Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô(4)

Các “gói” năng lượng là gì ?

Planck không hề có một biện minh nào cho ý tưởng then chốt của ông là đã xem năng lượng được phân thành các gói. Ngoài chuyện ý tưởng này đã đưa lại những kết quả mỹ mãn ra, thì cả Planck cũng như bất cứ ai khác đều không thể cho một lý giải có sức thuyết phục là tại sao nó lại đúng như vậy. Như nhà vật lý Goerge Gamow có lần nói, dường như tự nhiên cho người ta uống cả một vại bia hoặc là không có tí bia nào, chứ không có kiểu chung chiêng ở giữa. Năm 1905, Einstein đã đưa ra cách giải thích và vì phát minh đó ông đã được trao giải thưởng Nobel về vật lý năm 1921.

Einstein đã tìm ra cách giải thích này trong quá trình giải quyết một vấn đề có tên là hiệu ứng quang điện. Nhà vật lý người Đức tên là Heinrich Hertz là người đầu tiên phát hiện ra rằng khi chiếu một bức xạ điện từ (chẳng hạn ánh sáng) lên bề mặt một số kim loại nào đó, thì chúng sẽ phát ra các electron. Bản thân chuyện này cũng chẳng có gì là đặc biệt lắm. Một trong những tính chất riêng của các kim loại là chúng có một số electron liên kết lỏng lẻo trong nguyên tử (điều này giải thích tại sao, chúng lại là những vật dẫn điện tốt). Khi ánh sáng đập vào bề mặt kim loại nó sẽ nhường bớt một phần năng lượng, cũng hệt như khi nó chiếu vào bề mặt làn da của bạn và làm cho bạn cảm thấy ấm hơn. Năng lượng được nhường bớt này sẽ làm cho các electron liên kết lỏng lẻo có thể sẽ bị bắn ra ngoài.

Nhưng những đặc điểm lạ lùng của hiệu ứng quang điện trở nên rõ ràng hơn khi người ta nghiên cứu những tính chất tinh tế hơn của các electron được bắn ra. Thoạt tiên, người ta nghĩ rằng cường độ ánh sáng, tức độ chói của nó tăng thì vận tốc của các electron bắn ra cũng sẽ tăng, vì sóng điện từ tới có nhiều năng lượng hơn. Nhưng thực tế lại không phải như vậy. Khi đó, chỉ có số lượng các electron bắn ra là tăng thôi, còn vận tốc của chúng thì vẫn giữ cố định. Mặt khác, thực nghiệm còn cho thấy rằng vận tốc của các electron phát ra sẽ tăng nếu như tần số của ánh sáng chiếu tới tăng và tương tự, vận tốc của các electron sẽ giảm nếu như tần số của ánh sáng giảm. (Đối với sóng điện từ trong vùng phổ thấy được, sự tăng tần số tương ứng với sự thay đổi màu sắc từ đỏ, tới da cam, vàng, lục, lam, chàm và cuối cùng đến tím. Ánh sáng có tần số cao hơn tím là không nhìn thấy được và tương ứng là tia tử ngoại và sau đó là tia X; ánh sáng có tần số thấp hơn đỏ cũng không nhìn thấy được và tương ứng với tia hồng ngoại. Thực tế, khi giảm tần số của ánh sáng chiếu tới, thì đến một lúc nào đó, vận tốc của các electron phát ra sẽ giảm tới không và chúng sẽ không được bắn ra, bất chấp cường độ ánh sáng có mạnh đến đâu đi nữa. Do một nguyên nhân nào đó còn chưa biết, màu của chùm sáng tới, chứ không phải năng lượng toàn phần của nó, điều khiển việc có cho các electron bắn ra hay không và nếu chúng được bắn ra thì điều khiển cả năng lượng của chúng nữa.

Để hiểu Einstein đã giải thích những sự kiện bí ẩn nêu ở trên như thế nào, ta hãy quay trở lại cái nhà kho, mà bây giờ đã đàng hoàng được sưởi tới 80 độ F (tức gần 27 độ C). Hãy hình dung, lão chủ vốn là người ghét trẻ con, nên lão yêu cầu tất cả những ai dưới 15 tuổi đều phải ở tầng hầm của nhà kho, mà người lớn có thể quan sát được từ một ban công lớn bao quanh. Hơn thế nữa, cách duy nhất để bọn trẻ được ra khỏi tầng hầm của nhà kho là phải trả một lệ phí là 85 xu cho người gác cửa. (Lão chủ này đúng là một con quỷ tham lam). Còn người lớn, những người đã theo lời khuyên của ban tổ chức để mỗi người giữ tiền theo từng loại mệnh giá như đã mô tả ở trên, có thể cho tiền bọn trẻ con bằng một cách duy nhất là ném xuống từ ban công. Giờ chúng ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra.

Người giữ những đồng xu 1/100 đôla bắt đầu ném xuống một số đồng, nhưng tổng số tiền còn quá còm cõi chưa đủ để nộp lệ phí cho một đứa trẻ ra ngoài. Vì có cả một biển gần như là “vô hạn” bọn trẻ tranh giành quyết liệt để nhặt những đồng xu ném xuống, nên cho dù người giữ những đồng xu này có ném xuống khá nhiều đi nữa thì cũng không có đứa nào hội đủ 85 xu cần thiết để trả cho người gác. Điều này cũng đúng đối với những người giữ các đồng xu 1/20 và 1/4 đôla. Mặc dù mỗi người lớn có thể ném xuống khá nhiều đồng xu mà mình giữ, nhưng một đứa trẻ nhặt được thậm chí một đồng thôi cũng là may mắn rồi (còn thì phần lớn chẳng nhặt được gì) và chắc chắn không có đứa trẻ nào nhặt được đủ 85 xu cần thiết để đi ra khỏi tầng hầm. Nhưng sau đó, khi người giữ những tờ giấy bạc mệnh giá từ 1 đôla ném xuống, thậm chí với tổng số tiền khá nhỏ, chẳng hạn như ném từng tờ một xuống, thì những đứa trẻ may mắn nhặt được một tờ thôi là đã có thể ngay lập tức được đi ra ngoài. Cũng cần lưu ý rằng, mặc dù ngay cả khi người lớn đó thả cả một bọc tiền gồm những tờ 1 đôla xuống ngay một lúc thì số đứa trẻ được rời tầng hầm tăng lên rất lớn, nhưng mỗi đứa cũng chỉ còn lại đúng 15 xu sau khi đã trả phí cho người gác cổng. Điều này là đúng bất chấp tổng số các tờ đôla ném xuống là bao nhiêu.

Bạn có thể hỏi những điều nói trên thì có liên quan gì tới hiệu ứng quang điện? Dựa trên những dữ liệu thực nghiệm đã nói tới ở trên, Einstein đã đề nghị sáp nhập quan niệm của Planck về các gói năng lượng của sóng vào sự mô tả mới về ánh sáng. Một chùm sáng, theo Einstein, cần thực sự được xem như là một dòng các gói nhỏ - những hạt nhỏ bé của ánh sáng - mà sau này được nhà hóa học Gilbert Lewis gọi là các photon (một khái niệm mà chúng ta đã sử dụng trong ví dụ về đồng hồ ánh sáng ở Chương 2). Để có một ý niệm thang về độ lớn, theo quan niệm hạt nói trên về ánh sáng, xin nêu một ví dụ: một bóng đèn 100W bình thường phát ra một trăm tỷ tỷ (1020 ) photon trong 1 giây. Einstein đã dùng quan niệm này để đưa ra cơ chế vi mô của hiệu ứng quang điện. Theo ông, một electron được bắn ra khỏi bề mặt kim loại, nếu như nó va chạm với một photon có năng lượng đủ cao, nhưng cái gì xác định năng lượng của một photon riêng rẽ? Để giải thích các số liệu thực nghiệm, Einstein đi theo con đường mà Planck đã vạch ra và ông cho rằng năng lượng của mỗi photon tỷ lệ với tần số của sóng ánh sáng (với hệ số tỷ lệ đúng bằng hằng số Planck).

Bây giờ, giống như phí tối thiểu để được đi ra khỏi cổng của bọn trẻ con trong khu nhà kho mà ta mô tả ở trên, để được bắn ra khỏi bề mặt, các electron trong kim loại cũng cần phải va chạm với một photon có một năng lượng tối thiểu nhất định. (Cũng như với bọn trẻ con tranh giành nhau quyết liệt để nhặt tiền, một electron cực kỳ ít có khả năng va chạm nào). Nhưng nếu tần số của chùm sáng chiếu tới là quá thấp, thì các photon riêng rẽ của nó không đủ năng lượng cần thiết để làm bắn electron ra ngoài. Cũng hệt như chẳng có đứa trẻ nào có thể được đi ra ngoài, bất chấp người lớn tung xuống một số lượng các đồng xu bằng bao nhiêu, ở đây cũng không có một electron nào được bắn ra ngoài, bất chấp năng lượng toàn phần chứa trong chùm sáng chiếu tới lớn đến mức nào, nếu như tần số (và do đó năng lượng của từng photon riêng rẽ) của nó là quá thấp.

Nhưng cũng giống như bọn trẻ có thể rời nhà kho ngay khi mệnh giá của tiền ném xuống là đủ lớn, các electron cũng được bắn ra khỏi bề mặt ngay khi năng lượng của ánh sáng chiếu tới, tức mệnh giá năng lượng của nó, là đủ cao. Hơn thế nữa, tương tự như người giữ những tờ 1 đôla tăng tổng lượng tiền cho bọn trẻ con bằng cách tăng số lượng những tờ 1 đôla được ném xuống, cường độ toàn phần của chùm sáng tới có tần số cho trước cũng được tăng bằng cách tăng số lượng các photon mà nó chứa. Và cũng như càng có nhiều tờ 1 đôla thả xuống thì càng có nhiều đứa trẻ được đi ra ngoài, ở đây càng có nhiều photon tới thì càng có nhiều electron bị va chạm và bị bắn ra ngoài bề mặt kim loại. Nhưng cũng cần lưu ý rằng, lượng năng lượng còn lại của mỗi electron đó sau khi ra ngoài kim loại chỉ phụ thuộc vào năng lượng photon mà nó va chạm, mà năng lượng này lại được xác định bởi tần số của chùm sáng tới, chứ không phải bởi cường độ của chùm sáng. Tương tự như bọn trẻ con rời tầng hầm với số tiền còn lại là 15 xu mỗi đứa, bất kể đã có bao nhiêu tờ 1 đôla được thả xuống, mỗi một electron ở đây rời bề mặt của kim loại với cùng một năng lượng, và do đó có cùng một vận tốc, bất kể cường độ toàn phần của chùm sáng chiếu tới bằng bao nhiêu. Lượng tiền thả xuống càng lớn, có nghĩa là có nhiều đứa trẻ được đi ra ngoài, tương tự như vậy, năng lượng toàn phần của chùm sáng tới càng lớn đơn giản có nghĩa là càng có nhiều electron bắn ra ngoài bề mặt kim loại. Nếu chúng ta muốn bọn trẻ đi ra ngoài tầng hầm với số tiền còn lại lớn hơn, chúng ta cần phải tăng mệnh giá của các tờ giấy bạc được thả xuống, tương tự như vậy, nếu chúng ta muốn các electron rời bề mặt kim loại với vận tốc lớn hơn, chúng ta cần phải tăng tần số của chùm sáng chiếu tới, tức là tăng mệnh giá năng lượng của các photon chiếu tới bề mặt kim loại.

Điều này hoàn toàn phù hợp với những dữ liệu thực nghiệm. Tần số của ánh sáng (tức màu sắc của nó) quyết định vận tốc của các electron bị bắn ra; còn cường độ toàn phần của chùm sáng quyết định số lượng các electron đó. Và như vậy, Einstein đã chứng tỏ được rằng ý tưởng của Planck về năng lượng được phân thành các bó thực sự phản ánh một đặc điểm cơ bản của các sóng điện từ: chúng được tạo thành từ các hạt photon hay còn gọi là các lượng tử ánh sáng. Sở dĩ năng lượng chứa trong các sóng được phân thành các bó chẳng qua là vì các sóng đó được tạo thành từ các lượng tử.

Phát minh của Einstein thể hiện một sự tiến bộ rất to lớn. Nhưng, như chúng ta sẽ thấy dưới đây, mọi chuyện còn chưa hoàn toàn suôn sẻ như ta tưởng.