TiaSang
Thứ 3, Ngày 22 tháng 10 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Giải đáp bí ẩn xung quanh động lượng của photon

07/10/2019 08:30 -

Albert Einstein đã nhận được giải Nobel cho việc giải thích hiệu ứng quang điện. Theo Einstein, ánh sáng bao gồm các hạt (các photon) chuyển năng lượng được lượng tử hóa từ electron của nguyên tử. Nếu năng lượng của photon đã đủ, nó sẽ khiến các electron bắn ra khỏi nguyên tử. Nhưng trong quá trình này, cái gì xảy ra với động lượng của photon? Các nhà vật lý tại trường đại học Goethe hiện giờ đang có khả năng trả lời vấn đề này.

Để làm được điều đó, họ đã phát triển và xây dựng một quang phổ kế mới với độ phân giải chưa từng đạt được đến trước đây. Kết quả đã được công bố trong bài báo “Masgnetic fields alter strong-field ionization”  trên tạp chí Nature Physics.

Nghiên cứu sinh Alexander Hartung đã trở thành người thiết kế và lắp đặt thiết bị với nhiều sáng tạo. Thiết bị dài ba mét và cao 2,5 mét xấp xỉ một chiếc ô tô, được đặt trong một phòng thí nghiệm vật lý tại Riedberg Campus, với một lớp vỏ chắn sáng màu đen, bên trong là một tia laser hiệu suất vô cùng cao. Các photon va chạm với các nguyên tử argon riêng rẽ trong thiết bị và theo cách ấy loại bỏ một electron khỏi mỗi nguyên tử. Động lượng của các electron tại thời điểm chúng xuất hiện được đo đạc với độ siêu chính xác trong một ống dài của thiết bị.

Công cụ do Nhóm nghiên cứu COLTRIMS (Hệ động lượng tương tác phản ứng thử nghiệm laser quang  va chạm (Collision Optical Laser Testing Reaction Interacting Momentum System) phát triển, dựa trên nguyên lý đã được tìm ra ở Frankfurt và được áp dụng trên khắp thế giới: nó gồm các nguyên tử riêng rẽ bị ion hóa, hoặc tách các phân tử, và sau đó xác định mô men của các hạt. Dẫu sao, việc chuyển các mô men của photon vào các electron từng được các tính toán lý thuyết dự đoán là rất nhỏ, nhỏ đến mức trước đây người ta không thể đo đạc được. Và đây là lý do vì sao Hartung lại thiết kế cỗ máy “siêu COLTRIMS”.

Khi các photon với số lượng vô cùng lớn từ một luồng xung laser bắn phá một nguyên tử argon, chúng bị ion hóa. Việc phá vỡ nguyên tử này làm tiêu tốn năng lượng của photon. Phần năng lượng còn lại được chuyển sang electron bị phóng thích. Vấn đề đối tác tương tác nào (electron hay các hạt nhân nguyên tử) bảo toàn mô men của photon khiến các nhà vật lý bối rối trong 30 năm qua. “Ý tưởng đơn giản nhất là chỉ cần được gắn vào hạt nhân là động lượng có thể được chuyển sang hạt nặng hơn, tức là hạt nhân nguyên tử. Quá trình này diễn ra càng thuận lợi thì động lượng của photon chuyển tới electron càng nhanh”, giáo sư Reinhard Dörner của viện Vật lý hạt nhân, người hướng dẫn Hartung giải thích. Điều này cũng tương tự việc gió truyền động lượng của nó cho các cánh buồm. Miễn là cánh buồm nhận lấy động lượng một cách nhất quán, mô men của gió sẽ đẩy thuyền đi về phía trước. Dù các dây thừng cũng tác động đến các mô men này thì động lượng của gió vẫn chỉ truyền cho mỗi cánh buồm.

Hóa ra, kết quả mà Hartung có được là thông qua việc thực hiện thí nghiệm hết sức đáng ngạc nhiên. Eletron không chỉ nhận được động lượng dự tính này mà một phần ba của động lượng của photon cuối cùng cũng tới đến hạt nhân nguyên tử. Cánh buồm của con thuyền do đó “biết” điều sẽ xảy ra trước khi các dây thừng tách và ‘cướp’ lấy một ít động lượng của con thuyền. Để có thể giải thích kết quả này với nhiều chính xác hơn, Hartung đã sử dụng khái niệm ánh sáng như sóng điện từ: “Chúng tôi biết các electron đi qua cả một “rào chắn” năng lượng nhỏ. Trong quá trình đó, chúng bị điện trường mạnh của laser đẩy khỏi hạt nhân, còn từ trường chuyển động lượng đính kèm đến các electron”.

Hartung đã dùng một cài đặt đo đạc rất hiệu quả cho thí nghiệm này. Để đảm bảo động lượng kèm thêm của electron không là nguyên nhân tình cờ dẫn đến sự bất đối xứng trong thiết bị, anh đã so khớp luồng xung laser với khí từ hai phía: một từ phải hoặc trái, và sau đó từ cả hai hướng một cách đồng thời, vốn là vấn đề thách thức lớn cho kỹ thuật đo đạc. Phương pháp đo đạc mới nhiều chính xác này hứa hẹn cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc hơn vai trò còn chưa được làm rõ trước đây của các hợp phần từ của ánh sáng laser trong vật lý hạt nhân.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-10-einstein-physicists-mystery-photon-momentum.html