Bí ẩn của Einstein được giải đáp sau 100 năm

Gần một trăm năm trước, Albert Einstein đã giành được giải Nobel cho nghiên cứu của mình về hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là sự phát ra của các electron khi bức xạ điện từ, chẳng hạn như khi ánh sáng chiếu vào vật liệu. Các electron được phát ra theo cách này được gọi là quang điện tử.

Các nhà khoa học đã xác định được hiệu ứng quang điện trong phân tử. Tuy nhiên, họ vẫn chưa thử nghiệm để xác định được sự phát triển của nó theo thời gian.

Câu hỏi cơ bản về việc mất bao lâu để một electron bị bật ra theo một hướng cụ thể sau khi phân tử bị lượng tử ánh sáng tác động cho đến nay vẫn còn là một bí ẩn. Mới đây, Joans Rist, thành viên một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế tại Viện Vật lý Hạt nhân tại Đại học Goethe Frankfurt, đã đưa ra câu trả lời.

Sử dụng kính hiển vi phản ứng COLTRIMS, Rist đã có thể xác định rằng sự phát xạ diễn ra trong vòng một phần tỷ của phần tỷ giây, tức là khoảng vài atto giây.

Thực hiện thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chiếu ánh sáng tia X vào một mẫu carbon monoxide ở trung tâm của kính hiển vi phản ứng. Phân tử carbon monoxide được tạo thành từ một oxy và một nguyên tử carbon. Chùm tia X có thể đánh bật một trong các điện tử ra khỏi lớp vỏ trong cùng của nguyên tử cacbon. Điều này dẫn đến sự phân mảnh của phân tử, cho phép các nhà khoa học đo lường các nguyên tử oxy, carbon cũng như điện tử được giải phóng.

Theo các định luật vật lý lượng tử, các electron không chỉ có đặc tính hạt mà còn có đặc tính sóng, biểu hiện dưới dạng một mẫu giao thoa trên máy dò.

Rist giải thích: "Trên cơ sở các hiệu ứng giao thoa này, chúng tôi có thể đo bằng kính hiển vi phản ứng, khoảng thời gian trì hoãn với độ chính xác rất cao, ngay cả khi khoảng thời gian đó ngắn đến khó tin. Tuy nhiên, để làm được điều này, chúng tôi đã phải sử dụng một số thủ thuật của vật lý lượng tử".

Theo Till Jahnke, giám sát viên Tiến sĩ của Jonas Rist, các phép đo cũng có thể được áp dụng trong hóa học. Ông nói: "Những phép đo này không chỉ có ích đối với nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực vật lý. Các mô hình được sử dụng để mô tả loại động lực học của điện tử này cũng có liên quan đến quá trình hóa học, trong đó các điện tử không được giải phóng hoàn toàn mà được chuyển sang các phân tử lân cận, và kích hoạt các phản ứng tiếp theo. Trong tương lai, những thí nghiệm như vậy sẽ phần nào giúp hiểu rõ hơn về động lực của phản ứng hóa học".

Năm 1887, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz nhận thấy rằng việc chiếu một chùm tia cực tím vào một tấm kim loại có thể khiến nó bắn ra tia lửa điện.

Kim loại được biết đến là chất dẫn điện tốt, bởi vì các electron liên kết với các nguyên tử khá lỏng lẻo và có thể bị bật ra bởi một vụ nổ năng lượng đột ngột. Mặc dù vậy, điều khó hiểu là các kim loại khác nhau cần những vụ nổ ở tần số ánh sáng khác nhau để có thể xảy ra sự phát xạ điện tử, đồng thời tăng độ sáng của ánh sáng sẽ tạo ra nhiều điện tử hơn mà không làm tăng năng lượng của chúng. 

Tăng tần số của ánh sáng tạo ra các electron có năng lượng cao hơn, nhưng không tăng số lượng được tạo ra. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện, và đã được Albert Einstein giải thích vào năm 1905.