Tuong tac dien tu tu co dien den luong tu tskh 9955

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa Vật Lý- lớp Lý 3A    Giáo viên hướng dẫn : TSKH Lê Văn Hồng Nhóm thực hiện: Đỗ Thị Thu Hà Vũ Thanh Huy Nguyễn Văn Hùng Hồng Văn Hưng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng – 2009 MỞ ĐẦU TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT I Các tương tác tự nhiện I.1 Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính vũ trụ " I.1.1 Quan điểm Newton I.1.2 Quan điểm Einstein (tương đối): .6 I.1.3 Quan điểm lượng tử: I.2 Tương tác điện từ: "Chất keo dính nguyên tử" .7 I.2.1 Trường điện từ Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.2.2 Cơ học lượng tử: I.3 Tương tác mạnh: " Chất keo dính hạt " I.4 Tương tác yếu: II Sự phát triển quan điểm tương tác điện từ II.1 Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại II.1.1 Sự xuất danh từ “điện” .9 II.1.2 Sự xuất danh từ “từ” 10 II.2 Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ 11 II.2.1 Tương tác tĩnh điện 11 II.2.1.1 Điện tích - Định luật bảo tồn điện tích 11 II.2.1.2 Điện tích cấu trúc vật chất 13 II.2.1.3 Tương tác điện tích điểm - Định luật Coulomb 16 II.2.1.3.1 Thí nghiệm đo lực điện 16 II.2.1.3.2 Định luật Coulomb: .18 II.2.2 Điện trường ? 19 II.2.2.1 Điện trường lực điện 19 II.2.2.2 Véctơ cường độ điện trường 20 II.2.2.3 Nguyên lý chồng chất điện trường 22 II.2.2.4 Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường 22 II.2.2.5 Năng lượng điện trường 25 II.2.3 Tương tác tĩnh từ 26 II.2.3.1 Từ tích - đơn cực từ : 27 II.2.3.2 Định luật Ampere tương tác hai yếu tố dòng 28 II.2.4 Từ trường gì? .29 II.2.4.1 Từ trường lực từ 29 II.2.4.2 Véctơ từ trường 30 II.2.4.3 Nguyên lý chồng chất từ trường: 31 II.2.4.4 Đường cảm ứng từ - định luật Gauss cho từ trường: .32 II.2.4.4.1 Đường cảm ứng từ 32 II.2.4.4.2 Định luật Gauss cho từ trường 32 II.2.4.5 Năng lượng từ trường .33 II.2.5 Điện từ trường 35 II.2.5.1 Từ trường biến thiên - nguồn sinh điện trường 35 II.2.5.1.1 Định luật Faraday cảm ứng điện từ: 35 II.2.5.1.2 Luận điểm thứ Maxwelll 37 II.2.5.2 Điện trường biến thiên - nguồn sinh từ trường 39 II.2.5.2.1 Định luật Ampere lưu thông từ trường: 39 II.2.5.2.2 Khái niệm dòng điện dịch - luận điểm thứ hai Maxwell: 40 II.2.5.3 Trường điện từ - môi trường vật chất .43 II.2.5.4 Hệ phương trình Maxwell 43 II.3 Bộ rung điện Herzt - chứng thực nghiệm cho lý thuyết trường điện từ 45 II.3.1 Cấu tạo: 45 II.3.2 Kết thí nghiệm 46 II.3.3 Phát sóng điện từ 46 II.3.4 Kết luận 47 II.4 Tương tác điện từ - thuyết trường lượng tử (QED) 48 Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hồng II.4.1 Thí nghiệm Lamb-Retherfor: 49 II.4.1.1 Phương án thí nghiệm 49 II.4.1.2 Kết thí nghiệm 50 II.4.1.3 Phân tích kết thí nghiệm: 50 II.4.2 Hạt nhân thuyết điện động lực học lượng tử (QED) 52 II.4.2.1 Khái niệm trường lượng tử .52 II.4.2.2 Chân không lượng tử 53 II.4.2.2.1 Chân khơng ? 53 II.4.2.2.2 Vậy chân khơng lượng tử gì? 54 II.4.3 Điện động lực học lượng tử .56 II.4.3.1 Định nghĩa 56 II.4.3.2 “Photon ảo” tính chất tương tác điện từ theo QED .57 II.4.3.3 Tái chuẩn hóa 58 II.4.4 Thực nghiệm kiểm tra thuyết 60 II.4.4.1 Giải thích dịch chuyển Lamb 60 II.4.4.2 Moment từ dị thường electron 61 II.4.4.3 Hiệu ứng Casisir - lực xuất từ chân không .61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng MỞ ĐẦU Tương tác điện từ tương tác bản, vô phổ biến quan trọng vũ trụ, tầm ảnh hưởng ứng dụng ngày mở rộng mặt sống Thế hệ thống kiến thức tương tác điện từ chưa trình bày cách có hệ thống, có tính khái qt cao Một phận khơng nhỏ sinh viên cịn chưa có hệ thống kiến thức đầy đủ, logic, khoa học tương tác điện tử Cũng nhằm đáp ứng nhu cầu phận không nhỏ người đam mê nghiên cứu tượng điện từ Do đó, với đề tài nhóm chúng tơi cung cấp cho độc giả hệ thống kiến thức phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu cho công việc giảng dạy sau Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng TỔNG QUAN Trên sở phân tích tài liệu tác giả khác, nhóm nhận thấy:  Kiến thức tương tác điện từ tài liệu trình bày cách rời rạc, khơng có hệ thống liên tục, gây khó khăn cho người sử dụng tài liệu, phải sử dụng nhiều tài liệu khác trình nghiên cứu, học tập  Đồng thời kiến thức nêu mang tính chất áp đặt, thiếu thí nghiệm để dẫn đến định luật định lý, thiếu lập luận logic dẫn dắt đề, làm cho người đọc khó nắm bắt chất vấn đề Qua đó, nhóm định xây dựng tranh tổng quát quan điểm tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng tử Nội dung đề tài xây dựng cách chặt chẽ, logic Các định luật, định lý xây dựng từ thí nghiệm, sử dụng ngơn ngữ tốn học cách chặt chẽ, dẫn dắt người đọc sâu vào vấn đề Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT I Các tương tác tự nhiện Thế giới xung quanh đầy rẫy phương tiện gây tác động: vợt đập vào bóng, vận động viên nhảy cầu tung lao xuống từ cầu nhảy cao, nam châm lớn nâng đoàn tàu cao tốc đường ray riêng chúng… Và thân tác động lên vật cách kéo, đẩy lắc chúng, cách ném bắn vật khác vào chúng, cách kéo giãn, vặn xoắn nghiền nát chúng, cách làm lạnh, đốt nóng, đốt cháy chúng… Trong suốt kỷ XX, nhà vật lý tích lũy nhiều chứng cho thấy tất tương tác vật chất khác nhau, hàng triệu tương tác khác mà gặp ngày, quy tổ hợp bốn tương tác: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu I.1.Tương tác hấp dẫn: " Chất keo dính vũ trụ " Là tương tác quen thuộc Chính lực giữ cho Trái Đất quay quanh Mặt Trời nhờ mà bàn chân bám chặt vào mặt đất Tương tác hấp dẫn tương tác hạt vật chất có khối lượng Bán kính tác dụng lực hấp dẫn lớn vô so với tương tác khác cường độ tương tác hấp dẫn nhỏ I.1.1 Quan điểm Newton Lí thuyết mang tính định lượng lực hấp dẫn xây dựng quan sát Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 “Principia” ơng Ơng viết lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời hành tinh phụ thuộc vào lượng vật chất mà chúng chứa Nó truyền khoảng cách xa luôn Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hồng giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Cơng thức viết cho lực F hai vật có khối lượng m1 m2 cách khoảng r F G m1 m2 r2 G số tỉ lệ, hay số hấp dẫn Newton không hồn tồn hài lịng với lí thuyết ơng giả sử tương tác xuyên khoảng cách Khó khăn bị loại trừ khái niệm trường hấp dẫn nêu ra, trường thấm đẫm không gian truyền cách tức thời Lí thuyết Newton áp dụng thành công cho học thiên thể kỉ 18 đầu kỉ 19 I.1.2 Quan điểm Einstein (tương đối): Vào năm 1845, Leverrier tính thấy quỹ đạo Thủy tinh tiến động 35” kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton khơng Năm 1915, Einstein giải thích khơng qn Einstein sửa đổi dạng định luật vạn vật hấp dẫn phù hợp với nguyên lý tương đối Ngun lý nói khoảng cách x khơng thể vượt qua cách tức thời lý thuyết Newton lại bảo lực tác dụng tức thời Do Einstein phải tiến hành sửa đổi định luật Newton lại, sửa đổi phải nhỏ Nội dung việc sửa đổi sau: ánh sáng có lượng có khối lượng, mà vật có khối lượng hút Einstein trường hấp dẫn đại lượng hình học vạch rõ gọi thời gian đích thực, khái niệm nhận giá trị hệ tọa độ tương tự khoảng cách khơng gian thơng thường Ơng thành cơng việc xây dựng phương trình cho trường hấp dẫn đặt tên phương trình Einstein, với phương trình ơng tính giá trị cho tiến động quỹ đạo Thủy tinh Các phương trình cho giá trị đo lệch tia sáng truyền qua mặt trời khơng cịn có nghi ngờ phương trình cho kết xác hấp dẫn vĩ mơ Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử I.1.3 GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Quan điểm lượng tử: Lực hấp dẫn hạt vật chất mang hạt, gọi hạt graviton Hạt có spin 2, khơng mang điện, khơng có khối lượng nghỉ có tầm tác dụng vơ Các sóng yếu khó phát chưa quan sát cụ thể thực nghiệm Trái Đất I.2.Tương tác điện từ: " Chất keo dính nguyên tử" Tương tác điện từ tương tác hạt mang điện electron, proton … I.2.1 Trường điện từ James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cuối thống khái niệm điện từ thành lí thuyết điện từ Lực trung chuyển trường điện từ Có loại điện tích: điện tích dương điện tích âm Lực hai điện tích dương hai điện tích âm lực đẩy, lực điện tích âm điện tích dương lực hút Trong giới vi mô, quy mô nhỏ nguyên tử phân tử, lực điện từ chiếm ưu so với lực hấp dẫn Lực hút điện từ electron mang điện âm nguyên tử proton mang điện dương hạt nhân nguyên tử làm cho electron “quay” xung quanh hạt nhân nguyên tử Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử I.2.2 GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Cơ học lượng tử: Trường điện từ hiểu dịng hạt nhỏ gọi photon cấu thành nên trường điện từ Nếu nghĩ lực điện hai điện tích trường điện từ trung chuyển xun khoảng cách, có tranh dạng dòng photon gửi từ hạt đến chạm vào hạt Tương tác điện từ hình dung gây trao đổi số lớn photon Các photon trao đổi hạt “ photon ảo” I.3.Tương tác mạnh: "Chất keo dính hạt " Tương tác mạnh có liên quan đến lực hạt nhân mạnh - lực tương tác proton neutron bên hat nhân nguyên tử, giữ cho proton neutron hạt nhân Tương tác mạnh tương tác hadron tương tác nuclon hạt nhân tạo nên lực hạt nhân hay tương tác dẫn đến sinh hạt hadron trình va chạm hadron Ngày người ta tin lực hạt nhân “mang” hạt gọi hạt gluon có spin có “màu sắc” Hạt gluon tương tác với với hạt quark Lực hạt nhân mạnh có tính chất kì lạ “cầm tù”: ln ln liên kết hạt lại thành tổ hợp “không có màu” Sự “cầm tù ” khơng cho phép có mặt gln riêng lẻ tự nó, gln có “màu sắc”; thay người ta cần phải có tổ hợp gln với tổng màu “trắng”(một tập hợp tạo nên hạt không bền gọi “glueball” ) Việc “cầm tù” không cho phép quan sát gluon cô lập dường làm cho toàn khái niệm gluon trở nên siêu hình Tương tác mạnh tương tác pi-mezon K-mezon hiperon với nuclon chúng với Trang Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.4.Tương tác yếu: Tương tác yếu gây phóng xạ thể lực hạt nhân yếu tác dụng lên hạt có spin 1/2, khơng tác dụng lên hạt có spin 0, 1, photon graviton Năm 1967 nhà bác học A Salam S Weinberg đưa giả thuyết photon cịn có hạt có spin khác gọi hạt bôzôn- véctơ nặng mang lực hạt nhân yếu Đó hạt W+, W- Z0 , hạt có khối lượng tương ứng khoảng gần 200 nghìn me (khoảng 100 tỉ electron- vơn) Ở lượng cao, lớn 100 tỉ electron- vôn nhiều ba hạt xử cách hồn tồn tương tự photon (có tính cách hạt photon) Ở lượng thấp ba hạt lại có khối lượng lớn làm cho lực mà chúng mang lại có tầm tác dụng ngắn Năm 1983, Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu ( CERN) nhờ có máy gia tốc mạnh người ta phát ba hạt có tính chất khối lượng giả thuyết II Sự phát triển quan điểm tương tác điện từ II.1 Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại II.1.1 Sự xuất danh từ “điện” Chuyện xảy Hy Lạp khoảng 2600 năm trước Nhà triết học Thales có gái Nàng cịn nhỏ tuổi biết dệt khéo Nàng cha mẹ mua cho thoi hổ phách đẹp, tay thợ khéo xứ Phênixi chuốt Một hôm, cô bé lỡ tay đánh rơi thoi xuống nước Nàng dùng vạt áo len lau thoi Khi lau xong, nàng thấy thoi bám đầy tơ len Ngỡ thoi chưa nàng lại lau mạnh hơn, lạ thay, tơ len lại bám nhiều trước Kinh ngạc, nàng vôi chạy tìm cha để cha giảng giải cho nàng tượng kì lạ Nghe gái kể lại đầu đuôi câu chuyện, Thales ngạc nhiên Vốn triết gia chân chính, ơng làm lại nghiên cứu tượng Quả nhiên, việc xảy cô bé kể Thales dùng xát Trang 10