Vũ khí hạt nhân và những nhà vật lý thế kỷ 20: Lise Meitner và phát minh về hiện tượng phân hạch.

Otto Hahn, Lise Meitner và Fritz Strassmann

Strassmann đã không được giải Nobel có lẽ bởi vì khi ấy ông chỉ là một nhà nghiên cứu trẻ, trong khi đó giải này lại có xu hướng thiên về các nhà khoa học có thâm niên. Nhưng cả Meitner và Hahn đều có uy tín cao như nhau, tại sao Meitner lại bị gạt ra? Chính Hahn đã cho rằng, khám phá này chỉ được dựa trên các thí nghiệm hóa học, Meitner và vật lý của bà đã chẳng giúp gì cho thành công của Hahn cả, thậm chí còn cản trở nữa là khác.
Strassmann, người bị che lấp rất nhiều trong cái bóng của Hahn đã hoàn toàn không đồng ý với điều đó. Strassmann khẳng định rằng, chính Meitner mới là người lãnh đạo trí tuệ của nhóm nghiên cứu, và kể cả sau khi rời Berlin, bà vẫn là một người quan trọng trong bọn họ. Có những bằng chứng ủng hộ quan điểm của Strassmann. Những ấn phẩm khoa học đều cho thấy, việc nghiên cứu để tìm ra hiện tượng phân hạch thực chất là liên quan đến nhiều lĩnh vực. Trong đó, những kiến thức về vật lý hạt nhân chính là khởi đầu cho nghiên cứu này. Nhiều bức thư trao đổi công việc của Meitner đã khẳng định những đóng góp cực kỳ quan trọng của bà cho nghiên cứu này.
Những chính sách bài Do Thái đã buộc Meitner phải di cư và không cho bà quyền lợi là đồng tác giả của nghiên cứu. Có lẽ vì cơ hội, vì lo sợ dính líu cũng như sức ép chính trị mà Hahn đã phủ nhận công lao của Meitner. Vào thời gian đó Meitner đã rất ít nói. Bà đã chỉ mô tả hành động của Hahn “đơn giản là một sự lấp liếm quá khứ”, một quá khứ mà trong đó họ đã từng là những người bạn, đồng nghiệp thân mật. Meitner đã không hề tranh cãi hay kiện tụng công khai, bà tin rằng rồi lịch sử sẽ đứng về phía bà. Năm mươi năm sau, điều này đã trở thành sự thực.

Meitner và Hahn

Sinh ra, lớn lên và học ở Vienna, Lise Meitner đến Berlin năm 1907 ở tuổi 29. Tại đó, bà tham gia vào nhóm của Otto Hahn (nhà hóa học này kém bà một tuổi) nghiên cứu về phóng xạ. Năm 1918, họ khám phá ra đồng vị Protactinium 231. Sau đó, Hahn trở thành giáo sư hóa học phóng xạ và Meitner trở thành giáo sư vật lý ở Viện Kaiser Wilhelm. Trong những năm 1920, Hahn tiếp tục phát triển kỹ thuật phóng xạ còn Meitner thì tham gia vào những lĩnh vực mới trong vật lý hạt nhân. Sau này, chính Hahn cũng phải thừa nhận rằng, thời kỳ này, nghiên cứu của Meitner nhiều hơn của ông và chính bà đã đem lại nhiều danh tiếng quốc tế cho Viện. Đến năm 1933, trước nạn bài Do Thái nặng nề, Meitner đã quyết định ra đi mặc dù khi ấy bà vẫn chưa bị mất vị trí giáo sư của mình.
Meitner đã rất quan tâm đến các thí nghiệm của Enrico Fermi thực hiện ở Rome, sử dụng các neutron để bắn phá các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Bà đang tìm cách xác minh những kết quả của Fermi.

Meitner và Hahn

Meitner đã là một trong những nhà vật lý hạt nhân hàng đầu trong thời đại của bà. Tuy nhiên, để nghiên cứu về những loại nguyên tố mới gọi là “siêu urani” thì bà phải cần đến một nhà hóa học phóng xạ có tiếng. Cuối cùng thì Hahn đã đồng ý giúp, nhà hóa học phân tích Strassmann khi ấy cũng bắt đầu tham gia vào nhóm. Đến cuối năm 1934, họ báo cáo rằng, những nguồn bức xạ beta mà Fermi đã quan sát không thể được quy cho bất cứ nguyên tố nào đã biết: chúng có thể được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng cùng với những kim loại chuyển tiếp như platinum và rhenium. Như vậy, giống như Fermi, các nhà nghiên cứu ở Berlin cũng đã có xu hướng cho rằng, đây là biểu hiện của những nguyên tố mới vượt urani. Thực ra, sự diễn giải này là không chính xác: nó đã dựa trên hai giả thiết – một từ vật lý và một từ hóa học – được chứng minh là sai chỉ vài năm sau đó.

Gỡ rối những chuỗi phân rã.
Hahn đã đổ lỗi cho các nhà vật lý. Tuy nhiên, những công bố khoa học chỉ ra rằng, các nhà hóa học đã quá tự mãn còn các nhà vật lý thì biết hoài nghi hơn. Vật lý đã không tiên đoán ra hiện tượng phân hạch, nhưng chắc chắn là nó đã phát hiện ra những sự khác biệt, cái mà hóa học không thể làm được.
Nhóm khoa học ở Berlin đã cố gắng phân tách các nguyên tố siêu urani mà họ đã phỏng đoán. Sau khi chiếu xạ uranium bằng các neutron, họ hòa tan mẫu và dùng phương pháp hóa học tách ra các kim loại chuyển tiếp. Sau hai năm, họ đã nhận diện được hai chuỗi phân rã beta song song, gọi là các quá trình một và hai. Quá tự tin về những phân tích hóa học, Hahn đã công bố các kết quả của nhóm trên Chemische Berichte vào các năm 1936 và 1937, khẳng định sự tồn tại của những nguyên tố siêu urani này là “không còn nghi ngờ gì nữa”, và “không cần phải bàn thêm nữa”.
Meitner thì vẫn tiếp tục làm việc miệt mài để kết hợp những kết quả hoá học phóng xạ và những phép đo vật lý của bà vào một mô hình hợp lý của các quá trình hạt nhân liên quan. Bà đã phát hiện ra rằng, những neutron nhiệt rất chậm đã thúc đẩy các quá trình và có bằng chứng cho thấy ở đây có sự hấp thụ neutron. Nhưng các neutron nhanh cũng cho kết quả tương tự nên bà đã kết luận rằng, cả hai quá trình phân rã đều bắt nguồn từ đồng vị urani 238. Bà cũng đã nhận diện được một quá trình thứ ba, liên quan đến sự bắt các neutron đã được làm chậm – ở đây không có những chuỗi phân rã beta dài nữa.

Những dụng cụ vật lý của Meitner được sử dụng bởi nhóm nghiên cứu Berlin giai đoạn 1934-1938

Meitner khi ấy đã từng nghĩ rằng cả ba quá trình bắt neutron khác nhau này đều bắt nguồn từ đồng vị urani 238. Bà đã nghi ngờ rằng, có điều gì đó rất sai lầm trong các quá trình một và hai. Từ những phân tích lý thuyết, bà đã không thể hiểu được làm thế nào mà sự bắt một neutron đơn lẻ lại có thể gây ra một sự bất ổn định đển mức mà có tới 4 hoặc 5 sự phát xạ beta sau đó. Và thậm chí còn một điều khó hiểu hơn là, hai chuỗi phân rã beta dài diễn ra song song với nhau trong một vài bước phân rã. Lý thuyết khi ấy đã không giải thích được. Trong một báo cáo năm 1937, Meitner đã kết luận rằng: “rất khó để dung hòa những khái niệm hiện nay với cấu trúc hạt nhân.”
Khi hiện tượng phân hạch được nhận ra, các nhà nghiên cứu đã hiểu được rằng, thực chất các quá trình một và hai đều là các quá trình phân hạch: urani tách thành hai hạt nhân con có độ phóng xạ cao và tạo thành một chuỗi dài các phân rã beta (có thể có nhiều chuỗi phân rã như vậy bởi vì urani có thể bị phân tách theo nhiều cách). Meitner đã coi quá trình thứ ba là quá trình thông thường nhất, và sau nay điều đó đã được khẳng định là đúng: đồng vị urani 239 được tạo thành trong phản ứng bắt neutron này sẽ thực hiện phân rã beta để trở thành nguyên tố có số hiệu 93. Năm 1940, nguyên tố này được nhận diện bởi Edwin McMillan và Philip Abelson, về sau được lấy tên là neptunium. Nếu nhóm nghiên cứu ở Berlin khi ấy mà nhận diện được neptunium thì họ sẽ thấy rằng nó là một nguyên tố đất hiếm, tức là họ sẽ nhận ra các quá trình một và hai không phải là các quá trình tạo ra siêu urani. Nhưng họ đã không phát hiện được điều này vì nguồn neutron của họ quá yếu. Sai lầm nghiêm trọng nhất của nhóm nghiên cứu ở Berlin là họ đã chỉ tập trung vào hóa học của các kim loại chuyển tiếp mà bỏ qua các yếu tố khác. Năm 1938 ở Paris, Irène Curie và Pavel Savitch đã dùng một kỹ thuật khác để khảo sát hỗn hợp sản phẩm urani và đã tìm ra một đối tượng mới hoạt động mạnh nhưng chưa rõ ràng về nguồn gốc hóa học. Khi nhóm Berlin đang tiếp tục nghiên cứu về nó thì tháng 10/1938 Meitner buộc phải chạy sang Stockholm. Hahn và Strassmann sau đó đã cho rằng nó là một đồng vị của radium.

Meitner và Hahn

Nhận diện barium
Meitner và Hahn vẫn tiếp tục trao đổi công việc, thư từ vẫn thường xuyên được gửi qua lại giữa Stockholm và Berlin. Meitner thì hoàn toàn không tin vào kết quả radium. Để tạo thành radium, hạt nhân urani phải phát ra hai hạt alpha. Meitner tin rằng, về mặt bảo toàn năng lượng thì ngay cả một neutron nhiệt cũng không thể được phát ra chứ đừng nói đến một hạt alpha. Và hai hạt alpha là trường hợp hoàn toàn không thể. Tháng 11 năm 1938, Meitner đến thăm Viện Vật lý Lý thuyết của Niels Bohr ở Copenhagen. Tại đây, bà đã gặp Hahn vào ngày 13/11. Meitner đã phân tích cho Hahn và phản đối kịch liệt kết quả radium của Hahn.
Theo lời của Strassmann thì Hahn đã nói với ông rằng, Meitner “yêu cầu ngay lập tức” phải xác minh lại kết quả radium.”Thật may là, quan điểm của bà đối với chúng tôi có sức nặng đến mức chúng tôi đã ngay lập tức bắt đầu lại các thí nghiệm cần thiết”, Strassmann nhớ lại. Đó là những thí nghiệm nhằm xác minh sự tồn tại của radium bằng việc tách nó ra một phần từ chất mang barium. Vì không thể tách được nên nhóm của Hahn đã phải kết luận rằng, “radium” của họ thực ra là một đồng vị của barium, một nguyên tố nhẹ hơn urani rất nhiều.
Tháng 12 năm 1938, trước ngày lễ Giáng sinh. Hahn đã thông báo với Meitner về barium. Nó là một “kết quả hay”, ông viết. “Chúng tôi biết rằng, urani thực sự là không thể tự nhiên vỡ thành barium”. Hahn đã hy vọng là Meitner có thể đề xuất “một số giải thích thú vị.” Trong thư trả lời, Meitner tuy thấy đây là vấn đề khó nhưng vẫn khẳng định với Hahn rằng: “chúng ta không thể nói một cách vô căn cứ rằng: điều này là không thể”. Và bức thư của Meitner chính là món quà Giáng sinh tuyệt vời nhất mà Hahn từng nhận được. Meitner đã quyết đoán rằng, chính kết quả barium sẽ mở rộng thêm lý thuyết hiện có chứ không mâu thuẫn với nó.
Người ta đồn là, về sau Hahn lại nói rằng, nếu Meitner mà còn ở Berlin thì bà sẽ nói với ông về một kết quả khác, không phải barium và sẽ làm cản trở ông trong việc khám phá hiện tượng phân hạch. Nhưng những bức thư của Meitner mà Hahn vẫn giữ đã cho thấy những điều ngược lại.

Củng cố lý thuyết hạt nhân
Otto Frisch, nhà vật lý ở viện của Bohr và cũng là cháu trai của Meitner đã bắt đầu tham gia với bà trong việc nghiên cứu lý thuyết hạt nhân. Họ đã xét đến một mô hình hạt nhân dạng giọt chất lỏng dao động và có thể phân tách thành hai phần. Frisch đã nhận ra rằng, sức căng bề mặt của một hạt nhân nặng như urani có thể là nhỏ không đáng kể. Meitner thì đã hình dung ra những tính toán về sự hụt khối và sinh năng lượng khi hạt nhân phân tách. Khi Meitner và Frisch đưa ra lý thuyết của họ, cộng đồng vật lý đã ngay lập tức chấp nhận khái thuật ngữ “phân hạch” mà họ đề xuất. Và Bohr đã sử dụng nghiên cứu của họ như một xuất phát điểm để xây dựng một lý thuyết đầy đủ hơn.
Công bố về kết quả barium của Hahn và Strassmann xuất hiện trên Naturwissenschaften vào tháng 1 năm 1939; Meitner và Frisch cho đăng lý thuyết giải thích của họ trên Natutre một vài tuần sau đó. Đối với những người không hiểu khoa học hoặc không quan tâm tới chính trị thì có vẻ như là các nhà hoá học đã khám phá ra hiện tượng phân hạch, còn các nhà vật lý chỉ giải thích nó thôi.
Hahn biết sự bắt buộc phải ra đi của Meitner là không công bằng. Ông cũng biết bà là người vô cùng quan trọng đối với khám phá này. Nhưng ông đã không thể nói ra. Ông đã lo ngại cho vị trí của mình và đã rất sợ người ta biết được sự thật rằng, ông và Strassmann vẫn tiếp tục cộng tác với Meitner sau khi bà rời Berlin.
Ông đã quyết định công bố rằng, việc phát minh ra hiện tượng phân hạch chỉ liên quan đến các thí nghiệm hoá học mà ông và Strassmann đã thực hiện hồi tháng 12. Vào tháng 2 năm 1939, ông đã viết cho Meitner như sau: “Chúng tôi tuyệt đối không bao giờ động tới vật lý mà chỉ làm đi làm lại các phân tích hoá học thôi”. Ông đã gọi hiện tượng phân hạch là một “món quà từ thiên đường”, một phép thần diệu mà sẽ bảo vệ ông và viện của ông. Thực ra Hahn cũng chẳng nhất thiết phải li khai khỏi Meitner để biến “phép thần diệu” này thành hiện thực. Mùa xuân năm đó, quân đội Đức đã sớm nhận ra tầm quan trọng của khám phá mới này nên viện của Hahn đã được bảo vệ an toàn.
Sau khi cả thế giới rùng mình về bom nguyên tử, phân hạch trở thành vấn đề nhạy cảm hơn bao giờ hết. Và Hahn đã trở thành một người rất nổi tiếng. Nước Đức thời hậu chiến, Hahn trở thành một hình ảnh tích cực, đại diện cho cả một thế hệ mới, một danh nhân được nhận giải Nobel và là một người Đức mẫu mực, chưa bao giờ tham gia vào chủ nghĩa quốc xã và không tham gia chế tạo bom. Nhưng Hahn đã đối xử với Meitner không được tử tế. Trong hàng loạt bài báo, bài phỏng vấn, hồi ký hay tự thuật của Hahn, không một lần nào ông coi Meitner như một người khởi xướng chương trình nghiên cứu, một cộng sự chủ chốt của nhóm nghiên cứu Berlin kể từ khi bà ra đi. Hahn qua đời ở Gottingen năm 1968, thọ 89 tuổi.

Ở Thụy Điển trong thời gian chiến tranh, những người bạn của Meitner vẫn tin rằng bà chắc chắn sẽ được nhận giải Nobel cho dù bà đã di cư tới bất kỳ nơi nào đi chăng nữa. Năm 1943, Meitner được mời tới Los Alamos để làm bom nguyên tử nhưng bà đã từ chối. Meitner là một phụ nữ sống kín đáo, không thích xuất hiện nhiều trước công chúng. Bà chưa bao giờ viết một hồi ký hay tự thuật nào. Bà rời Stockholm đến Cambridge năm 1960 và mất ở đó năm 1968, chỉ ít ngày trước sinh nhật lần thứ 90 (bà mất cùng năm với Hahn). Ba mươi năm sau khi Meitner mất người ta mới hoàn toàn biết được sự thật và ghi nhận công lao của bà.