 7 năm 1913, Bohr công bố những ý tưởng mới về nguyên tử và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân”. Bohr đi tới kết luận như sau: ông công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng ông đặt giả thuyết rằng các điện tử xoay với vận tốc đều trên các quỹ đạo cố định chung quanh nhân, nhưng không phát ra ánh sáng và vì vậy, không bị kéo về phía nhân. Tại các quỹ đạo này, các điện tử ở trong trạng thái ổn định nghĩa là năng lượng của chúng không bị thay đổi. Tuy nhiên vì các sự hỗn loạn do bên ngoài gây nên, chẳng hạn như sự đụng chạm hay bức xạ, các điện tử sẽ bị dời chỗ tạm thời để rồi trở về quỹ đạo cũ bằng cách nhẩy vọt và mỗi lần nhẩy vọt từ quỹ đạo ngoài vào quỹ đạo trong kế cận sẽ phát ra một quang tử (quantum) và quang tử này tiêu biểu cho sự khác biệt về năng lượng giữa quỹ đạo bên ngoài vừa từ bỏ và quỹ đạo bên trong vừa chấp nhận. Như vậy ánh sáng chỉ được phát ra trong trường hợp này mà thôi. Niels Bohr đã dùng kiểu mẫu nguyên tử của ông và lý thuyết về Quang Tử (Théorie des Quanta) của Max Planck và Albert Einstein để tiên đoán về các màu sắc, về chiều dài làn sóng và về các loại ánh sáng do các vật chất khác nhau phát ra. Các quan niệm về nguyên tử của Bohr đã giải thích được nhiều điều thắc mắc và đã khiến cho việc khảo cứu nguyên tử đi được các bước thật dài. Vào năm 1924, nhà vật lý người Pháp là Louis de Broglie đã đề nghị rằng các âm điện tử (electrons) có vài tính chất làn sóng rồi 4 năm sau, việc mô tả cách xếp đặt các điện tử đã được thực hiện do các nhà vật lý Erwin Schrodinger và Wolfgang Pauli người Áo, Max Born và Werner Heisenberg người Đức. Tới năm 1928, các chuyển động của điện tử đã được hiểu rõ nhưng nhân nguyên tử còn trong vòng bí ẩn. Từ năm 1902, các nhà khoa học đã biết đến dương điện tử (protons) và vào năm 1914, Rutherford cho rằng nhân nguyên tử có chứa loại dương điện tử này. Năm 1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick đã khám phá ra bên trong nhân có các hạt điện tử không mang điện tích, được gọi là trung hòa tử (neutrons) rồi vào thập niên 1930, các máy gia tốc hạt nguyên tử (particle accelerators) được chế tạo để khảo sát về nhân nguyên tử, với chiếc máy đầu tiên cyclotron do nhà vật lý người Hoa Kỳ là Ernest O. Lawrence. Năm 1938, các nhà khoa học khám phá thấy rằng nếu dùng trung hòa tử để bắn vào nhân nguyên tử Uranium, nhân này sẽ bị tách ra làm hai đồng thời phát ra một năng lượng cực lớn. Trong chuyến du hành qua Hoa Kỳ, Niels Bohr đã bàn luận về năng lượng của nguyên tử với Albert Einstein và với nhiều nhà bác học khác trong đó có cả Enrico Fermi, khi đó đang làm việc tại trường Đại Học Columbia. Thời bấy giờ chưa có nhà bác học nào biết rằng giữa hai chất Uranium 238 và Uranium 235 với lượng rất ít, chất Uranium nào đã bị phân hạch tâm để phát ra năng lượng lớn lao. Bohr đã cùng Tiến Sĩ John A. Wheeler nghiên cứu vấn đề này và trong vài ngày, đã đi đến kết luận rằng chỉ có chất Uranium 235 bị chia tách. Ít lâu sau đó, các phòng thí nghiệm tại châu Âu đều công nhận lời tiên đoán của Niels Bohr về chất Uranim 235. Ngoài ra lý thuyết về nhân hỗn hợp (compound nucleus) của Bohr cũng là một đóng góp to lớn vào nền vật lý hạch tâm nhờ đó các nhà vật lý đã cắt nghĩa được sự phóng xạ, sự phát ra trung hòa tử và sự phân hạch tâm (fission). Vào năm 1932, hai nhà vật lý người Anh Sir John D. Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton là các người đầu tiên dùng các hạt nguyên tử tăng gia tốc để bắn vào nhân nguyên tử Lithium. Trong việc oanh kích nhân nguyên tử, các hạt mới được tìm ra, chẳng hạn như các hạt “muons” khám phá vào năm 1937 và hạt “pions” vào năm 1947. Sự khả hữu của các hạt “pions”đã được nhà vật lý người Nhật Yukawa Hideki tiên đoán vào năm 1935. Các hạt nguyên tử (particles) cũng được xếp hạng thành các loại như Hadrons, Leptons, Bosons theo lực (force) vì đây là yếu tố kiểm soát các phản ứng hỗ tương (interactions). Năm 1934, nhà vật lý Hoa Kỳ gốc Ý Enrico Fermi đã thực hiện được việc phân hạch tâm nhưng phản ứng này chưa được công nhận cho đến năm 1939, khi các nhà khoa học Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann công bố rằng họ đã tách được nhân Uranium do bắn bằng neutrons. Năm 1963, hai nhà vật lý Hoa Kỳ Murray Gell-Mann và George Zweig đề nghị rằng hạt hadrons là phối hợp của loại hạt căn bản “quarks”. Mặt khác, các phản ứng hạt nhân có các ích lợi thực tế gồm việc phân chia một nhân nặng thành các nhân nhẹ, gọi là “phân hạch tâm” (fission) và việc phối hợp hai nhân nhẹ thành một nhân nặng, gọi là “ghép hạch tâm” (fusion). Ngày nay năng lực nguyên tử phát ra trong phản ứng dây chuyền đã được dùng trong việc chế tạo bom nguyên tử A và sản xuất điện năng, còn tác dụng ghép hạch tâm được dùng để cắt nghĩa về nguồn gốc của nhiệt lượng và ánh sáng xẩy ra trên mặt trời và các ngôi sao, được dùng trong phương pháp nổ bom khinh khí (hydrogen bomb), và các nhà vật lý đang tìm kiếm áp dụng thực tế của tính chất ghép hạch tâm có kiểm soát (controlled fusion)./. . Lịch sử Nguyên Tử - Phần 3 Vào mùa hè năm 1900, khi Rutherford trở về Tân Tây Lan để cưới vợ thì Frédérick. điện tử đã được hiểu rõ nhưng nhân nguyên tử còn trong vòng bí ẩn. Từ năm 1902, các nhà khoa học đã biết đến dương điện tử (protons) và vào năm 1914, Rutherford cho rằng nhân nguyên tử có. Vào tháng 7 năm 19 13, Bohr công bố những ý tưởng mới về nguyên tử và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân”. Bohr đi tới kết luận như sau: ông công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng