Benjamin Crowell
1.5 Electron
Tia catôt
Các nhà vật lí thế kỉ thứ 19 đã mất rất nhiều thời gian cố gắng đi tới những phương pháp lộn xộn, ngẫu nhiên nhằm nghiên cứu điện học. Những thí nghiệm tốt nhất thuộc loại này là những thí nghiệm tạo ra những tia lửa điện khổng lồ hay những màu sắc rực rỡ.
Một thủ thuật mang tính dịch vụ như thế là tia catôt. Để tạo ra nó, trước tiên bạn phải thuê một người thợ thổi thủy tinh giỏi và tìm một cái bơm chân không tốt. Thợ thổi thủy tinh sẽ chế tạo ra một cái ống rỗng ruột và gắn hai miếng kim loại trong nó, gọi là các điện cực, chúng được nối với bên ngoài thông qua dây kim loại xuyên qua thủy tinh. Trước khi để anh thợ hàn kín toàn bộ ống, bạn sẽ mắc vào nó một cái bơm chân không, và mất vài giờ bực dọc với cái tay bơm để tạo ra chân không tốt bên trong. Sau đó, khi lúc bạn vẫn còn đang bơm trên ống, người thợ thổi thủy tinh sẽ làm tan chảy thủy tinh và hàn kín toàn bộ lại. Cuối cùng, bạn đặt một lượng lớn điện tích dương lên một dây dẫn và một lượng lớn điện tích âm lên dây dẫn kia. Kim loại có tính chất là cho điện tích chuyển động dễ dàng trong chúng nên điện tích gởi lên một dây sẽ nhanh chóng tràn ra do từng phần của nó đẩy nhau ra xa. Quá trình dàn trải này làm cho hầu như toàn bộ điện tích đi tới đích ở các điện cực, ở đó có nhiều khoảng trống để dàn trải ra hơn so với trong dây dẫn. Vì những lí do lịch sử không rõ lắm, điện cực âm được gọi là catôt và điện cực dương được gọi là anôt.
Hình i cho thấy dòng phát sáng quan sát được. Nếu, như biểu diễn trong hình này, một lỗ trống được tạo ra trong anôt, thì chùm tia sẽ kéo dài qua lỗ trống cho tới khi nó chạm phải thủy tinh. Tuy nhiên, khoan một lỗ trên catôt sẽ không gây ra bất kì chùm tia nào đi ra ở phía bên trái cả, và điều này cho thấy đối tượng, cho dù nó là cái gì đi nữa, có nguồn gốc từ catôt. Vì vậy, những tia này được đặt tên là “tia catôt” (Thuật ngữ đó vẫn được dùng cho đến ngày nay dưới cái tên “ống tia catôt” hoặc “CRT” cho ống phóng hình của ti vi hoặc màn hình máy vi tính).
Tia catôt là một dạng ánh sáng hay vật chất ?
Tia catôt là một dạng ánh sáng, hay vật chất ? Ban đầu, không ai thật sự quan tâm xem chúng là cái gì, nhưng khi tầm quan trọng khoa học của chúng ngày càng trở nên thấy rõ, thì vấn đề ánh sáng hay vật chất trở thành một cuộc tranh luận xuyên biên giới quốc gia, với người Đức thì tán thành chúng là ánh sáng, còn người Anh thì giữ quan điểm xem chúng là vật chất. Những người ủng hộ cách giải thích vật chất tưởng tượng tia catôt gồm một chùm nguyên tử bốc ra từ chất của catôt.
Một trong những đặc trưng hạn chế vật chất của chúng ta là đối tượng vật chất không thể truyền xuyên qua nhau. Thí nghiệm cho thấy tia catôt có khả năng đâm xuyên ít nhất là qua một số chiều dày vật chất nhỏ, ví dụ một lá kim loại dày một chục milimét, gợi ý rằng chúng là một dạng ánh sáng.
Tuy nhiên, những thí nghiệm khác hướng tới kết luận ngược lại. Ánh sáng là một hiện tượng sóng, và một tính chất đặc trưng của sóng được chứng minh bằng cách nói vào một đầu của một ống cuộn bằng giấy báo. Sóng âm không đi ra khỏi đầu kia của ống dưới dạng một chùm hội tụ. Thay vì vậy, chúng bắt đầu trải rộng ra theo mọi hướng ngay khi chúng ra khỏi ống. Điều này cho thấy sóng nhất thiết không phải truyền theo đường thẳng. Nếu đặt một lá kim loại hình ngôi sao hoặc hình chữ thập trên đường đi của tia catôt, thì sẽ xuất hiện “bóng” có hình tương tự trên thủy tinh, cho thấy tia catôt truyền theo đường thẳng. Chuyển động theo đường thẳng này gợi ý rằng tia catôt là một dòng hạt vật chất nhỏ xíu.
Những quan sát này không có sức thuyết phục, nên cái thật sự cần thiết là phải xác định xem tia catôt có khối lượng và trọng lượng hay không. Khó khăn là ở chỗ không thể thu tia catôt vào một cái tách rồi đưa lên bàn cân. Khi ống tia catôt hoạt động, người ta không thấy bất cứ sự mất mát vật chất nào từ catôt, hay bất kì lớp vỏ nào lắng trên anôt.
Không ai có thể nghĩ ra cách nào tối ưu để cân tia catôt, nên cách hiển nhiên nhất tiếp theo giải quyết cuộc tranh cãi ánh sáng/vật chất là kiểm tra xem tia catôt có điện tích hay không. Ánh sáng được biết là không tích điện. Nếu tia catôt mang điện tích thì chúng dứt khoát là vật chất và không phải là ánh sáng, và chúng có thể được làm cho nhảy qua kẽ hở bằng lực đẩy đồng thời của điện tích âm ở catôt và lực hút của điện tích dương ở anôt. Tia catôt sẽ đi vượt quá anôt vì xung lượng của chúng. (Mặc dù những hạt mang điện thông thường không nhảy qua được một khe chân không, nhưng có một lượng rất lớn điện tích được sử dụng, nên lực tác dụng mạnh một cách khác thường).
Thí nghiệm của Thomson
Nhà vật lí J.J Thomson ở Cambridge đã thực hiện một loạt thí nghiệm rõ ràng về tia catôt trong khoảng năm 1897. Bằng việc điều khiển chúng một cách nhẹ nhàng tất nhiên bằng lực điện, k, ông chỉ ra rằng chúng thật sự tích điện, đó là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy chúng là vật chất. Không chỉ thế, ông còn chứng minh rằng chúng có khối lượng, và đo được tỉ số khối lượng trên điện tích của chúng, m/q. Vì khối lượng của chúng khác không, ông kết luận chúng là một dạng vật chất và có lẽ cấu thành từ một dòng hạt vi mô mang đỉện âm. Khi Millikan công bố kết quả nghiên cứu của ông 14 năm sau này, thật hợp lí khi cho rằng điện tích của một hạt như thế bằng với trừ điện tích cơ bản, q = - e, và kết hợp kết quả của Millikan và Thomson, người ta có thể xác định khối lượng của một hạt tia catôt.
Kĩ thuật cơ bản xác định tỉ số m/q đơn giản là đo góc mà các bản tích điện làm lệch chùm tia. Lực điện tác dụng lên một hạt tia catôt trong khi nó nằm giữa các bản sẽ tỉ lệ với điện tích của nó
Fđiện = (hằng số đã biết) . q
Áp dụng định luật II Newton, a = F/m, sẽ cho phép xác định m/q
Đó chỉ là một sự nắm bắt ý tưởng. Thomson cần phải biết vận tốc của hạt tia catôt để tính ra gia tốc của nó. Tuy nhiên, vào lúc đó, không ai có thậm chí là một dự đoán tốc độ của tia catôt tạo ra trong một ống chân không cho trước. Chùm tia có vẻ băng qua ống chân không hầu như tức thời, cho nên việc đo thời gian của nó với một chiếc đồng hồ bấm giây không phải là vấn đề đơn giản !
Giải pháp khéo léo của Thomson là quan sát kết quả của cả lực điện và lực từ tác dụng lên chùm tia. Lực từ tác dụng bởi một nam châm nhất định sẽ phụ thuộc vào cả điện tích của tia catôt và tốc độ của nó
Ftừ = (hằng số đã biết #2). qv
Thomson làm việc với lực từ và lực điện cho tới khi mỗi lực tạo ra một kết quả bằng nhau trên chùm tia, cho phép ông tính được tốc độ
v = (hằng số đã biết)/(hằng số đã biết #2)
Biết được tốc độ (vào cỡ 10% tốc độ ánh sáng trong cơ cấu thí nghiệm của ông), ông có thể tìm được gia tốc và do đó là tỉ số khối lượng trên thể tích, m/q. Kĩ thuật của Thomson tương đối thô sơ (và có lẽ độ lượng hơn, chúng ta có thể nói rằng chúng vẫn còn trong giai đoạn là sản phẩm nghệ thuật vào thời đó), nên với những phương pháp khác nhau, ông đi đến các giá trị m/q dao động trong khoảng hệ số 2, cả với tia catôt phát ra từ catôt cấu tạo từ một đơn chất. Giá trị tốt nhất hiện nay là m/q = 5,69 x 10-12 kg/C, phù hợp với giới hạn dưới của ngưỡng số liệu của Thomson.
Tia catôt là một hạt hạ nguyên tử: electron
Tuy nhiên, về thí nghiệm của Thomson, điều quan trọng không phải là giá trị bằng số thực tế của m/q, mà kết hợp với giá trị điện tích nguyên tố của Millikan, nó cho khối lượng của hạt tia catôt nhỏ hơn hàng ngàn lần khối lượng của cả những nguyên tử nhẹ nhất. Ngay cả khi không có kết quả của Millikan, phải chờ tới 14 năm sau đó mới có, Thomson đã công nhận tỉ số m/q đối với tia catôt nhỏ hơn hàng ngàn lần tỉ số m/q đo được đối với các nguyên tử tích điện trong dung dịch hóa học. Ông giải thích đúng đắn đây là bằng chứng cho thấy tia catôt là những viên gạch cấu trúc còn nhỏ hơn nữa – ông gọi chúng là electron – hình thành nên chính các nguyên tử. Đây là một khẳng định rất cấp tiến, được nêu ra vào lúc các nguyên tử chưa hề được chứng minh là tồn tại ! Cả những người sử dụng từ “nguyên tử” cũng thường xem chúng là sự trừu tượng hóa mang tính toán học nhiều hơn, chứ không phải là những đối tượng hiểu theo nghĩa đen. Ý tưởng tìm kiếm cấu trúc bên trong của các nguyên tử “không thể chia tách” bị một số người xem là điên rồ, nhưng trong vòng có 10 năm, quan niệm của Thomson đã được xác nhận đầy đủ bởi nhiều thí nghiệm chi tiết hơn.
Câu hỏi thảo luận
A. Thomson bắt đầu trở nên bị thuyết phục trong thí nghiệm của ông rằng “tia catôt” quan sát thấy phát ra từ catôt của ống chân không là những viên gạch cấu trúc của nguyên tử - cái mà ngày nay chúng ta gọi là electron. Sau đó, ông tiến hành quan sát với catôt làm bằng nhiều kim loại khác nhau, và nhận thấy tỉ số m/q hầu như bằng nhau trong mỗi trường hợp, có tính đến độ chính xác giới hạn của ông. Cho rằng là ông nghi ngờ, tại sao ông phải cố thử với nhiều kim loại khác nhau ? Làm thế nào giá trị thích hợp của m/q lại đóng vai trò kiểm tra cho giả thuyết của ông ?
B. Sinh viên của tôi hay thắc mắc tỉ số m/q mà Thomson đo là giá trị cho một electron, hay cho toàn bộ chùm tia. Bạn có thể trả lời câu hỏi này không ?
C. Thomson tìm thấy tỉ số m/q của một electron nhỏ hơn hàng ngàn lần tỉ số đó của các nguyên tử tích điện trong dung dịch hóa học. Đây có phải là gợi ý rằng electron có điện tích lớn hơn hay không ? Hay là chúng có khối lượng nhỏ hơn ? Có phải là không có cách nào nói như vậy ? Hãy giải thích. Lưu ý rằng kết quả của Millikan mãi nhiều năm nữa mới có, cho nên q chưa biết.
D. Bạn có thể dự đoán bất kì lí do thực tế nào lí giải tại sao Thomson không thể nào chỉ để cho một electron bay qua khe trước khi ngắt pin và tắt chùm tia, và rồi đo lượng điện tích bám trên anôt, như vậy cho phép ông đo được điện tích của một electron một cách trực tiếp ?
E. Tại sao không thể xác định chính m và q, thay cho tỉ số của chúng, bằng cách quan sát chuyển động của electron trong điện trường và từ trường ?
Còn tiếp...
Xem lại Phần 4
