Nội dung

CÁC PHỔ PHÂN TỬ

Việc giải thích phổ bức xạ ngay cả đối với các nguyên tử riêng lẻ cũng gặp những khó khăn lớn (không phải khó khăn có tính nguyên tắc mà là các khó khăn về tính toán).

Nghiên cứu phổ bức xạ của các phân tử còn phức tạp hơn nhiều. Các electron trong phân tử nằm ở các mức năng lượng khác nhau, tạo hành một hệ mức electron.

Các nguyên tử tạo thành phân tử (chính xác hơn các nhân của chúng) thường dao động xung quanh với các ví trí cân bằng của mình sinh ra các mức dao động), còn bản thân phân tử quay như một khối nguyên vẹn, làm xuất hiện các mức quay. Tựu trung lại nó cho ta một phổ hết sức phức tạp. Nhưng dù sao cho dù có khó khăn, dựa vào phổ bức xạ, người ta vẫn xác định xem phân từ có đối xứng nào: ngoài tâm đối xứng nó có trục đối xứng (hoặc các trục đối xứng) không có mặt đối xứng không (cũng không loại trừ trường hợp phân tử có nhiều hơn một mặt dối xứng). Đến lượt mình, mọi đối xứng đều cho phép thiết lập một phổ bức xạ (hay hấp thụ) của phân tử có tính đối xứng đó. Muốn thế người ta sử dụng một bộ môn toán đặc biệt - là lý thuyết biểu diễn nhóm. Phổ của các phân tử đơn giản nhất (ví dụ phân tử hyđro) thậm chí có thể mô tả nhờ các phương pháp giải gần đúng phương trình Schrodinger (chỉ có bốn hạt - hai electron và hai proton).

Trong những trường hợp khi các phương trình của cơ học lượng tử cho phép ta đưa ra một đánh giá định tính hay định lượng các phổ phân từ thì giá trị ước lượng này vẫn trùng với các dữ liệu được cho bởi thực nghiệm. Nhìn chung các kết luận của lý thuyết lượng tử không mâu thuẫn với các dữ liệu thực nghiệm. Kinh nghiệm áp dụng phương trình Schrodinger cho thấy rằng nhờ nó về nguyên tắc có thể giải thích được phổ của bất kỳ một nguyên tử nào.

Trên cơ sở này người ta phát triển một ngành khoa học mới: hóa học lượng tử, chuyên xác định tính chất của các phân tử dựa vào việc giải phương trình Schrodinger với các thế năng nguyên tử khác nhau.

Ra đời vào những năm 1925 - 1926, lý thuyết lượng tử vẫn có một nhược điểm quan trọng: nó chưa phải là một lý thuyết tương đối tính, chưa thỏa mãn các nguyên lý tương đối và vận tốc ánh sáng vẫn chưa phải là một vận tốc hữu hạn. Năm 1928 Paul Dirac đã loại bỏ được thiếu sót này. Ông đề nghị mô tả electron, bằng một phương trình mới trong đó đã chú ý tới sự bình đẳng giữa thời gian và các tọa độ không gian, được gọi là lý thuyết tương đối tính (xem phần ''Paul Dirac).

Tuy nhiên khi đó hàm số sóng lại là một hàm bốn thành phần. Hai trong số chúng ứng với hai hình chiếu khả dĩ của spin. Còn hai thành phần kia? Phân tích cho thấy rằng chúng ứng với năng lượng âm. Nó không đơn thuần là năng lượng âm như ở electron trong nguyên tử hyđro mà là một hố (vực) năng lượng thực sự, trải dài ra tận vô cực, dưới đó là cả một Vũ trụ. Và mặc dù phương trình Dirac đã giải thích một cách tuyệt vời mọi dữ liệu thực nghiệm có được thời bấy giờ, song bài toán ý nghĩa của năng lượng âm vẫn đang còn bỏ ngỏ. Mới đầu người ta cho rằng hai thành phần không xác định được bằng cách nào đó mô tả photon (hạt nhân của nguyên tử hyđro). Nhưng giờ đây đã rõ ra là hạt ứng với cặp thành phần thứ hai có khối lượng đúng bằng khối lượng electron, còn proton lại có khối lượng nặng hơn electron tới 1836 lần.

Về sau Dirac đưa ra giả thuyết: tất cả các trạng thái ứng với những năng lượng âm,  ngay từ ban đầu đã bị lấp đầy bằng các electron (''biển Dirac''), nghĩa là hố năng lượng đã được làm đầy và chẳng có cách gì làm chúng biến đi được. Bản thân ''biển Dirac'' này là không quan sát được, nhưng nếu từ đó mà bứt được một electron (ví dụ nhờ một photon có tần số đủ cao), thì thứ nhất, ta thấy được chính electron này, và thứ hai, lỗ trống để lại trên ''biển'' sẽ biểu hiện như một hạt thực, khác eledron chỗ ở dấu điện tích là dương - đó là hạt phản electron. Hiện tượng này được gọi là sự sinh cặp hạt -  phản hạt (trong trường hợp này là electron - phản electron). Quá trình ngược lại sẽ xảy ra khi eleđron va chạm với lỗ trống: nó lấp đầy lỗ trống và lại trở thành không quan sát được (lỗ trống và electron gắn chặt với nhau), còn toàn bộ năng lượng của cặp (kể cả năng lượng nghỉ) chuyển thành năng lượng bức xạ điện từ. Cặp hạt - phản hạt hủy lẫn nhau như thế.

Cách suy luận phi chuẩn của Paul Dirac đã đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành nhanh chóng lý thuyết lượng tử. Nhà bác học đã không trói mình vào các giáo lý đã ổn định, cũng như ý kiến của các đồng nghiệp. Người ta còn kể lại: Dirac khi còn là sinh viên đã tham gia như thế nào vào cuộc thi tuyển về toán, lần đó trong đề bài có cả một bài toán số học cũng rắc rối như bài toán năng lượng âm trên đây.

Ba ngư dân, vào một buổi chiều bắt được rất nhiều cá, nhưng công việc chia cá thì bị đình hoãn đến tận sáng hôm sau. Người thứ nhất, tỉnh dậy trước tiên thấy số cá không chia hết cho ba, liền quẳng một con xuống sông, lấy một phần ba số cá còn lại rồi chuồn thẳng. Người thứ hai cũng làm y như vậy và sau đó là đến người thứ ba, vậy là mỗi người trong số họ cũng chỉ lấy đi có một phần ba. Câu hỏi của bài toán là số cá ít nhất mà họ bắt được là bao nhiêu?

 Dirac đã đưa ra lời giải sau đây: ''Số cá bắt được là -2''. Thật vậy, trong trường hợp này, khi người đầu quẳng một con cá xuống sông, số còn lại sẽ là -3; anh ta lấy đi -1 , còn để lại -2 con cá. Hai người kia cũng làm y như thế. Đương nhiên, câu trả lời trái với ý nghĩ lành mạnh nhưng chẳng mâu thuẫn gì với các điều kiện của bài toán. Qua đây ta thấy rõ cách suy luận của Dirac: Việc gì phải bỏ bớt lời giải khi ý nghĩa vật lý của nó chưa rõ ràng. Mười năm sau, khi nghiên cứu bài toán các trạng thái có năng lượng âm, cũng với cách suy luận về những con phản cá'' (ý nói các con cá có số lượng âm) Dirac đã tuyên bố về khả năng tồn tại các phản electron. Lòng dũng cảm trong tư duy một lần nữa đã chiến thắng.

Năm 1932 một người Mỹ tên là Carl Anderson (1905 - 1991) đã phát hiện trong các tia vũ trụ những hạt có điện tích dương và khối lượng với giá trị bằng đúng điện tích và khối lượng của electron. Các positron, như Anderso đã gọi, chính là các phản electron đã được Dirac tiên đoán. Lý thuyết lỗ trống đứng vững chẳng được bao lâu mặc dù tất cả các kết luận của nó (sự sinh cặp, sự hủy cặp v.v...) đều đúng cả. Sau khi xây dựng được điện động lực lượng tử ít nhiều có tính nhất quán vào cuối những năm 40, ''biển Dirac'' không quan sát được đã tỏ ra là không còn cần thiết nữa, nhưng phương trình có thêm nhiều nội dung mới, vẫn là một phương trình Dirac bất di bất dịch. Phương trình này thích hợp chẳng những cho electron, mà cả đối với một hạt bất kỳ có spin 1/2, ví dụ như proton. Các kết luận về sự tồn tại các phản hạt, sự sinh và hủy cặp hạt vẫn đúng cả với các proton. Tuy nhiên, quá trình kiểm tra các kết luận này thì diễn ra khá dài. Nếu Ernest Rutheford đã khám phá ra proton từ năm 1919 thì Emilio Segrè (1905-1989) và Owen Chamberlain (sinh năm 1920) mới chỉ phát hiện ra phản proton vào năm 1955.

Ngoài electron và proton còn có những hạt vi mô khác: với mỗi hạt trong chúng đều  có các phương trình tương đối tính của mình. Trước hết đó là các photon, một đầu chúng được mô tả bằng phương trình tương đối tính Maxwell. Tiếp đến có các hạt không có mômen xung lượng riêng (có spin bằng không), trước hết là nơtron. Các hạt như thế được mô tả bằng phương trình Klein - Gordon. Còn một loại phương trình nữa là các phương trình Weyl, thuộc về các hạt rất độc đáo - các nơtrino, có khối lượng bằng không nhưng lại có spin 1/2. Tuy nhiên cũng không loại trừ nơtrino cũng có khối lượng. Khi đó phương trình chuyển động của nó vẫn là phương trình Dirac.