by
Công chúng thường biết đến Albert Einstein như người khám phá ra thuyết tương đối, làm thay đổi quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian. Chắc ai cũng biết thuyết tương đối bao gồm thuyết tương đối hẹp, được Einstein tìm ra năm 1905, và thuyết tương đối rộng, được ông tìm ra 10 năm sau. Tuy nhiên có thể không phải ai cũng biết là giải thưởng Nobel về vật lý năm 1921 của Einstein lại nhắc đến một khám phá khác của ông: hiệu ứng quang điện. Đây là công trình Einstein viết cũng vào năm 1905, cùng năm với công trình về thuyết tương đối hẹp và một công trình nữa, cũng rất nổi tiếng, về chuyển động Brown. Hiệu ứng quang điện là đóng góp lớn nhất của Einstein vào thuyết lượng tử, lý thuyết mà sau này được Bohr, Heisenberg, Schrödinger và nhiều người khác phát triển lên nhưng lại bị Einstein nghi ngờ đến cuối đời.
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng khi ta chiếu ánh sáng vào một tấm kim loại thì thỉnh thoảng điện tử bị bứt ra khỏi kim loại. Ta có thể đoán là ánh sáng càng mạnh thì càng nhiều điện tử bị bứt ra. Phán đoán này hoá ra là không hoàn toàn đúng: có những nguồn ánh sáng rất mạnh không gây ra hiệu ứng quang điện, nhưng có những nguồn yếu hơn lại gây ra hiệu ứng này. Thực nghiệm cho thấy rằng hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào tần số của ánh sáng. Ví dụ, với cùng một mẫu kim loại, ánh sáng đỏ hoặc tia hồng ngoại không gây ra hiệu ứng nhưng ánh sáng tím hoặc cực tím lại có tác dụng.
Einstein giải thích điều này bằng cách áp dụng và mở rộng giả thuyết lượng tử của Planck. Einstein giả thuyết rằng ánh sáng bao gồm các hạt photon, mỗi hạt mang một năng lượng tỉ lệ thuận với tần số của ánh sáng;
Ở đây
là năng lượng của hạt photon, 
là tần số của ánh sáng, và 
là hằng số Planck. Công thức trên có tên là công thức Planck, công thức mà theo tôi đáng lẽ ra phải nổi tiếng hơn công thức E=mc2.
Hiệu ứng quang điện là quá trình một hạt photon truyền năng lượng cho một hạt điện tử. Để bứt một điện tử ra khỏi mảnh kim loại ta cần một năng lượng tối thiểu nhất định, ta gọi là
. Như vậy chỉ khi 
ánh sáng mới có thể bứt được điện tử ra khỏi khối kim loại. Nếu 
thì nguồn sáng có mạnh thế nào cũng không có photon đủ năng lượng để gây ra hiệu ứng quang điện.
Bạn có thể hỏi liệu có khi nào hai hạt photon, hoặc nhiều hơn, cùng hợp sức để bứt ra một điện tử hay không. Điều này về nguyên tắc có thể xảy ra, nhưng xác suất rất thấp, có thể bỏ qua.
Hiệu ứng quang điện có liên quan trực tiếp đến một câu hỏi hay được đặt ra hiện nay: điện thoại di động có gây tác hại cho sức khoẻ hay không? Một trong những điều làm nhiều người lo lắng là khả năng gây ung thư của sóng điện thoại. Nhiều người còn nói là sóng điện từ trong lò vi sóng cũng có thể gây ra ung thư.
Nếu ta nhớ lại công thức của Einstein thì ta sẽ thấy những lo lắng này không có cơ sở. Đó là do tần số sóng của các thiết bị điện tử quá thấp để có thể gây ra những biến đổi của phân tử ADN. Tần số sóng trong lò vi sóng là 2500 MHz, tần số của điện thoại di động là 800 MHz hay 1900 MHz. Hằng số Planck là 4×10-9 eV/MHz, như vậy 2500 MHz tương đương với năng lượng 10 phần triệu eV, trong khi các quá trình hoá học hay sinh hoá cần năng lượng cỡ ít nhất 0.1 eV, nếu không phải là 1 eV. Sự chênh lệch đến 10-100 nghìn lần giữa hai cỡ năng lượng làm cho lò vi sóng hay điện thoại di động không thể làm biến đổi gien của miếng thịt để trong lò, hay cơ thể chúng ta. (Tia cực tím thì lại khác, vì tần số của tia cực tím cao hơn tần số của điện thoại di động đến cả triệu lần, nên nó có đủ năng lượng để gây tác hại cho tế bào).
Tất nhiên là điện thoại di động hay các thiết bị điện tử có thể có những tác hại khác, ví dụ cho tâm lý hay giấc ngủ của người dùng, nhưng chúng ở ngoài khuôn khổ của bài viết này.
Einstein giải thích điều này bằng cách áp dụng và mở rộng giả thuyết lượng tử của Planck. Einstein giả thuyết rằng ánh sáng bao gồm các hạt photon, mỗi hạt mang một năng lượng tỉ lệ thuận với tần số của ánh sáng;
Ở đây
là năng lượng của hạt photon, là tần số của ánh sáng, và là hằng số Planck. Công thức trên có tên là công thức Planck, công thức mà theo tôi đáng lẽ ra phải nổi tiếng hơn công thức E=mc2.Hiệu ứng quang điện là quá trình một hạt photon truyền năng lượng cho một hạt điện tử. Để bứt một điện tử ra khỏi mảnh kim loại ta cần một năng lượng tối thiểu nhất định, ta gọi là
. Như vậy chỉ khi ánh sáng mới có thể bứt được điện tử ra khỏi khối kim loại. Nếu thì nguồn sáng có mạnh thế nào cũng không có photon đủ năng lượng để gây ra hiệu ứng quang điện.Bạn có thể hỏi liệu có khi nào hai hạt photon, hoặc nhiều hơn, cùng hợp sức để bứt ra một điện tử hay không. Điều này về nguyên tắc có thể xảy ra, nhưng xác suất rất thấp, có thể bỏ qua.
Hiệu ứng quang điện có liên quan trực tiếp đến một câu hỏi hay được đặt ra hiện nay: điện thoại di động có gây tác hại cho sức khoẻ hay không? Một trong những điều làm nhiều người lo lắng là khả năng gây ung thư của sóng điện thoại. Nhiều người còn nói là sóng điện từ trong lò vi sóng cũng có thể gây ra ung thư.
Nếu ta nhớ lại công thức
của Einstein thì ta sẽ thấy những lo lắng này không có cơ sở. Đó là do tần số sóng của các thiết bị điện tử quá thấp để có thể gây ra những biến đổi của phân tử ADN. Tần số sóng trong lò vi sóng là 2500 MHz, tần số của điện thoại di động là 800 MHz hay 1900 MHz. Hằng số Planck là 4×10-9 eV/MHz, như vậy 2500 MHz tương đương với năng lượng 10 phần triệu eV, trong khi các quá trình hoá học hay sinh hoá cần năng lượng cỡ ít nhất 0.1 eV, nếu không phải là 1 eV. Sự chênh lệch đến 10-100 nghìn lần giữa hai cỡ năng lượng làm cho lò vi sóng hay điện thoại di động không thể làm biến đổi gien của miếng thịt để trong lò, hay cơ thể chúng ta. (Tia cực tím thì lại khác, vì tần số của tia cực tím cao hơn tần số của điện thoại di động đến cả triệu lần, nên nó có đủ năng lượng để gây tác hại cho tế bào).Tất nhiên là điện thoại di động hay các thiết bị điện tử có thể có những tác hại khác, ví dụ cho tâm lý hay giấc ngủ của người dùng, nhưng chúng ở ngoài khuôn khổ của bài viết này.
Nguồn bài viết: Blog của giáo sư Đàm Thanh Sơn
0 comments: