KHÁM PHÁ:NGUYÊN TỬ – PHÓNG XẠ

Nguyên tử (thế kỷ V trước CN)

Các nhà triết học Hy Lạp ở thế kỷ V trước CN là những người đầu tiên đã gợi ý rằng vật chất cấu tạo từ những hạt không nhìn thấy được: các nguyên tử.

Thuyết nguyên tử

Lý thuyết hiện đại đầu tiên về người tử là của nhà vật lý Anh J. Dalton (1766-1844); từ năm 1801, ông xuất phát từ giả thuyết về tính không thể phân chia mãi được của vật chất của người Hy Lạp, ông đã tạo cho nó một cơ sở khoa học. Tuy nhiên, từ năm 1810, L. J. Gay-Lussac (1778-1850), người Pháp, khi nghiên cứu thực nghiệm các phản ứng hóa học trong môi trường khí đã xác định được rằng, các thể tích của một thành phần hoặc nhiều thành phần và của sản phẩm tạo thành liên hệ với nhau bởi một hệ thức đơn giản, vậy nên bác lại lý thuyết của Dalton, A. Avogadro (1776-1856), người Italia, đã đưa ra cách giải thích hiện tượng đó, ông đã phân biệt rõ ràng nguyên tử và phân tử.

Năm 1897, J. Perrin (giải Nobel năm 1926), người Pháp và J. Thomson (giải Nobel năm 1906), người Anh, đã nghi ngờ tính không thể phân chia được của người tử.

Nguyên tử của Rutherford (1911)

Một nguyên tử phóng xạ bị vỡ sẽ phóng ra cùng với năng lượng khổng lồ là những hạt alpha. Khi một chùm alpha phóng qua một lá kim loại mỏng thì một số hạt alpha bị lệch đi mạnh. Để giải thích các hiện tượng thể hiện rõ trong các thí nghiệm của H. Geiger (1882-1945), người Đức, và nhóm của ông, E. Rutherford (1871-1937, giải Nobel hóa học năm 1908), vào năm 1911, đã sử dụng lại giả thuyết do Perrin đưa ra từ năm 1897 về cấu trúc hạt nhân của các nguyên tử: toàn bộ khối lượng và toàn bộ điện tích dương tập trung trong một nhân nhỏ ở giữa, nhân đó tạo ra một trường lực hút mạnh trong đó các electron quay giống như trái đất quay xung quanh mặt trời.

Rutherford đã tính toán rằng các hạt dương nặng hơn các electron tới 1937 lần, ông đã gọi những hạt dương đó là proton, nguyên tử trung hòa của heli có một hạt nhân cấu thành từ hai proton với hai electron quay xung quanh.

Nguyên tử của Bohr (1913)

Làm thế nào để giải thích sự có mặt của những vạch rất xác định trong phổ phát xạ của các nguyên tử trong quá trình phóng điện chẳng hạn? Nhà vật lý Đan Mạch N. Bohr (1885-1962, giải Nobel năm 1922), dựa theo lý thuyết lượng tử do M. Planck (1858-1947) đề ra năm 1900, vào năm 1913 đã gợi ý một lý thuyết dựa trên hai định đề: 1. Mọi nguyên tử chỉ có thể tồn tại trong những trạng thái năng lượng xác định và gián đoạn; lúc đó nguyên tử không thể bức xạ; những trạng thái đó được gọi là trạng thái dừng. 2. Các vạch phổ tương ứng với sự phát xạ hoặc sự hấp thụ các lượng tử năng lượng khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng sang một trạng thái khác. Tần số của vạch phổ do đó tỷ lệ thuận với hiệu năng lượng của trạng thái đầu và cuối. Các trạng thái dừng tương ứng với quỹ đạo tròn mà các electron vẽ quanh hạt nhân.

A.Sommerfeld (1868-1951), nhà vật lý và nhà toán học Đức, từ năm 1915 đã áp dụng cơ học tương đối tính và lý thuyết lượng tử cho nguyên tử để giải thích cấu trúc tinh tế của các vạch quang phổ của hiđro. Ông đã thay thế các quỹ đạo tròn của Bohr bằng các quỹ đạo elip.

Nguyên tử trong cơ học sóng (1925-1926)

Mẫu nguyên tử Bohr-Sommerfeld, trong đó các electron định vị chính xác trên một quỹ đạo, không cho phép phát triển một cơ học nguyên tử có thể tính tới tất cả các hiện tượng mà nguyên tử tham dự.

Chính trong những năm 1925-1926, có hai nhà vật lý đồng thời xây dựng được một lý thuyết thỏa đáng.

E. Schrodinger (giải Nobel năm 1933), người Áo, đã áp dụng cho nguyên tử ý tưởng của L. de Broglie, người Pháp: một sóng liên kết với toàn bộ một hạt.

Do W. Heisenberg (giải Nobel năm 1932), người Đức, trình bày, nguyên lý bất định cho phép gán một cách giải thích vật lý thỏa đáng về tính chất nhị nguyên sóng-hạt với hình thức toán học của Schrodinger.

Bảng tuần hoàn các nguyên tố (1869)

Đó là một chặng cơ bản trong sự phát triển của hóa học với tư cách là một khoa học hiện đại, bảng tuần hoàn các nguyên tố là công trình của D. Mendeleev (1834-1907), người Nga. Nó cho phép thiết lập được mối liên hệ sâu sắc giữa các nguyên tố hóa học khác nhau, cho tới lúc đó được xem như những thực thể độc lập và hiểu được tại sao một số nguyên tố lại thể hiện những tính chất tương tự.

Ưu điểm lớn của bảng nguyên tố là nó chỉ ra sự thay đổi theo chu kỳ của các tính chất hóa học và vật lý của các nguyên tố hóa học khi chúng được sắp xếp theo trình tự khối lượng nguyên tử tăng dần.

Nguyên tố 110 (1987)

Theo bảng tuần hoàn của Mendeleev thì nguyên tố 110 đã được các nhà nghiên cứu của Viện nghiên cứu hạt nhân Dubna, gần Maxcơva, tổng hợp lần đầu tiên vào tháng 8-1987. Nguyên tố mới đó đã thu được trong máy xiclotron U-400, sau hai năm nghiên cứu của một nhóm do Y. Aganessian lãnh đạo. Người ta đang tiến hành các thí nghiệm để thu được nguyên tố 111.

Số Avogadro (1811)

Năm 1811, A. Avogadro (1776-1856), người Italia, giáo sư vật lý ở Đại học Turin, đã thiết lập được một định luật mang tên ông. Ông đã giả thiết rằng trong những điều kiện tương tự của nhiệt độ và áp suất, các thể tích bằng nhau của chất khí chứa đúng cùng cùng một số phân tử. Giả thuyết của Avogadro thành công hơi muộn: mãi năm mươi năm sau sau một nhà hóa học Italia là S. Cannizzaro (1826-1910) mới chứng minh sự cần thiết phải áp dụng giả thuyết của Avogadro để làm cơ sở của một lý thuyết nguyên tử phù hợp. Để tỏ lòng kính trọng Avogadro, Cannizzaro đã lấy tên ông đặt cho một hằng số nguyên tử: ông đã định nghĩa số Avogadro như số phân tử khí chứa trong trong một phân tử gam của một chất bất kỳ, nghĩa là lượng chất đó chiếm một thể tích 22,4 lít trong điều kiện tiêu chuẩn của nhiệt độ và áp suất.

Tính phóng xạ tự nhiên (1896)

Trong thiên nhiên, một số hạt nhân nặng thể hiện tính phóng xạ tự nhiên. H. Becquerel (1852-1908), người Pháp, đã khám phá ra tính phóng xạ đó ở Paris vào năm 1896 trong khi ông tiến hành các thí nghiệm với urani. Thực ra chính sự khám phá ra tia X đã kéo theo sự khám phá ra tính phóng xạ.

Vào một ngày bầu trời ở Paris âm u, xám xịt, Becquerel đã tiến hành một thí nghiệm nhằm xác minh xem một mẫu uraninit, một chất khoáng urani và kali, đặt dưới ánh mặt trời, có thể phát ra các tia X hay không. Do các điều kiện khí quyển u ám mà không thể hoàn thành được thí nghiệm đó, ông đã xếp dọn dụng cụ của mình, để rồi sẽ thí nghiệm lại sau này khi thời tiết thuận lợi hơn. Ông đã đặt mẫu uraninit len một tấm kính ảnh mà không bỏ vỏ bọc của nó ra. Sau đó, khi rửa tấm kính ảnh ông cực kỳ ngạc nhiên thấy xuất hiện một hình ảnh có đường bao chắc chắn là của mẫu khoáng vật. Vậy nguồn gốc của cái “năng lượng” của chất khoáng có khả năng nhạy với kính ảnh đó có thể là năng lượng gì?

Rađi và poloni (1898)

Becquerel đã trao đổi điều đó với những người bạn của ông là Pierre (1859-1906) và Marie Curie (1867-1934). Khi nghiên cứu uraninit kỹ hơn thì Pierre và Marie Curie đã khám phá ra rằng nguyên nhân của các bức xạ là do tồn tại ít nhất một chất có tính phóng xạ mạnh hơn nhiều so với tính phóng xạ của urani. Cuối cùng, sau hai năm miệt mài nghiên cứu cặn kẽ họ đã chứng minh được sự tồn tại không phải của một mà mà hai nguyên tố phát ra những tia kỳ lạ đó: rađi và poloni. Nguyên tố được gọi là poloni do Marie là người gốc Ba Lan, tên thời con gái của bà là Sklodowska. Do những khám phá đó, năm 1903 H. Becquerel, Pierre và Marie Cuire đều cùng được giải Nobel về vật lý.

Phân rã phóng xạ (1902)

F. Soddy (1877-1956), nhà hóa học và vật lý Anh (giải Nobel về hóa học năm 1921), vào khoảng năm 1902 đã giải thích được hiện tượng phân rã phóng xạ của các hạt nhân nguyên tử. Như vậy là Soddy đã mở đường cho các nghiên cứu về hạt nhân.

Ống đếm Geiger (1913)

Ống đếm Geiger đã được nhà vật lý Anh E. Rutherford và trợ lý của ông là H. Geiger, người Đức, phát minh ra năm 1913.

Dụng cụ này cho phép phát hiện và đếm các hạt alpha tạo thành một trong những bức xạ hạt do các chất phóng xạ phát ra.

Bộ dò xách tay (1986)

Hãng điện tử Thomson và Neilsen của Canada đã chế tạo ra một bộ dò nhỏ xách tay cho phép đọc hầu như ngay lập tức các độ phóng xạ. Liều lượng kế đó vốn được chế tạo với sự giúp đỡ của trung tâm công nghệ khoáng và năng lượng của Canada, sử dụng đến các chất bán dẫn. Dụng cụ đó được sử dụng chủ yếu ở các khu nhà để dò khí rađon.
Tính phóng xạ nhân tạo (1934)

Năm 1934, ở Paris, Irène (1897-1956) và Frédéric Joliot-Cuirie (1900-1958), con gái và con rể của Pierre và Marie Curie, đã điều chế được photpho phóng xạ bằng cách dùng hạt alpha (hạt nhân heli). Trong thiên nhiên, một số nguyên tố như rađi, neptuni và actini, thể hiện một tính phóng xạ tự nhiên. Mặt khác, các phản ứng hạt nhân sử dụng sự phân rã của các hạt nhân nguyên tử cho phép thu được những hạt nhân phóng xạ chưa biết trong tự nhiên; người ta nói về các nguyên tố đó rằng chúng có tính phóng xạ nhân tạo.

Với khám phá đó, năm 1935 Joliot-Curie đã được giải thưởng Nobel về hóa học. Nó đã cho phép sản xuất đồng vị phóng xạ sử dụng trong y học, sinh học, luyện kim v.v..

Nguyên tố siêu urani (1940)

Khám phá ra tính phóng xạ vào năm 1934 khiến các nhà vật lý thời đó nghĩ rằng có thể tồn tại những chất có khối lượng nguyên tử lớn hơn Z92, khối lượng nguyên tử của urani. Đó là những chất mà người ta gọi là nguyên tố siêu urani. Nguyên tố siêu urani đầu tiên đã được M. Milan và Abelson khám phá vào tháng 6-1940 ở Đại học California, Berkeley. Với khối lượng nguyên tử Z93 nó được gọi là neptuni; cuối năm 1940 cũng nhóm đó đã phát hiện ra plutoni với khối lượng nguyên tử Z94.

Nguyên tố cuối cùng được khám phá vào năm 1982 ở Darmstadt (Đức), nhờ máy gia tốc ion nặng thẳng Unilac. Khối lượng nguyên tử của nó là Z109. Người ta nghĩ rằng nó kết thúc bảng tuần hoàn các nguyên tố, mặc dù các nhà lý thuyết như S. G. Nilsson và những người thuộc trường phái Thụy Điển nghĩ rằng có thể tồn tại Z114.

Tia X (1895)

Tháng 9-1895, ở Wurzburg (Đức) nhà vật lý W. C. Rontgen (1845-1932) đã khám phá ra các tia X.

Rontgen gọi là tia X bởi vì khi đó chưa biết bản chất của chúng. Mãi tới năm 1912, một nhà vật lý người Đức khác là M. von Laue (1879-1960) mới xác định bản chất của tia đó, ông đã tạo được hình nhiễu xạ của chúng nhờ một bản tinh thể.

Tia X là sóng điện từ xuyên qua được vật chất mà bình thường thì chắn sáng. Các tia X có bước sóng rất ngắn.

Việc khám phá ra tia X có ngay một tiếng vang rất lớn. Rontgen, anh hùng dân tộc trước cuối thế kỷ trước đã được tặng giải Nobel về vật lý năm 1901.

Cộng hưởng từ hạt nhân (1948)

Cộng hưởng từ hạt nhân (CHTHN) là một hiện tượng vật lý được các nhà vật lý Mỹ F. Bloch (gốc Thụy Sĩ) và E. M. Purcell khám phá ra năm 1952. CHTHN đã trở thành một phương pháp nghiên cứu trong y học.

CHTHN thể hiện đặc điểm của proton vốn có sự diễn biến liên quan chặt chẽ với môi trường xung quanh.

Hiện tượng này rất hay được sử dụng để thực hiện các phép phân tích, bởi vì nó cho phép nghiên cứu chính xác các nguyên tử rất đặc biệt trong nhiều lĩnh vực: thực vật học, địa chất học, nông nghiệp- thực phẩm v.v..

Cacbon 14 (1947)

Năm 1947, nhà hóa học Mỹ, chuyên gia về tính phóng xạ của cơ thể sống, W. F. Libby (1908-1980, giải Nobel hóa học năm 1960) đã giải thích được sự hình thành cacbon 14 trong khí quyển. Cacbon 14 là một đồng vị của cacbon thông thường, cacbon 12. Nó có rất nhiều hơn cacbon 12 hai nơtron.

Xác định tuổi

Phương pháp xác định tuổi của những vật cổ xưa bằng cacbon 14 dựa trên việc đo độ phóng xạ dư của đồng vị 14 của cacbon.

Một số đồng vị phóng xạ khác chứa trong các mẫu từ lúc xảy ra biến cố nào đó cũng cho phép, theo cùng nguyên lý đó (đo độ phóng xạ dư của một đồng vị phóng xạ đã biết chu kỳ phóng xạ), xác định ngày tháng của biến cố đó.

Việc xác định tuổi nhờ agonkali rất hay được sử dụng. Và chính nhờ một phép đo như vậy trên than ở động Lascaux mà người ta xác định được thời điểm có người cư trú ở cái hang đó là 13.000 năm trước CN.

Một trong những áp dụng cuối cùng của việc xác định tuổi nhờ cacbon 14: xác định tuổi của vải liệm thánh ở Turin, mà nhiều người theo đạo Cơ đốc coi như vải niệm của chúa Giê-su. Ba cơ quan đã tham gia công việc đó mà kết quả đã được biết vào cuối năm 1988: Viện bảo tàng Anh, Đại học Arizona và Viện công nghệ liên bang ở Zurich.

Hạt vật chất

Theo các lý thuyết hiện đại nhất thì vũ trụ sinh ra trong một vụ nổ lớn vốn giải phóng dưới dạng ánh sáng một năng lượng khổng lồ: “Vụ nổ lớn” (Big Bang). Trong một phần trăm giây đầu tiên sau vụ nổ đó, đã hình thành các hạt cơ bản (hiện thời không thể phân chia được) mà sau đó kết hợp lại để tạo ra vật chất như chúng ta biết ngày nay.

Những máy gia tốc hạt lớn đã cho phép phân chia các hạt đó thành hai nhóm: nhóm lepton và nhóm hađron.
Lepton

Electron (1891)

Hạt cơ bản đầu tiên được khám phá ra là electron, nó có điện tích nhỏ nhất mà người ta có thể tác ra được. Sự tồn tại của nó đã được suy ra từ thí nghiệm điện từ học tiến hành sau năm 1875. Vào năm 1891, G. J. Stoney, người Anh, đã gọi hạt cơ bản đó là “electron”. Năm 1916, R. A. Mullikan, người Mỹ, đã xác định chính xác điện tích âm của nó. Tuy nhiên, năm 1932, nhà vật lý Mỹ C. D. Anderson đã khám phá trong các tia vũ trụ những electron dương mà người ta gọi là poziton, hoặc pozitron. Khám phá đó khiến ông được giải thưởng Nobel năm 1936.

Muyon (1937)

Hạt cơ bản này được C. D.Anderson cùng cộng tác với Neddemeyer khám phá ra vào năm 1937, nó nặng hơn electron 200 lần. Nó đã được quan sát trong một máy gia tốc vào năm 1939.

Nơtrino (1933)

Hạt cơ bản này được nhà vật lý Thụy Sĩ, gốc Áo, W. Pauli “phát minh” ra để giả thích hiện tượng phóng xạ beta mà không phải từ bỏ nguyên lý bảo toàn năng lượng (bức thư ngỏ ngày 4-12-1933, gửi các cộng sự nghiên cứu mà ông gọi là “các ông và các bà phóng xạ”, trình bày lý thuyết của ông). Ông đã giả định sự tồn tại một hạt trung hòa, khối lượng rất nhỏ mà ông gọi là “nơtron”. Khi nơtron thực sự được khám phá ra thì nhà vật lý Italia E. Fermi với sự đồng ý của Pauli đã đặt tên cho nó là nơtrino. Hạt này được các nhà vật lý Mỹ Reines và Cowan chứng minh trực tiếp vào cuối những năm 50.

Hạt tô (1976)

Trong khi tiến hành các thí nghiệm va chạm electron-pozitron thì nhóm của giáo sư M. L. Perl ở Stanford (Mỹ) vào năm 1976 đã tìm ra hạt tô. Nó có khối lượng lớn gấp 3600 lần khối lượng của electron.

Hađron
Những hađron quen thuộc nhất là proton và nơtron, cũng còn được gọi chung là nuclon.

Proton (1886)

Khám phá ra proton bắt nguồn từ một thí nghiệm do nhà vật lý Đức E. Goldstein thực hiện vào năm 1886.

Nơtron (1932)

Khám phá ra nơtron là xuất phát từ các công trình thực hiện ở Đức nhờ W. W. Bothe, năm 1930 và ở Pháp nhờ Irène và Frédéric Joliot Curie vào các năm 1931 và 1932. Tuy nhiên, chính nhờ có nhà nghiên cứu người Anh J. Chadwich mà năm 1932 mới chứng minh được hạt cơ bản này.

Quac (1964)

Trong những năm 60, số hađron đã khám phá trở nên ngày càng lớn, các nhà nghiên cứu bắt đầu nghi ngờ về “tính cơ bản” của chúng.

Năm 1964, các nhà vật lý Gell-Mann và Zweig giả định tồn tại các hạt cơ bản mà họ gọi là quac. Năm quac đã được sáng tạo ra. Từ năm 1977, người ta nghĩ rằng còn tồn tại quac thứ sáu đảm bảo sự đối xứng với các lepton. Các quac không thể quan sát được một cách tách riêng.

Hạt trung gian

Cái tên đó tập hợp tất cả những hạt làm nhiệm vụ truyền các lực cố kết vật chất.

Photon (1923)

Sau nhiều thế kỷ nghiên cứu, người ta đã chấp nhận bản chất vừa là hạt vừa là sóng của ánh sáng. Người ta gọi hạt ánh sáng truyền các lực điện từ là photon. Nhà vật lý Mỹ A. H. Compton đã chứng minh sự tồn tại của photon vào năm 1923.

Theo hoahocvietnam.org

Posted on April 22, 2010, in Các nhà khoa học-Phát minh, Phóng xạ-Hạt nhân and tagged , , , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink. Leave a comment.

Leave a Reply

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: