Dạng hình và khoảng cách các quỹ đạo của một nguyên tử có cùng số lượng electron đều giống hệt nhau, vì thế mà hai nguyên tử oxygen giống hệt nhau. Chúng có thể khác nhau về trạng thái cơ bản hay kích thích, có thể vì va chạm với những nguyên tử khác trong không khí, nhưng sau một lúc chúng lại trở về trạng thái cơ bản. Vì thế chính tính chất sóng của electron là cơ sở để nhận diện một nguyên tử và là nguyên do của sự ổn định cơ cấu to lớn của chúng.

Một đặc trưng nữa để xác định tình trạng một nguyên tử là chúng được một nhóm số nguyên mô tả đầy đủ, nhóm số đó được gọi là số lượng tử, chúng diễn tả vị trí và hình dạng của các quỹ đạo. Số lượng từ đầu tiên chỉ số của quỹ đạo và năng lượng một electron phải có để có thể ở trong quỹ đạo đó. Hai con số tiếp theo diễn tả dạng của sóng electron trong quỹ đạo và mối tương quan của vận tốc cũng như hướng quay của electron. Việc các chi tiết này được biểu diễn bằng những số nguyên cho thấy rằng electron không thay đổi một cách liên tục độ quay của nó mà là nhảy từ trị số này qua trị số khác, cũng như nhảy từ quỹ đạo này qua quỹ đạo khác. Ở đây cũng thế, độ quay càng cao thì nguyên tử càng bị kích động: ở trạng thái cơ bản thì mọi electron nằm trong quỹ đạo thấp nhất và độ quay cũng nhỏ nhất.

Xác suất hiện hữu, các hạt phản ứng mạnh khi vào không gian chật hẹp, nguyên tử đổi trạng thái bằng các bước nhảy lượng tử; và nhất là mối quan hệ nội tại của các hiện tượng – đó là những nét kỳ lạ của thế giới nguyên tử. Mặc khác, lực cơ bản sinh ra các hiện tượng này thì chúng ta đã biết và nó cũng hiện diện trong thế giới vĩ mô. Đó là lực hút giữa các điện tích, giữa nhân chứa điện dương và electron. Sự giao hòa giữa năng lực này với các sóng electron sản sinh ra thiên hình vạn trạng những cơ cấu và hiện tượng. Nó chính là nguồn gốc của mọi phản ứng hóa học và sự thành lập phân tử, tức là nhóm những nguyên tử được tập trung vào nhau nhờ sức hút giữa các nguyên tử. Sự tác động lên nhau của các electron và hạt nhân cũng là nền tảng của tất cả các chất kí, chất lỏng và chất rắn, cũng như của tất cả sinh vật và trong toàn bộ tiến trình có sự sống.

Trong thế giới phong phú của nguyên tử thì nhân nguyên tử đóng vai trò của một trung tâm vừa cực nhỏ vừa ổn định, nó lại là gốc của sức hút điện lực và tạo nên khuôn khổ của cơ cấu mọi phân tử. Nhằm hiểu những cơc ấu đó và mọi hiện tượng chung quanh chúng ta, người ta chỉ cần biết khối lượng và điện tích của hạt nhân. Còn muốn hiểu tự tính của vật chất, hiểu vật chất gồm những gì đích thực thì ta phải nghiên cứu hạt nhân, là thành phần xem như trọng tâm toàn bộ khối lượng của vật chất. Trong những năm 30 của thế kỷ này (XX), sau khi thuyết lượng tử đã giải được bài toán của thế gới nguyên tử thì mục đích chính của các nhà vật lý là tìm hiểu cơ cấu của hạt nhân, các thành phần của nó và lực nội tại là gì mà các thành phần có kết cấu vững chắc như vậy.

Bước quan trọng đầu tiên để hiểu cơ cấu hạt nhân là sự phát hiện các neutron, là thành phần thứ hai, loại hạt có khối lượng gần bằng proton (thành phần thứ nhất), tức khoảng gấp hai ngàn lần khối lượng của electron, tuy nhiên chúng không mang điện tích. Sự khám phá này không những chỉ làm sáng tỏ nhân nguyên tử gồm proton và neutron, nó còn cho thấy rằng lực nội tại trong nhân, thứ lực giữ chắc các hạt này lại với nhau, phải là một hiện tượng mới mẻ. Nó không thể là lực điện từ được vì neutron không có điện tích. Nhà vật lý chóng biết rằng họ đang đương đầu với một thứ lực mới mẻ trong thiên nhiên, nó chỉ nằm trong nhân nguyên tử, ngoài ra nó không hiện hữu ở đâu cả.

Nhân nguyên tử lớn khoảng bằng một phần một trăm ngàn một nguyên tử, mà chứa hầu như toàn bộ khối lượng của nó. Như thế thì vật chất nằm trong nhân hẳn phải có tỉ trọng hết sức to lớn, độ nén hết sức cao. Nếu thân người mà nén lại theo cách “hạt nhân” này thì nó chỉ chiếm thể tích bằng một mũi kim. Tuy thế độ nén này không phải là tính chất lạ lùng duy nhất của hạt nhân. Vì cũng có tính chất lượng tử như các electron, các hạt nucleon (gọi chung proton và neutron) cũng phản ứng chống không gian bé nhỏ bằng sự vận động cao độ, nơi càng chật chội chúng càng chuyển động mạnh hơn. Chúng di chuyển trong nhân với vận tốc khoảng 60.000 km/giây. Vì thế khối lượng hạt nhân là một dạng khối lượng hoàn toàn khác với khố lượng mà ta biết trong thế giới vĩ mô. Có lẽ chúng ta chỉ có thể tưởng tượng chúng là những hạt tí hon có tỉ trọng cực lớn, sôi sùng sục trong một chất lỏng cũng có tỉ trọng rất lớn.

Khía cạnh mới mẻ của tính chất hạt nhân chính là lực tác động trong nhân với khoảng cách nội tại cực ngắn. Lực đó chỉ tác dụng khi các neutron tiến sát gần nhau, tức khi khoảng cách giữa chúng chỉ gấp đôi gấp ba lần đường kính của chúng. Với khoảng cách này thì lực hút của hạt nhân phát huy tác dụng. Đến khi khoảng cách giữa chúng ngắn lại thì chúng lại có tác dụng đẩy, làm cho các nucleon không kề sát nhau được. Theo cách thế này mà lực hạt nhân giữ được nhân nguyên tử hết sức ổn định, dù cho bản thân chúng lại hết sức năng động.

Như thế thì vật chất là không gian rỗng với những hạt tí hon nằm cách xa nhau, các hạt đó lại là nơi tập trung khối lượng. Trong không gian rộng lớn giữa các hạt nhân đầy khối lượng và sôi sùng sục, đó là electron. Các electron chỉ mang một phần rất nhỏ toàn thể khối lượng, thế nhưng lại tạo cho vật chất tính chất cứng chắc và là lực nối kết với nhau để tạo thành cơ cấu phân tử. Chúng cũng tham gia vào các phản ứng hóa học. Ở dạng bình thường này của vật chất thì các phản ứng dây chuyền của lực hạt nhân không tự mình xảy ra được vì năng lượng không đủ lớn để phá hủy sự ổn định của nhân.

Tuy thế dạng này của vật chất với nhiều sắc thể và cơ cấu cũng như tập hợp phân tử phức tạp chỉ có thể hiện hữu trong những điều kiện nhất định, đó là lúc nhiệt độ không quá cao để cho các phân tử không phản ứng quá mãnh liệt. Nếu nhiệt tăng vọt lên gấp trăm lần, như trong thiên thể thì tất cả mọi cơ cấu nguyên tử và phân tử bị hủy hoại. Thực ra, phần lớn vật chất trong vũ trụ hiện hữu trong một trạng thái khác xa với trạng thái mô tả ở trên. Ở trung tâm các thiên thể là toàn những khố nhân khổng lồ và gồm hầu như phản ứng hạt nhân mà trên trái đất rất ít xảy ra. Chúng rất quan trọng đối với những hiện tượng của thiên hà mà các nhà vũ trụ quan sát được; những hiện tượng đó phần lớn là do sự phối hợp của hạt nhân và hiệu ứng trọng trường tạo ra. Đối với hành tinh chúng ta thì phản ứng hạt nhân ở trung tâm mặt trời hết sức quan trọng, vì nó cung cấp năng lượng để nuôi sống đời sống trên trái đất. Một trong những thành tựu lớn nhất của vật lý hiện đại là sự phát hiện rằng năng lượng xuất phát liên tục từ mặt trời, từ hành tinh cốt tử nối ta với thế giới bao la vô tận, năng lượng đó lại chính là kết quả của phản ứng hạt nhân, là một hiện tượng của thế giới vô cùng bé.

Trong lịch sử nghiên cứu thế giới vi mô vào đầu những năm 30, người ta đã đạt tới một giai đoạn mà nhà khoa học cho rằng đã phát hiện một cách chung kết các hạt cơ bản của vật chất. Người ta biết mọi vật chất đầu từ nguyên tử mà thành và mọi nguyên tử đều do proton, neutron và electron cấu tạo. Những hạt được gọi là “hạt cơ bản” đó được xem là nhỏ nhất, đơn vị không thể phá hủy của vật chất: đó là nguyên tử trong nghĩa của Demokrit. Mặc dù thuyết lượng tử cho thấy thế giới không thể chia cắt ra những hạt cực nhỏ, hiện hữu, độc lập với nhau được, nhưng thời đó người ta vẫn chưa thừa nhận thực tế này. Phép tư duy cổ điển bắt rễ quá sâu xa làm cho phần lớn các nhà vật lý vẫn tìm cách hiểu vật chất qua khái niệm của những hạt cơ bản và khuynh hướng đó ngày nay vẫn còn rất mạnh.

Thế rồi hai sự phát triển mới trong ngành vật lý hiện đại đòi hỏi phải từ bỏ việc xem xét các hạt cơ bản là đơn vị cuối cùng của vật chất. Một trong hai thành tựu này thuộc về thực nghiệm, cái kia thuộc về lý thuyết, nhưng cả hai đều bắt đầu vào những năm 30. Khi các nhà vật lý ngày càng nâng cao khả năng tinh tế của phép thực nghiệm, các hạt cơ bản khác được khám phá. Đến năm 1935 thì con số ba hạt đã lên sáu hạt, năm 1955 chúng lên đến 18 hạt và ngay nay ta có hơn 200 hạt cơ bản.

Ngày nay người ta nói đến hàng trăm các hạt meson và baryon. Chúng chỉ chứng tỏ rằng tính từ “cơ bản” trong giai đoạn này không còn thích ứng nữa.

Qua những năm tháng mà các hạt cứ được phát hiện liên tục thì tất nhiên người ta không thể gọi chúng là cơ bản nữa. Niềm tin này còn được tăng cường hơn nữa qua những phát triển lý thuyết, song song với sự phát hiện các hạt. Không bao lâu sau khi thiết lập thuyết lượng tử người ta biết rõ một lý thuyết đầy đủ để mô tả hiện tượng hạt nhân không những chỉ chứa đựng thuyết lượng tử, mà còn cả thuyết tương đối vì vận tốc các hạt bị giới hạn trong không gian hạt nhân thường tới gần với vận tốc ánh sáng. Điều này rất quan trọng cho sự mô tả hoạt động của chúng, vì với vận tốc như thế luôn luôn ta phải quan tâm đến thuyết tương đối. Như chúng ta nói, đó phải là một sự mô tả tương đối. Để hiểu biết đầy đủ thế giới hạt nhân, ta cần một lý thuyết vừa chứa đựng thuyết lượng tử, vừa thuyết tương đối. Cho đến bây giờ một lý thuyết như thế chưa được tìm ra và vì thế chúng ta không thể phát biểu một lý thuyết về hạt nhân nguyên tử được. Mặc dù biết khá nhiều về cơ cấu hạt nhân và sự tương tác của các thành phần, nhưng chúng ta không hiểu tự tính và dạng phức tạp của lực trong nhân một cách triệt để. Không có một lý thuyết đầy đủ để giải thích thế giới hạt nhân, tương tự như thuyết lượng tử đã giải thích thế giới nguyên tử. Chúng ta cũng có vài mô hình lượng tử – tương đối, chúng mô tả rất tốt vài dạng của thế giới hạt trong nhân, nhưng sự thống nhất thuyết lượng tự và tương đối thành một lý thuyết toàn triệt của hạt, đó vẫn còn là một bài toán trung tâm và trách nhiệm lớn lao của nền vật lý hiện đại.

(còn tiếp) 

TH: T.Giang – SCDRC

Nguồn tham khảo: Fritjof Capra – Đạo của vật lý – NXB THTPHCM – 2015

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s