Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 20
1911 – 1920
Những quan điểm mới về vật chất

Năm 1910 đánh dấu một trăm năm việc xuất bản cuốn Một hệ triết lí hóa học mới
của John Dalton, cuốn sách mô tả bản chất nguyên tử của vật chất. Một trăm năm tiến bộ
trong ngành hóa học đã chứng minh cho sức mạnh của quan niệm đơn giản rằng toàn bộ
vật chất cấu thành từ các nguyên tử.
Tuy nhiên, vẫn chưa có ai chỉ ra được nguyên tử của một nguyên tố khác với
nguyên tử của nguyên tố khác ở chỗ nào. Các tính chất hóa học khác nhau dường như liên
quan đến số electron trong nguyên tử thuộc các nguyên tố khác nhau, nhưng các electron
quá nhẹ để giải thích những khác biệt lớn về khối lượng nguyên tử. Đa phần khối lượng
của một nguyên tử cấu thành từ cái gì đó khác vẫn chưa được hiểu rõ. Vì các nguyên tử
trung hòa điện, nên phần vật chất chưa biết đó phải mang một điện tích dương bằng với
điện tích âm của tất cả các electron của nguyên tử đó. Nhưng phần tích điện dương đó là
cái gì, và tự nhiên đã xây dựng nên các nguyên tử từ nó và các electron như thế nào?
Thập niên thứ hai của nền vật lí thế kỉ 20 sẽ bị thống trị bởi câu hỏi đó, và nhiều
khám phá quan trọng và bất ngờ nhất sẽ đến từ các phòng thí nghiệm thuộc trường Đại học
Manchester của Ernest Rutherford.

Khám phá ra hạt nhân nguyên tử
Ernest Rutherford không hề giành được giải Nobel Vật lí nào, có lẽ vì thành tựu lớn
nhất của ông chỉ xuất hiện 3 năm sau khi ông giành giải Nobel Hóa học năm 1908. Năm
1911, sau khi bị thách đố bởi những kết quả bất ngờ của các thí nghiệm tán xạ hạt alpha
của Geiger và Marsden, ông đã đưa ra lời giải thích của mình cho những phép đo của họ

quay tròn bị gia tốc về phía hạt nhân tích điện dương bởi lực hút điện. Trong cả hai trường
hợp, vật đang quay tròn liên tục rơi về phía vật ở giữa nhưng không bao giờ rơi vào vật ở
giữa vì chuyển động của nó nằm trong một hướng khác.

Trong trường hợp các hành tinh, đó là một tình huống ổn định. Tuy nhiên, đối với
một electron bị gia tốc, thì hệ phương trình Maxwell, cả khi đã được Einstein sửa đổi, tiên
đoán rằng nó sẽ phát ra các sóng đện từ. Năng lượng của những sóng đó sẽ phát sinh từ
động năng (năng lượng của chuyển động) của nó, nghĩa là nó sẽ từ từ chậm lại và xoắn ốc
vào trong hạt nhân trong vòng một phần rất nhỏ của một giây. Vì các nguyên tử là bền, cho
nên có cái gì đó không đúng hoặc với các định luật điện từ học, hoặc với mô hình
Rutherford.
Mô hình mới đã thay đổi nhưng không trả lời được một câu hỏi cũ về các nguyên
tử. Các nhà khoa học thường bối rối trước sự khác biệt giữa số nguyên tử và khối lượng
nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Giờ thì họ biết rằng khối lượng của một nguyên tử chủ
yếu nằm ở hạt nhân của nó, họ lại hỏi những câu hỏi tương tự về hạt nhân. Tại sao hạt nhân
helium có khối lượng gấp bốn lần hạt nhân hydrogen khi điện tích của chúng chỉ gấp đôi,
và tại sao hạt nhân chì có điện tích 82 đơn vị và khối lượng 207?
Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 22
Mẫu hạt nhân của Rotherford không mang lại những cái nhìn sâu sắc ngay tức thời
vào những câu hỏi đó, nhưng nó vẫn mang lại những tiện lợi quan trọng trong việc tìm hiểu
những hiện tượng khác, ví dụ như sự phóng xạ. Giờ thì Rutherford có thể nhận ra các hạt
alpha là hạt nhân helium và các hạt beta là electron. Ông có thể mô tả sự phóng xạ là một
quá trình phân hủy hoặc phân rã hạt nhân, trong đó một hạt nhân mẹ phát ra hoặc một hạt
nhân helium, hoặc một electron và để lại phía sau một hạt nhân con thuộc một nguyên tố
khác. (Tia gamma không bao giờ được phát ra đơn độc mà luôn luôn đi cùng với phân rã
alpha, hoặc beta).

Thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden
mang lại một khám phá bất ngờ: Một lá kim loại mỏng làm cho một phần nhỏ các
hạt alpha năng lượng cao bị tán xạ xa ra hai bên hoặc thậm chí bật ngược trở lại.
Niels Bohr đã phát triển một
lí thuyết giải thích quang phổ
vạch của hydrogen là kết quả
của các electron thực hiện
các chuyển tiếp giữa những
mức năng lượng được phép
và phát ra những lượng tử
ánh sáng có năng lượng bằng
với sự chênh lệch giữa các
mức.

Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 24
Bohr bắt đầu phân tích của ông bằng cách giả sử rằng quang phổ vạch là kết quả
của sự phát xạ từ những nguyên tử cá lẻ. Các mẫu tần số có mặt trong những phát xạ đó có
thể làm sáng tỏ vì sao các quỹ đạo electron là bền trong sự vi phạm hiển nhiên của các định
luật điện từ học hay không ? Điều gì sẽ xảy ra nếu các định luật vật lí chỉ đòi hỏi những
quỹ đạo nhất định là bền? Với một electron đơn độc, hydrogen là nguyên tử đặc biệt dễ
phân tích. Công thức cho lực hút hấp dẫn và lực hút điện có cùng dạng thức toán học với
điện tích thay thế cho khối lượng và một hằng số điện thay thế cho hằng số hấp dẫn. Cả hai
phát biểu rằng lực giảm khi khoảng cách tăng lên theo mối quan hệ tỉ lệ nghịch bình
phương. Nếu khoảng cách tăng gấp đôi, thì lực giảm bằng một phần tư (một phần hai nhân
hai) giá trị trước đó của nó; nếu khoảng cách tăng ba lần, thì lực giảm đi chín lần (ba lần

Rutherford và đội của ông tiếp tục nghiên cứu tán xạ hạt alpha của họ cho đến năm
1913, sử dụng các nguồn hạt alpha khác nhau và các lá kim loại khác nhau để tinh chỉnh
những kết luận của họ. Khi đó, mô hình hạt nhân của nguyên tử đã được thiết lập vững
chắc. Nhưng cái gì làm cho hạt nhân của một chất khác với hạt nhân của chất kia? Hai con
số rõ ràng quan trọng là điện tích và khối lượng. Điện tích dương của hạt nhân tương ứng
với nhân dạng của hạt nhân là một nguyên tố hóa học nhất định, hoặc chỗ nó nằm khớp
trong bảng tuần hoàn. Khi bị bao quanh bởi một số electron bằng với điện tích đó, nó là
Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 25
một nguyên tử trung hòa, và các electron là nguyên nhân cho hành trạng hóa học của
nguyên tử đó.
Khối lượng hạt nhân, như Soddy chỉ rõ, có thể khác nhau giữa hai đồng vị thuộc
cùng một nguyên tố. Nhưng khối lượng, giống như điện tích, dường như xuất hiện theo
đơn vị cơ bản. Hạt nhân đơn giản nhất là hydrogen, với một đơn vị điện tích và một đơn vị
khối lượng.
Khi Thế chiến thứ nhất bùng nổ vào năm 1914, nghiên cứu vật lí cơ bản là một
trong những cái bị tổn thất do sinh viên bị gọi đi nhập ngũ hoặc phục vụ cho những nhiệm
vụ thời chiến khác. Bản thân Rutherford cũng trở nên dính líu với việc dò tìm tàu ngầm,
nhưng ông còn có thời gian để tiếp tục nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Ông quyết định
theo đuổi một kết quả gây tò mò của Marsden, người đã bắn phá chất khí hydrogen với các
hạt alpha.
Khi một hạt alpha va chạm với một hạt nhân cố định, nặng hơn, thuộc một nguyên
tố kim loại, nó đổi hướng chuyển động nhưng mất ít năng lượng. Tuy nhiên, khi mục tiêu
là chất khí hydrogen, thì cú va chạm tương tự như quả bi-a bị bắn bởi quả cầu nặng khác.
Cả hạt alpha và hạt nhân hydrogen đều nảy ngược trở lại khỏi chỗ va chạm. Nếu nó là một
va chạm gần như trực diện, thì hạt nhân hydrogen có thể bật đi ở tốc độ còn cao hơn cả tốc
độ mà hạt alpha tới có được.
Lúc ấy, Rutherford bắt đầu gọi hạt nhân hydrogen là proton để ngụ ý rằng chúng là
những hạt hạ nguyên tử cơ bản giống như electron. Hơn nữa, những thí nghiệm đó đã dạy
ông cách phân biệt proton với các hạt alpha khi chúng đập lên màn hình dò tìm của ông.
Khả năng ghi nhận proton sớm tỏ ra rất hữu ích. Khi Rutherford bắt đầu bắn phá chất khí