Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 6)

Khám phá electron

Cùng khoảng thời gian mà các nhà khoa học đang bận tâm về bản chất của ánh sáng, những bí ẩn của cấu trúc nguyên tử cũng bắt đầu được phơi bày. Những gợi ý đầu tiên về sự tồn tại của những hạt nhỏ hơn bên trong nguyên tử xuất hiện từ các nghiên cứu về một hiện tượng gọi là tia cathode.

Cathode là một điện cực được nung nóng làm phát ra một chùm hạt (trong các ti vi cũ và máy hiển thị trong phòng thí nghiệm, những hạt này bị lệch hướng bởi điện trường và từ trường để vẽ nên những hình ảnh phát sáng trên màn hình huỳnh quang). Năm 1897, nhà vật lí Anh J.J. Thomson xác định được tia cathode gồm những hạt tích điện âm, nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử, được tạo ra từ bên trong nguyên tử. Là những hạt hạ nguyên tử đầu tiên từng được phát hiện, những ‘electron’ này đã mở đường cho một lĩnh vực hoàn toàn mới của vật lí hạt. Lúc ấy, các nhà khoa học bắt đầu mơ hồ hình dung rằng những tranh luận của họ về bản chất của ánh sáng sẽ sớm xung đột với thế giới mới này của các hạt hạ nguyên tử.

Khám phá electron

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện vừa thiết yếu về mặt khái niệm vừa là bằng chứng cho lí thuyết photon của Einstein. Được khám phá bởi kĩ sư người Anh Willoughby Smith vào năm 1873, hiệu ứng quang điện liên quan đến dòng điện từ một số kim loại khi chúng bị chiếu sáng dưới những bước sóng ánh sáng nhất định. Vào cuối thế kỉ 19, các nhà vật lí đã biết đủ để giải thích hiện tượng này là sự giải phóng electron ra khỏi bề mặt kim loại bị chiếu sáng, nhưng thực tế dai dẳng là trong khi ánh sáng xanh và tia tử ngoại tần số cao đánh bật các electron một cách hiệu quả, thì những chùm ánh sáng đỏ dù là cường độ mạnh nhất cũng không thể gây ra dòng điện chạy.

Einstein nhận thấy hiệu ứng quang điện có thể được giải thích bằng cách hiểu ánh sáng không phải là một sóng liên tục, mà là những gói lượng tử hóa rời rạc tương tự như những gói lượng tử mà Planck đã dùng để thoát khỏi thảm họa miền tử ngoại. Công bố vào năm 1905, lí thuyết của ông dự đoán một mối liên hệ giữa tần số ánh sáng và năng lượng của các electron được giải phóng cuối cùng được chứng minh vào năm 1916 bởi nhà vật lí Mĩ Robert Millikan.

Hiệu ứng quang điện