8. Các chữ viết tắt trong đề tài
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.