Phát Minh & Sáng Chế

Khám phá hạt nhân nguyên tử, truy tìm nguồn gốc vạn vật

Wikicabinet – Kênh thông tin tri thức nhân loại kính chào quý độc giả ở kỳ trước chúng tôi đã giới thiệu các chủ đề về:

Khám phá ra chất phóng xạ của Marie Cuerie

Kỳ này wikicabinet xin giới thiệu đến độc giả một chủ đề thú vị về Khám phá hạt nhân nguyên tử, truy tìm nguồn gốc vạn vật. Mời quý độc giả đón theo dõi chủ đề này cùng wikicabinet nhé.

Vào năm 1911, điều kỳ diệu đã mở ra kỷ nguyên hạt nhân nguyên tử cho nhân loại nhờ thí nghiệm bắn phá một lá vàng mỏng bằng chùm hạt alpha phát ra từ radium của Ernest Rutherford. Đây chính là tiền đề để các nhà khoa học truy tìm nguồn gốc vạn vật nguyên tử sau này.

Tìm thấy Proton

Khi Rutherford nghiên cứu về các nguyên tử, ông sử dụng các tia alpha (helium) để bắn phá vào lá vàng mỏng, và sau đó ghi lại những thay đổi của các hạt alpha. (Vì đã có một bài đã nói rõ thí nghiệm này, cho nên ở đoạn này tác giả bài viết đã lược bỏ tối đa quá trình làm thí nghiệm, chỉ thuật lại sơ lược, bạn nào hứng thú có thể tự tìm hiểu thêm).

Thông qua phương pháp này, Rutherford đã phát hiện ra hạt nhân nguyên tử. Vậy liệu hạt nhân nguyên tử có thể được phân chia được nữa hay không, Rutherford đã nghĩ đến việc áp dụng lại cách thức cũ, dùng các tia alpha để bắn phá. Trên thực tế, điều này cũng khá dể hiểu. Ông chỉ muốn xem liệu có thể tiếp tục chia nhỏ hạt nhân nguyên tử hay không?

Lần này, Rutherford đã chọn bắn phá hạt nhân nguyên tử Ni-tơ, kết quả ông phát hiện ra rằng một số chất cực kỳ nhỏ đã bị tách ra. Sau khi tiến hành phân tích, ông phát hiện ra rằng những chất cực nhỏ này là hạt nhân nguyên tử hydro.

Do đó, Rutherford đã đưa ra một số suy đoán, quá trình gần đúng của ông như sau:

Hạt nhân hydro là đơn vị cơ bản nhất của hạt nhân nguyên tử, nghĩa là nguyên tử hydro phải là nguyên tử có hạt nhân đơn giản nhất. Các hạt nhân của các loại nguyên tử khác nhau được tạo thành từ một cụm các hạt nhân hydro. Điều này cũng trùng khớp với “lý thuyết nguyên tử” của Dalton, trong đó nguyên tử khối của Hydro là 1.

Rutherford đặt tên cho hạt nhân của hydro là Proton. Hạt nhân hydro mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Do đó, các nguyên tử hydro trung hoà về điện.

Từ kết luận của Rutherford, khối lượng của các nguyên tử khác phải là bội số nguyên của số lượng proton. Kết luận này đúng hay sai, điều này vẫn cần phải được kiểm chứng. Vì vậy, Rutherford bắt đầu nghiên cứu liệu lý thuyết này có thể áp dụng cho hạt nhân nguyên tử helium hay không. Kết quả là?

Ông phát hiện ra rằng khối lượng của hạt nhân nguyên tử helium gần gấp bốn lần khối lượng proton. Vậy theo lý thuyết của Rutherford, hạt nhân nguyên tử helium nên có 4 điện tích dương. Vấn đề ở chỗ, hạt nhân nguyên tử Helium chỉ có 2 điện tích dương. Nhưng thực tế, các nguyên tử helium lại trung hoà về điện, điều này hoàn toàn trái ngược nhau.

Để giải quyết mâu thuẫn này, Rutherford dự đoán rằng cần phải có một thành phần khác trong hạt nhân, nó trung tính về điện.

Khám phá ra Neutron

Nếu đọc lịch sử, chúng ta sẽ thấy rằng phòng thí nghiệm Caverndish của Rutherford lúc đó được gọi là trường mẫu giáo đào tạo nên các giải thưởng Nobel. Ở đây, đã lần lượt sinh ra hơn 10 người đoạt giải Nobel, và hầu hết trong số họ đều là sinh viên và trợ lý của Rutherford. Những người này đã có công đóng góp rất lớn cho thế giới vi mô. Trong số đó có Niels Bohr cực kì nổi tiếng với mô hình mức năng lượng của các electron.

Ngoài Bohr, còn có một người rất xuất sắc, ông là người chịu trách nhiệm cho dự án bom nguyên tử trong Thế chiến II. Ông là James Chadwick và là một trong những đệ tử xuất sắc của Rutherford.

Tuy nhiên, Chadwick trở thành đệ tử của Rutherford là một việc tình cờ. James Chadwick 16 tuổi đã đăng ký trường Đại học Manchester. Chuyên ngành ông yêu thích là toán học. Kết quả là, ông đã xếp lộn vào hàng ngũ của đội vật lý. Khi phát hiện ra điều này, ông có chút xấu hổ và lo lắng. Ông không dám nói rằng mình đi nhầm đội. Cuối cùng, ông phải cắn răng đăng kí vào khoa vật lý và trở thành một học sinh của Rutherford.

Cuối cùng, Chadwick đã chứng minh cho suy đoán của Rutherford, nhưng trước khi ông công bố kết quả, nhiều nhà khoa học trước đó cũng đã cố gắng tìm ra các thành phần khác theo suy luận của Rutherford. Trong số đó có con gái và con rể của bà Curie, Irene Joliot-Curie và Frederick Joliot-Curie. Họ nghe nói các nhà vật lý người Đức Walter Bot và Herbert Becker đã tạo ra những bức xạ lạ sau khi cho va chạm các hạt alpha và beri.

Vì vậy, họ đã đích thân làm thí nghiệm này, chứng thực điều này và cũng công bố ra với thế giới.

Bức xạ này có thể đẩy các proton nằm trong hydro bắn ra ngoài.

Irene Joliot-Curie và Frederick Joliot-Curie đã bỏ lỡ cơ hội khám phá neutron.

Khi Chadwick biết về vấn đề này, ông nghĩ nó có thể liên quan đến các thành phần cơ bản trong dự đoán của Rutherford. Vì vậy, ông đã thiết kế một thí nghiệm, cũng bắn phá Beri bằng các hạt alpha, và sau đó để các tia tiếp tục bắn phá parafin. Tia này sẽ bắn phá các proton của sáp parafin văng ra ngoài.

Vào thời điểm này, Chadwick giả định sau khi beri bị bắn phá, các hạt toả ra ngoài chính là neutron. Sau đó, ông tính toán khối lượng của neutron bằng cách đo tốc độ của proton bị bắn trúng. Khối lượng này chỉ tương đương với khối lượng proton và không mang điện tích.

Tiếp theo, chúng ta có thể thông qua sự khác biệt giữa proton và neutron (mang điện hoặc không mang điện) để chứng khám phá của Chadwick. Một phát minh được nhắc đến ở đây chính là: Buồng mây Wilson.

Buồng mây Wilson được sử dụng để phát hiện quỹ đạo của các hạt tự do và được phát minh bởi nhà vật lý Charles Wilson.

Nguyên tắc như sau: Buồng mây là một môi trường kín chứa đầy hơi nước hoặc cồn siêu bão hòa. Khi một chùm các hạt đi qua nó, hỗn hợp bên trong đám mây sẽ tương tác và ngưng tụ nhanh chóng, một quỹ đạo sẽ xuất hiện. Điều này tương tự như việc các chuyến bay sẽ để lại một vệt trắng khi bay trên không.

Do đó, khi một chùm bức xạ có proton và neutron đi qua buồng mây, nó cũng sẽ để lại quỹ đạo. Thực tế, môn vật lý ở giai đoạn trung học cơ sở, chúng ta đã được học rằng các hạt tích điện sẽ chuyển động trong một từ trường, trong khi các hạt không mang điện sẽ chuyển động theo một đường thẳng.

Do đó, để nhận biết một chùm hạt có chứa neutron hay không, chúng ta chỉ cần thêm một từ trường vào trong buồng mây. Quỹ đạo đường thẳng là của neutron, quỹ đạo đường cong là của các hạt mang điện.

Theo cách này, chúng ta cũng có thể xác định sự tồn tại của neutron. Các nhà khoa học đã đo khối lượng của neutron là 1,6749 * 10 ^ -27kg và khối lượng của proton là 1,6726 * 10 ^ -27kg. Đúng như Chadwick tính toán, khối lượng neutron chỉ lớn hơn một chút so với khối lượng proton.

Kết quả là, James Chadwick trở thành người phát hiện ra neutron và giành giải thưởng Nobel Vật lý năm 1935.

Kỷ nguyên hạt nhân

Khám phá của Rutherford và Chadwick đã mở ra kỷ nguyên hạt nhân cho nhân loại. Các nhà khoa học đã có thể bắt đầu nghiên cứu, thí nghiệm ở cấp độ hạt nhân, điều này cũng đặt nền móng vững chắc cho các thí nghiệm phản ứng tổng hợp hạt nhân, phân hạch hạt nhân và sử dụng năng lượng hạt nhân.

Trong kỳ tiếp theo, Wikicabinet trân trọng mời độc giả đón đọc chủ đề Những nhà máy điện nguyên tử nổi đầu tiên trên thế giới.

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