Vật lý đại cương các nguyên lí và ứng dụng

Physics Classial and Modern VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG TẬP CÁC NGUYÊN LỶ VÀ ỨNG DỤNG (Quang học Vật lí Ị từ) NXB GIÁO DỤC - 2009 A - QUANG HỌC Quang học môn học nghiên cứu ánh sáng Trước công nguyên số nhà triết học cổ Hy Lạp cho rằng, nhìn thấy vật từ mắt ta phát "tia nhìn" đến đập lên vật Tuy nhiên có số triết gia khác cho ánh sáng xuất phát từ vật phát sáng Vào cuối kỉ XVII Niutơn (Newton) dựa vào tính chất truyền thẳng ánh sáng đưa thuyết hạt ánh sáng Theo Niutơn ánh sáng dòng hạt bay từ vật phát sảng theo đường thẳng Cùng thời gian Huyghen (Huygens) lại đưa thuyết sóng ánh sáng Theo ông, ánh sáng truyền dao động đàn hồi mồi trường gọi "ête vũ trụ" Do uy tín khoa học cùa Niutơn nên thê' kỉ XVIII thời kì thống trị cùa thuyết hạt vè ánh sáng Tuy nhiên vào đầu kỉ XIX sở già thuyết sóng ánh sáng, Frênen (Fresnel) giải thích đầy đù tượng quang học biết thời Kết thuyết sóng người cơng nhân thuyết hạt bị lãng quên Sau thuyết điên từ Macxoen (Maxwell) đời (1864) người ta chứng minh ánh sáng sóng điện từ có bước sóng từ 0,4p.m đến 0,75pm Vào cuối thê' kỉ XIX đầu thê' kỉ XX hàng loạt kiên thực nghiêm chứng tỏ vật phát xạ hay hấp thụ ánh sáng theo lượng gián đoạn mà độ lớn chúng phụ thuộc vào tần sơ' ánh sáng Điều lại dẫn đến khái niêm hạt ánh sáng : ánh sáng gồm dịng hạt gọi phơtAn Sự phát triển cùa vật lí vể sau chứng tỏ ánh sár.g vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Trong sô' hiên tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, ánh sáng thể hiên tính chất sóng ; cịn sơ' tượng khác hiệu ứng quang điên, hiệu ứng Comtơn (Compton), ánh sáng lại thể hiên tính chất hạt Trong phần giáo trình nghiên cứu tượng quang học - nhằm hiểu rõ chất cúa ánh sáng, đồng thời giáo trình cung cấp kiến thức cần thiết việc ứng dụng định iuật quang học kì thuật đời sống Chương Cơ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Trong thực tế có nhiều tượng quang học, đặc biệt hoạt động dụng cụ quang học nghiên cứu xuất phát từ khái niệm tia sáng Phần quang học dựa khái niệm gọi quang hình học Dựa vào định luật tia sáng, quang hình học giúp nghiên cứu tạo thành ảnh dụng cụ quang học cách đơn giản §1.1 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC Quang hình học dựa bốn định luật sau : Định luật truyền thảng ánh sáng ♦ Định luật phầt biểu sau : Trong môi trường - suốt đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng Khi nghiên cứu tượng nhiễu xạ ta thấy định luật ,có giới hạn ứng dụng cùa Lúc ánh sáng truyền qua nhữrrg lỗ thật nhỏ gặp chướng ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng định luật khơng cịn Định luật tác dụng độc lập tia sáng Định luật phát biểu : Tác dụng cùa chùm sáng khác độc lập với nhau, nghĩa tác (lụng chùm sáng không phụ thuộc vào có mặt hay khơng chùm sáng khác Hai định luật Đêcac (Descartes) Thực nghiệm xác nhận tia sáng 01 tới mặt phân cách hai mơi trường suốt, đồng tính đẳng hướng tia sáng bị tách thành hai tia : tia phản xạ ỊRỵ tia khúc xạ //?2 (h.l-ỉ) Chúng tuân theo hai định luật sau : a) Định luật Đêcac thứ : Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới (tức mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến IN) góc tới góc phản xạ ‘1 - *’1 (1-1) h) Định luật Đêcac thứ hai : Tia khúc xạ nằm mặt phang tới tỉ sơ' sin góc tới sin góc khúc xạ số khơng đổi sin i ~~ = n21’ sin *2 (1-2) n2] sô' không đổi phụ thuộc vào chất hai môi trường gọi Ịà chiết suất tỉ đối môi trường môi trường H.1-1 Định luật phản xạ định luật khúc xạ Nếu n2| >1 i2 < i|, tia khúc xạ gâp lại gần pháp tuyến môi trường gọi chiết quang môi trường Ngược lại n21 < i2 > ij, tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến môi trường chiết quang môi trường c) Chiết suất tỉ dối chiết suất tuyệt đối : Nếu gọi ƯỊ Ư2 vận tốc ánh sáng mơi trường thực nghiệm chứng tỏ : (1-3) n2|=Ạv2 Với : nước — khơng khí: n21 = 1,33, thuỷ tinh - khơng khí: n21 = 1,52 Ngồi chiết suất tỉ đối, người ta cịn định nghĩa chiết suất tuyệt đối môi trường Thèo định nghĩa chiết suất tuyệt đối môi trường chiết suất tỉ đối mơi trường đơi với chân không Nếu gọi V vân tốc ánh sáng môi trường, c vân tốc ánh sáng chân không n chiết.suất tuyệt đối cùa mơi trường vào (1-3) ta có : n = — V Đối với khơng khí V = c nên n =s (1—4) So sánh với kết thu nghiên cứu vận tốc truyền sóng điên từ, ta thấy : n 5= TẼỊÃ, E Ị1 số điên môi độ từ thẩm mơi trường Ta tìm liên hệ chiết suất tỉ đối hai môi trường chiết suất tuyệt đối cùa chúng Từ (1-3) viết: _ vl _ c c _ n2 n21 = -4- = — : —• = v2 v2 Vj nị /1 -X (1-5) Nếu môi trường thứ ià khơng khí ttỊ « n2i ~ n2 Do coi chiết suất tuyệt đối môi trường chiết suất tỉ đối mơi trường khơng khí d) Dạng đối xứng dinh luật Đêcac : Từ (1-2) (1-5) viết : sinil _ _ n2 ——_ n2| - “ • sinị2 nj rqsini] = n2sini2 (1-6) Đó dạng đối xứng cùa định luật Đêcac d) Hiện tượng phản xạ toàn phần - Xét hai mơi trường Nếu n2Ị > i2 < ij tia tới cho tia khúc xạ, ví dụ trưịng hợp ánh sáng từ Khơng khí vào nước (h -2a) Nêu n2Ị < i2 > ij khơng phải tia tới cho tia khúc xạ Vì góc khúc xạ i2 < đó, tia tới mà góc tới ij ứng với góc khúc xạ i Ị max tồn ánh sáng bị phản xạ khơng cịn tia khúc xạ nứa Lúc ta có tượng phản xạ tồn phần (h l-2b) Vậy muốn xảy hiên tượng phản xạ tồn phần a) b) H.1-2 Hiện tượng phản xạ toàn phẩn ánh sáng phải truyền từ mơi trường có chiết suất lớn sang mơi trường có chiết suất bé, đồng thời góc tới phải lớn i|niax ; i|max gọi góc tới giới hạn Ví dụ trường hợp ánh sáng truyền từ nước khơng khí iịmax = 49° Hiện tượng khúc xạ phản xạ tồn phần có nhiều ứng dung thực tế H.1-3 Độ cao quan sát độ cao thực củá Trong thiên văn học xác định vị trí cần phải xét đến khúc xạ ánh sáng qua lớp khơng khí Chúng ta biết chiết suất khơng khí phụ thuộc mật độ thực nghiệm chứng tỏ hiệu số nkh - tỉ lệ với mật độ Càng lên cao mật độ khơng khí giảm chiết suất khơng khí bị giảm theo Tia sáng xuất phát từ ngơi không đỉnh đầu đến Trái Đất qua lớp khơng khí với chiết suất tăng dần bị cong (hình 1-3, hình vẽ để dễ hình dung khí chia thành lớp mỏng bề dày Ah) Kết vị trí quan sát ngơi cao vị trí thực Một đường chần trời, tượng khúc xạ ánh sáng, bị nâng lên góc cỡ 36' H.1-4 Sự tạo thành ảo ảnh Các ảo ảnh quan sát vùng sa mạc hay đồng cỏ giải thích dựa tượng khúc xạ phản xạ toàn phần (h 1-4) Nhờ uốn cong tia sáng nên số vật khuất xa đường chân trời nhìn thấy gần người quan sát Hiện tượng phản xạ toàn phần ứng dụng để đổi chiều tia sáng dụng cụ quang học Chiết suất nhiều loại thuỷ tinh vào cỡ 1,5 Vì góc tới giới hạn biên giới thuỷ tinh khơng khí cỡ 42° góc tới 45° luôn xảy tượng phản xạ tồn phần Hình 1-5 biểu diễ.i lãng kính phỉn xạ tồíi phần Trong trường hợp a) ảnh phương truyền ánh sáng bị quay góc 90° phản xạ toàn phần mặt đáy lãng kính Trong trường hợp b) ảnh phương truyền ánh sáng bị đổi chiều hai lần phản xạ tồn phần hai mặt bên lăng kính H.1-5 Các lăng kính phản xạ tồn phần Trong trường hợp b) ảnh phương truyền ánh sáng bị đổi chiều hai lần phản xạ toàn phẩn hai mật bên cùa làng kính Trong trường hợp c) ảnh bị đổi chiểu phản xạ toàn phần mặt đáy lãng kính chiểu truyển ánh sáng lại khơng đổi Hình l-6 biểu diễn sơ đồ mót loại ống nhịm dùng quan sát vật bị che khuất, nguyên tắc đùng hai gương phẳng đặt nghiêng 45° để thay lăng kính phản xạ tồn phần H.1-6 Ống nhỏm quan sát vật bị che khuất Tuy nhiên phản xạ từ gương kim loại phần ánh sáng xuyên vào kim loại bị hấp thụ ỉrong Khi dùng lăng kính phản xạ tồn phần mát khơng xảỳ Ngày tượng phản xạ tồn phần cịn ứng dụng cáp sợi quang §1.2 NHŨNG PHÁT BlỂư TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỊNH LUẬT ĐÊCAC Quang lộ Xét hai điểm A, B mơi trường đồng tính chiết suất n, cách đoạn d(h.l-7a) Thời gian ánh sáng từ A đến Blà : t=ị (1-8) V vân tốc ánh sáng môi trường Người ta định nghĩa : quang lộ hai điểm A, B đoạn đường ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian t, t khoảng thời gian mà ánh sáng đoạn đường AB môi trường Gọi L ’.à quang lộ hai điểm A, B ta có L = ct (1-9) Thay t từ (1-8) vào (1-9) biết chiết suất môi trường c n = — ta rút : V L = nd (1-10) Nếu ánh sáng truyền qua nhiều môi trường chiết suất Dị, n2, n3, , với quãng đường dp d2, d3» (h.l-7b), quang lộ tổng cộng : L = íqdỊ + n2d2 + n3d3 + = Enjdj (1-11) Nếu ánh sáng môi trường mà chiết suất thay đổi liên tục từ điểm đến điểm khác (h.l-7c) ta chia đoạn đường thành 10 đoạn nhỏ ds để chiết suâ't coi không đổi đoạn nhỏ quang lộ hai điểm A B : A L = J n.ds (1-12) B H.1-7 Khái niệm quang lộ Nguyên lí Fecma (F.ermat) a) Phát hiểu : Khi nghiên cứu truyền ánh sáng, Fecma tìm ngun lí sau : Giữa hai điểm AB, ánh sáng truyền theo đường mà quang lộ cực trị (cực đại, cực tiểu khơng đổi) Căn vào (1-9) ta phát biểu : Giữa hai điểm AB, ánh sáng truyền theo đường thời gian nhất, nhiều thời gian nhất, truyền theo đường mà thời gian truyền h) Sự tương đương nguyên lí Fecma định luật Đêcac : Nguyên lí Fecma dạng phát biểu tương đương định luật Đêcac Ta xét tương đương - Sự tương đương nguyên lí Fecma với định luật phản xạ Xét hai điểm A, B nằm phía mặt phản xạ z (h l-8a) Gọi AIB đường ánh sáng truyền từ A đến B Căn vào định luật phản xạ iị = i’| 11 thái điện nghĩa : 21 + = 2, = 1/2 ; p n hai trạng thái cùa nuclơn khác hình chiếu Iz spin đồng vị, cụ thể : Pcó L = +— ; z ncó, 1I = z Tương tự ba hạt 7Ĩ+, 71°, 71 coi ba trạng thái cùa hạt, nghĩa 21 + = Do I = Vây hạt mêdơn 71 có spin đồng vị : I = Ba trạng thái 7t+, 7t°, 71 ứng với ba giá trị hình chiếu Iz khác spin đồng vị 71 7t+ có Iz = ; 71° có Iz = ; 71 có Iz = -1 Người ta nói (p, n) hợp thành hộ đơi đồng vị, (7t+, 71°, 71 ) hợp thành hộ vị Đặc biệt hạt A° hợp thành hộ đơn dồng vị (I = 0, Iz = 0) Đối hạt có I có Iz ngược dấu so với hạt §9.2 PHÂN LOẠI CÁC HẠT sơ CẤP Phân loại hạt sơ cấp Hiện hạt sơ cấp biết phân thành bốn loại sau : a) Pỉìơtơn (y) : lượng tử ánh sáng, khối lượng tĩnh không h) Leptôn : hạt nhẹ gổm có nơtrinơ (v), êlectrơn (e ) mêdôn p đối hạt chúng Gần người ta lại phát có hai loại nơtrinơ : loại đôi với êlectrôn (ve) loại đôi với mêdôn p (Vg) 233 Ví dụ : p —* n + e+ + ve ; n —> p + e + ve ; 7t+ -> |1+ + Vg ; 7t‘ -> g" + vg Do người ta phân hai loại họ leptơn : leptôn êlectrôn (e, ve) leptôn mêdôn p (p, Vg) Một điều đặc biệt phản ứng biến đổi sinh cặp leptôn họ leptơn lại xuất hiên leptơn khác họ Ví dụ : IZ + * + K —> p + V|X; M- e + ve + Vp Để mơ tả tính chất leptôn người ta đưa số lượng tử gọi số ỉeptôn I Các leptôn e , p , ve, Vg có ỉ = Đối hạt có số leptơn ngược dấu so với hạt Các q trình giải thích định luật gọi định luật hảo tồn số ỉeptơn (êlectrơn hay mêdơn p) : q trình hiến đổi, tổng (đại sơ) số ieptơn hệ hảo tồn c) Mêdơn : hạt trung bình có khối lượng khoảng 200 -ỉ- 900 lần khối lượng êlectrơn Có hai nhóm mêdơn mêdơn 7t(7t+, 7t°, 71 ) mêdôn K (K+, K°) d) Bariơn : Các hạt nặng có khối lượng hay lớn khối lượng prơtơn Có hai nhóm bariơn : nuclôn (p, n) hypêrôn (A, X, S) Năm 1964 người ta tìm hypêrơn ơmêga (Q ), khối lượng (3278 ± 6)me Các mêdôn 7Ĩ, K bariơn có tên chung ađrơn Công thức Gellman Nishijima Đối với ađrôn, Gellman - Nishijima đưa công thức sau đây, liên hệ điện tích Q, hình chiếu spin vị Iz, số lạ s SỐ bariôn B hạt: 234 Q = I +^±5, (9-10) (ở Q số điện tích hạt tính theo đơn vị e) Ví dụ prơtơn : nơtrôn : ômêga (Q ) : q = 0+ ỉ^ = -l Ở trang 234, có bảng liệt kê số hạt sơ cấp với kí hiệu, điện tích, khối lượng, thời gian sống, spin, spin vị, hình chiếu spin vị phản ứng phân rã chúng §9.3 TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT sơ CẤP Các hạt sơ cấp ln ln biến đổi ; số q trình biến đổi kể : trình tán xạ hạt lên hạt khác, trình sinh hạt, trình huỷ hạt, Nói chung hạt sơ cấp có tương tác Ngày người ta biết có bốn loại tương tác hạt sơ cấp : Tương tác mạnh tương tác ađrôn trừ trình phân rã chúng Ví dụ tương tác nuclơn (q trình lukaoa) loại tương tác mạnh : p + n -rìi + 7t+ 4- n —> n + p ; n + p —> p + n + p —> p + n ; n + n—>n + 7t° + n->n + n; O p + p—>p + 7t + p —» p + p 235 Ví dụ khác : 71 4- p —> K° 4- A° ; K° 4- p —»7Ĩ+ 4- A° Tương tác điện từ tương tác phôtôn hạt mang điện Ví dụ : e+ + e —> 2y ; (huỷ cặp) n 71 -4 2y Y 4- hạt nhân -ỳ e+ 4- e ; (sinh cặp) 7Ĩ+ 4- 71 —> 2ỵ ; Y 4- e —> e (quang điện) Nói chung hạt tương tác với đối hạt cho hai phôtôn Tương tác yếu bao gồm trình phân rã ađrôn, hấp thụ mêdôn p chất q trình có nơtrinơ Ví dụ : p —> n 4- e+ 4- ve ; (phân rã p+) n -4 p e 4- ve ; (phân rã p ) 71+ -> p+ 4- Vụ ; —> pT 4- vu Tương tác hấp dẫn tương tác phổ biến vật có khối lượng Khi khảo sát hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác nhỏ q khơng đáng kể Nếu so sánh độ mạnh tương đối loại tương tác trên, ta có bảng sau : Loại tương tác Độ mạnh (quy ước) 236 Mạnh Điên từ Yếu Hấp dẫn 1/137 10’14 -39 lơ Bảng hạt sơ cấp biết Khối lượng Loại hạt Hạt Kí hiệu Hình Điện Spin chiếu Spin tích dồng spin s vị I Q/e vị Iz Tính me Tính MeV Y 0 ve 0 1/2 e 0,511 -1 1/2 Nơtrinômêdôn p Vp 0 1/2 Mêdón |1 p 206,7 105,659 -1 1/2 264,2 135,01 0 273,2 139,60 +1 +1 K+ 966,5 493,8 +1 1/2 + 1/2 K° 965 498,0 0 1/2 -1/2 p 1836,1 938,256 +1 1/2 1/2 + 1/2 Phôtôn Phôtôn Nơtrinô êlectrôn Leptôn Êlectrôn Mêdôn 71 rt n Mêdôn Mêdôn K Nuclôn Hypêrôn lamđa Bariôn Hypẻrôn sicma Hypốrôn ksi Hypêrôn ômêga o + n 1838,6 939,550 1/2 1/2 -1/2 A° 2182 1115,40 1/2 n s+ 2325 1189,41 +1 1/2 +1 1° 2324 1192,4 1/2 2341 1197,08 -1 1/2 -1 2571,4 1314,3 1/2 1/2 + 1/2 2585 1320,8 -1 1/2 1/2 -1/2 3278 1675 -1 3/2 0 _o 237 Sô' bariôn Sỏ lạ s Sô' leptôn 1 Phàn hạt oo Trùng với hạt oo ựe e \ Thời gian sống trung bình (s) 2,2.1(T6 1.8.10"16 Trùng 2,55.10~8 K~ Dạng phân rã JX —» e *■ + ve + vg O 71 —> Ỵ + Y _+ 71 —> |1 K + Vg + vp +1 1.23.10-8 K~ K+ -ỳ (63%) 7I+ + 7t° (21,5%) 7t+ + 7t+ + 7t“ (5,6%) 7t+ + 7t“ (69,4%) K° +1 71° + 7t° (30,6%) 0,92.10 10 n0+7r°+7t° (27,1%) 71+ + n' + 7t° (12,7%) K°- 7Ĩ~ + |I+ + vg (26,6%) k°2 5,62.10 1.01.103 +1 -1 2,62.10"10 +1 -1 0,788.1O~10 +1 -1 < 10‘14 +1 -1 1,58.1O’10 +1 -2 *° 3,6.10 +1 -2 1.74.1O"10 (III (III M l M l +1 -3 o,7.io"10 238 31 XJI n -> p + e“ + Ve >1 +1 A° -> < Ml +1 »1 71' + e+ + ve E+ -> p + 7t° (51%) p + 7ĩ' (67,7%) n + 71° (31,6%) n + 71+ (49%) —> A + Y 2" -» n + n" E° —> A + 71° E~ -> /5 ° + 7t" ữ~ -> (33,6%) ÍE° + 7t' [ã- + 7t° Các tương tác chất khác nhau, tuân theo sô' quy luật chung, đặc biệt định luật bảo tồn Các q trình tương tác tuân theo định luật bảo toàn sau : a) Bảo toàn lượng ; b) Bảo toàn động lượng ; c) Bảo tồn mơmen động lượng (kể mơmen spin) ; d) Bảo tồn điên tích ; e) Bảo tồn số bariơn ; g) Bảo tồn số leptơn êlectrơn ; h) Bảo tồn số leptơn mêdơn Ngồi có định luật bảo tồn số loại tương tác Ví dụ : tương tác mạnh có định luật bảo tồn số lạ s, bảo toàn spin vị I bảo toàn hình chiếu spin vị Iz ; tương tác điện từ có định luật bảo tồn sơ' lạ s bảo tồn hình chiếu spin đồng vị Iz ; tương tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ hình chiếu spin vị biến đổi theo quy tắc lựa chọn : AS = ± ; AIZ=+| (9-11) Ví dụ xét q trình tương tác yếu có hạt lạ tham gia sau : K+->F1++Vg (AS = -1), ^AIZ =+|j; E~->A°+7ĩ" (AS = +1), ÍaIz =-|ị Cịn q trình tương tác yếu có leptơn tham gia khơng tuân theo hai định luật bảo toàn số lạ, bảo tồn spin đồng vị chúng khơng có sơ' lạ spin đồng vị 239 Ngồi cịn có định luật bảo toàn khác định luật bảo toàn chẵn lẻ v.v mà ta khơng nói tới Hiện phát khoảng 300 hạt sơ cấp (xem bảng hạt sơ cấp trang 234) có hàng trăm hạt sinh tương tác mạnh Những hạt có tính chất đặc biệt, thời gian sống cực ngấn «, - , , -23 vào cỡ thời gian hạt nhân (10 's) ; khơi lượng chúng khơng có giá trị xác định Người ta gọi hạt cộng hưởng Thành thử số hạt sơ cấp phát ngày nhiều Chúng có thê sinh, huỷ biến đổi tương hỗ Trong trình biến đổi, hạt sơ cấp tuân theo định luật bảo toàn tuyệt đối : nãng lượng, xung lượng, spin, điện tích Tuỳ theo tính chất hạt tương tác, q trình biến đổi hạt sơ cấp cịn tn theo sơ định luật định luật bảo toàn khác định luật bảo tồn số leptơn electron, sơ leptơn mêdơn, số bariơn, số lạ, spin đồng vị, chẩn lẻ §9.4 CÁC HẠT QUARK Vì số hạt sơ cấp phát ngày nhiều nên từ lâu nhà vật lí đặt vấn đề tìm hiểu xem liệu hạt sơ cấp có cấu tạo số hạt khác "cơ bản" ? Câu trả lời : vây Điều hoàn toàn phù hợp với quan điểm chủ nghĩa vật biện chứng : trình sâu tìm hiểu cấu tạo bên vật chất, coi đối tượng vật chất đối tượng vật chất khác "viên gạch" cuối cấu tạo nên chất Ngay từ năm 1963 - 1964 Gelman - ZWeig giả thuyết hạt ađrôn cấu tạo ba hạt "cơ bản" gọi chung hạt quark tên cụ thể u, d s (các phản hạt chúng ũ, d s’) Các hạt quark có spin J =và đặc biệt chúng có điện tích phân số cùa điện tích nguyên tố e ; 240 Bảng sau cho biết giá trị spin 1, điện tích Q (tính theo đơn vị e), số bariơn B só lạ s ba hạt quark u, d, s với đòi hạt chúng Quark J Q B s u 2 3 d 2 3 s 3 -1 ũ 2 ■ d ị 2 _2 ——1 —1 — _1 Cấu tạo quark sô' ađrôn tóm tắt bảng sau : Câ'u tạo Hạt _ [I] _ II] ọ A N ọ + p;n bd o id V n O 7I+ ; n K+, K° 6- VLĐCT3-P1 B s Q uss ; dss -2 ; -1 uds I -1 uus ; uds ; dds -1 +1;0;-1 uud ; udd 1 ;0 tổ hợp -1 -1 ;0 ũu, dd, ss" 0 ud ; ũd 0 ; -1 u s ; đ s’ ỉ ;0 ũs ; ds 241 Giả thuyết cấu tạo quark ađrôn giải thích nhiều kết phù hợp với thực nghiêm ; đặc biệt tiên đốn tổn hạt Q ; hạt thực nghiêm tìm sau nãm với đặc trưng vật lí phù hợp với tính tốn lí thuyết Năm 1969 xuất giả thuyết cho phải tồn hạt quark thứ tư, kí hiệu c : hạt mang tính chất vật lí đặc trưng số lượng tử gọi số "duyên" c (charm) Q B s c 3 1 -1 c J — Hạt quark — (N C Giả thuyết hạt quark c giải thích phát số hạt sơ cấp, đặc biệt ađrơn siêu nặng tìm năm 1975 : hạt ự JA|/, chúng có cấu tạo quark CC Năm 1977 lại xuất giả thuyết cho phải tổn hạt quark thứ năm, kí hiệu b : hạt mang tính chất vật lí đặc trưng số lượng tử gọi số "đẹp" b (beauty) bottom) Hạt quark J Q B s c b b _Ị_ 3 0 b _Ị_ Ậ 0 -1 Giả thuyết tồn hạt quark b chứng minh người ta tìm hạt sơ cấp Y (upsilon), hạt nặng có cấu tạo bb Hiên nhà vật lí thừa nhận tổn hạt quark thứ sáu, 242 hạt t (top) tương ứng với hạt leptón nói mục sau Năm 1994 (một số nhà vật lí trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) thơng báo tìm thấy hạt quark t (trong máy gia tốc Tevatron : mt ~ 1746eV/c“ * §9.5 CÁC LEPTƠN Trong năm 30 kỉ XX người ta biết có hạt leptôn electron e ; mêdôn p ; nơtrinô V Sau phát tồn hai hạt nơtrinơ khác ve tương ứng với hạt electron e Vụ tương ứng với hạt mêdôn ịi Vào khoảng năm 80, người ta tìm hạt leptơn nặng, hạt T , khối lượng 17 lần khối lượng hạt mêdôn p Và người ta thừa nhận phải tồn hạt nơtrinô thứ ba VT tương ứng với hạt T Như vây có hạt leptơn xếp thành cặp tương ứng e ve; M- Vg; T VT §9.6 SỰTHỐNG NHẤT vĩ ĐẠI CỦA CÁC TƯƠNG TÁC Trong số tương tác hạt sơ cấp (mạnh, điện từ, yếu, hấp dẫn), tương tác điện từ đựợc nghiên cứu từ lâu đến 243 hình thành lí thuyết hồn phù hợp với thực nghiệm cách tuyệt vời Ví dụ tính tốn mơmen từ dị thường electron, điện động lực học lượng tử (lí thuyết tương tác điện từ) tìm kết ( _ -12 pe = (1159 652 359 ± 282) 10 , kết thực nghiệm „—12 ge = (1159 652 410 ± 200) 10 lz Theo điện động lực học lượng tử, tương tác điện từ tương tác không trực tiếp : hai hạt tích điện (đứng yên hay chuyển động) tương tác điện từ với thông qua trao đổi phôton Hạt phôton gọi lượng tử trường điện từ (hay gọi hạt trường tương tác điên từ) Những tính tốn ií thuyết kiên thực nghiêm chứng tỏ nhiều trường hợp, bốn tương tác nói có thể giớng Đặc biệt người ta chứng minh giới hạn nãng lượng cao bốn tương tác nói tiến đến giới hạn Về mặt lí thuyết diễn tả bốn tương tác hình thức - lí thuyết trường chuẩn (gauge) Yang - Mill Nói cách khác thống bốn loại tương tác với : thống gọi thống vĩ đại H.9-1 Tương tác hai electron Theo lí thuyết này, tương tác tương tác khơng trực tiếp - có hạt trường tương ứng ; hạt trường boson 244 Tương tác hấp dẫn có hạt trường graviton Tương tác mạnh có hạt trường gln Tương tác yếu có hạt trường w+, w", z° ; (còn gọi boson trung gian) Nhà vật lí người Italia Carlo Rubbia với 148 cộng sự, sau năm cải tiến máy gia tốc CERN đạt tới lượng 540 GeV, đến 1983 thơng báo tìm boson trung gian w+ w" z° Theo tính tốn lí thuyết khối lượng w vào cỡ 78GeV/c , z° vào cỡ 89 GeV/c2 ; thực nghiệm cho kết _ (81 ± 5) GeV/c Việc tìm boson trung gian thắng lợi rực rỡ lí thuyết thống vĩ đại Và với việc tăng không ngừng lượng máy gia tốc hạt, người ta hi vọng tiếp tục tìm chứng minh thực nghiệm lí thuyết Để kết thúc, tóm tắt sơ đổ cấu tạo vũ trụ sau : vật chất tổn hai dạng : hạt trường ; với dạng hạt có hạt (theo ý nghĩa viên gạch tạo nên hạt khác), với dạng trường có hạt truyền tương tác : 245 Trường (tuơng tác) Hạt quark lepton ì ( loại hấp dẫn graviton -1 yếu w+, w~, z° < 65MeV/c2 điện từ phôton R 106MeV/c2 -1 v-t