Sự phát triển của học thuyết về cấu trúc của nguyên tử và phân tử

16

D. Rozhdestvensky

PHÁT TRIỂN GIẢNG DẠY VỀ CẤU TRÚC CỦA NGUYÊN TỬ VÀ PHÂN TỬ

Chúng tôi trình bày ở đây một phần báo cáo mà Viện sĩ D.S. Rozhdestvensky đưa ra vào ngày 15 tháng 11 năm 1932 tại cuộc họp kỷ niệm của Viện Hàn lâm Khoa học, nhân kỷ niệm 15 năm Cách mạng Xã hội Chủ nghĩa Tháng Mười vĩ đại. Ấn phẩm được chuẩn bị bởi V. Leshkovtsev.

Chưa có thời đại nào trong lịch sử vật lý mà sự phát triển của nó diễn ra nhanh chóng và dứt khoát như trong 15-20 năm qua. Vào thời điểm này, một cấu trúc tư tưởng khoa học mới và tuyệt vời đã được dựng lên, lời giải có một bí ẩn về cấu trúc của nguyên tử…

Việc chế tạo nguyên tử bắt đầu nhanh chóng do nguồn nguyên liệu dự trữ khổng lồ đã được đưa đến và nằm trên núi theo thứ tự, chờ người chế tạo. Các tính chất tuần hoàn của các nguyên tử, sau nhiều thế kỷ nghiên cứu của Khimki, đã được Mendeleev đưa vào một hệ thống hoàn chỉnh, hệ thống này vẫn giữ được gần như toàn bộ hình dáng ban đầu, cần phải chứng minh về mặt lý thuyết. Hàng chục nghìn công trình về phân tích quang phổ, các mẫu chính xác trong quang phổ dường như chỉ ra rõ ràng vị trí và cách thức xây dựng nên được thực hiện. Nhưng người xây dựng đã đến muộn. Và bây giờ chúng tôi biết tại sao.

Những bộ óc giỏi nhất thời đó chắc chắn đã cố gắng đặt tay vào việc đặt nền móng. Rayleigh đã viết về sự bất lực của mình. Ritz, người đã cống hiến cả cuộc đời ngắn ngủi của mình với tư cách là một nhà nghiên cứu sâu sắc cho lý thuyết phân tích quang phổ, đã không tìm ra cách nào. Không còn nghi ngờ gì nữa, các nhà lý thuyết trở nên nổi tiếng vào đầu thế kỷ này đã thay đổi quan điểm của họ nhiều hơn những gì được viết ra, vì tính chất phẳng lặng của những nỗ lực đã được bộc lộ ngay từ những bước đầu tiên.

Mọi người đều biết bài giảng cuối cùng của J. J. Thomson. Ông đã xây dựng được mô hình nguyên tử hóa học. Bên trong một quả cầu rộng, tích điện dương xuyên suốt khối, các electron được phân bố chính xác. Lực hút và lực đẩy của chúng cân bằng nhau, chúng đứng yên. Điều này là cần thiết trong điện động lực học cổ điển, vì bất kỳ chuyển động nào cũng tương đương với bức xạ, sự mất năng lượng và năng lượng dự trữ trong nguyên tử không thể không được tạo ra. Mô hình nguyên tử này đã nhấn mạnh thành công hệ thống tuần hoàn tám bậc của Mendeleev và do đó đạt được thành công lớn. Nhưng ngay cả cô cũng bất lực trước quy luật phân tích quang phổ. Và thí nghiệm của Rutherford về sự tán xạ của hạt α… cho thấy một bức tranh quen thuộc về các electron nhẹ bao quanh một hạt nhân nặng với số lượng bằng số lượng nguyên tố.

Nhưng tại sao các electron không rơi vào hạt nhân, trung hòa điện tích của nó nếu chuyển động của chúng bị cấm? Niels Bohr đã phải cắt nút dado này. Vào tháng 7 năm 1913, ông tuyên bố hai nguyên lý không chỉ khẳng định chắc chắn ý nghĩa của nguyên tử mà còn tạo ra sự thay đổi trong nền tảng vật lý.

Để làm được điều này cần có sự can đảm, gần như táo bạo.

18

cường độ ánh sáng? Nó tỷ lệ thuận với số lượng lượng tử sự cố. Ý tưởng này đã được Einstein thể hiện rõ ràng. Sự phát triển logic của nó đòi hỏi phải thừa nhận rằng cường độ ánh sáng tỷ lệ thuận với xác suất rơi của lượng tử ánh sáng, và do đó - lượng tử ánh sáng đó lan truyền theo một định luật xác suất nào đó vẫn chưa rõ ràng. Nhìn về phía trước, chúng ta có thể nói rằng dòng suy nghĩ như vậy là điều tự nhiên đối với chúng ta ngày nay (năm 1932), nhưng khi đó ngay cả Einstein cũng không có trong đầu. Ngược lại, ông viết: “… lý thuyết sóng của ánh sáng đã được chứng minh một cách áp đảo trong việc mô tả các hiện tượng quang học rằng nó, tất nhiên, sẽ không bao giờ bị thay thế bởi một lý thuyết khác”. Và chắc chắn là mặt bằng vẫn chưa được chuẩn bị sẵn; Chính khái niệm về lượng tử ánh sáng đã mang tính quyết định. Như đã biết, lò đốt lượng tử hay kim lượng tử chưa được khoa học chấp nhận ngay lập tức. Họ khơi dậy sự nghi ngờ, nhưng không gợi lên sự đồng ý. Thật quá khó để gán các đặc tính của sóng – giao thoa, nhiễu xạ – cho một khối hay một hạt. Bordeaux không chấp nhận quan điểm cho rằng lượng tử ánh sáng là một hạt…

Nhưng trong giai đoạn đầu của lý thuyết lượng tử, ngay cả khái niệm lượng tử ánh sáng như một hạt cũng ít được các nhà nghiên cứu quan tâm. Mọi suy nghĩ đều dồn vào việc nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử hydro và phân tích tác dụng của điện trường và từ trường lên nó. Đặc biệt, đã có nhiều nghiên cứu thành công về va chạm đàn hồi và không đàn hồi của electron với mọi loại nguyên tử (thí nghiệm nổi tiếng do Frank và Hertz khởi xướng từ năm 1913). Lúc đầu, chúng đóng vai trò là một trong những bằng chứng chính xác nhận các nguyên lý của Bohr. Đặc biệt, ở đây, điều trở nên rõ ràng một cách cụ thể là làm thế nào mỗi nguyên tử có thể tồn tại ở các trạng thái khác nhau và làm thế nào một electron tới từ phía ném electron của nguyên tử từ cấp này sang cấp khác, luôn ở một bước nhảy riêng biệt…

Khi chúng ta quan sát sự hấp thụ và phát xạ của ánh sáng đơn sắc có cùng bước sóng, thì quá trình đó được quang học nước ngoài hiểu là sự cộng hưởng. Ánh sáng đồng thời làm dao động các electron và chúng giải phóng bức xạ. Mặt khác, trong lý thuyết lượng tử: một lượng tử ánh sáng bị hấp thụ sẽ chuyển một electron từ cấp này sang cấp khác, từ trạng thái 1 sang trạng thái 3 (xem hình). Khi ở trạng thái 3, electron tự động nhảy trở lại trạng thái 1, mất đi lượng tử đơn sắc đã được hấp thụ trước đó. Chất lượng này không phải là sự tái diễn thành công của quan điểm cũ. Nhưng hóa ra là có những nguyên tử - và có rất nhiều nguyên tử, và hầu hết tất cả các phân tử - trong đó sự quay trở lại từ trạng thái 3 không chỉ về trạng thái 1, mà còn đến trạng thái 2 hoàn toàn mới. Nếu chúng ta thêm điều đó với một lượng tử mới phù hợp, người ta có thể bắt một electron ở trạng thái 3 hoặc 2 và chuyển nó sang trạng thái 4 và sau đó ném electron, giống như một quả bóng đá, từ trạng thái này sang trạng thái khác, thì rõ ràng là người thí nghiệm đã hoàn toàn nắm vững khái niệm về vô số trạng thái của nguyên tử: các mặt lượng tử của vấn đề…

Nhìn về phía trước một chút, chúng ta có thể nói rằng những trải nghiệm ở hiện tại đã cụ thể hóa hành động của Bohr, rằng chính mục đích của hành động đó đã mất đi ý nghĩa; Tuyên bố của Bohr bây giờ là một kết luận rõ ràng và cần thiết từ thí nghiệm. Điều này đặc biệt áp dụng cho việc trao đổi năng lượng bằng lượng tử, quá trình thứ hai, hiệu quả của nó đã và vẫn rất đáng kinh ngạc.