intTypePromotion=1

TÀI LIỆU VỀ CÁC NHÀ VẬT LÝ

Chia sẻ: Pham Nhung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:23

0
82
lượt xem
32
download

TÀI LIỆU VỀ CÁC NHÀ VẬT LÝ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, trẻ em cũng biết tên của các hành tinh, và việc du hành trong thái dương hệ không phải là chuyện không thể có. Thật khó mà tưởng tượng đã có thời người ta không biết gì về các hành tinh và chuyển động của chúng.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: TÀI LIỆU VỀ CÁC NHÀ VẬT LÝ

  1. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Johannes Kepler .................................................................................................... 2 Tycho Brahe và các sao siêu mới ......................................................................... 3 Galileo và khoa học thực nghiệm ....................................................................... 5 Việc viết cuốn Principia (Những nguyên lý) ..................................................... 6 Các định luật chất khí và khí cầu ...................................................................... 8 Henry Cavendish và mật độ Trái Đất .............................................................. 10 Chai Leyden và chiếc diều của Franklin ......................................................... 11 Vận tốc ánh sáng ................................................................................................ 12 Albert Einstein .................................................................................................... 14 Sự phát triển của kính thiên văn ...................................................................... 16 Nhìn thấy nguyên tử ........................................................................................ 17 Tia vũ trụ ............................................................................................................ 19 Fraunhofer và quang phổ Mặt Trời ................................................................. 20 Lise Meitner và sự phân chia hạt nhân ............................................................. 22 TRANG 1
  2. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Johannes Kepler Ngày nay, trẻ em cũng biết tên của các hành tinh, và việc du hành trong thái d ương hệ không phải là chuyện không thể có. Th ật khó mà tưởng tượng đã có thời người ta không biết gì về các hành tinh và chuyển động của chúng. Bước hiểu biết đầu tiên về chuyển động của các hành tinh xảy ra gần 400 năm trước, khi Johannes Kepler phân tích chuyển động của các hành tinh. Kepler có việc làm đầu tiên ở Graz, Áo, ở đó nhiệm vụ của ông vừa là một nhà thiên văn vừa là chiêm tinh gia. Ông đưa ra s ơ đ ồ để giải thích chuyển động của 5 hành tinh đã biết dựa trên 5 vật thể hình học. Sơ đồ huyền bí này, trùng hơp ngẫu nhiên với đi ều đã biết vào thời bấy giờ, làm cho công chúng bi ết đến ông và d ẫn đ ến s ự h ợp tác với Tycho Brahe vào năm 1600. 18 tháng sau cái chết của Brahe, Kepler s ở hữu các số liệu của Brahe. Kepler đã bỏ ra gần 10 năm cố gắng để làm khớp các quan sát c ủa Tycho về vị trí của sao Hỏa vào một quĩ đạo tròn, hay là m ột s ự ph ối h ợp nào dó c ủa các vòng tròn. Ông đã đạt được sự phù h ợp đ ến m ưc sai s ố gi ữa tính toán và s ố liệu quan sát chỉ khoảng 8 phút góc. Góc này ứng v ới vi ệc nhìn m ột đ ồng xu ở khoảng cách 56cm. Nhưng các phép đo của Tycho ít nh ất t ốt h ơn hai l ần, t ương ứng với việc đồng xu đạt ở xa 112cm. Kepler r ất tin t ưởng vào đ ộ chính xác c ủa các quan sát của Tycho do đó ông bi ết r ằng bản thân tính toán c ủa ông là sai. Ông từ bỏ công trình của mình và bắt đầu lại nhi ều lần, cu ối cùng đ ạt đ ược cái ngày nay chúng ta gọi là các định luật Kepler v ề chuy ển đ ộng c ủa các hành tinh. Kepler đã phát minh hai đ ịnh lu ật đ ầu tiên trong khi c ố g ắng tìm hi ểu quĩ đạo của sao Hoả. Hai định luật này xuất hi ện trong tác ph ẩm Astronomia Nova (Thiên văn mới) của Kepler vào năm 1609. Đ ịnh lu ật th ứ ba xu ất hi ện vào năm 1609 trong cuốn Harmonices Mundi (Sự hài hoà của th ế gi ới). Kepler là m ột trong những nhà khoa học kiệt xuất của thời bấy giờ với ni ềm tin là thế gi ới v ận hành theo những qui luật có thể khám phá và tìm hiểu được. Kepler không phải là người duy nhất hưởng được lợi ích từ các phép đo chính xác của Tycho. Năm 1582, lịch mới xuất hiện gọi là lịch Gregorian đã được giáo hoàng Gregory XIII thiết lập một phần dựa trên các số liệu TRANG 2
  3. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG chính xác này. Nguyên tắc cơ bản của hệ th ống l ịch này h ầu nh ư không thay đổi từ đó đến nay. Bởi vì các định luật của Kepler dựa trên các định lu ật t ổng quát h ơn c ủa t ự nhiên, bao gồm định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, chúng áp dụng được cho cả các hệ thống ngoài Thái Dương Hệ. Qu ỹ đ ạo c ủa Mặt Trăng cũng tuân theo định luật Kepler. Quỹ đạo của các vật th ể quay quanh Trái Đ ất cũng tuân theo định luật Kepler. Khi được đặt vào đúng qu ỹ đạo, các v ệ tinh truy ền thông sẽ giữ nguyên vị trí đối với Trái Đất (vệ tinh điạ tĩnh). Các đài truy ền hình và các tivi có thể nhận tín hiệu bằng cách hướng antenna t ới vệ tinh (Hình P.202). Tycho Brahe và các sao siêu mới Bạn có thể thấy được bao nhiêu sao trên tr ời vào m ột đêm tr ời quang b ằng mắt trần? Liệu bạn có thể nhận ra cùng một ngôi sao vào đêm hôm sau, theo dõi đường đi của nó trên bầu trời, đêm này qua đêm khác không c ần kính thiên văn ? Đó chính là việc làm của các nhà thiên văn ngày x ưa, v ới m ột s ố k ết qu ả đáng kinh ngạc. Nhà thiên văn Đan Mạch Tycho Brahe thường được coi là nhà thiên văn vĩ đại nhất của thời chưa có kính viễn vọng. Ti ến hành quan sát đều đặn trong hơn 20 năm, Tycho đã tích luỹ được một kho tàng số liệu cực kỳ chính xác, những số liệu này đã đưa đến một trong những tiến bộ chủ yếu trong thiên văn học – các định luật Kepler. Tycho không nổi tiếng về lý thuyết thiên văn, mà về sự cẩn thận của ông khi thi ết kế và sử dụng các dụng cụ. Các quan sát của ông về sao chổi và “sao mới” xuất hiện vào năm 1572 đã chứng tỏ rằng chúng ở xa hơn mặt trăng và do đó chứng tỏ rằng các lý thuyết trước đó về các thiên cầu bất động là không đúng. Nhiều năm sau các quan sát của Tycho về sao mới vào năm 1572, Frederick II, vua Na uy và Đan mạch, đã cấp cho Tycho một hòn đảo nhỏ tên là Ven (cách Copenhagen khoảng 25km) cùng với tiền bạc và các dụng cụ thiên văn. Tại đó Tycho đã thi ết kế và dự đoán nhiều dụng cụ, và tập hợp được đủ người để tiến hành các quan sát thường kỳ. Mặc dù các dụng cụ của Tycho thường được trang trí và mạ TRANG 3
  4. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG vàng, chúng có lẽ là các dụng cụ được thi ết kế c ẩn thận và chính xác h ơn b ất cứ dụng cụ nào trước đó. Sau khi mất sự trợ cấp của triều đình, Tycho rời khỏi Ven vào năm 1597, đem theo các số liệu và các dụng cụ di chuyển được đ ến Praha vào năm 1599. Ở đó Tycho bắt đầu tập hợp một nhóm công sự mới, một ng ười trong s ố h ọ là Johannes Kepler. Ngày nay chúng ta tin rằng “sao mới” của Tycho làsự xuất hiện của một sao siêu mới trong thiên hà của chúng ta. Sao siêu m ới là m ột sao b ừng sáng hơn hàng triệu lần độ sáng trước đó của nó và hàng ngàn l ần sáng h ơn các sao mới bình thường. Kepler cũng đã thấy một sao siêu m ới, sao này xu ất hi ện 32 năm sau sao do Tycho quan sát. Tuy thế một sao siêu m ới khác, có th ể d ễ dàng thấy được bằng mắt thường, đã xuất hiện vào năm 1987, gần 400 năm sau. Vào đêm 23 tháng hai năm 1987 tại đài thiên văn Carnergie trên núi Las Campas trong dãy Andes của Chilê, Ian Shelton đã khám phá ra v ật th ể sáng chói. Sao siêu mới này sáng chói trong khoảng 10 ngày, r ồi tăng đ ộ chói lên b ằng vài sao trong chùm Gấu lớn. Sao đang bùng nổ, được trình bày chi ti ết trong hình P.102 đ ược đăt tên chính thức là Supernova 1987A. Sao này đ ược các nhà thiên văn đ ặc bi ệt quan tâm bởi vì nó góp phần vào việc hiểu biết sự ti ến hoá c ủa các sao. Nh ư chúng ta sẽ thấy, sự quan sát các sao siêu mới khổng l ồ ở n ơi xa xôi, cũng cung c ấp thông tin về thế giới vi mô, về các thành phần cực nhỏ cấu tạo nên thế giới tự nhiên. Hình P.102 - Sao siêu mới 1986A nhìn bởi kính viễn vọng Hubble vào tháng 8, 1990. Sao siêu mới màu đỏ được bao quanh bởi một vòng màu vàng không rõ nguồn gốc. Hai ngôi sao xanh không có liên hệ với sao siêu mới. Hình P.103 - Là dụng cụ đo độ cao thiên thể th ời x ưa. Tycho Brahe đã dùng dụng cụ này để ghi nhận hơn 700 ngôi sao. B ức hình này hi ện đ ược l ưu trữ ở thư viện quốc gia ở Paris, Pháp. TRANG 4
  5. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Galileo và khoa học thực nghiệm Điều gì làm cho khoa hoc khác biệt với các hoạt động khác của con ng ười? Có lẽ sự khác biệt chủ yếu là vai trò của các thí nghi ệm có th ể đ ược lặp l ại b ởi các nhà khoa học khắp thế giới. Mặc dù trước đó người ta đã kiểm tra các ý tưởng bằng cách quan sát, Galileo Galilei là một trong những người đầu tiên làm cho thực nghiệm trở thành trung tâm của khoa học. Ảnh hưởng của Ông cho đến nay vẫn còn. Một phần lớn do kỹ năng văn chương của ông đã miêu tả các thí nghiệm, lý thuyết rõ ràng và đẹp đã đến mức phương pháp định lượng trở nên hấp dẫn và thời thượng. Galileo đóng một vai trò then chốt độc nhất trong lịch sử. Con đường xuyên phá của ông liên kết thực nghiệm với lý thuyết đã ảnh hưởng mọi tư duy khoa học về sau, và trong một chừng mực nào đó cả nhữg tư duy không thuộc về khoa học nữa. Thí nghiệm của Galileo về sự rơi của các vật là một nghiên cứu quan trọng đầu tiên v ề cách vận hành của tự nhiên. Công trình này minh ho ạ quan điểm hiện đại và cách một người có thể rút ra các kết luận khoa học. Nó là ví dụ về điều đôi khi được gọi là phương pháp khoa học. Một thí nghiệm được tin là được thực hiện đầu tiên bởi Galileo vào năm 1604 đã được tái t ạo vào năm 1975 bởi nhiếp ảnh gia Ben Rose. M ục đích của thí nghiệm hiện đại hoá này là đo quãng đường đi được của một quả bóng lăn trên mặt phẳng nghiêng trong những khoảng thời gian bằng nhau (0,55s). Hình P.302 là bản sao của dụng cụ mà Galileo đã dùng trong thí ngh ệm c ủa mình. Galileo sống vào thời không có những đ ồng h ồ chính xác và không th ể có những khoảng thời gian chính xác cần thiết đ ể thực hi ện phép đo. Tuy nhiên, ông chỉ cần xác định những khoảng thời gian bằng nhau, không ph ải toàn b ộ thời gian trôi qua. Galieo đặc biệt thích hợp với vi ệc này, b ởi vì ông cũng là m ột nhạc công. Thậm chí những người không học nh ạc cũng có th ể nh ận ra nh ững sự khác biệt nhỏ trong nhịp điệu. Trong thí nghiệm lặp lại thí nghiệm của Galileo, các kho ảng th ời gian đ ược thiết lập bằng cách hát bài “Onward Christian Soldier” với khoảng hai nhịp TRANG 5
  6. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG mạnh mỗi giây. Tại một nhịp quả bóng được thả ra, và vị trí c ủa qu ả bóng t ại các nhịp kế tiếp được đánh dấu bằng phấn; để so sánh các v ị trí ở chính xác 0,55s cũng đựơc chụp ảnh. Sau đó một sợi dây thun đ ược căng qua t ấm ván ở mỗi vạch phấn và được điều chỉnh sao cho tiếng kêu khi bóng đi qua dây thun rơi đúng vào nhịp của bài hát. Tỉ số gi ữa các quãng đ ường đo liên ti ếp đã r ất phù hợp với các số liệu của Galileo. Bạn có th ể dễ dàng t ự làm thí nghi ệm này. Các kỹ thuật hiện đại tinh vi hơn bất cứ diều gì Galileo có thể hình dung. Ví dụ, phép chụp ảnh hoạt nghiệm, do Harold Edherton đi tiên phong, có th ể đo các khoảng thời gian nhỏ đến 10 -6s. Các kỹ thuật này đưa đến các kết quả về vận tốc và quãng đường không thể thu được bằng phương pháp khác. Việc viết cuốn Principia (Những nguyên lý) Khi về già, Newton nói rằng những năm đỉnh cao của ông là 1665 và 1666. Trong khi nạn dịch hạch tràn qua nước Anh, Newton lui về trang trại ở nông thôn. Ở đó ông phát minh ra giải tích, hoàn thành các công trình trước đó về lý thuyết hấp dẫn, và khám phá ra ánh sáng trắng là tập hợp của nhiều màu – tất cả chỉ trong vòng 18 tháng! Việc viết cuốn Principia bắt nguồn từ một cuộc tranh luận trong vật lý. Cuộc tranh luận là về bản chất của lực hấp dẫn và xảy ra vào tháng giêng năm 1684 giữa ba người: Christopher Wren (1632-1732), ngày nay được nhớ như là một kiến trúc sư chuyên về nhà thờ và các công trình công cộng, đặc biệt là nhà thờ St. Paul ở London; Robert Hooke, lúc b ấy gi ờ là chủ tịch Hội hoàng gia; và Edmund Halley (1656-1742), m ột nhà toán h ọc và thiên văn trẻ. Chính Halley là người vào năm 1705 đã d ự đoán s ự quay l ại c ủa sao chổi đã xuất hiện năm 1682, và sao ch ổi này, khi xu ất hi ện l ại vào năm 1758, đã được đặt tên là sao chổi Halley. Wren đưa ra một giải thưởng cho một trong hai người kia nếu người đó có thể đưa ra bằng chứng rằng lực giữa mặt trời và các hành tinh tuân theo định luật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Hooke khẳng định ông đã làm được điều đó, nhưng không thể đưa ra bằng chứng. Vì vậy Halley tìm kiếm sự giúp đỡ của Newton, lúc đó là một giáo sư ở đại học TRANG 6
  7. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Cambridge. Trong chuyến viếng thăm, Halley h ỏi Newton qu ỹ đ ạo c ủa các hành tinh sẽ ra sao nếu lực hút bởi mặt trời tỉ lệ nghịch với bình ph ương kho ảng cách. Newton trả lời rằng các quỹ đạo đó sẽ là đường elip và nói thêm r ằng ông đã tìm ra chứng minh toán học cho điều này. Newton không tìm ra b ản th ảo c ủa chứng minh nhưng hứa sẽ tính toán lại và g ởi cho Halley. Vào tháng m ười m ột, Halley nhận được bản thảo từ Newton, và nó kích động ông đến n ỗi ông đ ề ngh ị Newton công bố bằng cách gửi tới Hội hoàng gia. Newton làm đi ều đó d ưới dạng một tiểu luận, De Motu, dưạ trên một phần các tính toán tr ước đó. Trong công trình này, ông chứng tỏ rằng nếu “một vật thể chuyển động theo hình elip thì lực hướng tâm sẽ tỉ lệ nghịch với bình phương kho ảng cách” . Đây là lời giải của vấn đề quỹ đạo các hành tinh, là câu tr ả l ời th ực s ự đ ầu tiên cho câu hỏi “Lực hút của mặt trời với các hành tinh là cái gì?” Sau khi gởi De Motu tới Hội Hoàng gia, Halley, v ới s ự h ỗ tr ợ c ủa h ội, m ời Newton viết một bản đầy đủ hơn. Newton hoàn thành tác ph ẩm này trong vòng 18 tháng, một thời gian cực kỳ ngắn ng ủi cho m ột tác ph ẩm vĩ đ ại nh ư v ậy. Ấn bản đầu tiên của Principia xuất hiện vào ngày 5 tháng 7 năm 1687. Newton viết Principia cho một thiểu số có trình đ ộ cao v ề khoa h ọc và toán học. Ông cố gắng làm cho nó khó hiểu theo nhi ều cách. Ng ười ta nói r ằng Newton đã khoe với một người bạn là ông đã viết Principia “thâm thuý” đến mức sao cho Ông sẽ không phải tranh luận với bất cứ ai có học vấn kém hơn. Trái với Galileo dùng ngôn ngữ thường ngày, Newton viết Principia bằng tiếng Latinh, ngôn ngữ quốc tế của giới học thuật thời bấy giờ. Newton không bao giờ cố gắng viết bản tiếng Anh, mặc dù ông sống thêm 40 năm nữa và đã tái bản cuốn sách có sửa chữa vào năm 1717 và 1723. Bản dịch tiếng Anh đầu tiên và cũng là duy nhất được xuất bản bởi Andrew Motte vào năm 1729. Hầu như người ta không biết gì về Mote và lý do tại sao ông dịch Principia ra ti ếng Anh. Principia đã và vẫn là cuốn sách khó hi ểu, đến n ỗi m ột s ử gia đã nói “không biết có cuốn sách nào tầm cỡ tương tự lại có ít độc giả như vậy” . Giống như hầu hết các công trình khoa học chủ chốt của mọi th ời, cu ốn sách này có những người ủng hộ mạnh mẽ cũng như những người ch ống đ ối k ịch liệt. Tuy nhiên, các khái niệm của Newton đã đ ược thừa nh ận nh ư là ph ần t ổng quát của kiến thức khoa học vì tính chính xác và hữu ích của chúng. Ngày nay cơ học Newton vẫn còn quan trọng. Ví dụ, được trang b ị máy tính hiện đại, vật lý Newton cho phép tính toán đ ường đi c ủa các phi thuy ền t ới các hành tinh xa xôi. Vào những năm 1979 và 1980, phi thuy ền Voyager đã g ởi TRANG 7
  8. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG về các bức ảnh đầy ấn tượng về sao Thổ, sao Mộc, sao Thiên V ương và sao Hải Vương. Hình P.402 - Sao Thổ Hình P.403 - Hệ mặt trời của chúng ta Các định luật chất khí và khí cầu Hình P.601 - Khí cầu đầu tiên được thiết kế bởi hai anh em nhà Montgolfier - Joseph Michel và Jacques Étienne Montgolfier Chuyến bay đầu tiên của loài người xảy ra ở khu ngoại ô Paris vào ngày 21 tháng 11 năm 1783, khi hai hành khách bay một chuyến bay dài 25 phút trong một khí cầu không khí nóng thiết kế bởi Joseph và Etienne Montgolfier. Hai anh em này đã th ử nghi ệm với khí cầu trong nhiều năm. Benjamin Franklin, lúc đó là đai sứ Mỹ ở Pháp, là một trong nh ững nhân chứng chính thức của chuyến bay đầu tiên naỳ. Khi được hỏi liệu việc bay có công dụng gì không, ông đã trả lời “Công dụng của một đứa bé mới sinh là gì?” Vài ngày sau chuyến bay đầu tiên của Montgolfier, J.A.C. Charles, trong một khí cầu do chính ông thiết kế, đã bay lên cùng v ới m ột b ạn đ ồng hành. Cu ối chuyến bay người bạn cùng đi ra khỏi giỏ khí cầu, và một mình Charles bay lên tới độ cao 3000m trong khoảng 10 phút, tiến hành các phép đo nhi ệt đ ộ và áp suất dọc theo đường bay. Theo nguyên lý Archimedes , một khí cầu bay lên nếu nó có mật độ nhỏ hơn mật độ của không khí nó chiếm chỗ. Do đó khí cầu cần dùng khí có mật dộ rất thấp để có thể mang người lên không trung. Mặc dù anh em Montgolfier bi ết v ề s ự khám phá ra Hydro của Cavendish vào năm 1766, h ọ chọn dùng không khí nóng, vì lý do kinh t ế. Giáo s ư Charles, vói sự khuyến khích của Franklin, đã chọn TRANG 8
  9. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG khí Hydro. (Hydro là khí có mật độ nhỏ nhất). Một khí cầu dùng khí Hydro s ẽ có lực nâng lớn hơn nhiều khí cầu dùng không khí nóng có cùng kích th ước. Trong vài năm sau khí cầu được phát minh, có nhiều tranh cãi v ề l ợi ích th ực s ự c ủa Hydro so với không khí nóng, làm thúc đ ẩy việc nghiên c ứu các ch ất khí. Ví d ụ, công trình đầu tiên về giãn nở nhiệt của chất khí là b ởi Charles vào năm 1687, một vài năm sau khi Ông bay chuyến bay bằng khí c ầu Hydro l ần đ ầu tiên. Tuy nhiên công trình của ông không được xuất bản. Một nhà khí cầu khác, Gay-Lussac, là một trong nh ững ng ười đ ầu tiên đã bay bằng khí cầu vì mục đích khoa học. Ông là một nhà hoá h ọc tích c ực và đã có hai khám phá qua trọng về chất khí. Ông độc lập nghiên c ứu s ự giãn n ở c ủa khí và xuất bản kết quả vào năm 1802, 15 năm sau công trình c ủa Charles. Trong bài báo của ông, Gay-Lussac đề cập đ ến công trình tr ước đó c ủa Charles, nêu ra rằng Charles đã thu đ ược k ết qu ả không đúng đ ối v ới khí ẩm. Định luật giãn nở chất khí được đặt tên theo cả Gay-Lussac và Charles. Suốt một trăm năm kế tiếp, khí cầu đã phát triển trong th ể thao, quân s ự và thương mại, đạt đến đỉnh cao với phát minh khí cầu sườn cứng b ởi h ầu t ước Fredinand von Zeppelin vào cuối thế kỷ 19. Khí cầu c ủa Zepplein đã tr ở thành những tàu chở khách hạng sang trên không trung. Chi ếc Zeppelin (Hình P.602) - làm bởi các khung cứng, nhẹ, phủ bằng vải. Bên trong là các túi Hydro đóng kín và khoang hành khách. Buồng lai treo bên d ưới có c ầu thang và phòng đi ều khiển. Chiếc Hinderburg, một chiếc Zeppelin đ ựợc ch ế t ạo vào năm 1936, là khí cầu bay lớn nhất. Nó dài 200m, đường kính 60m, và ch ứa 190000m 3 Hydro. Nó có thể chở 72 hành khách với tốc độ 80dặm/giờ. Chiếc Hinderburg đã bay thành công hơn 50 chuyến, bao gồm 36 chuyến vượt Đại Tây D ương, tr ước khi nó b ị nổ khi đáp xuống ở Lakehurst, New Jersey, năm 1937. Nó là chi ếc Zeppelin cu ối cùng được chế tạo. Khí cầu thường thấy ngày nay là những khí c ầu th ề thao nhi ều màu s ắc, dùng không khí nóng. Sau thời của Montgolfier cho đ ến năm 1950, h ầu h ết các khí cầu dùng Hydro hoặc Heli, hai chất khí nh ẹ nhất. Chi phí quá cao cho các khí nà y làm cho các cá nhân khó có thể có khí cầu. Vào ngày 10 tháng 10 năm 1960, kỷ nguyên của khí cầu dùng không khí nóng hiện đại bắt đầu khi Ed Youst bay một chiếc khí cầu không khí nóng, dùng lò đốt bằng Propane, do chính ông thiết kế. Những lò đốt này, chính là trái tim của khí cầu hiện đại, có thể cung cấp nhiều triệu Btu mỗi giờ (một Btu =2,7 MW) làm cho nhiệt độ ở đỉnh khí cầu lên đến gần 1000C. Khí cầu không khí nóng phải tương đối lớn bởi vì ngay cả khi TRANG 9
  10. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG rất nóng, không khí cũng chỉ hơi nhẹ hơn không khí ngoài khí quy ển. M ột chi ếc khí cầu tiêu biểu cho ba hoặc bốn người có thể tích kho ảng 2200m 3. Henry Cavendish và mật độ Trái Đất Giống như hầu hết các nhà khoa học thế kỷ 18, Henry Cavendish (1731- 1810) bị ảnh hưởng bởi các câu hỏi nêu ra trong các cu ốn sách Principia và Optics của Newton. Ảnh hưởng này đưa ông tới việc nghiên cứu l ực hấp dẫn. Bởi vì lực hấp dẫn giữa các vật bình thường rất nh ỏ, Cavendish ph ải dùng m ột cân đặc biệt, dựa trên thiết kế của Michell, để đo chúng. Một cân xoắn(Hình P.501) tạo bởi hai khối lượng nhỏ cân bằng trên một thanh mỏng treo b ởi một dây mảnh. Hai khối lượng lớn (quả cầu chì) được bố trí đối xứng ở hai đầu thanh để tạo lực quay. Lực hồi phục tạo bởi đây xoắn. Trong bài báo vào năm 1798 , Thí nghiệm để xác định mật độ Trái Đất, có hình vẽ cân xoắn dùng trong thí nghiệm của ông. Theo chính l ời c ủa Cavendish, “Thiết bị rất đơn giản; nó gồm một tay đòn bằng gỗ đài 6 feet có độ bền đều và rất nhe. Tay đòn này được treo ở vị trí ngang, bằng một dây mảnh dài 40 inches, và ở mỗi đầu treo một quả chì đường kính 2 inches; toàn bộ được đặt trong một cái hộp gỗ để chắn gió. Một lực rất nhỏ, như lực hút c ủa quả cầu là đủ để làm dây xoắn làm cho tay đòn lệch đi có th ể thấy đ ược. Bằng cách dùng hai quả cầu chì đặt lần lượt ở mỗi phía, có th ể đo đ ược góc lệch.” Bằng cách cải tiến thiết bị của Michel và cẩn thận t ới mức cao nhất, Cavendish đã đo được mật độ quả đất và tính được t ỉ tr ọng c ủa nó là 5,58. Cavendish đánh giá sai số phép đo của mình là kho ảng 7%. K ết qu ả c ủa ông tương ứng với giá trị: G = (6,70± 0,48) x10 –11Nm2/kg2 Giá trị này ít sai biệt so với giá trị hiện nay G =6,673 x10 –11Nm2/kg2 Ngày nay người ta vẫn còn quan tâm đến mật đ ộ quả đất. Các s ự thay đ ổi cục bộ của mật độ quả đất có thể chứa thông tin về các mỏ khoáng và m ỏ d ầu. Do đó, các nhà địa chất đã phát triển các đ ụng c ụ đ ể đo gia t ốc tr ọng tru ờng v ới độ chính xác rất cao. Một loại thiết bị dùng cân lò xo c ực nh ạy. S ự thay đ ổi trọng lượng của một vật, tức là sự thay đổi của g, sẽ được nhận ra. Một thiết bị TRANG 10
  11. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG khác đùng con lắc. Khi gia tốc trong trường thay đổi, chu kỳ của nó sẽ thay đ ổi. Đo sự thay đổi chu kỳ này, người ta sẽ tính đ ựợc s ự thay đ ổi c ủa gia t ốc tr ọng trường. Các thay đổi nhỏ của gia tốc trọng trường có thể đ ược đùng đ ể v ẽ b ản đ ồ. Các máy đo gia tốc trọng trường hiện đại có thể đó các thay đ ổi c ỡ 10 -6m/s2. Hình P.502 trình bày một bản đồ điễn tả sự biến thiên tr ọng tr ường ở Nam Carolina. Các đường vòng ứng vói các mức thay đ ổi của gia t ốc trong tru ờng c ỡ 5x10-5 m/s2. Một nhà địa chất được huấn luyện có thể dùng bản đồ này đ ề tìm ra thông tin về mỏ và cấu trúc điạ chất trong điạ hình đó. Chai Leyden và chiếc diều của Franklin Những thí nghiệm đầu tiên về điện gặp một vấn đề rất khó khăn. Đ ộ l ớn của các lực điện làm cho rất khó tích được một lượng lớn điện tích. Ngay cả với maý tĩnh điện Haukbee, việc tích điện vẫn không dễ dàng, Vào năm 1746 tại đại học Leyden, nhà bác học Hà Lan Pieter van Mussechenbroek đã cố gắng để tạo ra và giữ được một lượng lớn điện tích. Kết quả là một thiết bị được gọi là chai Leyden và nó là tổ tiên của các t ụ điện hiện đại. Hình P.701 - Chai Leyden là một chai thủy tinh có mặt trong và mặt ngoài được phủ bằng lá kim loại. Nó có một nắp gỗ với một thanh kim loại xuyên qua, một dây kim loại nối t ừ thanh tới lá kim loại phủ mặt bên trong chai. Để nạp điện cho chai Leyden, trước tiên lớp kim loại mặt ngoài đ ược n ối đất, ví dụ bằng một dây kim loại nối xuống đất. Rồi thanh trung tâm đ ược n ối vào máy tĩnh điện, ta coi như tích điện dương. Khi thanh này ti ếp xúc v ới máy, điện tích âm (electron) sẽ chạy vào máy. Do đó, mặt trong c ủa chai còn l ại đi ện dương. Điện dương naỳ sẽ hút điện âm từ đất lên nạp vào mặt ngoài chai. Quá trình nạp điện có thể lặp lại nhiều lần để đạt được một đi ện tích rât lớn. Sau khi việc nạp điện hoàn thành, đất được ngắt ra. Bởi vì mặt trong và m ặt ngoài được cách điện tốt bởi thuỷ tinh, chai có th ể gi ữ đ ược m ột lượng đi ện tích rât lớn. Nếu không có dòng rò chảy trên bề m ặt chai và qua n ắp, đi ện tích s ẽ được giữ vĩnh viễn. Thực tế là chai có thể giữ được lượng điện tích l ớn trong một khoảng thời gian dài khi chai sạch và khô trong không khí khô. TRANG 11
  12. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Nếu một vật dẫn nối với vỏ ngoài được đưa lại gần thanh trung tâm, chai sẽ phóng điện với tia lửa lớn. Trong phòng thí nghi ệm c ủa Musschenbroek, người ta đóng vai trò như vật thí nghi ệm, để ch ịu cho đi ện gi ật. N ếu m ột ng ười cầm chai trong khi người kia cầm vào thanh trung tâm, c ả hai sẽ b ị gi ật khi h ọ nắm tay nhau. Trong một vài thí nghiệm, nhiều người nắm tay nhau làm thành một dây dài dòng điện có thể đi qua. Ng ười cu ối cùng s ẽ b ị gi ật mạnh n ếu những người kia nắm chặt tay. Dây người này có khi dài đến 200 ng ười đ ể minh họa cho dụng cụ mới này. Benjamin Franklin cũng làm thí nghi ệm v ới chai Leyden và ông th ắc m ắc không biết điện và sét có giống nhau không. Vào năm 1752 ông n ạp đi ện cho chai Leyden với điện lấy từ một chiếc diều thả trong m ột c ơn dông (Hình P.702). Với thí nghiệm này, sét và điện đã được chứng minh là nh ư nhau. Franklin đ ược chọn là thành viên của hội khoa học Hoàng Gia Anh. Thí nghiệm của Franklin rất nguy hiểm. Franklin đã may mắn khi ti ến hành thí nghiệm này mà không bị hề hấn gì. Thực s ự là đã có nhiều người bị sét đánh chết khi cố gắng lặp lại thí nghiệm của ông. Công trình về điện của Franklin đã làm cho ông trở thành một trong những nhà khoa học hàng đầu thời bấy giờ. Ngày này thành tựu khoa học đực biêt đến nhiều nhất của ông là cột thu lôi. Franklin đã để ý rằng có thể làm phóng đi ện một vật nếu đem lại gần nó một quả cầu kim loại. Tuy nhiên, nếu thay vì quả cầu, ông dùng một thanh kim loại có mũi nhọn thì sự phóng điện có thể xảy ra ở khoảng cách tương đối xa. (Nói theo ngôn ngữ hiện đại, điện trường là lớn hơn ở mũi nhọn, và điện trường này gây ra sự phóng điện). Fraklin suy luận rằng một thanh kim lo ại nh ọn đ ặt trên nóc nhà và n ối xuóng đất bằng một dây dẫn sẽ làm các đám mây dông phóng đi ện mà không gây sét đánh. Đó chính là cột thu lôi. Ngày nay c ột thu lôi v ẫn còn đ ược dùng rộng rãi, đặc biệt là đối với các toà nhà cao. Vận tốc ánh sáng Galilleo có lẽ là người đầu tiên đề nghị một phương pháp để đo v ận t ốc ánh sáng. Ông đề xuất một thí nghiệm với hai quan sát viên đ ứng trên hai đ ỉnh núi xa nhau, mỗi người cầm một đèn lồng che l ại đ ược. Lúc đ ầu c ả hai quan sát viên đều che đèn lại. Rồi một người mở đèn ra, đánh dấu th ời gian. Khi ng ười thứ hai thấy ánh sáng từ đèn thứ nhất, người này mở đèn c ủa mình ra. Khi người thứ nhât thấy ánh sáng của ngọn đèn th ứ hai, s ẽ ghi l ại th ời gian. D ựa vào khoảng cách và thời gian đã biết, sẽ tính d ược vận t ốc ánh sáng. Chúng ta không biêt thí nghiệm này đã có được tiến hành hay không. V ận t ốc ánh sáng là quá lớn và phản ứng con người là quá chậm nên thí nghi ệm này không th ể TRANG 12
  13. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG thành công được. Tuy nhiên, nguyên tắc của thí ngi ệm này là đúng đ ắn và là c ơ sở cho nhiều phép đo về sau. Vào năm 1676 nhà thiên văn Đan m ạch Ole Roemer (1644-1710) đã công bố khám phá v ề s ự sai l ệch trong kho ảng th ời gian, khi quan sát từ Trái Đất, gi ữa nh ững l ần bi ến m ất c ủa m ặt trăng sao M ộc vào bóng của sao Mộc. Sự sai lệch này là do sự thay đ ổi khoảng cách t ừ Trái Đất đến sao Mộc (Hình P.801). Ông ta tìm thấy thời gian sai bi ệt khoảng 22 phút trong 6 tháng, tương ứng với thời gian ánh sáng đi được quãng đường bằng đường kính quỹ đạo quả đất. Từ đó Roemer dự đoán rằng vận tốc ánh sáng phải là hữu hạn. Vào năm 1678 Huygens ph ối h ợp th ời gian đo d ược c ủa Roemer với quang đường ước tính và đưa ra giá tr ị vận t ốc ánh sáng là 2,3 x10 8 m/s. Một thí nghiệm tương tự về nguyên tắc của Galileo đưa ra đã được thực hiện bởi Armand Hippolyte Louis Fizeau(1819-1896) vào năm 1849. Thí nghiệm này là lần đo vận tốc ánh sáng đầu tiên trên Trái Đất. Để tránh phải đo nh ững kho ảng th ời gian c ực kỳ ngắn, Fizeau dùng một bánh xe răng và m ột g ương (Hình P.802). Ánh sáng được tập trung vào mép bánh xe răng sau khi phản x ạ t ừ m ột g ương bán m ạ (M1 trong hình vẽ). ánh sáng đi qua một trong các rãnh c ủa 720 răng trên mép bánh xe và đi tới gương thứ hai (M2), tại đó nó phản x ạ theo cùng đ ường đ ến tr ở lại bánh xe răng, đi qua một rãnh và đ ến gương M1. M ột ph ần ánh sáng xuyên qua gương và đến người quan sát. Khi gương quay ở một vận tốc nào đó, ánh sáng đi qua khe tới gương M2 khi quay về gặp một răng bị chắn lại và ng ười quan sát th ấy c ường đ ộ ánh sáng giảm. Khi quay bánh xe với vận tốc khác, ánh sáng quay v ề s ẽ g ặp m ột rãnh và đi qua được. Từ số răng của bánh xe, vận t ốc quay c ủa nó và đ ường đi c ủa ánh sáng, Fizeau đã tính được tốc độ của ánh sáng cỡ 3,25 x10 8 m/s. Gần đây các phép đo vận tốc ánh sáng đã đ ược th ực hi ện d ựa trên tinh chất sóng của ánh sáng và dựa trên quan hệ vận t ốc là b ằng t ấn s ố nhân v ới bước sóng. Bước sóng của tia laser có thể đo với độ chính xác rât cao, trong khi tần số ánh sáng có thể xác đinh bằng đồng hồ nguyên tử Cesium (Xê-ri). Từ những thíêt bị này giá trị của vận tốc ánh sáng là 299792458 ±1,2 m/s. Bởi vì hạn chế chủ yếu của phép đo là sự không chính xác của chuẩn mét trước đây, giá trị này của vận tốc ánh sáng đã được thừa nhận và chuẩn mét mới được định nghĩa dựa trên vận t ốc TRANG 13
  14. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG ánh sáng. Vào năm 1983 hội nghị quốc tế lần thứ 17 về tr ọng l ượng và đo l ường đã đưa ra định nghĩa mới về mét như sau: Met là quãng đường đi được của ánh sáng trong chân không trong khoảng thời gian 1/299792458 giây. Quỹ đạo của Trái Đất, sao Mộc và một Mặt Trăng của sao M ộc ở hai th ời điểm cách nhau 6 tháng. Khảng thời gian gi ữa hai l ần nguyêt th ực ở sao M ộc nhìn từ Trái Đất sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa Trái Đất và sao M ộc. Albert Einstein Tên tuổi Albert Einstein nổi lên khắp thế giới vào năm 1919 theo một cách mà chưa một nhà khoa học nào từng có. Năm đó đã chứng kiến sự xác nhận hùng hồn dự đoán của ông về sự bẻ cong tia sáng trong trường hấp dẫn; từ đó, ông là nhà khoa học của công chúng. Hầu hết các độc giả không biết thuyết tương đối là gì. Dù sao, sự xác nhận của các nhà thiên văn Anh trong nhật thực toàn phần vào năm 1919, tên gọi hấp dẫn của lý thuyết, và tính cách của tác giả đã phối hợp lại để tạo thành một mối quan tâm chưa từng có đối với một lý thuyết không có ứng dụng thực tiễn rõ ràng. Eintein nhanh chóng trở thành, và đến bây giờ vẫn còn, một trong những hình ảnh được công chúng biết nhiều nhất. Cách ăn mặc lôi thôi của ông rất quen thuộc với các nhà nhi ếp ảnh, và bản tính tự nhiên cởi mở của ông được mọi loại thính giả ưa thích. Khi là thanh niên, chàng công dân Thuỵ Sĩ gốc Đức này trong những năm 1902-1908 làm việc ở Sở bằng sáng chế ở Bern, Thuỵ sĩ. Ở đó ông tự do tập trung suy nghĩ và làm việc độc lập với các câu hỏi căn bản, một cách làm việc đặc trưng cho toàn bộ sự nghiệp của ông. Năm 1905 ông xuất bản ba bài báo quan trọng. Bài báo đầu tiên là v ề thuy ết t ương đ ối h ẹp. Bài th ứ hai giải thích chuyển động Brown và xác lập quan đi ểm phân t ử đ ối v ới v ật ch ất. Bài thứ ba, về bản chất của ánh sáng và tương tác của nó với vật chất, là một phần nền tảng của cơ học lượng tử. Về sau trong cùng năm đó ông xu ất b ản bài báo thứ tư, trong đó chứa phương trình n ổi tiếng E =mc2. Einstein tiếp tục phát triển lý thuyết tương đối rộng, xuất b ản công trình đ ầu tiên vào năm 1915. Năm 1921, sau khi thuyết tương đối rộng đựọc kiểm chứng, Ông nhận giải Nobel vật lí nhờ những đóng góp vào v ật lí lý thuyêt và v ề cách giải thích của ông về tương tác ánh sáng với vật chất. TRANG 14
  15. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Những huyền thoại nói rằng Eisnstein là một sinh viên kém là không đúng. Ông học trên trung bình, nhưng không thích hình thức, thích đi theo những suy nghĩ riêng của mình hơn là coi tr ọng uy quyền. Ông làm việc độc lập trong thời gian tại Sở cấp bằng sáng chế, khoảng thời gian sáng tạo nhất của ông và như ông sau này nhớ lại, là thời gian hạnh phúc nhất của đời ông. Ít nhất cũng quan trọng như đầu óc sáng tạo của ông và kiến thức sâu sắc về vật lí là khả năng tập trung vào vấn đề cho đến khi giải quyết được. Các ý tưởng của thuyết tương đối rộng mất 8 năm để phát triển. Ông đã suy nghĩ thấu đáo đến nỗi khi ông vứt bỏ hoàn toàn quan niệm cổ điển về không gian và thời gian, ông cảm thấy điều đó là hoàn toàn tự nhiên và t ất yếu. Bất cứ ai có tính cách như vậy sẽ không coi trọng uy quyền và những qui ước, cả trong khoa h ọc cũng nh ư trong nh ững lãnh vực khác.Einstein thường được so sánh với Newton về tầm quan trọng của lý thuyết cũng như cường độ làm việc nhưng hai ng ười ít có đi ểm chung. Newton là một người kiêu hãnh, thích vinh quang và có tính ganh đua. Einstein hoàn toàn ngược lại. Những trích dẫn sau đây từ hai nhà khoa h ọc bi ết rõ ông sẽ cho thấy phần nào tính cách của ông. Theo Otto Frisch “Phẩm chất bao trùm tính cách của ông là sự khiêm tốn vĩ đại và thật s ự. Khi m ột ng ười nào đó phản đối ông, ông suy nghĩ thật cẩn thận và n ếu tìm th ấy ông đã sai, ông rất vui mừng vì đã thấy được sai lầm và hiểu biết thêm một chút” Robert Oppenheimer viết “Einstein là một người đầy nhân tính. Thật sự ,nếu cần phải chọn một từ để miêu tả thái độ của ông đối với các vấn đ ề con người, tôi sẽ chọn từ tiếng Phạn Ahinsa, nghĩa là không làm hại ai, vô hại. Ông nghi ngờ quyền lực; ông không có lối trò chuy ện c ủa các chính khách và các người nắm quyền lực phù hợp với Rutherford và Bohr, có l ẽ là hai nhà vật lí của thế kỷ này nổi tiếng gần bằng ông… Tôi không cần phải nói về trí tuệ sáng chói c ủa Ông. Ông hầu như không có tính cầu kỳ và tính trần tục. Tôi nghĩ rằng người Anh s ẽ nói r ằng ông không có “căn bản” còn người Mỹ sẽ nói rằng ông thi ếu “gíáo d ục”. Điều này có thể cho thấy đôi điều về cách các từ này đ ược dùng… "Ông luôn luôn có một sự thơ ngây thuần khiêt và bướng bỉnh sâu sắc”. TRANG 15
  16. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Sự phát triển của kính thiên văn Việc phối hợp các thấu kính để tạo thành kính thiên văn đã được thực hiện ở Hà Lan vào khoảng năm 1600. Sau đó ít lâu, Galileo đã chế tạo một kính thiên văn và dùng nó để quan sát bầu trời. Đáng chú ý là các ứng dụng đầu tiên của kính thiên văn dùng khả năng phóng đại của nó, như Galileo đã làm. Không bao lâu sau đó nhi ều tiến bộ đã đạt được trong việc nghiên cứu vị trí của các hành tinh và các sao. (Hãy nhớ lại các quan sát của Tycho Brahe từ 1570 đến 1600, hầu như không dùng đến kính thiên văn). Mặc dù Galilieo không phải là người đầu tiên dùng kính thiên văn, ông là người đầu tiên dùng kính thiên văn để nghiên cứu m ột cách có h ệ th ống v ề các thiên thể. Ông đã xuất bản công trình vào năm 1610 với nhan đ ề “Sứ giả sao”. Trong đó đã mô tả các quan sát của ông về Mặt Trăng, đ ưa ra b ằng ch ứng đ ầu tiên về bề mặt mấp nhô của Mặt Trăng, trái với quan đi ểm tr ước đó cho r ằng Mặt Trăng là bằng phẳng. Ông cũng khám phá bốn mặt trăng c ủa M ộc tinh và quan sát được vết đen Mặt Trời. Những quan sát này là mâu thu ẫn gay g ắt v ới giaó điều của giá hội cho rằng các thiên thể là hoàn hảo và Trái Đ ất là trung tâm của vũ trụ. Trong hình P.1001, ống kính trên cùng là ống kính đã đ ược Galileo dùng cho công việc quan sát của mình. Mục đích đầu tiên của kính thiên văn Galileo là phóng đại sao cho ông có thể thấy rõ ràng hơn bề mặt cuả các hành tinh. Đ ối v ới các nhà thiên văn hi ện đại, một trong những tinh chất quan trọng của kính thiên văn là kh ả năng thu thập ánh sáng cho phép họ thấy được những vật thể y ếu ớt ở xa xôi. Kính thiên văn thu thập nhiều ánh sáng hơn có đường kính lớn hơn. Nửa đầu thế kỷ 20 đường kính của kính thiên văn liên tục tăng lên đạt đến đỉnh cao vào năm 1947 với kính Hale đường kính 5m ở đỉnh Palomar. Những khó khăn khi chế tạo kính này đã nảy sinh câu hỏi liệu có ý nghĩa khi chế tạo những kính lớn hơn hay không. Trong những năm gần đây, những kỹ thuật mới đã xuất hiện với kính thiên văn nhiều gương (Multiple Mirror Telescope – MMT) ở Arizona. Được hoàn thành vào năm 1979, MMT có 6 gương 1,8m tạo thành một diện tích tương đương với một gương đơn TRANG 16
  17. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG 4,5m (Hình P.1002). Kính này là nh ẹ h ơn và r ẻ h ơn m ột kính thiên văn v ới gương đơn 4m. Các bài học rút ra từ việc chế t ạo và v ận hành MMT đã m ở đường cho việc thiết kế kính thiên văn Keck lớn nhất thế gi ới đ ường kính 10m ở Hawaii. Kính thiên văn Keck có khả năng thu thập ánh sáng gần gấp đôi kính thiên văn lớn thứ nhì thế giới, kính 6m đặt t ại đài thiên văn Kr ưm, Lên Xô cũ. Đ ể giảm bớt trọng lượng, và do đó khả năng biến dạng c ủa gương, kính thiên văn Keck làm bởi 36 miếng hình lục giác. Mỗi miếng có thể di chuy ển v ới đ ộ chính xác 4nm bởi một động cơ điều khiển bằng máy tính. Với chỉ mới có 9 gương đặt vào, Keck đã bắt đ ầu hoạt động vào năm 1990. Hình 1003 - Một trong những bức hình đầu tiên được chụp bởi một phần của kính thiên văn Keck. Trong hình là thiên hà NGC 1232 ở cách Trái Đ ất 65 triệu năm ánh sáng. Khi hoàn tất, kính thiên văn Keck có thể quan sát được các ngôi sao cách chúng ta 10 t ỷ năm ánh sáng. Ánh sáng từ những vật thể xa xôi như vậy có thể cung cấp manh mối về việc tạo thành thiên hà của chúng ta. Bằng cách biết được quá kh ứ, chúng ta có thể biết được về nguồn gốc của các sao hiện tại và của cả vũ trụ nữa. Nhìn thấy nguyên tử Nguyên tử là cực kỳ nhỏ. Đường kính nguyên tử cỡ 2 x10-10m. Do đó nguyên tử nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến hàng ngàn lần và chúng ta không thể nhìn thấy nguyên tử bằng mắt thường. Kính hiển vi thông thường cũng vô ích, bởi vì bước sóng ánh sáng lớn hơn nhiều vật chúng ta muốn nhìn. Để quan sát hình dạng của những vật nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, chúng ta phải dùng những kỹ thuật và công cụ phi thường. Một trong những công cụ này là kính hiển vi trường ion, phát triển bởi Giáo sư Erwin W.Müller vào năm 1951. Về cơ bản, kính hiển vi ion bao g ồm một mũi kim cực kỳ nhọn có điện thế rất cao đặt trước một màn huỳnh quang trong một vỏ đóng kín. Bên trong bu ồng có m ột lượng nhỏ khí Heli (Hình P.1101). Nguyên tử Heli b ị phân c ực do điện trường TRANG 17
  18. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG mạnh và bị hút về mũi nhọn mang điện tích dương. Khi chúng đ ến rât g ần mũi nhọn, điện trường tại đây rât lớn, làm chúng ion hon hoá. Khi nguyên t ử tr ở thành ion, nó được gia tố bởi điện trường. Nó bay theo đ ường s ức đ ến đ ập vào màn huỳnh quang. Do đó, mỗi ion t ạo ra t ại một đi ểm s ẽ đ ến đập vào m ột đi ển độc nhất tại màn hình. Do đó, ảnh trên màn hình t ương ứng v ới hình ảnh c ủa mũi kim (Hình P.1102). Nếu tốc độ ion hoá đủ lớn, trên màn hình sẽ thu đ ược ảnh g ồm các ch ấm sáng. Nếu bán kính mũi kim là đủ nh ỏ, chúng ta có th ể thu đ ược m ột hình ảnh trong đó mỗi chấm sáng tương ứng với một nguyên t ử riêng bi ệt trên b ề m ặt mũi kim. Những nguyên tử nằm trên mép của mặt phẳng nguyên t ử đóng góp m ột trường địa phương lớn hơn và do đó được thấy như những chấm sáng trên màn hình. Như vậy kính hiển vi ion có thể cho thấy trật tự nguyên tử trong mũi kim. Nếu chúng ta làm mô hình mũi kim bằng các quả cầu, s ơn các qu ả c ầu sao cho các quả cầu trên mép có thể dễ dàng nhìn thấy. S ự t ương t ự gi ữa mô hình quả cầu và ảnh của kinh hiển vi ion là n ổi bật. Gần đây hơn, một kính hiển vi có thể xem xét bề mặt ở kích thước nguyên tử đã được phát triển bởi Gerd Bennig và Heinrich Rphre vào năm 1984. Nó được gọi là kính hiển vi quét đường hầm, có thể phân giải cả những đường nét nhỏ hơn nguyên tử và không cần một điện thế cao như kính hiển vi trường ion. Mặc dù kính hiển vi này chỉ có thể xem được một số bề mặt và vật liệu, chúng cung cấp một bằng chứng hiển nhiên cho lý thuyết nguyên tử: Chúng ta có thể thực sự thấy hình ảnh của từng nguyên tử. Hình 1103 - Cấu trúc nguyên tử của bề mặt tinh thể Silicon thu được từ kính hiển vi quét đ ường hầm TRANG 18
  19. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Tia vũ trụ Nếu bạn tích điện cho một vật dẫn cô lập – ví dụ như một điện nghiệm trên giá cách điện – nó sẽ không giữ điện tích mãi mãi. Vật dẫn sẽ mất dần điện tích qua không khí, một hiệu ứng đã được chú ý từ năm 1787 bởi Charles Coulomb. Vào đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học nghĩ rằng sự mất điện tích này là do sự ion hoá không khí gây ra bởi các ch ất phóng xạ trong vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, hiệu ứng này vẫn còn ngay cả trên tháp cao hay ở giữa biển khơi. Trong những thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20, nhiều khí cầu đã được thả lên cao để nghiên cứu nguyên nhân tính dẫn diện của không khí (Hình P.1201). Các nhà khoa học đã khám phá rằng độ ion hoá giảm từ mực nước biển đến độ cao 2000m, nhưng đáng ngạc nhiên là lại bắt đầu tăng khi lên cao hơn. Họ kết luận rằng các bức xạ ion hóa đã đến từ vũ trụ và đặt tên là bức xạ vũ trụ, hay tia vũ trụ. Vào cu ối nh ững năm 1920, nhiều thí nghiệm liên tiếp đã xác l ập rằng b ức x ạ bao g ồm các h ạt tích đi ện và tia gamma thực sự có nguồn gốc ngoài Trái Đất. Ngày nay chúng ta tin rằng ngoại tầng không gian ch ứa các h ạt chuy ển động nhanh gọi là tia vũ trụ sơ cấp. Bức x ạ này ch ủ y ếu là proton, v ới m ột lượng ít hơn các hạt nhân nặng. Những hạt này đập vào khí quyển Trái Đ ất v ới tốc độ khoảng một hạt trên 1 cm 2 trong 1 giây, với năng lượng cao đến 1020 eV. Năng lượng cực đại này gần bằng 10 J và là năng l ượng rất l ớn đ ối v ới m ột h ạt cơ bản. Nó lớn gần 107 lần năng lượng proton được gia tốc trong máy gia t ốc. Một quả táo sẽ có năng lượng này nếu rơi từ độ cao khoảng 6m. Nguồn gốc của các tia vũ trụ là khó xác định chắc chắn bởi vì các hạt tích điện bị đổi hướng bởi từ trường trong thiên hà. Nh ững h ạt có năng l ượng c ực lớn đến từ một nguồn gọi là Cygnus X3, một sao notron còn l ại sau m ột v ụ n ổ của một sao siêu mới. Nhiều hạt có năng lượng trung bình đ ược coi là đ ến t ừ v ụ nổ của những sao siêu mới khác, như là vụ nổ đã đề c ập trong bài “ Tycho Brahe và sao siêu mới”. Ngoài các tia sơ cấp đến từ không gian xa thẳm, khí quyển c ủa chúng ta còn bị bắn phá vởi các proton và electron có năng l ượng th ấp h ơn đ ến t ừ M ặt Trời. Được gọi là gió Mặt Trời, những hạt này chuy ển v ề vùng c ực do tác d ụng của từ trường Trái Đất. Trong một số điều kiện các electron năng l ượng cao ion TRANG 19
  20. PHẠM THỊ HỒNG NHUNG hoá khí quyển và làm phát sáng, ụ phát sáng này đ ược g ọi là b ắc c ực quang ở Bắc Cực, và nam cực quang ở Nam Cực (Hình P.1202). Hầu hết các bức xạ vũ trụ sơ cấp năng lượng cao tương tác với các nguyên tử ở thượng tầng khí quyển, tạo ra các tia vũ tr ụ th ứ c ấp, bao g ồm ch ủ yếu hầu hết các hạt cơ bản đã biết. Số các tia vũ trụ thứ cấp đ ến mặt đ ất thay đổi tuỳ theo thời gian, độ cao và vị trí, nh ưng ở m ực n ước bi ển trung bình có khoảng hai tia vũ trụ đi qua 1 cm 2 mỗi phút. Nhiều tia thứ cấp có độ xuyên thâu lớn nên một số thí nghiệm rất nhạy phải được tến hành ở d ưới m ỏ sâu đ ể ngăn được chúng. Thông lượng bức xạ này cũng tác d ụng v ới c ơ th ể b ạn. Các nhà sinh vật học đã ước tính khoảng 2 phần trăm biến dị di truy ền là do s ự bi ến đ ổi trong cấu trúc phân tử của vật liệu di truyền gây ra b ởi tia vũ tr ụ. Bởi vì năng lượng cực lớn của các tia vũ trụ, chúng đ ược dùng nh ư m ột nguồn bắn phá trong thời kỳ đầu của vật lí hạt cơ bản. Tuy nhiên vật lí h ạt c ơ bản hiện nay chủ yếu dùng các hạt từ máy gia t ốc có khả năng gia t ốc các h ạt từ dải GeV đến TeV. Fraunhofer và quang phổ Mặt Trời Mặt Trời cấu tạo từ cái gì? Phải chăng nó có cùng nguyên t ố hoá h ọc nh ư Trái Đất, hay được cấu tạo bằng một loại vật chất riêng? Manh m ối đầu tiên của câu trả lời có được vào năm 1814 từ việc phân tích quang ph ổ m ặt tr ời c ủa Josheph Fraunhofer. Fraunhofer là một ng ười th ợ kính lành ngh ề cũng nh ư là một nhà vật lí. Ông đã tìm ra phương pháp t ạo dáng chính xác các thấu kính và biết cách tạo ra các kính quang học có chất lượng hơn những người đi tr ước. Fraunhofer muốn xác định chiết suất của các lo ại th ủy tinh khác nhau đ ối với các ánh sáng có màu khác nhau, để cho ông có thể chế t ạo nh ững thấu kính tiêu sắc tốt hơn. Trong công việc này ông khám phá ra m ột cặp vạch sáng vàng trong quang phổ của ánh sáng t ừ một ng ọn đèn d ầu. Ông cũng tìm ra nhiều vạch khác tại các vị trí khác trong quang ph ổ c ủa ng ọn l ửa. Nh ững v ạch sáng này luôn luôn xuất hiện tại cùng một ch ỗ trong quang ph ổ, và do đó là có ích để xác định chiết suất. Ngày nay chúng ta biết r ằng nh ững vạch này là do TRANG 20
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2