Hans Albrecht Bethe (1906-2005)  cha đẻ phản ứng nhiệt hạch trong Mặt trời,  Nobel năm 1967 với thuyết chế tạo năng lượng trong các ngôi sao sáng

  Hans Albrecht Bethe  sinh ngày 2 tháng 7 năm 1906 tại Strasbourg [1], thuộc Alsace-Lorraine lúc đó còn là lãnh thổ của Ðức.   Ông theo học trường trung học ở Frankfurt trong 9 năm, từ 1915 đến 1924.  Ông học đại học Munich trong hai năm, rồi chuyển qua đại học Frankfurt học tiếp  để lấy bằng tiến sĩ về Lý thuyết Vật lý năm 1928, dưới sự bảo trợ của giáo sư Arnold Sommerfeld.
Ngay sau đó, ông làm huấn luyện viên  vật lý, nửa năm đầu ở Franfurt và nửa năm sau ở Stuttgart.  Tháng 9 năm 1929 ông dạy ở đại học Munich, đến năm 1930 ông được thăng cấp Privatdozent [3] và tiếp tục dạy ở đấy đến 1932.   Ông đã được học bổng để đi nghiên cứu thêm tại đại học Cambridge, Anh quốc vào mùa thu năm 1930, và tại La mã (Roma) Ý năm 1931 và 1932.   Sau khi đi La  mã, ông qua dạy ở trường đại học Tubingen.  Khi đảng Quốc xã (Nazi) lên nắm chính quyền vào năm 1933, ông rời nước Ðức và di cư sang Anh quốc.
Tháng 10, năm 1933, Hans Bethe sang Anh quốc và ông làm giảng sư ở đại học Manchester trong một năm.   Năm sau, ông được học bổng nghiên cứu hậu tiến sĩ của đại học Bristol, và vào tháng 2 năm 1935 ông được bổ nhiệm làm giáo sư diễn giảng  (Assistant Professor) tại trường đại học Cornell ở Ithaca, tiểu bang New York, Hoa kỳ.  Ông được thăng giáo sư thực thụ vào năm 1937 và dạy luôn ở đại học này, ngoại trừ những năm của cuộc Thế chiến thứ 2.   Ông đã đưa ngành Vật lý lên đến đỉnh cao

Ông là người khuyên bảo nhiều tổng thống Hoa Kỳ về kế hoạch an ninh quốc gia, và sau thế chiến thứ hai, ông đã đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại vũ khí hạch tâm. Là một trong những người sáng lập ra Liên hiệp các Khoa học gia ngành Nguyên tử (the Federation of Atomic Scientists).Trong thời kỳ chiến tranh, ông là mấu chốt của dự án Manhattan, là người đứng đầu trong đơn vị vật lý lý thuyết. Sau chiến tranh, ông  đem những nhà vật lý trẻ tài ba nhất từ Los Alamos sang Cornell, đặc biệt là Richard Feynman và Robert Wilson.

Trong những năm đó, theo lời mời của Robert Oppenheimer, Hans Bethe nhận làm Trưởng khối Lý thuyết trong kế hoạch chế tạo bom nguyên tử ở Los Alamos, tiểu bang California.  Công việc nghiên cứu của Hans Bethe nhắm về lý thuyết hạch nhân nguyên tử.  Ông đã cùng Peierls đề ra lý thuyết về deuteron vào năm 1934, và sau đó đã phát triển thêm lý thuyết này vào năm 1949.  Ông cũng có nghiên cứu về radar và các dạng sóng vi ba (microwave = micro-onde).  Ông đã giải thích năng lượng của những ngôi sao sáng hơn mặt trời là do phản ứng nguyên tử theo chu trình carbon-oxygen-nitrogen chứ không phải phản ứng proton-proton như ở mặt trời.  Ông được giải thưởng Nobel vật lý năm 1967 do các công trình ông đã làm 30 năm trước: thuyết chế tạo năng lượng trong các ngôi sao. Đã công bố trên 300 công trình và còn những công trình vẫn còn giữ kín. Bethe là một nhà khoa học có trách nhiệm, một người có lương tâm, là một nhà khoa học chân chính lỗi lạc, có nhiều đóng góp lớn.

 Hans Bethe mới qua đời hôm chúa nhật vừa qua tại Ithaca, ngày 6 tháng 3, năm 2005, 98 tuổi.

Công trình:

Cơ chế biến đổi Hydrogen ra Helium trong Mặt trời

Các ngôi sao và thiên hà gồm 98% hydrogen và helium.  Năm 1939 Hans Bethe phát hiện ra các  kim loại được chế tạo từ trong tâm các sao. Trong những  năm 60, các  nhà thiên văn  nhận thấy rằng  lượng helium so với hydrogen  không thay đổi từ sao này đến sao khác, trong khi các kim loại nặng thì sự khác biệt có thể đến  ngàn lần. Chúng luôn có cùng tỷ lệ: hydrogen chiếm 3/4 và helium 1/4 về khối lượng. Helium hồm 2 proton và  2 neutron, rất bền nên không  kết hợp với các nucleon khác để tạo ra các  nguyên tố khác và  sống  rất lâu ...

 Bethe khám phá ra cơ chế của năng lượng các bức xạ mặt trời, đặc biệt là năng lượng từ sự biến đổi từ Hydrogen sang Helium trong các ngôi sao.
Mặt trời cháy sáng cho năng lượng 3,9 x 10²⁶ watts từ 5 tỉ năm. Mặt Trời đốt hydrogen trong một lò hạch nhân. Phản ứng phối hợp trong mặt Trời là một chuỗi gồm nhiều giai đoạn trong đó Hydrogen bị đốt cháy theo sơ đồ sau:
 

Chu trình bắt đầu bằng sự va chạm  giữa hai proton (¹H + ¹H) để tạo ra  deuteron (²H), với sự tạo thành một positron (e⁺) và một neutrino (ν). positron (e⁺) gặp tức khắc điện tử tự do (e^-) và hai hạt tử mang điện tích khác nhau này triệt tiêu lẫn nhau. Năng lượng của khối lượng chúng được tỏa ra dưới dạng 2 quang tử gamma (γ). Ngay khi deuteron được tạo ra nó lại va chạm ngay một proton ¹H khác và tạo thành một nhân ³He và một photon γ. Hai nhân 3He gặp nhau cho phản ứng :

³He + ³He --> ⁴He + 2v + 6 Y

Cuối cùng sẽ dẫn tới sự kết hợp của 4 proton và 2 electron để tạo thành một hạt alpha (α, 4He), 2 neutrinos và 6 photons γ.

Và phản ứng cuối cùng là:

4 ¹H + 2 e^-  --> ⁴He + 2 v + 6 Y

Năng lượng được phóng thích trong phản ứng này là:

DE = Dmc² = [4.(1.007285u] - 4.002603u](931 ^MeV/u) = 24.7 MeV

Trong đó 1.007825 u là khối lượng của một nguyên tử Hydrogène và 4.002603 u là của helium.
Neutrino và photon γ không có khối lượng, chúng không tham dự vào con toán năng lượng tạo thành.

 

Chu trình Carbon-Nitrogen-Oxygen trong các ngôi sao

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Carbon-12 và Proton kết hợp để tạo thành Nitrogen-13 không bền, phát ra tia Gamma

Nitrogen-13 phân rã thành Carbon-13, phát ra Positron và Neutrino

 Carbon-13 và Proton kết hợp tạo ra Nitrogen-14, phát ra tia Gamma

Nitrohen-14 và Proton kết hợp tạo ra Oxygen-15 không bền, cho ra tia Gamma

Oxygen-15 phân rã tạo Nitrogen-15 , cho ra Positron và Neutrino

Nitrogen-15 và Proton kết hợp tạo Helium-4 và Carbon-12

Với những sao nặng  hơn Mặt trời,  những  mẫu lý thuyết cho rằng chu trình CNO của sự phối hợp hạt nhân là nguồn năng lượng chính của sự tạo ra năng lượng trong các sao. Chu trình gồm sự phối hợp của 4 nhân của Hydrogen  (¹H, protons) để tạo ra một nhân Helium (⁴He, alpha particle), cung cấp năng lưựng cho ngôi sao theo phương trình của Einstein. Carbon bình thường,¹²C, được dùng làm chất xúc tác trong chuỗi phản ứng. Trong chu trình này, chỉ có năng  lượng neutrino (n) là được sản xuất tương đối thấp nhất

(Hình của J. N. Bahcall, Neutrinos from the Sun, Scientific American, Volume 221, Number 1, July 1969, pp. 28-37.)

Giải thưởng

Ông được huy chương Max Planck năm 1955, huy chương Eddington của Royal Astronomy Society cho công trình  nhận định quá trình năng lượng tạo ra trong các sao. Năm 1967 được giải Nobel vậy lý cho công trình nghiên cứu sự sản xuất năng lượng của Mặt trời , gọi là Stellar nucleosynthesis. Ông công nhận là nguồn của năng lượng là các phản ứng nhiệt hạch (thermonuclear reactions) trong đó Hydrogen được biến đổi ra Helium

Trong những  năm của các thập niên 80 và 90, Bethe vận động cho việc dùng  năng lượng hạch nhân phục vụ cho hòa bình. Năm 1995, lúc ấy ông được 88 tuổi, Bethe đã viết một bức thư ngỏ kêu gọi tất cả các nhà khoa học hãy "ngưng và chấm dứt" chế tạo các vũ khí hạch nhân.

Năm 2001 ông được  Bruce Medal

 Người ta lấy tên ông để đặt cho thiên thạch "30828 Bethe"

 

[1]  Strasbourg được nhượng cho Ðức sau trận chiến 1870, lúc đó mang tên là Straßburg, thành ra ông Hans Bethe mang quốc tịch Ðức. Sau này, Straßburg được trao trả lại cho Pháp đổi tên là  Strasbourg cho đến bây giờ.

[2] Gymnasium : trường trung học có học trình 9 năm dành cho học sinh ưu tú, chuyên dạy văn hóa và văn chương cổ điển cho học sinh học tiếp lên đại học.

[3] Privatdozent : giảng viên dạy đại học, chưa vào ngạch trật  (professeur d'université non titularisé).  Trước còn tương đương như giảng nghiệm viên.

Viết theo

- http://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Bethe

- From Nobel Lectures, Physics 1963-1970, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1972

 http://nobelprize.org/physics/articles/fusion/sun_cno.html