8. Các chữ viết tắt trong đề tài
2.5.Thuyết electron
2.5.1 Cơ sở của thuyết
2.5.1.1 Thuyết điện từ và sự ra đời của thuyết electron.
Trong chương trình VL phổ thông do tính sư phạm nên thuyết electron được trình bày trước thuyết điện từ. Nhưng trong lịch sử phát triển của VL thì thuyết điện từ ra đời trước thuyết electron và là một trong những cơ sở có tính chất quyết định đến sự hình thành và phát triển của thuyết này.
Trang 45
Thuyết điện từ của Maxwell đã dùng khái niệm trường mô tả hết sức thành công các hiện tượng điện từ. Trong thuyết này khái niệm trường đóng vai trò quyết định. Các điện tích trong lý thuyết trường chỉ là chổ “bắt đầu” và “tận cùng” của các đường sức của trường. Trong lý thuyết của Maxwell, như Einstein viết “chưa có diễn viên vật chất”.
Sau những thành tựu rực rỡ của thuyết điện từ vấn đề đặt ra đối với các nhà VL của thế kỷ thứ 19 là đi tìm ý nghĩa của các hằng số và mà Maxwell đã đưa vào điện động lực học vĩ mô. Kết quả là thuyết electron ra đời.
Tuy nhiên không phải chỉ thuyết điện từ đã ra đời thuyết electron mới bắt đầu hình thành. Những cơ sở ban đầu của thuyết này xuất hiện từ rất lâu, nó gắn liền với cuộc hành trình kéo dài tới nhiều thế kỷ của con người đi tìm “hạt điện nhỏ nhất”.
2.5.1.2 Sự phát hiện ra electron.
a. Cuộc đấu tranh giữa giả thuyết chất và hạt về bản chất các hiện tượng điện và từ.
Giả thuyết cho điện là một chất lỏng xuất hiện ngay từ thế kỷ thứ 18.
Franklin là một trong những người đầu tiên đưa ra giả thuyết về chất lỏng điện.
Giả thuyết này chỉ cho được một hình ảnh cơ học định tính về các hiện tượng điện và từ, chứ không dẫn tới những định luật định lượng chính xác. Chúng mang nhiều tính chất giả tạo và cuối cùng đã bị khoa học gạt bỏ giống như giả thuyết về chất lỏng nhiệt.
Giả thuyết hạt về bản chất điện còn ra đời sớm hơn giả thuyết về chất lỏng điện. Có thể nói nó có nguồn gốc từ những thí nghiệm nổi tiếng của Thalès về hiện tượng nhiễm điện ảo do cọ sát. Tuy nhiên cũng phải đến thế kỷ thứ 19 cùng với thắng lợi rực rỡ của thuyết động học phân tử và thuyết nguyên tử, giả thuyết về sự tồn tại của các “nguyên tử điện” mới từ một tư tưởng triết học dần dần trở thành một giả thuyết khoa học có cơ sở thực nghiệm vững vàng.
Cơ sở thực nghiệm đầu tiên về sự tồn tại của các “nguyên tử điện” là những thí nghiệm của Faraday về hiện tượng điện phân. Năm 1831 Faraday bằng nhiều thí nghiệm với các chất điện phân khác nhau đã tìm ra biểu thức m = kq.
Từ biểu thức này ta thấy một khối lượng vật chất xác định được giải phóng ở điện cực bao giờ cũng ứng với một điện lượng xác định chạy qua chất điện phân. Từ đó dễ dàng đi đến kết luận là một “nguyên tử vật chất” bao giờ cũng ứng với một “nguyên tử điện tích”.
Maxwell đã đưa ra nhận xét sau: “… trong các hiện tượng điện thì hiện tượng điện phân tỏa ra có khả năng nhất giúp ta đi sâu vào bản chất thực sự của dòng điện vì trong trường hợp này sự dịch chuyển của vật chất thông thường và sự chuyển dịch điện là hai mặt của một quá trình”.
Ngoài Faraday và Maxwell, nhiều nhà vật lý khác cũng bảo vệ giả thuyết về sự tồn tại của các “nguyên tử điện”.
Năm 1874 Stoney (xtôni) đã suy từ định luật điện phân và thuyết phân tử khẳng định sự tồn tại của các điện tích nguyên tố. Ông xác định điện tích do một nguyên tử hyđrô được giải phóng mang theo: e = 1,602023.10-19 c. Năm 1891 Stoney đề nghị gọi các điện tích nguyên tố là các electron.
Hiện tượng điện phân có thể dẫn đến giả thuyết về sự tồn tại của các electron nhưng nó chưa đưa ra được những bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại này.
b.Tìm ra electron.
Sau khi những phương trình đầu tiên của thuyết electron ra đời người ta mới tìm thấy dấu vết trực tiếp của electron, xác định được chính xác điện tích và khối lượng của nó.
Năm 1858, Plucker (Pluckơ) và sau đó là Hittorf (Hittoóc) và Crooker (Crúc) đã phát hiện ra tia âm cực. Crooker đã chứng minh được tia âm cực truyền thẳng, có tác dụng cơ học làm quay chong
Trang 46
chóng bức xạ đặt trong ống và nhất là bị lệch trong từ trường. Từ đó ông đi đến kết luận tia âm cực là một thứ “vật chất dưới dạng tia”, một trạng thái mới của vật chất mang điện. Tuy nhiên những tia này theo ông dẫn chỉ là dòng những phân tử thông thường có mang điện (các iôn) chuyển động tự do và hầu như không va chạm vào nhau. Crooker chưa có đủ những dữ kiện cho phép ông đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của dòng electron riêng biệt.
Schucter (Suylstơ), nhà bác học người Đức đồng thời với Crooker dựa vào sự lệch của tia âm cực trong từ trường để tính toán tỷ số
m e
. Kết quả thật bất ngờ, tỷ số
m e
trong tia âm cực lớn gấp hàng
nghìn lần tỷ số
m e
trong hiện tượng điện phân.
Từ đó có thể kết luận hoặc điện tích các ion mang theo trong sự phóng điện chất khí phải lớn rất nhiều so với các điện tích ion mang theo trong hiện tượng điện phân, hoặc khối lượng của các hạt mang điện trong chất khí phải nhỏ hơn rất nhiều.
Thế là tư tưởng về sự tồn tại các hạt điện khác ion thông thường đã xuất hiện. Năm 1894 Thomson đã đo được vận tốc của tia âm cực v=1,9.105
m/s. Con số này có ý nghĩa vì nó nhỏ hơn vận tốc ánh sáng rất nhiều. Điều đó khẳng định tia âm cực không phải là “song ánh sáng” như Hertz và một số nhà vật lý khác thời bấy giờ quan niệm. Tia âm cực rõ rang có tính chất hạt. Sau đó Perrin lại thấy tia âm cực làm cho một hình trụ kim loại nhiễm điện và điện đó là điện âm.
Thomson đã dùng các phương pháp khác nhau để xác định tỷ số
m e
của tia âm cực và thấy họ hoàn toàn không phụ thuộc vào bản chất của khí ở trong ống và chất dùng làm catốt. Thomson tìm thấy độ lớn của tỷ số
m e
trong tia âm cực vào cỡ 2,3.107 so với 2,6.104 là độ lớn của tỷ số
m e
giữa điện tích và khối lượng của ion hyđrô trong hiện tượng điện phân. Nếu thừa nhận điện tích của các hạt trong tia âm cực bằng điện tích của ion hyđrô mà trước đây người ta vẫn cho là điện tích nguyên tố khối lượng của hạt trong tia âm cực phải nhỏ hơn khối lượng của ion hyđrô là ion có khối lượng nhỏ nhất hàng nghìn lần. Ông kết luận về sự tồn tại của một loạt hạt mới có điện tích bằng điện tích nguyên tố và khối lượng nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử rất nhiều, nó là thành phần cấu tạo của nguyên tử, của mọi nguyên tố. Dựa trên kết luận này Thomson đã xây dựng mẫu nguyên tử đầu tiên mang tên ông.
Nhưng cho tới đây người ta cũng chỉ mới xác định được tỷ số
m e
chưa tìm ra được chính các giá trị của e và m xét riêng rẽ.
Mãi đến năm 1909 nhà vật lý người Mỹ Millikan (Milican) mới đo trực tiếp được điện tích của electron và chứng minh rằng các điện tích chỉ có thể biến thiên theo bội số nguyên của điện tích này.
Bằng cách cho dãn nở đoạn nhiệt người ta làm xuất hiện trong khoảng không gian giữa hai tấm của một tụ điện phẳng những giọt dầu ngưng tụ trên các ion tạo thành dưới tác dụng của một bức xạ mạnh đặt gần tụ điện (h.11). Các giọt dầu chịu tác dụng của điện lực
d U q
F và trọng lực p = mg. Trong số những giọt dầu này có những giọt có điện tích và khối lượng sao cho F = P. Chúng lơ lửng trong khoảng không gian giữa hai tấm tụ điện. Điều quan trọng là chúng có thể lấy thêm các ion
Trang 47
dương hoặc âm và sẽ chuyển động xuống dưới hoặc lên trên. Đo vận tốc của chuyển động này ta sẽ xác định được điện tích của các ion.
Năm 1917 Millikan đo được giá trị e là e = 1,590 0,002.10-19C. Các công trình đo điện tích electron của Millikan đã được tặng giải thưởng Nooben về vật lí năm 1923.
2.5.1.3 Mô hình, các khái niệm và đại lượng.
Có thể coi thuyết electron của Lorentz chỉ là sự đưa các electron vào thuyết điện từ của Maxwell. Trong thuyết electron vẩn sử dụng những mô hình, khái niệm và đại lượng cơ bản của thuyết điện từ.
Trong thuyết điện từ của Maxwell, môi trường vật chất được coi là liên tục. Các tính chất điện từ của nó được diển đạt bởi các hằng số điện môi , độ từ thẩm và độ dẩn điện , điện từ trường trong môi trường vật chất được đặc trưng bằng các vectơ E , D, H và B là những hàm biến thiên liên tục. Trong thuyết electron, môi trường vật chất gồm các hạt điện tích đặt trong chân không. Điện từ trường trong môi trường vật chất cũng vẫn là điện từ trường trong chân không, nhưng đã bị trường của các hạt tích điện làm biến đổi. Sự có mặt của môi trường vật chất có thể coi như là sự dưa thêm vào chân không một số điện tích bổ sung và dòng điện bổ sung. Do đó xét đến cùng thì trong thuyết electron chỉ khảo sát điện từ trường trong chân không.
Trong giai đoạn phát triển ban đầu của thuyết electron, mô hình electron rất đơn giản. Electron được coi là những chất điểm mang điện tích. Khối lượng và điện tích của electron có giá trị xác định không đổi. Mô hình này đã giải thích nhiều hiện tượng điện và từ.
Năm 1901 Kaufmann (Kaophoman) xác định tỷ số
m e
của tia bêta trong đó các electron chuyển động với vận tốc rất lớn. Để giải thích hiện tượng này ta phải thừa nhận khi electron chuyển động với vận tốc lớn thì khối lượng của nó tăng, do đó tỷ số
m e
giảm.
Về sau các công trình lý thuyết còn chứng tỏ khối lượng của electron không những phụ thuộc vào độ lớn của vận tốc mà còn phụ thuộc vào phương của lực tác dụng lên electron. Khối lượng electron không thể đặc trưng bằng một đại lượng vô hướng không đổi như khối lượng thông thường nữa. Cần phải đưa ra hai khối lượng của electron: khối lượng dọc me đặc trưng cho quán tính của electron khi độ lớn của vận tốc electron thay đổi còn khối lượng ngang mt đặc trưng cho quán tính của electron khi phương của vận tốc thay đổi.
Để xác định giá trị của me và mt người ta phải xây dựng những mô hình electron phức tạp hơn mô hình điểm tích ở trên. Lorentz cho rằng electron đứng yên có dạng hình cầu, còn khi chuyển động nó trở thành môt ellipxôit tròn xoay, do bị co lại theo phương nằm ngang theo hệ thứ
c v2 1 1 , trong
đó v là vận tốc của vật còn c là vận tốc của ánh sáng trong chân không.
Với giả thuyết trên, Lorentz đã tính được các giá trị của khối lượng ngang và khối lượng dọc của electron. 2 3 2 2 0(1 ) c v m me
Trang 48 2 1 2 2 0(1 ) c v m mt
Sau này những phép đo chính xác đã khẳng định sự đúng đắng giả thuyết của Lorentz. VL hiện đại vẫn còn đang tiếp tục đua ra những mô hình mới về electron tuy nhiên những mô hình này
đã vượt xa khuôn khổ của thuyết electron cổ điển mà ta đang xét
2.5.2 Hạt nhân của thuyết electron cổ điển.
2.5.2.1 Tư tưởng cơ bản của thuyết electron cổ điển.
Sự đối lập về quan điềm giữa thuyết trường và thuyết electron thể hiện ở chổ, thuyết trường cho các điện tích là liên tục còn thuyết electron cho các điện tích có tính gián đoạn tạo thành từ các điện tích nguyên tố. Môi trường vật chất trong thuyết trường là môi trường liên tục và mang tính giả tạo, còn môi trường vật chất trong thuyết electron là môi trường gián đoạn tạo thành bởi các hạt mang điện đặt trong chân không.
Tuy nhiên quan niệm về tính gián đoạn của thuyết electron cũng chỉ dừng lại ở điện tích và môi trường vật chất, còn điện từ trường trong thuyết này vẫn là điện từ trường liên tục.
2.5.2.2 Các định luật và phương trình cơ bản.
Trong thuyết electron môi trường vật chất gồm các hạt điện tích đặt trong chân không. Vì các electron chuyển động rất nhanh nên mât độ điện tích và mật độ dòng điện vi mô trong môi trường vật chất cũng biến thiên rất nhanh theo thời gian và không gian. Do đó điện từ trường trong thuyết electron là điện từ trường biến thiên rất nhanh theo tọa độ và thời gian.
Để phân biệt với điện từ trường vĩ mô trong thuyết trường của Maxwell, ta ký hiệu các vectơ điện trường và từ trường trong thuyết electron bằng những chữ có mang dấu phẩy E,, D,, H,,
B,. Gọi mật độ điện tích là f và vận tốc của điện tích là v thì mật độ dòng điện j, có biểu thức: j, = fv
Các phương trình Maxwell viết cho các đại lượng vĩ mô đều có thể vận dụng cho các đại lượng vi mô nói trên. Những phương trình cơ bản của thuyết electron có dạng tương tự như những phương trình Maxwell và được goi là phương trình Maxwell Lorentz.
t B E rot (1) t D H rot (2) divD (3) divB0 (4)
Các phương trình Maxwell-Lorentz có nội dung vật lý giống như các phương trình Maxwell viết cho chân không nhưng ý nghĩa của chúng sâu sắc hơn.
Các phương trình và công thức khác của thuyết electron cũng được thành lập tương tự như đối với thuyết trường vĩ mô.
Các định luật cơ bản của thuyết điện từ như định luật Coulomb, định luật Ampere, định luật bảo toàn điện tích, v.v… cũng đều là những định luật cơ bản của thuyết electron.
Trang 49
Ngoài những hằng số đã có trong thuyết điện từ, có hai hằng số cơ bản mới được đưa vào thuyết electron, đó là điện tích và khối lượng tĩnh của electron.
2.5.3 Hệ quả của thuyết.
Các hệ quả của thuyết electron cổ điển hết sức đa dạng và bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau của VL hoc. Nhưng chúng ta chỉ đề cập tới một số hệ quả có quan hệ trực tiếp đến chương trình phổ thông.
2.5.3.1 Bước chuyển tiếp từ vật lí cổ điển sang vật lí hiện đại.
Thyết electron trước hết cho phép vạch ra cơ chế vi mô của các hiện tượng điện từ. Tuy vẫn sử dụng các quy luật của thế giới vĩ mô của thuyết điện từ nhưng trong thuyết electron đã có “diễn viên vật chất”. Sự tồn tại của các electron với những thuộc tính của nó đã cho phép giải thích những hiện tượng tĩnh điện, động điện đến điện từ.
Nhưng điều quan trong hơn cả là việc phát hiện ra electron đã là bước đầu tiên đưa con người đi sâu vào cấu trúc của thế giới vi mô. Đối tượng nghiên cứu của vật lý đã bắt đầu chuyển từ phân tử, nguyên tử sang lĩnh vực các hạt cơ bản.
Thuyết electron của Lorentz có thể coi là giai đoạn cuối cùng của VL cổ điển, nó hoàn chỉnh bức tranh điện từ thế giới vật chất ở mức độ vi mô và chuẩn bị những bước đầu tiên cho con người bước vào vật lý học hiện đại, thế giới của tính tương đối và lượng tử.
2.5.3.2 Thuyết electron và dòng điện trong kim loại.
Năm 1900 Drude (Đruy-đơ) và Lorentz đã vận dụng những tư tưởng cơ bản của thuyết electron vào dòng điện trong kiêm loại. Hai ông cho các electron trong kiêm loại là những điện tích tự do giống như các phân tử khí lý tưởng và đã vận dụng những quy luật của thuyết động học phân tử chất khí cho “khí electron”, Drude và Lorentz đã xây dựng thuyết electron về kiêm loại, từ đó có thể rút ra các định luật về dòng điện đã tiềm ra bằng thực nghiệm như định luật Ohm (Ôm), định luật