Chương 2
1911 – 1920
Những quan điểm mới về vật chất
Năm 1910 đánh dấu một trăm năm việc xuất bản cuốn Một hệ triết lí hóa học mới của John Dalton, cuốn sách mô tả bản chất nguyên tử của vật chất. Một trăm năm tiến bộ trong ngành hóa học đã chứng minh cho sức mạnh của quan niệm đơn giản rằng toàn bộ vật chất cấu thành từ các nguyên tử.
Tuy nhiên, vẫn chưa có ai chỉ ra được nguyên tử của một nguyên tố khác với nguyên tử của nguyên tố khác ở chỗ nào. Các tính chất hóa học khác nhau dường như liên quan đến số electron trong nguyên tử thuộc các nguyên tố khác nhau, nhưng các electron quá nhẹ để giải thích những khác biệt lớn về khối lượng nguyên tử. Đa phần khối lượng của một nguyên tử được cấu thành từ cái gì đó khác vẫn chưa được hiểu rõ. Vì các nguyên tử trung hòa điện, nên phần vật chất chưa biết đó phải mang một điện tích dương bằng với điện tích âm của tất cả các electron của nguyên tử đó. Nhưng phần tích điện dương đó là cái gì, và tự nhiên đã xây dựng nên các nguyên tử từ nó và các electron như thế nào?
Thập niên thứ hai của nền vật lí thế kỉ 20 sẽ bị thống trị bởi câu hỏi đó, và nhiều khám phá quan trọng và bất ngờ nhất sẽ đến từ các phòng thí nghiệm thuộc trường Đại học Manchester của Ernest Rutherford.
Khám phá ra hạt nhân nguyên tử
Ernest Rutherford không hề giành được giải Nobel Vật lí nào, có lẽ vì thành tựu lớn nhất của ông chỉ xuất hiện 3 năm sau khi ông giành giải Nobel Hóa học năm 1908. Năm 1911, sau khi bị thách đố bởi những kết quả bất ngờ của các thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Geiger và Marsden, ông đã đưa ra lời giải thích của mình cho những phép đo của họ trước toàn thế giới.
Rutherford kết luận rằng các nguyên tử không thể mô tả được bằng mô hình bánh bông lan rắc nho của Thomson, hoặc bằng mô hình quả cầu cứng mà những nhà vật lí khác ưa chuộng, mà bằng một mô hình tương tự như một hệ hành tinh được giữ lại với nhau bằng lực điện thay cho lực hấp dẫn. Kết quả của các thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Geiger và Marsden – các hạt alpha của họ chỉ tán xạ nhẹ với ngoại trừ một lượng nhỏ đâm xuyên qua hoặc thậm chí bật trở lại – nói với ông rằng các nguyên tử chủ yếu là không gian trống rỗng với đa phần khối lượng của chúng tập trung tại một lõi trung tâm nhỏ xíu gọi là hạt nhân. Theo bức tranh mới của Rutherford về nguyên tử, các electron của nó quay xung quanh hạt nhân giống như Trái đất, và các hành tinh chị em của nó quay xung quanh Mặt trời. Điều đáng chú ý là các nguyên tử của Rutherford còn trống rỗng hơn cả hệ mặt trời. Hãy so sánh: Mặt trời chiếm khoảng 99,8% khối lượng của hệ mặt trời, và đường kính của nó lớn cỡ 1/700 quỹ đạo của Hải vương tinh (hành tinh xa xôi nhất). Hạt nhân chứa hơn 99,9% khối lượng của nguyên tử, nhưng kích cỡ thật sự nhỏ bé. Ngay cả hạt nhân lớn nhất cũng chưa bằng 1/10.000 đường kính của các nguyên tử của chúng.
Cấu trúc đó giải thích tại sao đa số hạt alpha tích điện dương đi qua nguyên tử mà không bị tán xạ nhiều. Phần lớn chúng đi qua cách hạt nhân quá xa để chịu nhiều sự ảnh hưởng của nó. Tuy nhiên, tình cờ, khoảng 1 hạt alpha trong 8000 hạt đến đủ gần hạt nhân để chịu một lực điện mạnh đến mức hạt alpha đó bị tán xạ sang bên – hay thậm chí bật ngược trở lại trong trường hợp va chạm trực diện rất hiếm xảy ra.
Như thường lệ trong khoa học, một đột phá kiểu như mô hình hạt nhân nguyên tử của Rutherford mở ra thêm nhiều câu hỏi mới. Những khó khăn nghiêm trọng nhất là đây: (1) một electron đang quay tròn thì bị gia tốc, nghĩa là nó sẽ phát ra sóng điện từ, và (2) khối lượng của các hạt nhân nguyên tử khác nhau không tỉ lệ với điện tích dương mà chúng mang.
Để làm sáng tỏ điểm thứ nhất trên, khi nhà vật lí nói tới vận tốc của một vật, là nói ám chỉ cả tốc độ lẫn hướng của nó. Khi họ nói tới gia tốc của nó, thì họ đang ám chỉ tốc độ mà vận tốc của nó thay đổi, tính cả tốc độ lẫn hướng. Một hành tinh đang quay tròn bị gia tốc về phía Mặt trời bởi lực hấp dẫn, và phân tích tương tự, một electron tích điện âm đang quay tròn bị gia tốc về phía hạt nhân tích điện dương bởi lực hút điện. Trong cả hai trường hợp, vật đang quay tròn liên tục rơi về phía vật ở giữa nhưng không bao giờ rơi vào vật ở giữa vì chuyển động của nó nằm trong một hướng khác.
Trong trường hợp các hành tinh, đó là một tình huống ổn định. Tuy nhiên, đối với một electron bị gia tốc, thì hệ phương trình Maxwell, cả khi đã được Einstein sửa đổi, tiên đoán rằng nó sẽ phát ra các sóng điện từ. Năng lượng của những sóng đó sẽ phát sinh từ động năng (năng lượng của chuyển động) của nó, nghĩa là nó sẽ từ từ chậm lại và xoắn ốc vào trong hạt nhân trong vòng một phần rất nhỏ của một giây. Vì các nguyên tử là bền, cho nên có cái gì đó không đúng hoặc với các định luật điện từ học, hoặc với mô hình Rutherford.
Mô hình mới đã thay đổi nhưng không trả lời được một câu hỏi cũ về các nguyên tử. Các nhà khoa học thường bối rối trước sự khác biệt giữa số nguyên tử và khối lượng nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Giờ thì họ biết rằng khối lượng của một nguyên tử chủ yếu nằm ở hạt nhân của nó, họ lại hỏi những câu hỏi tương tự về hạt nhân. Tại sao hạt nhân helium có khối lượng gấp bốn lần hạt nhân hydrogen khi mà điện tích của chúng chỉ gấp đôi, và tại sao hạt nhân chì có điện tích 82 đơn vị và khối lượng 207?
Mẫu hạt nhân của Rotherford không mang lại những cái nhìn sâu sắc ngay tức thời vào những câu hỏi đó, nhưng nó vẫn mang lại những tiện lợi quan trọng trong việc tìm hiểu những hiện tượng khác, ví dụ như sự phóng xạ. Giờ thì Rutherford có thể nhận ra các hạt alpha là hạt nhân helium và các hạt beta là electron. Ông có thể mô tả phóng xạ là một quá trình phân hủy hoặc phân rã hạt nhân, trong đó một hạt nhân mẹ phát ra hoặc một hạt nhân helium, hoặc một electron và để lại phía sau một hạt nhân con thuộc một nguyên tố khác. (Tia gamma không bao giờ được phát ra đơn độc mà luôn luôn đi cùng với phân rã alpha, hoặc beta).
Thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden mang lại một khám phá bất ngờ: Một lá kim loại mỏng làm cho một phần nhỏ các hạt alpha năng lượng cao bị tán xạ xa ra hai bên hoặc thậm chí bật ngược trở lại. Từ kết quả đó, Rutherford kết luận rằng đa phần khối lượng của nguyên tử tập trung trong một hạt nhân nhỏ xíu, tích điện dương với các electron tích điện âm quay xung quanh nó.
Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
