Electron - Hạt hay sóng

hận được sự nhận xét và góp ý của Thầy và các bạn! Chân thành cám ơn! Nhóm tiểu luận! Sơ lược về electron: Cấu trúc: Điện tích nguyên tố Loại: Fermion Nhóm: Lepton Lớp: Đầu tiên Tương tác: Hấp dẫn, điện từ, tương tác yếu Phản hạt: Positron Lý thuyết: Richard Laming (1838–51), G. Johnstone Stoney (1874) và đồng nghiệp. Thực nghiệm: J. J. Thomson (1897) Ký hiệu: e−, β− Khối lượng: 9.10938215(45)x10-31 kg 5.4857990943(23)×10−4 u 0.510998910(13) MeV/c2 Điện tích: -1e = -1.602176487(40)x10-19 C Spin: ½ Điện tử là một hạt có kích thước nhỏ hơn nguyên tử, mang điện tích âm. Người ta cho rằng không có cấu trúc nào nhỏ hơn điện tử và nó là một điện tích điểm. Các điện tử đều tham gia tương tác gấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác yếu. Giống như khối lượng nghỉ và điện tích nguyên tố của nó, moment từ (hay spin) của một điện tử có giá trị không đổi. Khi một điện tử va chạm với phản hạt của nó là positron, cả hai đều bị hủy. Một cặp điện tử và positron được tạo ra bởi tia gamma có năng lượng vừa đủ. Giả thuyết về một lượng điện tích vô hình trong nguyên tử được đưa ra để giải thích tính chất hóa học cả nguyên tử. Giả thuyết này do nhà triết học tự nhiên người Anh Richard Laming đưa ra vào năm 1838 Cái tên “electron” được nhà vật lý người Ailen Geogre Johnstone Stoney đặ cho loại điện tích này vào năm 1874. Năm 1897, JJ Thomson và các đồng sự người Anh đã xác định electron (điện tử) là một loại hạt. Điện tử được xem là thế hệ họ hạt lepton đầu tiên. Điện tử có các tính chất cơ học lượng tử của cả hạt và sóng; vì vậy nó có thể va chạm với các hạt khác và cũng có thể nhiễu xạ như sóng ánh sáng. Mỗi điện tử tồn tại ở một trạng thái lượng tử, mô tả tính ngẫu nhiên của nó bằng một thông số vật lý nào đó như năng lượng nội tại hay hướng của spin. Vì điện tử là hạt fermion nên không có 2 điện tử nào cùng ở một trạng thái lượng tử; tính chất này chính là Nguyên lý loại trừ Pauli. Trong nhiều hiện tượng vật lý, ví dụ như điện, từ, dẫn nhiệt, điện tử đóng vai trò rất quan trọng. Một điện tử có thể tạo ra một từ trường khi nó chuyển động. Khi điện tử được gia tốc, nó có thể tỏa hoặc thu năng lượng dưới dạng photon. Điện tử cùng với hạt nhân nguyên tử (gồm proton và neutron) tạo thành nguyên tử. Tuy nhiên, điện tử chỉ chiếm 0,06% khối lượng của nguyên tử. Lực Coulomb giữa điện tử và proton đã giữ cho nó bị giới hạn trong nguyên tử. Sự trao đổi hoặc trao đổi điện tử giữa hai hay nhiều nguyên tử là cơ sở chính của các liên kết hóa học. Điện tử được tạo ra trong vụ nổ Big Bang, và nó có thể bị tiêu hủy trong quá trình tổng hợp hạt nhân trong các sao. Điện tử thường được tạo ra từ các bức xạ Hawking ở chân trời sự kiện của một lỗ đen và các bức xạ vũ trụ đi vào khí quyển của Trái đất. Các đồng vị được kích thích bởi các sóng điện từ sẽ tạo ra điện tử từ một hạt nhân nguyên tử trong quá trình phân rã hạt β-. Các dụng cụ trong phòng thí nghiệm có thể giữ và quan sát các điên tử riêng lẻ, trong khi đó kính thiên văn có thể phát hiện điện tử plasma khi quan sát sự toả năng lượng của nó. Điện tử plasma có nhiều ứng dụng như hàn, ống tia catot, kính hiển vi điện tử, liệu pháp phóng xạ, laser và máy gia tốc hạt. Trên đây là những điều sơ lược mà con người biết về electron. Ta sẽ tìm hiểu quá trình con người tìm hiểu về electron – từ sự khám phá ra electron đến bản chất của electron là gì. Sự phát hiện ra electron: Ngày nay, các ống phóng điện được dùng rộng rãi cho các quảng cáo đầy màu sắc ở ngoài đường phố. Nguồn gốc của ống phóng điện đầu tiên là do William Crookes chế tạo năm 1870. Ông thực hiện chân không cao bằng máy hút khí làm giảm áp suất trong ống đến mức rất thấp trong một ống thủy tinh và nhận thấy rằng các chất khí ở áp suất thấp sẽ dẫn điện. Một trong những ống đầu tiên mà Crookes thí nghiệm có hai điện cực kim loại ở đầu ống và hàn kín sau khi đã giảm áp suất khí trong ống. Khi đặt một hiệu điện thế cao giữa hai điện cực, khí trong ống phát sáng và màu ánh sáng phát xạ phụ thuộc vào loại khí được dùng. Vậy do đâu mà có ánh sáng phát xạ trong ống ? Crookes đã thiết kế một ống trong đó có đặt một cái chong chóng nhỏ. Ta thấy tia phát ra từ catôt (nối với cực âm của nguồn điện) đã làm quay cánh quạt của chong chóng. Nhưng khi đặt một nam châm gần ống thì chong chóng ngừng quay, chứng tỏ các tia lúc trước đập vào cánh quạt làm chong chóng quay nay đã bị lệch hướng. Vậy tia đó phải là những hạt mang điện vì chúng chịu tác dụng của từ trường. Nhiều thí nghiệm khác đã chứng tỏ các tia này mang điện âm, và do chúng phát ra từ catôt nên có tên là tia catôt. Mối quan tâm của các nhà vật lí về bản chất của tia catôt đã kéo dài trong nhiều năm mà chưa được giải quyết. Mãi tới hơn 20 năm sau (1897), J.Thomson đã khám phá được bí mật này. Bằng một lọat thí nghiệm, ông đã chứng minh rằng tia catôt gồm những hạt vô cùng nhỏ bé tích điện âm mà ông gọi là các “corpuscle”. Ngày nay ta gọi chúng ta gọi là các electron. Ông chứng minh được rằng electron là đồng nhất bất kể khi dùng trong ống thuộc loại gì. Thomson lại đề xuất một luận điểm táo bạo và quan trọng, mà sau này chứng tỏ nó là chính xác, nói rằng các hạt ông tìm ra là một thành phần của mọi đối tượng vật chất. Sau đó lại kết luận thêm hạt ấy nhẹ hơn hạt nhẹ nhất thời bấy giờ là nguyên tử hidro hàng ngàn lần (sau này người ta biết chính xác là 1836.15). Ông đã đo điện tích riêng e/m của electron, cùng với hai luận điểm tài tình và chính xác đã làm nên “sự phát hiện elctron”,đã làm ông nổi danh khắp nơi. Quan niệm tồn tại từ nhiều thế kỉ trước cho rằng nguyên tử là phần tử vật chất cuối cùng không thể phân chia được đến nay đã chấm dứt. Thí nghiệm của Thomson đã đặt nền móng cho sự phát triển của kĩ thuật điện tử sau này mà tiêu biểu là dao động kí và ống đèn hình của máy thu hình (ti vi). Chẳng bao lâu sau phép đo trực tiếp điện tích của electron được thực hiện, và vài ba năm sau, electron được chính thức công nhận là một hạt của tự nhiên. Thí nghiệm đo điện tích riêng electron: Dụng cụ gồm một bình thủy tinh chứa khí hydro ở áp suất thấp (hình 1). Chùm điện tử phát xạ từ dây đốt (catôt) đi xuyên qua khe của anôt. Dọc đường đi của bình chứa khí, các electron va chạm với các nguyên tử khí, kích thích các nguyên tử này và làm chúng phát xạ khiến cho đường đi của chùm electron trông thấy là một vết mảnh sáng. Một cặp cuộn dây (không vẽ trên hình) được bố trí ở hai bên cạnh bình và cho dòng điện không đổi đi qua để tạo ra một từ trường đều có cảm ứng từ vuông góc với bình. Bố trí cho phương ban đầu của chùm electron vuông góc với đường cảm ứng từ. Khi đó lực Lorentz tác dụng lên electron có hướng vuông góc với vận tốc và đóng vai trò lực hướng tâm làm cho electron chuyển động theo quỹ đạo tròn: (1.1.1) Suy ra bán kính quỹ đạo: (1.1.2) Chú ý là lực Lorentz luôn vuông góc với vận tốc, do đó nó không thực hiện công và chuyển động của electron là chuyển động tròn đều với vận tốc v không đổi. Ta thấy bán kính quỹ đạo chỉ phụ thuộc cảm ứng từ B: từ trường càng mạnh thì bán kính quỹ đạo càng nhỏ. Hình 1.2 Để đo điện tích riêng e/m của electron, ta dùng bình nói trên (Hình 1.2) và lần lượt điều chỉnh giá trị cảm ứng từ B bằng cách dùng một biến trở để thay đổi dòng điện chạy trong các cuộn dây. Mỗi lần thay đổi lại đo đường kính của chùm electron trên thang đo bên trong bình. Trong thực tế thí nghiệm, người ta điều chỉnh để đường kính của chùm electron là những giá trị dễ đo và đọc giá trị dòng điện tương ứng trong cuộn dây. Ta hãy tính toán để tìm công thức xác định điện tích riêng e/m. Từ (1.1.2) ta có: (1.1.3) Vận tốc này suy từ động năng mà electron thu được khi chuyển động qua điện trường có hiệu điện thế VA (thế anôt). (1.1.4) Kết hợp (1.2) và (1.3) ta được: (1.1.5) Trong thí nghiệm: - Điện thế VA đo trực tiếp bằng volt kế. - Bán kính r của quỹ đạo đo trực tiếp trên thang đo. - Cảm ứng từ B tính từ giá trị cường độ I qua cuộn dây đọc trên ampere kế. - Lần lượt thay các giá trị của B và vẽ đồ thị B = f(1/r). Đồ thị này có dạng một đường thẳng đi qua gốc tọa độ vì suy từ (1.1.5): (1.1.6) Vậy giá trị e/m sẽ được suy từ độ dốc của đồ thị: (1.1.7) Sau đây là thí dụ bằng số. Nguồn phát xạ electron hoạt động ở điện thế VA =2000V dùng để bắn chùm electron vào một từ trường đều có B = 1,9. 10-3T. Phương vận tốc ban đầu của chùm vuông góc với cảm ứng từ và chùm electron vẽ một vòng tròn quỹ đạo có bán kính 80mm. Từ những giá trị trên, ta xác định được điện tích riêng của electron theo (1.1.5) Thí nghiệm đo điện tích nguyên tố: Sơ đồ dưới đây cho thấy thiết bị mà nhà vật lý người Hoa Kỳ, Robert Andrews Milikan (1869 – 1953) đã dùng trong những năm 1910 – 1913 để đo điện tích nguyên tố e. Khi các giọt dầu nhỏ được phun vào buồng A, do cọ xát với miệng vòi phun nên một số giọt dầu trở nên tích điện hoặc âm hoặc dương. Xét một giọt dầu có điện tích âm qn rơi xuống buồng C qua một lỗ nhỏ trên bản P1. Đầu tiên khi 2 bản kim loại không được nối với nguồn, 2 bản P1, P2 không tích điện. Ta thấy những hạt dầu rơi xuống với tốc độ nhanh dần. Trong quá trình rơi giọt dầu chịu tác dụng cua trọng lực P hướng xuống và lực cản Fc = bv hướng lên. Phương trình chuyển động của giọt dầu: (1.2.1) trong đó b được xác định bằng định luật Stoke: là hệ số nhớt của chất lỏng a là bán kính của giọt dầu. Khi tốc độ rơi của giọt dầu không đổi, trọng lực cân bằng với lực cản. tốc độ của giọt dầu lúc đó là: (1.2.2) Sau đó nối 2 bản với nguồn điện như hình vẽ (Hình 1.3), nguồn điện gây một điện tích dư trên bản dẫn điện P1 và một điện tích âm dư trên bản dẫn điện P2.Các bản điện tích gây ra một điện trường E hướng từ trên xuống dưới trong buồng C. Điện trường này tác dụng một lực tích điện lên bất kì một giọt tích điện nào rơi vào buồng và ảnh hưởng đến chuyển động của nó nên giọt tích điện âm ta đang xét có xu hướng bị đẩy lên trên. Phương trình chuyển động của giọt dầu: (1.2.3) Từ việc đo thời gian chuyển động của các giọt dầu khi khóa mở và khóa đóng, ta có thể tính được điện tích âm q của giọt dầu. Vận tốc cuối của giọt dầu, khi lực điện cân bằng với trọng lực và lực cản: (1.2.4) Hình 1.3 Trong thí nghiệm này, tốc độ cuối đạt đến hầu như là ngay lập tức. Và các giọt dầu dịch chuyển được một khoảng cách L khi chuyển động lên hoặc xuống. So sánh công thức (1.2.3) và (1.2.4) ta có: (1.2.5) Trong đó Tf = L/vf là thời gian rơi và Tr = L/vr là thời gian đi lên. Nếu điện tích của giọt dầu được tăng lên nhờ thêm vào một số điều kiên nào đó thì vận tốc cuối của giọt dầu lúc này là vr’, và có mối quan hệ với điện tích mới qn’ theo công thức: Suy ra: (1.2.6) Vận tốc vf, vr, vr’ được xác định bằng cách đo thời gian rơi xuống và đi lên, với khoảng cách giữa 2 bản dẫn điện Nếu viết qn= ne và qn’ – qn = n’e với n’ thay đổi trong n thì (1.2.5) và (1.2.6) được viết lại là: (1.2.7) Và: (1.2.8) Milikan đã làm thí nghiệm với hàng ngàn giọt dầu, một số không dẫn điện, một số bán dẫn và có một số giọt dầu dẫn điện giống glixerin, thủy ngân… Millikan đã tính ra điện tích của một hạt tích điện nhỏ nhất là 1 electron: e = 1,63 × 10-19 Coulomb. Năm 1917, Millikan lặp lại thí nghiệm trên, và đã sửa điện tích của 1 electron là e = 1,59 × 10-19 Coulomb. Những đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý của Millikan cho kết quả là e = 1,602 × 10-19 Coulomb. Và với những thí nghiệm trên, electron được xem là hạt. Electron cùng sự phát triển của Vật lý: Sự ra đời của cơ học lượng tử là một tất yếu khách quan của quá trình phát triển của khoa học nói chung và của vật lý nói riêng. Nó phản ánh một quan điểm là khi chuyển sang từ thế giới vĩ mô sang thế giới vi mô mà đối tượng là nguyên tử và hạt nhân vô cùng nhỏ bé thì các quy luật vật lý phải thay đổi, nói đúng hơn là phải có những quy luật mới để áp dụng cho những đối tượng mới. Max Phlanck Trước năm 1900, ở lĩnh vực nhiệt động học, trong vật lý cổ điển có một vấn đề nhỏ, dường như không quan trọng nhưng không thể bỏ qua được. Những tính toán của hai nhà khoa học Anh, huân tước Rayleigh và ngài Jeams Jeans, cho kết quả là: một đối tượng hay một vật thể nóng, chẳng hạn một ngôi sao, cần phải phát xạ năng lượng với tốc độ vô hạn. Theo những định luật mà người ta tin là đúng ở thời gian đó thì một vật thể nóng cần phải phát ra các sóng điện từ (như sóng vô tuyến, ánh sáng thấy được, hoặc tia X…) như nhau ở mọi tần số. Ví dụ, một vật thể nóng cần phải phát xạ một năng lượng như nhau trong các sóng có tần số nằm giữa một và hai triệu triệu sóng một giây cũng như trong các sóng có tần số nằm giữa hai và ba triệu triệu sóng một giây. Và vì số sóng trong một giây là không có giới hạn, nên điều này có nghĩa là tổng năng lượng phát ra là vô hạn. Để tránh cái kết quả rõ ràng là vô lý này, nhà khoa học người Đức, Max Planck (1858-1947), vào năm 1900 đã cho rằng ánh sáng, tia X và các sóng khác không thể được phát xạ với một tốc độ tùy ý mà thành từng phần nhất định mà ông gọi là lượng tử. Hơn nữa, mỗi một lượng tử có năng lượng nhất định, năng lượng này càng lớn nếu tần số của sóng càng cao, vì vậy ở tần số đủ cao sự phát xạ chỉ một lượng tử thôi cũng có thể đòi hỏi một năng lượng lớn hơn năng lượng vốn có của vật. Như vậy sự phát xạ ở tần số cao phải được rút bớt đi, khi đó tốc độ mất năng lượng của vật mới là hữu hạn. Đây chính là nền tảng đầu tiên cho cơ học lượng tử và Max Planck được coi là cha đẻ của lý thuyết lượng tử. Mãi đến năm 1905, khi nghiên cứu hiệu ứng quang điện, Abert Einstein (1879-1955) đã sử dụng giả thuyết lượng tử của Planck để giải thích các kết quả thực nghiệm xung quanh hiệu ứng quang điện. Bằng quan niệm rằng, bức xạ điện từ có bản chất lượng tử ở mọi nơi chứ không chỉ bó gọn trong các quá trình hấp thụ hay phát xạ, nghĩa là đâu đâu cũng tồn tại lượng tử ánh sáng ∆E, Einstein đã giải thích được kết quả thực nghiệm hết sức khác thường. Theo giả thuyết của ông, năng lượng của bức xạ điện từ chỉ luôn tồn tại dưới dạng lượng tử hóa và bức xạ điện từ là dòng các lượng tử ánh sáng gọi là các photon. Louis de Broglie Sau khi thuyết photon của Einstein ra đời và Vật lý học thừa nhận lưỡng tính sóng hạt của của ánh sáng Louis De Broglie Broglie , năm 1924, Louis de Broglie (1892-1987), một nhà vật lý và là thành viên của gia đình quí tộc Pháp nổi tiếng, đã trăn trở trước sự thật là ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt, trong khi đó các chất lại chỉ có tính hạt. Điều này đối mặt với sự thật là ánh sáng và các chất đều là các dạng của năng lượng, có thể chuyển hóa cho nhau và cùng tuân theo các đối xứng không – thời gian của lý thuyết tương đối. Rồi ông nảy ra ý nghĩ rằng vật chất cũng có lưỡng tính đó, rằng các hạt, như electron chẳng hạn, cũng có thể có tính sóng. Chuyển động tự do của một hạt, như electron với năng lượng E và xung lượng p cũng có thể xem như sự truyền của một sóng phẳng đơn sắc với tần số góc ω và vectơ sóng k với mối liên hệ giữa các đại lượng đó bởi những hệ thức giống như hệ thức giữa các đại lượng đó trong trường hợp photon. Nói một cách tổng quát hơn, chuyển động của electron cũng như của tất cả các hạt vi mô đều là quá trình truyền sóng – một loại sóng mới trước đây chưa hề được biết đến, gọi là sóng De Broglie. De Broglie đã khái quát hóa lưỡng tính “sóng – hạt” của ánh sáng cho các hạt vi mô như electron, photon, nơtron v.v… Ông cho rằng khi một hạt chuyển động tự do có năng lượng và xung lượng xác định sẽ tương ứng với một sóng phẳng đơn sắc lan truyền theo phương chuyển động của hạt, được mô tả bởi hàm sóng: gắn liền với bước sóng và tần số xác định: với p = mv Sóng De Broglie là loại sóng không có nguồn gốc dao động cơ học, cũng không có nguồn gốc điện từ, nó là loại sóng gắn liền với hạt vật chất khi chuyển động. Khác với sóng ánh sáng ở chỗ, giữa tần số và bước sóng không có quan hệ . Bước sóng De Broglie liên hệ trực tiếp với khối lượng và vận tốc chuyển động của hạt: Werner Heisenberg (lúc 26 tuổi) Để tiên đoán vị trí và vận tốc trong tương lai của một hạt, người ta cần phải đo vị trí và vận tốc hiện thời của nó một cách chính xác. Nhưng nhà vật lý lượng tử thiên tài người Đức, Werner Heisenberg (1901-1976) vào năm mới chỉ 26 tuổi, ông đã trình bày nguyên lý bất định Heisenberg đầy tính cách mạng và tìm ra một hệ thức giới hạn giữa độ chính xác ∆x về tọa độ và độ chính xác ∆p về xung lượng. Hệ thức có tính cách mạng và thoạt đầu có vẻ tà đạo này được phát biểu hết sức đơn giản như sau: ∆x. ∆p ≥ ћ/2 Tức là nếu ta thiết kế một thí nghiệm để xác định vị trí của hạt (chẳng hạn như electron) một cách chính xác nhất có thể được (bằng cách làm cho ∆x nhỏ hơn), ta sẽ thấy rằng khi đó ta sẽ không thể đo được thật tốt xung lượng của nó Werner Heisenberg (∆p trở nên rất lớn). Còn nếu ta sửa thí nghiệm để tăng độ chính xác của phép đo xung lượng thì độ chính xác của phép đo vị trí sẽ “tồi” đi. Ta sẽ không làm được gì trong chuyện này. Tích của hai độ bất định không bao giờ nhỏ hơn một lượng xác định. ∆x nhỏ hơn tất yếu dẫn tới một ∆p lớn hơn và ngược lại. Giữa ∆x và ∆p tồn tại một mối quan hệ bù trừ. Như vậy hệ thức bất định Heisenberg giới hạn một cách cơ bản hiểu biết chúng ta về quỹ đạo của các đối tượng lượng tử. Ở đây có điều quan trọng mà chính Heisenberg và cộng sự đã nhấn mạnh, giới hạn hiểu biết này không phải sinh ra từ sự không chính xác của các kỹ thuật được sử dụng hay của bản thân các dụng cụ đo, mà được xác định bởi một tính chất xác định của các đối tượng vật chất trong thế giới vi mô. Bản thân đối một đối tượng lượng tử có một tọa độ bất định và một xung lượng bất định. Nguyên lý bất định đã phát tín hiệu về sự cáo chung cho giấc mơ của Laplace về một lý thuyết khoa học, một mô hình của vũ trụ hoàn toàn có tính chất tất định: người ta chắc chắn không thể tiên đoán những sự kiện tương lai một cách chính xác nếu như người ta không thể dù chỉ là đo trạng thái hiện thời của vũ trụ một cách chính xác! Với một chút khôi hài ta có thể nhấn mạnh điều này: Nếu một hạt, chẳng hạn như electron, bị buộc phải bay theo một hướng xác định, thì tự nó sẽ không biết rằng mình sẽ tồn tại ở đâu! Hệ thức bất định Heisenberg là một trong những cơ sở căn bản nhất và trung tâm nhất của cơ học lượng tử. Đối với cơ học lượng tử, nguyên lý này có vai trò giống như kiến thức về giải phẩu đối với nhà y học. Erwin Schrodinger Gần như đồng thời và độc lập với Heisenberg, vào năm 1926, nhà vật lý người Áo Erwin Schrodinger (1887-1961) phát biểu một cách mô tả toán học riêng dành cho các quá trình trong thế giới vi mô, gọi là cơ học sóng. (Trong lý thuyết này, Schrodinger vẫn còn phần nào gắn bó với mô hình nguyên tử bán cổ điển của Bohr, khi ông nghĩ rằng các electron trong lớp vỏ nguyên tử chuyển động trên những quỹ đạo dừng). Phương trình Schrodinger. Nó là phương trình vi phân chứa hàm sóng là một ẩn hàm. Có thể xem hàm sóng giả thiết bởi de Broglie để mô tả sóng vật chất là một nghiệm của phương trình Schrodinger. Các nhà vật lý đã nhanh chóng sử dụng phương trình Schrodinger để tính toán các tính chất của thế giới dưới nguyên tử: cấu trúc của nguyên tử, các mức năng lượng của electron… Các kết quả thu được luôn luôn phù hợp với quan sát. Như vậy vật chất chắc chắn là có dáng vẻ của sóng. Nhưng một câu hỏi vẫn còn bỏ ngõ đó là: sóng của một hạt nghĩa là gì? Schrodinger nghĩ rằng phương trình của ông mô tả các electron “trải” ra trong toàn bộ không gian, như các sóng tròn do viên đá ném xuống tạo ra và lan khắp mặt ao. Nhưng giả thiết này không có ý nghĩa gì, vì ta không quan sát được các mẩu của electron, một phần ba electron ở đây hay một nửa ở kia, phân tán trong không gian! Các sóng electron rõ ràng không phải là các sóng vật chất. Nhà vật lý người Đức, Max Born (1882-1970) là người tìm ra câu trả lời đúng đắn vào năm 1926: theo ông sóng được mô tả theo phương trình Schrodinger hoàn toàn không phải là một sóng cụ thể được tạo thành từ vật chất, mà là một sóng trừu tượng, được tạo ra bởi xác suất. Ta có thể tính được xác suất gặp electron ở một điểm nào đó bằng cách bình phương biên độ sóng. Cơ may gặp electron sẽ lớn nhất ở các đỉnh (hoặc hõm) sóng, và nhỏ nhất ở cách nút sóng (nơi có biên độ bằng không). Nhưng ngay cả ở các đỉnh sóng ta cũng không bao giờ chắc chắn là sẽ nhìn thấy electron. Có thể là hai trong ba lần (xác suất 66%) hay bảy lần trong mười lần (xác suất 70%) nhưng xác suất này không bao giờ là 100%. Ngẫu nhiên “rầm rộ” bước vào thế giới nguyên tử. Nó khác với ngẫu nhiên trong thế giới vĩ mô – thể hiện sự hiểu biết không đầy đủ của chúng ta về sự vật hiện tượng, ngẫu nhiên trong thế giới nguyên tử có bản chất cơ bản hơn, nó đã được “ghi sẵn” trong lòng của chính các nguyên tử. Trước khi quan sát, chúng ta không bao giờ có thể nói được rằng electron nằm ở vị trí nào. Chúng ta chỉ có thể nói electron có một xác suất nào đó nằm ở vị trí này hay vị trí khác. Một thành tích tuyệt vời của phương trình Schrodinger là những tiên đoán về mẫu nguyên tử. Nhờ có phương trình này, một mẫu nguyên tử mới hoàn chỉnh hơn nhiều vói tên gọi là mẫu nguyên của cơ học sóng. Mẫu nguyên tử giờ đây không giống như mẫu nguyên tử hành tinh của Bohr – các electron “ngoan ngoãn” quay quanh nhân theo các quỹ đạo chính xác nữa – mà nguyên tử giờ đây được hiểu là một không gian gần như trống rỗng trong đó các electron “nhảy múa và lượn quanh” hạt nhân rất nhỏ, phô bày “chiếc áo sóng” của nó và choán toàn bộ không gian trống rỗng của nguyên tử. Mặc dù thoạt đầu phương trình Schrodinger chỉ được sử dụng trong những trường hợp phi tương đối tính, nghĩa là khi tốc độ của đối tượng lượng tử là nhỏ so với tốc độ của ánh sáng, và phương trình này vốn được tìm cho những hạt không có spin, nghĩa là những hạt không có moment xung lượng riêng, nhưng phương trình Schrodinger vẫn là phương trình quan trọng nhất của toàn bộ vật lý lượng tử. Về sau, Dirac đã dùng công thức năng lượng tương đối tính của Einstein để lập một phương trình cơ bản gọi là phương trình Dirac. Việc giải phương trình này cho ta mọi kết quả cũ của phương trình Schrodinger, nhưng còn xuất hiện thêm một đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái hạt vi mô là spin. Từ phương trình Dirac có thể lí giải được rằng spin thực chất là một thuộc tính thuần túy lượng tử chỉ thấy ở các hạt vi mô và gắn liền với hiệu ứng tương đối tính trong chuyển động của hạt vi mô do vận tốc lớn cùng bậc với vận tốc của ánh sáng. Nói chung, cơ học lượng tử không tiên đoán một kết quả xác định cho một quan sát. Thay vì thế, nó tiên đoán một kết cục khả dĩ khác nhau và nói cho chúng ta biết mỗi kết cục đó là như thế nào. Nghĩa là, nếu ta tiến hành một phép đo trên một số lớn các hệ tương tự nhau, mỗi một hệ đều khởi phát một cách hệt nhau, thì ta sẽ thấy rằng kết quả của phép đo có thể là A trong một số trường hợp, là B trong một số trường hợp khác… Người ta có thể tiên đoán được gần đúng số lần xuất hiện kết quả A hoặc B, nhưng không thể tiên đoán một kết quả cụ thể nào của một phép đo. Do đó, cơ học lượng tử đã đưa vào khoa học không thể tránh khỏi – đó là yếu tố ngẫu nhiên. Nếu nói electron là sóng thì đầu tiên ta phải trả lời câu hỏi: bước sóng của nó là bao nhiêu? Và nó có những đặc trưng nào của sóng? Các thí nghiệm sau sẽ trả lời cho những câu hỏi trên. Thí nghiệm Davisson – Germer: Năm 1927, C.J. Davisson và L.H. Germer đã tiến hành thí nghiệm cho electron nhiễu xạ trên đơn tinh thể Ni (Niken) để đo bước sóng De Broglie của electron. Các electron từ sợi nung được đốt nóng, được gia tốc bởi một hiệu điện thế V điều chỉnh được. Chùm tạo thành – gồm các electron có động năng eV – sau đó được phép đập vào một tinh thể C – trong thí nghiệm này là Niken. Sau khi phản xạ từ tinh thể C chúng được ghi nhận bởi detector D được đặt ở các vị trí góc khác nhau và được ghi nhận dòng điện I. Hình 2.1.2 Hình 2.1.1 Người ta có thể chứng minh được rằng tinh thể xử sự như một cách tử nhiễu xạ hai chiều, có các vạch là những đường nguyên tử song song nằm ở bề mặt tinh thể và hằng số cách tử là khoảng cách d (Hình 2.1.1). Hình 2.1.3 Các nhà thực nghiệm đặt cho V một giá trị đặc biệt nào đó, rồi đọc dòng I qua detector đối với các góc đặt khác nhau của detector. Sau đó họ đặt choV một giá trị khác và lặp lại sự quét góc của detector. Kết quả cho thấy đối với V = 54V, chùm nhiễu xạ mạnh rõ rệt ở góc = 50o (Hình 2.1.2). Nếu điện thế gia tốc hơi tăng hoặc giảm thì cường độ tia nhiễu xạ đều giảm. Khi Davisson điều chỉnh chùm electron được tăng tốc bởi hiệu điện thế V nhờ biến trở R xuyên qua khe lọc L hợp với bề mặt tinh thể niken một góc thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Vunphơ-Brắc (Hình 2.1.3): = l2 – l1 = 2d sin = n với n = 1, 2, 3,… Trong đó: là hiệu đường đi của hai tia bằng một số nguyên lần bước sóng; d là hằng số mạng tinh thể niken đóng vai trò là cách tử nhiễu xạ (d = 0,91 Ao cùng bậc với bước sóng De Broglie của electron). Quả nhiên hai chùm tia phản xạ của electron từ bề mặt tinh thể cho các cực đại nhiễu xạ đan xen vào nhau. Kết quả này khẳng định tính chất sóng của electron. Thí nghiệm của G.P. Thomson: Hình 2.2.1 Cũng trong năng 1927, độc lập với Davisson và Germer, Thomson tiến hành khảo sát nhiễu xạ chùm electron xuyên qua lá kim loại mỏng.(Hình 2.2.1) Một chùm electron đơn năng được chiếu qua một lá kim loại mỏng (bia). Bia này đặc biệt không phải là một tinh thể lớn duy nhất mà gồm một số lớn các vi tinh thể được định hướng một cách ngẫu nhiên. Với cách bố trí như vậy, luôn có một số vi tinh thể được định hướng dưới một góc thích hợp để tạo ra chùm nhiễu xạ. Bản chất vật lý của chùm electron đơn năng nhiễu xạ trên lá kim loại mỏng được Thomson lý giải như sau: trong lá kim loại chứa nhiều tinh thể định hướng ngẫu nhiên, trong số đó có những đơn tinh thể sắp xếp theo một trật tự xác định, cho nên khi điều chỉnh các thông số thích hợp Thomson đã thu được hình nhiễu xạ có dạng những vân tròn tối sáng đan xen vào nhau. Hình 2.2.2:Bức tranh nhiễu xạ nếu chùm tới là chùm tia X Hình 2.2.3:Bức tranh nhiễu xạ nếu chùm tới là chùm electron Sau đó Thomson tiếp tục thí nghiệm với bột nhôm ép thành lá mỏng rồi cho chùm tia electron đơn năng xuyên qua với bước sóng thích hợp cùng bậc với bước sóng tia X, ông cũng thu được các cực đại nhiễu xạ đối với chùm tia electron. Cũng trên mẫu nhôm ấy Thomson cho chùm tia X xuyên qua thì cũng thu được các cực đại nhiễu xạ, hoàn toàn giống như các cực đại nhiễu xạ của sóng De Broglie của electron. Thoáng nhìn qua hai bức tranh nhiễu xạ đó ta tin ngay rằng cả hai đều hình thành một cách hệt nhau (Hình 2.2.2; Hình 2.2.3). Đây là một kết quả bất ngờ hết sức thú vị. Điều này một lần nữa khẳng định tính chất sóng De Broglie của electron. Thí nghiệm cho electron qua hai khe hẹp: Tại sao ta lại tiến hành thí nghiệm này? Câu trả lời là vì ta muốn kiểm chứng thêm một đặc trưng sóng của electron – khả năng giao thoa của nó. Ta đã biết rằng trong thí nghiệm hai khe bức xạ điện từ thể hiện rõ tính sóng. Vậy điều gì sẽ xảy ra khi ta nếu ta thay bức xạ điện từ bằng chùm tia electron, nghĩa là nguồn phát sẽ phát ra một nguồn “hạt thực sự”. Khi đó, về cơ bản ta sẽ phải thay đổi cấu thí nghiệm hai khe Young sao cho chúng dùng được với electron. Cho đến năm 1957, nghiên cứu sinh Claus Joensson có bước đột phá thành công. Ông đã chế tạo ra những màng mỏng kim loại có chứa khe với bề rộng cỡ 0.5 micromet. Tiếp đến ông đã giải quyết vấn đề khuếch đại những dấu vết của electron trên màn hình khiến chúng đủ mạnh để có thể ghi nhận được. Cấu tạo cơ bản của thí nghiệm này cũng giống như thí nghiệm với hai khe Young với bức xạ điện từ, chỉ có điểm khác nhau duy nhất là màn ảnh trong thí nghiệm với ánh sáng được thay bằng một tấm kính ảnh để khi electron riêng lẻ tác dụng lên đó sẽ để lại những vết đen tương ứng. Tiến hành thí nghiệm khi mở chỉ một trong hai khe, ta nhận thấy phân bố xác suất tới của electron có giá trị rất cao tại những điểm nằm ngay trên đường thẳng từ nguồn đi qua khe và giảm dần khi xa dần miền này. Điều này về mặt định tính, giống hệt như phân bố mà ta đã biết với bức xạ điện từ. Sau đó ta mở đồng thời cả hai khe. Đối với các đối tượng là hạt, ta chờ đợi phân bố xác suất tới của các electron trong trường hợp này sẽ bằng tổng của các xác suất riêng lẽ. Nhưng thí nghiệm chúng ta nhận được là một mẫu vân giao thoa. Hình 2.3.1 Chắc chắn là chúng ta không thể giải thích các vân giao thoa này bằng mô hình hạt của electron, vì mô hình hạt cho ta một tiên đoán về phân bố xác suất tới của electron trên tấm kính ảnh khác hoàn toàn so với kết quả thí nghiệm. Vì vậy ta thấy electron cần phải được mô tả bằng mô hình sóng. Cách giải thích dựa vào mô hình sóng cho phép ta hiểu các vân giao thoa như sau: Các vân xuất hiện trên tấm kính ảnh là kết quả thoa tăng cường hay hủy nhau của sóng electron. (Hình 2.3.1) Đến đây chúng ta có thể nghi ngờ rằng ta có thể giải thích các vân giao thoa trên bằng một cách khác mà vẫn sử dụng mô hình hạt của electron. Ta có thể suy luận như sau: Các electron (khảo sát từ mô hình hạt) có thể bằng cách nào đó tương tác với nhau sau khi đã đi qua hai khe, để rồi xuất hiện trên một vị trí xác định nào đó, chẳng hạn vân sang trên tấm kính ảnh. Nghĩa là, khi một electron ra khỏi khe 1 và nhận thấy một electron khác bay qua khe 2, chúng có thể có một cách thỏa thuận nào đó (ví dụ như tương tác qua các trao đổi hạt) để được phát hiện trên địa điểm đã thỏa thuận. Vì thế đến đây, ta sẽ xét thử xem một giả thiết kiểu như vậy có thể dẫn tới một kết quả phù hợp với thực nghiệm hay không? Về mặt thực nghiệm, ta có thể giảm cường độ nguồn electron đến mức tối thiểu, khiến cho tại mỗi thời điểm t tùy ý chỉ có một electron duy nhất trong thí nghiệm. Điều này cũng có nghĩa là không có bất kỳ tương tác nào giữa electron bay ra từ khe 1 và electron bay ra từ khe 2. Các electron bay ra từ khe 1 không thể biết khe 2 đang mở và ngược lại. Như vậy ta chờ đợi xuất hiện trên tấm kính ảnh là sự phân bố xác suất tới như trường hợp ta chỉ mở có một khe. Nếu cứ cho thí nghiệm tiếp diễn liên tục như vậy và quan sát trên tấm kính ảnh, ta hẳn sẽ thấy phân bố xác suất đúng bằng tổng phân bố xác suất tới của từng hạt riêng lẻ, với khoảng 50% electron bay qua khe 1 và 50% electron bay qua khe 2. Nhưng hóa ra là chúng ta đã hoàn toàn sai với giả thiết của mình, vì việc tiến hành thí nghiệm hai khe vẫn cho vân giao thoa xuất hiện ngay khi chỉ có một electron riêng lẻ. Nó được tạo thành một cách chậm chạp khi các electron lần lượt đập trên màn ảnh. (Hình 2.3.2) Hình 2.3.2 Ở đây sẽ xuất hiện câu hỏi: Vì sao có thể xảy ra điều đó? Electron riêng lẻ chỉ có thể chọn và quyết định qua một trong hai khe. Nhưng nếu chúng bay qua chỉ một khe thì làm sao có vân giao thoa? Muốn vậy chúng phải tự phân thân, rồi đồng thời bay qua cả hai khe bằng một cách nào đó, vì chỉ có thể chúng mới có thể tự giao thoa với chính mình ở vùng sau khe. Nhưng vấn đề là ở chỗ, electron lại không thể phân chia được. Với giả thiết “phân chia electron” ở trên, nếu ta tiếp tục làm thí nghiệm trong suy tưởng kiểu như vậy, với một số ngày càng nhiều hơn các hệ hai khe hẹp nối tiếp nhau ta sẽ có thế ghi nhận được “những hạt – một phần tư, - một phần tám, - một phần mười sáu… electron”. Nhưng cho đến nay vẫn chưa có nhà vật lý thực nghiệm nào quan sát được hiện tượng này, chỉ vì electron là một lượng tử không phân chia được nữa. Như vậy trong thí nghiệm hai khe Young với electron, ta phải thừa nhận rằng electron có bản chất sóng. Và xác suất tới tấm kính ảnh của electron chính bằng bình phương môđun của hàm sóng. Nhưng làm sao một electron riêng lẻ lại có thể đi qua hai khe và tạo nên vân giao thoa? Nhà vật lý học người Mỹ, Richard Feynman (1918-1988), một trong số những người tài năng nhất của thế hệ ông và một trong những người sáng tạo của thế kỷ XX, đã đề xuất một quan niệm mới mà theo đó ta phải loại bỏ hoàn toàn quan điểm của vật lý cổ điển cho rằng để đi từ A đến B hạt chỉ có thể đi theo một và chỉ một con đường – nó có một và chỉ một lịch sử. Theo ông, hạt đi theo tất cả các con đường khả dĩ. Nó có vô số lịch sử. Có một xác suất nào đó để nó đi theo con đường ngắn nhất, nhưng cũng có một xác suất khác không để nó phiêu lưu theo một con đường dài hơn và cầu kì hơn, với tất cả các đường zíc-zắc và vòng vèo có thể tưởng tượng ra được. Ta phải lấy tổng theo tất cả các lịch sử khả dĩ của photon. Chắc chắn một số lịch sử này có xác suất lớn hơn một số lịch sử khác. Các hành trình ngắn nhất, những hành trình gần nhất với đường nối A và B nhất có khả năng xảy ra cao nhất. Xác suất của các hành trình này sẽ tăng cường lẫn nhau. Trái lại, các con đường phức tạp và khác đường thẳng nối A và B nhất có ít khả năng xảy ra nhất. Xác suất của chúng sẽ gần như triệt tiêu nhau và đóng góp rất ít vào tổng. Như vậy theo cách tiếp cận quan điểm này, trong thí nghiệm hai khe, trên vách có hai khe và electron đi qua đồng thời cả hai khe và đúng là nó “giao thoa” với chính nó! (Hình 2.3.3) Hình 2.3.3 Bản chất của electron: Qua các thí nghiệm ta thấy, electron khoác lên mình lưỡng tính sóng-hạt. Trong thí nghiệm này electron là hạt, nhưng trong thí nghiệm khác nó lại là sóng. Nhưng khi nào nó là hạt và khi nào sẽ là sóng? Có thí trường hợp nào mà electron vừa là hạt mà lại vừa là sóng hay không? Chúng ta sẽ thử xem. Quay lại với thí nghiệm hai khe, electron thể hiện bản chất sóng của mình. Bây giờ giả sử ta thay màn ảnh bằng một máy dò electron được thiết kế để phát và ghi tiếng “cách” mỗi lần một electron đập vào nó. Nếu chúng ta xê dịch máy dò lên xuống chúng ta có thể vẽ đồ thị biểu diễn nhịp độ các tiếng “cách” theo vị trí máy dò – cũng sẽ vạch được các vân giao thoa. Như vậy có phải là chúng ta đã thành công trong việc chứng minh cả sóng lẫn hạt? Chúng ta thấy các vân giao thoa (sóng) và nghe được tiếng “cách” phát ra (hạt)! Thực tế là chúng ta không thành công. Tiếng “cách” đơn giản chưa đủ là bằng chứng chứng tỏ đó là hạt. Khái niệm “hạt” liên quan đến “quĩ đạo” và hình ảnh trong óc chúng ta về một viên bi nhỏ xíu đi theo con đường đã định trước. Tối thiểu, chúng ta cũng muốn biết được trong số hai khe thì electron đi qua khe nào trên “con đường” của nó đến để phát ra tiếng “cách” trong máy dò. Về nguyên tắc ta có thể đặt một máy dò rất nhỏ ở trước mỗi khe (hoặc ngay sau một trong hai khe) sao cho nếu electron qua nó, nó sẽ phát một tín hiệu điện. Sau đó chúng ta sẽ thử thiết lập mối tương quan của mỗi tiếng cách hay nói cách khác là mối tương quan giữa “tín hiệu tới màn” và “tín hiệu qua khe” rồi từ đó xác định “con đường” đi của electron. Ban đầu, máy dò không được bật, dĩ nhiên các vân giao thoa vẫn xuất hiện trên màn hình. Electron vẫn đang khoác chiếc áo sóng. Bây giờ ta hãy cho máy dò hoạt động - chúng ta chỉ ra được bản chất hạt của electron nhưng ngay lập tức bằng chứng về bản chất sóng - vân giao thoa biến mất trên màn ảnh và phân bố xác suất toàn phần chỉ là tổng phân bố xác suất tới riêng rẽ ứng với mỗi khe. Electron đã khoác chiếc áo hạt. Tại sao lại có sự thay đổi như vậy? Ban đầu khi không bật máy dò, ta không biết electron đi qua khe nào trong hai khe. Trong trường hợp thứ hai, vì máy dò hoạt động nên ta biết được điều đó. Để thay đổi bộ dạng của các electron ta chỉ cần cho máy dò hoạt động. Nói cách khác, người quan sát ở đây đóng vai trò trung tâm. Trong thế giới các nguyên tử, chính người quan sát tạo ra hiện thực. Hiện thực nguyên tử và dưới nguyên tử không còn là khách quan nữa, mà là chủ quan. Điều này nằm ngay trong nguyên lý bổ sung của Niels Bohr: “Các phương diện sóng và hạt của một thực thể lượng tử, cả hai đều cần thiết cho sự mô tả đầy đủ. Tuy nhiên, cả hai phương diện đó không bộc lộ đồng thời trong một thí nghiệm đơn nhất. Khía cạnh nào được bộc lộ là do bản chất của thí nghiệm quyết định.” Nói thêm rằng như thế vẫn chưa hết những điều kỳ lạ của cơ học lượng tử. Nó vẫn còn rất nhiều “trò” khác. Ngay cả khi ta đặt một máy dò để quan sát các electron và khi đó biến chúng thành “hạt” thì ta cũng không bao giờ xác định được chính xác cùng lúc vận tốc và vị trí của chúng. Lý do nằm hành động quan sát và bản chất của ánh sáng. Bản chất của ánh sáng nhập cuộc vì để quan sát electron hay mọi hạt khác, chúng ta cần phải chiếu sáng nó bằng một chùm photon. Năng lượng của mỗi photon tỉ lệ thuận với tần số và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng. Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng ánh sáng, và quyết định mức độ chính xác mà chúng ta có thể định vị được electron. Bước sóng càng dài, năng lượng càng thấp và vị trí của electron càng không chính xác. Ngược lại, bước sóng càng ngắn, năng lượng càng cao, và vị trí của electron càng chính xác. Như vậy để biết chính xác vị trí của electron ta cần chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng cao (chẳng hạn như tia X hay tia gamma). Nhưng chỉ vị trí của electron thôi thì chưa đủ để mô tả nó, ta còn cần phải biết chuyển động của nó bằng cách đo vận tốc của nó. Nhưng khi chiếu sáng electron bằng ánh sáng có năng lượng cao, chúng ta sẽ làm nhiễu động chuyển động của nó. Năng lượng photon càng lớn thì sự nhiễu động càng lớn. Thế là chúng ta vấp phải một tình thế lưỡng nan, hoặc chúng ta đo vị trí chính xác của electron bằng cách chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng lớn và ta sẽ từ bỏ việc đo chính xác vận tốc của nó; hoặc là chúng ta đo vận tốc của nó chính xác nhất có thể có bằng cách chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng nhỏ nhất có thể và từ bỏ việc xác định chính xác vị trí của nó. Sẽ không bao giờ giải quyết được tình thế lưỡng nan này, vì tính bất định của hiện thực của electron không phải là do dụng cụ đo của chúng ta không đủ hiện đại, hay do khiếm khuyết nào đó trong cách tiến hành của chúng ta mà là do tính chất xác định của các đối tượng lượng tử. Chúng ta lại gặp lại hệ thức bất định Heisenberg! Từ những kết quả trên có thể rút ra những điều gì? “Hình như electron xấu hổ về đặc tính sóng của mình. Nếu người ta không để ý tới, chúng hành xử như sóng, nhưng khi bị quan sát trực tiếp, chúng lại tự chứng tỏ mình là hạt.” Tất nhiên cách phát biểu này hơi thái quá một chút, nhưng nó phản ánh được kết quả một cách ngộ nghĩnh. Electron mang lưỡng tính sóng-hạt, tính chất sóng hay hạt được bộc lộ là do bản chất thí nghiệm quyết định. Đâu là ranh giới giữa vi mô và vĩ mô? Khi tiến hành được thí nghiệm hai khe với electron người ta nghĩ đến khả năng tiến hành thí nghiệm hai khe với những hạt khác electron, mặc dù thí nghiệm với hạt có khối lượng lớn hơn sẽ càng khó khăn hơn. Với những nổ lực lớn hơn và tốn kém hơn, với những hạt cơ bản khác, như nơ tron, ta cũng chứng tỏ được sự tồn tại của vân giao thoa. Điều đó nói với chúng ta rằng, những hạt cơ bản khác cũng tuân theo lưỡng tính sóng-hạt, được gắn với một bước sóng de Broglie. Từ những thí nghiệm mới nhất người ta biết rằng, vân giao thoa cũng xuất hiện ngay cả trong thí nghiệm hai khe với những phân tử lớn có tên gọi fulleren (còn gọi là phân tử bóng đá vì chúng có dạng hình cầu giống quả bóng đá) tạo thành từ 60 nguyên tử cacbon. Điều này hết sức lý thú vì ranh giới giữa vi mô và vĩ mô ngày càng dịch chuyển về phía có kích thước lớn hơn, nghĩa là chúng khử định xứ theo ý nghĩa chân thực nhất của từ này. Tất nhiên ở đây sẽ xuất hiện câu hỏi: nếu tiếp tục dịch chuyển về phía kích thước lớn như vậy thì khi nào khả năng giao thoa của hạt sẽ mất đi? Và chính xác ranh giới giữa vi mô và vĩ mô nằm ở đâu? Thật ra, cho đến nay đó vẫn là vấn đề trung tâm của vật lý lượng tử. Ứng dụng bản chất sóng của vật chất: Ngày nay bản chất sóng của vật chất đã được xác nhận và những nghiên cứu về nhiễu xạ của các chùm electron hoặc nơ tron đã được dùng hằng ngày để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của các chất rắn và lỏng. Các sóng vật chất là một bổ sung rất có giá trị cho tia X trong việc nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của chất rắn. Các electron có khả năng đâm xuyên nhỏ hơn tia X nên rất đắc dụng trong việc nghiên cứu các tính chất bề mặt. Tia X tương tác chủ yếu với electron trong bia nên khó có thể dùng tia X để định vị các nguyên tử nhẹ - đặc biệt là hidro – có ít electron. Trái lại, các nơ tron tương tác chủ yếu với hạt nhân nguyên tử nên có thể bổ sung cho khiếm khuyết đó. Positron – Phản hạt của electron: Khái niệm: Positron là phản hạt của electron với khối lượng và spin bằng khối lượng và spin của electron, nhưng có điện tích trái dấu với electron. Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện trong thế giới các hạt vi mô. Trong chân không, positron tồn tại rất lâu với thời gian sống cỡ 4,3×1023 năm, tuy nhiên trong môi trường, nó lại có thời gian sống khá ngắn do bị hủy cặp gần như tức thời với electron của môi trường. Có thể coi positron có 3 tương tác chính: Tán xạ với hạt mang điện nói chung. Tạo muon μ. Hủy cặp với electrron để tạo ra cặp lượng tử gamma bay ngược chiều nhau. Phát hiện ra positron: Paul Dirac Vào năm 1928, khi giải bài toán cơ học lượng tử về sự vận động của electron, ở P.Đirắc đã nảy sinh một ý tưởng vĩ đại. Theo ông, thuyết lượng tử và thuyết tương đối - hai cơ sở lớn của vật lý học hiện đại, trong bản chất của nó, phải ăn nhập với nhau, phải hài hòa với nhau, chí ít thì cũng phải không mâu thuẫn với nhau. Từ ý tưởng này, P.Đirắc đã mở rộng phương trình lượng tử của electron để có thể áp dụng cho cả những hạt vận động với tốc độ lớn, những hạt có spin 1/2. P.Đirắc đã tìm ra một phương trình hoàn mỹ, một phương trình trong khi thỏa mãn những yêu cầu của bản thân cơ học lượng tử đã đồng thời thỏa mãn một cách trọn vẹn những yêu cầu của thuyết tương đối hẹp do A.Einstein phát hiện 1905). Phương trình này về sau mang tên ông phương trình P.Đirắc. Trước khi có phương trình P.Đirắc, trong vật lý học vi mô người ta không thể hiểu được tại sao electron lại khác với chính nó khi nó được quay đủ trọn một vòng, còn khi quay hai vòng (2 x 360o) thì trạng thái ban đầu của nó mới được thiết lập trở lại. Hiện tượng này (spin l/2) hóa ra được mô tả chính xác trong phương trình P.Đirắc. Phương trình Pđirắc có hai nghiệm, tức là sự vận động của những hạt có spin ½ phải chấp nhận hai đáp án. Một nghiệm tương ứng hoàn toàn với electron mà người ta đã biết. Còn nghiệm kia tương ứng với một hạt mang năng lượng âm. Vào cuối những năm 20 của thế kỉ XX, việc tưởng tượng có một loại electron mang năng lượng âm là điều cực kỳ khó hiểu, thậm chí điên rồ. Bởi lẽ, nếu có tồn tại năng lượng âm, vật chất sẽ phải sụp đổ ngược với chiều bình thường. Hơn thế nữa, nếu hạt có năng lượng âm thì sóng của nó cũng phải có tần số âm. Điều này có nghĩa là hạt mang năng lượng âm sẽ đi theo thời gian ngược: từ tương lai đến quá khứ, từ kết quả đến nguyên nhân... Không chịu khuất phục trước các mâu thuẫn đó, P.Đirắc vẫn tìm cách hiểu đúng thế giới vi mô qua phương trình của mình. Ông giải thích hiện tượng năng lượng âm theo cách khác: Hạt có năng lượng âm sẽ là một hạt khác tương đương với hạt có cùng khối lượng, nhưng mang điện tích trái dấu. Đó là electron có điện tích dương, chứ không phải có điện tích âm như vẫn được quan sát bằng thực nghiệm. Như vậy, theo phương trình P.Đirắc, đối lập với electron là một hạt giống hệt nó về các đặc trưng nội tại - khối lượng, spin... chỉ có khác là mang điện tích trái dấu - hạt positron, nghĩa là, phương trình P.Đirắc đã dự báo về sự tồn tại của phản electron (positron sau này thường được gọi là phản electron). Phản vật chất bắt đầu từ trí tưởng tượng của con người ở những năm 1930, về một loại "chất lạ" được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao để đấy những chiếc tàu không gian đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng. Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đặt ra một vấn đề: rằng mọi hạt đều có "đối hạt" của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ có sự đối lập về mặt điện tích. Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, phản electron (còn được gọi là positron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất. Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một vũ trụ ảo tạo bởi các phản vật chất này. Khái niệm phản hạt đã xuất hiện. Vấn đề chỉ còn là chứng minh sự tồn tại của positron bằng thực nghiệm. B ốn năm sau, khi quan sát những hiệu ứng từ sự va chạm của tia vũ trụ với các nguyên tử Pb, K.Andersơn, nhà vật lý học người Mỹ đã nhận thấy trên ảnh có dấu vết của một hạt lạ. Quỹ đạo của hạt này trong từ trường chứng tỏ là nó mang điện tích dương, nhưng có khối lượng và kích thước đúng bằng electron. Đây chính là positron hay phản electron. Hình 4.2: Dấu vết của phản electron Thực ra, positron phát sinh từ bức xạ vũ trụ. Khi va chạm với các nguyên tử của bầu khí quyển, nó đã chuyển hóa một phần năng lượng thành một cặp electron-positron, những phản hạt tự nhiên mà người ta quan sát thấy một cách ít ỏi đều là các sản phẩm phát sinh của những hạt vũ trụ. Sơ lược về positron: Positron (phản electron) Cấu trúc: Hạt sơ cấp Loại: hạt Fermion Nhóm: Lepton Lớp: Đầu tiên Tương tác: Hấp dẫn, Điện từ, Yếu Phản hạt: Electron Lý thuyết: Paul Dirac, 1928 Thực nghiệm: Carl D. Anderson, 1932 Ký hiệu: β+, e+ Khối lượng: 9.1093826(16) × 10−31 kg 1⁄1836.15267261(85) u 0.510998918(44) MeV/c2 Điện tích: 1.602176462(63) × 10−19 C Spin: ½ Ý nghĩa của việc phát hiện ra positron - phản hạt đầu tiên trong thế giới vi mô: Hình 4.3 Trong thế giới vi mô, sự gặp nhau giữa các hạt và phàn hạt sẽ sinh ra hiện tượng hủy cặp: Các hạt và phản hạt sẽ ngay lập tức hủy nhau để tạo ra năng lượng hoặc tạo ra hạt mới. Chẳng hạn, một positron khi gặp electron sẽ sinh ra hai photon (e+ + e- → γ + γ). (Hình 4.3) Hay các hạt proton khi gặp phàn proton sẽ sinh ra một số meson (p + p --> 2π+ + π- + π0) ... Đây là một đặc tính quan trọng của thế giới vi mô, một đặc tính có ý nghĩa đối với việc duy trì những đối xứng khách quan của thế giới vật chất. Từ chỗ khám phá ra các phản hạt và về nguyên tắc, người ta biết rằng mỗi hạt đều có một phản hạt tương ứng, cho nên, lẽ đương nhiên, người ta phải đặt vấn đề : nếu các nguyên tử chỉ được tạo thành từ các hạt thì các phản hạt của nó (tồn tại ở đâu đó bên ngoài và đối xứng với các hạt) có thể kết hợp được với nhau - theo các quy luật mà các hạt đã kết hợp - để tạo ra các phản nguyên từ hay không? Ngay từ khí phản electron được phát hiện năm 1932, sự hoàn hảo của lý thuyết P.Đirắc đã kích thích các nhà khoa học săn lùng phản nguyên tử. Rất nhiều máy gia tốc hạt đã được xây dựng ở các trung tâm nghiên cứu vật lý để tiến hành cuộc săn lùng này. Và, người ta hy vọng rằng, nếu như thực nghiệm chứng minh được có sự tồn tại của phản nguyên tử, thì điều đó có nghĩa là, sự tồn tại của phản vật thể, phản sinh vật, phản hành tinh, phản vũ trụ... đã bước đầu được chứng minh. Nói một cách khác, nếu con người khám phá ra phản nguyên tử thì về mặt lý thuyết, người ta buộc phải công nhận có sự tồn tại của các phản vật thể trong sự đối xứng với các vật thể mà hàng ngày con người có thể nhận biết được qua các giác quan. Thật thú vị khi hình dung rằng, cùng với sự tồn tại của một trái táo hiện thực trước mặt chúng ta, còn có một phản trái táo ấy tồn tại ở đâu đó trong thế giới này. Và cho đến tháng 9/1995, cánh cửa đầu tiên của thế giới ấy, thế giới phản vật chất đã hé mở, loài người đã tạo ra được 9 phản nguyên tử đầu tiên. THUẬT NGỮ Big Bang: Điểm kỳ kị ban đầu của vũ trụ. Bước sóng: Khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm sóng kề nhau. Chân trời sự kiện: Biên của lỗ đen. Cơ học lượng tử: Lý thuyết phát triển từ nguyên lý lượng tử của Planck. Điện tích: Một tính chất của hạt đẩy (hoặc hút) một hạt khác có cùng (hoặc khác) dấu điện tích. Electron: Hạt mang điện tích âm quay chung quanh nguyên tử. Fermion: Các hạt có spin bán nguyên (1/2; 3/2…). Hạt nhân: Hạt nằm ở trung tâm của nguyên tử, gồm notron và proton liên kết với nhau bởi tương tác mạnh. Khối lượng: Lượng vật chất trong một vật thể, quán tính đối với gia tốc. Lepton: Các hạt nhẹ, chỉ chịu tác dụng của lực yếu. Lỗ đen: Vùng của không-thời gian từ đó không có gì thoát ra khỏi được, kể cả ánh sáng vì hấp dẫn quá mạnh. Lượng tử: Đơn vị không phân chia được trong bức xạ và hấp thụ các sóng. Máy gia tốc hạt: Thiết bị sử dụng các nam châm điện, có khả năng làm chuyển động các hạt có điện tích, do đó chúng thu được năng lượng lớn hơn. Nguyên lý loại trừ Pauli: Chỉ có một hạt duy nhất có thể gán cho một trạng thái lượng tử đã cho. Nguyên tử: Đơn vị cơ sở của vật chất, gồm hạt nhân (cấu thành bởi notron và proton) có các electron chuyển động chung quanh. Notron: Một hạt không có điện tích, nhiều tính chất rất giống proton, chiếm xấp xỉ một nửa số các hạt cấu thành nên hạt nhân nguyên tử. Phản hạt: Mỗi một loại hạt có một phản hạt tương ứng. Mỗi hạt va chạm với phản hạt thì chúng hủy nhau và cho thoát ra năng lượng. Phóng xạ: Quá trình chuyển biến tự phát của một hạt nhân nguyên tử này thành một hạt nhân khác. Photon: Lượng tử của ánh sáng. Positron: Phản hạt của electron, mang điện tích dương. Proton: Hạt mang điện tích dương, chiếm xấp xỉ một nửa số trong các hạt cấu thành hạt nhân nguyên tử. Spin: Một thuộc tính nội tại của các hạt cơ bản, gắn liền, song không đồng nhất với khái niệm quay thông thường. Tia gamma: Sóng điện từ với bước sóng rất ngắn, phát sinh trong các quá trình phân rã phóng xạ, hoặc va chạm của các hạt cơ bản. Tổng hợp hạt nhân: Quá trình trong đó hạt nhân chạm nhau, tổng hợp thành một hạt nhân duy nhất nặng hơn. Từ trường: Trường của các lực từ, hiện nay đã thống nhất với điện trường thành điện-từ trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO Thái Khắc Định (2007), Vật lý nguyên tử và hạt nhân, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh. Trịnh Xuân Thuận (2008), Những con đường của ánh sáng, Nxb Trẻ, TP Hồ Chí Minh. Camejo S.A. (2008), Thế giới lượng tử kỳ bí, Nxb Trẻ, TP Hồ Chí Minh. Halliday D., Resnick R., Walker J. (2007), Cơ sở Vật lý Tập 4:Điện học, Tập 5: Điện học II, Tập 6:Quang học và vật lý lượng tử, Nxb Giáo dục. Hawking S. (2008), Lược sử thời gian, Nxb Trẻ, TP Hồ Chí Minh. Các trang Web: ̉n _vật_chất