Người đặt nền móng quan trọng đầu tiên cho vật lý lượng tử là Max Planck. Trên cơ sở đó Einstein mới cho ra đời lý thuyết lượng tử ánh sáng, mỗi hạt photon là hạt lượng tử của ánh sáng. Quan trọng nhất là sự ra đời thuyết Bước nhảy lượng tử của Niels Bohr. Nó mô tả nguyên lý hấp thu và phát ra các hạt lượng tử ánh sáng từ các hạt điện tử. Dẫn đến các ứng dụng đa dạng của lượng tử ngày nay như máy tính lượng tử, công nghệ chẩn đoán hình ảnh y học, chất bán dẫn và điện tử ….
Trong bài này chúng ta chuyển sang một ý tưởng quan trọng khác trong cuộc cách mạng vật lý lượng tử: mô hình nguyên tử năm 1913 của Niels Bohr. Mô hình đã cho chúng ta khái niệm những bước nhảy lượng tử.
Nội dung
Bước nhảy lượng tử trong mô hình nguyên tử Niels Bohr là một đột phá về ý tưởng
Mô hình nguyên tử của Niels Bohr là một ý tưởng thực sự mang tính cách mạng. Pha trộn các khái niệm vật lý cũ và mới. Theo một số cách, một nguyên tử giống với hệ mặt trời. Theo những cách khác, nó hoạt động khá kỳ quái. Bohr nhận ra rằng thế giới của những hạt nhỏ đòi hỏi một cách suy nghĩ mới.
Từ lượng tử ở khắp mọi nơi, và cùng với nó là thuật ngữ bước nhảy lượng tử. Ở bài trước trước chúng ta đã thảo luận về ý tưởng tiên phong trong vật lý lượng tử của Max Planck rằng. Các nguyên tử có thể phát ra và hấp thụ năng lượng với những lượng riêng biệt. Chúng luôn là bội số của cùng một lượng. Những khối bức xạ nhỏ này có tên là lượng tử.
Nếu ý tưởng của Planck đòi hỏi sự dũng cảm và trí tưởng tượng phong phú. Thì ý tưởng của Bohr là một chiến công vĩ đại. Bằng cách nào đó, Bohr đã nhét một đống ý tưởng mới vào một cái túi. Trộn lẫn chúng với những khái niệm cũ từ vật lý cổ điển. Rồi đưa ra khái niệm về quỹ đạo lượng tử hóa trong nguyên tử. Bohr đã nhìn thấy điều mà không ai có thể nhìn thấy vào thời điểm đó. Rằng các nguyên tử không giống như con người đã nghĩ trong ít nhất 2.000 năm. Trên thực tế, chúng không giống gì mà bất kỳ ai có thể tưởng tượng được. Ngoại trừ Bohr.
Một cuộc cách mạng từ hạt lượng tử đơn giản nhất
Mô hình nguyên tử của Bohr hơi điên rồ. Sự cắt ghép các ý tưởng pha trộn các khái niệm cũ và mới của ông là thành quả từ trực giác đáng kinh ngạc của Bohr. Chỉ nhìn vào hydro, nguyên tử đơn giản nhất trong tất cả các nguyên tử, Bohr đã tạo ra hình ảnh của một hệ mặt trời thu nhỏ. Với một proton ở trung tâm và electron quay xung quanh nó.
Sự bất lực của vật lý cổ điển trong mô hình nguyên tử
Theo cách làm của nhà vật lý, ông muốn giải thích các dữ liệu quan sát được bằng mô hình đơn giản nhất có thể. Nhưng vấn đề là electron, mang điện tích âm, bị hút bởi proton, mang điện tích dương. Theo thuyết điện từ cổ điển, một electron sẽ chuyển động xoắn ốc xuống hạt nhân. Khi quay quanh proton, nó sẽ giải phóng năng lượng và rơi vào quỹ đạo đó. Sẽ không có quỹ đạo nào ổn định và nguyên tử không thể tồn tại. Rõ ràng, là cần một cái gì đó mới và mang tính cách mạng.
Bước nhảy lượng tử là gì?
Để cứu vãn mô hình lý thuyết nguyên tử, Bohr phải phát minh ra những quy luật mới mâu thuẫn với vật lý cổ điển. Ông mạnh dạn đề xuất điều không tưởng. Sẽ ra sao nếu electron chỉ có thể quay quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định. Tách biệt nhau trong không gian như bậc thang hay từng lớp của củ hành tây? Giống như bạn không thể đứng giữa các bước, electron không thể ở bất cứ đâu giữa hai quỹ đạo. Nó chỉ có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. Giống như cách chúng ta có thể nhảy giữa các bước. Bohr vừa mô tả các bước nhảy lượng tử.
Bước nhảy lượng tử là quá trình electron thay đổi quỹ đạo vốn có bằng cách giải phóng hoặc hấp thu một lượng năng lượng lượng tử. Sự thay đổi quỹ đạo này gọi là một bước nhảy từ quỹ đạo hiện tại sang một quỹ đạo cũng là vốn có từ trước của nguyên tử.
Bằng cách giải phóng năng lượng lượng tử, electron sẽ nhảy về quỹ đạo thấp hơn, gần hạt nhân hơn.
Ngược lại hấp thu một lượng năng lượng lượng tử, electroc sẽ nhảy tới một quỹ đạo cao hơn.
Động lượng lượng tử
Nhưng những quỹ đạo lượng tử này được xác định như thế nào? Trước tiên, hãy tìm hiểu động lượng góc.
Nếu các electron quay quanh các proton, chúng có động lượng góc. Là một đại lượng đo cường độ và hướng của các chuyển động tròn. Nếu bạn buộc một hòn đá vào một sợi dây và quay nó, nó sẽ có động lượng góc. Bạn quay càng nhanh, sợi dây càng dài hoặc hòn đá càng nặng thì động lượng này càng lớn. Nếu không có gì thay đổi về tốc độ quay hoặc chiều dài của sợi dây thì động lượng góc được bảo toàn. Trong thực tế, nó không bao giờ được bảo toàn vì ma sát.
Bohr cho rằng động lượng góc của electron nên được lượng tử hóa. Nói cách khác, nó chỉ nên có một số giá trị nhất định, được cho bởi các số nguyên (n = 1, 2, 3…). Nếu L là xung lượng góc quỹ đạo của electron, thì công thức của Bohr sẽ là L = nh/2π. (Trong đó h là hằng số Planck). Một xung lượng góc được lượng tử hóa có nghĩa là các quỹ đạo của electron được phân tách trong không gian giống như các bậc thang. Electron có thể đi từ quỹ đạo này (giả sử quỹ đạo n = 2) sang quỹ đạo khác (n = 3). Bằng cách thực hiện bước nhảy lượng tử nhảy xuống và gần proton hơn, hoặc bằng cách nhảy lên và ra xa hơn.
Dấu vân tay lượng tử màu sắc
Sự kết hợp tuyệt vời của Bohr giữa các khái niệm vật lý cổ điển với vật lý lượng tử đã tạo ra một mô hình lai của nguyên tử. Ông nhận ra rằng thế giới của cái rất nhỏ đòi hỏi một cách suy nghĩ mới về vật chất và đặc tính của nó.
Trong quá trình này, Bohr đã giải quyết được một bí ẩn trong vật lý liên quan đến màu sắc mà một nguyên tố hóa học phát ra khi nó nóng lên, gọi là quang phổ phát xạ. Màu vàng đậm trong đèn natri là một ví dụ quen thuộc về màu chủ đạo trong quang phổ phát xạ. Hóa ra mỗi nguyên tố hóa học, từ hydro đến uranium, đều có quang phổ riêng, được đặc trưng bởi một bộ màu đặc biệt. Chúng là dấu vân tay lượng tử của một nguyên tố.
Bước nhảy lượng tử tạo nên quang phổ hóa học
Các nhà khoa học ở thế kỷ 19 biết quang phổ hóa học tồn tại. Nhưng không ai biết tại sao. Bohr gợi ý rằng khi một electron thực hiện bước nhảy lượng tử nhảy giữa các quỹ đạo, nó sẽ phát ra hoặc hấp thụ một đoạn ánh sáng. Những lượng ánh sáng này được gọi là photon. Và chúng là đóng góp quan trọng của Einstein cho vật lý lượng tử.
Vì electron âm bị hạt nhân dương hút nên nó cần năng lượng để nhảy lên quỹ đạo cao hơn. Năng lượng này có được bằng cách hấp thụ một photon. Đây là cơ sở của quang phổ hấp thụ. Bạn cũng làm điều tương tự mỗi khi bạn leo lên một bậc thang. Trọng lực muốn giữ bạn xuống, nhưng bạn sử dụng năng lượng dự trữ trong cơ bắp để di chuyển lên.
Tại sao các nguyên tố khác nhau lại có phổ phát xạ khác nhau?
Mặt khác, phổ phát xạ của một nguyên tố bao gồm các photon (hoặc bức xạ) mà các electron phát ra khi chúng chuyển từ quỹ đạo cao hơn sang quỹ đạo thấp hơn. Các photon mang đi xung lượng góc mà electron mất đi khi nó nhảy xuống. Bohr gợi ý rằng năng lượng của các photon phát ra phù hợp với sự chênh lệch năng lượng giữa hai quỹ đạo.
Và tại sao các nguyên tố khác nhau lại có phổ phát xạ khác nhau? Mỗi nguyên tử có một số lượng proton duy nhất trong hạt nhân của nó, vì vậy các electron của nó bị thu hút bởi các cường độ cụ thể. Mỗi quỹ đạo được phép cho mỗi nguyên tử sẽ có năng lượng riêng, cụ thể. Khi electron nhảy giữa hai quỹ đạo, photon phát ra sẽ có năng lượng chính xác đó chứ không phải năng lượng nào khác. Quay lại phép loại suy bậc thang, dường như mỗi nguyên tố hóa học có một bậc thang riêng, với các bậc được xây dựng ở những khoảng cách khác nhau.
Với điều này, Bohr đã giải thích quang phổ phát xạ của hydro, một chiến thắng của mô hình lai của ông. Và điều gì xảy ra khi electron ở mức thấp nhất, n = 1? Bohr gợi ý rằng đây là mức thấp nhất mà nó có thể đạt được. Ông ấy không biết làm thế nào, nhưng electron bị mắc kẹt ở đó. Nó không đâm vào hạt nhân. Học trò của ông, Werner Heisenberg, sẽ đưa ra câu trả lời khoảng 13 năm sau: Nguyên lý Bất định. Nhưng đó là câu chuyện cho một bài viết sau nữa.
