Để đến được Dự án Manhattan và các vụ đánh bom ở Hiroshima và Nagasaki, bạn có thể hiểu được những tiến bộ đạt được trong vật lý dẫn đến Thế chiến thứ hai. Giữa những năm 1919 và đầu những năm 1930, các nhà khoa học đang ghép các phần quan trọng của cấu trúc nguyên tử lại với nhau . Năm 1919, tại Đại học Manchester ở Anh, nhà vật lý người New Zealand, Ernest Rutherford đã phát hiện ra proton , các hạt mang điện tích dương nằm trong hạt nhân của nguyên tử, cùng với các electron mang điện tích âm quay xung quanh tâm, tạo nên nguyên tử.
Có một vấn đề - các nhà vật lý không thể giải thích tại sao một số nguyên tố lại có trọng lượng khác nhau. Điều này vẫn còn là một bí ẩn cho đến năm 1932, khi James Chadwick, một trong những đồng nghiệp của Rutherford, phát hiện ra neutron , một hạt hạ nguyên tử thứ ba. Không mang điện tích, neutron chia sẻ không gian với proton trong hạt nhân nguyên tử. Trong khi số proton và electron luôn giống nhau đối với bất kỳ nguyên tố nào - ví dụ, carbon luôn có 14 proton và 14 electron - có thể có số lượng neutron khác nhau. Điều này giải thích tại sao cacbon có thể có trọng lượng khác nhau, mặc dù về cơ bản nó là cùng một nguyên tố. Các trọng lượng khác nhau này của các nguyên tử được gọi là đồng vị .
Vào khoảng thời gian này, các nhà khoa học bắt đầu sử dụng máy gia tốc hạt để bắn phá hạt nhân của nguyên tử với hy vọng tách nguyên tử và tạo ra năng lượng. Ban đầu, họ đạt được rất ít thành công - các máy gia tốc hạt ban đầu bắn ra các hạt proton và hạt alpha, cả hai đều mang điện tích dương. Ngay cả ở tốc độ cao, những hạt này vẫn dễ dàng bị đẩy lùi bởi các hạt nhân mang điện tích dương, và những nhân vật như Rutherford, Albert Einstein và Niels Bohr cảm thấy rằng việc khai thác sức mạnh nguyên tử gần như là điều không thể.
Điều này đã thay đổi khi nhà vật lý người Ý Enrico Fermi nghĩ rằng sử dụng neutron để bắn phá vào năm 1934. Vì neutron không có điện tích nên chúng có thể va vào hạt nhân của nguyên tử mà không bị đẩy lùi. Ông đã bắn phá thành công một số nguyên tố và tạo ra những nguyên tố phóng xạ mới trong quá trình này. Những gì Fermi đã làm, mà không cần công nhận, là khám phá ra quá trình phân hạch hạt nhân . Hai nhà khoa học người Đức là Otto Hahn và Fritz Strassmann là những người đầu tiên chính thức thừa nhận quá trình này vào năm 1938 khi họ tách thành công nguyên tử uranium thành hai hoặc nhiều phần.
Uranium , nguyên tố tự nhiên nặng nhất trên Trái đất, đã tham gia vào nhiều quá trình sơ khai này và trở thành một chủ đề thu hút sự quan tâm của giới vật lý vì một vài lý do. Uranium là nguyên tố tự nhiên nặng nhất với 92 proton. Ngược lại, hydro cực kỳ nhẹ và chỉ có một proton. Tuy nhiên, phần thú vị về uranium không phải là số lượng proton quá nhiều - đó là số lượng neutron cao bất thường trong các đồng vị của nó. Một đồng vị của uranium, uranium-235, có 143 neutron và trải qua quá trình phân hạch gây ra rất dễ dàng.
Khi một nguyên tử uranium phân tách, về cơ bản nó sẽ mất đi khối lượng. Theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc² , trong đó E là năng lượng , m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng , vật chất có thể được chuyển đổi thành năng lượng. Bạn càng có nhiều vật chất, bạn càng có thể tạo ra nhiều năng lượng. Uranium rất nặng vì nó có rất nhiều proton và neutron, vì vậy khi nó bị tách thành hai hoặc nhiều phần, nó sẽ mất đi nhiều vật chất hơn. Sự mất khối lượng này, nhỏ như một nguyên tử, tương đương với việc tạo ra một lượng lớn năng lượng.
Trên hết, các neutron phụ tách ra khỏi các mảnh của một nguyên tử uranium bị tách ra. Vì một pound uranium chứa hàng nghìn tỷ nguyên tử, nên khả năng một neutron đi lạc va vào một nguyên tử uranium khác là rất cao. Điều này thu hút sự chú ý của thế giới vật lý - một phản ứng dây chuyền có kiểm soát có thể tạo ra năng lượng hạt nhân an toàn , trong khi một phản ứng không kiểm soát có khả năng tàn phá.
Ở trang tiếp theo, chúng ta sẽ nói về quyết định chế tạo bom hạt nhân của Hoa Kỳ.
