Lịch sử nguyên tử

1/ Thời cổ Hy Lạp

            Chúng ta đang ở vào thời đại Nguyên Tử. Câu chuyện về những phân tử cực nhỏ, không hủy diệt được và là nền tảng của tất cả vật chất, đã được bắt đầu 25 thế kỷ trước và đã được các nhà triết học Cổ Hy Lạp đề cập tới.

            500 năm trước kỷ nguyên tây lịch, Anaxagoras đã suy nghĩ về vạn vật và đi đến kết luận rằng nếu lấy một vật rồi chia làm hai, phân nửa lấy được lại chia làm hai và cứ tiếp tục việc chia đôi đó, người ta sẽ không bao giờ đi tới cùng được, nghĩa là còn có thể tiếp tục công việc chia đôi cho tới ngày tận thế. Như vậy Anaxagoras đã quan niệm vật chất được cấu tạo nên không phải do những thành phần rất nhỏ xác định khiến cho việc phân đôi không bao giờ ngừng.

            Trái với lý thuyết của Anaxagoras kể trên, Democritus lại cho rằng vật chất được cấu tạo do những thành phần cực nhỏ, xác định. Những thành phần cực nhỏ này là lý lẽ cuối cùng của vật chất và được gọi là “nguyên tử”= a-tomos = không cắt chia được. Lucretius, một môn đệ của Democritus, đã thuật lại rằng Democritus tin tưởng không có một sức mạnh nào trên thế gian có thể phá hủy được nguyên tử.

            Nhưng lý thuyết của Democritus lại không được các nhà triết học khác chấp nhận. Aristotle, nhà đại hiền triết mà lý thuyết đã ngự trị trong 2,000 năm trên kiến thức của Nhân Loại, đã không chấp nhận nguyên tử. Aristotle  cho rằng trong vũ trụ chỉ có 4 thành phần chính là lửa, nước, không khí và đất. Các chất này được kết hợp với linh khí (hyle) để xác định tính chất của sự vật. Con người là một sự kết hợp siêu đẳng của mọi thành phần. Chính vì hai quan niệm sai nhầm sau đây của Aristotle mà kiến thức của Nhân Loại đã bị thiệt hại nặng nề: sự xác định không có trạng thái nguyên tử nơi vật chất và sự kết hợp 4 thành phần với linh khí.

            Thế rồi các giáo điều của Aristotle đã ngự trị cho tới thời Phục Hưng. Một trong các nhà trí thức đầu tiên đã phản đối những thành kiến dị đoan cũ là Francis Bacon. Bacon là luật gia kiêm chính trị gia dưới triều đại Nữ Hoàng Elizabeth và Vua James I, đã tố cáo Aristotle là đã pha thêm màu sắc và làm sai lệch triết học tự nhiên bằng những thành kiến của mình. Qua tác phẩm Novum Organum, Bacon đã tán thành ý tưởng của Democritus về tính chất của sự vật. Mặc dù Bacon không phải là một nhà thực nghiệm, nhưng các nguyên tắc luận lý do ông đặt ra đã ảnh hưởng sâu rộng đến các nhà khoa học sau thời đại của ông.

            Kế tiếp ý tưởng của Bacon là tư tưởng của Robert Boyle. Boyle đã khám phá ra rằng thể tích của một chất khí phụ thuộc vào áp suất của chất khí đó. Để cắt nghĩa sự nén được và bành trướng được của các chất khí, Boyle đã cho rằng chất khí được cấu tạo do các hạt (corpuscles) rất nhỏ nằm giữa các khoảng trống và các hạt này phải ở trong trạng thái luôn luôn dao động. Sự khác biệt về 3 trạng thái vật lý hay 3 thể rắn, lỏng và hơi là do các hạt đó ở trong tình trạng bị giam hãm hay tự do. Cùng với Boyle đã chấp nhận giả thuyết nguyên tử vào năm 1679, còn có Isaac Newton và như vậy vào cuối thế kỷ 17, làm sống lại lý thuyết của Democritus là ba nhà khoa học người Anh Bacon, Boyle và Newton. 

2/ Thế kỷ 18

            Tới đầu thế kỷ 18, nhiều nhà khoa học còn “tiếc rẻ “ lý thuyết của Aristotle và do đó, nhiều điều bổ túc đã được phát minh để cứu vãn lý lẽ về các thành phần của Aristotle. Năm 1729, Georg Ernst Stahl, y sĩ của Vua Phổ và cũng là nhà hóa học “tài tử “, đã phát minh ra một thứ “vô vật chất” mới (unsubstantial substance) gọi tên là “phlogiston” để cắt nghĩa sự cháy và oxít hóa. Stahl đã cho phlogiston các đặc tính sau đây: không màu, không mùi, không vị và không trọng lượng. Theo Stahl, phlogiston là căn nguyên của sự cháy. Có thứ vật chất chứa phlogiston, có thứ không. Khi một vật cháy, phlogiston bốc ra từ nơi “có “ sang nơi “không có “ và vật nào có nhiều phlogiston sẽ cháy bừng bừng trong không khí, trong khi không khí là nơi không có chút phlogiston nào.

            Khi phlogiston thoát ra từ một vật chất, nó để lại “tro” mà theo như Aristotle thời trước, đó là thành phần “đất”. Để giải đáp tại sao một thứ kim khí khi mất phlogiston, tức là rỉ sét, lại nặng hơn, các người ủng hộ lý thuyết phlogiston đã trả lời rằng “vì phlogiston có trọng lượng âm và làm vật nhẹ hơn khi có nó “.

            Lý thuyết về phlogiston của Stahl đã là giải pháp cuối cùng để cứu vãn tư tưởng chìm dần dần của Aristotle. Nều trước kia giáo điều Aristotle đã làm lý thuyết nguyên tử bị bỏ quên 2,000 năm thì ngày nay, phlogiston cũng làm sai lệch sự diễn tả về vật chất của nhiều nhà khoa học.

            Vào năm 1774, Joseph Priestley, nhà thần học kiêm khoa học người Anh, đã dùng một thấu kính 30 cm để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một thứ đất đỏ (oxít thủy ngân) và đã thấy rằng nhiệt lượng đã làm bay ra một thứ khí và để lại một kim loại lỏng: thủy ngân. Priestley đã hứng lấy thứ khí này để nghiên cứu đặc tính và thấy rằng bên trong khí này, một cây nến cháy sáng hơn và mạnh hơn là trong không khí. Thực ra, thứ khí này là “Oxygen” nhưng Priestley đã bỏ lỡ một cơ hội khám phá vô cùng quan trọng cũng vì ông tin tưởng vào lý thuyết phlogiston.

            Priestley cho rằng chất khí bay ra đó (Oxygen) vì thiếu hụt phlogiston, nên nó đã chiếm lấy một cách mạnh mẽ phlogiston của cây nến, vì vậy ông gọi thứ khí bay ra đó là “không khí thiếu phlogiston”(dephlogisticated air). Priestley quan niệm rằng trong không khí còn một chút phlogiston và chỉ có thứ khí kể trên là hoàn toàn không còn chút phlogiston nào.

            Lý thuyết phlogiston còn làm sai nhầm một nhà bác học lừng danh khác, là Henry Cavendish. Vào năm 1766, Cavendish đã khám phá ra khí “Hydrogen” và khi pha trộn khí này với “không khí thiếu phlogiston” của Priestley rồi bật một tia lửa điện, Cavendish đã lấy được nước. Nhưng Cavendish đã cắt nghĩa hiện tượng đó sai nhầm hẳn, bằng cách cho rằng Hydrogen là “nước dư phlogiston”(overphlogisticated water) trong khi Oxygen là “nước thiếu phlogiston”.

            Như vậy lý thuyết về nguyên tử lại phải chờ một người nhìn xa biết rộng khác và người này chính là  Antoine  Laurent Lavoisier. Lavoisier hơn hẳn các nhà khoa học đồng thời với ông ở chỗ ông quan tâm về một dụng cụ: cái cân rất nhậy.

            Lavoisier đã thực hiện lại thí nghiệm của Priestley bằng cách đun thủy ngân trong một bình kín và đã thấy rằng trọng lượng tăng thêm của thủy ngân bằng trọng lượng mất đi của không khí và khi đun thêm oxít thủy ngân, ông lại được thứ khí có trọng lượng bằng với trọng lượng không khí đã mất ban đầu. Tin tưởng vào sự cân đúng, Lavoisier thấy rằng vật chất không được tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp với nhau để tạo nên các chất mới. Điều này đã đưa Lavoisier đến sự phân biệt giữa hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giản hơn.

            Lý thuyết của Lavoisier vào thời đó cũng chưa được chấp nhận ngay. Có nhà khoa học nói rằng nếu có các đơn chất chưa được phối hợp để tạo ra hợp chất thì lại không có gì chứng tỏ tỉ lệ các đơn chất phối hợp đó luôn luôn không thay đổi mà trái lại, tỉ lệ đó còn thay đổi với thời gian và không gian. Hầu Tước Berthelot cũng có ý tưởng này.

           Pierre  Marcellin Berthelot  đã nghiên cứu cùng Lavoisier và đã được Napoléon chọn làm cố vấn về Khoa Học trong chuyến viễn chinh Ai Cập vào năm 1789. Theo Berthelot, các đơn chất phối hợp với nhau theo các tỉ lệ không hạn định và vì tỉ lệ của Hydrogen và Oxygen để tạo thành nước khác nhau nên nước của dòng sông Nile khác hẳn với nước của dòng sông Seine. Ý tưởng này của Berthelot bị Joseph Louis Proust cho là vô nghĩa. Proust cho rằng nước có cùng cách cấu tạo mặc dù căn nguyên của nó và cuộc tranh luận giữa hai nhà khoa học Pháp đã kéo dài trong 6 năm trường, và chỉ chấm dứt khi xuất hiện tác phẩm của một nhà khoa học người Anh: John Dalton. 

3/ Lý thuyết nguyên tử vào thế kỷ 19

            Vào năm 1808, John Dalton cho xuất bản cuốn sách “Lý Thuyết Nguyên Tử “ (The Atomic Theory). Dalton đã xác định rằng tất cả vật chất đều do nguyên tử tạo thành và không thể phân chia nguyên tử ra thứ nhỏ hơn được. Ngoài ra Dalton còn đọc Định Luật Tỉ Lệ Không Đổi (Law of Constant Proportions) và Định Luật Bội Số Tỉ Lệ (Law of Multiple Proportions).

            Lý thuyết Nguyên Tử của Dalton được thế giới khoa học chấp nhận ngay. Nhưng Dalton đã nhầm lẫn khi nói về “các nguyên tử của hợp chất”(the atoms of compounds) mà không đề cập đến phân tử, nên đã tìm ra trọng lượng nguyên tử của Oxygen là 8 và công thức của nước là H₂O cũng như công thức của Ammoniac là NH₃ khiến cho trọng lượng nguyên tử của Nitrogen chỉ bằng 1/3 trọng lượng chính thức.

            Một năm sau ngày Dalton phổ biến lý thuyết Nguyên Tử, Gay-Lussac đề cập đến lý thuyết về thể tích của các khí tác dụng (Theory of the Volumes of Reacting Gases). Cả hai lý thuyết của Dalton và Gay-Lussac đã được Amedeo Avogadro sử dụng cùng với lý thuyết nguyên tử của chính ông để tính ra số phân tử và thể tích của các chất khí. Vào năm 1814, André Marie Ampère đã làm nhiều thí nghiệm và xác nhận kết quả của Avogadro nhưng thế giới khoa học thời bấy giờ đã làm ngơ trước lời loan báo của nhà khoa học người Pháp này.

            Năm 1818 khi chưa đến 40 tuổi, Joans Jakob Berzelius đã phổ biến một bảng gồm hơn 2,000 đơn chất và hợp chất, và đã kiểm soát lại một cách thực nghiệm các định luật của Dalton. Do thấy rằng nhiều chất kết hợp với Oxygen hơn, Berzelius đề nghị dùng Oxygen làm chất căn bản trong việc so sánh trọng lượng nguyên tử. Đây là một tiến triển đáng kể và thế giới khoa học chấp nhận liền ý tưởng này. Vì Oxygen nặng hơn Hydrogen chừng 16 lần nên Oxygen được coi có trọng lượng nguyên tử là 16. Ngoài ra Berzelius còn dùng chữ đầu của tên La Tinh hay Hy Lạp của các đơn chất vào việc viết các công thức và phương trình hóa học.

            Tới năm 1860, khi các nhà hóa học họp hội nghị tại Karlsruhe để tìm cách giải quyết các ngõ bí về phân tích hóa học thì Julius Lothar Meyer (1830 - 1895) , một trong các nhà hóa học hữu hạng, nhận được một bản thảo do Cannizzaro gửi đến. Stanislao Cannizzaro, giáo sư hóa học tại Đại Học Đường Gênes, đã viết ra tập “Phác họa về một Đường Lối Triết Lý Hóa Học” (Sketch of a Course of Chemical Philosophy). Đây là các bài ghi lại những gì ông đã dạy cho các sinh viên hóa học tại Gênes từ năm 1854. Cannizzaro đã xác nhận lại lý thuyết của Avogadro hơn 40 năm về trước theo đó, ở cùng một nhiệt độ và dưới cùng một áp suất, các thể tích bằng nhau của nhiều chất khí có cùng một số phân tử.

            Trước kia thế giới khoa học không quan tâm tới nhận thức của Avogadro nhưng đến nay, lời xác nhận lại của Cannizzaro lại được mọi người tán thành vì giới khoa học đang đi vào ngõ bí trong việc khảo sát nguyên tử và các phản ứng hóa học, vì sự ủng hộ của nhà hóa học nhiều uy tín Lothar Meyer và nhất là vì Cannizzaro đã đề cập tới một phương pháp cải biến từ tiêu chuẩn của Avogadro trong việc đo tỉ trọng của các chất khí.

            Avogadro trước kia đã dùng phân tử của Hydrogen làm đơn vị trong khi Cannizzaro lại đề nghị dùng phân nửa của phân tử tức là nguyên tử. Ý tưởng này đã khiến cho các nhà hóa học nhận thức được sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử, và lại biết rằng dù cho phần lớn các phân tử của nhiều đơn chất ở thể khí do hai nguyên tử tạo thành, nhưng chỉ có một nửa phân tử, tức là nguyên tử, tác dụng trong các phản ứng hóa học.

            Nhờ các định luật của Avogadro-Cannizzaro về chất khí, trọng lượng nguyên tử của nhiều đơn chất được tìm thấy và điều này khiến cho các nhà khoa học nghĩ đến việc xếp hạng các đơn chất theo trọng lượng nguyên tử. Dimitri Ivanovitch Mendeleev(1834-1907):  là người đầu tiên thành công trong việc xếp các chất vào một bảng khiến cho các đơn chất thuộc cùng một họ có cùng một số các tính chât hóa học. Bảng Tuần Hoàn của Mendeleieff thời đó còn để nhiều khoảng trống và trong các năm 1875, 1879 và 1886, 3 đơn chất mới được tìm thấy và các chất này được điền đúng vào 3 chỗ trống trong bảng, đó là các chất Gallium, Scandium và Germanium. Như vậy vào năm 1895 tức là sau 2,500 năm, nguyên tử mới chính thức trở thành sự thật và các nhà khoa học đều công nhận lý thuyết của Democritus là đúng.

            Vào khoảng đầu năm 1896, các báo chí tại châu Âu đều đăng tải một tin phát xuất từ Vienne. Theo tin tức này, một giáo sư người Đức tên là Wilhelm Roentgen thuộc trường Đại Học Wurzburg, vừa mới khám phá ra một phương pháp chụp các vật đã được cất dấu, ngay cả xương chân tay của con người. Tin khoa học này đã khiến cho mọi phòng thí nghiệm đều thực hiện lại việc chụp hình các xương tay, xương chân, xương đùi... Các nhà y học đã nhận biết ngay giá trị của phát minh kể trên áp dụng vào việc tìm hiểu các bộ phận ẩn khuất trong cơ thể và tia sáng đã được dùng vào việc chụp ảnh đó được Roentgen gọi tên là tia X.

            Người ta không được nghe nói do trường hợp nào Roentgen đã khám phá thấy tia X nhưng có lẽ do một sự tình cờ. Trong phòng thí nghiệm của trường Đại Học, Roentgen đã dùng ống tia âm cực và một cuộn dây Ruhmkorff, với hai thứ dụng cụ đơn giản này, Roentgen đã khảo cứu thứ tia mới lạ đó và thấy rằng khi đưa ra các bản thu ảnh, các bản nhậy cảm này đã bị tia X tác dụng như thể ánh sáng mặt trời hay ánh sáng đèn.

            Trong nhiều tháng vào năm 1895, Roentgen đã khảo sát nhiều lần tia X rồi công bố kết quả vào dịp lễ Giáng Sinh năm đó. Tại Wurzburg thời đó có một hội khoa học thường nhận các bài khảo cứu để đăng tải dưới hình thức tờ phúc trình. Ngày thứ Bẩy sau lễ Giáng Sinh, Roentgen đưa bản thảo cho viên thư ký của hội để rồi 10 ngày sau, ông ta nhận được các tập bài viết 10 trang. Roentgen đã gửi các tập bài này tới các nhà khoa học danh tiếng của châu Âu, kèm theo là các tấm ảnh do ông chụp được bằng tia X.

            Tại nước Pháp, các nhà khoa học thuộc Viện Hàn Lâm được thông báo về phát minh của Roentgen nhờ tập bài gửi tới tay Henri Poincaré, nhà toán học kiêm vật lý học. Vào buổi chiều ngày 20/1/1896, Henri Poincaré đã trình bày trước Hàn Lâm Viện Khoa Học các bức ảnh chụp xương tay do Oudin và Barthélémy thực hiện theo tờ phúc trình của Roentgen. Trong dịp này Henri Poincaré cũng giải đáp các câu hỏi cho các nhà khoa học Pháp có mặt trong buổi họp. 

4/ Henry Becquerel và ông bà Curie

            Trong số các thính giả của buổi trình bày này có Henri Becquerel, giáo sư vật lý tại Viện Bảo Tàng Lịch Sử Thiên Nhiên (Musée d’Histoire Naturelle). Henri Becquerel cũng là một nhà vật lý thuộc Hàn Lâm Viện Khoa Học giống như cha và ông nội của ông. Becquerel nhận thấy tia X đã làm sáng màn huỳnh quang trong khi đó, trạng thái huỳnh quang đã được cha của ông khảo cứu kỹ càng. Becquerel liền chú ý tới khám phá của Roentgen.

            Trong nhiều tháng trường, Becquerel đã làm thí nghiệm với chất huỳnh quang sulfat uranium và potassium. Đó là một hợp chất gồm hai chất kể trên với lưu huỳnh và Oxygen. Tinh thể của hợp chất này thường sáng lên khi được chiếu bằng tia tử ngoại (UV). Chủ đích của Becquerel là muốn khám phá các tia còn bí ẩn vì thế ông đã dùng một bản thu ảnh gói trong giấy đen. Muốn kích thích tính huỳnh quang của các tinh thể sulfat uranium và potassium, Becquerel dùng tới tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời. Ông đặt lên cửa sổ các tinh thể trên giấy đen có gói bản thu ảnh bên trong. Sau vài giờ phơi nắng, Becquerel làm hiện hình tờ giấy ảnh: ông đã thấy các vết sám lớn dần tại chỗ có các tinh thể của hợp chất.

            Becquerel liền đặt các tinh thể trên một đồng tiền thì thấy hiện hình trên giấy ảnh một vòng tròn trắng trên một nền đen. Trong thí nghiệm thứ ba, Becquerel đặt giấy ảnh và tinh thể cách nhau bằng một miếng kính vì ông e ngại ánh sáng mặt trời sẽ làm cho các tinh thể sinh ra các hơi và những làn hơi này tác dụng trên mặt nhậy cảm của giấy ảnh. Trong lần này, Becquerel đã tìm thấy kết quả như thể không có miếng kính.

            Ngày 24 tháng 2 năm 1896, Becquerel tuyên bố với Hàn Lâm Viện ông đã tìm ra một thứ tia sáng đâm thấu. Ông đặt giả thuyết rằng tia X là một phần của bức xạ huỳnh quang. Becquerel đã nhầm lẫn, nhưng rất may ông vẫn còn tiếp tục khảo cứu. Ba ngày sau đó, mọi vật dụng thí nghiệm đều sẵn sàng nhưng thời tiết thay đổi, trời không có nắng nữa. Becquerel liền xếp vào ngăn kéo nào giấy ảnh, nào các tinh thể hóa chất. Các vật dụng này cất trong tối 5 ngày và Becquerel cho rằng chất sulfat uranium và potassium chỉ chiếu sáng khi được kích thích bằng tia tử ngoại. Nếu vậy các giấy ảnh vẫn còn trinh nguyên vì để trong bóng tối. Do lòng kiên nhẫn sẵn có, Becquerel đem làm hiện hình giấy ảnh thì thấy giấy ảnh lần này lại đen sẫm hơn những lần trước kia, điều này làm ông sửng sốt. Nếu vậy các tinh thể kia đã có thể tự phát ra các tia bức xạ. Becquerel liền thí nghiệm lại trong phòng thật tối và thấy rằng điều nhận xét đó đúng. Lúc này, Becquerel đã gặp khó khăn trong việc cắt nghĩa lý do vì thế ông tiếp tục tìm kiếm câu giải đáp.

            Becquerel thấy rằng những chất chứa Uranium và ngay cả các hợp chất có Uranium mà không có tính chất huỳnh quang, đều có thể phát ra các tia bức xạ trong khi các hợp chất khác chứa Calcium hay Kẽm chẳng hạn lại không có tính chất trên. Sau nhiều thí nghiệm, Becquerel đi tới kết luận chất Uranium là nguyên nhân khiến các bản thu ảnh bị tác dụng và ông đã nghĩ tới việc thí nghiệm bằng Uranium nguyên chất nhưng cho tới thời bấy giờ, chưa có thứ kim loại này. Ông đành chờ đợi.

            Thời bấy giờ, Henri Moissan thuộc trường Cao Đẳng Dược Khoa Paris, đang tìm kiếm phương pháp điều chế Uranium nguyên chất. Tới tháng 5, Moissan thành công và Becquerel đã làm thí nghiệm với một miếng của thứ kim loại mới này. Ông ta đã thấy các tia bức xạ mạnh gấp bội, hơn hẳn tại các lần thí nghiệm trước. Như vậy Becquerel đã khám phá ra tính chất của một thứ kim loại mới có khả năng phát ra các tia bức xạ. Nhưng các điều khám phá của Roentgen và Becquerel chưa khiến cho các nhà bác học đương thời lưu ý. Những điều tìm thấy đó bị bỏ quên trong một năm rưỡi, cho tới cuối năm 1897, mới được Marie Curie để tâm đến.

            Sau khi sinh hạ cô gái đầu lòng, Marie Curie muốn tiếp tục việc học. Bà muốn theo đuổi chương trình Tiến Sĩ Vật Lý và như vậy phải nộp luận án về một đề tài khoa học. Nếu thế, cách hay nhất là khảo cứu ngành nào chưa được ai quan tâm tới. Vì vậy Marie Curie bắt đầu bằng chất Uranium, thứ kim loại của Moissan, rồi bà Curie suy ra rằng còn có các kim loại khác phát ra các tia bức xạ. Marie Curie bắt đầu cuộc tìm kiếm và sau rất nhiều lần thử với vô số vật chất, bà đã để tâm tới chất pechblende.

            Pechblende là một khoáng chất chứa Uranium kết tinh. Marie Curie đã ngạc nhiên thấy pechblende cho các tia bức xạ mạnh hơn các tia của kim loại Uranium nguyên chất. Nếu vậy trong pechblende phải có một nguyên tố nào chưa biết, có đặc tính phát ra các tia đâm thâu, vì vậy phải tìm ra chất đó. Việc lấy một chất mới ra khỏi các chất khác đòi hỏi nhà bác học phải là một nhà hóa học thành thạo, thấu hiểu tất cả tính chất của những nguyên tố đã biết, trong khi đó cả ông Pierre lẫn bà Marie đều chưa phải là các nhà hóa học. Vì thế hai ông bà Curie đành phải đến hỏi Gustave Bémont trong khi ông này chỉ là trưởng phòng thí nghiệm của trường Lý Hóa.

            Sau nhiều tháng khổ công tìm kiếm bằng mọi cách, hai ông bà Curie đã thành công trong việc phân tách và tìm thấy một nguyên chất mới mà hai ông bà gọi là Polonium. Ngoài chất Polonium, ông bà Curie còn nhận thấy rằng trong pechblende còn có một chất phóng xạ khác. Với sự trợ giúp của Eugène Demarcay, hai ông bà tiếp tục tiến hành việc nghiên cứu.

            Vào cuối năm 1898, ông bà Curie công bố việc khám phá ra một chất mới thứ hai: chất Radium. Ngày 26/12/1898, Becquerel trình bày sự khám phá ra chất Radium của ông bà Curie trước Hàn Lâm Viện Khoa Học Pháp. Như vậy giới khoa học đã biết tới 3 chất phóng xạ. Chất thứ tư là Thorium được khảo sát do R. B. Owens, Giáo Sư thuộc Đại Học McGill tại Montreal, Canada.

            Lúc bấy giờ Owens mới 28 tuổi và là bạn của Ernest Rutherford, 27 tuổi, Giáo Sư Vật Lý tại trường Đại Học Montreal. Rutherford đã khuyến khích Owens nghiên cứu về chất Thorium và ông này đã dùng các phương pháp của Rutherford.

            Rutherford sinh trưởng tại Tân Tây Lan. Ngay từ nhỏ, ông đã nổi danh là một thần đồng. Khi còn theo học tại trường trung học Nelson, Rutherford rất giỏi về Toán, Lý, Hóa, Sử, La Tinh, Pháp Văn và Văn Chương Anh. Ông đã đỗ đạt rất sớm với hạng rất cao. Cuối năm 1825, Rutherford được gửi theo học tại Đại Học Cambridge. Thời bấy giờ giám đốc phòng thí nghiệm Cavendish là nhà bác học J. J. Thomson nhận thấy Rutherford là người có tài, nên nhận Rutherford làm phụ tá. Thomson và Rutherford cùng nghiên cứu về tia X và sự I ông hóa các chất khí trong hơn một năm trường.

            Vào mùa xuân năm 1898, một tin từ Đại Học McGill cho biết trường này hiện thiếu một chân giáo sư. Với sự giới thiệu của Thomson, Rutherford đã được bổ về trường McGill. Tại nơi đây, Rutherford đã khảo sát hiện tượng phóng xạ khơi mào (radioactivité provoquée).

            Những nhà khoa học tiền phong về chất phóng xạ kể trên như Becquerel, ông bà Curie, Rutherford... đã khiến cho Sir William Crookes chú ý tới tính phóng xạ vào cuối năm 1899. Là nhà hóa học tại thành phố London, Crookes rất giàu có lại yêu thích công việc khảo cứu khoa học. Sau căn nhà, ông cho lập một phòng thí nghiệm riêng. Ngoài ra ông còn đứng ra xuất bản một tuần san về hóa học. Sir William Crookes cũng định tìm kiếm chất Radium trong pechblende nhưng sau nhiều lần gạn lọc và tìm hiểu, ông cảm thấy mình đang có trước mặt một chất mới, không phải là Polonium lẫn Radium mà ông gọi là Uranium X. Vào tháng 5 năm 1900, Crooks mang những điều tìm được của mình trình bày trước Hội Khoa Học Hoàng Gia London.

            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)./.   

Phạm Văn Tuấn