Những con số làm nên vũ trụ - Phần 61

Khám phá ra sự phóng xạ

Gần như đồng thời khi Roentgen sử dụng kính ảnh để thấy các tác dụng của tia X, nhà vật lí người Pháp Henri Becquerel cũng đang sử dụng kính ảnh để nghiên cứu khả năng của các chất tạo ra sự lân quang khi phơi dưới ánh nắng mặt trời. Sự lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ sự huỳnh quang chỉ sự phát xạ lại ánh sáng tức thời ở một bước sóng khác với bức xạ điện từ gây ra nó, còn một chất lân quang không phát xạ lại ánh sáng tức thời. Becquerel có quyền tùy ý sử dụng nhiều chất liệu đa dạng; một trong số này là potassium uranyl sulfate, một muối của uranium. Becquerel phát hiện thấy chất liệu này phát lân quang khi phơi dưới ánh nắng mặt trời – nhưng một vài chất liệu khác cũng thế. Tuy nhiên, một ngày nọ thì chuyện bất ngờ xảy đến. Becquerel tráng những tấm kính ảnh đã đặt gần muối uranium nhưng vẫn bọc trong giấy đen vì những ngày trước đó trời ít nắng. Becquerel chỉ mong tìm thấy những vết tích yếu ớt của sự lân quang, nhưng thay vì đường nét của tinh thể muối uranium hiện ra rõ nét trên kính ảnh, không hề phơi dưới ánh nắng mặt trời. Cần có năng lượng để tạo ra sự lân quang. Rõ ràng chính muối uranium đó đang phát ra năng lượng – nhưng nó tạo ra năng lượng bằng quá trình nào thì hoàn toàn không rõ.

Một nghiên cứu tích cực của quá trình này được thực hiện bởi vợ chồng nhà Pierre và Marie Curie, cùng với Becquerel họ đã nhận Giải Nobel Vật lí năm 1903 cho những khám phá của họ. Pierre Curie qua đời trên đường phố Paris sầm uất vào một ngày mưa, khi ông trượt ngã trên vỉa hè và bị xe ngựa kéo cán qua. Marie Curie tiếp tục nghiên cứu và khám phá ra radium, một chất tạo ra năng lượng còn mạnh hơn uranium nhiều. Với khám phá này, bà được trao Giải Nobel Hóa học năm 1911. (Bà là một trong duy chỉ bốn nhà khoa học được nhận hai giải Nobel, và bà là người duy nhất giành Giải Nobel thuộc hai ngành khoa học vật chất khác nhau. John Bardeen nhận hai Giải Nobel Vật lí, Frederick Sanger nhận hai Giải Hóa học, và Linus Pauling nhận Giải Nobel Hóa học và Nobel Hòa bình.)

Marie Curie đã đặt tên cho hiện tượng mà Becquerel khám phá ra là sự phóng xạ. Bà đặt tên cho nó, nghiên cứu nó – và có lẽ đã chết vì những tác dụng của nó – bệnh tật hành hạ bà không bao lâu sau khi nhận Giải Nobel năm 1911 và cuối cùng thì bà đã gục ngã vì cái ngày nay được biết là do sự phơi xạ lâu ngày.

Khám phá ra electron

Roentgen làm thí nghiệm với ống Crookes vì những vật này đã được sử dụng để nghiên cứu những loại tia khác (hãy nhớ lại bài báo của Roentgen về tia X mang tiêu đề “Về một loại tia mới”). Thực tế những tia này được tạo ra trong những điều kiện gần như chân không, khi các nguyên tử cách nhau những khoảng rộng lớn hơn nhiều so với khoảng cách trung bình trong chất lỏng và trong chất rắn, đã đưa đến sự tranh luận rằng từng nguyên tử có thể có cấu trúc khó quan sát khi các nguyên tử ở gần nhau.

Vào năm 1838, Michael Faraday phát hiện thấy khi dòng điện chạy qua một cái ống chứa không khí với mật độ rất thấp, thì một cung sáng xuất hiện ngay phía trước cathode trên đường chạy về anode. Có một khoảng tối rất ngắn ở phía trước cathode – vì là một nhà thực nghiệm thận trọng, nên Faraday để ý thấy điều này – khoảng trống đó sau này được gọi là khoảng tối Faraday. Khi những chân không tốt hơn được tạo ra, khoảng tối đó kéo dài ra, và với sự ra đời của ống Crookes, cung sáng đó hoàn toàn biến mất, và người ta thấy sự phát sáng tại đầu kia của ống. Đây được xem là bằng chứng gián tiếp có cái gì đó mang điện tích truyền trong ống Crookes.

Vào năm 1897, nhà vật lí người Anh J. J. Thomson đã tạo ra bằng chứng có sức thuyết phục đầu tiên rằng có một hạt nhỏ hơn nguyên tử hydrogen nhiều lần có khả năng mang điện tích. Thí nghiệm của ông được thiết kế để đo tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng của một hạt như vậy, nếu như nó tồn tại. Faraday đã tiến hành các thí nghiệm điện phân – cho dòng điện một chiều đi qua một hợp chất hóa học để tách nó thành các nguyên tố thành phần của nó – và tìm thấy rằng điện-tích-trên-khối-lượng của hydrogen nhiễm điện (cái ngày nay chúng ta gọi là ion hydrogen) vào khoảng 9,65 ´ 10⁷ coulomb/kilogram. Thí nghiệm của Thomson thì khéo léo và phải tính toán đại số nhiều hơn một chút với những định luật đã biết, nên chúng ta có thể dõi theo thí nghiệm của ông một cách vừa sống động vừa mang tính đại số.

Thí nghiệm của Thomson gồm hai bước. Trong bước thứ nhất, hạt mà ngày nay chúng ta gọi là electron được bắn từ cathode vào ống Crookes. Nó chịu tác dụng của hai lực ngược chiều: một lực điện thẳng đứng sinh ra giữa một bản tích điện dương ở trên và một bản tích âm ở dưới, và một lực từ nằm ngang, lực này được biết qua thí nghiệm Oersted gây ra một lực điện thẳng đứng. Lực điện có xu hướng làm lệch electron theo phương thẳng đứng, nhưng khi lực điện và lực từ có cùng độ lớn và hướng ngược nhau, thì không có sự lệch nào hết. Giả sử hạt mang điện tích e (đừng nhầm với cơ số của logarithm tự nhiên) và cường độ điện trường là E, thì lực điện tác dụng lên hạt là eE. Hạt chuyển động ngang với một vận tốc không đổi v; từ các phương trình Maxwell ta biết rằng nếu cảm ứng từ là H, thì lực từ tác dụng lên hạt là evH. Khi hai lực cân bằng để hạt tiếp tục chuyển động thẳng thì eE = evH. Phương trình này có thể giải cho v, ta được v = E/H là vận tốc nằm ngang không đổi của hạt.

Lực từ được tạo ra bởi các nam châm điện, lúc này bị tắt đi. Lực này không ảnh hưởng đến chuyển động theo phương ngang của electron, nhưng vì lúc này không có lực để cân bằng với lực điện, electron chịu tác dụng của lực không đổi eE. (Tất nhiên, lực hấp dẫn cũng tác dụng lên hạt hút nó xuống, nhưng độ lớn của lực này quá nhỏ so với lực điện nên chúng ta có thể bỏ qua nó ở đây.) Theo định luật II Newton, lực eE = ma, trong đó m là khối lượng của hạt và a là gia tốc của nó. Hạt đi được quãng đường L theo phương ngang và d theo phương thẳng đứng trước khi chạm vào bản tích điện dương. Vì vận tốc nằm ngang là v = E/H, nên thời gian T để nó đi hết quãng đường ngang L được cho bởi L = vT, suy ra T = L/v = LH/E. Chuyển động của hạt theo phương thẳng đứng dưới gia tốc không đổi a là tương tự với chuyển động của một vật đang rơi dưới gia tốc trọng trường; công thức đã biết cho quãng đường s cho một vật rơi trong thời gian t là s = ½ gt², trong đó g là gia tốc trọng trường tại mặt đất, cái ta đã biết ở Chương 1. Trong trường hợp này, quãng đường d mà electron đi theo phương thẳng đứng được cho bởi d = ½ aT², vì nó chuyển động theo phương thẳng đứng trong khoảng thời gian bằng với thời gian đi quãng đường ngang L.

Giờ thì việc tìm tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng của electron chỉ đơn thuần là vấn đề đại số. Từ phương trình eE = ma, ta thấy tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng e/m = a/E. Từ d = ½ aT² ta thấy a = 2d/T² = 2dE²/L²H², và vì thế cuối cùng e/m = 2dE/L²H², trong đó tất cả những đại lượng ở vế phải có thể đo khá chính xác. Khi thực hiện tính toán, Thomson tìm thấy tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng đó lớn hơn 1000 lần so với tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng của ion hydrogen. Cho dù ông sử dụng chất khí nào để tạo ra những hạt này, thì kết quả cũng như vậy.

Có một vài kết luận khả dĩ khác, được Thosom nêu ra trong phần trình bày thí nghiệm của ông. Ông làm việc với tỉ số khối-lượng-trên-điện-tích m/e chứ không phải tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng e/m mà chúng ta suy luận ở trên, nhưng tất nhiên tỉ số khối-lượng-trên-điện-tích là nghịch đảo của tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng. Thomson viết “Giá trị nhỏ của m/e có thể là do giá trị nhỏ của m hoặc do giá trị lớn của e, hoặc là sự kết hợp của cả hai trường hợp này.” Tuy nhiên, thật tế tia cathode có thể di chuyển mà không bị cản trở qua những tập hợp nguyên tử đậm đặc thuyết phục Thomson rằng những hạt đó có kích cỡ nhỏ hơn những nguyên tử bình thường. Hai năm sau, Thosom đã chứng minh tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng bằng như vậy cho những hạt bay ra tự do khi chiếu ánh sáng tử ngoại lên kim loại. Kim loại bị chiếu xạ thu điện tích dương vì ánh sáng tử ngoại truyền đủ năng lượng để giải phóng các electron; đây là hiệu ứng quang điện mà Einstein giải thích trong “năm thần kì” của ông.