Giáo trình vật lý đại cương a2

ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT GIÁO TRÌNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 Chủ biên: TS Võ Văn Ớn ThS Huỳnh Duy Nhân – ThS Nguyễn Thị Huỳnh Nga – ThS Nguyễn Đức Hảo Lưu hành nội bộ Lời nói đầu Các em sinh viên thân mến! Các em cầm tay quyển Vật lý đại cương A2 dành cho sinh viên các ngành Kỹ thuật và Công nghệ của trường Đai học Thủ Dầu Một, thầy cùng một số thầy cô bộ môn Vật lý , khoa Khoa học Tự nhiên biên soạn Tâm niệm của nhóm là biên soạn một giáo trình chứa những kiến thức bản của Vật lý đại cương và cập nhật những kiến thức mới dù ở mức độ bản nhất để cung cấp cho các em học tập và nghiên cứu Giáo trình chứa các kiến thức bản, các ví dụ áp dụng , các câu hỏi củng cố cùng bài tập có đáp số để các em vận dụng mức độ không quá khó Giáo trình được phân công biên soạn sau: - TS Võ Văn Ớn: các chương 0; 5;7;8(A1); 8;9;10;11;12 (A2) ThS Huỳnh Duy Nhân: các chương 9;10;11(A1);1; 2(A2) ThS Nguyễn Thị Huỳnh Nga: các chương1;2(A1); 3; 6; 7(A2) ThS Nguyễn Đức Hảo: các chương 3;4;6(A1); 4; 5(A2) Dù thật nhiều cố gắng chắc không tránh khỏi sai sót lần xuất bản đầu, mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và các em sinh viên Mọi sự góp ý xin gửi về địa chỉ email: onvv@tdmu.edu.vn Bình Dương, tháng 10 năm 2015 Võ Văn Ớn ỤC ỤC Chương 1: TỪ TRƯỜNG TĨNH §1.1 TỪ TRƢỜNG TĨNH, ĐỊNH LUẬT AMPERE §1.2 TỪ TRƢỜNG TĨNH §1.3 CÁC ĐỊNH LÝ QUAN TRỌNG VỀ TỪ TRƢỜNG §1.4 TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN DÕNG ĐIỆN 16 §1.5 CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG TỪ TRƢỜNG 23 §1.6 TÓM TẮT NỘI DUNG 29 §1.7 CÂU HỎI LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP 34 Chương 2: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 37 §2.1 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 38 §2.2 HIỆN TƢỢNG TỰ CẢM VÀ HỖ CẢM 48 §2.3 NĂNG LƢỢNG TỪ TRƢỜNG 55 §2.4 TĨM TẮT NỘI DUNG 59 §2.5 CÂU HỎI LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP 61 Chương 3: VẬT LIỆU TỪ 64 §3.1 KHÁI NIỆM VỀ TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU 64 §3.2 CHẤT NGHỊCH TỪ 68 §3.3 CHẤT THUẬN TỪ 70 §3.4 CHẤT SẮT TỪ 71 §3.5 CHẤT PHẢN SẮT TỪ VÀ FERIT TỪ 73 §3.6 VẬT LIỆU TỪ CỨNG VÀ TỪ MỀM 74 §3.7 TĨM TẮT CHƢƠNG 77 §3.8 CÂU HỎI LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP 79 Chương 4: ĐIỆN TỪ TRƯỜNG 81 §4.1 THUYẾT MAXWELL VỀ ĐIỆN TỪ TRƢỜNG 81 § 4.2 SÓNG ĐIỆN TỪ TỰ DO 86 §4.3 MỘT SỐ BÀI TỐN VÍ DỤ VỀ ĐIỆN TỪ TRƢỜNG 89 §4.4 TÓM TẮT NỘI DUNG CHƢƠNG 92 §4.5 CÂU HỎI LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP 94 Chương 5: DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ 98 §5.1 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ ĐIỀU HỒ 98 §5.2 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TẮT DẦN .104 §5.3 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CƢỠNG BỨC 108 §5.4 SỰ TỔNG HỢP DAO ĐỘNG .110 §5.5 TĨM TẮT NỘI DUNG 116 §5.6 CÂU HỎI LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP 117 Chương 6: QUANG HỌC SÓNG .121 §6.1 GIAO THOA ÁNH SÁNG 121 §6.2 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 129 §6.3 PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 136 §6.4 TĨM TẮT CHƢƠNG 147 §6.5 C U HỎI L THUYẾT VÀ BÀI TẬP 151 Chƣơng 7: QUANG HỌC ƯỢNG TỬ 155 §7.1 THUYẾT LƢỢNG TỬ PLANCK VÀ THUYẾT PHOTON EINSTEIN 165 §7.2 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN 168 §7.3 HIỆU ỨNG COMPTON .161 §7.4 BỨC XẠ NHIỆT 165 §7.5 CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI 161 §7.6 TÓM TẮT CHƢƠNG 165 §7.7 CÂU HỎI LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP 172 Chương 8: C HỌC ƯỢNG TỬ 174 §8.1 LƢỠNG T NH SĨNG HẠT CỦA VI HẠT 174 §8.2 HỆ THỨC BẤT ĐỊNH HEISENBERG 178 §8.3 H M SÓNG 182 §8.4 PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER 183 §8.5 ỨNG DỤNG CỦA PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER .185 §8.6 TĨM TẮT NỘI DUNG 190 §8.7 C U HỎI L THUYẾT V B I TẬP 192 Chương 9: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ 194 §9.1 NGUYÊN TỬ HYDROGEN 194 §9.2 NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM 202 §9.3 MOMENT ĐỘNG LƢỢNG VÀ MOMENT TỪ CỦA ĐIỆN TỬ 205 §9.4 SPIN CỦA ĐIỆN TỬ 207 §9.5 BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HO N MENĐELEEP 210 §9.6 LASER 213 §9.7 TĨM TẮT NỘI DUNG 218 §9.8 C U HỎI L THUYẾT V B I TẬP 221 Chương 10: VẬT LÝ HẠT NHÂN 224 §10.1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN 224 §10.2 HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ .229 §10.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIA TỐC HẠT .237 §10.4 PHẢN ỨNG HẠT NH N 240 §10 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH 243 §10.6 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH .246 §10.7 TĨM TẮT NỘI DUNG 249 §10.8 C U HỎI L THUYẾT V B I TẬP 250 Chương 11: HẠT S CẤP 253 §11.1 NHỮNG Đ C TRƢNG CỦA HẠT SƠ CẤP .253 §11.2 PH N LOẠI CÁC HẠT SƠ CẤP .258 §11.3 TƢƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT SƠ CẤP .259 §11 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TO N 262 §11.5 CÁC HẠT QUARK – CÁC HẠT LEPTON .265 §11.6 SỰ THỐNG NHẤT CÁC TƢƠNG TÁC .269 § 11.7 TÓM TẮT NỘI DUNG .277 § 11.8 C U HỎI L THUYẾT V B I TẬP .278 Chương 12: MỞ ĐẦU VẬT Ý VŨ TRỤ 280 §12.1 HỆ M T TRỜI 280 §12.2 CÁC SAO V CÁC THIÊN H 286 §12.3 BIG BANG V V TRỤ GI N NỞ 295 §12.4 VẬT CHẤT TỐI 300 §12.5 NĂNG LƢỢNG TỐI 304 §12.6 TĨM TẮT NỘI DUNG 308 §12.7 C U HỎI L THUYẾT V B I TẬP 311 Chương TỪ TRƯỜNG TĨNH Nội dung chương 1.1 Từ trƣờng tĩnh – Định luật Ampére 1.2 Từ trƣờng 1.3 Các định lý quan trọng từ trƣờng 1.4 Tác dụng từ trƣờng lên dòng điện 1.5 Chuyển động điện tích từ trƣờng 1.6 Tóm tắt nội dung 1.7 Câu hỏi lý thuyết tập Mục tiêu chương Sau học xong chƣơng sinh viên hiểu rõ đƣợc số vấn đề về: - Tƣơng tác từ, khái niệm từ trƣờng, định luật từ trƣờng - Tác dụng từ trƣờng lên dịng điện có dạng mạch khác - Công lực từ - Lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động (lực Lorentz) Từ hiểu đƣợc chất lực từ tác dụng lên dòng điện, nguồn gốc sinh từ trƣờng - Làm đƣợc dạng tập từ trƣờng tĩnh §1.1 TỪ TRƯỜNG TĨNH, ĐỊNH LUẬT AMPERE 1.Tương tác từ Các tƣợng điện, từ đƣợc ngƣời biết đến từ lâu, nhƣng khơng biết chúng có liện quan với Mãi đến 1820 Oersted, nhà vật lý ngƣời Đan Mạch phát tƣợng dòng điện đặt gần kim la bàn làm kim la bàn không theo hƣớng Bắc – Nam mà bị lệch ngƣời ta biết tƣợng điện từ liên quan với Sau Ampere, nhà vật lý ngƣời Pháp, phát rằng, dòng điện tƣơng tác với Xét phƣơng diện từ dịng điện coi nhƣ nam châm Nói cách khác tƣơng tác nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện, dòng điện với dòng điện chung chất Ta gọi tƣơng tác từ I N S N (hình.a ) N S S (hình.b ) N S (hình.e) (hình.d ) (hình.c) N S S N (hình.f) Hình 1.1: (a) tương tác nam châm với dòng điện; (b) tương tác nam châm với cuộn dây; (c) tương tác hai dòng điện chiều; (d) tương tác hai dòng điện ngược chiều; (e) tương tác hai nam châm khác tên;(f) tương tác hai nam châm tên Định luật Ampere tương tác hai phần tử dòng điện Định luật Ampere định luật nói tƣơng tác hai phần tử dòng điện Phần tử dòng điện đoạn ngắn dây dẫn mang dòng điện Giả sử lấy hai đoạn dây dẫn MN PQ ngắn hai dây dẫn có hình dạng có cƣờng độ I1 I2 Trên đoạn MN tƣơng ứng với véc tơ phần tử dòng điện I1dl1 đoạn PQ tƣơng ứng với véc tơ phần tử dòng điện I dl2 , hai véc tơ phần tử dòng điện I1dl1 I dl2 có phƣơng, chiều lần lƣợt phƣơng chiều dòng điện I1 I2 Đặt véc tơ vị trí r  OA Gọi 1 góc phần tử I1dl1 r Vẽ mặt phẳng (β) chứa yếu tố I1dl1 điểm A, vẽ pháp tuyến n mặt phẳng (β) điểm A ( n phải có chiều cho ba véc tơ dl , r n theo thứ tự hợp thành tam diện thuận Gọi  góc hợp phần tử I dl2 n A (β) A Hình 1.2: tương tác hai phần tử dịng điện Khi định luật Ampere đƣợc phát biểu nhƣ sau: Lực từ phần tử dòng điện chân khơng véc tơ d có: ⃗⃗ tác dụng lên phần tử dịng điện - Phương: vng góc với mặt phẳng chứa yếu tố dòng ⃗⃗ véc tơ ⃗ - Chiều: xác định theo qui tắc đinh ốc: Xoay đinh ốc từ véc tơ ⃗ theo góc nhỏ chiều tiến đinh ốc chiều véc tơ - Độ lớn : dF  ⃗⃗ Trong μ0 số từ, có giá trị μ0 = ⃗⃗ đến véc tơ (tam diện thuận) 0 I1.I dl1.dl2 sin 1.sin  4 r - Điểm đặt: yếu tố dòng điện ⃗⃗ đặt (1.1) (H/m) Hay biểu diễn định luật Ampere biểu thức véc tơ lực phần tử I1dl1 tác dụng lên phần tử I dl2 d F   0 I dl2 x I1dl1 xr 4 r  (1.2) Thực nghiệm chứng tỏ rằng, hai dòng điện I1 I2 đặt môi trƣờng đồng chất đẳng hƣớng lực từ thay đổi dF  Có thể đặt hệ số k  Trong  lần so với chúng đặt chân không 0 .I dl2 x I1dl1 xr 4 r  (1.3) 0 , μ0 số từ, có giá trị μ0 = 4 (H/m) đƣợc gọi hệ số từ thẩm môi trƣờng Đối với chân không μ = 1, chất sắt từ μ>>1; chất thuận từ nghịch từ μ dao động xung quanh đơn vị lƣợng nhỏ (μ ≈ 1) Vì đa số trƣờng hợp, ta bỏ qua hệ số μ §1.2 TỪ TRƯỜNG TĨNH Khái niệm từ trường Từ học trên, ta đặt câu hỏi hai phần tử dòng điện, nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện, dòng điện với dịng điện lại tƣơng tác đƣợc với nhau? Có làm chúng tƣơng tác đƣợc với nhau? Theo thuyết tác dụng xa cho rằng, lực từ đƣợc truyền cách tức thời từ yếu tố đến yếu tố Nghĩa truyền với vận tốc vô mà không cần thông qua môi trƣờng Cịn dịng điện nam châm khơng gây cho biến đổi cho mơi trƣờng xung quanh Theo thuyết tác dụng gần Dòng điện nam châm làm cho tính chất khơng gian xung quanh bị biến đổi Cụ thể gây xung quanh từ trƣờng Nếu ta đặt khơng gian dịng điện nam châm khác, dịng điện nam châm chịu tác dụng lực từ Thông qua từ trƣờng lực từ truyền từ dòng điện nam châm đến dòng điện nam châm khác với vận tốc hữu hạn (bằng vận tốc ánh sáng chân không) Vậy: Từ trường môi trường vật chất đặc biệt tồn xung quanh dòng điện nam châm tác dụng lực từ lên dòng điện nam châm khác đặt Véc tơ cảm ứng từ Tƣơng tự nhƣ cƣờng độ điện trƣờng, để đặc trƣng cho cƣờng độ từ trƣờng điểm, ngƣời ta định nghĩa véc tơ cảm ứng từ d B Từ (1.3) cảm ứng từ yếu tố dòng điện I1dl1 gây A (nơi đặt phần tử I dl2 ) có biểu thức nhƣ sau: dB  0  I1.dl1 xr 4 r3 (1.4) d B phụ thuộc vào yếu tố I1dl1 phụ thuộc vào vị trí điểm A Trong trƣờng hợp tổng quát véc tơ cảm ứng từ yếu tố dòng điện Idl gây điểm M cách khoảng r là: dB  0  I dlxr r3 4 (1.5) Định luật Hubble Nhà vật lý thiên văn ngƣời Mỹ Hubble từ nhiều kết quan sát chuyển động thiên hà vũ trụ rút định luật sau: v = H0.d với v vận tốc rời xa thiên hà, H0 = 17.10 -3 m/(s.nas) số Hubble nay, d khoảng cách từ đến thiên hà Ví dụ Xét theo phép đo độ dịch Doppler ánh sáng quasar xa mà ta nhìn thấy phát ra, quasar lùi xa với vận tốc 2,2.10 m/s (cỡ 73% vận tốc ánh sáng) Hỏi quasar cách bao xa? Giải Từ định luật Hubble suy ra: r = v/H0 = (2,2.10 8m/s)/(17.10 -3m/(s.nas)) = 13.10 nas kết cho thấy quasar nằm ngồi rìa vũ trụ( Bán kính vũ trụ cở 13,7 tỉ nas) Ví dụ Giả sử quasar chuyển động với vận tốc tính đƣợc nói kể từ Big bang Hỏi điều đặt giới hạn tối thiểu thời gian xảy Big bang, tức tuổi tối thiểu vũ trụ? Giải Từ định luật Hubble, ta tìm đƣợc tuổi tối thiểu vũ trụ: t = r/v = 1/H0 = 1/( 17.10 -3m/(s.nas)) = 18.10 9năm Từng có thời gian cộng đồng nhà khoa học chia làm hai nhóm bên ủng hộ thuyết Vụ Nổ Lớn bên ủng hộ thuyết Trạng thái dừng, nhƣng ngày hầu hết nhà khoa học bị thuyết phục kịch lý thuyết Vụ Nổ Lớn Vì phù hợp với quan sát đo lƣờng sau xạ vi sóng vũ trụ phát vào năm 1964, đặc biệt phổ (lƣợng xạ đo đƣợc ứng với bƣớc sóng) đƣợc phát phù hợp với xạ vật đen 298 Hiện nay, nhà thiên văn vật lý kết hợp liệu lớn quan sát đƣa thêm tính tốn lý thuyết vào mơ hình Vụ Nổ Lớn, mơ hình tham số hay mơ hình Lambda- CDM ( mơ hình số vũ trụ lambda – Vật chất tối lạnh) trở thành khuôn khổ lý thuyết cho nghiên cứu đại vũ trụ học Hình 12.7: Các giai đoạn phát triển vũ trụ (ảnh trích từ Google ảnh/ nguồn NASA/WMAP Science Team – Original version: NASA; modified by Ryan Kaldari ) 299 §12.4 VẬT CHẤT TỐI Vật chất tối dạng vật chất mà ta khơng nhìn thấy đƣợc khơng phát sáng không phản chiếu lọai ánh sáng Ngƣời ta phát đƣợc thơng qua hiệu ứng hấp dẫn Các chứng tồn vật chất tối 1.1 Các đường cong quay phẳng thiên hà Trong hệ Mặt trời hành tinh chuyển động quanh mặt trời tuân theo định luật Kepler nên quỹ đạo có dạng elip với Mặt trời nằm tiêu điểm Các quỹ đạo elip có tâm sai nhỏ nên xem tất chúng gần nhƣ đƣờng tròn Ta có phƣơng trình sau xác định vận tốc hành tinh quỹ đạo nó: mv GMm  r r Do đó: v  GM / r Nhƣ vậy, hành tinh hệ Mặt trời tuân theo định luật Kepler nên vận tốc quỹ đạo tỉ lệ nghịch với bậc hai khoảng cách đên Mặt trời nhƣ hình 12.1 Hình 12.8: Đường cong quay hành tinh hệ Mặt Trời ( ảnh trích từ Google ảnh) 300 Ta thấy vận tốc hành tinh hệ Mặt Trời tuân theo định luật Kepler Tuy nhiên, với quay quanh tâm thiên hà khơng nhƣ vậy, vận tốc khơng phụ thuộc vào khoảng cách, “ phẳng” với khoảng cách nhƣ hình Nếu cho định luật Newton cịn phạm vi kích thƣớc thiên hà ( điều đƣợc công nhận hầu hết nhà vật lý) khối lƣợng thiên hà tập trung tâm thiên hà mà phải phân bố phạm vi rộng quanh thiên hà, vật chất tối Hình 12.9: Đường cong quay thiên hà Vận tốc hầu hết thiên hà phẳng ( ảnh trích từ Google ảnh) Sự phân bố vật chất tối quanh thiên hà phải rộng quầng thiên hà nhƣ hình dƣới 301 Hình 12.10: Vật chất tối phân bố rộng xung quanh thiên hà, quầng thiên hà ( ảnh trích từ Google ảnh) 1.2 Các kiện cụm thiên hà Trong cụm thiên hà có nhiều khí nóng, khí tạo nên áp suất lớn đẩy thiên hà cụm tản xa Các tính tốn cho thấy với lực hấp dẫn vật chất nhìn thấy khơng đủ để giữ thiên hà lại với cụm thiên hà nhƣ quan sát thấy Do phải có vật chất tối nhiều cụm thiên hà Hình 12.11: Vật chất tối phải có cụm thiên hà nóng để giữ thiên hà lại với ( ảnh trích từ Google ảnh) 302 1.3 Gương hấp dẫn Các quan sát thiên văn cho thấy tƣợng tạo gƣơng hấp dẫn xảy vũ trụ, (đó tƣợng ta quan sát thấy có nhiều thiên hà xa giống nhiều đặc điểm, tƣợng ánh sáng phát từ thiên hà bị bẻ cong đối tƣợng nằm khoảng ngƣời quan sát thiên hà đƣợc quan sát) nhƣng đối tƣợng tạo gƣơng hấp dẫn không quan sát thấy Ngƣời ta cho vật chất tối Hình 12.12 Phải có lượng vật chất tối khơng nhìn thấy thiên hà xa người quan sát để tạo nên ảnh gương thiên hà quan sát ( ảnh trích từ Google ảnh) Các ứng viên vật chất tối Có hai loại ứng viên cho vật chất tối là: vật chất tối có nguồn gốc barion (MACHO): lùn, lỗ đen, vật chất tối có nguồn gốc khơng barion (WIMP): hạt nơtrino, hạt đƣợc tiên đoán tồn từ lý thuyết hạt nhƣ axion, đơn cực từ,… Tuy nhiên, quan sát thiên văn cho thấy lƣợng vật chất tối tìm thấy nhỏ so với lƣợng đƣợc tiên đốn phải có 303 §12.5 NĂNG ƯỢNG TỐI Các chứng tồn lượng tối 1.1 Các liệu từ siêu loại Ia Sao siêu loại IA loại siêu có thiên hà xa, độ chói chúng cao ổn định, xem chúng nhƣ nến chuẩn để đo khoảng cách đến thiên hà theo định luật Hubble Các quan sát phổ siêu loại Ia cho thấy thiên hà xa tăng tốc lên không giảm vận tốc nhƣ đƣợc chờ đợi Hình 12.13: Các kiện quan sát siêu loại Ia chứng tỏ vũ trụ tăng tốc lên ( ảnh trích từ Evidence for an accelerating universe/ hyperphysics.phy-astr.gsu.edu) 304 1.2 Các liệu từ xạ v trụ Các kết đo đạt xạ vũ trụ từ vệ tinh COBE cho thấy vũ trụ hầu nhƣ phẳng, độ bất đồng vào cỡ phần trăm nghìn Điều cho thấy mật độ lƣợng trung bình vũ trụ với mật độ tới hạn theo lý thuyết Einstein 10-29 g/cm3 , nhƣng mật độ vật chất thông thƣờng vật chất tối vào khoảng 30%, phần cịn lại chiếm 70% lƣợng tối chƣa biết Hình 12.14: Bức xạ vũ trụ đo từ vệ tinh COBE cho thấy: xạ nhất( gần màu), độ không thấp cỡ 10 -5 ( ảnh trích từ Wikipedia/ nguồn NASA / WMAP Science Team ) Hình 12.15: Tỉ lệ loại vật chất vũ trụ ( ảnh trích từ Google ảnh) 305 1.3 Các liệu từ quan sát cụm thiên hà nóng Các quan sát từ cụm thiên hà nóng trên, cho thấy mật độ vật chất thơng thƣờng tối cỡ 30%, vũ trụ phẳng phần lƣợng tối chiếm gần 70% Hình 12.16: Ba thực nghiệm xác nhận vũ trụ tăng tốc: xạ vũ trụ, kiện siêu loại IA cụm thiên hà nóng ( ảnh trích từ báo Discover/ June – 26 -2006) Ba nhà vật lý Saul Perlmutter ( pháp), Brian Schmidt (Öc) and Adam Riess( Anh) đƣợc trao giải Nobel vật lý năm 2011 lãnh đạo nhóm nghiên cứu ba hƣớng khác khẳng định vũ trụ giãn nở tăng tốc 306 Hình 12.17: Các nhà vật lý đoạt giải Nobel Vật lý năm 2011 công phát vũ trụ giãn nở tăng tốc Từ trái sang : Saul Perlmutter, Brian Schmidt and Adam Riess ( ảnh trích từ Google ảnh) Các ứng viên lượng tối Việc quan sát thấy vũ trụ tăng tốc gây cho nhà vật lý nhiều bối rối Hiện tại, số hƣớng tiếp cận lý thuyết để giải thích cho tăng tốc kể nhƣ sau: 2.1 Hằng số v trụ lambda Λ Einstein Einstein đƣa vào số vũ trụ lambda để tạo lực đẩy cân với lực hút hấp dẫn, giữ cho vũ trụ tĩnh nhƣ quan sát thấy thời Sau Hubble phát vũ trụ giãn nở, Einstein cho sai lầm lớn Đến năm 1998, sau ngƣời ta phát vũ trụ giãn nở tăng tốc, số vũ trụ lại đƣợc xem xét trở lại giải thích tự nhiên giãn nở tăng tốc Tuy nhiên giá trị đo đƣợc từ thực nghiệm nhỏ đƣợc tính từ lý thuyết đến 120 bậc độ lớn( sai khác 10 120 lần !) 2.2 Trường lực thứ năm quintessence Ngƣời ta thay cho số vũ trụ lambda trƣờng vô hƣớng quintessence gây thêm lực thứ năm Trƣờng vô hƣớng thay đổi theo không gian thời gian, lƣợng tử trƣờng vô hƣớng có khối lƣợng vơ bé 10 -33 eV Sự nhỏ bé lƣợng tử trƣờng nhƣợc điểm lớn hƣớng tiếp cận 307 2.3 Thay đổi thuyết tương đối rộng Einstein - hướng hấp dẫn f(R) Trong hƣớng tiếp cận này, ngƣời ta thay đổi lý thuyết Tƣơng đối rộng Einstein lý thuyết cải tiến khác gọi lý thuyết hấp dẫn f(R) Các cơng thức tính tốn lý thuyết cải tiến phức tạp kết vũ trụ tăng tốc mà không cần đến lƣợng tối Theo lý thuyết vũ trụ tăng tốc nhƣng lại giảm tốc tƣơng lai xa 2.4 Mở rộng số chiều không – thời gian - hướng hấp dẫn extradimension tƣởng không gian với số chiều lớn đƣợc đề nghị vào năm đầu kỷ 20 Nordstrom vài năm sau Kaluza Klein Trong mơ hình Kaluza – Klein, chiều khơng gian thêm vào đƣợc co lại với bán kính nhỏ nên không phát đƣợc thực nghiệm Những tiếp cận theo hƣớng cho cách nhìn vũ trụ quanh ta Nhiều đặc trƣng hạt nhƣ khối lƣợng, điện tích có nguồn gốc từ số chiều không gian thêm vào Trong hƣớng vũ trụ nhiều chiều này, tăng tốc vũ trụ xuất tự nhiên không cần đến lƣợng tối §12.6 TĨ Về hệ TẮT NỘI DUNG ặt trời 1.1 Các quan niệm lịch sử hệ ặt trời  Quan niệm Ptoleme: Trái đất tâm vũ trụ, Mặt trời hành tinh quay xung quanh  Quan niệm Copecnic: Mặt trời nằm tâm, hành tinh quay xung quanh  Kepler hoàn chỉnh hệ Mặt trời định luật Kepler 1.2 Các thành viên hệ ặt trời  Mặt trời, hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, chổi, vành đai kuiper 308 Về Sao  Có hai loại sao thƣờng biến quang  Sao loại vật thể tự phát sáng lƣợng phản ứng nhiệt hạch lòng Vật chất dạng plasma nóng sáng, có khối lƣợng cở mặt trời trung bình Tùy theo khối lƣợng mà tiến hóa thành loại khác: lùn trắng, lùn đỏ, lùn xanh, lùn nâu, từ, nơtrơn, lỗ đen 2.1 Sao lùn trắng: hình thành cháy hết nhiên liệu nhiệt hạch, khối lƣợng riêng lớn, nóng, sáng Sao lùn trắng tiến hóa thành lùn đen 2.2 Sao lùn đỏ: có khối lƣợng nhỏ 40% khối lƣợng Mặt trời, lƣợng ánh sáng phát thấp, tuổi thọ lớn 2.3 lùn xanh: tạo từ lùn đỏ hết nhiên liệu, dự đoán lý thuyết, tuổi vũ trụ chƣa đủ để hình thành 2.4 Sao lùn nâu: thiên thể có khối lƣợng dƣới sao, không đủ để gây nên phản ứng nhiệt hạch Khối lƣợng nằm khoảng hành tinh khí lớn đến cở 80 lần khối lƣợng Mộc tinh 2.5 Sao nơtrơn : có cấu tạo đặc biệt, lớp sắt kết tinh, chất lỏng nơtrôn siêu chảy, tỉ trọng lớn Sao có kích thƣớc nhỏ, quay nhanh, từ trƣờng mạnh 2.7 Sao từ: có từ trƣờng mạnh, chu kỳ dài ( lớn 12giây), gây bùng nổ tia X 2.7 ỗ đen: vật thể có khối lƣợng lớn 1,4 lần khối lƣợng Mặt trời, không phát sáng hay xạ ngồi Ta nhận xạ phát từ đĩa vật chất bồi tụ xung quanh Về Thiên hà: Thiên hà hệ thống lớn thiên thể vật chất liên kết với lực hấp dẫn, bao gồm sao, tàn dƣ sao, mơi trƣờng liên chứa khí, bụi vũ trụ vật chất tối có loại thiên hà elip, xoắn ốc vơ định hình Có khoảng 170 tỷ thiên hà vũ trụ Thiên hà hay Ngân hà thiên hà có chứa hệ Mặt trời Ngân hà có cở 2.10 ngơi sao, khối lƣợng Ngân hà cở 2.10 11 khối lƣợng Mặt trời 309 Đƣờng kính 100.000 n.a.s Bề dày cở 6500 n.a.s Nhìn ngang, Ngân hà có dạng dĩa úp vào nhau, cịn nhìn từ xuống có dạng cánh tay hình xoắn ốc (nhánh) Ngân hà Thiên hà xoắn ốc (Spiral galaxy) Về thuyết Big bang  Thuyết Big bang cho vũ trụ hình thành cách cở 13,7 tỷ năm từ vụ nổ cực lớn  Sau thời điểm bắt đầu, vũ trụ giãn nở chậm dần nguội dần Các hạt bản, nguyên tử, phân tử , sao, thiên hà, cấu trúc lớn vũ trụ dần hình thành nhƣ ngày  Các kiện thực nghiệm xác nhận thuyết Big bang là: định luật Hubble tản xa thiên hà, xạ vi sóng tàn dƣ vũ trụ, tỉ lệ nguyên tố nhẹ nhƣ Hydro, Heli vũ trụ…  Thuyết Big bang số hạn chế nhƣ: vấn đề đƣờng chân trời, vấn đề tính phẳng vũ trụ, vấn đề đơn cực từ …  Định luật Hubble: v = H.d với : v vận tốc rời xa thiên hà, H0 số Hubble nay, d khoảng cách từ đến thiên hà Về vật chất tối  vật chất tối loại vật chất khơng nhìn thấy khơng phát xạ điện từ hay xạ khác  Các chứng tồn là: đƣờng cong quay phẳng thiên hà, kiện từ cụm thiên hà nóng, hiệu ứng gƣơng hấp dẫn …  Tính chất: có tính hút hấp dẫn, quầng tụ quầng thiên hà, không phát xạ điện từ  Các ứng viên: vật chất tối không barion nhƣ: nơtrino, hạt axion, hạt xuất lý thuyết hạt bản,… vật chất tối barion nhƣ: lùn nâu, lỗ đen,… 310 Về lượng tối:  Năng lƣợng tối loại vật chất gây giãn nở tang tốc cho vũ trụ, khơng phát xạ điện từ  Các chứng tồn tại: kiện từ quan sát siêu loại IA; kiện từ quan sát xạ vũ trụ; kiện từ cụm thiên hà nóng,  Tính chất: có tính phản hấp dẫn, phân bố phẳng vũ trụ, không phát xạ điện từ, …  Các ứng viên: số vũ trụ Einstein, hạt vô hƣớng quintessence, hấp dẫn cải tiến khác hấp dẫn Einstein, thuyết f( R), mở rộng số chiều khơng gian §12.7 C U HỎI Ý THU ẾT V B I TẬP Câu hỏi lý thuyết Các quan niệm lịch sử hệ Mặt trời? Điểm khác biệt quan niệm Copecnic Ptoleme hệ Mặt trời? Vai trò Kepler việc hoàn thiện hệ Mặt trời? Mặt trời thành loại tƣơng lai xa? Các khác biệt loại vũ trụ? Lỗ đen có phải hồn tồn khơng thể nhìn thấy khơng? Có loại thiên hà vũ trụ? Những nét chúng gì? Những nét thuyết Big Bang? Những kiện thực nghiệm xác nhận thuyết Big Bang? 10 Những kiện thực nghiệm xác nhận tồn vật chất tối gì? 11 Các ứng viên cho vật chất tối gì? 12 Những kiện thực nghiệm xác nhận tồn lƣợng tối ? 13 Các ứng viên cho lƣợng tối gì? 311 Bài tập Tính vận tốc quay quanh mặt trời Trái đất biết Trái đất cách Mặt trời trung bình 150 triệu km, khối lƣợng Mặt trời 2.10 30kg ĐS V= 29,8km/s Tính vận tốc quay quanh Mặt trời Mộc tinh biết cách mặt trời trung bình 778,3 triệu km ĐS V= 13,1km/s Một thiên hà xa cách 50 ngàn năm ánh sáng, tính tốc độ rời xa theo định luật Hubble ĐS V = 85m/s Một thiên hà rời xa với tốc độ 10 4m/s tính khoảng cách đến thiên hà theo định luật Hubble ĐS d = 5,9.10 nas 312 ... ngun lý chồng chất suy ra, lƣu thông véc tơ tổng đại số dịng điện I7 Hình 1.12: Định lý Ampere từ trường Định lý: Lưu thông véc tơ cường độ từ trường ⃗ dọc theo đường cong kín (C) tổng đại số... Oersted, nhà vật lý ngƣời Đan Mạch phát tƣợng dòng điện đặt gần kim la bàn làm kim la bàn không theo hƣớng Bắc – Nam mà bị lệch ngƣời ta biết tƣợng điện từ liên quan với Sau Ampere, nhà vật lý ngƣời... PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER 183 §8.5 ỨNG DỤNG CỦA PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER .185 §8.6 TĨM TẮT NỘI DUNG 190 §8.7 C U HỎI L THUYẾT V B I TẬP 192 Chương 9: VẬT LÝ NGUYÊN