Ngày 6-8-1945, Mỹ ném quả bom nguyên tử thứ hai trong lịch sử loài người, Little Boy, xuống thành phố Hirosima của Nhật, giết chết 70.000 người. Ba ngày sau, quả bom Fat Man được ném xuống Nagasaki, giết thêm 40.000 người nữa. Cú sốc lớn này buộc Nhật Bản phải ký văn kiện đầu hàng vô điều kiện. Thay vì quyết chiến đến cùng để đổi lấy các điều kiện có lợi khi đầu hàng, như kế hoạch ban đầu, Nhật Bản đã khuất phục trước sức mạnh của bom nguyên tử.
"Quân thù đã bắt đầu đem ra sử dụng loại bom kinh khủng mới nhất mà sức tàn phá của nó thực sự không lường được đã gây ra cái chết của nhiều sinh mạng vô tội. Nếu chúng ta tiếp tục chống trả, không chỉ quốc gia Nhật Bản bị sụp đổ nhanh chóng và bị tiêu diệt mà có thể dẫn đến sự tuyệt chủng hoàn toàn văn minh của loài người. Nếu điều đó xảy ra, Trẫm sẽ phải cứu lấy hàng triệu con dân như thế nào và trả lời sao trước vong linh của liệt tổ hoàng triều? Chính vì lý do này Trẫm đã ra lệnh chấp nhận các điều khoản trong tuyên bố chung của các cường quốc", trích lời Nhật hoàng Hirohito nói với nhân dân Nhật.
Ta có thể thấy sức mạnh của bom nguyên tử là khủng khiếp thế nào, khi nó đánh gục ý chí phản kháng của Nhật, dân tộc được coi là kiên cường nhất thế giới lúc bấy giờ. Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu đôi chút về nguyên lý và sức mạnh của bom nguyên tử, một trong những vũ khí đáng sợ nhất của loài người tạo ra cho tới hôm nay.
Little Boy, quả bom nguyên tử đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh
1. Phương trình Einstein
E=mc^2, công thức này đã quá quen thuộc với chúng ta, nó là nguyên lý hình thành nên ánh sáng mặt trời, thứ nuôi sống và soi sáng chúng ta, nó tạo ra điện năng cho chúng ta sinh hoạt hằng ngày. Và nó chính là thứ tạo nên bom nguyên tử mà cả nhân loại lo sợ cho đến ngày hôm nay.
Công thức này thoạt nhìn có vẻ đơn giản, nhưng đó là đỉnh cao trí tuệ sau nhiều năm nghiên cứu của nhà bác học thiên tài Albert Einstein. Nó cô đọng từ thuyết tương đối hẹp của ông, và ngắn gọn đến mức có thể viết trên lòng bàn tay. Đó chính là đỉnh cao của khoa học, lý thuyết càng ngắn gọn, súc tích thì càng tuyệt vời. Quá trình tìm ra công thức này là một chương dài phức tạp, nên chúng ta sẽ không đề cập ở đây, mà chỉ xem xét hệ quả của nó thôi. Công thức này cho rằng năng lượng và khối lượng chính là 1, chỉ là tồn tại ở 2 dạng khác nhau mà thôi, giống như nước tồn tại ở thể lỏng và rắn vậy. Hay nói cách khác, khối lượng chính là năng lượng cô đặc, nó sẽ trở thành năng lượng khi có đủ điều kiện.
Ở đây E chính là năng lượng, m là khối lượng tương ứng với năng lượng đó và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Ánh sáng là thứ nhanh nhất trong vũ trụ, với vận tốc xấp xỉ 300.000 km/s. Do đó khi bình phương vận tốc ánh sáng nhân với chỉ 1 lượng nhỏ m cũng cho ra 1 con số khổng lồ. Có nghĩa là nếu chỉ cần 1 khối lượng nhỏ, nếu ta có thể, sẽ biến thành 1 năng lượng khổng lồ. Trong trái bom Little Boy thả xuống Nhật, chỉ 0.6g vật chất, tức chỉ bằng đầu ngón tay, biến thành năng lượng. Và kết quả là 70.000 người chết, cả thành phố Hirosima biến thành bình địa.
Như vậy chúng ta đã biết cách tạo ra 1 quả bom có sức hủy diệt khủng khiếp, đó là làm cách nào đó để 1 lượng vật chất biến mất, năng lượng tạo ra sẽ đủ sức hủy diệt cả 1 thành phố. Biến mất ở đây là biến mất hoàn toàn, chứ không phải biến mất như đốt 1 thanh củi. Trong trường hợp này, các vật chất trong thanh củi sẽ phản ứng với oxy, tạo ra các khí như CO2, SO2, PO2… và bay vào không khí, khối lượng chung sẽ không hề thay đổi. Còn nếu bạn làm biến mất hoàn toàn một vật chất, chẳng hạn chỉ như chiếc cúc áo thôi, thì bạn sẽ nhận được một năng lượng đủ để sạc điện thoại trong nhiều triệu năm.
Vậy câu hỏi tiếp theo là làm cách nào để cho 1 lượng vật chất biến mất? Câu hỏi đó sẽ dẫn chúng ta tới vấn đề về phân hạch hạt nhân.
2. Phân hạch hạt nhân
Các vật chất xung quanh chúng ta hầu hết được cấu tạo từ các nguyên tử. Các nguyên tử lại được cấu tạo từ hạt nhân (bao gồm proton và neutron) và lớp vỏ electron. Sở dĩ các vật chất xung quanh chúng ta tồn tại bền vững như chiếc cốc có thể tồn tại hàng chục năm trước khi bị đập vỡ, chiếc xoong made in Germany có thể dùng được hàng trăm năm, tượng nhân sư ở Ai Cập đã tồn tại 4000 năm nay và có thể sẽ thêm hàng chục ngàn năm nữa, Trái Đất có thể tồn tại hàng tỷ năm rồi và sẽ tồn tại thêm hàng tỷ năm nữa… đó là do hầu hết các nguyên tử cấu tạo nên chúng là bền vững. Có nghĩa là thêm hàng tỷ năm nữa, các nguyên tử ấy vẫn như thế, các electron đó vẫn quay quanh hạt nhân đó, các proton đó vẫn nằm gần neutron đó. Đó chính là cơ sở cho sự bền vững của vạn vật. Tuy nhiên, không phải nguyên tử nào cũng dễ thương như vậy, có những nguyên tử chỉ trong chớp mắt đã chuyển mình, biến thành nguyên tử khác. Nguyên tố phổ biến nhất có tính chất đó là Uranium.
+ Uranium và các đồng vị:
Uranium là nguyên tố tự nhiên xếp gần cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của các nguyên tố (chỉ đứng trước Plutonium). Uranium trong tự nhiên có trữ lượng khá lớn và bao gồm chủ yếu 2 đồng vị là Urani-238 (chiếm 99,284%) và Urani-235 (chiếm 0,711%). Trong đó chỉ Urani-235 được sử dụng trong bom nguyên tử vì các tính chất đặc biệt của nó.
Nhắc lại một chút về đồng vị, đồng vị là các nguyên tử có cùng số proton trong hạt nhân và số electron trong vỏ nhưng khác số neutron. Bởi vì có cùng số electron nên các tính chất hóa học của các đồng vị là như nhau, tuy nhiên khối lượng nguyên tử sẽ khác nhau đôi chút. Ví dụ như hydro có 2 đồng vị phổ biến là H và D (deuteri). H có 1 proton trong hạt nhân và không có neutron nào, D có 1 proton và 1 neutron trong hạt nhân. Cả 2 đồng vị này đều có thể kết hợp với Oxy để tạo ra nước, H kết hợp với Oxy sẽ tạo ra nước thường, còn D sẽ tạo ra nước nặng. Về mặt hóa học 2 loại này không có gì khác biệt nhau, nó vẫn giữ nguyên các đặc tính của nước, tuy nhiên nếu chúng ta uống nước nặng nhiều sẽ gây tử vong vì khối lượng khác biệt của nó sẽ gây ra các thay đổi lớn ở cấp tế bào.
Các đồng vị của Hydro
+ Quá trình phân hạch của Urani-235
Quá trình phân hạch hạt nhân U235 có thể diễn ra tự nhiên hoặc được kích thích bởi 1 neutron được bắn vào một cách có chủ đích. Quá trình phân rã tạo thành nhiều nguyên tố trung gian nhưng tất cả đều không bền vững mà tiếp tục phân rã để cuối cùng tạo ra nguyên tố bền vững là chì (Pb). Ta có thể tóm gọn phương trình phân hạch của U235 như sau:
U235 + n -> Pb207 + α + β + n +E
Trong đó E là năng lượng sinh ra trong quá trình phân hạch, E=mc2 với m chính là sự chênh lệch khối lượng giữa U235 và các sản phẩm tạo thành. Neutron được tạo ra trong quá trình phân hạch sẽ tiếp tục va chạm vào các nguyên tử U235 khác để kích thích tạo nên phản ứng dây chuyền, hoặc sẽ thoát ra ngoài khối Urani.Như vậy, chúng ta đã biết được nguyên lý thứ 2 để tạo ra bom nguyên tử, đó là cho phân hạch hạt nhân U235, quá trình đó sẽ tạo ra năng lượng. Nhưng 1 phản ứng là quá nhỏ, năng lượng tạo ra sẽ không đủ để đốt cháy 1 que diêm, nếu muốn 1 quả bom thực sự, ta phải làm cách nào đó để các nguyên tử U235 phản ứng liên tục, tạo thành 1 chuỗi phân hạch hạt nhân.
3. Làm giàu Uranium
Khái niệm này nghe rất quen thuộc, hằng ngày chúng ta thường nghe các bản tin đại loại như "Quốc tế lên án Triều Tiên, Iran làm giàu Uranium chuẩn bị cho vũ khí hạt nhân…" Vậy, làm giàu Uranium là gì, tại sao nó quan trọng trong quá trình tạo ra vũ khí hạt nhân?
Như chúng ta đã đề cập, chỉ có Urani – 235 là có tác dụng trong việc chế tạo bom nguyên tử. Nhưng hầu hết Urani có trong tự nhiên lại là đồng vị Urani – 238 (99,284%). Muốn chế tạo bom nguyên tử thì khối Uranium cần có hàm lượng U235 cao hơn 90%, quá trình tăng hàm lượng U235 được gọi là làm giàu Uranium. Vậy làm cách nào để loại bỏ U238 để hàm lượng U235 đạt ngưỡng cần thiết?
Khá đơn giản để tách hỗn hợp U235 và U238 ra khỏi các tạp chất bằng phương pháp hóa học, ta có được Uranium tinh khiết. Nhưng không thể dùng hóa học để tách U235 khỏi U238 vì các đặc tính hóa học của 2 đồng vị này là hoàn toàn như nhau. Phải dùng đến các đặc tính vật lý khác biệt của chúng để tách biệt 2 đồng vị. Phương pháp làm giàu Uranium đầu tiên mà dự án Mahattan dùng đó là phương pháp khuếch tán.
Sơ đồ mô phỏng phòng khuếch tán
Sau khi làm giàu Uranium, chúng ta thu được Uranium với hàm lượng U235 cao, đủ điều kiện để chế tạo bom nguyên tử. Tuy nhiên, để khối Uranium phát nổ, còn cần 1 điều kiện nữa.
4. Khối lượng tới hạn
Trong 1 khối Uranium – 235, bao gồm hàng triệu tỷ tỷ nguyên tử U235, vào bất cứ khoảnh khắc nào cũng có ít nhất một phản ứng phân hạch diễn ra trong nó, bởi vì U235 là 1 đồng vị có khả năng phân hạch tự nhiên mà không cần tác động nào từ bên ngoài. Phản ứng đó sẽ sinh ra 1 hoặc nhiều neutron, các neutron này hoặc sẽ thoát ra khỏi khối Urani, hoặc sẽ kích hoạt 1 phản ứng khác và tiếp tục sinh ra các neutron khác. Các neutron này lại tiếp tục công việc kích hoạt của mình, tuy nhiên nếu lượng neutron bay ra ngoài quá nhiều, không còn đủ để kích hoạt phản ứng tiếp theo, chuỗi sẽ dừng lại, và khối Urani gần như không mất khối lượng và không phát ra năng lượng. Để miêu tả cho hiệu ứng trên, người ta đặt ra hệ số nhân neutron hiệu dụng K:
Nếu K=1: Số neutron sinh ra bằng với số neutron mất đi, phản ứng xảy ra ổn định, đây là cách duy trì phản ứng trong nhà máy điện hạt nhân. Ta có thể khống chế khối Urani không bị mất kiểm soát.
K<1: Phản ứng dây chuyền không đủ neutron để tự duy trì, nhanh chóng tắt.
K>1: Số neutron sinh ra nhiều hơn số mất đi, phản ứng dây chuyền xảy ra theo cấp số nhân, trong tích tắc sẽ lan rộng và sản sinh ra năng lượng khổng lồ, chúng ta sẽ có được 1 quả bom nguyên tử.
Làm cách nào để tăng hệ số K? Suy luận 1 cách đơn giản chúng ta có thể hiểu rằng neutron thoát ra ngoài là do khối Urani quá nhỏ, không đủ số lượng U235 để ngăn cản neutron thoát ra ngoài. Để giải quyết vấn đề này ta cần tăng kích thước, khối lượng của nó lên. Đối với dạng cầu, khối lượng U235 để đạt được hệ số K=1 được gọi là khối lượng tới hạn của U235. Khi khối lượng vượt quá khối lượng tới hạn, K sẽ >1 và gây ra phản ứng dây chuyền mất kiểm soát, quả bom sẽ được kích nổ. Khối lượng tới hạn của U235 là 49kg.
Như vậy chúng ta đã tìm được cách chế tạo 1 quả bom nguyên tử, chỉ cần ghép 2 miếng U235 có khối lượng dưới khối lượng tới hạn lại với nhau để vượt qua khối lượng tới hạn, khối Urani sẽ phát nổ và chúng ta sẽ được chứng kiến 1 tia chớp xẹt ngang qua bầu trời, một khối cầu phát sáng như mặt trời thứ 2 và 1 đám mây hình nấm khổng lồ cao ngút tầm mây.
5. Nguyên lý kích nổ của Little Boy
Quả bom nguyên tử đầu tiên thả xuống Nhật Bản được kích nổ theo phương pháp bắn súng. Tức, phần lõi Uranium được chia làm 2 phần, đầu đạn và mục tiêu, mỗi phần có khối lượng thấp hơn khối lượng tới hạn. Phần đầu đạn được làm hình trụ rỗng đường kính 6.25 inch, nặng 38.5kg. Phần mục tiêu cũng được làm hình trụ nhưng nhỏ hơn, đường kính 4 inch, nặng 25.6kg. Khi kích hoạt nổ, động cơ được gắn trong quả bom sẽ đẩy phần đầu đạn về phía phần mục tiêu và ghép vào phần mục tiêu. Khối Uranium lúc này đã vượt qua khối lượng tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra ngay lập tức và quả bom phát nổ.
Cấu tạo cơ bản của Little Boy - Wikipedia
Có một loại bom nguyên tử khác với cách thức hoạt động khác với bom phân hạch này, nhưng có sức tàn phá còn khủng khiếp hơn đó là bom kinh khí. Loại bom này có nguyên lý hoạt động giống như phản ứng trên Mặt Trời, chúng ta sẽ thảo luận về loại bom này trong bài viết tiếp theo.
Ảnh BI