Bài giảng Điện học (Phần 5) pptx

Bài giảng Điện học
(Phần 5)
1.5 Electron
Tia catôt
Các nhà vật lí thế kỉ thứ 19đã mất rất nhiều thời gian cố gắngđi tới những
phươngpháplộn xộn, ngẫu nhiên nhằmnghiên cứu điệnhọc. Những thí nghiệm
tốt nhất thuộcloại này lànhững thí nghiệm tạora những tia lửa điện khổng lồ hay
những màu sắc rực rỡ.
Một thủ thuật mang tínhdịch vụ như thế là tia catôt.Để tạo ra nó,trước tiên
bạnphải thuêmột người thợ thổi thủy tinh giỏivà tìm mộtcáibơmchânkhôngtốt.
Thợ thổi thủy tinh sẽ chế tạo ra mộtcái ống rỗngruột và gắnhai miếngkim loại
trong nó, gọi là các điệncực, chúngđượcnối với bên ngoài thôngqua dây kimloại
xuyênqua thủytinh. Trước khi để anh thợ hàn kín toànbộ ống,bạn sẽ mắc vào nó
một cái bơm chân không, và mấtvài giờ bực dọc vớicái tay bơm để tạo rachân
khôngtốt bên trong. Sau đó, khilúc bạn vẫn còn đang bơmtrên ống,người thợ
thổi thủy tinh sẽ làm tan chảy thủytinh và hàn kín toàn bộ lại. Cuối cùng, bạnđặt
một lượnglớnđiện tích dươnglên một dây dẫnvà một lượng lớn điện tích âm lên
dây dẫn kia. Kimloại có tính chất là cho điện tích chuyển động dễ dàngtrong
chúng nên điện tích gởi lên một dâysẽ nhanh chóng tràn ra dotừngphần của nó
đẩy nhaura xa. Quá trìnhdàn trải nàylàm cho hầu như toàn bộ điện tích đitới
đíchở các điện cực, ở đó có nhiều khoảng trống để dàn trải ra hơnsovới trong dây
dẫn. Vì những lí do lịch sử không rõ lắm, điện cực âm được gọi là catôtvàđiện cực
dươngđược gọi là anôt.
Hình i cho thấy dòngphát sáng quansát được. Nếu, như biểu diễn trong hình
này, một lỗ trống được tạo ra trong anôt, thì chùm tia sẽ kéo dài qualỗ trốngcho
tới khi nó chạmphải thủy tinh. Tuynhiên, khoan một lỗ trên catôt sẽ không gây ra
bất kì chùm tia nào đi ra ở phía bêntrái cả, và điều này cho thấy đối tượng, cho dù
nó là cái gì đi nữa, có nguồngốc từ catôt. Vìvậy, nhữngtia nàyđượcđặt tên là “tia
catôt” (Thuậtngữ đó vẫn đượcdùngcho đếnngày nay dưới cái tên “ốngtia catôt”
hoặc “CRT” cho ống phóng hìnhcủa ti vi hoặc màn hình máyvi tính).
Tia catôt là một dạng ánh sáng hay vật chất ?

Tia catôt là mộtdạng ánhsáng,hay vật chất ? Banđầu,không ai thậtsự quan
tâmxem chúng là cái gì, nhưngkhi tầm quan trọngkhoa họccủa chúng ngày càng
trở nên thấyrõ, thìvấn đề ánh sáng hayvậtchất trở thành một cuộc tranhluận
xuyênbiên giới quốc gia,với người Đứcthì tán thành chúng là ánhsáng, còn người
Anh thì giữ quan điểm xemchúng là vậtchất.Những người ủng hộ cách giải thích
vật chất tưởngtượng tia catôt gồmmộtchùm nguyên tử bốc ra từ chất của catôt.
Một trong những đặc trưng hạn chế vật chấtcủa chúngta là đối tượngvật
chất không thể truyền xuyên quanhau. Thí nghiệm cho thấytia catôt có khả năng
đâm xuyên ít nhất là qua một số chiều dày vật chất nhỏ, ví dụ một lákim loại dày
một chụcmilimét, gợi ý rằng chúng là mộtdạngánh sáng.
Tuy nhiên, nhữngthí nghiệm kháchướng tới kếtluận ngượclại. Ánhsáng là
một hiện tượngsóng, vàmộttính chất đặc trưngcủa sóng đượcchứng minh bằng
cách nói vào một đầu của một ốngcuộn bằnggiấy báo. Sóngâm khôngđi ra khỏi
đầu kiacủa ống dưới dạngmột chùm hội tụ. Thay vì vậy, chúng bắt đầu trải rộng ra
theo mọi hướngngaykhi chúngra khỏiống. Điều này cho thấy sóng nhất thiết
khôngphải truyền theođườngthẳng. Nếu đặt mộtlá kimloạihình ngôi sao hoặc
hình chữ thập trênđường đi của tia catôt, thì sẽ xuất hiện“bóng”có hình tương tự
trên thủy tinh,cho thấytia catôttruyền theo đường thẳng.Chuyển động theo
đườngthẳngnày gợiý rằngtia catôt làmộtdòng hạt vật chấtnhỏ xíu.
Những quansát này không có sức thuyết phục, nêncái thật sự cần thiết là
phải xác địnhxem tia catôt có khối lượng vàtrọnglượng haykhông. Khókhăn làở
chỗ không thể thu tia catôtvào một cái tách rồi đưalên bàn cân. Khi ống tia catôt
hoạt động, ngườita không thấy bất cứ sự mất mát vật chất nào từ catôt, hay bấtkì
lớp vỏ nào lắngtrên anôt.
Không aicó thể nghĩ ra cách nào tối ưu để cântia catôt, nên cách hiển nhiên
nhất tiếp theogiải quyếtcuộc tranhcãi ánh sáng/vật chấtlà kiểm tra xem tiacatôt
có điện tích haykhông.Ánh sáng được biết là không tích điện.Nếu tia catôt mang
điện tíchthì chúngdứtkhoátlà vật chất và không phải là ánh sáng, và chúng có thể
được làm cho nhảy qua kẽ hở bằng lực đẩy đồng thờicủađiện tích âm ở catôt và
lực hútcủa điện tích dương ở anôt. Tiacatôt sẽ đi vượt quá anôt vì xunglượng của

chúng. (Mặc dù những hạt mangđiện thôngthường không nhảy qua được mộtkhe
chân không, nhưng có mộtlượngrất lớn điện tích được sử dụng, nên lực tácdụng
mạnhmột cách khácthường).
Thí nghiệm của Thomson
Nhà vật lí J.J Thomsonở Cambridge đã thực hiện một loạt thí nghiệmrõ ràng
về tia catôttrong khoảng năm 1897. Bằng việc điều khiển chúngmộtcáchnhẹ
nhàng tất nhiên bằng lực điện, k, ông chỉ ra rằng chúng thật sự tích điện, đó là bằng
chứng mạnh mẽ cho thấy chúnglàvật chất. Không chỉ thế, ôngcònchứng minh
rằng chúng có khối lượng,và đođược tỉ số khối lượng trên điện tích của
chúng, m/q. Vìkhối lượng của chúng khác không,ông kết luận chúng là một dạng
vật chất và có lẽ cấu thành từ một dònghạt vi mô mang đỉện âm. Khi Millikancông
bố kết quả nghiên cứucủa ông 14 năm sau này, thật hợp lí khi cho rằng điệntích
của một hạt như thế bằng vớitrừ điện tích cơ bản, q = - e, vàkết hợp kết quả của
Millikanvà Thomson,người ta có thể xác định khối lượngcủa mộthạt tia catôt.
Kĩ thuật cơ bản xác địnhtỉ số m/q đơn giản là đo góc mà các bản tích điện
làm lệch chùm tia.Lựcđiện tácdụnglên một hạt tia catôt trong khi nó nằm giữa
các bản sẽ tỉ lệ với điệntích củanó
F
điện
= (hằng số đã biết) . q
Áp dụngđịnhluật II Newton, a = F/m, sẽ cho phép xác địnhm/q
Đó chỉ làmộtsự nắm bắt ýtưởng. Thomson cần phải biết vận tốc của hạttia
catôt để tínhra giatốc của nó. Tuy nhiên, vào lúc đó, khôngai có thậm chí làmột
dự đoán tốc độ của tiacatôt tạo ra trong một ốngchân không cho trước. Chùmtia
có vẻ băng qua ống chân không hầu như tức thời, chonên việc đo thờigian của nó
với một chiếc đồnghồ bấm giây không phải là vấn đề đơngiản !
Giải phápkhéo léo của Thomson là quan sát kết quả của cả lực điệnvà lực từ
tác dụnglên chùmtia. Lực từ tác dụng bởi mộtnam châm nhất địnhsẽ phụ thuộc
vào cả điện tích của tia catôt vàtốc độ của nó
F

từ
= (hằng số đã biết #2). qv
Thomsonlàm việc với lực từ vàlựcđiện chotới khi mỗi lực tạora một kết
quả bằng nhau trên chùmtia, cho phép ông tínhđược tốc độ
v = (hằng số đã biết)/(hằng số đã biết #2)
Biết được tốc độ (vào cỡ 10% tốcđộ ánh sángtrong cơ cấu thí nghiệm của
ông), ôngcó thể tìmđược gia tốc và do đó là tỉ số khối lượngtrên thể tích, m/q.Kĩ
thuật của Thomsontương đối thô sơ (và có lẽ độ lượng hơn, chúng ta có thể nói
rằng chúng vẫn còn trong giaiđoạn là sảnphẩm nghệ thuậtvàothời đó), nên với
những phươngpháp khác nhau, ông đi đếncác giátrị m/q dao động trong khoảng
hệ số 2, cả với tia catôtphát ratừ catôt cấutạo từ một đơn chất. Giá trị tốt nhất
hiện naylà m/q = 5,69x 10
-12
kg/C,phùhợp vớigiới hạn dưới củangưỡng số liệu
của Thomson.
Tia catôt là một hạt hạ nguyên tử: electron
Tuy nhiên, về thí nghiệm của Thomson,điều quan trọng khôngphải là giá trị
bằngsố thực tế củam/q,mà kết hợp với giá trị điện tíchnguyên tố của Millikan, nó
cho khối lượng của hạt tiacatôt nhỏ hơn hàng ngàn lần khối lượng củacả những
nguyêntử nhẹ nhất. Ngay cả khi không có kếtquả của Millikan,phải chờ tới 14
năm sauđó mới có, Thomson đã công nhận tỉ số m/q đối với tia catôt nhỏ hơn
hàng ngàn lần tỉ số m/q đo được đốivớicác nguyên tử tích điện trongdungdịch
hóa học. Ônggiải thích đúng đắn đây là bằng chứng chothấytia catôt là những
viên gạch cấu trúc còn nhỏ hơnnữa – ônggọi chúng là electron – hìnhthànhnên
chínhcác nguyên tử. Đâylà mộtkhẳng định rấtcấp tiến, được nêu ravào lúc các
nguyêntử chưa hề được chứngminhlà tồn tại ! Cả những người sử dụng từ
“nguyêntử” cũng thường xem chúng làsự trừu tượng hóa mang tính toán học
nhiều hơn, chứ không phải là nhữngđối tượng hiểu theo nghĩa đen. Ýtưởng tìm
kiếmcấu trúcbên trongcủacác nguyên tử “không thể chia tách” bị một số người
xem là điên rồ,nhưng trong vòngcó 10 năm,quanniệm củaThomsonđã được xác

nhậnđầy đủ bởi nhiều thí nghiệm chi tiết hơn.
Câu hỏi thảo luận
A. Thomsonbắt đầu trở nênbị thuyết phụctrongthí nghiệm củaông rằng
“tia catôt” quansát thấy phát ratừ catôt của ống chân không là nhữngviên gạch
cấu trúccủa nguyên tử - cái mà ngày naychúng ta gọi là electron.Sau đó, ông tiến
hành quansát với catôt làm bằngnhiều kimloại khác nhau,và nhận thấy tỉ số m/q
hầu như bằng nhau trong mỗi trườnghợp, có tính đến độ chính xác giới hạn của
ông. Chorằnglà ông nghingờ,tại sao ôngphải cố thử với nhiều kimloại khác
nhau ?Làm thế nào giá trị thích hợpcủam/q lại đóng vai tròkiểm tra cho giả
thuyết của ông ?
B. Sinh viên củatôi haythắc mắc tỉ số m/qmàThomson đo là giá trị cho một
electron,haycho toànbộ chùm tia. Bạn có thể trả lời câu hỏi này không ?
C. Thomsontìmthấy tỉ số m/q của một electronnhỏ hơn hàngngàn lần tỉ số
đó của các nguyên tử tích điện trong dungdịch hóahọc. Đây có phảilà gợi ý rằng
electroncó điện tích lớn hơn hay không ? Haylà chúngcó khối lượng nhỏ hơn ? Có
phải là không cócách nào nói như vậy ?Hãy giải thích. Lưu ý rằngkết quả của
Millikanmãi nhiều năm nữa mới có, cho nên q chưabiết.
D. Bạn có thể dự đoán bất kì lí do thựctế nào lí giải tại sao Thomsonkhông
thể nào chỉ để chomột electron bayqua khetrướckhingắt pin và tắt chùm tia,và
rồi đo lượng điện tích bámtrên anôt, như vậy chophép ông đođược điện tích của
một electron mộtcách trực tiếp ?
E. Tạisao không thể xác địnhchính m và q, thaycho tỉ số của chúng, bằng
cách quansát chuyển động của electrontrong điện trường và từ trường?