Bài giảng Điện học (Phần 5)

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 5) Bài giảng Điện học (Phần 5) 1.5 Electron Tia catôt Các nhà vật lí thế kỉ thứ 19 đã mất rất nhiều thời gian cố gắng đi tới nhữngphương pháp lộn xộn, ngẫu nhiên nhằm nghiên cứu điện học. Những thí nghiệmtốt nhất thuộc loại này là những thí nghiệm tạo ra những tia lửa điện khổng lồ haynhững màu sắc rực rỡ. Một thủ thuật mang tính dịch vụ như thế là tia catôt. Để tạo ra nó, trước tiênbạn 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 loạitrong nó, gọi là các điện cực, chúng được nối với bên ngoài thông qua dây kim loạixuyên qua thủy tinh. Trước khi để anh thợ hàn kín toàn bộ ống, bạn sẽ mắc vào nómột cái bơm chân không, và mất vài giờ bực dọc với cái tay bơm để tạo ra chânkhông tốt bên trong. Sau đó, khi lúc bạn vẫn còn đang bơm trên ống, người thợthổi thủy tinh sẽ làm tan chảy thủy tinh và hàn kín toàn bộ lại. Cuối cùng, bạn đặtmột lượng lớn điện tích dương lên một dây dẫn và một lượng lớn điện tích âm lêndây dẫn kia. Kim loại có tính chất là cho điện tích chuyển động dễ dàng trongchúng nên điện tích gởi lên một dây sẽ nhanh chóng tràn ra do từng phần của nóđẩy nhau ra xa. Quá trình dàn trải này làm cho hầu như toàn bộ điện tích đi tớiđích ở các điện cực, ở đó có nhiều khoảng trống để dàn trải ra hơn so với trong dâydẫn. Vì những lí do lịch sử không rõ lắm, điện cực âm được gọi là catôt và điện cựcdương được gọi là anôt. Hình i cho thấy dòng phát sáng quan sát được. Nếu, như biểu diễn trong hìnhnày, một lỗ trống được tạo ra trong anôt, thì chùm tia sẽ kéo dài qua lỗ trống chotới khi nó chạm phải thủy tinh. Tuy nhiên, khoan một lỗ trên catôt sẽ không gây rabất kì chùm tia nào đi ra ở phía bên trái cả, và điều này cho thấy đối tượng, cho dùnó là cái gì đi nữa, có nguồn gốc từ catôt. Vì vậy, những tia này được đặt tên là “tiacatôt” (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 quantâm xem chúng là cái gì, nhưng khi tầm quan trọng khoa học của chúng ngày càngtrở nên thấy rõ, thì vấn đề ánh sáng hay vật chất trở thành một cuộc tranh luậnxuyên biên giới quốc gia, với người Đức thì tán thành chúng là ánh sáng, còn ngườiAnh thì giữ quan điểm xem chúng là vật chất. Những người ủng hộ cách giải thíchvật 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 vậtchất không thể truyền xuyên qua nhau. Thí nghiệm cho thấy tia catôt có khả năngđâm xuyên ít nhất là qua một số chiều dày vật chất nhỏ, ví dụ một lá kim loại dàymột 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 làmột hiện tượng sóng, và một tính chất đặc trưng của sóng được chứng minh bằngcách nói vào một đầu của một ống cuộn bằng giấy báo. Sóng âm không đi ra khỏiđầu kia của ống dưới dạng một chùm hội tụ. Thay vì vậy, chúng bắt đầu trải rộng ratheo mọi hướng ngay khi chúng ra khỏi ống. Điều này cho thấy sóng nhất thiếtkhông phải truyền theo đường thẳng. Nếu đặt một lá kim loại hình ngôi sao hoặchình chữ thập trên đường đi của tia catôt, thì sẽ xuất hiện “bóng” có hình tương tựtrên thủy tinh, cho thấy tia catôt truyền theo đường thẳng. Chuyển động theođường 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 làphải xác định xem tia catôt có khối lượng và trọng lượng hay không. Khó khăn là ởchỗ không thể thu tia catôt vào một cái tách rồi đưa lên bàn cân. Khi ống tia catôthoạt động, người ta không thấy bất cứ sự mất mát vật chất nào từ catôt, hay bất kìlớp vỏ nào lắng trên anôt. Không ai có thể nghĩ ra cách nào tối ưu để cân tia catôt, nên cách hiển nhiênnhất tiếp theo giải quyết cuộc tranh cãi ánh sáng/vật chất là kiểm tra xem tia catôtcó điện tích hay không. Ánh sáng được biết là không tích điện. Nếu tia catôt mangđiện tích thì chúng dứt khoát là vật chất và không phải là ánh sáng, và chúng có thểđược làm cho nhảy qua kẽ hở bằng lực đẩy đồng thời của điện tích âm ở catôt vàlực hút của điện tích dương ở anôt. Tia catôt sẽ đi vượt quá anôt vì xung lượng củachúng. (Mặc dù những hạt mang điện thông thường không nhảy qua được một khechân không, nhưng có một lượng rất lớn điện tích được sử dụng, nên lực tác dụngmạnh một cách khác thường). Thí nghiệm của Thomson Nhà vật lí J.J Thomson ở Cambridge đã thực hiện một loạt thí nghiệm rõ ràngvề tia catôt trong khoảng năm 1897. Bằng việc điều khiển chúng một cách nhẹnhàng tất nhiên bằng lực điện, k, ông chỉ ra rằ ...