Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 16

Các nguyên tử trong chất rắn

Trong khi nghiên cứu của Rutherford liên quan đến từng nguyên tử, thì vật chất cấu thành từ nhiều nguyên tử tương tác lẫn nhau. Tính chất của các hợp chất có thể rất khác với tính chất của các nguyên tử tham gia hình thành nên phân tử chất đó, và tính chất của cùng một chất ở trạng thái lỏng hoặc rắn rất khác với tính chất của nó ở trạng thái khí. Ngày nay, các nhà vật lí nói tới vật chất ngưng tụ để phân biệt các trạng thái rắn và lỏng, trong đó mỗi nguyên tử hay phân tử liên tục chịu ảnh hưởng của những láng giềng của nó, với chất khí, trong đó các nguyên tử hay phân tử chuyển động hầu như độc lập với nhau ngoại trừ khi chúng va chạm; nhưng trong phần lớn của thế kỉ 20, họ tập trung chú ý vào các chất rắn và chất lỏng. Như các chương sau sẽ làm sáng tỏ, nghiên cứu trong cái sau này gọi là vật lí chất rắn đã mang lại một số thành tựu công nghệ đáng kể.

Theo nghĩa rộng, sự khác biệt giữa chất rắn và chất lỏng là sự sắp xếp của các nguyên tử hay phân tử của nó. Đã lâu trước những năm 1910, điều đã rõ ràng đối với các nhà khoa học là đa số chất rắn hình thành nên những tinh thể. Đá quý và khoáng chất là những thí dụ nổi bật nhất, nhưng ngay cả muối thường và cát cũng có những cạnh sắc nhọn rõ ràng và có thể cắt (chẻ) theo những hướng nhất định dễ dàng hơn so với những hướng khác. Một số loại tinh thể khác đã được ghi nhận và mô tả theo hình dạng của mặt phẳng chia tách. Một số chất, thí dụ như thủy tinh, không có những hướng ưu tiên. Những chất này được gọi là vô định hình, nghĩa là “không có hình dạng”.

Điều thật hợp lí và tự nhiên là hãy giả sử hình trạng kết tinh của chất rắn phản ánh một khuôn mẫu đều đặn trong phương thức các nguyên tử hay phân tử của nó hợp lại với nhau và chất lỏng vô định hình thì không có tính đều đặn như thế. Cho nên các nhà vật lí bắt đầu tìm kiếm những công cụ cho phép họ khám phá sự sắp xếp bên trong các tinh thể. Họ cần cái gì đó nhạy với những thứ nhỏ cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn.

Cái gì đó ấy hóa ra là tia X. Năm 1912, nhà vật lí người Đức Max von Laue (1879–1960) chứng minh được rằng tinh thể sẽ làm nhiễu xạ, hay phân tán rộng ra, một chùm tia X. Khám phá của ông tương tự như khám phá vào năm 1801 của Thomas Young về sự giao thoa ánh sáng. Tia X đi đến chỗ được hiểu là sóng điện từ có bước sóng nhỏ cỡ kích thước của một nguyên tử. Dựa trên khám phá này, vị giáo sư vật lí người Anh William H. Bragg (1862–1942) và con trai của ông ta, William L. (Lawrence) Bragg (1890–1971) đã phát triển những kĩ thuật suy luận ra sự sắp xếp bên trong của các nguyên tử hay phân tử trong chất rắn kết tinh từ hình ảnh nhiễu xạ tia X thu được khi một chùm tia X đi qua chúng.

Các nhà vật lí nhanh chóng nhận ra tầm quan trọng của những khám phá này. Laue được trao giải Nobel Vật lí năm 1914, và cha con nhà Bragg thì vào năm sau đó.