Vật chất là gì?

Vật chất tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như thể rắn, thể lỏng, hay thể khí và gồm rất nhiều thành phần. Thành phần nhỏ bé nhất của một chất là nguyên tử. Phân tử là một dạng liên kết hóa học của nguyên tử.

Chẳng hạn, phân tử của nước H₂O là hợp chất hóa học giữa 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy, phân tử CO₂ là hợp chất hóa học giữa 1 nguyên tử cacbon và 2 nguyên tử oxy.

Vậy thì nguyên tử có cấu tạo như thế nào?

Nguyên tử gồm hạt nhân nguyên tử và các điện tử (electron)quay xung quanh nó ở vị trí khá  xa nên có thể nói rằng nguyên tử có cấu tạo chỉ toàn là khoảng trống.

Vậy thì hạt nhân nguyên tử có cấu tạo ra sao? Thực nghiệm chứng minh rằng hạt nhân tạo nên bởi dày đặc các hạt proton và nơtron như hai anh em sinh đôi, trọng lượng giống nhau; chúng chỉ khác ở chỗ proton là hạt tích điện dương còn nơtron là hạt không tích điện, có tên gọi chung là nucleon.

Như vậy, về cơ bản vật chất được cấu thành từ proton, nơtron và electron và với các cách kết hợp rất đa dạng.

Nguyên tử, hạt nhân, điện tử là gì?

Hiện nay trên Trái Đất tồn tại nhiều loại nguyên tố trong tự nhiên. Nguyên tố nhẹ nhất là hydro. Hạt nhân nguyên tử hydro gồm một proton. Thông thường, điện tích dương của hạt nhân và điện tích âm của các điện tử bằng nhau, khi đó nguyên tử sẽ trung hòa về điện.

Nguyên tố được phân biệt theo số proton nằm trong hạt nhân,số đó được gọi là số nguyên tử.

Số nguyên tử của nguyên tử Hydro là 1, số nguyên tử của Uranium là 92. Ngoài ra, người ta gọi tổng số proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử là trọng lượng nguyên tử hay số khối. Đến đây, chúng ta hãy thử cùng xem xét về cấu tạo của hạt nhân nguyên tử Uranium có số nguyên tử là 92 và trọng lượng nguyên tử là 238. Bởi vì số nguyên tử là 92 nên nó có 90 proton, phần còn lại là nơtron, tổng số của proton và nơtron là 238, nên số nơtron sẽ là 238 – 92 = 146.

Mặc dù cùng là Uranium, nhưng trong tự nhiên còn tồn tại loại Uranium có số khối là 235 với số nơtron ít hơn 3 nơtron so với loại Uranium có số khối là 238. Hai loại Uranium này có tính chất hóa học hoàn toàn giống nhau, còn trọng lượng chỉ khác nhau một chút. Để phân biệt chúng, người ta biểu thị tương ứng là ²³⁸U, ²³⁵U và được gọi chung là đồng vị (Isotope).

Số lượng điện tử quay xung quanh hạt nhân cũng có khi tăng hoặc giảm. Nếu số điện tử tăng, thì nguyên tử mang điện tích âm và nếu giảm thì mang điện tích dương. Khi đó, người ta gọi nguyên tử mang điện tích là ion.

Sự thay đổi về hóa học thông thường là do tương tác lẫn nhau của điện tử quay xung quanh hạt nhân và nó không làm thay đổi cấu trúc hạt nhân.

Năng lượng nguyên tử là gì?

Năng lượng sinh ra khi đốt dầu, than, khí và năng lượng sinh ra khi chất nổ phát nổ được gọi là năng lượng sinh ra bởi phản ứng hóa học, là năng lượng sinh ra bởi sự chuyển động của các điện tử quay xung quanh hạt nhân.

Năng lượng nguyên tử là năng lượng sinh ra khi có sự phân hạch hạt nhân hoặc tổng hợp hạt nhân.

Năng lượng của 1g Uranium phân hạch tương đương với năng lượng thu được khi đốt 2.000 kg dầu hoặc 3 tấn than đá.

Năng lượng nguyên tử sinh ra như thế nào?

Trong hạt nhân nguyên tử, các nucleon (không phân biệt proton hay nơtron), khi ở khoảng cách rất bé, sẽ hút nhau rất mạnh. Nhờ năng lượng liên kết này mà proton và nơtron kết hợp với nhau ổn định trong hạt nhân.

Khi phân hạch hạt nhân hay tổng hợp hạt nhân, thì năng lượng liên kết của hạt nhân sẽ được giải phóng ra gọi là năng lượng nguyên tử.

Phản ứng phân hạch hạt nhân là gì?

Uranium trong thiên nhiên cấu tạo bởi 99,3% ²³⁸U và 0,7% ²³⁵U.

Có một quy luật đối với những nguyên tử phân hạch thông thường: những nguyên tử mà số khối là số lẻ sẽ có sự phân hạch tương đối dễ. Như với Uranium, ²³⁵U phân hạch dễ hơn ²³⁸U.

Để tạo ra sự phân hạch ²³⁵U, cần phải làm cho nơtron đi vào hạt nhân của nó. Vì hạt nhân nguyên tử rất nhỏ, nên nơtron có tốc độ cao, mặc dù có thể đến gần hạt nhân, nhưng nhiều khi lại bay qua bên cạnh mà không trúng hạt nhân và cơ hội xâm nhập vào bên trong hạt nhân rất ít. Nếu làm giảm tốc độ của nơtron và kéo dài thời gian tồn tại của nó ở bên cạnh hạt nhân, thì xác suất va chạm với hạt nhân sẽ trở nên cao hơn. Người ta gọi nơtron đã bị giảm tốc độ là nơtron nhiệt (Thermal Neutron).

Nơtron nhiệt sẽ gây ra phản ứng phân hạch (Nuclear Fission) khi va chạm với một hạt nhân nguyên tử ²³⁵U, các mảnh vỡ bay phân tán với tốc độ cao. Khi đó, đã giải phóng ra một năng lượng cực lớn, đồng thời sinh ra 2 đến 3 nơtron mới. Người ta gọi mảnh vỡ phát sinh do phân hạch là sản phẩm phân hạch (Fission Product).

Phần lớn sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ. Sau đây là một số sản phẩm phân hạch tiêu biểu: 

Strontium-90 (⁹⁰Sr): Chu kỳ bán rã khoảng 30 năm, khi hấp thụ vào cơ thể, sẽ đọng ở xương và việc loại bỏ ra ngoài là khá khó khăn.

Iodine-131 (¹³¹I): Chu kỳ bán rã khoảng 30 năm, khi hấp thụ vào cơ thể, sẽ tập trung ở tuyến giáp trạng.

Cesium-137 (¹³⁷Cs): Chu kỳ bán rã khoảng 30 năm, khi hấp thụ vào cơ thể, sẽ bài tiết tương đối sớm ra ngoài qua đường tiêu hóa.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

Hạt nhân Hydro cấu tạo bởi 1 proton. Hạt nhân nguyên tử đơteron, đồng vị của Hydro cấu tạo bởi 1 proton và 1 nơtron. Trong toàn bộ Hydro tự nhiên có khoảng 1/60.000 đơteron.

Nếu kết hợp 2 nguyên tử đơteron, thì sẽ hình thành một hạt nhân gồm 2 proton và 2 nơtron. Đây là hạt nhân nguyên tử Heli. Khi tạo ra Heli bằng cách kết hợp 2 đơteron như vậy sẽ giải phóng ra năng lượng cực lớn. Hiện tượng này được gọi là sự tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion).

Hạt nhân của nguyên tử Heli có cấu tạo rất ổn định và năng lượng liên kết nhỏ, nên năng lượng liên kết dư sẽ được giải phóng. Như chúng ta đều biết, trung tâm của mặt trời là nhà máy của các phản ứng nhiệt hạch. Mặt trời nguyên thủy là một khối Hydro cực lớn. Khi co lại, thì nhiệt độ và áp lực của tâm cao dần lên và khi đạt đến giá trị đủ lớn, thì Hydro kết hợp và tạo ra Heli. Mặt trời tỏa sáng là do năng lượng được giải phóng.

Để thực hiện được phản ứng tổng hợp hạt nhân trên Trái Đất, nhiệt độ cần thiết là khoảng 100 triệu độ. Trong trạng thái như vậy, hạt nhân nguyên tử và các điện tử trở nên hỗn loạn. Vật chất với trạng thái như vậy được gọi là plasma. Plasma mang điện tích, nên có thể nhốt trong chân không bằng điện từ trường mạnh. Điện từ trường có thể tạo ra bằng kỹ thuật siêu dẫn (superconductivity).

Để phát triển quá trình tổng hợp hạt nhân (tạo ra phản ứng nhiệt hạch) có điều khiển, cần tiền đầu tư rất lớn. Một số phương pháp có khả năng duy trì được sự tổng hợp hạt nhân trên Trái Đất hiện đang trong quá trình nghiên cứu, cụ thể là đang có kế hoạch kiểm chứng một phương thức Tokamak thông qua sự hợp tác của các nhà khoa học quốc tế. Dưới sự hỗ trợ của cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), kế hoạch lò thử nghiệm phản ứng tổng hợp hạt nhân quốc tế (ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor) đang được triển khai với sự hợp tác của các nước Mỹ, Nhật Bản, Nga và các nước Châu Âu.

Lò phản ứng nhiệt hạch có thể trở thành hiện thực vào thế kỷ 22. Nếu nhân loại thành công, thì chúng ta sẽ có một nguồn năng lượng vô hạn, bởi vì nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch là Hydro tồn tại vô hạn trên Trái Đất.

Phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền là gì?

Uranium 235 khi phân hạch sẽ có 2 đến 3 nơtron mới được giải phóng ra, mỗi nơtron này sẽ tạo ra sự phân hạch hạt nhân tiếp theo. Và rồi lại có thêm 2 đến 3 nơtron mới được giải phóng. Sự phân hạch hạt nhân một cách liên tục như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền.

Tới hạn là gì?

Tới hạn là trạng thái phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền được duy trì ổn định. Trong lò phản ứng hạt nhân, người ta có thể khống chế được trạng thái tới hạn của lò phản ứng bằng các thanh điều khiển.

Trên Trái Đất, Uranium có trữ lượng khoảng bao nhiêu và phân bố ở những khu vực nào?

Uranium phân bố rất rộng trên Trái Đất. Trữ lượng có khả năng khai thác đã xác nhận là 4 triệu tấn và có thể khai thác trong khoảng 60 năm.

Vì tài nguyên Uranium phân bố chủ yếu ở các quốc gia có tình hình chính trị ổn định, nên ít có nguy cơ bị tác động bởi tình hình quốc tế.

Dưới đây là một số nước có trữ lượng Uranium lớn (% toàn thế giới):

Australia            21%

Kazakhstan       19%

Canada             10%

Nam Phi              8%

Mỹ                      8%

Namibia              7% 

Brazil                  6%

Nga                    4%

Plutonium là gì?

Plutonium (Pu) là nguyên tố phóng xạ nhân tạo không tồn tại trong thiên nhiên. ³²⁸U hấp thụ nơtron và trở thành ²³⁹U, hạt nhân mới này giải phóng tia bêta và trở thành hạt nhân ²³⁹Np, rồi lại phát ra tia bêta một lần nữa để trở thành ²³⁹Pu. ²³⁹Pu có khả năng phân hạch, nên có thể sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng.

Plutonium là chất phóng xạ phát ra tia alpha. Sức xuyên thấu của tia alpha yếu, nên có thể chặn được thậm chí chỉ bằng một tời giấy. Vì thế, việc che chắn tia alpha khá đơn giản. Ảnh hưởng của Pu đáng ngại nhất là khi vào bên trong cơ thể. Nhiễm xạ tia alpha có thể gây ung thư ở phổi, xương, gan.

Do vậy khi sử dụng Pu, điều cơ bản là phải đóng kín nguồn Pu, không để hấp thụ vào cơ thể. Khi làm việc với Pu, người ta sử dụng các thao tác từ xa, thao tác trong các hộp găng tay (glove box) kín, không tiếp xúc trực tiếp với chúng.

²³⁹Pu là nguyên liệu làm bom nguyên tử nên cần phải quản lý hết sức chặt chẽ.

Y. Iwakoshi