James Chadwick: Người phát hiện neutron

James Chadwick (1891 – 1974). Ảnh: Britannica.

Chadwick sinh ra trong một gia đình thuộc tầng lớp lao động tại Manchester (Anh) vào năm 1891. Khi còn nhỏ, tính cách của Chadwick khá nhút nhát nhưng tài năng vượt trội của cậu bé trong lớp học luôn khiến các thầy cô chú ý. Tại trường Đại học Manchester, Chadwick theo học ngành vật lý và trở thành cộng sự của Ernest Rutherford trong các nghiên cứu phóng xạ khác nhau.

Năm 1914, Chadwick quyết định tới Đức để làm việc cùng nhà vật lý Hans Geiger. Đáng tiếc là khi ông vừa tới Đức, Chiến tranh Thế giới lần thứ nhất bùng nổ. Cùng cảnh ngộ với nhiều công dân Anh khác đang sống ở nước Đức thời bấy giờ, ông bị đưa vào trại giam Ruhleben ở ngoại ô Berlin và trải qua 4 năm tiếp theo tại đây. Tuy nhiên, điều này không hoàn toàn dừng các nghiên cứu khoa học của ông. Để không cảm thấy nhàm chán, ông và một số bạn tù thành lập một câu lạc bộ khoa học. Họ diễn thuyết cho nhau nghe, cũng như thuyết phục các lính canh cho phép họ tạo ra một phòng thí nghiệm nhỏ.

Mặc dù nhiều loại hóa chất để làm thí nghiệm rất khan hiếm, nhưng nhờ sự trợ giúp của lính canh, Chadwick thậm chí đã mua được cả một loại kem đánh răng phóng xạ có mặt trên thị trường Đức vào thời điểm đó. Bằng cách sử dụng một số lá thiếc và gỗ, ông chế tạo thành công máy quang điện và thực hiện một số thí nghiệm đơn giản.

Sau chiến tranh, Chadwick trở về Anh và hoàn thành luận án tiến sĩ tại Đại học Cambridge vào năm 1921 nhờ sự hướng dẫn của Rutherfor – nhà khoa học lúc đó là Giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge. Giờ đây, Chadwick có thể tiếp tục nghiên cứu về hiện tượng phóng xạ bằng những máy móc và dụng cụ khoa học hiện đại, thay vì sử dụng lá thiếc và kem đánh răng như thời kỳ còn ở Đức. Năm 1923, ông được bổ nhiệm làm trợ lý Giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish.

Rutherford phát hiện hạt nhân nguyên tử vào năm 1911 và chứng minh sự tồn tại của proton vào năm 1919. Tuy nhiên, dường như phải có một thứ gì đó trong hạt nhân ngoài proton. Ví dụ, nguyên tố Heli (He) có số hiệu nguyên tử [số proton được tìm thấy trong hạt nhân của một nguyên tử] là 2 nhưng nguyên tử khối bằng 4. Một số nhà khoa học cho rằng, nguyên tố Heli phải có thêm các proton trong hạt nhân cùng với một số lượng tương đương electron để triệt tiêu điện tích tăng lên. Năm 1920, Rutherford đề xuất giả thuyết một electron và một proton có thể kết hợp với nhau để tạo thành một hạt trung tính mới trung hòa về điện, và loại hạt này rất khó phát hiện. Tuy nhiên, ông không đưa ra được bằng chứng nào để xác thực giả thuyết của mình.

Trong lúc Chadwick thực hiện nhiều dự án nghiên cứu khác, ông vẫn suy nghĩ về vấn đề nói trên. Vào khoảng năm 1930, một số nhà nghiên cứu – bao gồm nhà vật lý người Đức Walter Bothe và sinh viên của ông tên là Becker – bắt đầu bắn phá nguyên tố Beri (Be) bằng hạt alpha có nguồn gốc từ Poloni (Po) để nghiên cứu các bức xạ phát ra. Họ cho rằng bức xạ có khả năng xuyên thấu ở mức độ cao phát ra từ Beri trong thí nghiệm là các photon năng lượng cao. Chadwick nhận thấy một số đặc điểm kỳ lạ của loại bức xạ này. Ông nhận định, nó có thể bao gồm các hạt trung tính, giống những hạt mà Ruthherford đề xuất trước đó.

Chadwick đặc biệt bị thu hút bởi thí nghiệm của hai nhà khoa học Frédéric và Irène Joliot-Curie. Khi họ chiếu bức xạ bí ẩn [có nguồn gốc từ việc bắn phá Beri bằng hạt alpha] vào một tấm chắn làm bằng sáp parafin, bức xạ đánh bật proton ra khỏi các nguyên tử hydro trong tấm chắn với vận tốc rất lớn. Joliot-Curie tin bức xạ này phải là các photon năng lượng cao (tia gamma), nhưng Chadwick nghĩ rằng lời giải thích đó không phù hợp. “Không có khối lượng, photon sẽ không thể đánh bật các hạt nặng như proton ra khỏi tấm chắn”, Chadwick lập luận.

Năm 1932, Chadwick cố gắng thực hiện các thí nghiệm tương tự, và ông tin chắc rằng bức xạ phát ra từ Beri thực chất là các hạt trung hòa về điện. Bằng cách thay thế tấm chắn sáp parafin bằng nhiều chất khác như Heli, Nitơ và Liti, Chadwick tính toán khối lượng của loại hạt mới chỉ lớn hơn một chút so với khối lượng proton. Bởi vì hạt mới không mang điện nên chúng có khả năng đâm xuyên vào một tấm chắn tốt hơn so với proton.

Tháng 2/1932, sau khi Chadwick tiến hành các thí nghiệm khoảng hai tuần, ông công bố một bài báo trên tạp chí Nature với tiêu đề “The Possible Existence of a Neutron” (Có khả năng tồn tại hạt neutron), trong đó ông đưa ra bằng chứng để chứng minh bản chất của bức xạ bí ẩn là các hạt neutron thay vì hạt photon năng lượng cao. Tháng 5/1932, ông công bố bài báo thứ hai trên Kỷ yếu của Hội Hoàng gia có nội dung chi tiết hơn với tiêu đề “The Existence of a Neutron” (Sự tồn tại của hạt neutron).

Năm 1934, Chadwick hợp tác với Maurice Goldhaber để đo chính xác khối lượng của neutron. Họ khẳng định neutron là một hạt hạ nguyên tử mới. Nó không phải sự kết hợp giữa một proton và một electron như Rutherford đề xuất ban đầu.

Việc phát hiện neutron đã thay đổi quan điểm của giới khoa học về cấu tạo nguyên tử, và Chadwick được trao giải thưởng Nobel cho khám phá này vào năm 1935. Không lâu sau, các nhà nghiên cứu nhận thấy neutron – một hạt không mang điện nhưng có kích thước khá lớn – có thể dùng để thăm dò hạt nhân của nhiều nguyên tố. Họ cũng nhận ra quá trình bắn phá Urani (U) bằng neutron sẽ dẫn đến sự phân hạch của hạt nhân Urani. Phản ứng phân hạch giải phóng một mức năng lượng khổng lồ có thể dùng để tạo ra vũ khí hạt nhân.

Trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ hai, Chadwick là người đứng đầu nhóm nghiên cứu của Anh làm việc cho Dự án Manhattan của Mỹ nhằm chế tạo bom nguyên tử. Năm 1948, ông trở thành hiệu trưởng trường Đại học Gonville & Caius, Cambridge (Anh) và giữ chức vụ này cho đến khi nghỉ hưu vào năm 1958.

Chadwick qua đời tại nhà riêng năm 1974. Để tưởng nhớ đến công lao của ông trong việc phát hiện neutron, người ta dùng tên ông đặt cho một miệng hố trên Mặt trăng và Phòng thí nghiệm Chadwick tại Đại học Liverpool (Anh).