Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 5)

Thảm họa miền tử ngoại

Vào cuối thế kỉ 19, các nhà vật lí nghiên cứu hành trạng của “vật đen” ở những nhiệt độ khác nhau cảm thấy họ phải đối mặt trước một vấn đề: các mô hình của họ về mối liên hệ giữa nhiệt độ của một vật đen và sự phân bố bức xạ phát ra từ bề mặt của nó không còn đúng ở những bước sóng tử ngoại. Vấn đề này về sau được gọi là “thảm họa miền tử ngoại”.

Tìm cách giải quyết vấn đề trên, vào khoảng năm 1900 nhà vật lí Đức Max Planck tìm thấy hai liên hệ tách biệt mô tả những phần khác nhau của phân bố năng lượng đó. Một gần đúng được Wilhelm Wien rút ra vào năm 1896 mô tả chính xác bức xạ vật đen ở nhiệt độ cao, còn định luật Rayleigh-Jeans (rút ra vào năm 1900) cho biết ở đầu nhiệt độ thấp của quang phổ, năng lượng phát ra bởi một vật đen tỉ lệ với nhiệt độ chia cho bước sóng lũy thừa bốn. Lúc này Planck đối mặt trước thử thách phải dung hòa hai mối liên hệ độc lập biểu kiến này.

Thảm họa miền tử ngoại

Lượng tử

Đối mặt trước vấn đề giải thích bức xạ vật đen ở nhiệt độ cao, cuối cùng Max Planck phát hiện ông có thể giải thích phân bố thực của bức xạ nếu ông giả sử rằng năng lượng không được giải phóng theo những lượng liên tục, mà thay vậy nó được phát ra theo những xung rời rạc hay những gói năng lượng mà ông gọi là lượng tử.

Planck nhận thấy có một mối liên hệ giữa năng lượng và tần số của bức xạ vật đen, được xác định bởi phương trình đơn giản bên dưới. Ở đây, E là năng lượng, f là tần số và h là một hằng số tỉ lệ ngày nay gọi là hằng số Planck (với giá trị 6,626 ´ 10^-34 Js). Planck giả sử rằng sự lượng tử hóa của ánh sáng bằng cách nào đó là một hệ quả của cách các hạt trong một vật đen dao động. Tuy nhiên, mãi đến năm 1905 Albert Einstein mới thông qua ý tưởng lượng tử hóa, ông cho rằng bức xạ về cơ bản được phân chia thành những gói lượng tử hóa gọi là photon. Khám phá của Planck và của Einstein cùng nhau đánh dấu sự ra đời của vật lí lượng tử.

Lượng tử