Bài giảng Điện học - Phần 1: Điện và nguyên tử potx

Bài giảngĐiện học - Phần 1:
Điện vànguyên tử
Chương 1
ĐIỆN VÀ NGUYÊN TỬ
Nơi kết thúc của kính thiên văn là nơi bắt đầu của kính hiển vi. Trong hai tầm
nhìn vĩ mô và vi mô này, cái nào quan trọng hơn ?
Victor Hugo
Cha củaông qua đờikhi mẹ ông đang thai nghén. Cậu con trai bị mẹ hắt hủi
nên ôngbị tống khứ đến mộttrườngnội trú khimẹ ông tái giá. Bảnthân ôngchưa
hề lấy vợ, nhưng ở tuổitrung niên, ôngcóquan hệ gần gũivới một người phụ nữ
trẻ tuổi hơnnhiều, mối quanhệ đó đã chấm dứt khiông độtphát chứngthần kinh.
Sau những thành côngkhoahọc buổi đầu,ôngđã sốngphần lớn quãng đờicòn lại
của mình trong sự thất vọng vì bấtlực khônggiải mã được bí mật của thuật giả kim.
Con người đượcmô tả ở trên chínhlà Isaac Newton,nhưng khôngphải một
Newton hoan hỉ trong các sáchgiáo khoatiểu sử thông thường. Vậy tại sao ta lại
chú ý đến mặtbuồnbã của cuộcđời ông ?Đối với các nhàgiáo dụckhoahọc hiện
đại, nỗi ám ảnh lâudài của Newton với thuật giả kimcó thể xemlà một sự bối rối,
một sự xao lãng khỏi thành tựu chủ yếu của ônglà sánglập nềncơ học hiện đại.
Tuy nhiên, đối với Newton, việc nghiên cứu thuậtgiả kimcủa ông có liên quantự
nhiênvới nghiên cứucủa ông về lực và chuyển động. Gốcrễ của phép phân tích
chuyển động của Newton làtính phổ quát của nó: nó đã thành công trong việcmô
tả thế giới trên trời và dưới đất vớicùng nhữngphương trình đó, trong khi trước
đấy người ta vẫn chorằngmặt trời, mặt trăng, cácsao và hành tinhkhác biệt về cơ
bản sovới những vậtthể thuộc trái đất.Nhưng Newton nhận thấyrằngnếu như
khoa họcmô tả được mọi thế giới tự nhiên theomột cách thốngnhất,thì nó không
đủ khả năng thốngnhấtquy mô con người với quy mô vũ trụ: ông sẽ khônghài
lòng cho đến khi nàoông hợp nhất được vũ trụ vi mô vào trong bức tranh đó.
Chúng takhông gì phải ngạcnhiêntrước thất bạicủa Newton. Mặc dù ông là
một tín đồ chắc chắn về sự tồn tại của các nguyên tử, nhưngkhông hề có thêm
bằngchứng thực nghiệm nào cho sự tồntại của chúng kể từ khinhững ngườiHi
Lạp cổ đại lần đầu tiênthừa nhận chúng trên cơ sở thuần túy triết học.Thuậtgiả

kim làmviệcdốc sức dưới truyền thốngbí mật vàthần bí. Newtonđã chuyển hóa
lĩnh vực“triếthọc tự nhiên” thành cái màchúngta côngnhận làkhoahọc vậtlí
hiện đại,và thật là không công bằng nếu như phê bình ông đã thất bạitrongviệc
biến thuật giả kim thành ngành hóahọc hiện đại. Thời gianlúcđó chưa chín muồi.
Kính hiển vi là một phát minh mới, vànó là một khoahọc mũi nhọn khingười
đươngthời của NewtonlàHooke khám phá những cơ thể sống cấu tạo nên tế bào.
1.1 Cuộc truy tìm lực nguyên tử
Newton không phải là nhà khoa học đầu tiên. Ông là thầy phù thủy cuối cùng.
John Maynard Keynes
Tuy nhiên, sẽ cần phải nắm bắt được chuỗi tư tưởng của Newtonvà xét nơi
nó đưa chúng ta đến với sự thuận lợi của nhận thức khoa học hiện đại. Trong việc
thống nhất quy môcon ngườivà vũ trụ của sự tồn tại, ôngđã hình dunglại cả hai
sân khấu trên đó các diễn viên(câycối và nhà cửa, hànhtinh và các sao) tươngtác
qua lực hút và lựcđẩy. Ông cũng bị thuyết phục rằng đối tượngngự trị thế giới vi
mô là các nguyên tử,cho nên vấn đề còn lại chỉ là xác địnhxem chúng tác dụnglên
nhau bằng loại lực gì.
Sự sáng suốttiếp theo của ông cũng không kém nổibật sovới sự bất lực của
ông mangnóđến đơmhoa kết trái. Ôngnhận thấynhiều lựcở quy mô con người–
như lực ma sát, lực nhớt,những lựcthông thường giữ các vậtchiếm giữ cùng một
khônggian, và vân vân – đềuphải đơngiảnlà biểu hiện của một loại lực cơ bản
hơntác dụng giữa các nguyên tử. Băng dínhvàogiấy vìcác nguyên tử trong băng
hút các nguyên tử trong giấy. Nhàcủa tôi khôngđổ sập xuống tâm của trái đấtvì
các nguyêntử của nó đẩy các nguyên tử bùn đất nằm dưới nó.
Ở đây ông đã bị sa lầy. Thật cám dỗ khi nghĩ rằng lựcnguyên tử là một hình
thức của hấp dẫn, loạilực ôngbiếtlà phổ quát, cơ bản và đơn giản về mặt toán học.
Tuy nhiên, hấp dẫn luôn luônlà lựchút,nên làmsao cóthể sử dụng nó để giải
thích sự tồn tạilực nguyên tử cả đẩy lẫnhút ? Lực hấp dẫn giữa các vật có kích
thướcbìnhthường cũng cựckì nhỏ,đó là lí do tại sao chúngta chưa hề chú ýtới xe
cộ và nhà cửahút chúng ta về mặt hấp dẫn.Thật khó hiểu được làm sao hấp dẫn có
thể gây ra bất cứ thứ gì mãnh liệt như nhịp đập của con timhaysự nổ củathuốc

súng. Newtontiếptục viết lách hàng triệu từ ghi chép thuật giả kimđầy luận cứ về
một số lực khác, có lẽ “lực thần thánh” hay “lực sinh dưỡng” là ví dụ lực được
mang bởi tinhdịch đến trứng.
B
ốn
miếng
băng
được
làm
cho
nhiễm
điện,
1. Tùy
thuộc
vào
loại
kết
hợp
chọn
để
kiểm
tra,
lực
tương
tác có
thể là
lực
hút, 2,
hoặc
lực

đẩy,
3.
Thật maymắn, ngàynay chúng ta có đủ kiến thứcđể nghiên cứu một mối
hoài nghikhác vớitư cách là ứng cử viên cho lựcnguyêntử: đó là lực điện.Lực
điện thường thấy giữa các vật chuẩn bị bằng cáchcọ xát (hay những tươngtác bề
mặtkhác), chẳng hạn như quần áo chàxát lên nhau trongmáy sấy. Một ví dụ hữu
ích đượcchỉ rõ trong hình a/ 1: dánhai miếng bănglên mặt bàn,và sauđó đặt
thêmhai miếng nữa lên trênchúng.Kéo mỗi cặp lên khỏi bàn, vàrồi tách chúng ra.
Hai miếng phía trên sẽ đẩy nhau,a/2, hai miếng dướicũng vậy. Tuynhiên,một
miếng phíadưới sẽ hút mộtmiếng phía trên, a/3. Lực điệnnhư thế này có mộtsố
điểm tươngtự như lực hấp dẫn, loại lựckhác mà chúng tabiết là lực cơ bản:

Lực điện là phổ biến. Mặc dù mộtsố chất, ví dụ như lông thú, cao su, và
chất dẻo, phản ứngvới sự nhiễm điện mạnh hơnnhững chất khác, nhưngmọivật
chất đều thamgia vào lực điện ở một mức độ nào đó. Khôngcó chất nàolà chất
“phi điện”. Vật chất vốn có tínhhấp dẫn lẫntính điện.
 Thí nghiệmcho thấy lực điện, giống như lực hấp dẫn, là lựctỉ lệ nghịch
với bình phương.Nghĩa là,lực điệngiữa hai quả cầu tỉ lệ với 1/r
2
, trongđó r là
khoảng cách tâm-nối-tâm giữa chúng.
Ngoài ra, lực điện còncó ýnghĩa hơn lực hấp dẫn về phương diện là ứngcử
viên cholực cơ bản giữa các nguyên tử, vì chúng ta đã thấy chúng có thể hút nhau
hoặc đẩy nhau.