Đang tải... (xem toàn văn)
(Những vấn đề khác ở trong trạng thái phức tạp là phong cách đối đầu của galileo , vấn đề vũ trang của Tòa thánh, và tin đồn cho rằng nhân vật xuẩn ngốc trong tác phẩm của Galileo là [r]
(1)Benjamin Crowell
Chương
ĐIỆN VÀ NGUYÊN TỬ
Nơi kết thúc kính thiên văn nơi bắt đầu kính hiển vi Trong hai tầm nhìn vĩ mơ vi mô này, quan trọng ?
Victor Hugo Cha ông qua đời mẹ ông thai nghén Cậu trai bị mẹ hắt hủi nên ông bị tống khứ đến trường nội trú mẹ ông tái giá Bản thân ông chưa lấy vợ, tuổi trung niên, ông có quan hệ gần gũi với người phụ nữ trẻ tuổi nhiều, mối quan hệ chấm dứt ông đột phát chứng thần kinh Sau thành công khoa học buổi đầu, ông sống phần lớn qng đời cịn lại thất vọng bất lực khơng giải mã bí mật thuật giả kim
(2)Chúng ta khơng phải ngạc nhiên trước thất bại Newton Mặc dù ơng tín đồ chắn tồn nguyên tử, thêm chứng thực nghiệm cho tồn chúng kể từ người Hi Lạp cổ đại lần thừa nhận chúng sở túy triết học Thuật giả kim làm việc dốc sức truyền thống bí mật thần bí Newton chuyển hóa lĩnh vực “triết học tự nhiên” thành mà công nhận khoa học vật lí đại, thật khơng cơng phê bình ơng thất bại việc biến thuật giả kim thành ngành hóa học đại Thời gian lúc chưa chín muồi Kính hiển vi phát minh mới, khoa học mũi nhọn người đương thời Newton Hooke khám phá thể sống cấu tạo nên tế bào
1.1 Cuộc truy tìm lực nguyên tử
Newton nhà khoa học Ông thầy phù thủy cuối
John Maynard Keynes Tuy nhiên, cần phải nắm bắt chuỗi tư tưởng Newton xét nơi đưa đến với thuận lợi nhận thức khoa học đại Trong việc thống quy mô người vũ trụ tồn tại, ơng hình dung lại hai sân khấu diễn viên (cây cối nhà cửa, hành tinh sao) tương tác qua lực hút lực đẩy Ông bị thuyết phục đối tượng ngự trị giới vi mô nguyên tử, vấn đề lại xác định xem chúng tác dụng lên loại lực
Sự sáng suốt ơng không bật so với bất lực ơng mang đến đơm hoa kết trái Ơng nhận thấy nhiều lực quy mô người – lực ma sát, lực nhớt, lực thông thường giữ vật chiếm giữ không gian, vân vân – phải đơn giản biểu loại lực tác dụng ngun tử Băng dính vào giấy ngun tử băng hút nguyên tử giấy Nhà tơi khơng đổ sập xuống tâm trái đất nguyên tử đẩy nguyên tử bùn đất nằm
(3)Bốn miếng băng làm cho nhiễm điện, Tùy thuộc vào loại kết hợp chọn để kiểm tra, lực tương tác lực hút, 2, lực đẩy,
Thật may mắn, ngày có đủ kiến thức để nghiên cứu mối hoài nghi khác với tư cách ứng cử viên cho lực nguyên tử: lực điện Lực điện thường thấy vật chuẩn bị cách cọ xát (hay tương tác bề mặt khác), chẳng hạn quần áo chà xát lên máy sấy Một ví dụ hữu ích rõ hình a/ 1: dán hai miếng băng lên mặt bàn, sau đặt thêm hai miếng lên chúng Kéo cặp lên khỏi bàn, tách chúng Hai miếng phía đẩy nhau, a/2, hai miếng Tuy nhiên, miếng phía hút miếng phía trên, a/3 Lực điện có số điểm tương tự lực hấp dẫn, loại lực khác mà biết lực bản:
Lực điện phổ biến Mặc dù số chất, ví dụ lơng thú, cao su, chất dẻo, phản ứng với nhiễm điện mạnh chất khác, vật chất tham gia vào lực điện mức độ Khơng có chất chất “phi điện” Vật chất vốn có tính hấp dẫn lẫn tính điện
Thí nghiệm cho thấy lực điện, giống lực hấp dẫn, lực tỉ lệ nghịch với bình phương Nghĩa là, lực điện hai cầu tỉ lệ với 1/r2, r khoảng cách tâm-nối-tâm
giữa chúng
Ngồi ra, lực điện cịn có ý nghĩa lực hấp dẫn phương diện ứng cử viên cho lực nguyên tử, thấy chúng hút đẩy
(4)Điện tích
“Điện tích” thuật ngữ chun mơn dùng biết vật làm nhiễm để tham gia vào tương tác điện Cần phân biệt với cách sử dụng phổ biến, thuật ngữ sử dụng bừa bải để tính chất điện Chẳng hạn, nói cách thơng tục “điện tích” pin, bạn dễ dàng xác minh pin khơng có điện tích ý nghĩa chun mơn, tức khơng tác dụng lực điện lên miếng băng bị làm cho nhiễm điện mô tả phần trước
Hai loại điện tích
Chúng ta dễ dàng thu thập hàng loạt liệu lực điện chất khác làm cho tích điện theo cách khác Ví dụ, lấy lơng mèo nhiễm điện cách cọ xát lên lông thỏ hút thủy tinh chà xát lên lụa Vậy hiểu tất thơng tin ? Chúng ta thu đơn giản hóa lớn cách lưu ý thực tế có hai loại điện tích Giả sử chọn lơng mèo cọ xát lên lông thỏ đại diện loại A, thủy tinh cọ lên lụa đại diện cho loại B Bây thấy khơng có “loại C” Bất kì vật làm cho nhiễm điện phương pháp thuộc loại A, hút vật mà A hút đẩy vật mà A đẩy, thuộc loại B, có tính chất hút đẩy B Hai loại, A B, luôn biểu tương tác ngược Nếu A biểu lực hút số vật tích điện, B chắn đẩy xa, ngược lại
Đơn vị coulomb
Mặc dù có hai loại điện tích, loại biểu lượng điện khác Đơn vị hệ mét điện tích coulomb, định nghĩa sau:
Một coulomb (C) lượng điện tích cho lực 9,0 109
N xuất hai chất điểm có điện tích C nằm cách m
Kí hiệu cho lượng điện tích q Hệ số định nghĩa có nguồn gốc lịch sử, khơng phải học thuộc lịng xác Định nghĩa phát biểu cho chất điểm, tức vật nhỏ, khơng phần khác chúng cách khoảng khác
Mơ hình hai loại hạt mang điện
(5)chương làm sáng tỏ mơ hình bàn xem hạt bí ẩn hiểu với ý nghĩa phần cấu trúc nội nguyên tử
Sử dụng kí hiệu điện tích dương âm
Vì hai loại điện tích có xu hướng triệt tiêu lực lẫn nhau, nên người ta gán nhãn cho chúng kí hiệu dương âm, nói điện tích tồn phần vật Việc gọi điện tích dương, điện tích âm, hồn tồn độc đốn Benjamin Franklin định mơ tả loại thứ mà gọi “A” âm, thật khơng có vấn đề ai gọi Một vật có điện tích tồn phần khơng (lượng điện tích thuộc hai loại bng nhau) c gi l trung hũa in
Ô Hãy bình luận phát biểu sau: “Có hai loại điện tích, hút đẩy” Định luật Coulomb
Một đối tượng lớn quan sát thực nghiệm tóm tắt sau:
Định luật Coulomb: Cường độ lực tác dụng hai điện tích điểm cách khoảng r cho phương trình
trong k = 9,0 109
N.m2/C2 Lực lực hút điện tích khác dấu, lực đẩy chúng dấu
Những kĩ thuật đại tài tình cho phép dạng 1/r2
định luật Coulomb kiểm tra đến độ xác khơng thể tin nổi, cho thấy số mũ nằm khoảng từ 1,99999999999999998 đến 2,0000000000000002
Lưu ý định luật Coulomb giống với định luật hấp dẫn Newton, độ lớn lực Gm1m2/r2, ngoại trừ có loại khối lượng, hai, lực hấp dẫn không bao
giờ lực đẩy Do tương tự gần gũi hai loại lực, nên sử dụng lại nhiều hiểu biết lực hấp dẫn Chẳng hạn, có tương đương điện định lí lớp vỏ: lực điện tác dụng bên ngồi vỏ cầu tích điện có độ lớn thể tồn điện tích tập trung tâm nó, lực tác dụng vào bên khơng
Bảo tồn điện tích
(6)điện tích hạt tính chất cố định loại hạt đó, hạt khơng thể tự sinh phá hủy, bảo tồn điện tích điều khơng thể tránh
Lực điện với vật trung hòa
Như rõ hình b, vật tích điện hút vật khơng tích điện Làm điều xảy ? Vấn đề mấu chốt chỗ miếng giấy có tổng điện tích khơng, có số hạt mang điện bên có mức độ tự chuyển động Giả sử miếng băng tích điện dương, c Các hạt di động miếng giấy phản ứng với lực miếng băng, làm cho đầu miếng giấy trở nên tích điện âm đầu trở nên dương Lực hút giấy băng mạnh lực đẩy, đầu tớch in õm gn ming bng hn
Ô Điều xảy miếng băng tích điện âm ? Lối phía trước
Chúng ta bắt đầu làm việc với hành vi điện phức tạp mà chưa nhận thấy xuất rành rành trước mắt Khơng giống ròng rọc, puli, mặt phẳng nghiêng học, diễn viên sân khấu điện từ học tượng khơng nhìn thấy xa lạ với kinh nghiệm hàng ngày Vì lí nên nửa thứ hai
chương trình vật lí học bạn khác hồn tồn, tập trung nhiều vào thí nghiệm kĩ thuật Mặc dù bạn không thật nhìn thấy điện tích chuyển động qua sợi dây, bạn học cách sử dụng máy đo ampe để đo dịng chuyển động
(7)bắt đầu vào khoảng năm 1900, mà nghiên cứu chương này, khơng khác với thí nghiệm năm 2000 – có điều nhỏ hơn, đơn giản hơn, rẻ tiền nhiều Lực từ
Nghiên cứu toán học chi tiết từ học không xuất phần cuối sách này, cần phát triển vài khái niệm đơn giản từ học lực từ thường sử dụng thí nghiệm kĩ thuật mà nói tới Các nam châm thơng dụng hàng ngày nói chung có hai loại nam châm vĩnh cửu, ví dụ loại nằm tủ lạnh nhà bạn, cấu tạo từ sắt chất giống thép có chứa nguyên tử sắt (Những chất khác định có từ tính, sắt rẻ thơng dụng nhất) Loại nam châm kia, ví dụ loại làm cho loa máy hát bạn rung động, gồm cuộn dây có dịng điện chạy Cả hai loại nam châm có khả hút sắt chưa nhiễm từ, chẳng hạn cánh cửa tủ lạnh Một cách xem xét khiến cho tượng trơng phức tạp trở nên dễ hiểu nhiều : lực từ tương tác điện tích chuyển động, xuất với lực điện Giả sử nam châm vĩnh cửu mang tới gần nam châm loại cuộn dây Cuộn dây có điện tích chuyển động bên buộc điện tích chạy thành dịng Nam châm vĩnh cửu có điện tích chuyển động bên nó, trường hợp điện tích xốy trịn tự nhiên bên sắt (Cái làm cho mẫu sắt bị từ hóa khác với khối gỗ chỗ chuyển động điện tích bên gỗ ngẫu nhiên khơng có tổ chức) Các điện tích chuyển động cuộn dây nam châm tác dụng lực lên điện tích chuyển động nam châm vĩnh cửu, ngược lại
Cơ sở toán học từ học phức tạp nhiều so với định luật Coulomb điện học, lí phải chờ sang chương nghiên cứu sâu chúng Hai sở đơn giản trình bày bây giờ:
(1) Nếu hạt mang điện chuyển động vùng không gian gần hạt mang điện khác chuyển động, lực từ tác dụng lên tỉ lệ với vận tốc
(2) Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động ln ln vng góc với hướng hạt chuyển động
Ví dụ La bàn từ
Trái Đất có nhân nóng chảy bên trong, giống bình nước sơi, khuấy động sóng Để đơn giản hóa, điện tích theo chuyển động khuấy tròn, nên Trái Đất chứa điện tích chuyển động Kim nam châm la bàn từ nam châm vĩnh cửu nhỏ Điện tích chuyển động bên Trái Đất tương tác từ với điện tích chuyển động bên kim la bàn, làm cho kim la bàn xoay tròn hướng bắc
Ví dụ Ống phóng điện tử
(8)được sử dụng để lái chùm hạt Khi chùm hạt từ phía sau phía trước ống, cần có lực theo hướng trên-dưới, trái- phải để lái chúng Nhưng sử dụng lực từ để làm tăng tốc chùm hạt, chúng đẩy vng góc với hướng chuyển động electron, không chiều với chúng
Câu hỏi thảo luận
A Nếu lực hút điện hai chất điểm nằm cách 1m x 109
N khơng thể suy điện tích chúng + C – C ? Chúng ta cần phải có thêm quan sát để chứng minh điều ?
B Một miếng băng tích điện hút dính vào tay bạn Điều có cho phép nói hạt mang đỉện tự bên tay bạn dương hay âm, hai, hay không ?
1.3 Nguyên tử
Tôi tới chỗ xem nguyên tử người bạn xinh đẹp, khó tính, có màu xám màu đỏ tùy theo cảm nhận
Rutherford Thuyết nguyên tử
Người Hi Lạp chịu nhiều áp hai thiên niên kỉ qua: bị người La Mã thống trị, bị ức hiếp thập tự chinh kẻ thánh chiến đến đến từ Miền đất hứa, bị người Thổ Nhĩ Kì chiếm đóng gần Khơng có ngạc nhiên mà họ thích nhớ tới ngày tháng lộn xộn đó, vào lúc nhà tư tưởng lỗi lạc họ tiến gần tới quan niệm dân chủ thuyết nguyên tử Hi Lạp trở lại dân chủ sau giai đoạn độc tài quân sự, hình nguyên tử in cách hãnh diện đồng tiền họ Đó lí khiến tơi xúc động phải nói giả thuyết Hi Lạp cổ đại vật chất cấu thành từ ngun tử cơng trình dự đốn túy Khơng có chứng thực nghiệm thực tế cho nguyên tử, hồi sinh khái niệm nguyên tử vào kỉ thứ 18 Dalton có tính chất Hi Lạp tên gọi, có nghĩa “khơng thể chia tách” Thậm chí tiếng tăm Hi Lạp cịn bị sứt mẻ nhiều tên gọi rõ khơng thích hợp vào năm 1899, lúc nhà vật lí J.J Thomson chứng minh thực nghiệm cho thấy ngun tử có thứ cịn nhỏ bên chúng, tức chúng chia tách (Thomson gọi chúng
“electron”) Sau “khơng thể phân tách” phân tách
(9)làm thay đổi tổng số nguyên tử Tuy nhiên, chứng cho thấy nguyên tử tồn
Nếu nguyên tử thật tồn tại, có loại ngun tử gì, phân biệt rõ loại khác ? Chúng có kích thước, hình dạng, trọng lượng số đại lượng khác không ? Hố ngăn cách thuyết nguyên tử cổ đại đại trở nên hiển xét đến nghiên cứu sơ khai có vấn đề kỉ Những người cổ đại định có bốn loại ngun tử, đất, nước, khơng khí lửa; quan điểm phổ biến cho chúng phân biệt hình dạng chúng Các ngun tử nước có hình cầu, nên nước có khả chảy cách êm đềm Các nguyên tử lửa có điểm sắc nhọn, lí lửa làm đau chạm vào da người (Khơng có khái niệm nhiệt độ hai ngàn năm sau này) Cách hiểu đại khác cách cấu trúc nguyên tử thu giai đoạn cách mạng 10 năm từ 1895 đến 1905 Mục tiêu chương mơ tả thí nghiệm trọng yếu
Bạn có nghe nói tới thuyết nguyên tử chưa ?
“Bạn thứ bạn ăn” Câu nói đại lém lĩnh nhiều mang cách hiểu ngun tử tiêu hóa Xét cho tiêu hóa bí ẩn thú vị vào thời cổ đại, văn hóa tiền đại thường tin ăn cho phép bạn giải phóng số dạng “lực sống” khỏi thực phẩm Chuyện thần thoại đầy dãy lực trừu tượng can đảm uế lễ nghi vào thể bạn thông qua thực phẩm mà bạn ăn Trái với quan điểm siêu nhiên này, nhà nguyên tử luận cổ đại có cách hiểu hồn tồn mang tính tự nhiên tiêu hóa Thức ăn cấu tạo từ nguyên tử, bạn tiêu hóa nó, bạn đơn giản phóng thích số ngun tử khỏi xếp chúng vào hợp chất cần thiết cho mô thể bạn Các nhà khoa học xa xưa tiến nhà khoa học thời phục hưng yêu thích loại giải thích Họ nóng lịng cởi trói cho mối ràng buộc lên trung tâm vật lí Aristotle (và phiên thân nhà thờ, thêm mắm dặm muối nó, tức triết học kinh viện), theo quan điểm họ vật lí có q nhiều tính chất huyền bí “mục tiêu” cho vật Ví dụ, trường phái Aristotle giải thích ngun nhân hịn đá rơi trở lại đất “bản chất” hay “mục tiêu” phải đến nằm nghỉ mặt đất
(10)hiện tượng theo lẽ tự nhiên siêu nhiên Sự tán thành thuyết nguyên tử Galileo Newton hoạt động loạn, giống chấp nhận hệ sau học thuyết Darwin Marxism
Một mâu thuẫn khác triết học kinh viện thuyết nguyên tử đến từ nằm nguyên tử Nếu bạn hỏi người đại câu hỏi này, họ trả lời “khơng có cả”
“không gian trống rỗng” Nhưng Aristotle người kế tục nghiệp ông tin có khơng gian trống rỗng, tức chân khơng, Đó khơng phải quan điểm vơ lí, khơng khí có xu hướng tràn vào không gian mà bạn mở ra, câu hỏi tồn thời kì phục hưng người ta cách tạo chân không Nguyên tử, ánh sáng, thứ khác
Mặc dù tơi có khuynh hướng giễu cợt nhà triết học Hi Lạp cổ đại Aristotle, dành chút để tán dương ông số điều Nếu bạn đọc tác phẩm Aristotle vật lí (hoặc xem lướt qua chúng, giống tơi làm), điều thu hút ý mức độ cẩn thận ông phân loại tượng phân tích mối quan hệ tượng Não người tự nhiên thực phân biệt hai loại tượng vật lí: vật chuyển động vật Khi tượng xảy tự khơng tức thời loại này, có xu hướng mạnh mẽ quan niệm hóa loại loại kia, chí bỏ qua tồn hồn tồn Chẳng hạn, thầy giáo vật lí hay rùng trước phát biểu học sinh “thuốc nổ phát nổ, lực giải phóng khỏi theo hướng” Trong ví dụ này, khái niệm phi vật chất lực phân loại ngầm thể chất vật lí Phát biểu “lên dây cót đồng hồ làm lưu trữ chuyển động lò xo” thiếu phân loại lượng điện dạng chuyển động Một ví dụ bỏ qua tồn tượng hồn tồn gợi cách hỏi người cần đến bóng đèn Câu trả lời thường “đèn rọi sáng phịng nhìn thấy thứ”, khơng ý tới vai trị thiết yếu ánh sáng vào mắt đến từ thứ rọi sáng
Nếu bạn yêu cầu nói cho bạn biết ngắn gọn nguyên tử, câu trả lời có khả “mọi thứ cấu thành từ nguyên tử”, thấy hiển nhiên từ “mọi thứ” phát biểu khơng cịn thích hợp Đối với nhà khoa học năm đầu thập niên 1900, người cố gắng khảo sát nguyên tử, định nghĩa tầm thường Đã có dụng cụ gọi tên ống chân khơng, giống ống phóng hình ti vi ngày Tóm lại, người thợ hàn điện phát tồn nhóm tượng xảy bên xung quanh ống chân không, đặt cho chúng tên hoa mĩ “tia X”, “tia catơt”, “sóng Hertz”, “tia N” Đây loại quan sát cuối cho biết biết vật chất, sau phát sinh tranh luận nảy lửa xem đối tượng có phải dạng vật chất hay không
Chúng ta xem mức phân loại tượng nhà vật lí năm 1900 sử dụng Họ ghi nhận ba loại:
(11)cùng khoảng không gian nguyên tử khác, nên cách thuận tiện khảo sát khơng phải vật chất truyền qua chất rắn, nguyên tử nhồi nhét gần
Ánh sáng khơng có khối lượng, ln ln có lượng, truyền qua chân khơng, mang theo lượng với Hai chùm tia sáng xuyên qua khỏi chỗ va chạm mà khơng bị suy yếu, lệch hướng, ảnh hưởng khác Ánh sáng xuyên qua loại chất định, ví dụ thủy tinh
Loại thứ ba thứ không phù hợp với định nghĩa ánh sáng vật chất Ví dụ thuộc loại có thời gian, vận tốc, nhiệt, lực
Nguyên tố hóa học
Làm người ta khám phá có loại nguyên tử ? Ngày nay, việc tiến hành chương trình thực nghiệm nhằm phân loại loại ngun tử khơng phải việc q khó Đối với loại nguyên tử, phải có nguyên tố tương ứng, tức chất tinh khiết cấu tạo từ khơng ngồi loại ngun tử Các nguyên tử cho chia tách được, nên chất sữa chẳng hạn khơng có khả bản, khuấy mạnh làm tách thành hai chất khác nhau: bơ nước sữa Tương tự, gỉ sét ngun tố, tạo kết hợp hai chất: sắt ôxi Bất chấp tính hợp lí hiển nhiên nó, khơng có chương trình thực kỉ thứ 18 Người cổ đại có lẽ khơng làm quan sát khơng chấp nhận rộng rãi phương pháp đắn để trả lời câu hỏi tự nhiên, họ khơng có tay kĩ thuật cần thiết kĩ thuật thuộc lĩnh vực lao động có địa vị xã hội thấp, ví dụ thợ rèn thợ mỏ Các nhà giả kim thuật bị ngăn cản tiếng tăm thuyết nguyên tử lật đổ xu hướng nghiêng chủ nghĩa thần bí huyễn (Thách thức tiếng mà nhà giả kim thuật đối mặt biến chì thành vàng, ngày biết điều khơng thể được, chì vàng nguyên tố)
(12)d/ Khối lượng số nguyên tử so với khối lượng nguyên tử hydro Chú ý số giá trị gần với số nguyên, khơng hồn tồn số ngun
Ý nghĩa nguyên tố
Khi thông tin chất đống, thách thức tìm cách thức hệ thống hóa nó; óc thẩm mĩ nhà khoa học đại không ưa thứ lộn xộn Sự hỗn tạp nguyên tố lúng túng Một nhà quan sát đương thời, William Crookes, mô tả nguyên tố mở “trước rộng Đại Tây Dương trải trước mắt đăm chiêu Columbus, chế giễu, châm chọc, thầm điều lạ lùng, từ trước đến không giải được” Khơng sau, người ta bắt đầu nhận thấy nhiều khối lượng nguyên tử gần với bội số nguyên khối lượng nguyên tử hydro, nguyên tố nhẹ Một vài người dễ kích động bắt đầu cho hydro viên gạch cấu trúc bản, nguyên tố nặng cấu thành từ nhiều cụm hydro Tuy nhiên, khơng sau phép đo xác bác bỏ luận điệu họ, chúng cho thấy tất nguyên tố có khối lượng nguyên tử gần với bội số nguyên khối lượng hydro, trường hợp gần với bội số nguyên hydro bị sai lệch phần trăm ngần
e/ Bảng tuần hoàn hóa học đại
Các nguyên tố cột có tính chất hóa học giống Số nguyên tử đại, nói tới phần 2.3, khơng biết tới vào thời Mendeleev, bảng lật theo
cách khác
(13)gì khiến cho hệ thống có giá trị tuần hồn Có ba chỗ Mendeleev phải bỏ trống bảng xếp ông để giữ nguyên tố giống mặt hóa học nằm cột Ơng tiên đốn tồn nguyên tố lấp đầy chỗ trống này, ngoại suy nội suy từ nguyên tố khác cột đó, dự đốn tính chất dạng số nó, ví dụ khối lượng, điểm nóng chảy, tỉ trọng Tiếng tăm Mendeleev trở nên lẫy lừng ba nguyên tố ông (sau đặt tên gallium, scandium, germanium) tìm thấy có tính chất gần với tính chất ơng dự đốn
Một điều mà bảng tuần hồn Mendeleev làm sáng tỏ khối lượng đặc trưng phân biệt nguyên tử thuộc ngun tố khác Để thiết lập cơng trình bảng tuần hồn mình, ơng phải xa khỏi việc xếp có trật tự nguyên tố hoàn toàn theo khối lượng Chẳng hạn, nguyên tử iodine nhẹ tellurium, Mendeleev phải đặt iodine sau tellurium cho nằm chung cột với nguyên tố có tính chất hóa học tương tự
Bằng chứng trực tiếp cho thấy nguyên tử tồn
Thành cơng lí thuyết động lực học nhiệt mang lại chứng mạnh mẽ cho thấy, chuyển động vật nói chung, cịn có loại chuyển động khơng nhìn thấy khắp nơi xung quanh chúng ta: chuyển động ngẫu nhiên nguyên tử bên vật Nhưng nhiều kẻ bảo thủ không bị thuyết phục nguyên tử thật tồn Xét cho chưa nhìn thấy nguyên tử Mãi thuyết nhiệt động lực học phát triển chứng minh thuyết phục nguyên tử thật tồn chúng tham gia vào chuyển động liên tục không ngưng nghỉ
Phát đạn chứng minh nguyên tử cách trừu tượng mặt toán học phát nổ số quan sát cũ kĩ, mờ mịt xem xét lại viên thư kí khơng tiếng tăm phịng đăng kí phát minh Thụy Sĩ tên Albert Einstein Nhà thực vật học Brown, sử dụng kính hiển vi lúc cịn sản phẩm nghệ thuật vào năm 1827, quan sát hạt phấn hoa nhỏ xíu giọt nước nằm bàn soi hiển vi nhận thấy chúng nhảy nhót cách ngẫu nhiên khơng lí rõ ràng Ban đầu, nghi ngờ phấn hoa mà ông cho cịn sống, ơng thử quan sát hạt bồ hóng, nhận thấy hạt bồ hóng chuyển động lộn xộn Kết tương tự xảy với hạt nhỏ khác lơ lửng bên chất lỏng Hiện tượng gọi chuyển động Brown, tồn nhiều hệ xem kì quặc thực tế hồn tồn khơng quan trọng, điều phiền toái cho nhà hiển vi học Mãi năm 1906, Einstein tìm lời giải thích đắn cho quan sát Brown: phân tử nước trạng thái chuyển động ngẫu nhiên liên tục, va chạm với hạt phấn hoa lúc, sút theo hướng Sau thiên niên kỉ nghiên cứu nguyên tử, cuối có chứng chắn Tính tốn Einstein xua tan nghi ngờ, ơng đưa tiên đốn xác thứ quãng đường trung bình hạt khoảng thời gian định (Einstein nhận giải thưởng Nobel khơng cho lí thuyết tương đối ơng mà cho báo ông chuyển động Brown hiệu ứng quang điện)
(14)A Làm từ hiểu biết kích thước ngun tử nhơm suy ước tính khối lượng nó, ngược lại ?
B Làm người ta kiểm tra cách giải thích Einstein cho chuyển động Brown cách quan sát nhiệt độ khác ?
1.5 Electron Tia catôt
Các nhà vật lí kỉ thứ 19 nhiều thời gian cố gắng tới phương pháp lộn xộn, ngẫu nhiên nhằm nghiên cứu điện học Những thí nghiệm tốt thuộc loại thí nghiệm tạo tia lửa điện khổng lồ hay màu sắc rực rỡ
Một thủ thuật mang tính dịch vụ tia catôt Để tạo nó, trước tiên bạn phải thuê người thợ thổi thủy tinh giỏi tìm bơm chân khơng tốt Thợ thổi thủy tinh chế tạo ống rỗng ruột gắn hai miếng kim loại nó, gọi điện cực, chúng nối với bên ngồi thơng qua dây kim loại xun qua thủy tinh Trước để anh thợ hàn kín tồn ống, bạn mắc vào bơm chân không, vài bực dọc với tay bơm để tạo chân không tốt bên Sau đó, lúc bạn cịn bơm ống, người thợ thổi thủy tinh làm tan chảy thủy tinh hàn kín tồn lại Cuối cùng, bạn đặt lượng lớn điện tích dương lên dây dẫn lượng lớn điện tích âm lên dây dẫn Kim loại có tính chất cho điện tích chuyển động dễ dàng chúng nên điện tích gởi lên dây nhanh chóng tràn phần đẩy xa Quá trình dàn trải làm cho tồn điện tích tới đích điện cực, có nhiều khoảng trống để dàn trải so với dây dẫn Vì lí lịch sử không rõ lắm, điện cực âm gọi catôt điện cực dương gọi anôt
(15)Tia catôt dạng ánh sáng hay vật chất ?
Tia catôt dạng ánh sáng, hay vật chất ? Ban đầu, không thật quan tâm xem chúng gì, tầm quan trọng khoa học chúng ngày trở nên thấy rõ, vấn đề ánh sáng hay vật chất trở thành tranh luận xuyên biên giới quốc gia, với người Đức tán thành chúng ánh sáng, cịn người Anh giữ quan điểm xem chúng vật chất Những người ủng hộ cách giải thích vật chất tưởng tượng tia catơt gồm chùm nguyên tử bốc từ chất catôt
Một đặc trưng hạn chế vật chất đối tượng vật chất truyền xun qua Thí nghiệm cho thấy tia catơt có khả đâm xun qua số chiều dày vật chất nhỏ, ví dụ kim loại dày chục milimét, gợi ý chúng dạng ánh sáng
Tuy nhiên, thí nghiệm khác hướng tới kết luận ngược lại Ánh sáng tượng sóng, tính chất đặc trưng sóng chứng minh cách nói vào đầu ống cuộn giấy báo Sóng âm không khỏi đầu ống dạng chùm hội tụ Thay vậy, chúng bắt đầu trải rộng theo hướng chúng khỏi ống Điều cho thấy sóng thiết truyền theo đường thẳng Nếu đặt kim loại hình ngơi hình chữ thập đường tia catơt, xuất “bóng” có hình tương tự thủy tinh, cho thấy tia catôt truyền theo đường thẳng Chuyển động theo đường thẳng gợi ý tia catơt dịng hạt vật chất nhỏ xíu
Những quan sát khơng có sức thuyết phục, nên thật cần thiết phải xác định xem tia catơt có khối lượng trọng lượng hay khơng Khó khăn chỗ thu tia catôt vào tách đưa lên bàn cân Khi ống tia catôt hoạt động, người ta không thấy mát vật chất từ catơt, hay lớp vỏ lắng anơt
(16)của điện tích âm catơt lực hút điện tích dương anơt Tia catơt vượt q anơt xung lượng chúng (Mặc dù hạt mang điện thông thường không nhảy qua khe chân không, có lượng lớn điện tích sử dụng, nên lực tác dụng mạnh cách khác thường)
Thí nghiệm Thomson
Nhà vật lí J.J Thomson Cambridge thực loạt thí nghiệm rõ ràng tia catôt khoảng năm 1897 Bằng việc điều khiển chúng cách nhẹ nhàng tất nhiên lực điện, k, ông chúng thật tích điện, chứng mạnh mẽ cho thấy chúng vật chất Không thế, ông cịn chứng minh chúng có khối lượng, đo tỉ số khối lượng điện tích chúng, m/q Vì khối lượng chúng khác khơng, ơng kết luận chúng dạng vật chất có lẽ cấu thành từ dịng hạt vi mơ mang đỉện âm Khi Millikan công bố kết nghiên cứu ông 14 năm sau này, thật hợp lí cho điện tích hạt với trừ điện tích bản, q = - e, kết hợp kết Millikan Thomson, người ta xác định khối lượng hạt tia catôt
Kĩ thuật xác định tỉ số m/q đơn giản đo góc mà tích điện làm lệch chùm tia Lực điện tác dụng lên hạt tia catơt nằm tỉ lệ với điện tích
Fđiện = (hằng số biết) q
Áp dụng định luật II Newton, a = F/m, cho phép xác định m/q
(17)cho nên việc đo thời gian với đồng hồ bấm giây vấn đề đơn giản !
Giải pháp khéo léo Thomson quan sát kết lực điện lực từ tác dụng lên chùm tia Lực từ tác dụng nam châm định phụ thuộc vào điện tích tia catơt tốc độ
Ftừ = (hằng số biết #2) qv
Thomson làm việc với lực từ lực điện lực tạo kết chùm tia, cho phép ơng tính tốc độ
v = (hằng số biết)/(hằng số biết #2)
Biết tốc độ (vào cỡ 10% tốc độ ánh sáng cấu thí nghiệm ơng), ơng tìm gia tốc tỉ số khối lượng thể tích, m/q Kĩ thuật Thomson tương đối thơ sơ (và có lẽ độ lượng hơn, nói chúng cịn giai đoạn sản phẩm nghệ thuật vào thời đó), nên với phương pháp khác nhau, ông đến giá trị m/q dao động khoảng hệ số 2, với tia catôt phát từ catôt cấu tạo từ đơn chất Giá trị tốt m/q = 5,69 x 10-12
kg/C, phù hợp với giới hạn ngưỡng số liệu Thomson
Tia catôt hạt hạ nguyên tử: electron
(18)dịch hóa học Ơng giải thích đắn chứng cho thấy tia catôt viên gạch cấu trúc nhỏ – ơng gọi chúng electron – hình thành nên nguyên tử Đây khẳng định cấp tiến, nêu vào lúc nguyên tử chưa chứng minh tồn ! Cả người sử dụng từ “nguyên tử” thường xem chúng trừu tượng hóa mang tính tốn học nhiều hơn, đối tượng hiểu theo nghĩa đen Ý tưởng tìm kiếm cấu trúc bên nguyên tử “không thể chia tách” bị số người xem điên rồ, vịng có 10 năm, quan niệm Thomson xác nhận đầy đủ nhiều thí nghiệm chi tiết
Câu hỏi thảo luận
A Thomson bắt đầu trở nên bị thuyết phục thí nghiệm ơng “tia catôt” quan sát thấy phát từ catôt ống chân không viên gạch cấu trúc nguyên tử - mà ngày gọi electron Sau đó, ơng tiến hành quan sát với catôt làm nhiều kim loại khác nhau, nhận thấy tỉ số m/q trường hợp, có tính đến độ xác giới hạn ông Cho ông nghi ngờ, ông phải cố thử với nhiều kim loại khác ? Làm giá trị thích hợp m/q lại đóng vai trị kiểm tra cho giả thuyết ông ?
B Sinh viên hay thắc mắc tỉ số m/q mà Thomson đo giá trị cho electron, hay cho toàn chùm tia Bạn trả lời câu hỏi khơng ?
C Thomson tìm thấy tỉ số m/q electron nhỏ hàng ngàn lần tỉ số ngun tử tích điện dung dịch hóa học Đây có phải gợi ý electron có điện tích lớn hay khơng ? Hay chúng có khối lượng nhỏ ? Có phải khơng có cách nói ? Hãy giải thích Lưu ý kết Millikan nhiều năm có, q chưa biết D Bạn dự đốn lí thực tế lí giải Thomson electron bay qua khe trước ngắt pin tắt chùm tia, đo lượng điện tích bám anôt, cho phép ông đo điện tích electron cách trực tiếp ?
g khoa học trái đất nam châm galileo tốc độ ánh sáng