Vật lý Liên Xô được tạo ra như thế nào

3

Vật lý Liên Xô được tạo ra như thế nào

Chúng tôi đang hoàn thiện việc xuất bản hồi ký của Viện sĩ I.K. Kikon.
Bắt đầu xem «Kvant» Số 10, 11.

Cho đến cuối những năm 20 của thế kỷ chúng ta, các điều kiện chính của vật lý thế giới, bao gồm cả vật lý của Liên Xô, đều nhằm vào các vấn đề lời giải về cấu trúc của nguyên tử, vỏ electron của nó và vật lý của kim loại.

Về vấn đề cấu trúc của hạt nhân nguyên tử, rất ít nhà vật lý quan tâm tới nó. Đây chủ yếu là các nhà vật lý đến từ trường Rutherfort ở Anh và Marie Curie ở Pháp. Ở Liên Xô, các nhà khoa học Leningrad L.V. Mysovsky tại Viện Radium Nhà nước, D.V. Skobeltsyn tại Đại học Bách khoa Leningrad và Viện Vật lý và Công nghệ Leningrad làm việc về vật lý hạt nhân.

Hồi đó chúng ta được dạy, và rồi chính chúng ta cũng được dạy rằng hạt nhân gồm có proton và electron, số proton bằng trọng lượng nguyên tử của nguyên tố đó, và số electron trong hạt nhân bằng hiệu giữa trọng lượng nguyên tử và số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó.

Vào đầu những năm 1930, vật lý hạt nhân đã trải qua một cuộc bùng nổ thông tin – trong vòng hai hoặc ba năm, một loạt khám phá cơ bản mới đã thực sự ập đến với chúng ta. Năm 1931, tại phòng thí nghiệm của Rutherforth, Cockroft và Walton lần đầu tiên tính toán hạt nhân lithium bằng cách bắn phá chúng bằng proton có năng lượng vài trăm keV. Trong trường hợp này, các hạt α có năng lượng khoảng 8 MeV được phát ra từ lithium. Báo cáo về những trải nghiệm này đã được chúng tôi dự kiến ​​​​sẽ thảo luận trong phòng thí nghiệm, ngoài hành lang và thậm chí cả trong bữa trưa. Đây là lần đầu tiên năng lượng của các hạt thu được vượt quá đáng kể năng lượng của các hạt bắn phá.

Một thời gian sau, những thí nghiệm này được lặp lại ở nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới và đặc biệt là ở nước ta bởi các nhà vật lý Kharkov dưới sự lãnh đạo của K. D. Sinelnikov.

Năm 1932, nhà vật lý người Anh Chadwick (học trò của Rutherfort) đã phát hiện ra neutron - một hạt có khối lượng gần bằng khối lượng proton nhưng không mang điện tích. Đó là một cảm giác thực sự. Hơn nữa, các thí nghiệm tương tự trước đây đã được thực hiện độc lập bởi các nhà vật lý người Đức và người Pháp, những người, giống như Chadwick, đã quan sát thấy bức xạ xuyên thấu phát ra bởi các nguyên tố nhẹ (ví dụ, berili) khi bị bắn phá bằng các hạt α. Bức xạ này dễ dàng xuyên qua một lớp chì dày và khi chạm vào parafin sẽ đánh bật các proton ra khỏi nó. Các nhà vật lý này tin rằng bức xạ xuyên qua chì là tia gamma, nhưng không làm thay đổi năng lượng của chúng. Chadwick đã thực hiện những phép đo như vậy và bị thuyết phục rằng tia γ không thể có những năng lượng như vậy. Ông đã chứng minh một cách thuyết phục rằng các hạt không tích điện, hóa ra là neutron, xuyên qua chì. Đối với chúng tôi, đây là một minh họa bổ sung cho thấy tầm quan trọng của các thí nghiệm định lượng trong vật lý.

Cùng năm 1932, một thông điệp xuất hiện về việc phát hiện ra một hạt cơ bản mới trong tia vũ trụ - positron, là một electron cơ bản dương.

Tất cả những thông điệp này đều được đăng dưới dạng ghi chú ngắn, không có chi tiết, trên các tạp chí khoa học phổ thông.

4

tiền, và chúng tôi nóng lòng chờ đợi sự xuất hiện của những bài báo chi tiết trên các tạp chí vật lý khoa học nghiêm túc.

Để nhanh chóng đưa các nhà khoa học Liên Xô tiếp cận xu hướng chủ đạo của các ý tưởng hiện đại về vật lý hạt nhân nguyên tử, A.F. Ioffe quyết định tổ chức Hội nghị toàn liên bang về vật lý hạt nhân nguyên tử với sự tham gia của các nhà khoa học hàng đầu nước ngoài. Hội nghị này diễn ra vào cuối tháng 9 năm 1933. Nó diễn ra tại hội trường của Viện Hàn lâm Khoa học ở Leningrad. Xét về thành phần người tham gia và số lượng lập trình viên đa dạng, hội nghị có tính chất quốc tế. Nó có sự tham dự của nhà vật lý người Anh Paulli, nhà vật lý người Pháp Perrin, vợ chồng Jollu-Curie và các nhà khoa học nổi tiếng thế giới khác.

Ngay sau những thí nghiệm đầu tiên về việc mở rộng hạt nhân lithium, A.F. Ioffe nhận ra rằng vật lý của hạt nhân nguyên tử đang bước vào một kỷ nguyên mới và đã tham gia tổ chức nghiên cứu trong lĩnh vực này tại Viện Vật lý-Kỹ thuật của chúng tôi. Lúc đầu, một hội thảo thường trực về vật lý hạt nhân đã được tổ chức (tách biệt với hội thảo truyền thống về vật lý đại cương mà tôi đã nói đến).

Tại hội thảo này (theo như tôi nhớ thì nó họp vào thứ Tư) tất cả các công trình mới về vật lý hạt nhân đều được thảo luận chi tiết. Mặc dù tôi không có ý định trở thành một “nhà khoa học hạt nhân” vì đam mê nghiên cứu về chất bán dẫn và kim loại nhưng tôi vẫn cẩn thận tham dự các buổi hội thảo này để theo kịp những phát triển mới trong vật lý. Khi thông điệp giật gân tiếp theo được thảo luận tại hội thảo, hội trường đã quá đông đúc. Chẳng bao lâu sau, viện của tổ chức đã có hai nhóm “nhà khoa học hạt nhân”. Một dưới sự lãnh đạo của I.V. Kurchatov, người còn lại dưới sự lãnh đạo của A.I. Alikhanov. Cả hai nhóm này đều đặt mục tiêu tạo ra công nghệ thử nghiệm mới đối với họ. Cần phải có được nguồn hạt α, hạt β (electron), hạt γ và neutron. Những nguồn như vậy là sản phẩm của sự phân rã phóng xạ của radium, nguồn dự trữ tập trung tại Viện vô tuyến Leningrad. Nguồn neutron là các ống chứa khí radon (sản phẩm phân rã của radium), phát ra các hạt α và bột beryl (beryl, được chiếu xạ bởi các hạt α, phát ra neutron). Đồng thời, các công cụ phát hiện hạt đã được chuẩn bị - máy đếm, buồng mây, buồng ion hóa và nhiều loại công nghệ khác, nếu không có chúng thì không thể thực hiện các thí nghiệm trong vật lý hạt nhân. Tất cả điều này được phát triển tương đối nhanh chóng, được thực hiện bằng chính đôi tay của chúng tôi và công việc thử nghiệm bắt đầu sôi sục.

Ngay sau khi phát hiện ra positron trong tia vũ trụ, nhiều nhà vật lý bắt đầu tìm kiếm khả năng tạo ra positron trong điều kiện phòng thí nghiệm. Những nỗ lực này không chỉ thành công mà còn dẫn đến việc phát hiện ra chất phóng xạ nhân tạo. Irène và Frédéric Jollu-Curie phát hiện ra rằng khi các nguyên tố nhẹ như nhôm hoặc magie bị chiếu xạ bởi các hạt alpha, chúng sẽ phát ra positron. Khi điều tra hiện tượng này, họ đã bất ngờ xử lý cường độ thử nghiệm của nó. Vậy là nhà Curie đã có một khám phá kép. Họ đã xử lý phóng xạ nhân tạo lần đầu tiên và phát hiện ra một loại phân rã phóng xạ mới - phân rã positron.

Báo cáo về những thí nghiệm này gây chấn động không kém gì việc phát hiện ra neutron. Phóng xạ nhân tạo trong quá trình chiếu xạ hạt α chỉ được quan sát thấy ở các nguyên tố nhẹ. Đối với các yếu tố nặng, nó đã được xử lý. Điều này được giải thích là do xác suất các hạt tích điện tùy ý (ví dụ, các hạt α) ở bên trong là nhỏ. Chính vì những lý do này mà nhà vật lý người Ý Fermi

10

khả năng xây dựng hòa bình của chúng ta》.

Kể từ đầu những năm 50, viện của chúng tôi bắt đầu phát triển chuyên sâu các vấn đề liên quan đến việc sử dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình. Kết quả đầu tiên của công việc này là việc khánh thành nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới tại thành phố Obninsk gần Moscow vào năm 1954. Nó có công suất nhỏ, chỉ 5000 kW. Nhưng ngày nay ở nước ta có các nhà máy điện hạt nhân đủ loại và cỡ vừa - Nhà máy điện hạt nhân khổng lồ Leningrad với công suất 2.000.000 kW. Trong giai đoạn 5 năm thứ 10, công suất các nhà máy điện hạt nhân của Liên Xô sẽ tăng lên đáng kể.

Tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên trên thế giới, Lenin, được chế tạo dưới sự hướng dẫn khoa học của các nhà vật lý từ viện của chúng tôi, đã hoạt động thành công trong hơn 10 năm và góp phần to lớn vào sự phát triển hàng hải ở các vùng biển vùng cực. Tàu phá băng hạt nhân Arktika được chế tạo gần đây đã đi tới Bắc Cực. Tàu phá băng hạt nhân Siberia thậm chí còn mạnh hơn đang chuẩn bị đi vào hoạt động.

Đầu những năm 50, các nhà vật lý nảy ra ý tưởng sử dụng năng lượng giải phóng trong cái gọi là phản ứng nhiệt hạch. Ngay cả trước chiến tranh, lý thuyết của nhà vật lý người Đức Boethe và các nhà vật lý khác đã xuất hiện, theo đó năng lượng khổng lồ do Mặt trời phát ra sẽ tạo ra phản ứng nhiệt hạch diễn ra như sau. Khi gặp nhiệt độ cao, các hạt nhân nhẹ, có động năng rất lớn, có thể thắng được lực đẩy Coulomb và có thể hợp nhất thành các hạt nhân nặng hơn. Quá trình này đi kèm với việc giải phóng năng lượng khổng lồ, vượt quá đáng kể năng lượng của các hạt nhân hợp nhất.

Trong điều kiện “trên mặt đất”, phản ứng nhiệt hạch lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra một vụ nổ có sức mạnh cực lớn – bom nhiệt hạch đã được tạo ra. Sau đó, câu hỏi đặt ra về khả năng sử dụng năng lượng nhiệt hạch cho mục đích hòa bình. Khu bảo tồn thiên nhiên

11

bình đựng tro cốt sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân còn hạn chế. Dự trữ nguyên tố sắt ở dạng tác dụng (hydro nặng $^3\text{H}$), có thể được sử dụng cho các phản ứng nhiệt hạch, là rất lớn - tác dụng là một phần của nước nặng, chiếm 1/6000 tổng lượng nước hiện có trên toàn cầu. Và khi hai hạt nhân hợp nhất, năng lượng khoảng 13 MeV, cao hơn nhiều so với năng lượng ban đầu của hạt nhân hợp nhất. Vì vậy, năng lượng giai cấp này thực tế chưa được khám phá theo hướng này.

Nhưng để sử dụng năng lượng này cho mục đích hòa bình, cần sớm khởi tạo lại năng lượng hạt nhân. Vì vậy, năng lượng giai cấp này thực tế chưa được khám phá theo hướng này.

Trước hết, cần phải học cách đun nóng hydro đến nhiệt độ cao mà tại đó hạt nhân có khả năng tham gia phản ứng nhiệt hạch. Cách đơn giản nhất là đốt nóng khí bằng dòng điện. Để làm được điều này, một sự phóng điện được tạo ra trong chất khí và ở giá trị dòng điện cao, chất khí bị đốt nóng do nhiệt Joule. Trong trường hợp này, khí bị ion hóa hoàn toàn và biến thành plasma. Ở nhiệt độ rất cao, plasma hydro là “hỗn hợp” của các electron và hạt nhân có thể tham gia phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên, plasma ở nhiệt độ cao rất không ổn định - với dòng điện lớn chạy qua quá trình phóng điện, lớp plasma tích điện một chiều sẽ bị đẩy ra, va vào thành ống xả khí và nhanh chóng nguội đi.

Vấn đề “ngăn chặn” plasma là một trong những vấn đề khó khăn nhất phải được giải quyết trên con đường kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Và các nhà vật lý Liên Xô đã có đóng góp vô giá cho lời giải vấn đề này. Dưới sự lãnh đạo của các học giả L.A. Artsimovich và M.A. Leontovich, một cơ sở trong đó từ trường được chọn lọc và định hướng đặc biệt giúp giữ lại plasma ở nhiệt độ cao đã được xây dựng bằng năng lượng nguyên tử Istichit. Đây được gọi là TOKAMAK - “buồng hình xuyến trong từ trường”. Ngày nay, trên toàn thế giới, các thí nghiệm về giam cầm plasma được thực hiện chủ yếu ở các cơ sở lắp đặt kiểu này. Và họ được gọi là TOKAMAK trên toàn thế giới.

Hiện nay, nghiên cứu về vấn đề kiểm soát phản ứng nhiệt hạch ở mức độ mà các kỹ sư và nhà thiết kế đã bắt đầu xem xét các vấn đề kỹ thuật thuần túy, liên quan đến việc triển khai nguyên mẫu của một trạm nhiệt hạch trong tương lai. Người ta có thể hy vọng rằng vào khoảng cuối thế kỷ này, một nguyên mẫu sẽ được chế tạo và thử nghiệm, khi đó sẽ có thể giải quyết được vấn đề sử dụng năng lượng nhiệt hạch trong công nghiệp.

Tất nhiên, tôi không thể đưa ra một bức tranh toàn diện về sự phát triển của vật lý Liên Xô. Tôi chủ yếu chỉ nói về những công việc mà tôi, bằng cách này hay cách khác, phải giải quyết. Vì vậy, tôi đã không nói về nhiều thành tựu nổi bật của các nhà vật lý Liên Xô - chẳng hạn như sự ra đời của các electron lượng tử trong công trình của các học giả đoạt giải Nobel N. G. Basov và A. M. Prokhorov, việc phát hiện ra cộng hưởng tham số điện tử của Viện sĩ E. K. Zavoisky, việc phát hiện ra nguyên lý các hạt tích điện của WTO của Viện sĩ V. I. Veksler và nhiều hơn thế nữa. Tuy nhiên, tôi hy vọng rằng câu chuyện của tôi đã giúp độc giả «Kvant» tưởng tượng những đóng góp to lớn của các nhà vật lý Liên Xô đối với sự phát triển khoa học và công nghệ trong 60 năm cầm quyền của Liên Xô.