Tại sao phát hiện ra nơtron lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Phát hiện nơtron được coi là cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển khoa học thế kỷ XX. Thứ nhất là vì phát hiện này đã giúp con người nhận thức một cách đầy đủ về cấu tạo nguyên tử; thứ hai là do hạt nơtron không mang điện tích nên chúng là hạt tốt nhất để có thể tiến hành việc kiểm tra từ hiện tượng va đập, phản ứng hạt nhân cho đến việc nghiên cứu cấu tạo và phản ứng nguyên tử. Nhờ nơtron mà Errnest Lawrence thuộc phân hiệu UC Berkeley đã phát hiện ra hơn 10 loại nguyên tố mới, nó có vai trò quan trọng trong việc tiến hành kiểm tra sự phân hạch hạt nhân và chế tạo bom nguyên tử.


Nơtron được phát hiện ra như thế nào?


Kể từ khi khám phá ra thế giới hạ nguyên tử năm 1901, con người chỉ phát hiện ra hai loại hạt mang điện tích đó là proton và electron. Các nhà khoa học cho rằng hai loại hạt này cấu tạo nên toàn bộ khối lượng của nguyên tử.


Nhưng quan điểm này tồn tại một vấn đề: nếu nguyên tử được tạo bởi hai hạt proton và electron thì khi tự xoay chuyển tổng của chúng sẽ không chính xác. Năm 1925, tại nước Đức, George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit đã phát hiện ra rằng mỗi hạt hạ nguyên tử đều có thể tự xoay chuyển. Ví dụ nguyên tử lượng của nguyên tử nitơ là 14 (khối lượng của 1 proton là 1), nguyên tử của nó mang 7 điện tích dương (1 proton mang 1 điện tích dương). Do có sự cân bằng về điện tích nên có 7 electron (1 electron mang 1 điện tích âm) xoay chuyển quanh nhân của nguyên tử. Nhưng bất luận thế nào, trong nhân của nguyên tử phải có 7 electron thì mới triệt tiêu được 7 điện tích dương khác của proton.


Và như vậy, trong mỗi nhân nguyên tử nitơ phải có 21 hạt (14 proton và 7 electron), sự xoay chuyển của mỗi hạt nếu không phải là +1/2 thì sẽ là -1/2. Bởi vì con số 21 là số lẻ cho nên cho dù chúng có kết hợp như thế nào thì tổng số xoay chuyển trong nhân nguyên tử nitơ phải có sự tồn tại của 1/2. Thế nhưng tổng số lượng xoay chuyển của hạt nitơ đo được lại là một số nguyên chứ không phải là một nửa. Điều này cho thấy nhất định có sự nhầm lẫn ở một chỗ nào đó.


Ernest Rutherford khẳng định về sự tồn tại của proton và electron, trong nguyên tử nitơ có 7 proton và 7 proton - electron ( như vậy mới có thể tạo thành số 14 và lại đúng là số chẵn, do đó tổng lượng xoay chuyển mới có thể chính xác), nhưng tất cả những điều này chỉ là lập luận mà thôi. Lúc này, phương pháp duy nhất để khám phá các hạt đó là tìm ra được điện tích của chúng, Rutherford không biết làm cách nào có thể tìm ra proton - electron.


Thời gian đó Jame Chadwick cũng tham gia vào nghiên cứu. Chadwick sinh ra tại nước Anh và cũng là một thành viên trong đoàn các nhà vật lý nghiên cứu về vật lý học nguyên tử của Rutherford. Vào giữa những năm 20 của thế kỷ XX, ông luôn chú trọng tìm kiếm những hạt proton - electron không mang điện tích mà Rutherford đã đề cập tới.


Năm 1928, Chadwick bắt đầu làm thí nghiệm với nguyên tử Berib. Nguyên tử Be rất nhỏ và có cấu tạo rất đơn giản, nguyên tử lượng của nó là 9. Ông đã lấy hạt á từ nguyên tố Po (một loại nguyên tố có tính phóng xạ lớn) để tác động lên nguyên tử Be, hy vọng một phần nguyên tử Be sẽ bị hạt á xâm nhập, từ đó tách thành hai hạt á mới (mỗi hạt có khối lượng là 4).


Nếu điều này xảy ra thì hai hạt á mới này sẽ mang toàn bộ điện tích của nhân nguyên tử Be, nhưng không mang toàn bộ khối lượng mà sẽ có 1 đơn vị khối lượng (chính là khối lượng của proton) được giữ lại từ con số 9 ban đầu trong khối lượng nguyên tử của Be. Nhưng các hạt proton nhiều kích cỡ được giữ lại qua sự phân chia trong nhân nguyên tử Be sẽ không mang điện tích, chúng chắc chắn là những hạt proton - electron mà ông đang tìm kiếm (hiện nay gọi là nơtron).


Nếu kết quả thí nghiệm thành công thì trong quá trình Chadwick tạo ra hạt á đồng thời cũng sẽ tạo ra một số lượng lớn các hạt nơtron. Tuy nhiên ông đã phải mất ba năm mới có thể tìm ra các nơtron bằng phương pháp trên. Ông dùng điện trường mạnh (toàn bộ điện tích) để làm hạt á lệch khỏi quỹ đạo chuyển động của nó, chỉ có những hạt không mang điện tích mới có thể tiếp tục truyền đến mục tiêu.


Nhưng điều khiến cho Chadwick vui mừng đó là ông phát hiện ra có vật va đập vào cục sáp nến với một lực rất mạnh, đủ để làm hạt á mới tách ra khỏi sáp nến. Chúng chắc chắn được tạo ra trong quá trình va đập giữa nguyên tử Be và hạt, và kích thước của nó phải ngang với proton (như vậy mới có thể làm hạt á mới tách ra khỏi sáp nến). Chúng nhất định là các hạt nơtron bởi vì khi ở trong từ trường chúng không bị lệch ra khỏi quỹ đạo chuyển động và chắc chắn chúng không hề mang điện tích.


Vì mang điện tích trung tính nên chúng được gọi là nơtron. Chadwick đã phát hiện và chứng minh được sự tồn tại của nơtron nhưng người đặt tên cho nơtron là Rutherford.

schoolnet@