Vũ khí hạt nhân (tiếng Anh: nuclear weapon) là loại vũ khí hủy diệt hàng loạt mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hoặc nhiệt hạch gây ra. Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất cũng có sức công phá lớn hơn bất kỳ vũ khí quy ước nào.
Trong lịch sử phát triển bom nguyên tử, có thể xem bom Uranium và bom Plutonium là cặp anh em song sinh. Cùng với U235, các hạt nhân Pu239 cũng được sử dụng để chế tạo bom nguyên tử. Cho đến nay, mới chỉ có hai quả bom hạt nhân được dùng trong Thế chiến thứ hai: quả bom thứ nhất được ném xuống Hiroshima (Nhật Bản) vào ngày 6/8/1945 có tên là Little Boy và được làm từ uranium; quả sau có tên là Fat Man và được ném xuống Nagasaki, cũng ở Nhật Bản ba ngày sau đó, được làm từ plutonium.
| Đám mây hình quả nấm tạo thành sau vụ nổ hạt nhân ở Nagasaki |
Sự xuất hiện của cặp song sinh bom Uranium và bom Plutonium gần như cùng một thời khắc lịch sử, đã khiến thế giới kinh hoàng. Trước sau chỉ 3 ngày, ngay trong mùa hè định mệnh đối với nước Nhật của năm 1945 ấy.
Lúc 8 giờ 15 phút sáng ngày 6/8/1945, quả bom Uranium tàn phá thành phố Hirohima. Sức huỷ diệt mạnh như 15 ngàn tấn thuốc nổ thông thường (còn gọi là thuốc nổ TNT-Trinitro Toluen), nó đã biến 92% thành phố thành gạch vụn và tro tàn, làm chết hơn 20 vạn người. Đó là quả bom có tên là "Chú nhóc con" (Little Boy), là loại bom Uranium (chứa 1 kg U235giàu), dài 3,3 mét, đường kính 0,7 mét, nặng 4 tấn.
Lúc 8 giờ 15 phút sáng ngày 6/8/1945, quả bom Uranium tàn phá thành phố Hirohima. Sức huỷ diệt mạnh như 15 ngàn tấn thuốc nổ thông thường (còn gọi là thuốc nổ TNT-Trinitro Toluen), nó đã biến 92% thành phố thành gạch vụn và tro tàn, làm chết hơn 20 vạn người. Đó là quả bom có tên là "Chú nhóc con" (Little Boy), là loại bom Uranium (chứa 1 kg U235giàu), dài 3,3 mét, đường kính 0,7 mét, nặng 4 tấn.
| Thành phố Hiroshima trước và sau vụ nổ |
Đến 11 giờ 2 phút sáng ngày 9/8, quả bom Plutonium lại dội xuống thành phố Nagasaki. Quả bom chứa chất nổ Pu239, dài khoảng 3,25 mét, đường kính 1,52 cm, nặng 4,5 tấn, được đặt cho một cái tên khá hài hước là "Chàng Béo" (Fat Man). Sức tàn phá của quả bom Plutonium không kém 21.000 tấn thuốc nổ thông thường. Nó đã phá huỷ hoàn toàn 6,7 km2 nhà cửa (1/3 số nhà của Nagasaki) và sát hại 2/3 số dân thành phố (7,3 vạn người chết và 7,5 vạn người bị thương).
| Thành phố Nagasaki sầm uất trở thành bình địa sau vụ nổ |
Nước Mỹ không chỉ là nơi ra đời của hai quả bom nguyên tử Uranium và Plutonium, đó cũng chính là xứ sở phát hiện sự tồn tại của nguyên tố mới Plutonium.
Glenn Seaborg (1912–1999), nhà khoa học hạt nhân đương đại huyền thoại của nước Mỹ, là tác giả của 10 phát minh nguyên tố mới, trong đó có Plutonium.
| Glenn Seaborg (1912–1999) được xem là người đã phát minh ra nguyên tố Plutonium |
Năm 1940, tân tiến sĩ hoá học Seaborg, mới 28 tuổi, được giao tập hợp một nhóm khoa học gia trẻ, bắt tay vào một thí nghiệm đặc sắc và khó khăn: tìm nguyên tố mới, nặng hơn Uranium, gọi là nguyên tố siêu nặng hay siêu Urani.
Trên chùm gia tốc hiện đại nhất thời đó, họ bắn vào bia Uranium một chùm hạt deutrium (d), rồi theo dõi những hiện tượng mới mẻ xảy ra. Trước đó, nguyên tố siêu Uran đầu tiên với Z=93, tên gọi là Neptunium (Np), đã được tìm thấy (năm 1940) bởi một nhóm nghiên cứu khác. Điều này thắp sáng niềm tin cho nhóm nghiên cứu mới.
Đêm ấy, chủ nhật 23/2/1941, ánh đèn trên tầng 3 của Toà nhà Gilman trong khung viên ĐH California (ở Berkley), sáng rất khuya. Thí nghiệm kéo dài đã 10 tuần liền, sự chờ đợi tưởng như vô vọng. Tiếp tục bắn chùm hạt deutrium (d) thêm 4 giờ nữa!
Bỗng “thế giới như chao đảo”: một hạt anpha đã rơi vào bộ đếm, một đồng vị phóng xạ của nguyên tố 94 đang chờ đợi đã được tổng hợp và được nhận dạng. Đó là hạt nhân của một nguyên tố mới ứng với số điện tích Z = 94: Nguyên tố Plutonium (lấy theo tên của ngôi sao Pluto – sao Diêm Vương Tinh), có kí hiệu là Pu.
Trên chùm gia tốc hiện đại nhất thời đó, họ bắn vào bia Uranium một chùm hạt deutrium (d), rồi theo dõi những hiện tượng mới mẻ xảy ra. Trước đó, nguyên tố siêu Uran đầu tiên với Z=93, tên gọi là Neptunium (Np), đã được tìm thấy (năm 1940) bởi một nhóm nghiên cứu khác. Điều này thắp sáng niềm tin cho nhóm nghiên cứu mới.
Đêm ấy, chủ nhật 23/2/1941, ánh đèn trên tầng 3 của Toà nhà Gilman trong khung viên ĐH California (ở Berkley), sáng rất khuya. Thí nghiệm kéo dài đã 10 tuần liền, sự chờ đợi tưởng như vô vọng. Tiếp tục bắn chùm hạt deutrium (d) thêm 4 giờ nữa!
Bỗng “thế giới như chao đảo”: một hạt anpha đã rơi vào bộ đếm, một đồng vị phóng xạ của nguyên tố 94 đang chờ đợi đã được tổng hợp và được nhận dạng. Đó là hạt nhân của một nguyên tố mới ứng với số điện tích Z = 94: Nguyên tố Plutonium (lấy theo tên của ngôi sao Pluto – sao Diêm Vương Tinh), có kí hiệu là Pu.
| Plutonium – phát minh chao đảo thế giới |
Như tính toán trước, đồng vị đầu tiên của nguyên tố Pu được tìm thấy chính là Pu238. Nó được sinh ra bởi quá trình sau: hạt nhân U238 bắt lấy hạt d và trở thành hạt nhân Np238, rồi ngay sau đó Np238 lại phát ra hạt b (bêta) để trở thành hạt nhân mới Pu238.
Sự xuất hiện nguyên tố mới, Plutonium, đã xảy ra như vậy đó. G. Seaborg đầy cảm xúc khi viết kể lại thời khắc “trở dạ” của nguyên tố Plutonium (Pu): Thời khắc bắt gặp hạt nhân Pu đầu tiên, tất cả bỗng lặng đi, rồi vỡ oà, ôm nhau chúc mừng trong niềm vui khôn tả. Họ vội về nhà vùi trong cơn khát ngủ đã bao ngày đêm.
Đó là đêm kỳ diệu trong cuộc đời khoa học của G. Seaborg. Vì với ông, nguyên tố Plutonium là phát minh quan trọng đầu tiên của đời mình. Cũng với phát minh đó ông đã sớm được sánh vai với nhà vật lý Edwin McMillan nhận Giải Nobel danh giá về Hoá học năm 1951.
Sự xuất hiện nguyên tố mới, Plutonium, đã xảy ra như vậy đó. G. Seaborg đầy cảm xúc khi viết kể lại thời khắc “trở dạ” của nguyên tố Plutonium (Pu): Thời khắc bắt gặp hạt nhân Pu đầu tiên, tất cả bỗng lặng đi, rồi vỡ oà, ôm nhau chúc mừng trong niềm vui khôn tả. Họ vội về nhà vùi trong cơn khát ngủ đã bao ngày đêm.
Đó là đêm kỳ diệu trong cuộc đời khoa học của G. Seaborg. Vì với ông, nguyên tố Plutonium là phát minh quan trọng đầu tiên của đời mình. Cũng với phát minh đó ông đã sớm được sánh vai với nhà vật lý Edwin McMillan nhận Giải Nobel danh giá về Hoá học năm 1951.
Điều khá bất ngờ là phát minh ra Plutonium lại có ý nghĩa quá hệ trọng đối với nhân loại.
Thực vậy, chỉ khoảng một tháng sau phát minh nguyên tố Plutonium, Seaborg phát hiện ra một tính chất đặc biệt quan trọng của một trong những hạt nhân đồng vị của Plutonium, đồng vị Pu239. Tương tự với hạt nhân U235 đã biết, hạt nhân mới Pu239 cũng bị phân chia bởi hạt nơtron, để sinh thêm 2 nơtron mới và phát ra một năng lượng hạt nhân rất lớn.
Thực vậy, chỉ khoảng một tháng sau phát minh nguyên tố Plutonium, Seaborg phát hiện ra một tính chất đặc biệt quan trọng của một trong những hạt nhân đồng vị của Plutonium, đồng vị Pu239. Tương tự với hạt nhân U235 đã biết, hạt nhân mới Pu239 cũng bị phân chia bởi hạt nơtron, để sinh thêm 2 nơtron mới và phát ra một năng lượng hạt nhân rất lớn.
Rõ ràng, với phát hiện này, Plutonium bên cạnh Uranium, sẽ trở thành nguồn nhiên liệu hạt nhân dồi dào cho nhân loại. Nhưng, đáng tiếc, trong bi kịch của lịch sử thế giới thời đó, trước khi phục vụ đời sống nhân loại như một nguồn nhiên liệu quý gía, Pu239 đã sớm trở thành chất nổ cho bom nguyên tử (bom A).
Với các phát minh vang dội, Seaborg đã được gọi tham gia trực tiếp vào dự án bí mật vừa mới thành lập, dự án Manhattan. Ông được điều đến phụ trách Phòng thí nghiệm kim loại học của Đại học Chicago, tham gia cùng Enrico Fermi chế tạo bom nguyên tử. Ở đây họ xây dựng công nghệ tách chiết Pu239 với khối lượng lớn từ quá trình phân hạch của Uranium trong lò phản ứng đầu tiên của nước Mỹ và cũng là đầu tiên của thế giới.
Trong trường hợp này, Pu239 sinh ra trong quá trình sau: hạt nhân U238 bắt một nơtrôn chậm và trở thành hạt nhân U239. Gần như tức thời, hạt nhân mới này phát ra liên tiếp 2 hạt b (bêta) để hoá thân thành một hạt nhân hoàn toàn mới, một đồng vị khác của nguyên tố Plutoni: Pu239.
Sau 3 năm làm việc căng thẳng, mỗi ngày 12 giờ, tập thể của Seaborg đã thu được một lượng Pu đủ chế tạo 3 quả bom nguyên tử. Quả bom Plutonium thả xuống thành phố Nagasaki (Nhật bản) là một trong những quả bom Plutonium như thế.
Sau 3 năm làm việc căng thẳng, mỗi ngày 12 giờ, tập thể của Seaborg đã thu được một lượng Pu đủ chế tạo 3 quả bom nguyên tử. Quả bom Plutonium thả xuống thành phố Nagasaki (Nhật bản) là một trong những quả bom Plutonium như thế.
| Mô hình quả bom nguyên tử mang biệt danh "Fatman" được ném xuống Nagasaki |
Do trong tự nhiên hầu như không tồn tại nguyên tố Plutonium, ngược lại có rất nhiều đồng vị U238, nên phương pháp điều chế Pu239 theo nguyên lý nói trên là tối ưu nhất.
Và cũng vì vậy, với mục tiêu chế tạo Plutonium ở quy mô công nghiệp, hiện nay, lò phản ứng với chất làm chậm nước nặng là công cụ lý tưởng nhất so với mọi loại lò phản ứng hạt nhân khác. Trong loại lò này chỉ dùng Uranium tự nhiên (không cần làm giàu) để làm nhiên liệu. Nước nặng (D2O) đóng vai trò làm chậm các nơtron nhanh sinh ra trong quá trình hoạt động của lò phản ứng, tạo thuận lợi cho sự biến đổi hạt nhân U238 thành hạt nhân Pu239.
Các nhà nghiên cứu ở Rutgers, Đại học bang New Jersey đã vừa vén lên những bí mật về đặc tính hoá học và vật lý của nguyên tố plutonium nổi tiếng.
Trong một công trình đăng trên Nature, nhóm nghiên cứu đã báo cáo rằng, các electron hoá trị trong kim loại plutonium rắn luôn thăng giáng rất nhanh giữa các orbital khác nhau của nguyên tử. Điều đó trái với khẳng định của các lý thuyết trước đây cho rằng có một số xác định các electron hoá trị trên những orbital này.
Khám phá của nhóm Rutgers giúp giải thích một số đặc trưng khó hiểu của plutonium: không giống nhiều kim loại, plutonium không có từ tính và cũng không phải là chất dẫn điện tốt, thể tích của nó thay đổi nhiều một cách bất thường khi thay đổi nhiệt độ và áp suất.
Những khám phá này ngoài ý nghĩa giải thích khoa học còn có khả năng giúp các nhà khoa học tạo ra những vật liệu hạt nhân an toàn hơn phục vụ công nghiệp, năng lượng và y tế.
"Một lý thuyết cho phép sự thăng giáng thất thường của các electron hoá trị ở đây có thể dùng để giải thích rất tốt các tính chất được quan sát trong phòng thí nghiệm," Kristjan Haule ở Rutgers nói. Ông cũng chỉ ra những kết quả mới nhận được từ phổ hấp thụ tia X và phổ hụt năng lượng điện tử. "Thêm vào đó, lý thuyết còn tiên đoán chính xác tính chất hai nguyên tố láng giềng của plutonium là americium và curium. Chúng có cấu trúc nguyên tử tương tự nhau nhưng lại khác nhau nhiều về các tính chất điện và từ."
Công trình đăng trên Nature của Rutgers còn có tầm quan trọng củng cố thêm các phương pháp nghiên cứu những vật liệu phức tạp của các nguyên tố láng giềng với plutonium. Chúng chủ yếu là những kim loại phóng xạ và đất hiếm, có tính chất điện và từ phụ thuộc vào các electron orbital f. Chúng được coi là những ví dụ cho loại vật liệu tương quan mạnh, có nhiều đặc điểm phức tạp và bất thường, có thể được sử dụng rộng rãi trong tương lai.
(nguồn hoahoc365)
0 nhận xét:
Post a Comment