Bài giảng Điện học (Phần 7)

Benjamin Crowell

Chương 2
HẠT NHÂN

2.1 Sự phóng xạ

Becquerel khám phá ra hiện tượng phóng xạ

Làm thế nào các nhà vật lí luận ra được mô hình bánh bông lan rắc nho là không chính xác, và điện tích dương của nguyên tử tập trung trong một hạt nhân nhỏ xíu, ở chính giữa ? Câu chuyện bắt đầu với việc nhà hóa học người Pháp Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ. Mãi cho đến khi khám phá ra sự phóng xạ, tất cả mọi quá trình của tự nhiên đều được cho là có nguyên nhân từ các phản ứng hóa học, chúng là sự sắp xếp lại những kết hợp khác nhau của các nguyên tử. Nguyên tử tác dụng lực lên nhau khi chúng ở gần nhau, nên việc gắn kết hoặc không gắn kết chúng sẽ giải phóng hoặc dự trữ năng lượng điện. Năng lượng đó có thể chuyển hóa thành dạng khác hoặc chuyển hóa từ dạng khác thành, lúc cây xanh sử dụng nó trong ánh sáng Mặt Trời tạo ra đường và carbohydrate, hay khi một đứa trẻ nhỏ ăn đường, giải phóng năng lượng dưới dạng động năng.

Becquerel đã phát hiện ra một quá trình có vẻ giải phóng năng lượng từ một nguồn mới không biết không có bản chất hóa học. Becquerel, người có cha và ông nội là những nhà vật lí, đã trải qua hai chục năm đầu của quãng đời nghiên cứu chuyên nghiệp của ông là một kĩ sư công dân thành công, giảng dạy vật lí học bán thời gian. Ông được trao ghế chủ nhiệm bộ môn vật lí ở trường Musée d’Histoire Naturelle tại Paris sau khi cha ông qua đời, trước đó ông ta giữ ghế đó. Giờ thì ông đã có nhiều thời gian dành cho vật lí học, ông bắt đầu nghiên cứu tương tác của ánh sáng và vật chất. Ông trở nên hứng thú với hiện tượng lân quang, trong đó một chất hấp thụ năng lượng từ ánh sáng, rồi giải phóng năng lượng qua một ánh sáng rực rỡ chỉ tắt đi từ từ. Một trong những chất mà ông nghiên cứu là hợp chất của uranium, muối UKSO₅. Một ngày vào năm 1896, bầu trời kéo đầy mây đã làm hỏng kế hoạch của ông phơi chất này dưới ánh sáng Mặt Trời để quan sát sự huỳnh quang của nó. Ông cho nó vào một ngăn kéo, ngẫu nhiên nằm trên một bản phim trắng – kiểu phim chụp cũ mặt sau là thủy tinh. Bản phim đó được bọc lại cẩn thận, nhưng vài ngày sau khi Becquerel kiểm tra nó trong một căn phòng tối trước khi mang ra sử dụng, ông thấy nó đã bị hỏng, cứ như thể nó đã bị phơi ra hoàn toàn trước ánh sáng.

Lịch sử mang lại nhiều ví dụ về những khám phá khoa học xảy ra như thế này: một trí tuệ cảnh giác và tò mò quyết định nghiên cứu một hiện tượng mà đa số người ta không ai nghi ngại việc giải thích nó. Ban đầu Becquerel xác định bằng cách làm thêm thí nghiệm mà hiệu ứng đó được tạo ra bởi muối uranium, bất chấp lớp giấy dày bọc bản phim đã chặn hết mọi ánh sáng. Ông thử với nhiều loại hợp chất và nhận thấy chỉ có muối uranium làm được như vậy: hiệu ứng xảy ra với bất kì hợp chất uranium nào, nhưng không xảy ra với bất kì hợp chất nào không chứa các nguyên tử uranium. Hiệu ứng đó ít nhất thì cũng bị chặn lại một phần bởi một tấm kim loại đủ dày, và ông có thể tạo ra bóng của đồng tiền bằng cách đặt chúng vào giữa uranium và tấm phim. Điều này cho thấy hiệu ứng đó truyền đi theo đường thẳng, cho nên nó phải là một loại tia nào đó chứ không phải sự rò rỉ hóa chất qua tấm giấy. Ông đã dùng từ “phát xạ”, vì hiệu ứng đó phát ra từ muối uranium.

Ở đây, Becquerel vẫn tin rằng các nguyên tử uranium đang hấp thụ năng lượng từ ánh sáng và rồi giải phóng từ từ năng lượng đó dưới dạng những tia bí ẩn, và đây là cách thức mà ông đã đưa hiện tượng vào trong bài thuyết trình công bố đầu tiên của ông mô tả những thí nghiệm của ông. Thật hấp dẫn, nhưng không làm đảo lộn mọi thứ. Nhưng sau đó, khi ông thử xác định thời gian cần thiết cho uranium sử dụng hết năng lượng được cho là dự trữ trong nó bởi ánh sáng, ông nhận thấy nó chưa bao giờ có vẻ nào yếu đi, cho dù là ông có đợi cho tới bao lâu đi nữa. Không chỉ thế, một mẫu vật được đem ra phơi ánh sáng Mặt Trời mạnh trong suốt cả buổi chiều cũng không mạnh hay kém hoạt tính hơn một mẫu vật luôn luôn giữ ở trong nhà. Đây là có phải là một sự vi phạm nguyên lí bảo toàn năng lượng ? Nếu năng lượng không đến từ sự phơi sáng, thì nó có nguồn gốc từ đâu ?

Ba loại “phát xạ”

Không thể xác định trực tiếp nguồn gốc của năng lượng đó, thay vì vậy, các nhà vật lí cuối thế kỉ 19 nghiên cứu hành vi của các “phát xạ” một khi chúng được phát ra. Becquerel chỉ ra rằng phóng xạ có thể đâm xuyên qua vải vóc và giấy, nên việc hiển nhiên trước tiên phải thực hiện là nghiên cứu chi tiết hơn chiều dày của chất mà phóng xạ có thể xuyên qua. Họ sớm nhận ra rằng một phần nhất định của cường độ phóng xạ sẽ bị loại trừ ngay cả bởi một vài inch không khí, nhưng phần còn lại không bị loại mất khi truyền đi quãng không khí dài hơn. Như vậy, rõ ràng phóng xạ là hỗn hợp của hơn một loại, trong đó một loại bị chặn lại bởi không khí. Sau đó, họ nhận thấy trong số phần có thể đi xuyên qua không khí, một lượng nữa có thể bị loại mất bằng một mảnh giấy hay một lá kim loại rất mỏng. Tuy nhiên, cái còn lại sau đó, là loại thứ ba, loại đâm xuyên cực mạnh, một số trong đó sẽ vẫn còn sau khi xuyên qua một bức tường gạch. Họ kết luận điều này cho thấy có ba loại phóng xạ, và không hề có chút ý tưởng mờ nhạt nào xem thật ra chúng là thứ gì, họ đã đặt tên cho chúng. Loại đâm xuyên ít nhất được gọi tùy tiện là a (alpha), kí tự thứ nhất của bảng chữ cái Hi Lạp, và cứ thế đến b (beta), cuối cùng là g (gamma) cho loại đâm xuyên mạnh nhất.

Radium: một nguồn phóng xạ còn mạnh hơn nữa

Những dụng cụ đo dùng để phát hiện phóng xạ thật thô sơ: các tấm phim hay thậm chí là mắt người (phóng xạ gây ra lóe sáng trong thủy dịch bên trong mắt người, nó có thể nhìn thấy nếu như ở trong phòng rất tối). Vì phương pháp phát hiện phóng xạ quá thô sơ và không nhạy, nên những tiến bộ khác bị cản trở bởi thực tế lượng phóng xạ phát ra bởi uranium không thật sự rất lớn. Đóng góp mang tính sống còn của nhà vật lí/hóa học Marie Curie và chồng bà là Pierre là khám phá ra nguyên tố radium, và tinh chế và tách được một lượng đáng kể chất đó. Radium phát ra nhiều phóng xạ hơn uranium khoảng một triệu lần trên đơn vị khối lượng, mang lại khả năng thực hiện những thí nghiệm cần thiết để tìm hiểu bản chất thật sự của phóng xạ. Sự nguy hiểm của phóng xạ đối với sức khỏe con người lúc ấy chưa được biết tới, và Marie đã chết vì bệnh bạch cầu 30 năm sau đó. (Pierre thì qua đời vì một vụ tai nạn).

Lần theo bản chất của tia alpha, beta và gamma

Khi radium trở nên sẵn dùng, một nhà khoa học tập sự tên là Ernest Rutherford đã rời quê hương New Zealand đến Anh và bắt đầu nghiên cứu phóng xạ tại Phòng thí nghiệm Cavendish. Thành công đầu tiên của chàng trai xứ thuộc địa là đo được tỉ số khối lượng trên điện tích của tia beta. Kĩ thuật đó về cơ bản giống như kĩ thuật Thomson đã dùng để đo tỉ số khối lượng trên điện tích của tia catôt, bằng cách đo sự lệch của chúng trong điện trường và từ trường. Sự khác biệt duy nhất là ở chỗ thay catôt của ống chân không bằng một cục radium để cung cấp tia beta. Không chỉ kĩ thuật sử dụng tương tự nhau, mà kết quả thu được cùng giống nhau. Tia beta có cùng tỉ số m/q như tia catôt, cho thấy chúng là một loại và đồng nhất. Ngày nay, để hiểu đơn giản, người ta dùng từ “electron”, và tránh dùng những từ cổ xưa như “tia catôt” và “hạt beta”, nhưng những tên gọi cũ vẫn được sử dụng rộng rãi, và điều cần thiết không hay cho học sinh vật lí là phải ghi nhớ cả ba tên này là chỉ cùng một thứ.

Ban đầu, có vẻ là tia alpha hay gamma đều không bị lệch trong điện trường hoặc từ trường, khiến có vẻ như chúng đều không tích điện. Nhưng Rutherford sớm có được một nam châm mạnh hơn nhiều, và ông có thể dùng nó làm lệch tia alpha, nhưng không làm lệch được tia gamma. Tia alpha có giá trị m/q lớn hơn nhiều so với tia beta (khoảng 4000 lần), đấy là lí do tại sao chúng khó bị lệch hướng. Tia gamma không tích điện, và sau này được nhận ra là một dạng của ánh sáng.

Tỉ số m/q của hạt alpha hóa ra bằng với tỉ số này của hai loại ion khác, He⁺⁺ (một nguyên tử helium mất đi hai electron) và H₂⁺ (hai nguyên tử hydrogen liên kết thành một phân tử và bị mất một electron), nên hình như chúng chỉ là một hay là cái gì đó tương tự. Hình dưới đây biểu diễn một mẫu đơn giản hóa của thí nghiệm khéo léo của Rutherford chứng tỏ chúng là ion He⁺⁺. Nguyên tố ở thể khí radon, một nguồn phát hạt alpha, được đưa vào một nửa của một buồng thủy tinh đôi. Thành thủy tinh chia buồng ra làm hai được chế tạo cực kì mỏng, nên một số hạt alpha chuyển động nhanh có thể đi xuyên qua nó. Buồng phía bên kia, ban đầu được hút chân không, từ từ bắt đầu tích góp số hạt alpha (chúng sẽ nhanh chóng bắt lấy electron từ môi trường xung quanh và trở nên trung hòa về điện). Sau đó, Rutherford xác định được có mặt khí helium trong buồng thứ hai. Như vậy, hạt alpha được chứng minh là ion He⁺⁺. Hạt nhân khi ấy vẫn chưa được khám phá, nhưng trong thuật ngữ hiện đại, chúng ta mô tả ion He⁺⁺ là hạt nhân của nguyên tử helium.

Tóm lại, ở đây có ba loại bức xạ phát ra bởi các nguyên tố phóng xạ, và mô tả của chúng như sau:

Câu hỏi thảo luận

A. Đa số nguồn phóng xạ phát ra tia alpha, beta và gamma, chứ không phải một trong ba loại. Trong thí nghiệm radon, làm thế nào Rutherford biết được là ông đang nghiên cứu tia alpha ?

Còn tiếp...

Xem lại Phần 6