Bài giảng Điệnhọc
(Phần 7)
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 bônglan rắc nho là
khôngchínhxác, vàđiện tíchdươngcủa nguyên tử tập trung trongmột hạt nhân
nhỏ xíu, ở chính giữa ?Câu chuyện bắt đầu với việc nhà hóa họcngười Pháp
Becquerelphát hiện ra hiện tượng phóng xạ. Mãi cho đến khikhám phá ra sự
phóngxạ, tất cả mọi quá trìnhcủa tự nhiên đều được cho là có nguyên nhân từ các
phản ứng hóahọc, chúnglà sự sắp xếplại nhữngkết hợp khác nhau của các
nguyêntử. Nguyên tử tác dụng lực lênnhau khichúng ở gầnnhau, nên việc gắn kết
hoặc không gắn kết chúng sẽ giải phónghoặc dự trữ năng lượngđiện. Năng lượng
đó có thể chuyển hóathành dạng kháchoặc chuyển hóatừ dạngkhácthành,lúc
cây xanhsử dụng nó trong ánh sáng Mặt Trời tạo ra đườngvà carbohydrate,hay
khi mộtđứa trẻ nhỏ ăn đường, giải phóngnăng lượng dưới dạngđộng năng.
Becquerelđã phát hiện ra mộtquá trìnhcóvẻ giảiphóngnăng lượngtừ một
nguồnmới khôngbiết khôngcó bản chất hóa học. Becquerel,ngườicó cha và ông
nội lànhững nhà vậtlí, đã trải qua haichục nămđầu 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 traoghế chủ nhiệm bộ môn vật lí ở trường Musée d’Histoire
Naturelletại Paris sau khicha ôngqua đời, trước đó ôngta giữ ghế đó. Giờ thì ông
đã có nhiều thời giandành chovật lí học, ông bắt đầu nghiên cứu tương tác của
ánh sáng và vậtchất. Ôngtrở nên hứng thú với hiện tượng lân quang, trongđó một
chất hấp thụ năng lượng từ ánh sáng, rồi giải phóng nănglượng quamộtánh sáng
rực rỡ chỉ tắt đi từ từ. Một trong nhữngchất mà ông nghiên cứu là hợpchất của
uranium,muối UKSO
5
. Một ngày vào năm 1896,bầutrời kéo đầy mây đã làm hỏng
kế hoạch của ôngphơi chất nàydưới ánh sáng Mặt Trời để quan sát sự huỳnh

quangcủa nó. Ông cho nó vàomột ngănkéo, ngẫunhiên nằm trên mộtbản phim
trắng– kiểu phimchụpcũ mặt saulà thủy tinh. Bản phimđó đượcbọc lạicẩn thận,
nhưng vài ngày saukhiBecquerelkiểm tra nótrong mộtcăn phòng tối trước khi
mang rasử dụng, ôngthấy nóđã bị hỏng, cứ như thể nó đã bị phơi ra hoàn toàn
trướcánh sáng.
Lịch sử manglại nhiều ví dụ về những khám phá khoa họcxảy ra như thế
này:một trí tuệ cảnhgiác vàtò mò quyết định nghiêncứu mộthiện tượng mà đa
số người ta khôngai nghingại việc giải thích nó.Banđầu Becquerel xácđịnhbằng
cách làm thêm thí nghiệm mà hiệu ứng đó được tạora bởi muối uranium, bấtchấp
lớp giấy dày bọc bản phim đã chặn hết mọi ánh sáng.Ôngthử với nhiềuloại hợp
chất vànhận thấy chỉ có muối uraniumlàm được như vậy: hiệu ứng xảy ravới bất
kì hợp chất uraniumnào, nhưng không xảy ra với bất kì hợp chất nào khôngchứa
các nguyên tử uranium.Hiệu ứng đó ít nhất thì cũng bị chặn lại một phầnbởimột
tấmkim loại đủ dày, và ông có thể tạo ra bóngcủa đồngtiền bằng cách đặt chúng
vào giữa uraniumvà tấmphim.Điều này cho thấy hiệu ứngđó truyền đi theo
đườngthẳng, chonênnó phải là một loại tia nàođó chứ không phải sự rò rỉ hóa
chất qua tấm giấy. Ông đã dùngtừ “phát xạ”, vì hiệu ứng đó phát ra từ muối
uranium.
Ở đây,Becquerelvẫn tin rằng các nguyên tử uranium đanghấp thụ năng
lượngtừ ánhsángvàrồigiải phóngtừ từ nănglượngđó dướidạng những tia bí ẩn,
và đây là cách thức màông đã đưa hiệntượng vào trongbài thuyết trìnhcông bố
đầu tiên của ôngmô tả nhữngthí nghiệm củaông. Thật hấp dẫn,nhưng không làm
đảo lộnmọi thứ. Nhưngsau đó, khi ôngthử xác định thời gian cần thiết cho
uraniumsử dụng hết năng lượng được cho là dự trữ trong nó bởi ánh sáng, ông
nhậnthấy nóchưa bao giờ có vẻ nào yếu đi,cho dù là ông cóđợi chotới baolâu đi
nữa. Không chỉ thế, một mẫu vật được đem ra phơi ánh sáng Mặt Trời mạnh trong
suốt cả buổi chiều cũng khôngmạnh hay kém hoạttính hơn một mẫu vật luôn luôn
giữ ở trong nhà. Đây làcó phải làmộtsự vi phạm nguyên lí bảo toàn năng lượng ?
Nếu năng lượng khôngđến từ sự phơi sáng,thìnó có nguồn gốctừ đâu?
Ba loại “phát xạ”

Không thể xác định trực tiếp nguồn gốccủa nănglượng đó, thay vì vậy, các
nhà vật lí cuối thế kỉ 19 nghiên cứu hànhvi của các “phát xạ” một khi chúngđược
phátra. Becquerelchỉ rarằng phóng xạ có thể đâm xuyên qua vải vóc và giấy, nên
việc hiểnnhiêntrước tiên phải thực hiện là nghiên cứu chi tiết hơnchiềudày của
chất mà phóngxạ có thể xuyên qua. Họ sớm nhận ra rằng một phần nhất định của
cường độ phóngxạ sẽ bị loại trừ ngay cả bởi một vài inchkhông khí,nhưng phần
còn lại không bị loại mất khi truyền đi quãngkhông khídài hơn. Như vậy, rõ ràng
phóngxạ là hỗn hợp củahơn 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 mảnhgiấy hay mộtlá kim loại rấtmỏng. Tuynhiên, cái
còn lại sauđó, là loạithứ ba, loại đâmxuyên cực mạnh, một số trongđó sẽ vẫn còn
sau khi xuyên qua mộtbức tườnggạch.Họ kết luận điều nàycho thấy có ba loại
phóngxạ, và không hề có chútý tưởng mờ nhạt nào xem thật rachúng là thứ gì, họ
đã đặt tên cho chúng.Loại đâmxuyên 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 mạnhnhất.
Radium: một nguồn phóng xạ còn mạnh hơn nữa
Những dụng cụ đo dùngđể phát hiệnphóng xạ thật thôsơ: cáctấm phim hay
thậmchí là mắt người (phóng xạ gây ralóe sáng trongthủy dịch bên trongmắt
người, nó có thể nhìn thấy nếu như ở trong phòng rất tối).Vì phương phápphát
hiện phóng xạ quá thôsơ và không nhạy, nên những tiến bộ khác bị cản trở bởi
thực tế lượng phóng xạ phát ra bởi uraniumkhông thật sự rất lớn. Đóng gópmang
tính sốngcòn của nhà vật lí/hóa học MarieCurievà chồngbà là Pierre làkhám phá
ra nguyên tố radium,và tinh chế và táchđược một lượng đáng kể chất đó. Radium
phátra nhiều phóng xạ hơn uraniumkhoảng một triệu lầntrên đơn vị khối lượng,
mang lạikhả năng thực hiện những thí nghiệm cần thiếtđể tìm hiểubản chất thật
sự của phóng xạ. Sự nguy hiểm của phóng xạ đối với sức khỏe con người lúcấy
chưa được biết tới, và Marieđã chết vì bệnh bạch cầu 30 năm sau đó.(Pierrethì
qua đời vì một vụ tai nạn).
Lần theo bản chất của tia alpha, beta và gamma

Khi radium trở nênsẵndùng,một nhàkhoa học tập sự tên là Ernest
Rutherfordđã rời quê hương NewZealand đếnAnh và bắt đầu nghiên cứu phóng
xạ tại Phòng thí nghiệm Cavendish.Thành công đầu tiêncủa chàng traixứ thuộc
địa là đođượctỉ số khối lượng trên điện tích của tiabeta. Kĩ thuật đó về cơ bản
giống như kĩ thuật Thomsonđã dùng để đo tỉ số khối lượng trên điện tích của tia
catôt, bằng cáchđo sự lệch củachúng trong điện trườngvà từ trường. Sự khác biệt
duy nhất là ở chỗ thay catôt củaống chânkhôngbằng 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 cùngtỉ số m/q như tia catôt, cho thấy chúnglà một loại và
đồngnhất. Ngày nay, để hiểu đơn giản, người ta dùng từ “electron”, và tránhdùng
những từ cổ xưa như “tia catôt” và “hạt beta”, nhưngnhững têngọi cũ vẫn đượcsử
dụngrộng rãi, và điều cần thiết không hay cho họcsinhvật lí là phải ghi nhớ cả ba
tên này là chỉ cùng một thứ.
Ban đầu, có vẻ là tia alphahay gamma đều khôngbị lệch trongđiện trường
hoặc từ trường,khiến có vẻ như chúng đều không tích điện. Nhưng Rutherford
sớm cóđược một namchâm mạnhhơnnhiều,và ôngcó thể dùng nólàm lệch tia
alpha, nhưngkhông làm lệch được tia gamma. Tia alphacó giátrị m/q lớn hơn
nhiều so với tia beta (khoảng 4000 lần), đấy là lí dotại sao chúng khóbị lệch
hướng.Tia gamma không tích điện, và saunày được nhận ra là mộtdạngcủa ánh
sáng.
Tỉ số m/q củahạt alphahóara bằng với tỉ số này của hai loại ion khác,
He
++
(một nguyên tử helium mất đi hai electron)và H
2
+
(hai nguyên tử hydrogen
liên kết thànhmột phân tử vàbị mất một electron), nênhìnhnhư chúng chỉ là một
hay là cái gì đó tươngtự. Hình dưới đây biểu diễn một mẫu đơn giản hóa củathí
nghiệmkhéoléo của Rutherfordchứng tỏ chúng là ion He

++
. Nguyên tố ở thể khí
radon, một nguồn phát hạt alpha,đượcđưa vào một nửacủa một buồng thủy tinh
đôi. Thànhthủytinh chia buồng ra làm haiđượcchế tạo cực kì mỏng, nên một số
hạt alpha chuyển động nhanhcóthể 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 nhanhchóng
bắt lấy electron từ môi trường xungquanh vàtrở nên trung hòa về điện).Sau đó,
Rutherfordxác định được có mặt khí heliumtrong buồng thứ hai.Như vậy, hạt
alpha được chứng minh là ionHe
++
. Hạt nhân khiấy vẫnchưa được khám phá,
nhưng trong thuật ngữ hiện đại, chúngta mô tả ion He
++
là hạt nhân của nguyên tử
helium.
Tóm lại, ở đây có ba loại bức xạ phát rabởi các nguyên tố phóngxạ, và mô tả
của chúngnhư sau:
h
ạt α
dừng lại bởi vài inch
khôngkhí
hạt nhân
He
h
ạt β
dừng lại bởi một tấm
giấy
electron
ti
a γ

đâm xuyên qua tấm
chắn dày
một dạng
ánh sáng
Câu hỏi thảo luận
A. Đa số nguồn phóng xạ phát ra tia alpha, betavà gamma,chứ không phải
một trong ba loại. Trong thí nghiệm radon, làm thế nào Rutherfordbiết được là
ông đang nghiêncứu tia alpha?