Bài giảng Điện học (Phần 4) 1.4 Lượng tử hóa điện tích Chứngtỏ nguyên tử thật sự tồn tạilà một mụctiêu lớnđã đạt, nhưng việc chứng minhsự tồn tại của chúngkhônggiống với việc tìmhiểu những tính chất của chúng.Lưu ýcác quansát Brown-Einsteinrốt cuộcchẳng cóliên quan gì tới điện học cả, và cho tới đây chúng ta biết rằngvật chất vốn dĩ có tính chất điện, và chúng ta đã thànhcông trong việc giải thích những tínhchất điện nhất định dưới hình thức các hạtmang điện dương và âm linh động. Nhữnghạt này có phải là nguyêntử không ? Haychúng là những bộ phận của nguyên tử ? Các hạtđó có hoàn toàn tách khỏi nguyên tử ? Có lẽ thật là quá sớm nếu như cố gắng trả lời những câu hỏi này mà không có bằng chứngthuyết phục ủng hộ mô hình hạt tích điện củađiện học. Bằng chứng ủng hộ mạnhmẽ cho mô hìnhhạt tích điện đến từ một thí nghiệmtrongnăm 1911do nhà vật lí Robert Millikanthựchiện ở trường đại học Chicago.Hãy xétmột dònggiọt nướchoa hoặc chất lỏng khác chothổi qua một lỗ đinh ghimnhỏ xíu. Các giọt đi ratừ lỗ phải nhỏ hơn lỗ và thực tế thì chúng cònvi mô hơnnữa, vì dòng xoáy của không khí có xu hướng làm tảnloạnchúng ra. Millikanlập luận rằng những giọt đó cần một chútđiện tích khi chúngcọ xát lên thành lỗ màchúng đi qua,và nếu mô hìnhhạt tích điện của điện họclà đúngđắn, thì điện tích cóthể tách vỡ trong số quá nhiềugiọt chất lỏng nhỏ xíu nênmột giọt có thể có lượngđiện tích toàn phần thừathải của một vài hạt tích điện – có lẽ là sự thừathải của một hạttích điệndươngtrên một giọt nhấtđịnh, hoặc sự thừa thải hai điện tích âmtrên giọtkhác. Thiết bị khéo léocủa Millikan,g, gồm haibản kimloại, chúng có khả năng tích điện khi cầnthiết.Ông phun một đámgiọt dầu vào khônggian giữa hai bản, và chọn một giọt qua kính hiển vi để nghiên cứu. Ban đầu,khi không cóđiện tích trên các bản, ông xácđịnh khối lượng của giọt bằngcách cho nó rơi trong không khívà đo vận tốc giớihạn của nó, tức là vận tốc ở đó lực ma sátcủa khôngkhí triệt tiêu lực hấpdẫn. Lực kéo theocủa không khí tác dụnglên một quả cầu chuyểnđộng chậmđã đượctìm ra bằng thựcnghiệm là bvr 2 , trong đó b là mộthằng số. Đặt lực toànphần bằngkhông khi giọt chất lỏng rơi ở vận tốc giớihạn cho ta bvr 2 – mg = 0 và đặt tỉ trọng đã biết của dầu bằng với khối lượng của giọt chất lỏng chia cho thể tích củanó chota phương trìnhthứ hai Mọithứ trong những phương trìnhnày có thể đo trực tiếp, ngoại trừ m vàr, nên đây là hai phươngtrình hai ẩn,ngườita có thể giải chúng để biết giọtchất lỏng lớn cỡ nào. Sau đó, Millikantích điện cho các bản kim loại, điềuchỉnh lượng điện tích trung hòachính xác với lực hấp dẫn và đẩy giọt chất lỏngnằm lơ lửng. Chẳnghạn, nếu giọtchấtlỏng đượclàmcho có điện tích toàn phần là âm, thì điện tích dương đặt trên bản trênsẽ hút nó, kéo nó lên, và điện tích âmnằm trên bảndưới sẽ đẩy nó, nângnó lên.(Về mặt lí thuyết chỉ cần một bản thôi,nhưng trên thựctế sự sắp xếp haibản như thế này cholực điệncó độ lớn đềuhơn trong toàn vùngkhông gian giọt chấtlỏng rơi) Lượng điện tích trênhai bản cần thiết cho giọt dầu lơ lửng cho Millikan mộtcơ sở xác địnhlượng điện tích giọtchấtlỏng mang. Điệntích giọt chất lỏng mang càng lớn,thì lực điện tácdụng lên nó sẽ càng mạnh,và thủ thuật là phải đặt điện tích trên các bản nhỏ thôi. Thật không may, việc biểu diễn mối quan hệ này bằng địnhluật Coulomb sẽ không thựctế, vì nó cần sự hiểubiết trọn vẹn về việc điện tích phân bố như thế nàotrên mỗibản, cùng với khả năngthực hiện phép cộng vectơ của tất cả các lựctác dụng lên giọtchất lỏngbởi tất cả các điệntích trên bản. Thay vì vậy, Millikansử dụng một cơ sở thực tế là lực điện màmột điện tích điểm chịu tại mộtđiểm trong không gian tỉ lệ với điện tíchcủa nó F/q = const Với lượngđiện tích cho trước trêncác bản, hằng số này cóthể được xác định chẳng hạn bằng cách vứtbỏ giọt dầu đi, xengiữa hai bản một vật lớn hơn vàdễ cầm nắm hơncó một điện tích đã biết trênnó, vàđo lựcvới phương phápthông thường.(Thậtra,Millikan sử dụngmột bộ kĩ thuật hơi khácđể xác địnhhằngsố đó, nhưng ýtưởng cũng tương tự) Độ lớn của lực tácdụng lên giọt dầuthực tế phải bằngmg, vì lựcchỉ vừa đủ để nâng bổng nó lên, và mộtkhi hằng số địnhcỡ đã được xác định,thì điện tích của giọt chất lỏng khiđó có thể tìm ra được dựa trên khối lượng đã xác định trước đó của nó. Bảng h cho một vài kết quả từ bài báo năm 1911 của Millikan.(Millikan xử lí dữ liệu trên cả những giọttích điệnâm vàdương, nhưng trongbài báo củaông, ông chỉ mang raví dụ dữ liệu về nhữnggiọt tíchđiện âm,nênở đâytoàn là số âm) Chỉ cần liếc qua số liệu trên cũng thấy ngayrằng điện tích không đơngiản là một loạt số ngẫunhiên. Chẳng hạn, điện tích thứ haihầu như chính xác bằng phânnửa điện tíchthứ nhất. Millikan giải thích điện tích quansát đượcđềulà bội số nguyên của một con số đơn giản,1,64x 10 -19 C. Trong cột thứ hai, lấy điện tích chia cho hằng số này được kết quả về cơ bản là số nguyên, chophép sailệch ngẫu nhiêncó mặttrong thí nghiệm. Millikan phát biểutrong bài báo củaông rằngnhữngkết quả này là … bằng chứng trực tiếp và xác thực… của sự đúng đắn của quan điểm đã được cải tiến trong nhiều năm qua và được củng cố bởi bằng chứng từ nhiều nguồn cho thấy mọi điện tích, là những bội số chính xác của một điện tích cơ bản, hữu hạn, hay nói cách khác, một điện tích rải đều trên bề mặt tích điện có một cấu trúc dạng hạt hữu hạn, trên thực tế, gồm những hạt nhỏ, hay những nguyên tử điện, tất cả đều giống hệt nhau, rắc trên bề mặt của vật mang điện. Nói cách khác,ông đã cung cấp bằng chứngtrực tiếp cho mô hình hạttích điện củađiện họcvàbác bỏ nhữngmô hình trong đó mô tả điện là một số loại chất lỏng. Điện tích cơ bản được kí hiệu làe, và giá trị hiện nay là 1,60x 10 -19 C. Từ “lượng tử hóa” được sử dụng trong vật lí để mô tả một đại lượngchỉ có thể có những giá trị số nhất định, và không thể có bấtkì giá trị nào nằm giữa những giá trị đó. Theocách hiểu này, chúng ta nói rằng Millikan đã pháthiện điện tích bị lượng tử hóa. Điện tích e thườngđượcgọi là lượng tử điện tích. ¤ Tiền tệ có bị lượng tử hóa ? Lượng tử của tiền tệ là gì ? Ghi chép lịch sử về trò gian lận của Millikan Rất ít sách giáokhoa vật lí phổ thông đề cập đến thực tế rõ ràngrằng mặc dù những kết luậncủa Millikanlà đúng đắn, nhưngông là một kẻ gian lận khoahọc. Kĩ thuật của ôngkhó và đòi hỏi phải thật cẩn thận khi thực hiện, vàsổ sách ghi chép nguyênbảncủa ông, đến nayvẫn còn giữ được, chothấysố liệu kémhoànhảo hơn nhiều so với như ông khẳng địnhtrong nhữngbàibáokhoa họcđã côngbố củaông. Trongnhững ấn phẩmnày, ôngphát biểu thẳng thừng rằng mỗi giọt dầu quan sát có điện tích là mộtbội số của e, với khôngcó ngoại lệ và sai sót nào.Nhưng sổ ghi chépcủa ông có thừa những ghichú đại loại như “số liệu đẹp, giữ” và “tệ quá, bỏ đi”. Sauđó, Millikan đã giành giải thưởng Nobelvật lí chosự mô tả không trung thực về số liệu của ông. Tại sao các tác giả sách giáo khoaquên khôngnói tới trò gian lận của Millikan? Hình như họ nghĩ rằng học sinh, sinhviên còn quá ngây thơ để đánh giá chínhxác ngụ ý của thực tế rằngđôi khivẫn tồn tại những trò giantrákhoa học và thậmchí còn được trao giải thưởngcủa nhữngtổ chức khoahọc.Có lẽ họ e ngại sinh viên sẽ làm qua loa số liệu giantrá choxong, vì Millikanđoạt giải Nobelcũng bằngcách đó mà. Nhưng xuyêntạc lịch sử khônghơn gì là mỉa mai. Chẳngphải các thầygiáo người Anh đã cải biên bi bịchcủaSheakspearesao cho nhânvật xấu luôn luôn bị đối xử thậm tệ, còn nhânvật tốt thì chưa bao giờ bị đối xử như thế đó hay sao ! Một lời giải thích khả dĩ khác đơngiản làthiếu căncứ; cókhả năng là một số giáo trìnhcó tiếng khôngmuốn phê phántrò bịpcủa Millikan vànhững tác giả sau đó cũng xử sự như thế. Nhà sinhvật học StephenJayGould đã viết mộtbài tiểu luận vạch ra một ví dụ chỉ rõ cáctác giả sách giáo khoasinh học có xu hướngđi theo cách xử lí truyền thống của một chủ đề, sử dụng cái cổ của con hươu caocổ để bàn về tính không kế thừa củanhững đặc điểm cần thiết.Lúc ấy, một lời giải thích khác là các nhàkhoa họccó được địa vị từ hìnhảnh trước công chúngcủa họ là những người tìm kiếm sự thật một cách vô tư, và họ không muốn côngchúng nhận ra bản chất con người vàkhônghoàn hảo của họ.(ChínhMillikanlà một nhà cải cách giáo dục, và ông đã viết mộtloạt sách giáo khoacó chất lượng cao hơnnhiều so với trước thời kì của ông). Ghi chú thêm vào tháng 9/2002 Vài năm sau khi tôiviết câu chuyện lịch sử ngoài lề này, tôi đã bắt gặp một sự bênh vựclí thú cho Millikan từ phía DavidGoodstein(American Scientist,Jan- Feb 2001, trang 54-60). Goodsteinbiện hộ rằng mặcdù Millikanđã viết mộtcâu dối trátrongbài báo của ông,nhưng Millikan không đáng trách là kẻ lừa dối khi ông đưa câu đó vào trong ngữ cảnh. Millikanphát biểu rằng ông chưabao giờ vứt đi bấtkì số liệunào,vàôngthật sự đã vứt bỏ số liệu,nhưng ôngcólí dochínhđáng, khách quan choviệc loại bỏ số liệu đó. Vấn đề Millikancó thể vẫn gây tranh cãi trong số các nhà sử học, nhưng ở đây tôi sẽ rút ra hai bài học: o Tìnhtiết đó có thể làm giảm sự tín cẩn của chúngta vào Millikan,nhưng nó làm tăng thêm niềm tin của chúng ta vàokhoa học. Kết quả đúng đắn cuốicùng sẽ được công nhận, chứ không thể như trong lĩnhvực giả khoahọc giốngnhư y học. o Trongkhoa học, sự tùy tiện cũngtồi tệ như trò lừa bịpcờ gian bạc lận. Nếu khoahọc biết đôi điều về sự thật tuyệt đối,thì nó sẽ không cần lí dogì để giải thích cả. . Bài giảng Điện học (Phần 4) 1.4 Lượng tử hóa điện tích Chứngtỏ nguyên tử thật sự tồn tạilà một mụctiêu lớnđã đạt, nhưng. tới điện học cả, và cho tới đây chúng ta biết rằngvật chất vốn dĩ có tính chất điện, và chúng ta đã thànhcông trong việc giải thích những tínhchất điện nhất định dưới hình thức các hạtmang điện. hộ mô hình hạt tích điện củađiện học. Bằng chứng ủng hộ mạnhmẽ cho mô hìnhhạt tích điện đến từ một thí nghiệmtrongnăm 1911do nhà vật lí Robert Millikanthựchiện ở trường đại học Chicago.Hãy xétmột