Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 10

Nguyên tử có thể phân chia được

Einstein không phải là nhà vật lí duy nhất thực hiện những khám phá quan trọng trong thập niên đầu tiên của thế kỉ 20. Dựa trên khám phá ra electron vào năm 1897, J.J Thomson và những người khác đang bận rộn khảo sát thế giới hạ nguyên tử. Thomson tiếp tục sử dụng thuật ngữ tiểu thể để mô tả electron trong nhiều năm. Nhưng cho dù ông gọi nó là gì, ông biết rằng việc khám phá ra nó đã mở ra nhiều lộ trình nghiên cứu mới trong vật lí học đối với thế kỉ mới. Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu bản thân electron, trong khi những người khác quan tâm đến vai trò của electron trong vật chất. Chẳng hạn, nếu các electron, tích điện âm, là bộ phận của nguyên tử trung hòa điện, thì nguyên tử cũng phải chứa các điện tích dương. Vì các electron quá nhẹ, cho nên vật chất tích điện dương còn lại phải mang phần lớn khối lượng của nguyên tử.

Vấn đề sớm trở nên rõ ràng là số nguyên tử của một nguyên tố, đại lượng đặc trưng cho vị trí của nó trong bảng tuần hoàn, tương ứng với số electron trong nguyên tử của nó – hay tương đương, tương ứng với điện tích dương trong phần mang điện dương của nguyên tử (mặc dù cho đến lúc ấy họ không biết bộ phận tích điện dương đó trông như thế nào). Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố khác nhau cũng liên hệ với số nguyên tử, nhưng không theo một sự tỉ lệ đơn giản. Hydrogen là nguyên tử nhẹ nhất và có số nguyên tử bằng một, nhưng một nguyên tử helium, với số nguyên tử bằng hai, có khối lượng gấp bốn lần hydrogen. Các nguyên tử nặng, ví dụ như chì với số nguyên tử 82 và khối lượng nguyên tử khoảng 207 lần hydrogen, còn vượt ra khỏi sự tỉ lệ đó. Không ai biết tại sao lại như thế.

Các nhà khoa học còn nhận ra rằng các electron là nguyên do cho hành trạng hóa học của nguyên tử. Hóa trị của một nguyên tử là một tính chất mô tả cách nó phản ứng với các nguyên tử khác. Hóa trị liên hệ với số electron mà nó đóng góp cho phản ứng hóa học và chi phối những kết hợp nhất định của các nguyên tử để hình thành nên phân tử. Các nguyên tố trong cùng một cột của bảng tuần hoàn có hóa trị bằng nhau. Mặc dù cho đến khi ấy họ không hiểu được tại sao, nhưng các nhà vật lí và nhà hóa học công nhận rằng đa số các nguyên tố không chỉ có electron hóa trị mà còn có những electron khác không tham gia vào các phản ứng hóa học. Người ta cũng sớm biết rõ là dòng điện chạy trong dây kim loại là dòng electron. Tại sao một số chất, thí dụ như kim loại, dẫn điện trong khi những chất khác không dẫn điện thì chưa được hiểu rõ, nhưng rõ ràng là một số electron không liên kết chặt chẽ với nguyên tử hay phân tử của chúng so với những electron khác.

Trong số những nhà vật lí vào buổi chuyển giao của thế kỉ 20, Ernest Rutherford nhanh chóng nổi lên là một nhân vật hàng đầu trong việc tìm hiểu sự phóng xạ lẫn cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Năm 1898, ông trở thành giáo sư tại trường Đại học McGill ở Montreal, Canada, nơi ông tiếp tục nghiên cứu mà ông đã bắt đầu với Thomson ở Anh. Ông sớm tìm ra một dạng phóng xạ thứ ba, còn đâm xuyên hơn cả tia beta, mà ông gọi một cách tự nhiên là tia gamma, với những tính chất tương tự như các tính chất của tia X.

Cuối năm 1900, ông hợp tác với nhà hóa học McGill, Frederick Soddy (1877 – 1956), và họ đã bắt đầu thế kỉ mới với việc thử tìm hiểu một số cơ sở hóa học rất kì lạ đi cùng với sự phóng xạ. Chẳng hạn, Rutherford và Soddy đã chiết tách hóa học các nguyên tử phóng xạ thuộc một nguyên tố khác ra khỏi một mẫu chủ yếu là thorium. Chất liệu còn lại ban đầu kém phóng xạ hơn nhiều, nhưng sau đó cùng loại nguyên tử phóng xạ mà họ đã loại ra xuất hiện trở lại, cứ như thể chẳng có chuyện gì xảy ra. Những thí nghiệm khác với những chất phóng xạ khác mang lại những kết quả gây thách đố tương tự.

Khi họ phân tích các mẫu phóng xạ của mình, họ thường tìm thấy những nguyên tố hóa học như nhau trong những chất khác nhau, nhưng với khối lượng nguyên tử khác nhau. Phải mất vài năm nghiên cứu thận trọng, người ta mới hiểu được chuyện gì đang xảy ra. Sự phóng xạ đã mang lại cho các nhà khoa học những gợi ý về cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Rutherford và Soddy nhận ra rằng sự phóng xạ xảy ra khi phần tích điện dương của nguyên tử – cho dù nó là cái gì – phát ra thứ gì đó. Các kết quả của họ xác nhận rằng khi một nguyên tử “bố mẹ” phát ra một hạt alpha, thì số nguyên tử của nó giảm đi hai; nghĩa là, nó biến đổi, hay biến tố, thành một nguyên tố “con” nằm dưới nó hai số nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Ngoài ra, khối lượng nguyên tử của nó giảm đi bốn, đưa họ đến chỗ nghi ngờ rằng một hạt alpha là một nguyên tử helium không có electron của nó.

Nghiên cứu ban đầu của Rutherford cho thấy tia beta là các electron. Khi phần tích điện dương của một nguyên tử phóng xạ phát ra một hạt beta, thì nguyên tử con thu được có nhiều điện tích dương hơn nguyên tử bố mẹ. Cho nên sự biến tố do phát xạ beta mang lại một nguyên tố cao hơn một số nguyên tử trên bảng tuần hoàn. Khối lượng electron quá nhỏ nên nguyên tử con và nguyên tử bố mẹ có cùng khối lượng nguyên tử mặc dù chúng khác biệt về mặt hóa học. Đối với bức xạ alpha lẫn beta, nguyên tử con thường có hoạt tính phóng xạ hơn bố mẹ. Điều đó giải thích sự tăng tính phóng xạ mà Rutherford và Soddy quan sát thấy trong nghiên cứu của họ với thorium và những nguyên tố phóng xạ khác.

Các kết quả của Rutherford và Soddy cũng giải thích những khối lượng khác nhau đã được để ý thấy với những nguyên tố giống hệt nhau về mặt hóa tính. Hai nguyên tử có hành trạng hóa học như nhau, và do đó là cùng một nguyên tố, nếu chúng có cùng điện tích. Nhưng chúng vẫn có thể có khối lượng khác nhau. (Sau này, Soddy gọi những nguyên tử này là đồng vị. Năm 1913, ông nhận ra rằng những đồng vị khác nhau còn tồn tại đối với các nguyên tử phi phóng xạ, điều đó giải thích các phần lẻ ở một số khối lượng nguyên tử đo được, ví dụ như chlorine 35,5. Ngày nay, chúng ta biết chlorine xuất hiện trong tự nhiên, số nguyên tử 17, có hai đồng vị: một đồng vị phổ biến hơn với 35 đơn vị khối lượng và một đồng vị kém phổ biến hơn với 37 đơn vị khối lượng.)

Năm 1908, Rutherford được trao giải Nobel Hóa học cho công trình của ông về sự biến tố. (Soddy nhận giải muộn hơn, năm 1921, cho giải thích của ông về các đồng vị.) Trong khi đó, các nhà vật lí đang thảo luận sôi nổi về cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Phần vật chất tích điện dương trông ra sao và các electron hòa trộn với nó như thế nào để tạo thành các nguyên tử?

Một ý tưởng phổ biến là mô hình “bánh bông lan rắc nho” của J.J Thomson, hình dung các nguyên tử giống như món bánh ngọt yêu thích của người Anh. (Nếu Thomson là người Mĩ, ông có thể gọi nó là mẫu bánh mì nhân nho khô.) Mô hình ấy hình dung nguyên tử như một cái bánh bông lan với điện tích dương của nó rải đều khắp, trong khi các electron nhỏ xíu, tích điện âm gắn vào bên trong nó giống như nhân mứt hoặc nho khô.
Các nhà vật lí khác thì có những ý tưởng khác, hình dung nguyên tử như những quả cầu nhỏ, cứng chắc, chẳng hiểu bằng cách nào lại chứa các electron tích điện âm, trọng lượng nhẹ, và một số lượng bằng như vậy các hạt hạ nguyên tử tích điện dương, nặng hơn. Cho dù nghĩ mô hình nào là tốt hơn, nhưng không có nhà vật lí nào hài lòng với mô hình yêu thích của họ. Vì thế, họ hăm hở chờ đón một ai đó tìm ra một phương thức nhìn vào bên trong nguyên tử. Rutherford, vào năm 1907 đã trở lại Anh làm giáo sư tại trường Đại học Manchester, có một ý tưởng tiến hành công việc như thế.

Kế hoạch của ông là sử dụng các hạt alpha làm đạn, ông sẽ bắn chúng vào những lá kim loại mỏng. Bằng cách đo đường đi của chúng thay đổi như thế nào khi chúng đi qua, ông có thể suy ra loại cấu trúc gì mà chúng đã gặp phải. Mẫu bánh bông lan mềm sẽ ít có tác động lên các viên đạn, và hướng của chúng sẽ ít thay đổi. Nhưng nếu hạt alpha gặp phải những quả cầu cứng, nhỏ, ông trông đợi các hạt alpha bị lệch ra – hay tán xạ – khỏi hướng ban đầu của chúng.

Ưu tiên hàng đầu của công việc ở Manchester là xác nhận những mối ngờ của ông về bản chất của bức xạ alpha. Người phụ tá của ông, Hans Geiger (1882 – 1945) đã phát triển một thiết bị dò tìm sự đi qua của các hạt tích điện năng lượng cao và đếm chúng. Dụng cụ đó, tiền thân của máy đếm Geiger hiện đại, dùng để đo cường độ phóng xạ, tỏ ra quan trọng đối với việc chứng tỏ rằng hạt alpha thật ra là các nguyên tử helium không có electron.

Ernest Rutherford và Frederick Soddy đã tạo ra sơ đồ của những chuỗi phân rã phóng xạ khác nhau này. Ngày nay, các nguyên tử “con” được biết là những nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn hóa học. Thí dụ, “xạ khí” phóng xạ là chất khí radon.

Sau đó, vào năm 1909, Rutherford và Geiger bắt đầu các thí nghiệm tán xạ của họ. Họ nhanh chóng nhận ra rằng hầu như mọi hạt alpha đều đi qua các lá kim loại với góc lệch nhỏ hoặc không đổi hướng chuyển động. Kiểu chuyển động đó phù hợp với mô hình bánh bông lan rắc nho của Thomson, nhưng họ đã thận trọng không đi tới kết luận đó vội. Các máy dò của Geiger rất chính xác, nên họ có thể so sánh tổng số hạt alpha chạm trúng bia của họ ở phía này với số lượng họ phát hiện ở phía bên kia. Một phần rất nhỏ các hạt alpha bị lệch hướng sau khi chạm trúng lá kim loại, và họ cần phải hiểu cái gì đã xảy ra với chúng.

Rutherford xét một vài khả năng có thể xảy ra. Có lẽ thỉnh thoảng một hạt alpha chạm trúng máy dò và không được ghi lại. Điều đó dường như hợp lí, nhưng các máy dò hoàn toàn đáng tin cậy trong những phép thử khác. Một khả năng nữa là một vài hạt alpha đang tán xạ nhiều hơn so với Rutherford và Geiger lường trước. Các hạt đó có lẽ đã lệch xa khỏi phía không có máy dò. Vì sự tán xạ góc lớn như vậy dường như rất không có khả năng, cho nên Rutherford và Geiger tập trung nỗ lực của họ vào các kĩ thuật dò tìm.

Đồng thời, ông quyết định tìm kiếm sự tán xạ góc lớn, mặc dù không thành công, sẽ là thực tiễn tốt cho Ernest Marsden (1889–1970), một sinh viên trẻ vừa mới tham gia vào các kĩ thuật nghiên cứu của phòng thí nghiệm trên. Trước sự ngạc nhiên của mọi người, Marsden không những phát hiện ra hạt alpha tán xạ xa khỏi các phía, mà thậm chí anh ta còn phát hiện một số hạt tán xạ ngược về phía nguồn. Rutherford sau này đã mô tả kết quả đó là “hầu như không thể tin được, cứ như thể bạn ném một cái vỏ ốc về phía một tờ giấy mỏng và rồi nó dội ngược trở lại và va trúng bạn”.

Sau khám phá của Marsden, thập kỉ đầu tiên của thế kỉ mới đã kết thúc với Rutherford và đội nghiên cứu của ông trong cuộc săn đuổi náo nhiệt trước một bí ẩn lớn. Đã có cái gì đó không như trông đợi bên trong những hạt nhỏ xíu gọi là nguyên tử, nhưng họ không rõ cho lắm những kết quả của họ đang nói lên cho họ biết điều gì.

Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>