Lượng tử và Hiệu ứng quang điện
Bài báo thứ nhất của Einstein, “Một quan điểm mới về sự sản sinh và truyền ánh sáng”, đi giải bài toán lượng tử Planck và một khám phá thực nghiệm gây thách đố gọi là hiệu ứng quang điện. Năm 1902, Philipp Lenard (1862–1947) phát hiện thấy ánh sáng chiếu lên một điện cực kim loại, dưới những điều kiện nhất định, có thể làm cho các electron bật ra. Mỗi kim loại hành xử khác nhau, nhưng tất cả có một đặc điểm gây thách đố – đó là một ngưỡng tần số đối với ánh sáng, dưới ngưỡng đó hiệu ứng biến mất.
Giới hạn quang điện đối với mỗi kim loại là khác nhau, thay đổi từ ánh sáng lam đối với một số kim loại đến ánh sáng tử ngoại đối với một số kim loại khác. Dưới giới hạn đó, không có electron nào bật ra, cho dù cường độ ánh sáng mạnh bao nhiêu. Trên giới hạn đó, ngay cả ánh sáng mờ nhất cũng có thể giải phóng các electron khỏi bề mặt kim loại.
Einstein công nhận giới hạn quang điện là bằng chứng cho lượng tử Planck, vốn là phát minh mang tính toán học nhiều hơn. Chúng thật ra là các hạt – các bó năng lượng ánh sáng – sau này được gọi là photon. Ông giải thích như sau: Để giải phóng một electron khỏi một kim loại cần một lượng năng lượng nhất định gọi là công thoát. Hằng số Planck liên hệ năng lượng của một lượng tử ánh sáng với tần số của nó. Đối với một lượng tử giải phóng một electron ra khỏi kim loại, thì năng lượng của nó lớn hơn công thoát, nghĩa là tần số của nó phải đủ cao. Trên ngưỡng tần số đó, thì cho dù ánh sáng mờ bao nhiêu, mỗi lượng tử cũng có đủ năng lượng để giải phóng một electron. Dưới ngưỡng tần số đó, thì cho dù có bao nhiêu lượng tử, vẫn không có một lượng tử nào có đủ năng lượng để đánh bật một electron ra.
Albert Einstein là một viên thư kí 26 tuổi tại sở cấp bằng sáng chế ở Bern, Thụy Sĩ, vào năm 1905, khi ông công bố ba bài báo làm biến chuyển nền vật lí học. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)
Không khó khăn gì việc kiểm tra sự phỏng đoán của Einstein. Các photon có tần số càng trên ngưỡng bao nhiêu, thì chúng càng có nhiều năng lượng để có thể trao cho các electron bật ra. Khi các nhà vật lí tiến hành các thí nghiệm xác định sự phụ thuộc của năng lượng vượt mức đó vào tần số, họ nhận thấy các kết quả phù hợp với tiên đoán của Einstein. Như vậy, hiệu ứng quang điện là bằng chứng không thể chối cãi rằng ánh sáng là một dòng hạt – các lượng tử của Planck. Nhưng những hiện tượng khác, ví dụ như thí nghiệm giao thoa của Young, lại chứng minh bản chất sóng của ánh sáng với sự chắc chắn không kém. Tình thế dường như thật khó chịu, và Einstein chọn lấy quan điểm duy nhất mà một nhà vật lí có thể có: Tự nhiên là cái nó như thế, và nó chào đón khoa học tìm cách mô tả nó. Thỉnh thoảng, các nhà khoa học cần phải đi tìm những công cụ hoặc từ vựng mới. Thỉnh thoảng, họ phải đặt ra những câu hỏi khác. Trong trường hợp này, việc hỏi một câu hoặc cái này, hoặc cái kia về bản chất của ánh sáng là cách không đúng, vì các thí nghiệm cho thấy nó là cả hai thứ. Giờ thì câu hỏi là làm thế nào nó có thể như vậy được.
Einstein giải thích một hiện tượng gây thách đố gọi là hiệu ứng quang điện bằng cách công nhận rằng ánh sáng thật ra gồm các gói năng lượng. Nghĩa là, lượng tử Planck đã đề xuất không chỉ đơn thuần là một sự tiện lợi toán học. Ngày nay, các nhà vật lí gọi lượng tử ánh sáng là photon.
Chuyển động Brown và tính xác thực của các nguyên tử
Bài báo thứ hai của Einstein vào năm 1905 là “Về chuyển động của các hạt nhỏ lơ lửng trong chất lỏng cân bằng theo thuyết động học phân tử của nhiệt học”, sử dụng cơ học thống kê phân tích quan sát của những nhà khoa học khác về một hiện tượng gọi là chuyển động Brown. Khoảng 80 năm trước đó, nhà thực vật học người Scotland Robert Brown, người có tên được đặt cho hiệu ứng, đã quan sát các hạt phấn hoa lơ lửng trong một chất lỏng qua một kính hiển vi. Brown để ý thấy các hạt phấn hoa chuyển động nhát gừng theo những quỹ đạo không có quy tắc. Trong những năm sau đó, các nhà khoa học khác đã tiến hành các phép đo chính xác của chuyển động Brown và công bố các kết quả của họ.
Einstein nhận ra rằng những cái lắc lư không theo quy luật đó là kết quả của những va chạm với các phân tử của chất lỏng. Ông tính được các hạt chuyển động bao xa và bao nhanh giữa những lần va chạm và cụ thể các đường zic-zăc bị ảnh hưởng như thế nào bởi sự thay đổi nhiệt độ. Ông so sánh các tính toán của mình với các phép đo thực nghiệm và nhận thấy chúng phù hợp với nhau. Mặc dù các nguyên tử và phân tử đơn lẻ vẫn chưa được quan sát, nhưng những tính toán của Einstein cho thấy trực tiếp rằng chúng tồn tại.
Einstein giải thích quỹ đạo ngẫu nhiên của các hạt nhỏ xíu lơ lửng trong chất lỏng, gọi là chuyển động Brown, là kết quả của những va chạm với các nguyên tử hay phân tử của chất lỏng ấy, mang lại bằng chứng quan sát trực tiếp đầu tiên của các nguyên tử và phân tử.
Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
