Đại Chiến Thế Giới thứ Hai II đã qua với tấn thảm kịch là hai trái bom nguyên tử thả lên Nagasaki và Hiroshima Nhật Bản. Cho tới nay thế giới nói chung vẫn chưa lấy đó làm tấm gương ngăn ngừa để gìn giữ nền hoà bình chung cho toàn thể nhân loại.
Tiên đoán về thảm hoạ của chiến tranh hạt nhân, bác học Albert Einstein nói:
“TÔI KHÔNG CẦN BIẾT THẾ CHIẾN III ĐÁNH NHAU VỀ VŨ KHÍ NÀO, NHƯNG THẾ CHIẾN IV THÌ LOÀI NGƯỜI CHỈ CÒN GẬY, ĐÁ ĐỂ ĐÁNH NHAU MÀ THÔI.”
Dĩ nhiên ai cũng hiểu thảm hoạ tận diệt của thế giới qua đại chiến thế giới lần 3 nếu xảy ra, chắc chắn đó là cuộc chiến tranh hạt nhân chứ không gì khác.
Bác học Einstein sinh năm 1879 tại Đức. Ông là nhà vật lý nổi tiếng vào thời đó ông rất đam mê và phát triển đặc thuyết tương đối. Năm 1905 Ông bắt đầu nghiên cứu về ảnh hưởng của quang điện cùng năng lượng và vật chất cùng phương trình E=mc2 nổi tiếng với lý thuyết cho rằng một khối lượng vô cùng nhỏ của vật chất nhưng có khả năng biến ra một năng luợng vô cùng lớn. Vào năm 1933 ông sang dạy tại Đại Học Princeton Hoa Kỳ và xin tỵ nạn tại Mỹ do lo sợ Đức Quốc Xã. Ông mất năm 1955.
Chiến tranh hạt nhân đi từ sức mạnh vĩ đại của phản ứng hạt nhân
Vật chất và năng lượng trong phương trình Einstein, E=mc2
vào năm 1905 Bác Học Einstein lập ra Đặc Thuyết Tương Đối (special theory of Relativety). ông nói:
"Theo Đặc Thuyết Tương Đối, khối lượng và năng lượng là hai dạng thức biểu hiện khác nhau trong cùng một vật chất: quan niệm này hơi xa lạ với một học lực bình thường. Hơn nữa Phương Trình E bằng m c bình phương trong đó năng lượng E có được từ tích số giữa khối lượng (m) với bình phương tốc độ ánh sáng (C2) cho chúng ta thấy một khối lượng rất nhỏ vật chất cho ta một đại lượng rất lớn về năng lượng và ngược lại. Thực ra, khối lượng và năng lượng tương đương nhau theo công thức đã đề cập trên. Điều này đã được Cockcroft và Walton chứng minh qua thực nghiệm vào năm 1932 "
"It followed from the special theory of relativity that mass and energy are both but different manifestations of the same thing -- a somewhat unfamiliar conception for the average mind. Furthermore, the equation E is equal to m c-squared, in which energy is put equal to mass, multiplied by the square of the velocity of light, showed that very small amounts of mass may be converted into a very large amount of energy and vice versa. The mass and energy were in fact equivalent, according to the formula mentioned above. This was demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932, experimentally."
Nhà bác học giải thích rằng sự tương quan giữa khối lượng m (mass) có từ một dạng động năng E (energy kinetic) do ông khám phá. Và khối lượng đó là thương số giữa động năng E đó với bình phương của tốc độ ánh sáng hay C2
Viết gọn lại, ta có E=mc2 là phương trình nổi tiếng của Einstein. Đặc biệt Eistein nhấn mạnh về một thể năng lượng tương đương tích số giữa khối lượng vật chất với bình phương tốc độ ánh sáng. Nói thì đơn giản, nhưng nó chứa đựng bao vấn đề hệ trọng từ phương trình trên. Từ sự song hành ý nghĩa giữa vật chất và năng lượng. Năng lượng thuần nhất trong trạng thái động nó đang nằm ở dạng HẠT (particle) cùng mang khối lượng.
Tuy nhiên, phương trình ngược lại nó cũng ngầm mang ý nghĩa rằng cần một năng lượng thật lớn mới tạo được một khối lượng thật nhỏ vật chất.Từ đó chúng ta thấy rằng E= mc2 nói ra rằng vật chất và năng lượng là hai đại lượng có thể hoán đổi nhau được. Chúng là hai khía cạnh nằm trong vật chất nào đó.
Vào thế kỷ 18 chúng ta có (1) Nguyên Lý Bảo Tồn Khối Lượng (Principal of mass conservation) của nhà hóa học Pháp Antoine Lavoisier (1743-1794) ; vật chất không bao giờ mất chỉ biến thể thôi. Thật vậy, đốt một que củi sau đó chúng ta cân lại từ khí thải ra, tro bụi sau khi cháy nếu cẩn thận thì nó hoàn toàn bằng khối lượng ban sơ. Qua thế kỷ 19 các nhà khoa học như Rumford, Sadi Carnot, Ludwig Boltzman… lại chú trọng đến (2) Nguyên Lý Bảo Tồn Năng Lượng (the Law of conservation of energy) , họ cho rằng năng lượng nằm ở nhiều dạng : ánh sáng, sức nóng, chuyển động, thế năng…nhưng năng lượng không tự nhiên mà có nó phải do vật chất biến ra và tổng số năng lượng tạo ra nếu cộng lại không bao giờ bị biến mất đi.
E=mc2 & NGUYÊN LÝ THỨ BA là gì?
Bắt đầu thế kỷ 20, Albert Einstein đã khám phá ra nguyên lý thứ BA đó là sự liên kết hai nguyên lý sơ khai trên thành một nguyên lý mà chưa ai ngờ tới , đó là ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG (Einstein’s Conservation Law). Không giống như chúng ta thuờng nghĩ nhưng hệ quả của nguyên lý này hết sức hệ trọng cho đến nay và cả ngày mai. Hãy tưởng tượng bình phương tốc độ ánh sáng một đại lượng quá to tát khi dùng tới từ “quadrillion” ngàn triệu triệu để chỉ ra. Với công thức hay nguyên lý Einstein E = mC2
Thế giới hiện đại đã và đang bước vào thời kỳ của NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN ( nuclear energy)
Điều thông tuệ nhất của bác học Einstein là ông đã nhận chân ra NĂNG LƯỢNG và VẬT CHẤT là 2 thể hoàn toàn khác biệt cùng ở trong một vật thể.
Vật chất có thể chuyển hóa thành năng lượng E. thí dụ một nguyên tử Hydrogen đơn thuần căn bản gồm 1 proton. và hạt proton này (subatomic particle) có khối lương: 0.000 000 000 000 000 000 000 000 001 672 kg
Tuy khối lượng này quá nhỏ, nhưng vô số nguyên tử hydrogen cùng Oxygen hợp lại với nhau ( hằng số Avogadro 6.022 x 1023) thì nó sẽ tạo nên một thực thể có tác động với chúng ta.
Lấy thí dụ, trong một ký lô gam nước nguyên chất chúng ta có khối lượng hydrogen tương đương
mass H = 1kg x 2/18 =0.111kg (một phân tử gram nước có 2g hydrogen và 16g oxygen)
Công thức Einstein sẽ cho ta một năng lượng hết sức lớn
E = mc2
với hệ thống m k s
m: khối lượng tính bằng Kg
c: tốc độ ánh sáng gần bằng 300,000,000 m /sec
E: Joules
= 0.111 x 300,000,000 x 300,000,000
= 10,000,000,000,000,000 Joules
Joule là năng lượng tương đương khi bạn thử làm rơi 1 cuốn sách bình thường lên sàn nhà . Và khi nhìn năng lượng của khối lượng hydrogen từ 1 kg nước tinh khiết chuyển hóa thành thì thực là lớn kinh khủng !
vì đó là năng lượng tạo ra khi chúng ta đốt sạch hàng trăm ngàn gallons dầu khí mới có được!
Nếu như chúng ta chuyển đổi tất cả kg nước kia bao gồm 0.111kg hydrogen và 0.889kg oxygen thành năng lượng thì nó sẽ tương đương với nguồn năng lượng từ 10 triệu gallons dầu khí.
Lưu ý: chuyển đổi thành năng lượng ở đây không giống như ta đốt một khối lượng vật chất, THAN hay carbur hydro chẳng hạn, thành năng lượng; năng luợng này là e ( energy gồm công năng và nhiệt năng thông thuờng), khác với E (viết hoa) là năng luợng hạt nhân là tích số mc2
Năng lượng ở đây không ở dạng vật chất nữa mà là thể dạng NĂNG LƯỢNG
Như Einstein đã nói .: ..
“VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG LÀ 2 TRẠNG THÁI KHÁC XA NHAU HOÀN TOÀN TRONG CÙNG MỘT VẬT THỂ, CHUYỆN NÀY XEM CHỪNG XA LẠ ĐỒI VỚI NHỮNG NGUOI TRUNG BÌNH.”
Vấn đề chúng ta đặt ra là sự thực chúng ta có khả năng chuyển hóa nó thành năng lượng E (Einstein) được hay không?
Phương cách duy nhất để khối lượng 1 kg nước này biến thân hoàn toàn thành năng lượng E thì 1 kg nước đó phải bị hủy diệt tính vật chất (annhilated) toàn bộ. Đây là tiến trình hủy diệt TÍNH VẬT CHẤT của chúng, nó đòi hỏi phải có khối lượng tương đồng PHẢN VẬT CHẤT bằng nó, tương đồng khối lượng nhưng mang toàn âm điện (negative charge).
Loại PHẢN VẬT CHẤT có HIỆN HỮU và người ta thấy được nó . Đó là các HẠT HẠ NGUYÊN TỬ (subatomic particles)-đứng sau và nhỏ hơn cấu trúc căn bản của nguyên tử-trong quá trình phân rã phóng xạ. Một thứ chúng ta có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm.
Nhưng hạt này có tính tự hủy và khó sống còn cùng lúc đối với các chất liệu bình thường như nước. Với lý do này chúng ta không thể nào đem 1 kg nước trộn lẫn với 1 kg “phản vật chất nước” để cho ra năng lượng được.
Hiện tượng đặc biệt của các hạt căn bản như PROTON chẳng hạn nó có tính nối kết. Nhân của hydrogen gồm chỉ 1 proton đơn thuần thôi. Nếu có 2 protons thì nó lại là nguyên tử helium. Đây là lối giải thích cách thành lập các nguyên tố… và cứ như thế tiến trình này cứ nhân lên mãi có nghĩa tăng số protons trong nhân (nucleus) lên cho đến các nguyên tố NẶNG NHẤT; thí dụ: Uranium trong nhân có 92 protons.
Chúng ta cũng có thể kết hợp hai proton tự do (hydrogen nuclei) với nhau để có một hạt nhân helium ban sơ [ Deuteron -hình trái ]. Tiến trình này đòi hỏi hai proton này lao vào nhau với tốc độ cực nhanh. Chuyện này xảy ra ở mặt trời chúng ta trong phản ứng sơ khai:
1H + 1H –> 2H + antielectron + neutrino
nhưng với kỹ thuật tối tân của con người như lasers, từ trường, hay tại tâm của bom nguyên tử chúng ta có thể thực hiện được và gọi đó là: PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN (nuclear fusion) Có gì thú vị khi chúng ta ép buộc tổng hợp hạt nhân như thế kia? Khi các protons (dương điện tử) bị tổng hợp nó sẽ mất đi một phần khối lượng tương đương 0.7% tổng số khối lượng tổng hợp [sự mất đi từ các hạ nguyên tử positron và neutrino trong hình trên ]. Nếu chúng ta chuyển ngược khối lương này ra năng lượng theo công thức E = mc2
Từ những nguyên tố nặng hơn sắt (Fe) tất cả đều không ổn định. Có một số lại RẤT KHÔNG ỔN ĐỊNH. Có nghĩa rằng nhân của chúng quá nhiều dương điện tử hay có nhiều dương điện (positively charged protons) chúng đẩy lẫn nhau đưa đến tình trạng phân tán bất cứ lúc nào! Nên chúng ta gọi NHỮNG NGUYÊN TỐ NÀY CÓ TÍNH PHÓNG XẠ. Lấy thí dụ, nguyên tố Uranium có tính phóng xạ. Từng giây đồng hồ hàng loạt nguyên tử Uranium tan rã ra thành từng nguyên tố mới và dĩ nhiên là nhẹ hơn vì ít protons hơn. Lại có một lượng nhỏ bị mất đi và nó đã chuyển hóa thành năng lựơng một lần nữa theo công thức E=mc2. Tiến trình này gọi là PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN (nuclear fission).
Hai phản ứng hạt nhân nói trên đều có phóng thích một khối lượng nhỏ vật chất để chuyển hóa thành năng lượng, một năng lượng khổng lồ theo công thức Einstein. Xem chừng ngang đây chúng ta đã quen dần cách dùng nó. Phản ứng tổng hợp hạt nhân -nuclear fusion- là những vũ khí mới hơn đang có trên nhiều đầu đạn hạt nhân hiện đại. Phản ứng phân hạch (nuclear fission) xem chừng đã cổ hơn và nó ít sức mạnh hơn hiện nay, tuy thế cũng gây bao tang tóc trong Thế Chiến Hai (NAGASAKI + HIROSHIMA) hay các vụ tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân.
Quả bom nguyên tử đầu tiên Hoa kỳ thử nghiệm tại quận SOCORRO , NEW MEXICO, U.S.A.sáng sớm 16 tháng 7 1945 , năng lượng tương đương 18 ngàn tấn TNT.
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CŨNG TỪ NGUYÊN LÝ NÀY
Năng lượng mặt trời cũng từ kết quả E =mc2
Phản ứng nhiệt hạch (nuclear thermal reaction) tại tâm mặt trời là phản ứng tổng hợp (nuclear fusion) giữa tritium H3 và deuterim H2 cho ra helium H4 và năng lượng mặt trời còn gọi là tia bức xạ mặt trời(solar radiation). Phản ứng này cách xa trái đất tới ngót 90 triệu dặm nên năng lượng đã yếu lần cho khi đến trái đất. Tuy vây theo tính toán cũng còn một năng lượng tương đương 400 watts trên mỗi mét vuông mặt địa cầu, đủ cho 4 ngọn đèn 100 watt cháy sáng. Nếu ứng dụng sức nóng này qua các tia phản chiếu ở các tấm gương đun nguồn chất lỏng , và dù còn 30 phần trăm thôi chúng ta cũng có nguồn điện cho nhân loại , ý niệm này là khởi đầu của từ “Thermal Solar ” nguồn nhiệt lấy từ mặt trời. Sự tìm tòi khám phá khoa học cùng lương tâm một nhà khoa học là chân lý và tìm tòi chân lý. Thế hệ tương lai hòa bình hay thảm nạn đều do con người quyết định. Còn khoa học thì mang tính tự nhiên và khách quan.
Bác học Albert Einstein hiểu công thức này sẽ đưa đẩy nhân loại về đâu? Khoa học đang phục vụ chiến tranh vào thời đại của ông. Trước đại họa nhân loại khi quân phát xít Hitler và Nhật đang ngày đêm ráo riết hoàn thiện những quả bom nguyên tử đầu tiên, mới đào tỵ sang Hoa kỳ cùng với hai nhà khoa học Do thái khác là Leo Szilard và Eugene Wigner năm 1939, ông đã khẩn khoản với TT Franklin D Rosevelt xin ngân sách hoàn thiện gấp Dự án Manhattan để sở hữu vũ khí nguyên tử trước phe Trục (phát xít)
Thế là công thức E=mc2 phục vụ nhân loại trước tiên bằng “chết chóc” kinh hoàng do sức mạnh vĩ đại của nó nhưng mỉa mai thay lại gây ra thảm hoạ hạt nhân đầu tiên qua 2 trái bom nguyên tử dội thả xuống hai thành phố Hiroshima và Nagasaki Nhật bản vào năm 1945./.
Đinh Hoa Lư 23/7/2016
tài liệu tham khảo
http://www.biography.com/people/albert-einstein-9285408
https://www.britannica.com/science/E-mc2-equation
http://www.worsleyschool.net/science…emc2/emc2.html
http://www.energytribune.com/2771/understanding-e-mc2#sthash.J9ZIZVqW.dpbs
UC Davis ChemWiki
http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Atomic_Theory/The_Atom/Sub-Atomic_Particles
http://zebu.uoregon.edu/~soper/Sun/fusionsteps.html
https://www.utdallas.edu/~parr/chm5414/54140903.html
No comments:
Post a Comment