Bài giảng Điện học (Phần 4) docx

Bài giảng Điện học
(Phần 4)
1.4 Lượng tử hóa điện tích
Chứngtỏ nguyên tử thật sự tồn tạilà một mụctiêu lớnđã đạt, nhưng việc
chứng minhsự tồn tại của chúngkhônggiống với việc tìmhiểu những tính chất
của chúng.Lưu ýcác quansát Brown-Einsteinrốt cuộcchẳng cóliên quan gì tới
điện học cả, và cho tới đây chúng ta biết rằngvật chất vốn dĩ có tính chất điện, và
chúng ta đã thànhcông trong việc giải thích những tínhchất điện nhất định dưới
hình thức các hạtmang điện dương và âm linh động. Nhữnghạt này có phải là
nguyêntử không ? Haychúng là những bộ phận của nguyên tử ? Các hạtđó có
hoàn toàn tách khỏi nguyên tử ? Có lẽ thật là quá sớm nếu như cố gắng trả lời
những câu hỏi này mà không có bằng chứngthuyết phục ủng hộ mô hình hạt tích
điện củađiện học.
Bằng chứng ủng hộ mạnhmẽ cho mô hìnhhạt tích điện đến từ một thí
nghiệmtrongnăm 1911do nhà vật lí Robert Millikanthựchiện ở trường đại học
Chicago.Hãy xétmột dònggiọt nướchoa hoặc chất lỏng khác chothổi qua một lỗ
đinh ghimnhỏ xíu. Các giọt đi ratừ lỗ phải nhỏ hơn lỗ và thực tế thì chúng cònvi
mô hơnnữa, vì dòng xoáy của không khí có xu hướng làm tảnloạnchúng ra.
Millikanlập luận rằng những giọt đó cần một chútđiện tích khi chúngcọ xát lên
thành lỗ màchúng đi qua,và nếu mô hìnhhạt tích điện của điện họclà đúngđắn,
thì điện tích cóthể tách vỡ trong số quá nhiềugiọt chất lỏng nhỏ xíu nênmột giọt
có thể có lượngđiện tích toàn phần thừathải của một vài hạt tích điện – có lẽ là sự
thừathải của một hạttích điệndươngtrên một giọt nhấtđịnh, hoặc sự thừa thải
hai điện tích âmtrên giọtkhác.
Thiết bị khéo léocủa Millikan,g, gồm haibản kimloại, chúng có khả năng
tích điện khi cầnthiết.Ông phun một đámgiọt dầu vào khônggian giữa hai bản, và
chọn một giọt qua kính hiển vi để nghiên cứu. Ban đầu,khi không cóđiện tích trên
các bản, ông xácđịnh khối lượng của giọt bằngcách cho nó rơi trong không khívà
đo vận tốc giớihạn của nó, tức là vận tốc ở đó lực ma sátcủa khôngkhí triệt tiêu
lực hấpdẫn. Lực kéo theocủa không khí tác dụnglên một quả cầu chuyểnđộng
chậmđã đượctìm ra bằng thựcnghiệm là bvr

2
, trong đó b là mộthằng số. Đặt lực
toànphần bằngkhông khi giọt chất lỏng rơi ở vận tốc giớihạn cho ta
bvr
2
– mg = 0
và đặt tỉ trọng đã biết của dầu bằng với khối lượng của giọt chất lỏng chia
cho thể tích củanó chota phương trìnhthứ hai
Mọithứ trong những phương trìnhnày có thể đo trực tiếp, ngoại trừ m vàr,
nên đây là hai phươngtrình hai ẩn,ngườita có thể giải chúng để biết giọtchất lỏng
lớn cỡ nào.
Sau đó, Millikantích điện cho các bản kim loại, điềuchỉnh lượng điện tích
trung hòachính xác với lực hấp dẫn và đẩy giọt chất lỏngnằm lơ lửng. Chẳnghạn,
nếu giọtchấtlỏng đượclàmcho có điện tích toàn phần là âm, thì điện tích dương
đặt trên bản trênsẽ hút nó, kéo nó lên, và điện tích âmnằm trên bảndưới sẽ đẩy
nó, nângnó lên.(Về mặt lí thuyết chỉ cần một bản thôi,nhưng trên thựctế sự sắp
xếp haibản như thế này cholực điệncó độ lớn đềuhơn trong toàn vùngkhông
gian giọt chấtlỏng rơi) Lượng điện tích trênhai bản cần thiết cho giọt dầu lơ lửng
cho Millikan mộtcơ sở xác địnhlượng điện tích giọtchấtlỏng mang. Điệntích giọt
chất lỏng mang càng lớn,thì lực điện tácdụng lên nó sẽ càng mạnh,và thủ thuật là
phải đặt điện tích trên các bản nhỏ thôi. Thật không may, việc biểu diễn mối quan
hệ này bằng địnhluật Coulomb sẽ không thựctế, vì nó cần sự hiểubiết trọn vẹn về
việc điện tích phân bố như thế nàotrên mỗibản, cùng với khả năngthực hiện phép
cộng vectơ của tất cả các lựctác dụng lên giọtchất lỏngbởi tất cả các điệntích trên
bản. Thay vì vậy, Millikansử dụng một cơ sở thực tế là lực điện màmột điện tích
điểm chịu tại mộtđiểm trong không gian tỉ lệ với điện tíchcủa nó
F/q = const
Với lượngđiện tích cho trước trêncác bản, hằng số này cóthể được xác định
chẳng hạn bằng cách vứtbỏ giọt dầu đi, xengiữa hai bản một vật lớn hơn vàdễ
cầm nắm hơncó một điện tích đã biết trênnó, vàđo lựcvới phương phápthông

thường.(Thậtra,Millikan sử dụngmột bộ kĩ thuật hơi khácđể xác địnhhằngsố đó,
nhưng ýtưởng cũng tương tự) Độ lớn của lực tácdụng lên giọt dầuthực tế phải
bằngmg, vì lựcchỉ vừa đủ để nâng bổng nó lên, và mộtkhi hằng số địnhcỡ đã
được xác định,thì điện tích của giọt chất lỏng khiđó có thể tìm ra được dựa trên
khối lượng đã xác định trước đó của nó.
Bảng h cho một vài kết quả từ bài báo năm 1911 của Millikan.(Millikan xử lí
dữ liệu trên cả những giọttích điệnâm vàdương, nhưng trongbài báo củaông,
ông chỉ mang raví dụ dữ liệu về nhữnggiọt tíchđiện âm,nênở đâytoàn là số âm)
Chỉ cần liếc qua số liệu trên cũng thấy ngayrằng điện tích không đơngiản là một
loạt số ngẫunhiên. Chẳng hạn, điện tích thứ haihầu như chính xác bằng phânnửa
điện tíchthứ nhất. Millikan giải thích điện tích quansát đượcđềulà bội số nguyên
của một con số đơn giản,1,64x 10
-19
C. Trong cột thứ hai, lấy điện tích chia cho
hằng số này được kết quả về cơ bản là số nguyên, chophép sailệch ngẫu nhiêncó
mặttrong thí nghiệm. Millikan phát biểutrong bài báo củaông rằngnhữngkết quả
này là
… bằng chứng trực tiếp và xác thực… của sự đúng đắn của quan điểm đã được
cải tiến trong nhiều năm qua và được củng cố bởi bằng chứng từ nhiều nguồn cho
thấy mọi điện tích, là những bội số chính xác của một điện tích cơ bản, hữu hạn, hay
nói cách khác, một điện tích rải đều trên bề mặt tích điện có một cấu trúc dạng hạt
hữu hạn, trên thực tế, gồm những hạt nhỏ, hay những nguyên tử điện, tất cả đều
giống hệt nhau, rắc trên bề mặt của vật mang điện.
Nói cách khác,ông đã cung cấp bằng chứngtrực tiếp cho mô hình hạttích
điện củađiện họcvàbác bỏ nhữngmô hình trong đó mô tả điện là một số loại chất
lỏng. Điện tích cơ bản được kí hiệu làe, và giá trị hiện nay là 1,60x 10
-19
C. Từ
“lượng tử hóa” được sử dụng trong vật lí để mô tả một đại lượngchỉ có thể có
những giá trị số nhất định, và không thể có bấtkì giá trị nào nằm giữa những giá trị

đó. Theocách hiểu này, chúng ta nói rằng Millikan đã pháthiện điện tích bị lượng
tử hóa. Điện tích e thườngđượcgọi là lượng tử điện tích.
¤ Tiền tệ có bị lượng tử hóa ? Lượng tử của tiền tệ là gì ?
Ghi chép lịch sử về trò gian lận của Millikan
Rất ít sách giáokhoa vật lí phổ thông đề cập đến thực tế rõ ràngrằng mặc dù
những kết luậncủa Millikanlà đúng đắn, nhưngông là một kẻ gian lận khoahọc. Kĩ
thuật của ôngkhó và đòi hỏi phải thật cẩn thận khi thực hiện, vàsổ sách ghi chép
nguyênbảncủa ông, đến nayvẫn còn giữ được, chothấysố liệu kémhoànhảo hơn
nhiều so với như ông khẳng địnhtrong nhữngbàibáokhoa họcđã côngbố củaông.
Trongnhững ấn phẩmnày, ôngphát biểu thẳng thừng rằng mỗi giọt dầu quan sát
có điện tích là mộtbội số của e, với khôngcó ngoại lệ và sai sót nào.Nhưng sổ ghi
chépcủa ông có thừa những ghichú đại loại như “số liệu đẹp, giữ” và “tệ quá, bỏ
đi”. Sauđó, Millikan đã giành giải thưởng Nobelvật lí chosự mô tả không trung
thực về số liệu của ông.
Tại sao các tác giả sách giáo khoaquên khôngnói tới trò gian lận của
Millikan? Hình như họ nghĩ rằng học sinh, sinhviên còn quá ngây thơ để đánh giá
chínhxác ngụ ý của thực tế rằngđôi khivẫn tồn tại những trò giantrákhoa học và
thậmchí còn được trao giải thưởngcủa nhữngtổ chức khoahọc.Có lẽ họ e ngại
sinh viên sẽ làm qua loa số liệu giantrá choxong, vì Millikanđoạt giải Nobelcũng
bằngcách đó mà. Nhưng xuyêntạc lịch sử khônghơn gì là mỉa mai. Chẳngphải các
thầygiáo người Anh đã cải biên bi bịchcủaSheakspearesao cho nhânvật xấu luôn
luôn bị đối xử thậm tệ, còn nhânvật tốt thì chưa bao giờ bị đối xử như thế đó hay
sao !
Một lời giải thích khả dĩ khác đơngiản làthiếu căncứ; cókhả năng là một số
giáo trìnhcó tiếng khôngmuốn phê phántrò bịpcủa Millikan vànhững tác giả sau
đó cũng xử sự như thế. Nhà sinhvật học StephenJayGould đã viết mộtbài tiểu
luận vạch ra một ví dụ chỉ rõ cáctác giả sách giáo khoasinh học có xu hướngđi
theo cách xử lí truyền thống của một chủ đề, sử dụng cái cổ của con hươu caocổ để
bàn về tính không kế thừa củanhững đặc điểm cần thiết.Lúc ấy, một lời giải thích
khác là các nhàkhoa họccó được địa vị từ hìnhảnh trước công chúngcủa họ là

những người tìm kiếm sự thật một cách vô tư, và họ không muốn côngchúng nhận
ra bản chất con người vàkhônghoàn hảo của họ.(ChínhMillikanlà một nhà cải
cách giáo dục, và ông đã viết mộtloạt sách giáo khoacó chất lượng cao hơnnhiều
so với trước thời kì của ông).
Ghi chú thêm vào tháng 9/2002
Vài năm sau khi tôiviết câu chuyện lịch sử ngoài lề này, tôi đã bắt gặp một
sự bênh vựclí thú cho Millikan từ phía DavidGoodstein(American Scientist,Jan-
Feb 2001, trang 54-60). Goodsteinbiện hộ rằng mặcdù Millikanđã viết mộtcâu
dối trátrongbài báo của ông,nhưng Millikan không đáng trách là kẻ lừa dối khi
ông đưa câu đó vào trong ngữ cảnh. Millikanphát biểu rằng ông chưabao giờ vứt
đi bấtkì số liệunào,vàôngthật sự đã vứt bỏ số liệu,nhưng ôngcólí dochínhđáng,
khách quan choviệc loại bỏ số liệu đó. Vấn đề Millikancó thể vẫn gây tranh cãi
trong số các nhà sử học, nhưng ở đây tôi sẽ rút ra hai bài học:
o Tìnhtiết đó có thể làm giảm sự tín cẩn của chúngta vào Millikan,nhưng
nó làm tăng thêm niềm tin của chúng ta vàokhoa học. Kết quả đúng đắn cuốicùng
sẽ được công nhận, chứ không thể như trong lĩnhvực giả khoahọc giốngnhư y học.
o Trongkhoa học, sự tùy tiện cũngtồi tệ như trò lừa bịpcờ gian bạc lận.
Nếu khoahọc biết đôi điều về sự thật tuyệt đối,thì nó sẽ không cần lí dogì để giải
thích cả.