|
nvdtdnguyen
member
ID 16597
10/29/2006
|
Giải Nobel Vật lư(3)
(cont)
**********Tính chất điện của chất rắn**********
Chuyển động của các điện tử trong kim loại ở trạng thái dẫn điện b́nh thường đă được mô h́nh hóa về lư thuyết đến một độ phức tạp chưa từng có từ khi có mặt của cơ học lượng tử. Một trong những bước tiến lớn ban đầu là việc đưa vào khái niệm sóng Bloch, hàm sóng được lấy tên của nhà vật lư Felix Bloch (người nhận nửa giải Nobel vật lư năm 1952 cho công tŕnh nghiên cứu về cộng hưởng từ). Một khái niệm quan trọng nữa là chất lỏng điện tử trong các chất dẫn điện do Lev Landau (xem phần hêli lỏng). Philip W. Anderson đă có những đóng góp quan trọng vào lư thuyết cấu trúc điện tử của các kim loại, đặc biệt là các bất đồng nhất trong các hợp kim và các nguyên tử từ tạp chất trong các kim loại. Nevill F. Mott đă nghiên cứu các điều kiện chung cho tính dẫn điện của điện tử trong chất rắn và đưa ra các công thức xác định các điểm mà một chất bán dẫn biến thành một chất dẫn điện (chuyển pha Mott) khi thành phần hoặc các thông số bên ngoài bị thay đổi. Anderson và Mott chia nhau một nửa giải Nobel năm 1977 và một nửa giải được trao cho John H. Van Vleck cho các nghiên cứu lư thuyết về cấu trúc điện tử của các hệ từ và mất trật tự.
**********Tính chất nhiệt của chất rán*********
Một giải Nobel vật lư trước đây (1920) đă được trao cho Charles E. Guillaume cho phát hiện cho thấy rằng giăn nở nhiệt của một số thép-nikel (hợp kim được gọi là invar) bằng không. Giải Nobel này được trao chủ yếu bởi tầm quan trọng của các hợp kim invar trong các phép đo chính xác được dùng trong vật lư, ngành đo đạc và đặc biệt là thước mét chuẩn được đặt ở Paris. Các hợp kim này được dùng rất rộng răi trong các dụng cụ có độ chính xác cao như là đồng hồ,... Các cơ sở lư thuyết về sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ giăn nở chỉ mới được giải thích gần đây. Và mới đây (1998), Walter Kohn nhận giải Nobel hóa học cho các phương pháp của ông khi xử lư các tương quan trao đổi lượng tử, mà nhờ đó người ta có thể vượt qua các giới hạn trong tính toán cấu trúc điện tử trong chất rắn và các phân tử.
**************Chất bán dẫn*************
Trong các chất bán dẫn, độ linh động của các điện tử bị giảm đi rất mạnh do có sự tồn tại của vùng cấm năng lượng đối với các điện tử, gọi là các khe năng lượng. Sau khi người ta hiểu được vai tṛ cơ bản của các tạp chất cho điện tử và nhận điện tử trong silicon siêu sạch (và sau này c̣n có các vật liệu khác), các chất bán dẫn được sử dụng làm các bộ phận trong điện kĩ thuật. William B. Shockley, John Bardeen (xem thêm lư thuyết BCS) và Walter H. Brattain đă tiến hành các nghiên cứu cơ bản về siêu dẫn và đă phát triển transistor loại một. Đó là b́nh minh của kỉ nguyên linh kiện điện tử. Họ cùng nhận giải Nobel năm 1956.
Sau này Leo Esaki đă phát triển đi ốt đường ngầm, một linh kiện điện tử có điện trở vi phân âm, đó là một tính chất kĩ thuật rất thú vị. Nó tạo thành từ hai chất bán dẫn pha tạp loại n và loại p, có một đầu chuyển dư điện tử và một đầu khác thiếu điện tử. Hiệu ứng đường ngầm xuất hiện khi điện thế dịch lớn hơn khe năng lượng trong các chất bán dẫn. Ông chia giải Nobel vật lư năm 1973 với Brian D. Josephson.
Với kĩ thuật hiện đại, người ta có thể tạo các màng mỏng cấu trúc xác định từ các vật liệu bán dẫn và chúng thể tiếp xúc trực tiếp với nhau. Với cấu trúc không đồng nhất như vậy, con người không bị giới hạn vào các khe năng lượng trong các chất bán dẫn như silicon hoặc germani nữa. Herbert Kroemer đă phân tích lư thuyết về độ linh động của các điện tử và lỗ trống trong các chuyển tiếp không đồng nhất. Lí thuyết của ông dẫn đến việc tạo ra các transistor với các đặc trưng được cải tiến rất nhiều mà sau này gọi là HEMT (transistor có độ linh động điện tử cao). Các HEMT rất quan trọng đối với các linh kiện điện tử tốc độ cao ngày nay. Kroemer cũng giả thiết rằng các cấu trúc không đồng nhất kép có thể tạo điều kiện cho hoạt động của laser, cùng khoảng thời gian với Zhores I. Alferov đưa ra ư tưởng như thế. Sau này Alferov đă tạo ra laser bán dẫn xung đầu tiên vào năm 1970. Sự kiện này là điểm khởi đầu của kỉ nguyên các dụng cụ quang điện hiện này đang dùng trong các đi ốt laser, đầu đọc đĩa CD, đầu đọc mă vạch và cáp quang viễn thông. Và gần đây, Alferov và Kroemer chia nhau một nửa giải Nobel vật lư năm 2000, nửa giải c̣n lại về tay Jack S. Kilby, đồng phát minh mạch điện tử tích hợp (xem phần sau Vật ly và Kĩ thuật).
Khi áp một thế điện cực lên các hệ cấu trúc không đồng nhất, người ta có thể tạo ra các màng ngược, trong đó các hạt tải điện chỉ chuyển động trong không gian hai chiều. Các màng như vậy lại hóa ra có các tính chất rất thú vị và ḱ lạ. Năm 1982, Klaus von Klitzing phát hiện ra hiệu ứng Hall lượng tử. Khi một từ trường mạnh đặt vuông góc với mặt phẳng của màng giả hai chiều, th́ các điều kiện lượng tử lại không tăng một cách tuyến tính với sự tăng của từ trường mà lại tăng một cách nhảy bậc ở biên của mẫu. Điện trở Hall giữa các bậc này có giá trị h/ie2 trong đó i là các số nguyên tương ứng với các quĩ đạo điện tử bị lượng tử hóa. Hiệu ứng này cho phép có thể đo tỉ số giữa các hằng số cơ bản rất chính xác, nó có hệ quả quan trọng trong kĩ thuật đo lường, von Klitzing nhận giải Nobel vật lư năm 1985.
Một ngạc nhiên nữa đến ngay sau khi Daniel C. Tsui và Horst L. Störmer thực hiện các nghiên cứu kĩ hơn về hiệu ứng Hall lượng tử sử dụng các màng ngược trong các vật liệu siêu sạch. Trạng thái ổn định xuất hiện trong hiệu ứng Hall không chỉ đối với từ trường tương ứng với sự lấp đầy của các quĩ đạo bởi một, hai, ba v.v. giá trị điện tích của điện tử mà c̣n đối với các điện tích không nguyên! Điều này chỉ có thể được hiểu dựa vào một khái niệm về chất lỏng lượng tử mới mà ở đó chuyển động của các điện tử độc lập có điện tích e được thay thế bởi các kích thích trong một hệ nhiều hạt mà hệ này cư xử (trong một từ trường mạnh) như thể các điện tích có giá trị e/3, e/5,... tham gia vào. Robert B. Laughlin phát triển lư thuyết miêu tả trạng thái mới của vật chất này và chia giải Nobel vật lư năm 1998 với Tsui and Störmer.
***********Hiệu ứng Mossbauer****************
Đôi khi các phát hiện trong một lĩnh vực của vật lư lại hóa ra có các ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực vật lư khác. Một ví dụ liên quan đến vật lư chất rắn đó là quan sát của Rudolf L. Mössbauer vào cuối những năm 1950. Hạt nhân của nguyên từ hấp thụ có thể bị kích thích cộng hưởng bởi các tia gamma phát ra từ các nguyên tử phát xạ được chọn một cách hợp lư khi các nguyên tử trong cả hai trường hợp được bắn ra sao cho sự giật lùi của chúng loại trừ nhau. Năng lượng bị lượng tử hóa của hạt nhân trong điện từ trượng nội của chất rắn đó có thể được xác định v́ năng lượng đó tương ứng với các vị trí khác nhau của sự cộng hưởng mà sự cộng hưởng này rất sắc nét. Hiệu ứng Mössbauer này là cơ sở của phổ Mossbauer, nó trở nên quan trọng trong việc xác định cấu trúc điện từ của nhiều vật liệu và Mössbauer nhận một nửa giải Nobel vật lư năm 1961 cùng với R. Hofstadter.
Phổ Mossbauer
-----------Vật lư và kỹ thuật-------------
Giải Nobel 1912 đă được trao cho Nils Gustaf Dalén cho phát minh về van mặt trời tự động được dùng rộng răi trong các cột mốc và phao trong ngành hàng hải. Phát minh đó dựa trên sự khác nhau về bức xạ nhiệt từ các vật có độ phản xạ ánh sáng khác nhau. Hiệu ứng này được dùng để ngắt nguồn cấp khí tự động vào ban ngày và làm giảm nhiều nhu cầu bảo dưỡng trên biển.
Khoảng đầu thế kỉ 20, Gabriel Lippmann đă phát triển một phương pháp chụp ảnh màu sử dụng hiệu ứng giao thoa ánh sáng. Phương pháp của Lippmann mất nhiều thời gian phơi sáng. Sau này phương pháp đó bị thay thế bởi các kĩ thuật nhiếp ảnh khác nhưng nó lại có nhiều ứng dụng trong kĩ thuật tạo ảnh ba chiều chất lượng cao.
Trong hiển vi quang học, Frits Zernike cho thấy rằng thậm chí các vật hấp thụ bức xạ rất yếu (trong suốt khi nh́n bằng mắt thường) có thể nh́n thấy được nếu chúng tạo thành từ những vùng có hệ số khúc xạ ánh sáng khác nhau. Trong kính hiển vi nhạy pha của Zernike, người ta có thể phân biệt các vệt sáng có pha bị thay đổi khi đi qua các vùng không đồng nhất. Kính hiển vi loại này có tầm quan trọng đặc biệt trong việc quan sát các mẫu sinh học. Zernike nhận giải Nobel vật lư năm 1953. Vào những năm 1940, Dennis Gabor đề ra nguyên lư ảnh ba chiều. Ông tiên đoán rằng nếu tia sáng tới có thể giao thoa với tia phản xạ từ một mảng hai chiều th́ có thể tạo được một ảnh ba chiều của vật thể. Tuy vậy, việc thực hiện ư tưởng này phải đợi đến khi laser được phát hiện. Laser có thể cung cấp ánh sáng cố kết cần thiết cho quan sát hiện tượng giao thoa nói ở trên. Gabor nhận giải Nobel năm 1971.
Hiển vi điện tử có ảnh hưởng sâu rộng trên nhiều lĩnh vực khoa học tự nhiên. Ngay sau khi C. J. Davisson và G. P. Thomson phát hiện ra bản chất sóng của điện tử, người ta nhận thấy rằng bước sóng ngắn của điện tử năng lượng cao có thể làm tăng độ phân giải so với hiển vi quang học. Ernst Ruska tiến hành các nghiên cứu cơ bản về quang điện tử và thiết kế kính hiển vi điện tử đầu tiên hoạt động vào những năm đầu của thập niên 1930. Ruska nhận một nửa giải Nobel vật lư vào năm 1986, nửa giải c̣n lại được chia đều cho Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, hai người đă phát triển một phương pháp khác hẳn để thu được các bức ảnh với độ phân giải cực cao. Phương pháp của họ được ứng dụng trong nghiên cứu về mặt chất rắn và dựa trên hiệu ứng đường ngầm của các điện tử. Các điện tử của các nguyên tử ở một đầu kim loại rất nhọn có thể chui sang các nguyên tử trên bề mặt chất rắn khi đầu nhọn kim loại đó được di chuyển đến rất gần bề mặt (khoảng 1 nm). Bằng cách giữ cho ḍng điện tử chui ngầm đó cố định và di chuyển đầu nhọn theo bề mặt chất rắn, người ta có thể có được bức ảnh ba chiều của bề mặt chất rắn cần nghiên cứu. Bằng phương pháp này, ta có thể nh́n thấy từng nguyên tử trên bề mặt.
Viễn thông là một trong những thành tựu kĩ thuật vĩ đại của thế kỉ 20. Vào những năm 1890, Guglielmo Marconi đă làm thí nghiệm với sóng điện từ của Heinrich Rudolf Hertz mới được phát hiện vào lúc đó. Ông là người đầu tiên liên lạc một trong những trạm phát sóng trên mặt đất với một ăng ten đặt trên cao có vai tṛ tương tự như một trạm thu sóng. Trong khi các thí nghiệm đầu tiên của Hertz được tiến hành trong phạm vi pḥng thí nghiệm th́ Marconi đă mở rộng khoảng cách truyền tín hiệu đến vài km. Carl Ferdinand Braun đưa mạch cộng hưởng vào các máy phát dao động của Hertz. Độ ḥa âm và khả năng tạo các dao động mạnh không bị chặn làm tăng dải truyền sóng, và vào năm 1901 Marconi đă thành công trong việc thu phát sóng vô tuyết vượt Đại Tây Dương. Marconi và Braun cùng nhận giải Nobel vật lư năm 1909. Vào thời điểm này, người ta vẫn không hiểu làm thế nào mà sóng vô tuyến có thể truyền với những khoảng cách xa. Sir Edward V. Appleton đă chứng minh bằng thực nghiệm rằng một giả thiết trước đó của Oliver Heaviside và Arthur Edwin Kennelly cho rằng sóng vô tuyến bị phản xạ giữa các lớp không khí có độ dẫn khác nhau trong khí quyển là đúng. Appleton đă đo giao thoa của sóng trực tiếp và sóng phản xạ với các bước sóng khác nhau và có thể xác định độ cao của các lớp Heaviside, hơn nữa ông c̣n t́m ra một lớp nữa cao hơn lớp Heaviside gọi là các lớp Appleton. Appleton nhận giải Nobel vật lư năm 1947.
Các tiến bộ trong vật lí hạt nhân và vật lí hạt phụ thuộc rất nhiều vào kĩ thuật cao (và đôi khi lại thúc đẩy kĩ thuật phát triển). Điều này được minh họa bằng các công tŕnh của John Cockcroft và Ernest Walton cho việc phát triển máy gia tốc tĩnh điện tuyến tính và các công tŕnh của Ernest Lawrence cho phát triển cyclotron tĩnh điện tuyến tính. Việc ghi nhận các hạt năng lượng cao cũng là một thử thách kĩ thuật, thành công trong vấn đề đó đă được ghi nhận bằng vài giải Nobel.
Giải Nobel vật lư năm 1958 được chia cho Pavel A. Cherenkov, Il'jia Frank và Igor Y. Tamm cho các phát hiện và giải thích của họ về hiệu ứng Cherenkov. Đó là sự phát xạ ánh sáng trong một nón có góc mở đặc biệt xung quanh hướng của hạt mang điện, khi vận tốc của nó vượt vận tốc ánh sáng trong môi trường mà nó chuyển động. V́ góc nón này có thể được sử dụng để xác định vận tốc của hạt, công tŕnh của các nhà vật lư này nhanh chóng trở thành cơ sở cho sự phát triển các đầu thu rất hiệu quả.
Việc nh́n thấy đường đi của các hạt trong các phản ứng là cần thiết để giải thích các sự kiện xảy ra khi năng lượng cao. Các thí nghiệm ban đầu với năng lượng tương đối thấp sử dụng các vết để lại trên giấy ảnh. Charles T. R. Wilson đă phát triển một buồng, trong đó các hạt có thể nh́n thấy v́ chúng để lại các vết do ion hóa khí. Trong buồng Wilson, khí có thể dăn nở rất nhanh, điều này làm giảm nhiệt độ và dẫn đến hóa đặc hơi xung quanh các điểm bị ion hóa, các hạt này có thể nh́n thấy khi chiếu sáng mạnh. Wilson nhận nửa giải Nobel vật lư năm 1927 với Arthur H. Compton.
Các bước tiến tiếp theo trên cùng hướng nghiên cứu nói trên đă được thực hiện khi Donald A. Glaser phát minh ra buồng bọt. Vào những năm 1950, các máy gia tốc đă đạt năng lượng từ 20 – 30 tỉ eV và các phương pháp thu hạt trước đó không c̣n phù hợp nữa; độ dài của các vết khí đă quá dài đối với buồng Wilson. Các hạt nhân nguyên tử trong buồng bọt (thường chứa hiđrô lỏng) được dùng như các cái bia, và vết do hạt tạo thành có thể được theo dơi. Tại nhiệt độ họat động, chất lỏng bị quá nóng và bất ḱ một hiện tượng gián đoạn nào, như vùng ion hóa, ngay lập tức h́nh thành các bọt nhỏ. Luis W. Alvarez đă tiến hành các cải tiến quan trọng đặc biệt là các cải tiến liên quan đến kĩ thuật ghi và phân tích dữ liệu. Công tŕnh của ông đă đóng góp vào việc mở rộng số các hạt cơ bản, đặc biệt là các "cộng hưởng", cái sau này được hiểu là các trạng thái kích thích của các hệ gồm các quark và gluon. Glaser nhận giải Nobel vật lư năm 1960 và Alvarez năm 1968. Bước phát triển mới nhất về đầu thu các hạt này được nh́n nhận bằng một giải Nobel (1992) là công tŕnh của Georges Charpak. Ông đă nghiên cứu chi tiết quá tŕnh ion hóa trong chất khí và đă sáng tạo ra buồng dây, một đầu thu chứa khí trong đó các dây được bố trí dày đặc để thu các tín hiệu điện gần các điểm ion hóa, nhờ đó có thể quan sát được đường đi của hạt. Buồng dây và các biến thể của nó, buồng chiếu thời gian và một số tổ hợp tạo thành từ buồng dây/phát xung ánh sáng/Cherenkov tạo thành các hệ thống phức tạp cho phép tiến hành các nghiên cứu chọn lọc cho các hiện tượng cực hiếm (như việc h́nh thành các quark nặng), tín hiệu của các hiện tượng này thường bị lẫn trong các nền nhiễu mạnh của các tín hiệu khác.
Giải Nobel đầu tiên của thiên niên kỉ mới (2000) được trao cho Jack S. Kilby v́ các thành tựu đặt nền tảng cho công nghệ thông tin hiện nay. Vào năm 1958, ông đă chế tạo mạch tích hợp đầu tiên mà trong đó các chi tiết điện tử được xây dựng trong một thực thể duy nhất tạo thành từ vật liệu bán dẫn, sau này gọi là các chip. Điều này mở ra con đường thu nhỏ kích thước và sản xuất hàng loạt các mạch điện tử. Kết hợp với việc phát triển các linh kiện dựa trên các cấu trúc không đồng nhất miêu tả trước đây (nhờ đó mà Alferov và Kroemer được nhận một nửa giải Nobel), mạch tích hợp dẫn đến cuộc cách mạng công nghệ thông tin đă thay đổi rất nhiều xă hội của chúng ta ngày nay.
_______________TÀI LIỆU THAM KHẢO THÊM________________
http://nobelprize.org/
http://www.nobelprizes.com/nobel/physics/
http://vietsciences.free.fr/design/cht_vutrutrongmotvohat.htm
Alert webmaster - Báo webmaster bài viết vi phạm nội quy
|
Trang nhat
