Luận văn Theo dõi chuyển động của hạt nhân hydro trong quá trình đồng phân hóa vinylidene/ acetylene bằng laser xung cực ngắn

Các phản ứng hóa học thường xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn, cỡ pico giây hoặc nhỏ hơn là femto giây hay atto giây. Việc thu nhận thông tin về cấu trúc phân tử trong thời gian ngắn như vậy có ý nghĩa vô cùng quan trọng và tạo điều kiện cho ta mở rộng khả năng nghiên cứu các phản ứng hoá học như sự hình thành, đứt gãy của các liên kết hoá học, hay sự dao động của các nguyên tử trong phân tử. Những thông tin này được gọi là thông tin động. Ngày nay, với laser hồng ngoại xung cực ngắn (cỡ vài chục femto giây), cường độ mạnh được tạo ra trong các phòng thí nghiệm, ta có thể quan sát các phản ứng hóa học trong thang thời gian nguyên tử. Cụ thể, theo dõi quá trình đồng phân hóa sẽ là một bước tiến trong lĩnh vực ứng dụng laser xung siêu ngắn. Phân tử C2H2 có hai dạng đồng phân phổ biến là acetylene và vinylidene. Trong đó, vinylidene đóng vai trò khá quan trọng, như một chất phản ứng trung gian trong phản ứng hoá học, cụ thể là trong phản ứng cháy [26]. Trong thực tế, các đặc tính của vinylidene hiện vẫn đang là một đề tài thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học [7, 26]. Bên cạnh đó, như đã biết, acetylene - một hydrocacbon không no, còn được gọi là alkyen - là một khí nhiên liệu không những có nhiều ứng dụng trong nền công nghiệp (kỹ thuật cắt, hàn, nhiệt luyện), mà còn là thành phần quan trọng trong sự tổng hợp hữu cơ. Đây là chất có thể được sử dụng để tổng hợp nên một loạt các sản phẩm như cao su tổng hợp, nhựa, chất dẻo, axit acetic, axeton, isopren, axit chloroacetic, etanol, polyacetylene (PA) cũng như plastic dẫn điện do Shirakawa, MacDiarmid và Heeger khám phá và phát triển (được Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển trao giải Nobel Hoá Học năm 2000) [12]. Thêm vào đó, acetylene còn là một khí gây cháy, và chất này còn dễ cháy hơn khi bị hóa lỏng, nén, nung nóng, hòa vào hỗn hợp khí. Trước tính đa dụng của acetylene, việc nghiên cứu tìm hiểu thêm quá trình biến đổi đồng phân của acetylene là rất cần thiết

pdf61 trang | Chia sẻ: duongneo | Ngày: 28/07/2017 | Lượt xem: 748 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Theo dõi chuyển động của hạt nhân hydro trong quá trình đồng phân hóa vinylidene/ acetylene bằng laser xung cực ngắn, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH TĂNG THỊ BÍCH VÂN THEO DÕI CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT NHÂN HYDRO TRONG QUÁ TRÌNH ĐỒNG PHÂN HÓA VINYLIDENE/ ACETYLENE BẰNG LASER XUNG CỰC NGẮN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học PGS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010 Lời cảm ơn Luận văn được hoàn thành như mong đợi là kết quả không chỉ của riêng tôi, mà quan trọng hơn đó là kết quả của sự đóng góp, giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bè bạn và người thân. Quá trình học tập và rèn luyện ở trường Đại học Sư phạm dưới sự giảng dạy của các thầy cô đã trang bị cho tôi một vốn kiến thức bổ ích – đó chính là hành trang, là cơ sở quan trọng để tôi tiến hành thực hiện luận văn. Bên cạnh lòng biết ơn đối với công ơn truyền đạt của các thầy cô trong quá trình học cao học, lời đầu tiên tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn của chính mình là PGS. TSKH. Lê Văn Hoàng. Thầy là người đã mở ra đề tài đầy ý nghĩa này trong luận văn, thầy đã từng bước giúp tôi tiếp cận với phương pháp nghiên cứu khoa học cũng như những kiến thức khoa học mới mẻ, bổ ích có liên quan đến luận văn. Ngoài ra, trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy đã luôn tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành việc nghiên cứu của mình. Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn những người bạn, những thành viên trong nhóm nghiên cứu đã không quản khó khăn để hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Và cuối cùng, xin cảm ơn gia đình - những người thân đã luôn bên cạnh hỗ trợ, tiếp sức mạnh cho tôi vượt qua những trở ngại, tập trung vào việc nghiên cứu của mình. Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010 Học viên cao học Tăng Thị Bích Vân LỜI MỞ ĐẦU Các phản ứng hóa học thường xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn, cỡ pico giây hoặc nhỏ hơn là femto giây hay atto giây. Việc thu nhận thông tin về cấu trúc phân tử trong thời gian ngắn như vậy có ý nghĩa vô cùng quan trọng và tạo điều kiện cho ta mở rộng khả năng nghiên cứu các phản ứng hoá học như sự hình thành, đứt gãy của các liên kết hoá học, hay sự dao động của các nguyên tử trong phân tử. Những thông tin này được gọi là thông tin động. Ngày nay, với laser hồng ngoại xung cực ngắn (cỡ vài chục femto giây), cường độ mạnh được tạo ra trong các phòng thí nghiệm, ta có thể quan sát các phản ứng hóa học trong thang thời gian nguyên tử. Cụ thể, theo dõi quá trình đồng phân hóa sẽ là một bước tiến trong lĩnh vực ứng dụng laser xung siêu ngắn. Phân tử C2H2 có hai dạng đồng phân phổ biến là acetylene và vinylidene. Trong đó, vinylidene đóng vai trò khá quan trọng, như một chất phản ứng trung gian trong phản ứng hoá học, cụ thể là trong phản ứng cháy [26]. Trong thực tế, các đặc tính của vinylidene hiện vẫn đang là một đề tài thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học [7, 26]. Bên cạnh đó, như đã biết, acetylene - một hydrocacbon không no, còn được gọi là alkyen - là một khí nhiên liệu không những có nhiều ứng dụng trong nền công nghiệp (kỹ thuật cắt, hàn, nhiệt luyện), mà còn là thành phần quan trọng trong sự tổng hợp hữu cơ. Đây là chất có thể được sử dụng để tổng hợp nên một loạt các sản phẩm như cao su tổng hợp, nhựa, chất dẻo, axit acetic, axeton, isopren, axit chloroacetic, etanol, polyacetylene (PA) cũng như plastic dẫn điện do Shirakawa, MacDiarmid và Heeger khám phá và phát triển (được Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển trao giải Nobel Hoá Học năm 2000) [12]. Thêm vào đó, acetylene còn là một khí gây cháy, và chất này còn dễ cháy hơn khi bị hóa lỏng, nén, nung nóng, hòa vào hỗn hợp khí. Trước tính đa dụng của acetylene, việc nghiên cứu tìm hiểu thêm quá trình biến đổi đồng phân của acetylene là rất cần thiết. Vào năm 1999, giải Nobel Hoá học đã được trao cho Giáo sư Ahmed Zewail thuộc Viện Công nghệ California, Hoa kỳ. Ông đã dùng kỹ thuật ánh sáng laser ngắn phù hợp với thang thời gian phản ứng xảy ra - femto giây - để kích thích quá trình tán xạ nhanh điện tử, từ đây quan sát chuyển động của các nguyên tử trong một phân tử trong quá trình phản ứng hoá học, quan sát được điều thực sự xảy ra khi các liên kết hóa học bị phá vỡ và các liên kết mới được tạo ra, đồng thời ông còn tìm cách thu nhận hình ảnh của chúng ngay ở trạng thái chuyển tiếp. Công trình nghiên cứu này đã mở đường cho việc nghiên cứu các phản ứng hoá học cơ bản trong thang thời gian các phản ứng xảy ra, cho phép ta hiểu và dự báo được các phản ứng quan trọng. Cho đến nay, việc thu nhận thông tin về cấu trúc phân tử có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp. Trong số đó có thể kể đến các phương pháp thông qua phân tích quang phổ như: quang phổ hồng ngoại, quang phổ tia cực tím, quang phổ điện tử , hay như phương pháp nhiễu xạ tia X, tán xạ chùm điện tử năng lượng cao Tuy nhiên, chỉ khi các xung laser cỡ femto giây với cường độ cực lớn (~1014 W/cm2) được tạo ra trong những năm gần đây thì khả năng chụp ảnh phân tử mới thật sự trở nên gần với hiện thực nhờ một cơ chế hoàn toàn mới. Khi chùm laser cường độ mạnh tương tác với nguyên tử, phân tử, một trong các hiệu ứng phi tuyến xảy ra là sự phát xạ sóng hài bậc cao (High-order harmonic generation – HHG). Cường độ HHG (thang logarit) có đặc điểm: giảm mạnh ở những tần số đầu, sau đó sẽ đạt giá trị gần như không đổi trong miền phẳng (plateau), và miền này sẽ kết thúc ở một điểm dừng (cut-off) [19]. Nhằm giải thích các đặc tính và tính toán HHG, một trong những mô hình được công nhận và sử dụng rộng rãi là mô hình ba bước Lewenstein [19]. Trong mô hình này, ban đầu điện tử sẽ bị ion hóa xuyên hầm ra miền tự do; dưới tác dụng của trường laser mạnh, điện tử được gia tốc trong nửa chu kỳ đầu của trường laser; khi trường laser đổi chiều, điện tử quay trở lại tương tác với ion mẹ và phát ra sóng hài thứ cấp, đây chính là HHG. Vì HHG là kết quả của sự va chạm giữa ion mẹ và điện tử nên HHG phát ra lúc này sẽ mang thông tin cấu trúc của phân tử mẹ. Đây là nền tảng cho việc thu nhận thông tin cấu trúc phân tử từ nguồn dữ liệu HHG, được nhiều nhà khoa học quan tâm sử dụng [3, 17-18, 22-24]. Trong công trình nghiên cứu của mình [13], giáo sư Corkum – Canada đã sử dụng xung laser cực ngắn (30 fs) chiếu vào nitơ với các góc vector phân cực khác nhau, kết quả của sự tương tác giữa phân tử với nguồn laser cực mạnh này là các sóng hài bậc cao. Qua thông tin các sóng hài này, hình ảnh đám mây điện tử ngoài cùng (HOMO) của nitơ đã được tái tạo bằng quy trình cắt lớp (Tomography). Phân tích lý thuyết cho việc chụp ảnh phân tử đã được thực hiện và công bố trong công trình [18]. Bằng mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã khẳng định việc tái tạo lại hình ảnh đám mây điện tử của các phân tử thẳng O2, N2 từ HHG là hoàn toàn có thể thực hiện được khi sử dụng laser hồng ngoại 800nm với cường độ cực lớn (~1014 W/cm2) và xung cực ngắn (30fs). Đặc biệt, nhóm tác giả đã chỉ ra các hạn chế của phương pháp chụp ảnh và nêu ra hướng cải thiện chất lượng ảnh bằng cách sử dụng nguồn laser có bước sóng dài hơn, ví dụ như 1200nm. Kết luận này cũng đã được kiểm chứng khi tiến hành chụp ảnh cho phân tử CO2 [18]. Trong công trình [18], các tác giả cũng định hướng cho một phương pháp mới để trích xuất thông tin cấu trúc phân tử, gọi là phương pháp so sánh phù hợp (fitting method). Trong công trình [18] phương pháp so sánh phù hợp đã được xây dựng cho việc trích xuất thông tin về khoảng cách liên nguyên tử trong thang thời gian femto giây từ HHG của các phân tử thẳng, đơn giản như O2, N2, CO2. Phương pháp này đã và đang được tiếp tục phát triển cho các phân tử phức tạp hơn [3]. Cụ thể, khi nghiên cứu ứng dụng phương pháp so sánh phù hợp cho các phân tử có liên kết hydro như HNC [22], các tác giả đã phát hiện ra sự thay đổi độ dài các liên kết này không ảnh hưởng đáng kể đến phổ HHG. Hay nói khác hơn ta không thể trích xuất thông tin mối liên kết hydro từ HHG theo phương pháp so sánh phù hợp. Tuy nhiên, do mối liên kết này rất linh động, khi nguyên tử hydro nhận được năng lượng đủ lớn, nó sẽ chuyển động, dẫn đến các trạng thái đồng phân của phân tử. Đồng thời, trong các công trình [22], các tác giả cũng đã mô phỏng được đường chuyển động cổ điển của nguyên tử này bằng cách sử dụng phép gần đúng Born- Oppenheimer. Sau đó, HHG ứng với từng vị trí trên quỹ đạo này còn được tính toán ứng với những góc định phương khác nhau, các vị trí đồng phân được quan sát tại các đỉnh cực đại của HHG trong đồ thị cường độ phổ sóng hài. Từ đó, cho thấy khả năng phân biệt các đồng phân này và cả trạng thái chuyển tiếp của chúng bằng việc quan sát HHG phát ra khi cho phân tử tương tác với xung laser siêu ngắn, cường độ mạnh. Kết quả vừa đề cập phần nào khẳng định tính khả thi của việc theo dõi động học phân tử trong quá trình đồng phân hoá thông qua nguồn dữ liệu HHG. Do vậy việc tiếp tục phát triển cho phân tử khác để kiểm chứng tính phổ quát của phương pháp là điều rất quan trọng và thời sự. Và như đã được đề cập, phân tử C2H2 được chọn nghiên cứu do bản thân phân tử rất được quan tâm trong thời gian gần đây về cả mô phỏng đồng phân hóa [32], và cả về tính toán, đo đạc thực nghiệm phát xạ sóng hài [21]. Đó chính là lý do chọn đề tài: “Theo dõi chuyển động của hạt nhân hydro trong quá trình đồng phân hóa vinylidene/acetylene bằng laser xung cực ngắn”. Với các cơ sở như trên, đề tài được thực hiện trước hết nhằm mục đích đưa ra tổng quan về một ứng dụng của laser xung cực ngắn là trích xuất thông tin động về cấu trúc phân tử từ phổ HHG - một hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ nhưng cũng đầy tiềm năng. Sau đó kết hợp với mục tiêu mô phỏng quá trình chuyển hóa đồng phân của phân tử C2H2 bằng phương pháp động lực học phân tử (MD), chúng tôi mong muốn chỉ ra việc có thể phân biệt các đồng phân từ việc phân tích sự phụ thuộc của HHG vào góc định phương; đưa ra khả năng theo dõi quá trình đồng phân hoá bằng laser xung cực ngắn qua cơ chế phát xạ HHG. Với những mục đích đề ra như vậy, nhiệm vụ nghiên cứu được đặt ra là: nghiên cứu phần mềm Gaussian 3.0 và sử dụng nó tích hợp phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) trong mức độ lý thuyết B3LYP để tính mặt thế năng theo vị trí của nguyên tử hydro, từ đây xác định và tái khẳng định sự tồn tại các trạng thái đồng phân acetylene, vinylidene cũng như các trạng thái chuyển tiếp của chúng. Sau đó, mô phỏng quá trình chuyển hóa đồng phân acetylene/ vinylidene cần được tiến hành bằng phương pháp động học phân tử (MD) với gần đúng Born-Oppenheimer trong tiến trình BOMD của chương trình Gaussian 3.0. Các quá trình đồng phân hóa thường diễn ra trong khoảng thời gian femto giây, do đó để theo dõi các quá trình này thông qua cơ chế phát xạ HHG, ta cần có xung laser cực ngắn cỡ femto giây hay atto giây. Vì vậy, việc tìm hiểu về laser xung cực ngắn và các cơ chế tương tác giữa nó với nguyên tử, phân tử cũng là một nhiệm vụ quan trọng. Do đó, công việc tiếp theo là tìm hiểu phương pháp mô phỏng HHG theo mô hình ba bước Lewenstein bằng cách sử dụng chương trình LewMol được viết bằng Fortran 7.0. Thông qua đó, chúng tôi tính được HHG khi laser hồng ngoại (800nm) xung cực ngắn (10fs), cường độ cực mạnh (~ 2.1014W/cm2) tương tác với các đồng phân C2H2 và thu nhận được đồ thị sự phụ thuộc cường độ HHG theo góc định phương của phân tử, chỉ ra sự nhận biết các đồng phân. Và cuối cùng, sử sụng HHG tính được đối với các cấu trúc khác nhau của phân tử C2H2 trên đường chuyển hóa đồng phân (thu nhận từ mô phỏng bằng động học phân tử) kết hợp với phân tích các đỉnh của cường độ HHG, chúng tôi đã đưa ra khả năng theo dõi quá trính đồng phân hóa bằng laser xung cực ngắn. Với mục tiêu trên, luận văn được xây dựng gồm 3 chương: Chương 1: Laser xung cực ngắn và tương tác với nguyên tử, phân tử. Chương 2: Mô phỏng quá trình đồng phân hóa vinylidene/acetylene. Chương 3: Phát xạ sóng hài của C2H2 và dấu vết các đồng phân. Trong chương 1, chúng tôi đã đưa ra cơ sở lý thuyết của sự phát xạ HHG. Trong đó, lịch sử phát triển và các tính chất của laser được giới thiệu sơ lược. Trên cơ sở những hiểu biết về laser, chúng tôi trình bày về lý thuyết tương tác của laser với nguyên tử, phân tử và quá trình phát HHG. HHG được mô phỏng theo mô hình ba bước Lewenstein thông qua chương trình tính toán Lewmol. Do đó, mô hình này cũng là một phần được đề cập đến trong chương 1. Sau khi có được cơ sở đó, nội dung chính ở chương 2 chính là nghiên cứu quá trình đồng phân hóa vinylidene/acetylene. Trước tiên, mô hình mẫu phân tử C2H2 được đưa ra, kèm theo là sự giải thích các mối liên kết trong phân tử thông qua sự lai hóa các orbital trong phân tử. Để khảo sát tổng quát động học phân tử C2H2, mặt thế năng (Potential Energy Surface - PES) đã được tính toán và lý thuyết của phần này cũng được trình bày cụ thể. Với kết quả PES tính được từ chương trình Gaussian, ta thấy rõ được vị trí của các trạng thái đồng phân cũng như các trạng thái chuyển tiếp trên đường phản ứng. Sau đó, phương pháp mô phỏng động học phân tử được trình bày cùng phép gần đúng Born-Oppenheimer. Từ đây, chúng tôi đã mô phỏng động lực học cho phân tử C2H2 bằng tiến trình BOMD trong chương trình Gaussian. Ở đây, chúng tôi cũng thu nhận được các điều kiện ban đầu để quá trình đồng phân hóa vinylidene/acetylene được diễn ra. Ở chương 3, các kết quả mô phỏng thực nghiệm cho quá trình khảo sát thông tin cấu trúc phân tử, cũng như quá trình đồng phân hóa vinylidene/acetylene được đưa ra dựa trên HHG phát xạ. Trong phần này, ngoài HHG phát xạ từ các trạng thái đồng phân và chuyển tiếp theo sự phụ thuộc góc định phương, chúng tôi còn khảo sát HHG phát xạ từ phân tử trong suốt quá trình đồng phân hóa để tìm dấu vết đồng phân. Bằng việc phân tích phổ HHG, chúng tôi thấy có những đỉnh cực đại tại các vị trí bền và các trạng thái chuyển tiếp của phân tử; từ đó chúng tôi kết luận có thể sử dụng HHG để theo dõi chuyển động của hạt nhân hydro trong quá trình đồng phân hóa vinylidene/acetylene bằng laser xung cực ngắn và đưa ra hướng phát triển mới cho đề tài luận văn. Kết quả của luận văn đã được báo cáo tại Hội nghị vật lý lý thuyết toàn quốc lần thứ 34 (Đồng Hới 3-6/08/2009) [2], Hội nghị quốc tế Asian Symposium On Intense Laser Science lần thứ 5 (ASILS5) [3] và đăng trên trên tạp chí quốc tế J. Mol. Struct. (Theochem) [4]. Chương 1 Laser xung cực ngắn và tương tác với nguyên tử, phân tử Nội dung chính của chương 1 là cơ sở lý thuyết của sự phát xạ HHG. Đầu tiên chúng tôi giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển và các tính chất của laser. Trên cơ sở đó, lý thuyết tương tác của laser với nguyên tử, phân tử được trình bày, từ đây dẫn đến sự phát xạ HHG. Để mô phỏng HHG phát ra chúng tôi áp dụng mô hình ba bước Lewenstein thông qua chương trình tính toán Lewmol. 1.1. Laser xung cực ngắn 1.1.1. Lịch sử phát triển laser Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích" [2]. Ngày nay, laser được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống nhờ vào các tính chất đặc biệt của mình:  Tính định hướng: tia laser phát ra hầu như là chùm tia song song. Do đó, tia laser có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán. Chính nhờ đặc tính này mà laser có tác dụng định hướng rất tốt và thường được dùng trong các dụng cụ định vị.  Tính đơn sắc: các photon phát ra mang cùng một năng lượng h nên ánh sáng rất đơn sắc. Chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.  Tính kết hợp: các photon phát ra trong trường hợp laser đều đồng pha nên ánh sáng laser là chùm sáng kết hợp. Chính vì vậy laser có thể gây ra những tác dụng rất mạnh (tổng hợp dao động đồng pha). Tuy nhiên, việc phát minh ra laser được bắt nguồn từ sự chế tạo ra maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) [2] có nghĩa là sự khuếch đại sóng vô tuyến do bức xạ cưỡng bức, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Có hai loại maser, đó là maser nhân tạo (được tạo ra bằng việc tạo ra phản ứng dây chuyền khi đưa dòng điện vào một khoang chứa đầy các nguyên tử hoặc phân tử, dẫn đến quá trình phát xạ) và maser tự nhiên (hình thành ở các vì sao trong vũ trụ). Nguyên lý cơ bản dẫn đến sự ra đời của maser (hay laser) chính là hiện tượng phát xạ cưỡng bức (Stimulated Emission), lần đầu được đưa ra bởi Albert Einstein năm 1917. Trong suốt 30 năm, phát xạ cưỡng bức không được chú ý nhiều. Chỉ khi chiến tranh thế giới thứ II nổ ra thì người ta mới quan tâm nhiều về một thế hệ vi sóng (microwave) cho radar để phục vụ cho quốc phòng, cụ thể là các hệ thống ném bom định vị bằng radar. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng vi sóng cực ngắn (millimét) này, đầu thập niên 50 các nhà khoa học đã kết luận rằng vi sóng có thể được tạo ra một cách hiệu quả bằng phát xạ cưỡng bức của các phân tử. Với niềm say mê trong việc dùng phổ học vô tuyến để giải thích các tính chất của phân tử, Charles Townes - nhà vật lý người Mỹ - làm việc tại phòng thí nghiệm Bell, luôn muốn chế tạo một thiết bị giúp nghiên cứu cấu trúc phân tử. Ông biết rằng, khi bước sóng của bức xạ vô tuyến giảm dần thì tương tác giữa nó với nguyên tử càng mạnh, làm cho nó trở thành một công cụ trắc phổ hữu hiệu. Tuy nhiên, trình độ kỹ thuật lúc bấy giờ chưa cho phép chế tạo một thiết bị đủ nhỏ để phát ra bước sóng như mong muốn. Và ông đã nảy ra ý tưởng vượt qua hạn chế này bằng cách sử dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như mong muốn. Năm 1953, nhà vật lý người Mỹ này cùng sinh viên mới tốt nghiệp là James P. Gordon và Herbert J. Zeiger - phụ tá của ông - đã chế tạo thành công chiếc máy gọi là maser có thể tạo ra được vi sóng khuyếch đại bức xạ cưỡng bức từ khí amonia NH3 - một chất hấp thụ và tương tác rất mạnh với bức xạ. Tuy nhiên sau đó, Townes nhận thấy rằng vùng sóng ánh sáng hồng ngoại và khả kiến có thể giúp cho việc nghiên cứu phổ học hiệu quả hơn là vùng sóng vô tuyến do maser phát ra. Do đó, ông tiếp tục nghiên cứu khả năng mở rộng nguyên lý của maser cho vùng sóng hồng ngoại và khả kiến. Năm 1956, Townes đã hợp tác với Arthur Schawlow. Schawlow không những đã đưa ra ý tưởng tăng bức xạ cưỡng bức bằng việc cho ánh sáng phản xạ qua lại giữa hai gương đặt ở hai đầu buồng cộng hưởng; ông còn nghĩ rằng việc điều chỉnh hướng của các gương phản xạ này có thể tạo ra ánh sáng khuyếch đại có duy nhất một tần số. Townes rất hứng thú với ý tưởng này, và đã cùng Schawlow thử nghiệm ý tưởng này vào mùa thu năm 1957. Năm 1958, Townes và Schawlow đã xuất bản tạp chí khoa học, đăng ký bằng sáng chế và cho rằng "maser quang học" có thể được sử dụng để tạo ra tia hồng ngoại và thậm chí ánh sáng nhìn thấy được, và gọi thiết bị này là laser dù cho họ vẫn chưa chế tạo ra được một laser thực sự. Tuy nhiên chỉ vài tháng trước đó, Gordon Gould, một nghiên cứu sinh đang làm việc tại đại học Columbia, cũng đã độc lập đưa ra khái niệm về buồng quang học sử dụng các tấm gương để cho phép một mức năng lượng trung bình đạt được tạo ra năng lượng quang để duy trì một sự đảo ngược và tạo ra ánh sáng chuẩn trực, liên kết. Gould đã ghi nhận kết quả và tính toán cuả ông vào trong ghi chép của mình. Ghi chép này đã gây ra tranh cãi 30 năm về bản quyền của laser và các chỉ định của laser. Năm 1964, Charles Townes đã cùng với hai nhà vật lý người Nga Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov tại viện vật lý Lebedev của Liên bang Xô viết nhận giải Nobel vật lý với công trình “Những nghiên cứu cơ sở trong lĩnh vực điện tử lượng tử đưa đến việc hết tạo các máy dao động và máy khuyếch đại dựa trên nguyên lý của maser và laser”.
Luận văn liên quan