Bài giảng Điện học (Phần 4)

1.4 Lượng tử hóa điện tích Chứng tỏ nguyên tử thật sự tồn tại là một mục tiêu lớn đã đạt, nhưng việc chứng minh sự tồn tại của chúng không giống với việc tìm hiểu những tính chất của chúng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 4) Bài giảng Điện học (Phần 4) 1.4 Lượng tử hóa điện tích Chứng tỏ nguyên tử thật sự tồn tại là một mục tiêu lớn đã đạt, nhưng việcchứng minh sự tồn tại của chúng không giống với việc tìm hiểu những tính chấtcủa chúng. Lưu ý các quan sát Brown-Einstein rốt cuộc chẳng có liên quan gì tớiđiện học cả, và cho tới đây chúng ta biết rằng vật chất vốn dĩ có tính chất điện, vàchúng ta đã thành công trong việc giải thích những tính chất điện nhất định dướihình thức các hạt mang điện dương và âm linh động. Những hạt này có phải lànguyên tử không ? Hay chúng là những bộ phận của nguyên tử ? Các hạt đó cóhoàn toàn tách khỏi nguyên tử ? Có lẽ thật là quá sớm nếu như cố gắng trả lờinhững câu hỏi này mà không có bằng chứng thuyết phục ủng hộ mô hình hạt tíchđiện của điện học. Bằng chứng ủng hộ mạnh mẽ cho mô hình hạt tích điện đến từ một thínghiệm trong năm 1911 do nhà vật lí Robert Millikan thực hiện ở trường đại họcChicago. Hãy xét một dòng giọt nước hoa hoặc chất lỏng khác cho thổi qua một lỗđinh ghim nhỏ xíu. Các giọt đi ra từ lỗ phải nhỏ hơn lỗ và thực tế thì chúng còn vimô hơn nữa, vì dòng xoáy của không khí có xu hướng làm tản loạn chúng ra.Millikan lập luận rằng những giọt đó cần một chút điện tích khi chúng cọ xát lênthành lỗ mà chúng đi qua, và nếu mô hình hạt tích điện của điện học là đúng đắn,thì điện tích có thể tách vỡ trong số quá nhiều giọt chất lỏng nhỏ xíu nên một giọtcó thể có lượng điện tích toàn phần thừa thải của một vài hạt tích điện – có lẽ là sựthừa thải của một hạt tích điện dương trên một giọt nhất định, hoặc sự thừa thảihai điện tích âm trên giọt khác. Thiết bị khéo léo của Millikan, g, gồm hai bản kim loại, chúng có khả năngtích điện khi cần thiết. Ông phun một đám giọt dầu vào không gian giữa hai bản, vàchọn một giọt qua kính hiển vi để nghiên cứu. Ban đầu, khi không có điện tích trêncác bản, ông xác định khối lượng của giọt bằng cách cho nó rơi trong không khí vàđo vận tốc giới hạn của nó, tức là vận tốc ở đó lực ma sát của không khí triệt tiêulực hấp dẫn. Lực kéo theo của không khí tác dụng lên một quả cầu chuyển độngchậm đã được tìm ra bằng thực nghiệm là bvr2, trong đó b là một hằng số. Đặt lựctoàn phần bằng không khi giọt chất lỏng rơi ở vận tốc giới hạn cho ta bvr2 – mg = 0 và đặt tỉ trọng đã biết của dầu bằng với khối lượng của giọt chất lỏng chiacho thể tích của nó cho ta phương trình thứ hai Mọi thứ trong những phương trình này có thể đo trực tiếp, ngoại trừ m và r,nên đây là hai phương trình hai ẩn, người ta có thể giải chúng để biết giọt chất lỏnglớn cỡ nào. Sau đó, Millikan tích điện cho các bản kim loại, điều chỉnh lượng điện tíchtrung hòa chính xác với lực hấp dẫn và đẩy giọt chất lỏng nằm lơ lửng. Chẳng hạn,nếu giọt chất lỏng được làm cho có điện tích toàn phần là âm, thì điện tích dươngđặt trên bản trên sẽ hút nó, kéo nó lên, và điện tích âm nằm trên bản dưới sẽ đẩynó, nâng nó lên. (Về mặt lí thuyết chỉ cần một bản thôi, nhưng trên thực tế sự sắpxếp hai bản như thế này cho lực điện có độ lớn đều hơn trong toàn vùng khônggian giọt chất lỏng rơi) Lượng điện tích trên hai bản cần thiết cho giọt dầu lơ lửngcho Millikan một cơ sở xác định lượng điện tích giọt chất lỏng mang. Điện tích giọtchất lỏng mang càng lớn, thì lực điện tác dụng lên nó sẽ càng mạnh, và thủ thuật làphải đặt điện tích trên các bản nhỏ thôi. Thật không may, việc biểu diễn mối quanhệ này bằng định luật Coulomb sẽ không thực tế, vì nó cần sự hiểu biết trọn vẹn vềviệc điện tích phân bố như thế nào trên mỗi bản, cùng với khả năng thực hiện phépcộng vectơ của tất cả các lực tác dụng lên giọt chất lỏng bởi tất cả các điện tích trênbản. Thay vì vậy, Millikan sử dụng một cơ sở thực tế là lực điện mà một điện tíchđiểm chịu tại một điểm trong không gian tỉ lệ với điện tích của nó F/q = const Với lượng điện tích cho trước trên các bản, hằng số này có thể được xác địnhchẳng hạn bằng cách vứt bỏ giọt dầu đi, xen giữa hai bản một vật lớn hơn và dễcầm nắm hơn có một điện tích đã biết trên nó, và đo lực với phương pháp thôngthường. (Thật ra, Millikan sử dụng một bộ kĩ thuật hơi khác để xác định hằng số đó,nhưng ý tưởng cũng tương tự) Độ lớn của lực tác dụng lên giọt dầu thực tế phảibằng mg, vì lực chỉ vừa đủ để nâng bổng nó lên, và một khi hằng số định cỡ đãđược xác định, thì điện tích của giọt chất lỏng khi đó có thể tìm ra được dựa trênkhối lượng đã xác định trước đó của nó. Bảng h cho một vài kết quả từ bài báo năm 1911 của Millikan. (Millikan xử lídữ liệu trên cả những giọt tích điện âm và dương, nhưng trong bài báo của ông,ông chỉ mang ra ví dụ dữ liệu về những giọt tích điện âm, nên ở đây toàn là số âm)Chỉ cần liếc qua số liệu trên cũng thấy ngay rằng điện tích không đơn giản là mộtloạt số ngẫu nhiên. Chẳng hạn, điện ...