Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 7)

Lí thuyết photon của Einstein

Nghiên cứu của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện đã đưa ông đến một kết luận thật bất ngờ. Max Planck đã chứng minh rằng bức xạ từ các vật đen dường như được phát ra theo những gói nhỏ có năng lượng liên quan đến tần số. Nay Einstein nắm lấy ý tưởng này, xem đây là một mặt cố hữu của bản thân ánh sáng, thay vì thứ gì đó hoàn toàn phải làm với cơ chế bức xạ. Theo ông, ánh sáng luôn xuất hiện theo những gói lượng tử hóa hay photon, những đối tượng giống-hạt có năng lượng tỉ lệ với tần số của chúng.

Quan điểm này mở ra một hướng tiếp cận hoàn toàn mới với hiệu ứng quang điện: vây quanh hạt nhân nguyên tử là các electron ở trong các mức năng lượng bị lượng tử hóa, và chính những electron này tương tác với các photon tới. Để một electron thoát ra khỏi nguyên tử, nó phải thu đủ năng lượng để nhảy qua khe trống giữa các mức năng lượng. Einstein nhận thấy từng photon hoặc là mang đủ năng lượng để bắt cầu qua khe, hoặc chúng không mang đủ (các photon không thích hợp bị lệch ra xa). Yếu tố quyết định, khi ấy, không phải là số lượng photon tới (tức cường độ ánh sáng) mà là tần số của chúng.

Sóng điện từ

Mỗi photon độc thân gồm một xung ngắn điện trường và từ trường đang dao động lan tỏa trong không gian và chuyển hóa qua lại bởi sự cảm ứng điện từ.

Tán xạ Compton

Năm 1923, nhà vật lí Mĩ Arthur Compton chứng minh một hiệu ứng khác làm nổi bật bản chất giống-hạt của bức xạ điện từ. Compton chiếu tia X vào các nguyên tử carbon và quan sát xem từng photon bị bật trở lại hay bị ‘tán xạ’ bởi các electron bên trong chúng như thế nào. Các photon tia X có năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng cần thiết để giải phóng electron khỏi nguyên tử, cho nên chúng chỉ cho đi một chút năng lượng để phóng thích electron, mang theo phần năng lượng tàn dư khi chúng tán xạ ra ngoài. Tuy nhiên, do sự tiêu hao năng lượng này, mỗi photon bây giờ có tần số nhỏ hơn một chút.

Compton liên hệ quá trình trên với quả bóng billard: một quả bóng đập vào quả bóng khác, truyền một phần năng lượng và động lượng của nó. Cả hai quả bóng đều bật ra xa nhau, nhưng quả bóng thứ nhất chuyển động chậm hơn so với trước khi va chạm. Điều này phản ánh thực tế động lượng phải được bảo toàn trong toàn hệ trong những va chạm như thế: nếu ánh sáng hành xử như thể nó có động lượng riêng của nó, thì hiện tượng này bổ sung thêm bằng chứng rằng ánh sáng phải là hạt, chứ không phải sóng.

Tán xạ Compton