Sự phát sáng của nguyên tử

Image

Hôm nay chia sẻ với mọi người một đề thi vật lý của trường Wisconsin rất hay như sau:

Đề bài:
In the days before Quantum Mechanics, a big theoretical problem was to “stop” an atom from emitting light. Explain. After Quantum Mechanics, a big theoretical problem was to make atoms in excited states emit light. Explain. What does make excited atoms emit light?
–> Nghĩa là Những ngày trước của cơ học lượng tử, một vấn đề lớn đã không lý giải được đó là nguyên tử phát sáng. Giải thích. Sau cơ học lượng tử một vấn đề lớn đã làm cho các nguyên tử trong trạng thái kích thích phát sáng. Giải thích. Điều gì đã làm cho nguyên tử ở trạng thái kích thích phát sáng?

Trả lời:
– Đối với những ngày tháng khi chưa xuất hiện cơ học lượng tử ta có: theo mô hình nguyên tử của Rutherford, các điện tử sẽ chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo elip. Khi đó theo điện động học cổ điển, một bức xạ cần được phát ra khi các điện tử (mang điện tích âm) tăng tốc. Điều này làm cho các nguyên tử phát sáng. Các bức xạ phát ra sẽ dẫn đến nguyên tử bị mất năng lượng liên tục và khiến cho các điện tử đâm vào hạt nhân. Tuy nhiên thực tế là các nguyên tử luôn chuyển động trên một quỹ đạo ổn định và chúng không phát ra ánh sáng. Các nỗ lực được đưa ra để lý giải vấn đề này khi đó, ví dụ đề xuất một cơ chế có thể ngăn chặn sự phát sáng của nguyên tử. Tuy nhiên tất cả các nỗ lực khi đó đều thất bại.
– Sau khi cơ học lượng tử ra đời: Một nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử đó là, nếu không có tương tác bên ngoài vào hệ, Hamiltonian của hệ sẽ độc lập với thời gian. Điều này nghĩa là một nguyên tử trong trạng thái kích thích sẽ vẫn ổn định và không phát ra ánh sáng một cách tự nhiên. Tuy nhiên, trong thực tế các nguyên tử trong trạng thái kích thích đã xảy ra chuyển đổi tự phát và phát ra ánh sáng. Chúng ta sẽ giải thích điều này như sau: theo điện động học lượng tử, một nguyên tử là không bao giờ đứng một mình, chúng luôn đi theo cặp và tạo thành trường dao động lượng tử. Sự tương tác giữa trường dao động lượng tử và các điện tử trong nguyên tử sẽ chứa thành phần của một photon tạo ra toán tử a+. Nó chính là thành phần đã làm cho các nguyên tử trong trạng thái kích thích phát sáng và là nguyên nhân của sự chuyển đổi tự phát.
Chú ý: các nguyên tử kích thích là các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao, sự chuyển đổi tự phát là quá trình các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp.

Liên hệ cuộc sống:
Đó là thế giới vi mô, còn thế giới vĩ mô thì sao, đã bao giờ bạn tự hỏi, tại sao mặt trăng không bị yếu dần và đâm vào trái đất chưa?.
Các bạn chú ý là mặt trăng một bao giờ tồn tại một mình với trái đất, có rất nhiều thứ khác xung quanh trái đất như mặt trời chẳng hạn. Và nếu không có những thứ đó, mặt trăng rất có thể đã bị đâm vào trái đất rồi. Điều này cũng giống cơ chế của điện tử được giải thích ở trên, khác là mặt trăng và mọi thứ xung quanh tạo thành một trường lực hấp dẫn. Có một liên hệ vui đó là: biết đâu đó cũng chính là lí do tại sao chúng ta không nên sống FA :p, nếu chúng ta không muốn bị sụp đổ và mất cân bằng. Bởi vì khi bạn có một trường “tình thân” hay “tình bạn” tốt đẹp, thì sẽ không ai để cho bạn bị sụp đổ đâu, thậm chí bạn còn có thể toả sáng như các nguyên tử bởi vì cơ chế của các định luật nó là vậy.😀

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