Tại Sao dấu hiệu ánh sáng nguyên tử lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Bắt đầu từ khi khám phá ra nguyên tố xezi năm 1860, các nhà khoa học chỉ dùng một kĩ thuật phân tích hóa học mà đã phát hiện ra thêm 20 loại nguyên tố nữa. Với kỹ thuật này, các nhà thiên văn học có thể biết được những thành phần hóa học cấu tạo nên những thiên thể cách xa chúng ta đến vài triệu năm ánh sáng, các nhà vật lý có thể hiểu cặn kẽ lửa nguyên tử của mặt trời sản sinh ra ánh sáng và nhiệt; các nhà thiên văn học khác cũng có thể tính được sự vận động và tốc độ của những thiên thể xa xôi và dải ngân hà.

Kỹ thuật phân tích được nói đến trên đây chính là phép phân tích được nói đến trên đây chính là phép phân tích quang phổ. Phương pháp này do hai nhà khoa học là Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen phát hiện ra, chủ yếu là phân tích những chất hóa học cháy và ánh sáng phát ra từ những tinh cầu xa xôi. Họ đã phát hiện ra mỗi loại nguyên tố đều phát ra ánh sáng với một tần số đặc biệt. Sự ra đời của quang phổ học đã lần đầu tiên chứng minh được rằng những nguyên tố khác. Điều đó cho thấy xét về góc độ hóa học, thì trái đất không phải là độc nhất vô nhị trong vũ trụ. Phát hiện của hai ông đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như sinh học, vật lý và khoa học nghiên cứu trái đất.

Dấu hiệu ánh sáng nguyên tử đã được phát hiện ra như thế nào?

Năm 1814, nhà thiên văn học người Đức Joseph Fraunhofer phát hiện ra tất cả tần số quang phổ do năng lượng mặt trời bức xạ ra là không đồng đều. Năng lượng mặt trời chủ yếu tập trung ở trên đỉnh năng lượng của một vài tần số đặc biệt nào đó. Một số ý kiến cho rằng phát hiện đó khá thú vị song không có ai nhận ra được tầm quan trong của nó và thế là quan điểm này của Fraunhofer đã chìm vào quên lãng đến 40 năm.

Gustav Kirchhoff sinh năm 1824, ông là một nhà vật lý học người Ba Lan đầy nghị lực mặc dù chiều cao của ông chưa đầy 5 feet. Vào giữa những năm 50 của thế kỷ XIX, Kirchhhoff tập trung vào nghiên cứu dòng điện tại trường đại học Breslau. Năm 1858, trong khi đang làm phụ tá trợ giảng cho một vị giáo sư, Kirchhhoff chú ý thấy trong quang phổ của ngọn lửa có những tia rất sáng. Hiện tượng đó đã làm ông nhớ lại trường hợp tương tự được miêu tả trong tác phẩm của Joseph Fraunhofer mà ông từng có dịp được đọc. Sau khi tiến hành nghiên cứu, Kirchhhoff đã phát hiện ra: điểm sáng (hay tia sáng) trong ánh sáng phát ra của ngọn lửa mà ông nghiên cứu có sự tương đồng về tần suất và độ dài của sóng với phát hiện trong bức xạ mặt trời của Fraunhofer.

Kirchhhoff suy ngẫm rất lâu về phát hiện đó và trong đầu ông nảy ra một ý định: Dùng lăng kính để tách bất kì chùm sáng nào ông muốn nghiên cứu thành các phần cấu tạo nên nó. Cách làm phổ biến thời đó là tiến hành quan sát thông qua một loạt các thiết bị lọc ánh sáng hằng thủy tinh màu. Người ta tin rằng phương pháp này có thể tìm thấy ngọn sáng trong bức xạ của bất kỳ chất khí đang cháy nào.

Tuy nhiên kế hoạch của ông đã không được thuận lợi. Ngọn lửa mà ông dùng để đống nóng các chất khí lại có độ sáng quá cao, do vậy đã ảnh hưởng đến sự quan sát.

Vào lúc đó, nhà hóa học người Đức Robert Bunsen cũng tham gia vào nghiên cứu. Năm 1858, Bunsen khi đó 47 tuổi và đang miệt mài nghiên cứu về quang hóa học – ánh sáng của các nguyên tố khi cháy phát ra. Trong thời gian nghiên cứu, Bunsen đã phát minh ra một loại đèn thắp trong đó không khí và khí gas sẽ hòa lẫn trong đèn trước khi đốt lửa. Chúng ta ngày nay vẫn dùng loại đèn đó và gọi là đèn Bunsen.

Ngọn lửa do đèn Bunsen thắp lên có nhiệt độ vô cùng lớn (hơn 2700⁰F) thế nhưng loại lửa này hầu như không phát ra ánh sáng.

Năm 1859, Kirchhhoff và Bunsen bắt đầu hợp tác với nhau tại trường đại học Heidelberg. Họ dùng lăng kính của Kirchhhoff kết hợp với đèn của Bunsen để thiết kế và chế tạo ra máy đo quang phổ đầu tiên. Máy đo này là một loại máy quang phổ cho phép đốt cháy các chất hóa học mẫu và đồng thời dùng lăng kính tiến hành tách ánh sán sinh ra trong quá trình đốt thành quang phổ có tần số khác nhau.

Họ cùng nhau sắp xếp các vạch quang phổ của các nguyên tố đã biết (tần số cụ thể trong năng lượng phát xạ của mỗi loại nguyên tố), đồng thời họ đã phát hiện ra các loại nguyên tố luôn phát ra một nhóm các vạch phổ có “dấu hiệu” tương đồng nhau, hơn nữa dựa vào những vạch phổ độc đáo này có thể xác nhận được ra sự tồn tại của mỗi loại nguyên tố.

Trên cơ sở của phát hiện này, song song với việc sắp xếp các vạch phổ đặc biệt của mỗi nguyên tố, Kirchhoff và Bunsen đã đưa ra những phân tích hóa học đầu tiên mang tính toàn diện về đáy biển và mặt trời. Kết quả chứng minh các nguyên tố hidro, heli, natri và sáu loại nguyên tố khác có mặt trên trái đất cũng tồn tại trong bầu khí quyển của mặt trời. Đây là minh chứng đầu tiên cho thấy xét trên góc độ hóa học thì trái đất không phải là độc nhất vô nhị trong vuc trụ. Bunsen đã mang lại cho khoa học một phương pháp phân tích có tầm ứng dụng rộng rãi và rất linh hoạt, hơn nữa hai ông còn tìm ra phương pháp để xác định thành phần của bất cứ hành tinh nào và tính chính xác của nó cũng giống như việc chúng ta xác định chính xác được acid sulfuric, clo hay bất kỳ loại hợp chất hóa học nào khác.

schoolnet@