Joseph John Thomson và những di sản khoa học ở Phòng thí nghiệm Cavendish, Cambridge (phần 2)

(Tiếp theo kỳ trước)

1. Khám phá cấu trúc nguyên tử

JJThomson2Năm 1885, có một quyết định dẫn đến những thay đổi đột phá ở Cavendish và cả ở Cambridge, đó là quyết định cho phép những sinh viên đã tốt nghiệp từ nơi khác có thể nhận bằng cử nhân Bachelor of Art (B. A.) [1] của Cambridge trong vòng 2 năm ở Cambridge mà không cần phải trải qua các kỳ thi nếu họ nộp một luận văn xuất sắc là kết quả nghiên cứu nguyên bản của chính họ. Và quyết định này đã dẫn đến việc Cambridge tiếp nhận nhiều sinh viên xuất sắc từ nước ngoài, ví dụ như nhà vật lý học gốc New Zealand, Ernest Rutherford, hay Pyotr Kapitsa [2] từ Nga năm 1918…  J. J. Thomson đã hoàn thành xuất sắc vị trí của mình với ba cương vị, một nhà khoa học kiệt xuất, một nhà sư phạm lỗi lạc (với 7 học trò ở Cavendish được giải Nobel), một nhà lãnh đạo khoa học xuất sắc đưa Cavendish trở thành một “thánh địa” vật lý ở nước Anh và trên toàn thế giới. Năm 1896 (tức là tới 12 năm sau khi bắt đầu làm giáo sử ở Cavendish), J.J. Thomson đã cùng với hai cộng sự khác là John Sealy Townsend (1868-1957) và Harold A. Wilson (1874-1964) hoàn thành nghiên cứu về tia âm cực (cathode ray) để kết luận tia âm cực là một chùm hạt cơ bản mang điện tích âm, là một phần của nguyên tử, mà sau đó được gọi là “điện tử” (electron). Phát hiện này nằm trong đề tài nghiên cứu của Thomson về sự dẫn điện trong môi trường khí, và tia âm cực từng được nghiên cứu bởi nhiều nhà vật lý ở Châu Âu, mà ở Anh là William Crookes (1832-1919), nhà vật lý, hóa học người Anh, người đã chế tạo ra ống Crookes tạo tia âm cực khi còn làm việc ở Cao đẳng Hóa học Hoàng gia (Royal College of Chemistry) – ngôi trường sau này trở thành Khoa Hóa học của Đại học Hoàng gia London (Imperial College London) [3] danh tiếng. J. J. Thomson cho rằng tia âm cực phải là một chùm hạt, nhưng nhiều nhà khoa học ở Châu Âu thời đó coi rằng tia âm cực là một nhiễu loạn ether (etherial disturbance). Nhà vật lý người Đức Heinrich R. Hertz (1857-1894) đã từng nghiên cứu và phát hiện rằng tia âm cực có thể đi xuyên qua các bản kim loại mỏng, nhưng đã thực hiện sai thí nghiệm và cho rằng tia âm cực không bị bẻ cong bởi điện từ trường.

Ảnh chụp J. J. Thomson bên thiết bị thí nghiệm về tia âm cực, thí nghiệm đã giúp ông phát hiện ra điện tử và nghiên cứu những đặc trưng của điện tử  và hình chụp tia âm cực bị bẻ cong trong từ trường (nguồn: Cavendish Laboratory).
Ảnh chụp J. J. Thomson bên thiết bị thí nghiệm về tia âm cực, thí nghiệm đã giúp ông phát hiện ra điện tử và nghiên cứu những đặc trưng của điện tử và hình chụp tia âm cực bị bẻ cong trong từ trường (nguồn: Cavendish Laboratory).

Thomson đã chỉ ra rằng tia âm cực có thể bị bẻ cong bởi điện trường bằng cách cho tia âm cực đi qua điện trường giữa hai bản kim loại. Hertz cũng từng làm tương tự nhưng đã sai lầm khi để áp suất khí trong ống quá lớn khiến cho vùng khí giữa hai bản kim loại bị ion hóa do điện trường, dẫn đến việc điện trường bị giảm mạnh (do các điện tích trong khí chạy về các bản điện cực làm giảm điện tích), và tia âm cực khi đó bị bẻ cong rất ít và Hertz đã không thể phát hiện ra sự bẻ cong đó. J. J. Thomson đã nhận ra điều đó và đã hút chân không trong ống tia âm cực, và quan sát thấy tia âm cực bị hút về phía bản kim loại mang điện tích dương, do đó tia âm cực phải mang điện tích âm. Thomson lại đặt thêm các cuộn dây có dòng điện chạy qua (dòng điện này tạo ra từ trường, và một cặp cuộn dây đối xứng cho phép tạo ra từ trường đều), và cho phép quan sát tia âm cực bị bẻ cong thành một cung tròn do tác động của từ trường. Thomson đã khéo léo bố trí các bản kim loại (tạo điện trường) và cuộn dây (tạo từ trường) sao cho tác động của từ trường và điện trường lên tia âm cực là ngược chiều nhau và bù trừ nhau, qua đó tính toán được vận tốc của chùm tia âm cực là tỉ số của điện trường và từ trường: v = E/B. Đồng thời, việc đo đạc độ lệch của chùm tia âm cực trong điện trường cho phép xác định chính xác tỉ số điện tích/khối lượng (điện tích riêng – specific charge, q/m) của hạt trong chùm tia âm cực [4]. Thomson đã đo đạc điện tích riêng của hạt này, và nhận thấy nó lớn hơn 2000 lần so với điện tích riêng của ion hydro (hạt nhẹ nhất được tìm ra năm 1897), và khẳng định hạt này nhẹ hơn hydro tới 2000 lần. Điều này lý giải tại sao nó có thể dễ dàng xuyên qua một tấm vàng mỏng. Đồng thời J. J. Thomson cũng sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau (nhôm, sắt, bạch kim…) để tạo ra tia âm cực, và thay đổi nhiều loại kim loại làm điện cực điện trường và nhận thấy tính chất của chùm tia âm cực luôn cố định. Và ông đã đi đến kết luận tia âm cực được cấu thành bởi một loại hạt mang điện tích riêng, phổ quát trong vũ trụ và là một thành phần của nguyên tử, và dường như nằm ở lớp vỏ của nguyên tử. Ban đầu, J. J. Thomson chỉ đặt tên nó là một hạt corpuscle, và cái tên “electron” (điện tử) được nhà vật lý học George Francis FitzGerald (1851-1901) ở Trinity College Dublin đặt vào năm 1896, và nhanh tróng được chấp nhận rộng rãi cho đến ngày nay. Ngược lại lịch sử, tia âm cực (cathode ray) đã lôi cuốn rất nhiều nhà vật lý của Châu Âu đổ công sức nghiên cứu. Đầu tiên là phát hiện của Michael Faraday [5] với việc quan sát thấy các tia hồ quang phát ra từ cực âm khi cho dòng điện chay qua ống chứa khí ở áp suất thấp vào năm 1838. Vào năm 1857, nhà vật lý người Đức Heinrich Geissler đã cải thiện chất lượng chân không của ống và quan sát rõ sự hình thành của các tia sáng trong ống khi đặt vào hiệu điện thế cao tới vài kV, thậm chí 100 kV. Vào năm 1870, William Crookes đã tạo ra ống phát tia âm cực (được gọi là ống Crookes) với chân không đạt tới 10-6 atm, cho phép tạo ra tia âm cực tốt hơn và có thể nghiên cứu một cách chi tiết hơn. Mặc dù không phải là người đầu tiên bước chân vào lĩnh vực này, nhưng J. J. Thomson đã thu được một thành công rực rỡ với việc hiểu được bản chất của tia âm cực là chùm hạt điện tử phát xạ ra từ âm cực.

Phát hiện lịch sử của J. J. Thomson đã đưa nhân loại thêm một bước tiến trong việc hiểu bản chất của vật chất. Điện tử là có thể coi là một hạt cơ bản “phổ thông” nhất trong mọi mặt của đời sống với vai trò hạt dẫn điện, càng cho thấy phát kiến của J. J. Thomson có tầm quan trọng như thế nào. Phát kiến của ông chính là nền tảng để học trò, và người kế nhiệm ông ở ghế giáo sư Cavendish là E. Rutherford xây dựng mô hình hành tinh nguyên tử, và con trai ông, nhà vật lý học George Paget Thomson (1892-1975) phát hiện ra hiện tượng nhiễu xạ điện tử hơn 30 năm sau đó (1927) và giành giải Nobel Vật lý năm 1937. Dựa trên nghiên cứu về điện tử, J. J. Thomson đã chứng minh rằng nguyên tử hydro chỉ có một điện tử. Bên cạnh phát hiện ra điện tử, J. J. Thomson còn xây dựng khối phổ kế (Mass spectroscopy) và qua đó phát hiện ra hiện tượng đồng vị hóa học vào năm 1912. Nghiên cứu về điện tử của J. J. Thomson đã trở thành nền tảng quan trọng cho hoạt động nghiên cứu ở Cavendish sau này, với việc tạo ra những đóng góp lớn trong việc tìm hiểu cấu trúc nguyên tử. Học trò của J. J. Thomson, người nối tiếp ghế giáo sư Cavendish của Thomson là Ernest Rutherford đã thực hiện thí nghiệm dùng chùm hạt alpha (các hạt nhân He4) bắn phá một lá vàng và qua đó khẳng định nguyên tử gồm hai thành phần: hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử quay quanh hạt nhân như các hành tinh quay quanh mặt trời (mô hình này được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử). Năm 1932, dưới sự hướng dẫn của E. Rutherford, một nhà nghiên cứu khác của Cavendish là James Chadwick (1891-1974) [6] đã phát hiện ra neutron, một hạt không mang điện tích, một thành phần của hạt nhân nguyên tử.

2. Một người thầy vĩ đại, nhà quản lý khoa học xuất sắc

Song song với cương vị một nhà khoa học xuất chúng, J. J. Thomson có thể coi là một nhà sư phạm lỗi lạc. Thời gian ông lãnh đạo Cavendish là thời gian mà Cavendish lần đầu tiên thu hút sinh viên từ các nơi khác đến học nhờ chính sách mở thông qua việc tham gia nghiên cứu khoa học của sinh viên. Cũng chính thời gian này, Cavendish lần đầu tiên cấp bằng Tiến sĩ (Doctor of Philosophy, PhD). Thời gian J. J. Thomson lãnh đạo là thời gian mà Cavendish đã thu hút được rất nhiều sinh viên xuất sắc tham gia nghiên cứu và rất nhiều trong số họ sau này đã trở thành những nhà vật lý xuất sắc, tạo ra trường phái vật lý Cavendish. J. J. Thomson đã có tới 17 sinh viên do ông hướng dẫn sau này trở thành những nhà vật lý lừng danh, và 7 người trong số họ đã giành giải Nobel danh tiếng bao gồm Ernest Rutherford (Người Anh gốc New Zealand, Nobel Hóa học năm 1908 về nghiên cứu nguyên tử), William Lawrence Bragg (Người Anh gốc Australia, Nobel Vật lý năm 1915 cho nghiên cứu nhiễu xạ tia X), Charles Glover Barkla (người Anh, Nobel Vật lý năm 1917 cho nghiên cứu về phổ tia X), Niels Bohr (Người Đan Mạch, Nobel Vật lý 1922 về vật lý nguyên tử), Francis William Aston (Người Anh, Nobel Hóa học năm 1922 cho phát minh ra khối phổ kế và đồng vị), Charles T. R. Wilson (người Anh, Nobel Vật lý năm 1927 cho phát minh ra buồng mây), Owen Richardson (người Anh, Nobel Vật lý năm 1928 cho nghiên cứu về hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử). Có lẽ chưa từng có người thầy nào trong lịch sử từng hướng dẫn tới 7 sinh viên giành giải Nobel như J. J. Thomson. Cả con trai J. J. Thomson là Sir George Paget Thomson (cũng là một sinh viên của Cavendish do Lord Rayleigh hướng dẫn) cũng được trao giải Nobel Vật lý năm 1937 do phát hiện ra hiện tượng nhiễu xạ điện tử trên các tinh thể Nickel – một hiện tượng khẳng định tính chất sóng của điện tử – một tính chất trái ngược lại với tính chất hạt trong nghiên cứu của J. J. Thomson.

Ảnh chụp Cavendish Laboratory, tòa nhà mang tên nhà vật lý Bragg ở phía tây Cambridge (nguồn: Cavendish Laboratory).

J. J. Thomson đã giữ vị trí Giáo sư Vật lý Cavendish 35 năm (1884-1919), sau đó thôi lãnh đạo Cavendish để chuyển sang làm hiệu trưởng của Trinity College (Master of Trinity College) cho đến khi qua đời vào năm 1940. 35 năm dưới sự lãnh đạo của J. J. Thomson, Cavendish Laboratory đã có bước phát triển vượt bậc với 4 Giải Nobel Vật lý, Hóa học được trao cho các nhà nghiên cứu của Cavendish, và nhiều nhà khoa học xuất chúng được đào tạo. Hai học trò của J. J. Thomson là Ernest Rutherford và William Braggs đã nối tiếp nhau giữ vị trí Giáo sư của J. J. Thomson để lại, và đưa Cavendish tiếp tục phát triển mạnh với nhiều thành tựu nghiên cứu ảnh hưởng lớn đến nhân loại. Ngày nay, Cavendish Laboratory trở thành Khoa Vật lý (Department of Physics) của Viện Đại học Cambridge, và tên gọi Cavendish Laboratory vẫn được dùng như một niềm tự hào của các sinh viên và nhà nghiên cứu theo học và làm việc tại đây. Tính đến ngày nay, đã có tới 29 giải Nobel trong các lĩnh vực Vật lý, Hóa học, Sinh lý học được trao cho các nhà nghiên cứu và sinh viên của Cavendish (xem thêm bảng tóm tắt một số nghiên cứu quan trọng của Cavendish Laboratory tạo nên những đột phá lớn trong khoa học). Có lẽ chưa từng có một đơn vị cấp khoa (Department) nào trên thế giới từng giành được nhiều giải Nobel đến như vậy. Số lượng giải Nobel của Cavendish thậm chí còn cao hơn cả nhiều quốc gia có nền khoa học phát triển (ví dụ như Nhật Bản giành được tổng số 19 giải Nobel trong nhiều lĩnh vực), và vượt xa cả những trung tâm nghiên cứu lớn với lực lượng nhà nghiên cứu hùng hậu hơn và tài chính dồi dào hơn (ví dụ như AT&T Bell Labs nổi tiếng với 7 giải Nobel, hay IBM Research Laboratories với 5 giải Nobel). Các nhà nghiên cứu của Cavendish Laboratory từng được trao giải Nobel trong lĩnh vực mà ít ai nghĩ nó được trao cho các nhà vật lý là lĩnh vực Sinh lý – Y học (James Watson và Francis Crick năm 1962). Những nhà nghiên cứu như của Cavendish J. J. Thomson, J. C. Maxwell, E. Rutherford, W. Braggs,… đã đem đến cho nhân loại những kiến thức khoa học trở thành nền tảng kinh điển của vật lý. Ngày nay, Cavendish vẫn đào tạo ra nhiều nhà khoa học tiên phong trong lĩnh vực vật lý, ví dụ như Richard H. Friend (Hiện giữ ghế Giáo sư Cavendish kể từ năm 1995) [7], nhà tiên phong trong nghiên cứu bán dẫn hữu cơ, bán dẫn nền carbon; hay Stuart S. P. Parkin (người Anh, được trao bằng PhD tại Cavendish năm 1980) [8], nhà nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực điện tử học spin (spintronics) [9] của IBM Almaden… Phòng thí nghiệm Cavendish xứng đáng được coi là một trong những trung tâm nghiên cứu và đào tạo hàng đầu về lĩnh vực vật lý trên thế giới, và tiên phong trong nhiều lĩnh vực của vật lý. Sự phát triển của Cavendish Laboratory như ngày nay là nhờ những đóng góp lớn của J. J. Thomson trong cả nghiên cứu khoa học cũng như đào tạo và xây dựng nền tảng. Bên cạnh đó, câu chuyện về sự hình thành của Cavendish Laboratory cũng là một bài học về những đóng góp tài chính của các cá nhân cho khoa học có thể đem lại những thành tựu lớn lao như thế nào.

Một số thành tựu khoa học có ảnh hưởng lớn được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu của Cavendish Laboratory.

Năm Thành tựu Người thực hiện Ghi chú
1896 Phát hiện ra điện tử J. J. Thomson Nobel Vật lý 1906
1911 Mẫu hành tinh nguyên tử E. Rutherford
1912 Nhiễu xạ tia X L. Bragg Nobel Vật lý 1915
1932 Phát hiện ra neutron J. Chadwick Nobel Vật lý 1935
1929 Nhiễu xạ điện tử G. P. Thomson Nobel Vật lý 1937
1953 Cấu trúc AND F. Crick và J. Watson Nobel Sinh lý học 1962
1962 Chui hầm lượng tử siêu dẫn [10] B. Josephson Nobel Vật lý 1973
1979 Thống nhất tương tác yếu A. Salam Nobel Vật lý 1979

3. Bài học cho Việt Nam

Sự hình thành và phát triển của Cavendish Laboratory chính là một bài học tiêu biểu để Việt Nam có thể học tập trong việc phát triển nền khoa học và công nghệ nước nhà. Trong điều kiện nền khoa học còn yếu kém, việc xây dựng những phòng thí nghiệm như Cavendish Laboratory với sự tài trợ tài chính từ các nhà hảo tâm, cộng với cơ chế làm việc khoa học, hiện đại, kết hợp với việc sử dụng các nhà khoa học (không nhất thiết phải là người Việt) có trình độ cao và tham vọng khám phá khoa học sẽ là một chìa khóa cho việc phát triển khoa học Việt Nam. Đặc biệt hơn, trong điều kiện hiện nay, có rất nhiều người Việt Nam trở thành những tỉ phú từ việc bắt kịp sự những cơ hội từ đổi mới kinh tế. Nếu có thể thu hút họ tình nguyện đem một phần tài chính đóng góp cho việc xây dựng các phòng thí nghiệm, trung tâm khoa học (như tấm gương của Cavendish), hay trường học, bệnh viện… thì sẽ có ích lợi cho đất nước hơn rất nhiều so với việc vung tiền tài trợ cho các cuộc thi sắc đẹp, các cuộc thi thể thao mang tính hình thức và bệnh thành tích. Và dĩ nhiên, việc này sẽ khiến tên tuổi các nhà hảo tâm được lưu danh với hậu thế hơn nhiều so với những việc lãng phí khác.

Tác giả xin cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Xuân Xanh đã động viên và hỗ trợ trong quá trình viết bài.

Tài liệu tham khảo

[1]             Trước đây, các trường Cambridge, Oxford và Trinity College Dublin (Ireland) trao bằng Bachelor of Art (BA) và Master of Art (MA) cho cả sinh viên các ngành khoa học thay vì Bachelor of Science và Master of Science như các trường đại học khác.

[2] Pyotr Leonidovich Kapitsa (Пётр Леони́дович Капи́ца, 1894 – 1984), một trong những nhà vật lý vĩ đại của Nga, cùng thế hệ với Landau, người đã phát hiện ra hiện tượng siêu chảy của Helium lỏng. Ông đã có hơn 10 năm theo học và làm nghiên cứu tại Cavendish Laboratory từ năm 1918 dưới sự hướng dẫn của Ernst Rutherford, và từng làm giám đốc Phòng thí nghiệm Mond tại Đại học Cambridge từ năm 1930-1934, và trở thành Viện sĩ của Hiệp hội Hoàng gia London năm 1929. Kapitsa là một trong những nhà vật lý có ảnh hưởng lớn nhất đến nền vật lý của Liên Xô, và từng từ chối gặp mặt Stalin và Beria. Kapitsa được trao giải Nobel Vật lý năm 1978 cho phát hiện của ông về siêu chảy từ năm 1937.

[3] Đại học Hoàng gia London có tên đầy đủ là Đại học Khoa học, Công nghệ và Y học Hoàng gia London (The Imperial College of Science, Technology and Medicine – ICL) được thành lập năm 1907, ban đầu là một thành viên của liên minh University of London. Năm 2007, trường tách ra khỏi liên minh và thành một đại học độc lập. Cùng với Oxford, Cambridge, ICL là một trong những đại học danh tiếng nhất của Vương quốc Anh luôn nằm trong top 10 bảng xếp hạng các đại học xuất sắc nhất thế giới.

[4] Các tính toán này ngày nay là một bài toán cơ bản trong giáo trình vật  lý căn bản, có thể tham khảo một tính toán đơn giản trên trang web của Cavendish về thành tựu của J. J. Thomson: http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/electron/electron5_1.htm

[5] Michael Faraday (1791-1867), một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất của nước Anh, người đã giành cả đời nghiên cứu về điện – từ, điện hóa. Michael Faraday đã từ chối tước hiệu hiệp sĩ của Hoàng gia Anh (nếu nhận tước hiệu, ông sẽ trở thành Chủ tịch của Hiệp hội Hoàng gia – Royal Society of London) vì không muốn làm nhà khoa học quý tộc. M. Faraday có ảnh hưởng lớn đến nhiều nhà khoa học sau này (Albert Einstein luôn giữ hai bức ảnh của I. Newton và M. Faraday như hai thần tượng).

[6] James Chadwick cũng là một nhà khoa học Anh tham gia dự án Manhattan (Manhattan Project) của Chính phủ Mỹ chế tạo bom nguyên tử trong thế chiến thứ 2.

[7] Trang chủ của nhóm nghiên cứu Quang điện tử (Optoelectronics) tại Cavendish Laboratory lãnh đạo bởi Richard Friend: http://www.oe.phy.cam.ac.uk/people/oestaff/rhf10.htm

[8] Stuart Stephen Papworth Parkin, IBM Fellow, người Anh, nhận bằng B. A. của Trinity College năm 1977 và tốt nghiệp PhD năm 1980 ở Cavendish Laboratory. S. Parkin là một nhà nghiên cứu tiên phong về spintronics, là lãnh đạo nhóm nghiên cứu spintronics tại Trung tâm Nghiên cứu IBM Almaden (Mỹ), và từng nhiều lần là ứng viên giải Nobel Vật lý. Đường dẫn về Parkin trên trang chủ IBM: http://researcher.ibm.com/researcher/view.php?person=us-stuart.parkin

[9] Điện tử học spin – spintronics hay spin-electronics là lĩnh vực nghiên cứu tạo ra các linh kiện điện tử thế hệ mới kết hợp hai thuộc tính của điện tử là spin và điện tích.

[10] Nghiên cứu về siêu dẫn của B. Josephson vẫn còn để lại ảnh hưởng đến nghiên cứu hiện tại ở Cavendish. Hiện nay, nhóm nghiên cứu siêu dẫn của Josephson để lại vẫn tiếp tục, và được lãnh đạo bởi GS. Brian Pippard, một học trò của B. Josephson. http://www.qm.phy.cam.ac.uk/index.php

1 Comment

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s