Sự phóng xạ cũng thu hút sự chú ý của Joseph John (“J. J.”) Thomson (1856–1940), giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish nổi tiếng thế giới tại trường Đại học Cambidge ở Anh. Ngay khi ông nghe nói tới khám phá của Becquerel, ông lập tức quyết định nghiên cứu các tia bí ẩn đó. Ông giao nhiệm vụ cho Ernest Rutherford (1871–1937), một sinh viên trẻ năng động mới ra trường đến từ New Zealand vào mùa thu trước đó. Năm 1898, Rutherford phát hiện ra hai dạng phóng xạ khác biệt nhau và đặt tên cho chúng theo hai kí tự đầu tiên trong bộ chữ cái Hi Lạp. Tia alpha có thể chặn dừng lại bởi một vài lá nhôm, nhưng tia beta thì có tính đâm xuyên mạnh hơn nhiều. Cả hai đều là các hạt tích điện – tia alpha mang điện tích dương và tia beta mang điện tích âm.
Trong khi đó, Thomson đang tiến hành các thí nghiệm thận trọng của riêng ông để xác định xem tia ca-tôt là hiện tượng sóng hay hạt. Năm 1897, ông công bố các kết quả của mình: Tia ca-tôt là dòng gồm các hạt nhỏ xíu mang điện tích âm. Ông gọi các hạt đó là tiểu thể, và ông giả sử mỗi tiểu thể mang đơn vị điện tích cơ bản của tự nhiên. Các phép đo của ông và giả thuyết đó đã đưa ông đến kết luận lạ lùng sau đây về kích cỡ của các hạt tiểu thể: Khối lượng của một tiểu thể chưa tới một phần nghìn khối lượng của nguyên tử hydrogen, nguyên tử nhỏ nhất trên bảng tuần hoàn nguyên tố. (Các phép đo ngày nay thiết đặt giá trị đó là nhỏ hơn 1/1800). Khi các nhà khoa học tìm hiểu thêm về hành trạng của những tiểu thể này trong các nguyên tử, chúng được mang tên là electron.
Có hai lời giải thích khả dĩ. Hoặc là giả thuyết của ông về đơn vị điện tích của các tiểu thể là sai và thật ra nó có hơn 1000 đơn vị điện tích âm, hoặc khối lượng của nó thật sự hết sức nhỏ. Một điện tích hơn 1000 đơn vị không có ý nghĩa, nên Thomson và các nhà vật lí khác kết luận rằng các tiểu thể là những hạt nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử.
Các tia bí ẩn và các hạt hạ nguyên tử không phải là những bất ngờ duy nhất trong vật lí học khi thế kỉ 19 kết thúc. Năm 1900, lóe sáng quen thuộc của các vật bị nung nóng đã đưa nhà vật lí người Đức Max Planck (1858–1947) vào một chiều hướng bất ngờ đưa đến giải thưởng Nobel Vật lí năm 1918. Sử dụng cơ học thống kê để mô tả tốc độ dao động khác nhau của các nguyên tử của một vật bị nung nóng, Planck đã tính được phổ ánh sáng mà nó phát ra – nghĩa là, cường độ phát sáng biến thiên như thế nào theo những màu sắc khác nhau – và so sánh các tính toán của ông với phổ đo được của cái gọi là bức xạ vật đen của nó ở những nhiệt độ khác nhau.
Marie Curie, cùng với chồng, Piere Curie, với người bà cùng chia sẻ giải Nobel Vật lí năm 1903. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)
Các phép đo trên thật quen thuộc: Vật thể không phát ra ánh sáng khả kiến khi nó nguội nhưng trở nên mờ đỏ khi được nung nóng lên vài trăm độ. Ở nhiệt độ càng lúc càng cao, nó phát ra ánh sáng đỏ chói, rồi màu vàng. Nếu có thể nung nóng nó lên đến nhiệt độ của Mặt trời, thì nó sẽ có màu vàng chói. Các màu sắc đó không thuần khiết, mà là hỗn hợp ánh sáng ở những bước sóng khác nhau, giống như cái do Isaac Newton khám phá ra ở ánh sáng mặt trời trong thí nghiệm nổi tiếng của ông 200 năm trước.
Planck trình bày quang phổ bằng đồ thị. Từ trái sang phải theo trục hoành, màu sắc chuyển từ hồng ngoại sang đỏ, băng qua phổ khả kiến chuyển đến tím, và ngoài đó là vùng tử ngoại. Trục tung biểu diễn cường độ sáng. Giá trị số trên trục hoành là tần số của ánh sáng hay tốc độ mà các đỉnh sóng đi qua một điểm cho trước. Tần số tăng từ hồng ngoại sang tử ngoại, đi qua dải màu đỏ-đến-tím khả kiến ở giữa. Mỗi quang phổ đạt cực đại ở một tần số nhất định đại khái tương ứng với màu sắc mà người ta trông thấy. Sau đó cường độ giảm nhanh ở những tần số cao.
Ernest Rutherford và J.J Thomson nhiều năm sau nghiên cứu tiên phong của họ về tia ca-tôt và sự phóng xạ . (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archive, Bainbridge Collection)
Các tính toán của Planck mang lại tin tốt lẫn tin xấu. Tin tốt là phổ tính được phù hợp với phổ đo được, đặc biệt trong vùng hồng ngoại; tin xấu là nó thất bại, không tiên đoán được cực đại trên. Thật vậy, các phép tính của ông tiên đoán một cường độ tăng mãi mãi đối với các tần số cao hơn. Cho nên Planck đã đi tìm ý tưởng làm thế nào thay đổi mô hình cơ học thống kê của ông để hiệu chỉnh bài toán tần số cao ấy (bài toán trong những năm sau này các nhà khoa học gọi là “cái chết miền tử ngoại”).
Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. BortzBản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
