5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN
4.3.1.3Louis de Brogli e bước sóng de Broglie
Louis de Broglie (1892 – 1987) là một nhà vật lý Pháp. Ông là thành viên thứ 16 đƣợc bầu vào vị trí số một của Académie française năm 1944 và là thƣ ký vĩnh viễn của Viện hàn lâm khoa học Pháp. Ông đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1929.
Hình 4.11: Louis de Broglie
Louis de Broglie sinh ra trong một gia đình quý tộc ở Dieppe, Seine-Maritime, con trai thứ của Victor, đệ ngũ công tƣớc của Broglie. Ông trở thành đệ thất công tƣớc Broglie sau khi ngƣời anh trai không có ngƣời thừa kế qua đời vào năm 1960, Maurice, đệ lục công tƣớc của Broglie, cũng là một nhà vật lý. Ông không kết hôn.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 82 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Khi ông qua đời ở Louveciennes, ông đã đƣợc kế vị tƣớc công tƣớc một họ hàng xa, Victor-François, đệ bát công tƣớc của Broglie.
De Broglie đã dự định theo nghề khoa học nhân văn, và nhận đƣợc bằng đầu tiên ngành lịch sử. Sau đó, mặc dù ông đã chuyển sự chú ý của ông đối với toán học và vật lý và tốt nghiệp vật lý. Với sự bùng nổ của thế chiến thứ nhất vào năm 1914, ông gia nhập quân ngũ và tham gia vào việc phát triển thông tin vô tuyến.
Nghiên cứu năm 1924 của ông Recherches sur la théorie des quanta (nghiên cứu về lý thuyết lƣợng tử), giới thiệu lý thuyết của ông về sóng điện tử. Điều này bao gồm thuyết vật chất nhị nguyên sóng-hạt, dựa trên công việc của Max Planck và Albert Einstein về ánh sáng. Các giám khảo luận án, không chắc chắn của luận án, đã chuyển luận văn cho Einstein để đánh giá và Einstein đã hoàn toàn tán thành đề xuất tính nhị nguyên sóng-hạt của ông, De Broglie đã đƣợc trao bằng tiến sĩ. Nghiên cứu này lên đến đỉnh điểm trong giả thuyết de Broglie nói rằng bất kỳ hạt di chuyển của hạt hoặc của vật thể đều có một sóng liên quan. De Broglie do đó tạo ra một lĩnh vực mới trong vật lý, ondulatoire mécanique, hoặc cơ học sóng, kết hợp vật lý năng lƣợng (sóng) và vấn đề (hạt). Do đóng góp này, ông đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1929.
* Giả thuyết de Broglie
Khi nghiên cứu mẫu nguyên tử của Bohr, De Broglie nảy ra ý tƣởng rằng không nên chỉ coi electron là một hạt mà có thể gán cho nó một tính tuần hoàn nào đó. Ông nêu vấn đề: ―Nếu trong lý thuyết về ánh sáng suốt một thế kỷ trƣớc đó ngƣời ta đã coi nhẹ khái niệm "hạt", chỉ sử dụng khái niệm "sóng", thì trong lý thuyết về vật chất ngƣời ta có phạm sai lầm ngƣợc lại không? Có xem nhẹ khái niệm sóng và chỉ sử dụng khái niệm hạt không?‖ Và ông sửa chữa sai lầm đó bằng cách nêu lên khái niệm "sóng vật chất".
Nhƣ ta đã biết ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tính chất sóng thể hiện ở hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ,… , còn tính chất hạt thể hiện trong các hiện tƣợng quang điện, compton v.v…
Lƣỡng tính sóng hạt đƣợc Einstein nêu lên trong thuyết lƣợng tử ánh sáng. Theo thuyết này ánh sáng đƣợc cấu tạo bởi các hạt photon và:
Mỗi hạt năng lƣợng: và có động lƣợng bằng:
Từ hai công thức ta thấy rõ: những đại lƣợng đặc trƣng cho tính chất hạt (E, p), những đại lƣợng đặc trƣng cho tính chất sóng (λ, f) của ánh sáng liên hệ chặt chẽ với nhau. Do ánh sáng và các chất đều là các dạng năng lƣợng có thể chuyển hóa cho nhau, nên De Broglie cho rằng các chất cũng có tính chất lƣỡng tính và các hạt nhƣ: electron và sau đó đối mọi vi hạt khác cũng có tính chất sóng hạt.
Nếu áp dụng hệ thức trên cho các electron và nói chung cho các hạt vật chất có khối lƣợng m và vận tốc v ta cũng có thể nói rằng mỗi hạt vật chất đều có bƣớc sóng và tần số là:
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 83 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
(4.1)
Chú ý rằng:
Vì sóng này không phải là sóng điện từ.
Bƣớc sóng đó sau này đƣợc gọi là bước sóng De Broglie của hạt. Bản thân De Broglie và các nhà vật lý khác lúc đó không xác định đƣợc bản chất của sóng đó là gì. De Broglie chứng minh đƣợc rằng khi electron chuyển động trên một quỹ đạo khép kín với một vận tốc không đổi v << c thì quỹ đạo đó là bền nếu nó chứa một số nguyên các bƣớc sóng De Broglie của electron.
Điều đó phù hợp với các phép tính toán của Bohr đối với mẫu nguyên tử của Bohr. De Broglie cũng nêu lên rằng nếu cho một chùm electron đi qua một khe rất nhỏ thì có thể quan sát đƣợc sự nhiễu xạ của electron. Tức là sự thể hiện tính sóng của electron. Đó là sự kiểm tra lý thuyết của ông bằng thực nghiệm.
Năm 1927, sự nhiễu xạ của electron đã đƣợc phát hiện một cách tình cờ. Năm 1929, De Broglie đƣợc nhận giải thƣởng Nobel.
Ý tƣởng về sóng vật chất là một ý tƣởng rất kỳ lạ. Nếu nhƣ ý tƣởng về lƣợng tử năng lƣợng, về hạt ánh sáng nảy sinh do nhu cầu phải giải thích một số hiện tƣợng cụ thể, thì lúc đó không có sự kiện thực nghiệm nào đặt ra yêu cầu phải nảy sinh ý tƣởng về sóng vật chất.
Ý tƣởng đó nảy ra do tƣ duy rất tinh tế của De Broglie, và ông đã đƣa nó vào luận án tiến sĩ mà ông bảo vệ năm 1924. Einstein đã khuyên một học trò của mình đọc kỷ luận án này. Einstein nói: "Nó giống nhƣ bài viết của một gã điên rồ, nhƣng lập luận thì rất vững vàng".
Ý tƣởng của De Broglie đã gây ấn tƣợng mạnh mẽ đến Schrödinger, và trên cơ sở đó Schrödinger xây dựng nên phƣơng trình Schrödinger nổi tiếng ...
* Nội dung giả thuyết de Broglie
Một vi hạt tự do có năng lƣợng xác định, động lƣợng xác định tƣơng ứng với một sóng phẳng đơn sắc xác định.
Năng lƣợng của vi hạt liên hệ với tần số dao động của sóng tƣơng ứng theo hệ thức: (4.2)
Động lƣợng của vi hạt liên hệ với bƣớc sóng theo hệ thức: hay (4.3)
Trong đó là vector sóng có phƣơng và chiều là phƣơng truyền sóng, có độ lớn: Sóng De Broglie là sóng vật chất, sóng của các vi hạt.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 84 SVTH: Quách Thùy Dƣơng 4.3.2 Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
4.3.2.1 Albert Einstein – người được trao giải Nobel về “Hiệu ứng quang điện” (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Albert Einstein (1879–1955) là nhà vật lý lý thuyết sinh ra ở nƣớc Đức, ngƣời đã phát triển thuyết tƣơng đối tổng quát, một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại (trụ cột kia là cơ học lƣợng tử). Mặc dù đƣợc biết đến nhiều nhất qua phƣơng trình về sự tƣơng đƣơng khối lƣợng - năng lƣợng E = mc2, ông lại đƣợc trao Giải Nobel Vật lý năm 1921 "cho những cống hiến của ông đối với vật lý lý thuyết, và đặc biệt cho sự khám phá ra định luật của hiệu ứng quang điện". Công trình về hiệu ứng quang điện của ông có tính chất bƣớc ngoặt khai sinh ra lý thuyết lƣợng tử.
Hình 4.12: Albert Einstein
Khi bƣớc vào sự nghiệp của mình, Einstein đã nhận ra cơ học Newton không còn có thể thống nhất các định luật của cơ học cổ điển với các định luật của trƣờng điện từ. Từ đó ông phát triển thuyết tƣơng đối đặc biệt, với các bài báo đăng trong năm 1905. Tuy nhiên, ông nhận thấy nguyên lý tƣơng đối có thể mở rộng cho cả trƣờng hấp dẫn, và điều này dẫn đến sự ra đời của lý thuyết về hấp dẫn trong năm 1916, năm ông xuất bản một bài báo về thuyết tƣơng đối tổng quát. Ông tiếp tục nghiên cứu các bài toán của cơ học thống kê và lý thuyết lƣợng tử, trong đó đƣa ra những giải thích về lý thuyết hạt và sự chuyển động của các phân tử. Ông cũng nghiên cứu các tính chất nhiệt học của ánh sáng và đặt cơ sở cho lý thuyết lƣợng tử ánh sáng. Năm 1917, Einstein sử dụng thuyết tƣơng đối tổng quát để miêu tả mô hình cấu trúc của toàn thể vũ trụ. Cùng với Satyendra Nath Bose, năm 1924-1925 ông tiên đoán một trạng thái vật chất mới đó là ngƣng tụ Bose-Einstein của những hệ lƣợng tử ở trạng thái gần độ không tuyệt. Tuy cũng là cha đẻ của thuyết lƣợng tử, nhƣng ông lại tỏ ra khắt khe với lý thuyết này. Điều này thể hiện qua những tranh luận của ông với Niels Bohr và nghịch lý EPR về lý thuyết lƣợng tử.
Khi ông đang thăm Hoa Kỳ thì Adolf Hitler lên nắm quyền vào năm 1933, do vậy ông đã không trở lại nƣớc Đức, nơi ông đang là giáo sƣ ở Viện Hàn lâm Khoa học Berlin. Ông định cƣ tại Hoa Kỳ và chính thức trở thành công dân Mỹ vào năm 1940. Vào lúc sắp diễn ra Chiến tranh thế giới lần hai, ông đã ký vào một lá thƣ cảnh báo Tổng thống Franklin D. Roosevelt rằng Đức Quốc xã có thể đang nghiên cứu phát triển "một loại bom mới cực kỳ nguy hiểm" và khuyến cáo nƣớc Mỹ nên có những nghiên cứu tƣơng tự. Thực sự, nó đã dẫn đến sự ra đời của Dự án Manhattan sau này. Einstein ủng hộ bảo vệ các lực lƣợng Đồng minh, nhƣng nói chung chống lại việc sử dụng phát kiến mới về phân hạch hạt nhân làm vũ khí. Sau này, cùng với nhà triết học ngƣời Anh Bertrand Russell, ông đã ký Tuyên ngôn Russell–Einstein, nêu bật sự nguy hiểm của vũ khí hạt nhân. Einstein làm việc tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey cho đến khi ông qua đời vào năm 1955.
Einstein đã công bố hơn 300 bài báo khoa học và hơn 150 bài viết khác về những chủ đề khác nhau, ông cũng nhận đƣợc nhiều bằng tiến sĩ danh dự trong khoa học, y học và triết học từ nhiều cơ sở giáo dục đại học ở châu Âu và Bắc Mỹ. Ông
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 85 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
đƣợc tạp chí Times gọi là "Con ngƣời của thế kỷ". Những thành tựu tri thức lớn lao của ông đã khiến tên gọi "Einstein" đã trở nên đồng nghĩa với từ thiên tài.
4.3.2.2 Hiệu ứng quang điện
Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực đƣợc nhúng trong dung dịch dẫn điện đƣợc chiếu sáng vào năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn.
Năm 1886, nhà vật lý ngƣời Đức Heinrich Hertz đã làm thí nghiệm với bộ phóng điện để phát sóng điện từ - đó là hai quả cầu kim loại. Khi áp vào chúng một hiệu điện thế giữa chúng phát sinh tia lửa điện; còn khi ông chiếu sáng một trong hai quả cầu bằng các tia tử ngoại, thì sự phóng điện lại mạnh lên. Bằng cách đó ngƣời ta phát hiện đƣợc hiệu ứng quang điện ngoài.
Hình 4.13: Heinrich Hertz
Năm 1888, một ngƣời Đức khác tên là Wilhelm Hallwachs (1854-1852), đã xác định đƣợc rằng, một bản kim loại đƣợc chiếu sáng bằng ánh sáng tử ngoại thì trở nên tích điện dƣơng. Khám phá thứ hai về hiệu ứng quang điện đã diễn ra nhƣ thế. Cũng năm ấy một ngƣời Italia có tên là Auusto Righi (1850-1921) đã có khám phá thứ ba về hiệu ứng này mà không hay biết gì về các thí nghiệm của Hertz và Hallwachs. Ông giải thích rằng, hiệu ứng quang điện có thể xảy ra cả trong các kim loại lẫn điện môi. Righi đã tạo ra đƣợc hiệu ứng quang điện – đó là một dụng cụ có thể biến ánh sáng thành dòng điện.
Song câu chuyện về hiệu ứng quang điện vẫn chƣa kết thúc: nhà vật lý ngƣời Nga Aleksandr Grigoryevich Stoletov (1839-1896) là nhà bác học thứ tƣ, độc lập với những ngƣời kia đã khám phá ra hiệu ứng quang điện (năm 1888) bằng cách dùng một tế bào quang điện có cấu tạo đặc biệt. Trong vòng hai năm Stoletov đã nghiên cứu một cách toàn diện hiện tƣợng mới mẻ này và nêu ra các quy luật cơ bản của nó. Hóa ra, cƣờng độ dòng quang điện (dòng điện xuất hiện dƣới tác dụng của bức xạ tử ngoại), thứ nhất là tỷ lệ thuận với cƣờng độ chùm ánh sáng tới và thứ hai là với một cƣờng độ chiếu sáng ấn định trƣớc thì nó mới đầu tăng theo mức tăng hiệu điện thế nhƣng khi đạt tới giá trị xác định (dòng bão hòa) thì không tăng thêm nữa.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 86 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Hình 4.13: Aleksandr Grigoryevich Stoletov
- Định luật quang điện:
1. Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cƣờng độ dòng quang điện (cƣờng độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cƣờng độ chùm sáng tới. 2. Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dƣới tần
số đó, hiện tƣợng quang điện không xảy ra. Tần số này đƣợc gọi là tần số ngƣỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó.
3. Ở trên tần số ngƣỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.
4. Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dƣới 10-9 giây.
Hiệu ứng quang điện không bứt đƣợc hết các electron ra khỏi chất rắn. Trong không khí, các nguyên tử (hay phân tử) nằm ở trạng thái hầu nhƣ tự do. Trong trƣờng hợp này ngƣời ta không nói về công thoát mà nói về năng lƣợng ion hóa, nghĩa là năng lƣợng cần bổ sung cho electron để nó thoát khỏi nguyên tử.
Bên cạnh hiệu ứng quang điện ngoài còn có hiệu ứng quang điện trong: Khi cho chùm photon chiếu vào các chất bán dẫn hay điện môi, trong chúng xuất hiện thêm các electron tự do và hay cái gọi là các lỗ trống có tác dụng làm tăng độ dẫn điện.
Năm 1899, một ngƣời Đức tên là Philipp Lenard (1862-1947) và một ngƣời Anh tên là Joseph Thomson đã chứng minh đƣợc rằng ánh sáng đập vào bề mặt kim loại làm bật ra từ đó các electron. Các electron này chuyển động và làm xuất hiện dòng quang điện. Tuy nhiên ngƣời ta không hiểu đƣợc bản chất của hiệu ứng quang điện khi vận dụng điện động lực học cổ điển. Ngƣời ta cũng không cắt nghĩa đƣợc vì sao dòng quang điện chỉ xuất hiện khi tần số của ánh sáng tới phải lớn hơn hoàn toàn giá trị xác định đối với mỗi kim loại.
Chỉ tới năm 1905 Einstein mới làm cho điều bí ẩn này thành một bức tranh hoàn toàn sáng sủa và dễ hiểu đến từng chi tiết. Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng nhƣ các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lƣợng tử vừa đƣợc công bố vào năm 1900 của Max Planck. Bằng cách phát triển giả thuyết lƣợng tử của Planck, ông đã cho rằng bức xạ điện từ không đơn giản đƣợc bức xạ theo từng phần nhỏ - mà còn đƣợc truyền đi trong không gian và đƣợc vật
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 87 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
chất hấp thụ cũng dƣới dạng từng phần nhỏ - các lƣợng tử ánh sáng (các photon). Chính vì thế nên để hiệu ứng quang điện xảy ra, điều quan trọng tuyệt nhiên không phải là ở cƣờng độ chùm sáng tới.
=> Dựa vào thuyết photon của Einstein chúng ta mới giải thích đƣợc trọn vẹn bản chất và các định luật của hiện tƣợng quang điện. Và ông đƣợc trao Giải Nobel Vật lý năm 1921.
Điểm chính yếu là một lƣợng tử ánh sáng riêng lẻ có đủ năng lƣợng để bứt electron ra khỏi vật chất không. Năng lƣợng tối thiểu cần thiết để làm đƣợc việc đó, gọi là công thoát .Cuối cùng, Einstein đã đƣa ra phƣơng trình sau đây nhờ hiệu ứng quang điện:
(4.4)
Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lƣỡng tính sóng – hạt của ánh sáng.
Hiệu ứng quang điện là một hiện tƣợng điện – lƣợng tử, trong đó các điện tử đƣợc thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lƣợng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi đƣợc ngƣời ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});