Tài liệu: Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lưỡng tính sóng-hạt Một hạt theo quan điểm cổ điển là sự tập trung của năng lượng và những tính chất khác trong không gian và thời gian.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel

Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel Lưỡng tính sóng-hạt Một hạt theo quan điểm cổ điển là sự tập trung của năng lượng và những tính chất khác trong không gian và thời gian. Câu hỏi không biết ánh sáng là dòng hạt (tiểu thể) hay là sóng là một câu hỏi rất xưa cũ. Công thức “hoặc cái này… hoặc cái kia…” theo kinh điển là tự nhiên và xa lạ với lời giải tiến bộ “cả…lẫn…”, thậm chí “không cái này… chẳng cái kia…” của ngày nay. Đầu thế kỉ 19, các thí nghiệm đã đề xuất và được thực hiện cho thấy ánh sáng là chuyển động sóng. Nhân vật chủ chốt trong nỗ lực này là Thomas Young, một trong những nhà khoa học thông minh và khéo léo nhất từ trước đến nay, người đã nghiên cứu sự nhiễu xạ và giao thoa của ánh sáng ngay vào năm 1803 với kết quả cho sự ủng hộ mạnh mẽ cho lí thuyết sóng của Christian Huygens phản đối thuyết hạt hay thuyết tiểu thể của Isaac Newton. Những đóng góp khác đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu khác, trong số họ là Augustin Jean Fresnel, người chỉ ra rằng ánh sáng là sóng ngang.
Lí thuyết ánh sáng của Newton có vẻ thích hợp để giải thích sự đổ thẳng hàng của bóng đổ sắc nét của các vật đặt trong chùm tia sáng. Nhưng thuyết sóng cần thiết để giải thích sự giao thoa, trong đó cường độ sáng có thể tăng cường nhau ở một số nơi và triệt tiêu nhau ở những nơi khác phía sau màn chắn có một khe hoặc vài khe. Thuyết sóng cũng có thể giải thích thực tế rìa của bóng đổ không khá sắc nét. Lí thuyết toán học của điện từ học do James Clerk Maxwell thiết lập vào năm 1864 đưa đến quan điểm cho rằng ánh sáng có bản chất điện từ, truyền đi dưới dạng sóng từ nguồn đến nơi nhận. Heinrich Hertz đã phát hiện bằng thực nghiệm sự tồn tại của sóng điện từ ở tần số vô tuyến vào những năm 1880. Maxwell qua đời năm 1879 và Hertz qua đời lúc chỉ mới 37 tuổi vào năm 1894, hai năm trước khi Alfred Nobel tạ thế. Thí nghiệm của Thomas Young với hai khe hẹp chặn giữa nguồn sáng (ở đây là laser ) và máy dò (ở đây là màn chắn). Sóng đi ra từ khe này chồng lên sóng đi ra từ khe kia, tạo rahình ảnh giao thoa quan sát thấy với các vạch sáng và vạch tối xen kẽ trên màn hình. Vào cuối thế kỉ 19, cũng là khoảng thời gian giải Nobel được đặt ra, bản chất sóng của ánh sáng dường như đã được thiết lập dứt khoát. Như thế, nghiên cứu có
tính quyết định về bản chất sóng của ánh sáng đã đến quá sớm để xem xét trao giải Nobel. Tuy nhiên, có một ngoại lệ - đó là trường hợp tia X. Những khám phá liên quan đến bản chất hạt của ánh sáng thuộc về thế kỉ của chúng ta và từ đó người ta mong đợi giải thưởng Nobel trao cho những thành tựu như thế. Điều này hầu như đúng – nhưng tài liệu Nobel cho thấy nhiều câu chuyện phức tạp như sẽ được hé mở sau đây. Giải thưởng Nobel cho tia X Việc khám phá ra tia X bởi Wilhelm Conrad Röntgen vào năm 1895 được ghi nhận bởi giải thưởng Nobel Vật lí đầu tiên năm 1901. Röntgen đã chỉ ra trong số nhiều thứ khác rằng tia X giống như ánh sáng, truyền đi theo đường thẳng, nhưng trái với ánh sáng nó có thể đâm xuyên sâu qua vật chất. Röntgen đã thấy trước tầm quan trọng đối với y khoa của phát hiện của ông. Khám phá này có quá nhiều hệ quả quan trọng nên nó đáp ứng tốt quy định trong di chúc của Alfred Nobel là “mang lại lợi ích lớn nhất cho nhân loại”. Sau năm 1912 khi Max von Laue, người nhận giải Nobel vật lí năm 1914, đề xuất và quan sát thấy sự khúc xạ của tia X thì bức tranh sóng đã nhận được sự chấp nhận rộng rãi. Khoảng cách tương tác trong tinh thể phù hợp khá tốt với bước sóng của tia X. von Laue đã đi đến lí thuyết cho sự nhiễu xạ trong cách tử ba chiều và đưa ra
những tiên đoán, chúng đã được xác nhận bằng các thí nghiệm của W. Friedrich và P. Knipping. Bản chất của bức xạ mới, do Röntgen phát hiện vào năm 1895, không được biết rõ ràng vào năm 1901 khi ông được trao giải Nobel. Ban đầu, tính chất duy nhất được tìm thấy phù hợp với ánh sáng là sự truyền đi theo đường thẳng. Đến năm 1910, xảy ra một cuộc tranh luận ồn ào giữa Barkla và Bragg; một người bảo vệ ý kiến cho rằng tia X là sóng giống như ánh sáng, còn người kia thì cho rằng chúng bao gồm dòng các hạt nhỏ. Bài thuyết trình Nobel của Arthur H. Compton đã lấy tựa đề là “Tia X là một ngành Quang học”. Nó mở đầu “Một trong những mặt quyến rũ nhất của nghiên cứu vật lí trong thời gian gần đây là sự mở rộng dần của các định luật quen thuộc của quang học sang các tần số rất cao của tia X, cho tới nay khó khăn lắm mới có một hiện tượng trong địa hạt ánh sáng không tìm thấy trong địa hạt tia X. Sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ khuếch tán, phân cực, nhiễu xạ, phổ phát xạ và phổ hấp thụ, hiệu ứng quang điện, tất cả các đặc trưng cơ bản này của ánh sáng cũng đã được tìm thấy là đặc điểm của tia X. Đồng thời, người ta cũng nhận thấy một số trong những hiện tượng này chịu một sự thay đổi từ từ khi chúng ta tiến tới các tần số cực độ của tia X, và là kết quả của những thay đổi này trong các định luật quang học, chúng ta đã có được những thông tin mới để xem xét ánh sáng”. Bằng chứng cho bản chất hạt của ánh sáng Trong các sách giáo khoa vật lí, có hai hiện tượng thường được trích dẫn để chứng minh cho bản chất hạt của ánh sáng: 1) hiệu ứng quang điện và 2) sự tán xạ Compton của tia X. Trong một số sách vở, một trường hợp thứ ba thường được trích dẫn sai, gọi là phát hiện của Planck về lượng tử năng lượng, công trình do ông thực hiện trong phép phân tích của ông về bức xạ nhiệt. Ủy ban Nobel đã tôn vinh khám phá ấn tượng này bằng giải Nobel vật lí năm 1918, nhưng đã không phạm sai lầm ghi nhận Planck vì phát hiện ra bản chất hạt của ánh sáng.
Giải Nobel Vật lí cho Max Planck Khám phá của Planck ra cái gọi là hằng số Planck, h, được nhấn mạnh như động cơ trao giải cho ông năm 1918. Hằng số mới này của tự nhiên (với thứ nguyên năng lượng nhân thời gian) kết nối lượng tử năng lượng với tần số của ánh sáng, n, qua công thức E = h n. Trong bài phát biểu tại lễ trao giải Nobel năm 1918, người ta nói “Tích số hn thật ra là lượng nhiệt nhỏ nhất có thể phát ra ở tần số dao động n”. Chính Planck đã phủ định ý kiến cho rằng ánh sáng trong chân không truyền đi dưới dạng hạt, sau này gọi tên là photon. Như sẽ làm sáng tỏ từ phần sau, Ủy ban Nobel Vật lí đã không công nhận bản chất hạt của ánh sáng cả khi xét giải năm 1921 (trao giải năm 1922) cho Albert Einstein “cho khám phá của ông ra định luật quang điện”, lẫn khi vào năm 1927 trao giải vật lí cho Arthur Holly Compton “cho khám phá của ông ra hiệu ứng sau này mang tên ông”. Giải Nobel năm 1921 cho Albert Einstein (trao giải năm 1922) Albert Einstein vào năm 1905 đã đi đến kết luận rằng ánh sáng đôi khi hành xử giống như hạt qua một phép phân tích thống kê khéo léo công thức Wein cho sự phân bố bước sóng ánh sáng của bức xạ nhiệt. Einstein nói rằng ý tưởng mới của ông sẽ mang lại một lời giải thích tự nhiên của hiệu ứng quang điện, tức sự phát xạ electron từ bề mặt kim loại bị ánh sáng rọi vào. Lí thuyết sóng ánh sáng không thể làm được điều đó. Động cơ trao giải Nobel cho Einstein năm 1922 là dựa trên khám phá của ông ra định luật của hiệu ứng quang điện.
Einstein lặp lại phép tính thống kê với công thức Planck làm cơ sở, nó tổng quát hơn công thức Wein, và đi đến kết luận rằng cả khái niệm sóng lẫn khái niệm hạt trong bể nhiệt ánh sáng trong hộp đều cần đến. Trong một thảo luận chuyên đề tại Viện hàn lâm Phổ ở Berlin năm 1909, Einstein đã sử dụng phép tính mới này để cố gắng thuyết phục Planck và những người có mặt khác sự cần thiết phải xem xét ánh sáng đồng thời bao gồm một số hạt rời rạc. Như đã biết, Einstein không nhận giải Nobel cho lí thuyết tương đối của ông vì một số thành viên có ảnh hưởng lớn trong Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển có sự hoài nghi mạnh mẽ vào những lí thuyết đó. Người đoạt giải Nobel năm 1911 trong lĩnh vực Sinh lí học hay Y khoa, Allvar Gullstrand, là một trong những người theo quan điểm cho rằng tính đúng đắn của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein là dựa trên niềm tin – chứ không được chứng minh bằng thực tiễn, và thuyết tương đối rộng theo quan điểm của ông không thể nào là một phân tích quan trọng trụ vững được. Bây giờ, có phải giải thưởng trao cho Einstein không mang hàm ý rằng Viện hàn lâm công nhận bản chất hạt của ánh sáng ? Ủy ban Nobel nói rằng Einstein đã
tìm thấy sự trao đổi năng lượng giữa vật chất và ether xảy ra bởi các nguyên tử phát xạ hay hấp thụ một lượng tử năng lượng, hn. Là hệ quả của khái niệm mới về lượng tử ánh sáng (trong thuật ngữ hiện đại là photon), Einstein đã đề xuất định luật rằng một electron phát ra từ một chất bởi ánh sáng đơn sắc có tần số n phải có năng lượng cực đại E = hn - P, trong đó P là năng lượng cần thiết để bứt electron ra khỏi chất. Robert Andrews Millikan đã tiến hành một loạt phép đo trong khoảng thời gian 10 năm, cuối cùng xác nhận giá trị của định luật này vào năm 1916 với độ chính xác cao. Tuy nhiên, Millikan nhận thấy ý tưởng lượng tử năng lượng là không quen thuộc và kì lạ. Ủy ban Nobel đã tránh xem xét cho khái niệm hạt. Lượng tử ánh sáng hay với thuật ngữ hiện đại, photon, được nhắc tới rõ ràng trong các bản báo cáo cơ sở cho quyết định trao giải chỉ đề cập tới các quá trình phát xạ và hấp thụ. Ủy ban nói rằng ứng dụng quan trọng nhất của định luật quang điện của Einstein và đồng thời xác nhận có sức thuyết phục nhất của nó là mẫu Bohr đã sử dụng lí thuyết nguyên tử của ông, chúng giải thích được một lượng lớn số liệu quang phổ học. Trong lí thuyết của ông về nguy ên tử, Bohr đã sử dụng định luật của Einstein làm điều kiện cơ sở cho tần số của ánh sáng phát ra hay hấp thụ, khi một nguyên tử thực hiện một chuyển đổi giữa hai mức năng lượng lượng tử hóa E1 và E2, dưới dạng n = (E1 – E2)/h, trong ngôn ngữ hiện đại nó không gì hơn mà là sự bảo toàn năng lượng cơ bản với một photon phát ra hay hấp thụ có thể là một trường hợp. Tuy nhiên, Bohr đã phủ nhận khái niệm photon trong nhiều năm, mãi cho đến khoảng năm1925. Trong bài thuyết trình Nobel năm 1922 của ông, Bohr đã biểu
hiện sự phản đối của ông trong những từ sau: “Bất chấp giá trị tìm tòi của nó, giả thuyết lượng tử ánh sáng, nó không phù hợp lắm với cái gọi là hiện tượng giao thoa, không thể nào soi sáng bản chất của bức xạ”. Einstein đã được mời đến nhận giải thưởng của ông cùng lúc sự kiện đó, nhưng ông không thể đến, vì ông phải đi Nhật. Như vậy, thế giới đã mất đi cơ hội chứng kiến một cuộc tranh luận sớm giữa hai nhân vật lớn này trong ngành vật lí về bản chất của ánh sáng. Mối quan hệ giữa Einstein và Bohr, mà Ủy ban Nobel vật lí đã nhìn thấy, được làm cho rõ ràng nhất bằng hai giải thưởng Nobel trao trong năm 1922: một giải dành từ năm trước cho Einstein và giải hiện tại cho Bohr. Giải thưởng Nobel cho Arthur Holly Compton (1927) Đầu năm 1923, Arnold Sommerfeld đi thăm Mĩ và viết cho Bohr: “Điều hấp dẫn nhất… là nghiên cứu của Compton ở St Louis. Sau nó, lí thuyết sóng ánh sáng đã trở nên vô dụng”. Compton đã theo đuổi một số phần của tia X bị tán xạ khỏi hướng chùm tia có bước sóng dài hơn bước sóng bức xạ tới. Ông đã đo sự lệch bước sóng rất chính xác. Độ lệch đó không thể nào hiểu được theo thuyết sóng cổ điển. Lời giải thích riêng của Compton cho quá trình tán xạ là dưới dạng va chạm giữa hai hạt – một hạt là electron tự do, còn hạt kia là photon.