1. MỐC THỜI GIAN
Cơ học Lượng Tử (CHLT) là một lý thuyết vế cơ học được coi là cơ bản hơn cơ học của Newton vì nó cho phép mô tả chính xác và đúng đắn rất nhiều các hiện tượng vật lý và hóa học mà cơ học Newton hông giải thích được.
CHLT được hình thành vào nửa đầu thế kỉ 20 do Planck, Einstein, Bohn, Debroglie, Heisenberg, Schrodinger, John, Newmann và một số người khác tạo nên.
– Năm 1900 Planck đưa ra ý tưởng là năng lượng phát xạ bị lượng tử hóa để giải thích về sự phụ thuộc của năng lượng phóng xạ vào tần số của một vật đen.
– Năm 1905 Einstein giải thích hiệu ứng quang điện dựa trên ý tưởng lượng tử của Planck nhưng ông cho rằng năng lượng không chỉ phát xạ mà còn hấp phụ theo những lượng mà ông gọi là quang tử.
– Năm 1913 Bohr giải thích quang phổ vạch của nguyên tử Hydro bằng giả thuyết lượng tử
– Năm 1924 Debroglie đưa ra lý thuyết của ông về sóng vật chất.
– Các lý thuyết trên mặc dù thành công trong giải thích một số thí nghiệm nhưng vẫn bị giới hạn ở tính hiện tượng luận, chúng không được chứng minh một cách chặt chẽ về tính lượng tử. tất cả các lý thuyết đó được gọi là lý thuyết lượng tử cổ điển.
– Cơ học lượng tử hiện đại ra đời năm 1925 khi Heisenberg phát triển cơ học ma trận và Schrodinger sáng tạo ra cơ học sóng và phương trình schrodinger.
– Heisenberg đưa ra nguyên lý bất định vào năm 1927.
– Năm 1930 John và Newmann đã đưa ra cơ sở toán học chặt chẽ cho cơ học lượng tử như một lý thuyết về các toán tử tuyến tính.
2. NỘI DUNG VÀ ỨNG DỤNG THUYẾT LƯỢNG TỬ PLANCK
-Thuyết lượng tử Planck:
Những nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ hay bức xạ năng lượng thành từng phần riêng biệt, gián đoạn. Mỗi phần mang một năng lượng hoàn toàn xác định có độ lớn: ε = hf
-Thuyết lượng tử của Einstein:
Đối với ánh sáng một lượng tử năng lượng (photon) không tồn tại ở trạng thái đứng yên nó chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc của ánh sáng vì thế xung lượng và năng lượng của photon tuân theo công thức xung lượng và năng lượng tương đối.
3. GIẢI THÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG
Hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ và phân cực của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có bẩn chất sóng nhưng quang học sóng đã bế tắc trong việc giải thích các vấn đề mà điển hình là về sự bức xạ của các vật đen, hiệu ứng quang điện. thuyết sóng ánh sáng, mô hình cấu tạo nguyên tử.
Để giải thích những hiện tượng trên ta phải sử dụng thuyết lượng tử Planck và thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein. Như vậy thuyết lượng tử đóng vai trò rất quan trọng trong việc giải thích các vấn đề trên
3.2.1Sự bức xạ của vật đen.
Sự bế tắc của lý thuyết cổ điển: Vào cuối thế kỉ 19, thuyết điện từ của Maxwell đã trở thành một lý
thuyết thống nhất về các hiện tượng điện từ và các quá trình quang học. Tuy nhiên khi áp dụng nghiên cứu bức xạ nhiệt của vật đen thì lý thuyết đó không giải thích được cá kết quả thí nghiệm.
Năm 1884 Stefan và Boltzman dựa trên các phép đo chính xác đã đi đến kết luận là đối với vật đen tuyệt đối cường độ bức xạ tỉ lệ với T^4.
Nghĩa là, Lý thuyết cổ điển, công thức tính toán sẽ dân tới kết quả là, cường độ bức xạ của một vật đen tuyệt đối bằng vô cùng, Đây là một điều vô lý mà lý thuyết cổ điển chịu bó tay.
Để khắc phục điều vô lý trên và thu được sự phù hợp các kết quả thực nghiệm. Năm 1900. Planck đã đè xuất giả thuyết lượng tử như sau: Mọi trạng thái của bức xạ điện từ đơn sắc tần số v đều chỉ có thể có năng lượng gián đoạn là bội của năng lượng hv gọi là lượng tử năng lượng. Nhờ thuyết lượng tử của Planck người ta có thể tính được cường độ bức xạ của một vật đen tuyệt đối theo công thức mới, Kết quả trả về một giá trị hữu hạn, vấn đề bế tắc của vật lý cổ điển được khai thông
3.2.2Thuyết sóng ánh sáng
Ánh sáng là sóng điện từ lan truyền trong chân không với tốc độ c = 3.108 cm / s và được đặc trưng bằng bước sóng λ hay tần số dao động f hay số sóng. Thuyết sóng ánh sáng giải thích được những hiện tượng có liên quan với sự truyền sóng như sự giao thoa và sự nhiễu xạ nhưng không giải thích được những dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất. Để giải thích đặc điểm này của ánh sáng
Planck đã áp dụng quan niệm nguyên tử của các chất vào quá trình năng lượng và năm 1900 đã đưa ra giả thuyết là năng lượng của ánh sáng không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử. Một lượng tử của ánh sáng ( gọi là photon) có năng lượng tỉ lệ với tần số
của bức xạ:
Như vậy năng lượng của một vật chỉ biến đổi những đại lượng là bội số của giống như điện tích chỉ biến đổi những đại lượng là bội số của điện tích của electron. Chỗ khác nhau ở đây là điện tích của electron không biến đổi, còn năng lượng của hạt photon biến đổi theo tần số của bức xạ. Tóm lại, thuyết lượng tử của planck nói lên bản chất hạt của ánh sáng.
3.2.3Các định luật quang điện
Năm 1905 nhà vật lý người Đức là Einstein áp dụng thuyết lượng tử đã giải thích được hoàn toàn thỏa đáng hiện tượng quang điện Ông đã làm thí nghiệm như sau: Khi chiếu sáng bằng ánh sáng có bước
sóng thích hợp hoặc chiếu bằng tia cực tím lên trên bề mặt một kim loại.
Người ta thấy các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại của nó. Người ta chứng minh được rằng tần số của bức xạ chiếu tới phải có tần số lớn hơn tần số giới hạn (hay bước sóng kích thích nhỏ hơn một bước sóng giới hạn).
Đối với kim loại khác nhau giá trị giới hạn của tần số hoặc bước sóng sẽ khác nhau. Năng lượng của các electron thì không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng.
Einstein cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại mỗi photon có năng lượng sẽ truyền năng lượng cho kim loại, một phần năng lượng Eo được dung để làm bứt electron ra khỏi nguyên tử kim loại và phân còn lại trở thành động năng của electron. Với bức xạ có bước sóng càng bé nghĩa là tần số càng lớn, năng lượng của electron được phóng ra càng lớn. Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn sẽ không gây nên hiệu ứng quang điện.
Vậy các định luật quang điện được giải thích như thế nào?
Có nhiều người đưa ra mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện. Tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình của sóng ánh sáng. Einstein là người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng. Hertz và stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập ra các định luật quang điện. Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại cường độ dòng quang điện tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới. Với mỗi kim loại tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó hiện tượng quang điện không xảy ra. Tần số này được gọi là tần số ngưỡng hay giới hạn quang điện của kim loại đó.Ở trên tần số ngưỡng động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sán tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ. Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn dưới 10-9s.
Einstein đã sử dụng thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện.
Mỗi photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng ε = hf (h là hằng số planck). Năng lượng mà điện tử hấp phụ được sẽ được dùng cho hai việc:
Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu
có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi f ≥ f0 ( f 0 chính là giới hạn quang điện của kim loại)
Trong nhiều vật liệu hiệu ứng quang điện ngoài không xẩy ra mà chỉ xẩy ra hiệu ứng quang điện trong, khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn. Nếu năng lượng photon đủ lớn năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn. Hiệu ưng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời…
Hiệu ứng quang điện được ứng dụng để chế tạo tế bào quang điện( thiết bị cho dòng điện đi qua khi có ánh sáng thích hợp chiếu tới). Tế bào quang điện được dùng chế tạo rơle quang điện ứng dụng trong các thiết bị tự động hóa và thiết bị đếm bằng xung ánh sáng.Mặt khác dùng chế tạo pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Như vậy hiện tượng quang điện là một bằng chứng thực nghiệm xác minh thuyết lượng tử planck.
3.2.4Cấu tạo nguyên tử.
Áp dụng thuyết lượng tử planck vào nguyên tử nhà vật lý người Đan Mạch là Bohr đã thành công trong việc đưa ra mẫu nguyên tử hydro.
Năm 1911 Rutherford đưa ra mẫu nguyên tử hành tinh: electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử giống như hành tinh quay chung quanh mặt trời. Nhưng theo điện động lực học thì một hạt mang điện như electron khi quay xung quanh hạt nhân sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ. Nếu đúng như thế electron liên tục mất năng lượng thì cuối cùng rơi vào hạt nhân và nguyên tử không tồn tại.
-Để giải quyết bế tắc đó năm 1913 Bohr giữ nguyên mẫu nguyên tử hành tinh của Rutherford và kết hợp với thuyết lượng tử Planck dẫ đưa ra mẫu nguyên tử hidro với các định đề sau:
-Trong nguyên tử electron không thể quay theo quỹ đạo baaatjkif nào mà chỉ được quay số quỹ đạo nhất định. Mỗi quỹ đạo “được phép” này ứng với một năng lượng xác định.
-Khi quay theo các quỹ đạo được phép, electron không mất năng lượng, nghĩa là không phát ra bức xạ khi electron từ một quỹ đạo có năng lượng cao nhảy về một quỹ đạo có mức năng lượng thấp và năng lượng hν của bức xạ bằng hiệu của hai mức năng lượng đó.
-Khi quay theo các quỹ đạo “được phép” electron có momen động
Dựa trên cơ học lượng tử người ta thay đổi mô hình nguyên tử của Bohr để xây dựng nên mô hình hiện đại về nguyên tử. Quỹ đạo xác định trong mô hình Bohr được thay bằng một quỹ đạo xác suất, trên đó điện tử có thể được tìm thấy với một xác suất nhất định, quỹ đạo khả dĩ hay là trạng thái khả dĩ của điện tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử. Sự xắp xếp của các điện tử trong nguyên tử tuân theo nguyên lý Aufbau, tức là các điện tử sẽ chiếm các trạng thái có năng lượng thấp nhất, nhưng chúng phải thỏa mãn
nguyên lý loại trừ Pauli nói rằng không thể có nhiều hơn hai điện tuwrtrong nguyên tử ở trạng thái năng lượng có bốn số lượng tử giống nhau, sau đó chung phải thỏa mãn quy tắc Hund phát biểu rằng các điện tử sẽ chiếm quỹ đạo sao cho có số quỹ đạo nhiều nhất đối với một điện tử. Quy tắc Hund được Friedrich Hund đưa ra khi tính đến lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tử trên một quỹ đạo.
Mô hình nguyên tử được chấp nhận ngày nay như sau: nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tử và các điiện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân được tạo thành từ các hạt proton mang điện tích dương và các hạt neutron không mang điện. Mỗi nguyên tố chỉ có một số proton duy nhất nhưng có thể có số neutron khác nhau (các nguyên tố này được gọi là đồng vị). Hạt nhân của điện tử chiếm một vùng không gian rất nhỏ so với nguyên tử. Nếu coi hạt
nhân là một quả cầu bán kính 1m đặt tại hà nội thì điện tử to bằng hạt cát ở gần nhất cũng cach đó 100km tức là ở Hải Phòng.
Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo. Sự xáp xếp của các quỹ đạo trong nguyên tử được gọi là cấu hình điện tử. Mỗi quỹ đạo được đặc trưng bởi ba số lượng tử là: số lượng tử chính, số lượng tử phụ, số lượng tử từ. trên mỗi quỹ đạo có thể có hai điện tử, nhưng hai điện tử này phải có một số lượng tử thứ tư là spin khác nhau. Các quỹ đạo của điện tử không phải là một đường cố định mà là sự phân bố xác suất mà các điện tử có thể có mặt. Các điện tử sẽ chiếm các quỹ đạo có năng lượng thấp nhất (gần hạt nhân nhất)chỉ có các lớp điiện tử ở lớp ngoài cùng mới có khả năng tham gia liên kết
Tiếp tục phát triển thuyết lượng tử năm 1924 DeBroglie đưa ra giả thuyết là “không phải chỉ có photon mới có bản chất sóng mà những hạt vi mô như electron chẳng hạn cũng có tính chất đó”. Chuyển động của các hạt vi mô có thể xem là chuyển động sóng, bước sóng của chuyển động đó tuân theo một hệ thức giống với hệ thức của photon về sau được gọi là hệ thức Debroglie
Với những hạt vi mô, nghĩa là hạt mắt trông thấy được có bước sóng bé đến mức không thể đo được. Quan niệm về bản chất sóng của electron đã được Đêvixơn và Giecmơ chứng minh bằng thực nghiệm.
Vậy electron cũng có bản chất sóng-hạt như photon. Tính chất hai mặt đó sẽ được thấy rõ hơn qua nguyên lý bất định của Heisenberg đề ra năm 1927.
Heisenberg chứng minh rằng tích của độ bất định về vị trí và độ bất định về tọa độ không thể bé hơn Theo Heisenberg trong quy mô nguyên tử không nên nói một cách chính xác toán học rằng đường đi của hạt mà pahir có một giải bất định trong đó htj chuyển động khắp toàn vùng của các vị trí có thể có được. Bởi thế chỉ nên nói đến xác suất tìm thấy ở chỗ nào, tại lúc nào đó và nguyên lý bất định có thể được phát biểu: “về nguyên tắc không thể xác định chính xác cả vị trí lẫn tốc độ của các hạt thuộc quy mô nguyên tử”.Theo nguyên lý bất định khái niệm quỹ đạo electron của Bohr và Xommofen trở thành vô nghĩa đối với electron.
Hơn thế nữa công trình của Debroglie đã đặt nền móng cho cơ học lượng tử, mà cơ sơ của cơ học lượng tử là phương trình sóng của Schrodinger đề ra năm 1926. Toàn bộ vấn dề lý thuyết hiện đại về nguyên tử
và phân tử là giải phương trình sóng Schrodinger cho các hệ đó.
Các kết quả thu được đều phù hợp với thực nghiệm Các số lượng tử trong thuyết Bohr và Xommofen được đưa ra một cách giả thiết còn trong cơ học lượng tử các số lượng tử là những kết quả toán học xuất hiện hiển nhiên khi giải phương trình sóng Schrodinger. Các số lượng tử đó là: số lượng tử chính, số lượng tử phụ, số lượng tử từ.
Như vậy mỗi trạng thái của electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi ba số lượng tử. Trong thuyết Bohr, mỗi một bộ ba số lượng tử đó xác định một quỹ đạo tròn và elip của electron. Cơ học lượng tử cho phép xác định chính xác xác suất tìm thấy electron ở hai điểm bất kì trong nguyên tử nhưng không chỉ ra cách rời chỗ của electron từ điểm này sang điểm kia. Nói cách khác cơ học lượng tử không chấp nhận khái niệm quỹ đạo của electron mà thay khái mệm đó bằng cách mô tả những chỗ ma electron có xác suất tìm thấy lớn nhất.
4.Ý NGHĨA CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ PLANCK
Thuyết lượng tử không những giải thích chính xác sự cấu tạo vật chất mà Democrit đã hình dung mà con quyết định rất lớn sự phồn vinh của nhân loại. Cuối thế kỉ 20 thế giới vật lý dựa trên hai cột trụ mới là thuyết tương đối của Einstein và thuyết lượng tử của Planck. Nhưng đời sống thực tế của con người thì ba cột trụ của khoa học có ảnh hưởng quyết định là cuộc cách mạng lượng tử, cách mạng sinh học DNA và cách mạng máy tính với mức độ chưa từng có trước đó trong lịch sử.
Ngày nay thuyết lượng tử không những là nền tảng của vật lý và thiên văn hiện đại, hóa học, sinh học mà còn đưa đến hai cuộc cách mạng máy tính và sinh học phân tử, không những thế nó sẽ có thể thực hiện những cuộc hợp phối giữa những cuộc cách mạng đó đầy lý thú. Một tương lai lượng tử hứa hẹn đang chờ đợi. Nói tóm lại thuyết lượng tử sẽ thâm nhập và làm nảy sinh ra những công nghệ đỉnh cao, cách mạng nhất của trong thế kỉ 21 và cả trong ba cuộc cách mạng khoa học vĩ đại của nhân loại.
Thuyết lượng tử Planck đã làm một cuộc cách mạng vĩ đại và bao quát về sự hiểu bieetfs thế giới nguyên tử, gây ảnh hưởng sâu sắc toàn diện và triệt để liên nhiều ngành khoa học cơ bản khác làm thay đổi bộ maaawtj nền công nghiệp thế giới và cả thế giới quan của con người. Từ nhiều thập niên qua thuyết lượng tử đã và đang âm thầm đi vào và phong phú hóa uộc sống đời thường của con người. Xung quanh ta đều có mặt của những ứng dụng của thuyết lượng tử như công nghệ lazer, Ipod CD, máy tính, điện thoại di động, màn hình tivi siêu mỏng…và nhiều áp dụng quan trọng trong y khoa.
Một phần ba tổng sản lượng của cường quốc số 1 thế giới hiện nay có nguồn gốc từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử.
Sự lớn mạnh của nhưng lý thuyết lượng tử đã lam cho cơ học lượng tử ngày càng phát triển mạnh và phồn thịnh hơn, đạt được những thành công vang dội hơn nữa.
