Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 61)

TIẾP TỤC DỰ ÁN MANHATTAN

Nghiên cứu Dự án Manhattan đã khởi động. Vấn đề chính là tách U-235 ra khỏi uranium thiên nhiên. Hạt nhân uranium sẽ phân hạch vì nó quá lớn và không bền, và nó có xu hướng dễ dàng vỡ làm hai mảnh. Hai đồng vị của uranium mỗi đồng vị có 92 proton, nhưng U-238 có 146 neutron và U-235, đồng vị dễ dàng phân hạch, có 143 neutron. Khi bắn một neutron vào U-235, hạt nhân của nó vỡ thành barium và krypton, và quan trọng hơn hết thảy, khi nó chia tách, nó sẽ giải phóng neutron tiếp tục làm chia tách các hạt nhân khác. Vấn đề là chưa tới 1 phần trăm uranium thiên nhiên là U-235. Để làm bom, cần có U-235, hay ít nhất là uranium được làm giàu cao (uranium chủ yếu chứa U-235).18

Được biết có ba phương pháp phân tách, hay làm giàu, uranium: khuếch tán hơi, khuếch tán nhiệt, và cái gọi là phương pháp điện từ. Trong trường hợp khuếch tán hơi, người ta cho uranium thiên nhiên đi qua ba loại môi trường xốp. Hạt nhân U-238 nặng hơn sẽ dần dần bị bỏ lại phía sau, và vật liệu thu được sẽ dần dần tăng tỉ lệ U-235 của nó. Trong phương pháp này, uranium được kết hợp với fluorine thành khí fluoride. Công nghệ khuếch tán lúc bấy giờ chỉ cho phép chia tách vài micro gam uranium làm giàu. Vì thế một điều ai cũng thấy là phải thực hiện công nghệ này trên quy mô rất lớn mới thu đủ uranium làm giàu cho một quả bom trong một lượng thời gian hợp lí. Nhà máy được bố trí tại Oak Ridge, Tennessee, vào năm 1943; nó được gọi là K-25, và không người nào làm việc ở đó biết nó dùng để làm gì. Mọi thứ được giữ bí mật. Chrysler chế tạo những bộ khuếch tán khổng lồ theo yêu cầu, và một vấn đề sớm phát sinh. Các bộ khuếch tán đó phải làm bằng nickel, và nguồn cung nickel thì đang thiếu, nhưng Chrysler sớm nghĩ ra một cách khắc phục vấn đề.

Tổng thể nhà máy thật đồ sộ, bao phủ diện tích hai triệu foot vuông (dài nửa dặm nhân rộng bốn trăm foot). Hơi đi qua mười nghìn dặm đường ống trước khi nó được làm giàu đủ mức để dùng làm bom. Khoảng mười bốn pound uranium làm giàu được sản xuất từ mỗi tấn quặng uranium.

Phương pháp làm giàu thứ hai được gọi là phương pháp điện từ. Nó được Lawrence và đội của ông khám phá tại Đại học California ở Berkeley, và nó đòi hỏi cyclotron, hay máy va chạm nguyên tử, mới mà Lawrence vừa mới xây dựng xong. Groves không tin mấy vào phương pháp này vì nó chỉ sản xuất được vài micro gam vật liệu làm giàu. Tuy vậy, ông vẫn cho triển khai công trình như là một phương án dự phòng cho nhà máy khuếch tán hơi, trong trường hợp sự khuếch tán hơi không hoạt động được. Nhà máy điện từ cũng được bố trí tại Oak Ridge, và nó được gọi là Y-12. Một lần nữa, nó là một nhà máy khổng lồ, lớn gần ngang ngửa nhà máy khuếch tán hơi, và một lần, không một công nhân nào biết nó được dùng để làm gì.

Thế nhưng, dẫu với hai chương trình này, mọi thứ vẫn diễn ra quá chậm đối với Groves. Ông quyết định thiết lập một nhà máy khuếch tán nhiệt, cũng đặt tại Oak Ridge. Thật bất ngờ, nó được xây dựng trong vỏn vẹn sáu mươi chín ngày. Một lần nữa, nó không sản xuất nhiều uranium làm giàu lắm, nhưng người ta sớm phát hiện rằng nếu lấy vật liệu từ nhà máy điện từ cho vào nhà máy nhiệt, thì quá trình sẽ hiệu quả hơn nhiều.

Trong khi mọi thứ diễn ra, Groves lại có một dự phòng khác. Vào cuối năm 1942, Fermi đã chứng minh rằng có thể chế tạo lò phản ứng hạt nhân. Và người ta sớm biết rõ rằng có thể sản xuất plutonium trong lò phản ứng từ U-238, và plutonium đó cũng là một hạt nhân có thể phân hạch. Hơn nữa, plutonium tương đối tinh khiết có thể được sản xuất với tốc độ cao hơn U-235. Thế nên Groves hạ lệnh xây dựng ba lò phản ứng hạt nhân ở Hanford, Washington. Chúng có mật danh là X-10. Vấn đề ở giai đoạn này là chỉ mới có những lò phản ứng towng đối nhỏ được xây dựng, và so ra thì các lò ở Hanford sẽ phải thật đồ sộ, thế nên phải phát triển công nghệ thật nhanh. Các lò phản ứng được xây dựng dưới sự chỉ đạo của Gilbert Church, và lạ thay, ông này chẳng biết cái họ đang xây dựng dùng để làm gì. Ông tuyển mộ bốn mươi lăm nghìn công nhân từ khắp đất nước, và không ai trong số họ được biết các dụng cụ ấy là gì, hay chúng được dùng để làm gì.

Cuối cùng, vào đầu năm 1945, mọi thứ bắt đầu sáng sủa hẳn lên. Những lượng lớn uranium làm giàu được sản xuất cùng với lượng đáng kể plutonium. Trong vòng mấy tháng đã có đủ uraniu cho một quả bom và có đủ plutonium cho mấy quả bom.

Trong khi mọi chuyện này diễn ra, thì công việc tại Los Alamos vẫn tiếp diễn. Lần lượt từng vấn đề được khắc phục. Bây giờ người ta đã rõ cần bao nhiêu uranium hay plutonium cho một khối tới hạn. Đã có thành tựu đáng kể cho cả hai thiết kế mang các khối lượng dưới-tới hạn lại với nhau: thiết kế súng và phương pháp nổ vào trong. Thật vậy, người ta biết rằng thiết kế súng sẽ không hoạt động với plutonium. Ngay cả khi dùng U-235 cho thiết kế súng, nó cũng có vẻ như không hoạt động tốt bằng phương pháp nổ vào trong. Các tính toán cho thấy rằng nổ vào trong sẽ nén ép các khối lượng đó đến mật độ siêu-tới hạn mà không cần một khối lượng siêu-tới hạn. Hơn nữa, có thể dùng chất nổ thông thường để ép các chốt dưới-tới hạn lại với nhau.

Hai quả bom đã được phát triển, gọi là Fat Man (FM) và Little Boy (LB). Little Boy được làm bằng uranium làm giàu, còn Fat Man sử dụng plutonium. Lúc này đã có nhiều plutonium hơn uranium, thế nên các thử nghiệm ban đầu được thực hiện với bom plutonium.

 

Các chi tiết của một lò phản ứng đơn giản

 

Các chi tiết của một lò phản ứng đơn giản.

 

TRINITY

Câu chuyện có một bước ngoặt lạ vào tháng Tư 1945. Vào ngày 12 tháng Tư, Franklin Rooselvelt, người nhiệt thành ủng hộ chế tạo bom, qua đời, và Harry Truman lên làm tổng thống thứ ba mươi ba của nước Mĩ. Lạ thay, Roosevelt nói rất ít với ông về chuyện chế tạo bom nguyên tử, nhưng ông thật sự có biết sự tồn tại của Dự án Manhattan. Chẳng ai biết Truman trông đợi điều gì. Thế nhưng, như chuyện vỡ lẽ, ông đã sẵn sàng cho nhiệm vụ. Cuộc chiến ở Đức đã kết thúc trong vòng mấy tuần, thành ra rõ ràng không cần dùng bom ở đó nữa. Tuy nhiên, Nhật Bản vẫn ngoan cố cầm cự, và có vẻ như họ có thể cầm cự trong một thời gian dài.

Tuy nhiên, trước khi đưa ra quyết định có sử dụng bom hay không, người ta phải thử xem nó có thật sự hoạt động được không. Địa điểm thử được gọi là Trinity; nó nằm xa sáu mươi dặm về phía tây bắc Alamogordo, New Mexico, trên một khu sa mạc hoang vắng. Tại điểm zero (điểm bom nổ thật sự), một tháp cao 110 foot được dựng lên; quả bom được đặt trên đỉnh tháp. Một trung tâm chỉ huy kiên cố được xây dựng cách đó gần mười nghìn yard; một vài boongke khác cũng được xây dựng trong khu vực. Số lượng lớn thiết bị cũng được lắp đặt khắp khu vực nhằm đo lường tác động của vụ nổ.19

Đó là một quả bom plutonium trong đó sử dụng chừng mười một pound plutonium. “Quả cầu” plutonim đó chừng bằng kích cỡ của một quả cam nhỏ. Vụ thử vốn được dự tính trong ngày 4 tháng Bảy, nhưng các vấn đề phát sinh và nó được lùi lại vào ngày 16 tháng Bảy. Oppenheimer khăng khăng rằng nên diễn tập (không có nổ) trước khi thử nghiệm thực tế. Nó được lên lịch cho ngày 14 tháng Bảy, và trước sự chán nản của Oppenheimer, họ lại phát hiện một trục trặc. Thùng đựng dụng cụ nổ hơi nứt nhẹ và có vết lằn. Oppenheimer lo lắng nó sẽ gây trục trặc, nhưng có lẽ đã quá muộn để gọi điện hoãn vụ thử ngày 16 tháng Bảy. Mọi thứ được kiểm tra lại; Hans Bethe săm soi thật kĩ từng chi tiết của dụng cụ để đảm bảo rằng không có vấn đề gì. Tuy nhiên, có một số điều không chắc chắn; vấn đề quan trọng là bao nhiêu năng lượng được giải phóng trong vụ nổ. Chẳng ai chắc nó bằng bao nhiêu; các ước tính thay đổi từ tương đương một vụ nổ bốn mươi lăm nghìn tấn TNT cho đến tương đương chỉ một nghìn tấn.

Vụ nổ xảy ra lúc 5:30 sáng ngày 16 tháng Bảy. Trước thời điểm zero vài tiếng đồng hồ, một cơn dông ập đến và trời bắt đầu đổ mưa. Tuy nhiên, cuối cùng thì mưa tạnh và bầu trời trong xanh, thế nên mọi thứ suôn sẻ theo lịch định. Tất cả những người quan sát đều được trang bị kính mắt thợ hàn để bảo vệ mắt. Đếm ngược bắt đầu diễn ra ngay trước 5:30. Khi đếm ngược đến zero, mọi người nín thở hồi hộp. Bất ngờ một vùng sáng nhỏ lóe lên gần đường chân trời. Trong vòng mấy giây nó đã lớn lên thành một cảnh tượng ngoạn mục: một quả cầu đỏ khổng lồ quá sáng không nhìn thẳng được. Mọi người im lặng; rồi đến vụ nổ, sau đó là một tiếng rền ngân dài. Thoạt đầu, có sự im lặng hoàn toàn giữa những người quan sát, rồi có vài người làm dấu thánh. Nó đã nổ. Fermi tất bật trong lặng lẽ làm một thí nghiệm đơn giản: ông thả rơi vài mẩu giấy nhỏ xem chúng bị sóng xung kích mang đi bao xa. Cách này cho một ước tính về năng lượng được giải phóng. Ông nhanh chóng chỉ ra rằng nó tương đương với khoảng mười nghìn tấn TNT. Tin tức thành công lập tức được gửi đến Tổng thống Truman.

BOM CỦA NGƯỜI ĐỨC

Lúc này mọi chuyện đã sáng tỏ: người Mĩ, với sự hỗ trợ của người Anh, đã đánh bại người Đức về bom nguyên tử. Thế chuyện gì đã xảy ra với dự án Đức? Rõ ràng Hitler muốn có các vũ khí ưu việt, kể cả bom nguyên tử. Ông thường xuyên khoe khoang về chúng, nhưng khi nước Đức bắt đầu thua trận, ông muốn mọi thứ càng nhanh càng tốt, và tên lửa V-2 có vẻ được sản xuất nhanh hơn nhiều so với bom nguyên tử, nên phần lớn chú ý của ông chuyển sang phát triển tên lửa. Cuối cùng, ông bắt đầu mất quan tâm với việc tài trợ cho dự án bom nguyên tử, thế nên ít có lượng tiền được đổ vào. Tuy vậy, một chương trình chủ động vẫn tiếp tục cho đến gần kết thúc cuộc chiến. Tuy nhiên, vào năm 1943, các đợt tấn công của quân Đồng Minh vào Berlin tăng lên nhanh chóng, buộc họ phải di dời các bộ phận chính của dự án về tây nam nước Đức.

Tuy vậy, người Mĩ và người Anh vẫn lo lắng, không biết chương trình hạt nhân Đức đã triển khai tới đâu. Xét cho cùng, người Đức có một khởi đầu tốt hơn, với khám phá phân hạch xảy ra ở Berlin. Bởi vậy, Groves thiết lập một nhóm gồm các nhà khoa học và sĩ quan quân đội vào tháng Chín 1943 gọi là Sứ mệnh Alsos. Mục đích của nó là đi theo quân Đồng Minh, khi họ hành quân qua Italy, Pháp, và Đức, tìm hiểu càng nhiều càng tốt về dự án bom của Đức và bất kì dự án nào khác tương tự như vậy. Nhóm gồm ba mươi ba nhà khoa học và bảy sĩ quan quân đội. Tiến sĩ Sumel Goudsmit làm trưởng nhóm khoa học và đại tá Boris Pash chỉ huy. Họ được giao nhiệm vụ bắt giữ các nhà vật lí Đức và tìm kiếm lượng uranium mà người Đức có thể đã tích trữ.

Nhìn chung, họ đã theo sát phía sau tiền tuyến, nhưng trong một số trường hợp họ thật sự đã băng qua tiền tuyến và đi dưới lửa đạn. Họ nhanh chóng phát hiện khoảng một nghìn tấn quặng uranium đã được chở sang Đức và phân phối cho một vài phòng thí nghiệm ở Đức và nước Pháp bị chiếm đóng. Họ còn tìm thấy các tư liệu và thông tin khác tại Đại học Strasbourg cho biết có các phòng thí nghiệm liên quan đến nghiên cứu hạt nhân ở Haigerloch, Hechingen, và Tailfingen ở tây nam nước Đức. Tuy nhiên, có một vấn đề phát sinh; người Nga lúc này đã tiến quân vào Đức từ phía đông, và người Pháp cũng có quân đội đang tiến công theo hướng tây nam Đức. Groves và giới chóp bu quân sự khác không muốn các địa điểm nghiên cứu hạt nhân rơi vào tay Liên Xô, hay dù là rơi vào tay Pháp, trước khi họ đến nơi.

Pash kêu gọi tướng chỉ huy Mĩ tiến công về hướng tây nam, nhưng ông ta bảo đã có thỏa thuận với người Pháp. Người pháp sẽ chiếm vùng đó, và ông phải được phép từ phía Pháp mới được vào. Pash phát bực; tuy nhiên, ông khởi hành đi Hechingen và lừa qua mặt được một số vệ binh Pháp, nhưng nhóm của ông bị chặn lại trước khi tới nơi. Một lần nữa, ông phải cãi nhau với một sĩ quan Pháp, song cuối cùng ông cũng được phép đi qua.

Vào sáng ngày 24 tháng Tư, Đại tá Pash và nhóm của ông cuối cùng cũng tới được Hechingen. Ông bất ngờ khi thấy vẫn còn một nhóm lính Đức trong khu vực, và trận đánh kéo dài một giờ đồng hồ. Cuối cùng, nhóm ông tiến vào thị trấn nhỏ này và bắt đầu tìm kiếm phòng thí nghiệm hạt nhân. Họ nhanh chóng tìm được văn phòng và phòng thí nghiệm của Heisenberg, và họ bắt giữ một vài nhà khoa học quan trọng, nhưng Heisenberg đã rời đi. Tuy nhiên, họ phát hiện lò phản ứng của ông ở cách đó vài dặm trong một hang động gần thị trấng Heigerloch láng giềng. Nó nằm bên dưới một nhà thờ. Lò phản ứng có dạng trụ và được làm bằng các khối graphite; tuy nhiên, không thấy uranium đâu, nước nặng đã sử dụng cũng không thấy. Tuy nhiên, ở địa điểm gần đó, nhóm phát hiện ba thùng nước nặng và một tấn rưỡi uranium dạng thỏi được chôn trên một cánh đồng gần đó.

Còn Heisenberg vẫn mất dấu. Tiến quân vào, Pash và người của ông tìm thấy Heisenberg tại nhà ông ta đang chờ họ. Đội trở lại hang động lấy đi hết những thứ họ muốn rồi đặt thuốc nổ xóa sổ nó. Tuy nhiên, các chức sắc trong nhà thờ xin họ đừng kích nổ, giải thích rằng vụ nổ có thể làm sập nhà thờ và tòa lâu đài phía trên hang động. Vì thế, họ để lại nó nguyên vẹn.

Vấn đề sớm được làm rõ là người Đức chẳng có mấy tiến bộ về chế tạo bom. Heisenberg vẫn đang cố có được một lò phản ứng hoạt động, và không có nó thì không thể có bom được.

QUYẾT ĐỊNH NÉM BOM NHẬT BẢN

Vụ thử Trinity chứng minh bom nguyên tử hoạt động được. Nhưng chiến tranh với Đức đã kết thúc, vì thế nó không được sử dụng ở Đức. Tuy nhiên, cuộc chiến với Nhật Bản còn lâu mới kết thúc, mặc dù rõ ràng quân lực Mĩ đang giành phần thắng và cuối cùng Nhật Bản sẽ bị chiếm đóng. Vì thế câu hỏi đặt ra là, nước Mĩ có nên dùng bom hay không, và nếu có thì nên ném bom những thành phố nào? Đúng như dự tính, đã có ý kiến phản bác từ cả hai phía. Việc Nhật Bản ném bom Trân Châu Cảng, và sự ngoan cố của người Nhật tại Okinawa và Iwo Jima và những nơi khác ở Thái Bình Dương, cho thấy rằng đầu hàng là một từ xa lạ đối với họ; họ sẽ chiến đấu cho đến người cuối cùng. Hơn nữa, Tokyo chịu hỏa lực đến gần như thành bình địa, song người Nhật vẫn tiếp tục chiến đấu. Có vẻ như giải pháp duy nhất là xâm chiếm đất liền, và chẳng mấy người muốn thế vì rõ ràng như vậy có nghĩa là tiêu hao rất nhiều sinh mạng con em người Mĩ.20

Tuy nhiên, nhiều người lo ngại về các hệ lụy của việc thả bom nguyên tử. Szilard là một trong những người xông xáo nhất. Ông cố gặp cho bằng được Tổng thống Truman; ông còn gửi một thư thỉnh cầu được năm mươi ba nhà khoa học kí tên. Ông cố thuyết phục tổng thống nên trình diễn bom nguyên tử cho người Nhật thấy trước đã. Hiển nhiên Truman đã xem xét kĩ lưỡng lập luận từ cả hai phía và quyết định cho ném bom. Xét cho cùng, những đợt tập kích bằng đường không vào Nhật Bản sử dụng bom thông thường đã gây thiệt hại tương đương với hai mươi nghìn tấn TNT. Con số này tương đương với sức mạnh của một quả bom nguyên tử. Và người Nhật vẫn chưa chịu đầu hàng.

Do đó, hai quả bom nguyên tử đã được thả xuống, quả thứ nhất ở Hiroshima vào ngày 6 tháng Tám 1945, và quả thứ hai ở Nagasaki vào ngày 9 tháng Tám. Vài ngày sau, Nhật Bản đầu hàng.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Ai đã phát minh ra ABC?
16/02/2020
Lâu nay người ta vẫn cho rằng các thư lại Ai Cập đã sáng chế ra bảng chữ cái đầu tiên. Tuy nhiên, đó chưa phải là toàn bộ
Toán học cấp tốc (Phần 10)
15/02/2020
e e là một số siêu việt và là một trong những hằng số cơ bản của toán học. Được gọi là hằng số Euler, nó có giá trị
Toán học cấp tốc (Phần 9)
15/02/2020
Số đại số và số siêu việt Một số đại số là nghiệm của một phương trình chứa lũy thừa của biến x, một đa thức
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 62)
15/02/2020
Chương 18 BOM KHINH KHÍ, TÊN LỬA LIÊN LỤC ĐỊA, LASER VÀ TƯƠNG LAI Sau sự phát triển bom nguyên tử, bản chất của chiến tranh
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 61)
15/02/2020
TIẾP TỤC DỰ ÁN MANHATTAN Nghiên cứu Dự án Manhattan đã khởi động. Vấn đề chính là tách U-235 ra khỏi uranium thiên nhiên.
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 42)
15/02/2020
NÓ THỰC SỰ LÀ MỘT BỘ NÃO? Mặc dù các nhà khoa học này tuyên bố rằng mô phỏng máy tính của họ về não sẽ bắt đầu
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 41)
15/02/2020
XÂY DỰNG MỘT BỘ NÃO Giống như nhiều đứa trẻ khác, tôi đã từng thích tháo rời đồng hồ, tháo rời chúng, vặn hết ốc
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 88)
14/02/2020
Neptunium Vào năm 1940, các nhà vật lí Mĩ Edwin McMillan (1907–91) và Philip Abelson (1913–2004) đã tạo ra nguyên tố đầu tiên nặng

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com