Lịch Sử

Đôi điều về sức mạnh của bom nguyên tử (Kỳ 1)

Wikicabinet kính chào quý độc giả ở kỳ trước chúng tôi đã giới thiệu các chủ đề về lịch sử:

Albert Einstein – Về cuộc đời, sự nghiệp và di sản vĩ đại của nhân loại

Kỳ này Wikicabinet xin giới thiệu đến độc giả một chủ đề Đôi điều về sức mạnh của bom nguyên tử (Kỳ 1). Mời quý độc giả đón theo dõi chủ đề này cùng Wikicabinet nhé!

Ngày 6-8-1945, Mỹ ném quả bom nguyên tử thứ hai trong lịch sử loài người, Little Boy, xuống thành phố Hirosima của Nhật, giết chết 70.000 người. Ba ngày sau, quả bom Fat Man được ném xuống Nagasaki, giết thêm 40.000 người nữa. Cú sốc lớn này buộc Nhật Bản phải ký văn kiện đầu hàng vô điều kiện. Thay vì quyết chiến đến cùng để đổi lấy các điều kiện có lợi khi đầu hàng, như kế hoạch ban đầu, Nhật Bản đã khuất phục trước sức mạnh của bom nguyên tử.​

“Quân thù đã bắt đầu đem ra sử dụng loại bom kinh khủng mới nhất mà sức tàn phá của nó thực sự không lường được đã gây ra cái chết của nhiều sinh mạng vô tội. Nếu chúng ta tiếp tục chống trả, không chỉ quốc gia Nhật Bản bị sụp đổ nhanh chóng và bị tiêu diệt mà có thể dẫn đến sự tuyệt chủng hoàn toàn văn minh của loài người. Nếu điều đó xảy ra, Trẫm sẽ phải cứu lấy hàng triệu con dân như thế nào và trả lời sao trước vong linh của liệt tổ hoàng triều? Chính vì lý do này Trẫm đã ra lệnh chấp nhận các điều khoản trong tuyên bố chung của các cường quốc”, trích lời Nhật hoàng Hirohito nói với nhân dân Nhật.

Ta có thể thấy sức mạnh của bom nguyên tử là khủng khiếp thế nào, khi nó đánh gục ý chí phản kháng của Nhật, dân tộc được coi là kiên cường nhất thế giới lúc bấy giờ. Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu đôi chút về nguyên lý và sức mạnh của bom nguyên tử, một trong những vũ khí đáng sợ nhất của loài người tạo ra cho tới hôm nay.

1. Phương trình Einstein

E=mc^2, công thức này đã quá quen thuộc với chúng ta, nó là nguyên lý hình thành nên ánh sáng mặt trời, thứ nuôi sống và soi sáng chúng ta, nó tạo ra điện năng cho chúng ta sinh hoạt hằng ngày. Và nó chính là thứ tạo nên bom nguyên tử mà cả nhân loại lo sợ cho đến ngày hôm nay.

Công thức này thoạt nhìn có vẻ đơn giản, nhưng đó là đỉnh cao trí tuệ sau nhiều năm nghiên cứu của nhà bác học thiên tài Albert Einstein. Nó cô đọng từ thuyết tương đối hẹp của ông, và ngắn gọn đến mức có thể viết trên lòng bàn tay. Đó chính là đỉnh cao của khoa học, lý thuyết càng ngắn gọn, súc tích thì càng tuyệt vời. Quá trình tìm ra công thức này là một chương dài phức tạp, nên chúng ta sẽ không đề cập ở đây, mà chỉ xem xét hệ quả của nó thôi. Công thức này cho rằng năng lượng và khối lượng chính là 1, chỉ là tồn tại ở 2 dạng khác nhau mà thôi, giống như nước tồn tại ở thể lỏng và rắn vậy. Hay nói cách khác, khối lượng chính là năng lượng cô đặc, nó sẽ trở thành năng lượng khi có đủ điều kiện.

Ở đây E chính là năng lượng, m là khối lượng tương ứng với năng lượng đó và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Ánh sáng là thứ nhanh nhất trong vũ trụ, với vận tốc xấp xỉ 300.000 km/s. Do đó khi bình phương vận tốc ánh sáng nhân với chỉ 1 lượng nhỏ m cũng cho ra 1 con số khổng lồ. Có nghĩa là nếu chỉ cần 1 khối lượng nhỏ, nếu ta có thể, sẽ biến thành 1 năng lượng khổng lồ. Trong trái bom Little Boy thả xuống Nhật, chỉ 0.6g vật chất, tức chỉ bằng đầu ngón tay, biến thành năng lượng. Và kết quả là 70.000 người chết, cả thành phố Hirosima biến thành bình địa.

Như vậy chúng ta đã biết cách tạo ra 1 quả bom có sức hủy diệt khủng khiếp, đó là làm cách nào đó để 1 lượng vật chất biến mất, năng lượng tạo ra sẽ đủ sức hủy diệt cả 1 thành phố. Biến mất ở đây là biến mất hoàn toàn, chứ không phải biến mất như đốt 1 thanh củi. Trong trường hợp này, các vật chất trong thanh củi sẽ phản ứng với oxy, tạo ra các khí như CO2, SO2, PO2… và bay vào không khí, khối lượng chung sẽ không hề thay đổi. Còn nếu bạn làm biến mất hoàn toàn một vật chất, chẳng hạn chỉ như chiếc cúc áo thôi, thì bạn sẽ nhận được một năng lượng đủ để sạc điện thoại trong nhiều triệu năm.

Vậy câu hỏi tiếp theo là làm cách nào để cho 1 lượng vật chất biến mất? Câu hỏi đó sẽ dẫn chúng ta tới vấn đề về phân hạch hạt nhân.

2. Phân hạch hạt nhân

Các vật chất xung quanh chúng ta hầu hết được cấu tạo từ các nguyên tử. Các nguyên tử lại được cấu tạo từ hạt nhân (bao gồm proton và neutron) và lớp vỏ electron. Sở dĩ các vật chất xung quanh chúng ta tồn tại bền vững như chiếc cốc có thể tồn tại hàng chục năm trước khi bị đập vỡ, chiếc xoong made in Germany có thể dùng được hàng trăm năm, tượng nhân sư ở Ai Cập đã tồn tại 4000 năm nay và có thể sẽ thêm hàng chục ngàn năm nữa, Trái Đất có thể tồn tại hàng tỷ năm rồi và sẽ tồn tại thêm hàng tỷ năm nữa… đó là do hầu hết các nguyên tử cấu tạo nên chúng là bền vững. Có nghĩa là thêm hàng tỷ năm nữa, các nguyên tử ấy vẫn như thế, các electron đó vẫn quay quanh hạt nhân đó, các proton đó vẫn nằm gần neutron đó. Đó chính là cơ sở cho sự bền vững của vạn vật. Tuy nhiên, không phải nguyên tử nào cũng dễ thương như vậy, có những nguyên tử chỉ trong chớp mắt đã chuyển mình, biến thành nguyên tử khác. Nguyên tố phổ biến nhất có tính chất đó là Uranium.

+ Uranium và các đồng vị:

Uranium là nguyên tố tự nhiên xếp gần cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của các nguyên tố (chỉ đứng trước Plutonium). Uranium trong tự nhiên có trữ lượng khá lớn và bao gồm chủ yếu 2 đồng vị là Urani-238 (chiếm 99,284%) và Urani-235 (chiếm 0,711%). Trong đó chỉ Urani-235 được sử dụng trong bom nguyên tử vì các tính chất đặc biệt của nó.

Nhắc lại một chút về đồng vị, đồng vị là các nguyên tử có cùng số proton trong hạt nhân và số electron trong vỏ nhưng khác số neutron. Bởi vì có cùng số electron nên các tính chất hóa học của các đồng vị là như nhau, tuy nhiên khối lượng nguyên tử sẽ khác nhau đôi chút. Ví dụ như hydro có 2 đồng vị phổ biến là H và D (deuteri). H có 1 proton trong hạt nhân và không có neutron nào, D có 1 proton và 1 neutron trong hạt nhân. Cả 2 đồng vị này đều có thể kết hợp với Oxy để tạo ra nước, H kết hợp với Oxy sẽ tạo ra nước thường, còn D sẽ tạo ra nước nặng. Về mặt hóa học 2 loại này không có gì khác biệt nhau, nó vẫn giữ nguyên các đặc tính của nước, tuy nhiên nếu chúng ta uống nước nặng nhiều sẽ gây tử vong vì khối lượng khác biệt của nó sẽ gây ra các thay đổi lớn ở cấp tế bào.

Uranium cũng như thế, U238 có 92 Proton + 146 neutron trong hạt nhân và U235 có 92 proton +143 neutron. Các đặc tính hóa học của 2 đồng vị này là như nhau, tuy nhiên chỉ có U235 được sử dụng làm nguyên liệu để chế tạo bom nguyên tử.

+ Quá trình phân hạch của Urani-235

Quá trình phân hạch hạt nhân U235 có thể diễn ra tự nhiên hoặc được kích thích bởi 1 neutron được bắn vào một cách có chủ đích. Quá trình phân rã tạo thành nhiều nguyên tố trung gian nhưng tất cả đều không bền vững mà tiếp tục phân rã để cuối cùng tạo ra nguyên tố bền vững là chì (Pb). Ta có thể tóm gọn phương trình phân hạch của U235 như sau:

U235 + n -> Pb207 + α + β + n +E​

Trong đó E là năng lượng sinh ra trong quá trình phân hạch, E=mc2 với m chính là sự chênh lệch khối lượng giữa U235 và các sản phẩm tạo thành. Neutron được tạo ra trong quá trình phân hạch sẽ tiếp tục va chạm vào các nguyên tử U235 khác để kích thích tạo nên phản ứng dây chuyền, hoặc sẽ thoát ra ngoài khối Urani.

Như vậy, chúng ta đã biết được nguyên lý thứ 2 để tạo ra bom nguyên tử, đó là cho phân hạch hạt nhân U235, quá trình đó sẽ tạo ra năng lượng. Nhưng 1 phản ứng là quá nhỏ, năng lượng tạo ra sẽ không đủ để đốt cháy 1 que diêm, nếu muốn 1 quả bom thực sự, ta phải làm cách nào đó để các nguyên tử U235 phản ứng liên tục, tạo thành 1 chuỗi phân hạch hạt nhân.

Trong kỳ tiếp theo, Wikicabinet trân trọng mời độc giả đón đọc chủ đề Đôi điều về sức mạnh của bom nguyên tử (Kỳ 1).

Nếu có những thắc mắc hay muốn tìm hiểu về bất kỳ chủ đề nào, hãy liên hệ với Wikicabinet bằng cách bình luận ở phía dưới nhé.

Leave a Reply