Vật lí đại cương tập 3 phần 1 quang học vật lý nguyên tử và hạt nhân

LƯƠNG DUN BÌNH (Chủ biên), TLÍ CƯƠNG ĐẠI DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHỐI KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP TẬP BA, PHẦN MỘT QUANG HỌC VẬT LÍ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN D ft A XUAT BAN GIAO DUC VIET NAM LƯƠNG DUYÊN BÌNH (Chủ biên) NGO PHU AN - LE BANG SUONG - NGUYEN HUU TANG VAT LÍ ĐẠI CƯƠNG DUNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHỐI KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP TAP BA, PHAN MOT * QUANG HOC * VẬT LÍ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN (Tai ban tan thit hai muon Nai) NHA XUAT BAN GIAO DUC VIET NAM A - QUANG HOC Quang học môn học nghiên cứu vẻ ánh sáng Trước công nguyên số nhà triết học cổ Hy Lạp SĨ nhìn thấy vật từ mắt ta phát "tiacho rằng, sở 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 Sắng dòng hạt bay từ vật phát sáng theo đường thẳng Cùng thời gian Huyg hen (Huygens) lại đưa thuyết sóng YẺ ánh sáng Theo ơng, ánh sáng truyền dao động đàn hồi môi trường gọi 'ête vũ trụ” Do uy tín khoa học Niuton nén thé ki XVII 1a thoi ki thống trị thuyết hạt ánh Sing Tuy nhién vào đầu kỉ XIX sở giả ết sóng vệ anh sáng, Frenen (Eresnel) giải thích đầy đủ hiệnthuytượn g quang học biết thời đó, Kết thuyết sống người cơng "hận thuyết hạt bị lãng quên Sau thuy ết điện từ Maexoen (Maxweil) đời (1864) người ta chứng minh nh sáng sóng điện từ có bước sóng từ 0,4m đến 0,7 5m Vào cuối kỉ XIX đâu kỉ XX hàng loạt kiện thực nghiệm chứng tỏ vật phát xạ hay hấp thụ ánh sáng theo Phững lượn g gián đoạn mà độ lớn chúng phụ thuộc vào tin số Ánh sáng, Điều lại dẫn đến khái niệm hạt ánh sáng : ánh sáng &ồm dòng sác hạt gọi nhơtên Sự phát triển vật lí Sau chứng ;ỏ r ng 4nh sang vừa có tính chất Sóng vừa có tính chất 3L: Trong số tượng giao thoa, nhiễu Xạ, phân cực, ánh Sang thể tính chất sóng ; cịn số tượng khác hiếu Ứng quang điện, hiệu ing Comton (Compton), anh sáng lại thể tính chất hạt, học ¬ nhền Hiển tơ Dân “chất ánh sáng, đồng thời ig SẼ éung cấp kiến thức cần thiết việc ứng et đụng định luật quang học kĩ thuật đời sống Khi nghiền cứu tượng nhiền xạ ta thấy định Tuật nầy có „ giới hạn ứng dụng nổ: Lúc ánh 3#ủg truyền dua 15 thật nhỏ gặp chướng ngại Vật kích thước nhơ vào cổ bước sóng ánh sáng định luật khơng cịn: Aida Dinh Twatvề tác đụng độc lập cde tia sing Định luật phát biểu : Tác dụng chùm sáng khác độc lập với nhau, nghĩa tác dụng chằm sáng ¬ Chung ve CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC + GONG TRAC QUANG Á "`" boda ong-thue Wes ghiêu hiệu tượng qưang học, đặc biệt hoạt ác đụng 'eụ quảng học nghiên cứu xuất phất h Úỗ, la Vào định lụật sơ bẢfi tiá sáng; Chứng ta nghiên cứu tạo thành ảnh o4¢ Sang hoe mgt céch don gidn ÊL1,CÁC DINE LUAT COBAN | ˆ- CŨA QUANG HÌNH HỌC khong ping thuge vào có mặt hay khơng pác chăm sáng khác Hai định luật của.Đêcac (Descares)" Thực nghiệm;xác nhận một-Ha sáng, OJ tới mặt phân sắch hại môi trường suốt đồng tính đẳng hướng tia sáng bị tách thành hai đả ; tia phản xả ?Rị tia khúc xạ ?; (h.1=1) Chứng tuân theo hai định luật sau day : , ˆ 4) Dink ludt Décac thứ : Tĩa phần xạ nằm trọng mặt phẳng tối (tức mặt phẳng chữu tia tới pháp tuyển 1N) góc tới sốt phiẩn xạ ay.” * =i} Ta bJ Định luật Đécác thit hai: khúc xợ nằm mặt phẳng tối tỉ số sin gốc tới sản gác khúc xạ số Không đổi sản -Sinig "ạyà:một Ban - d‹2 số không đội phụ thước Vào chất hai môi &au: đương môi trường tron8, Ống ánh sắngruyên theo dưỡng thẳng trường gọi chiết suất tỉ đổi môi trường moi trường -,_H.1~1 Định luật phan xa va định luật khúc xạ Néu np) >1 th ip , ij, tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến trường chiết quang mơi trường Ă©) Chiết suất tỉ đối chiết suất tuyệt đối : Nếu gọi vy 0: Vận tốc ánh sáng môi trường ] thực nghiệm chứ: et 2< Vo Với: nước-khơngkhí: nạ =133, thuỷ tỉnh — khơng khí : nạ, = 1,52 q3) Ngoài chiết suất tỉ đối, người ta định nghĩa chiết suú suất tuyệt đối trườn g châm khơng Nếu gọi u vận đối môi trường Theo ịnh nghĩa chiết môi trường chiết suất tỉ đối môi tốc ánh Sáng ánh sáng chân khơn, trường vào (]~3) lgtạ n có ; mơi trường, c n tốc chiết suất tuyệt đối môi n==,o q-4) Đối với ne khơng khí v af = e nên n ~ , So điện thsánh ta với ty k= ua thu nghiên cứu vận tốc truyền sóng troNT ng £ I lân lượt số điện môi độ từ thẩ m Ja tim lien ch iết suất ¡ Suất tuyệt đối củhệa ch úng Tùy (1-3) Ïc6đốithé hai môi trường chiết viết ; nại = ` at (1-3) Vị uelê môi Sai trườ ony ng thự Tan thể coi chiết suất không k hi thi ny = va nại = nạ: suyệt gọi Í đối mơi trườ ng đối vớ khcủ: l4 mơi trường chiết ơng khí 4) Đụng đối xứng định luật Décac : Tit (1-2) va (1-5) c6 thể viết ; sini =n, = n Sinia i nysiniy = ng sini (1-6) Đó dạng đối xứng định luat Décac 4) Hiện tượng phản xạ toàn phẩn = Xét hai môi trường 2, Nếu nại >[ iz< ij tỉ #i cho tia khúc xạ, ví dụ trường hợp ánh sáng từ khơng khí vào nước (h 1~2a) Nếu nại i, khơng phải tỉa tới cho tỉa khúc xạ Vì góc khúc Xa ig có thé < E đồ, tia tới mà góc tới ¡¡ ứng - Với góc khúc xạ iạ < cho tỉa khúc xạ Gọi i„„„ góc tới eae ứng với góc khúc xạ = vào định luật khúc xạ ta c6 : sini} max = 921 (1-7) NEu i; > ijgax thi toàn ánh sáng bị phản xạ không Sồn tia khúc xạ nứa Lúc ta có tượng phan xa tồn phần (h 1-2p) 'Vậy muốn xảy tượng phản xạ toàn phần thi 3) s9) H.1-2 Hiện tượng phản xạ toàn phần Cấc ảo ảnh quản sát tiong’ cdc vùng sa mac hay déng cd - uyên tí mối nồng có chiết suất lớn sang moi giải thích dựa tượng khúc xạ phân xạ tồn liết suất bé, đồng thời góc tới phải lớn hom imax + imax Íliyốc tới giới hạn Ví 'Bhần (h 1-4) Nhờ uốn cong cửa tỉa sáng nên miột số vật khuất đụ trường hợp ánh sáng truyền xa đường chân trời nhìn thấy xà gần người quan sắt ` : Hiện tượng khúc x4 -phản xạ toăn ghẩn có nhiều sống dụng,cụ quang họp Chiết suất oủa nhiều loại thuỷ tỉnh vào cỡ 1,5 Vì góc tới giổi hạn biến giới thuỷ tỉnh OM Hiện tượng phản xạ toàn phân ứng dụng để đổi chiêu tía - ứng:dụng thực tế khơng khí cỡ 42° khử góc tới 45” luôn xây hiện, Trong thiên văn học tượng phản xạ tồn phần Hình 1-5 biểu diễn lăng kính phẩn xạ tồn phẩn Trong xác định vị trí ngồi cẩn phải xét đến SỬ KhỨế xá ánh sáng 4# lớp khơng- khí Chún8 “trường hợp a) ảnh phượng truyền ánh sáng bị quay góc s° “đo phần xạ tồn phần mặt đầy lăng kính Trong trường hợp b) ảnh phương truyền ánh sáng bị đổi chiều hai lần phản xạ toàn phần hai mặt bên lắng kính ta biết chiết suất củ2 HX khổng khí phụ thuộc mmật ‘De-c#0 duan sắt độ cao thực độ thực nghiệm! Cale e 866|Zãp`: ° "` : chứng tỡ hiệu số Đạp ard g giảm ARSC HI oe gab cao mật độ khơng khíTiacảnsán g xuất pdt "ẾU Kơng Khí bị giảm thed \sơi S40: rào khơng Sh Š:định đầu đí đến Trái Đất qua 16P xếi chiết quất ‘ting, 'Hình:đụng khó fa sé bi, cong di (hình 1-3, Hình + : A lal ` ER ® b) B B A phần H.1-8 Các lăng kính phần xạ toàn “Trong trường hợp b) ảnh phương truyền, ánh ng bị đổi chiêu hai lần phản xạ tồn phần hai mặt bên lăng kính Trong trường hợp c) nb ' cÑng bị đổi chiều phản xạ toàn phẩn mặt đầy lăng kính chiểu truyền ánh sáng lại khơng đổi: Hinh 1-6 biểu diển sơ đổ loại ống nhòm dùng quan sát vật - bị che khuất, ngun tắc có thé ding VlØ thành 8ư ảnh , B 3, “quyển chia thành lớp mông ĐỂ: ° Kết vị quan sét ngơi cao-hơn vị tí Ý Hc Một tLđườn g chân trời, b tượng khúc xã á9h j góc cỡ 36" Ày-Ah): tư m đãi gương phẳng đặt nghiềng đổ” đỂ thầy lang kính phản xạ tồn phẩn oe UG ` ¡+ o ống nhàm cuan sát vật bị cho khuất : Tuy nhiên phản xạ từ gương kim loại phan anh sing đoạn nhỏ ds để chiết suất coi không đổi đoạn nhỏ Và quang lộ hai điểm A B : A Xa toàn phần mát khơng xảy Ngày tượn xa tồn phẩn cịn ứng dụng cáp sợi quang L= [nds B (1-12) §1.2 NHUNG PHAT BIEU TUONG DUONG CỦA ĐỊNH LUẬT ĐÊCAC Quang lộ Xết hai điểm A, B tron; mơi trường đồng tính chiết suất a shan đoạn d(h.1~7a), Thời gian ánh sáng di từ (1-8) v vận tố c ánh sáng, mô i trường es t8 định nghia: quang 16 gia hai diém A, B đoạn đường đồ th (long tong ch bong Raped th gian màân ánkhhôngsôngtrondig khoảng thời gian ! đoạn đường AB trường Gọ i L tà quang lộ hai điểm A, B ta có L=et (=9) Thay t từ (1~8) vào a ~9) Va biết chiết suất môi trường == tanttrit la: ra: uã 4wa nhiề mi: trường chiết suất nị, ñ2 : uang lộ tổng cộng "0E lấn Tự dị d g L h Nguyên lí Fecma (Fermat) 4) Phát biểu : Khi nghiền cứu truyền ánh sáng, Feema tìm Tả nguyên lí sau : Giữa hai điểm AB, ánh sáng truyền theo đường mà quang lộ cực trị (cực dại, cực tiểu không đổi) Căn vào (1-9) ta phát biểu : Giữa hai điểm AB, ánh Sắng truyền theo đường thời gian nhất, nhiều thời gian nhất, truyền theo đường mà thời gian truyền b) Sự tương đương nguyên lí Fecma định luật Đêcac : (1-10) ` H.1-7 Khai niệm quang lộ (gj~7p), tỪ -= Enid; di) chiết suit thay déi lin (US ‘T77e) thi ta chia doan duamg thành Nguyên lí Fecma dạng phát biểu tương đương định luật Đêcac, Tạ hay xét tương đương — SW tương đương nguyên lí Fecma với định luật phản xạ Xét hai diém A, nam phía mặt phản xa Z (h I-8a) Gọi AIB tường ánh sánz truyền từ A đến B Căn vào định luật phản xạ h=ii Xét điểm I’ bat kì điểm đối xứng B qua mặt p! IB =1B' FB =IE' Vì ¡, = ¡', nên ba điểm AIB' thẳng hàng ta rú ~ Šl tương đương nguyên lí Fecma với định luật khúc xạ Xét hai điểm A, B nam hai môi trường suốt chiết suất nị ny (h.1-9} điểm I cách Š quang đường AIB : tL1-8- Sự lương đương nguyên lí Fecma định luat phan xa AL+IB Ao +t : fc ao Sắc trình tương tC YO" yeu trons gt bio Và qạ e không tuan theo hel CH’, an pin dBnE "§ vị chúng khơng có 8° on Ngồi cịn có định luật bảo tồn khác tồn chấn lẻ v.v mà ta khơng nói tới đây, inh luật bio Hiện phát khoảng 300 hạt sơ cấp (xem bang hat cấp trang Sơ 234) có hàng trăm hạt sinh tương ue mạnh Những hạt có tính chất đặc biệt, thời gian sống cực ngắn vào cỡ thời gian hạt nhân (102 5) ; Khoi lượng giá trị xác định, Người ta gọi ó hạt chúng cộng Jưưởng hành thử số hạt sơ cấp phát ngày nhiều Chúng 2n Bằng sau cho biết giá tri cia spin J, điện tíQch (tínính h theo the đơn vị bing e), số bariôn B số lạ S của4 ba hạt quark k u,u, d,4, s với " điện tích Tuỳ È s :1 ữ d trình sau tìm hiểu cấu t2 ể coi đối on a đối tượng vật chất khác nhạng chất An CỐ xạ, ee chất é năm 1963 — 1964 German — ZWeig dx id thuyết dee cf ta0 bai ba hat “eo bin" hợn gọi chun (cde phan hat cia chine ` uss ; dss B= ieBin v x my, ›K® uds | wuss udes das uud ; udd ) 41 ibT1H e °n của: vật chất,Hingkhôi= :1 ; L1 53 a o : ee 22 Ss Se ` B Q J Quark — | sinh, huỷ biến đổi tương hỗ, : hạt sơ cấp tuân theo định Trong q trình biến luật bảo tồn tuyệt dối : nănế lượng, xung lượng, spin, tác, trình biến „8 weal đối hạt chúng | s1 | a; t om ‘ tat trong, bảng Sa: =e dll oes) ee = ; EY aot = a q = | Tin 1ú” Giả thuyết cấu tạo quark adrơn giải thích dược nhiều kết phù hợp với thực nghiệm ; lặc biệt tiên đốn tồn hạt ©ˆ ; hạt thực nghiệm tìm sau năm với đặc trưng vật lí phù hợp với tính tốn lí thuyết: Năm 1969 xuất giả thuyết cho phải tồn hat quark thứ tự, kí hiệu © : hạt mang tính chất vật lí đặc trưng số lượng tử gọi số "đuyên"C (charm) Hat quark J B e c :2 :3 v3 z 521 -=32 as31 _ ¬ Giả thuyết vẻ hạt quark c giải thích phát số Hêt h cấp, đặc biệt adrô n siêu nặng ắc hạt J4, chúng có cấu tạo quarkđược tìm năm 1975 : lề cc, SƠ Nam 1917 lại xuất giả thuyết cho ring phải tơn hạt dU2'E r nếm,bằng Kí mộthiệusố làlượng b › hạttử gọinày mang chấp rác vạt lí I7 trừng số "đẹp"một b tính (Eluo) hat L (top) tương ứng với hat leptơn nó! (hột số nhà vật lí:ở trung tâm nghiền cứu ã thông báo mye sa, Nam(CER19N)94 hat anhân châu Au tìm thay hat quark t (trong gia t6e Tevatron = “my T= 1746eV §9.5 CAC LEPTON Trong ới biếiết ; t có có 33 Oi t8 nh i ườ ng XX kỉ a năm 30 củ # ey ¡ nơtfl @lectrone ; médon ind hai hạt nơưinÔ Sau d6 phát tồn nô khác: hạthạ ep” V- ails ‘ ý Z với lhe với hạt electrôn e_ vụ tương Énẽ Yào khoảng năm 80, "EP” D c „ Ning, hạt +, khối lượng g 17 lấn khối lug Sa grind the! DY RUB: ta thừa nhận phải tôn hat MS lạt — “a nh TS Ẵ cáp tương HME Như có hạt lepton x€P thành af MU) ` a cì oh 2; Vụ + £r VÍ7 ĐÀ ĐẠI ỐNG NHẤT HONG c 570: Dic CŨ TƯƠNG TÁ has cf +, c h e et oacứU lạ ỨOng số tương tác gil? CA Htien Ẩn), tương tác điện từ ONS ĐC yes ar in,fa oe98 en 08 „3 hình thành lí thuyết hồn chỉnh phù hợp với te nat cách tuyệt vời Ví dụ tính tốn mômen từ dị thường a êlectrôn, điện động lực học lượng ờng Tương tác hấp dẫn có hạt trường làlà gravi iton Tương tác m.ạnÌ: có hạt trường gln tử (lí thuyết vẻ tương tác điện từ tìm rakết Tương tác yếu He = (1159 652 359 + 282) 10 12, có hạt trường whew Zs kết thực nghiệm 'oson trung gian) = ờii Italia ItaliaVa Carlo Rubbia : ia tốc tai CERN đạtda tới 1983 a5 thông báo tìm boson trung BÌ ian ơng hạt trường tương tác điện tù),tử lêm 82” vào so GeV/cỄ ; thực nghiệm 81 +5) Ge Vic QP 'Về mặt lí thuyết có bon tương tác thểcùn diễn tả hệ hình thức ~ lí thuy, g,một chudn (gauge) cia Yang trường — ith loại tương tác với nh ạu ; renee HẬP gọi lạ Theo lí thuyết này, ee Tương tác hại ele ctron tiếp — có hạt trường t; ương ứng š boson hạt trường 244 U9 ng GeV, đến oi A rực† g chiaủa lí Việc tìm 'boson: trung 8! ian thắng inlợ g nang 149" ụ khônE in nhữnE ¡ việc tan: tuyg, thống vĩ giới hạn Nói cách khác thống bốn song suf, Sau w'w zZ Waco la WỄ vào cỡ Theo tính tốn lí{ thuyết thuyế thì khốikhối lượng Meee của trường điện từ (hay go! Đặc biệt người ta ch minh giới hạn năứnngg lượ cao bốn tưởng tác nói trê ng n tiến đến i đại Và với ti máy gia tốc hạt, người : st xi "§ minh thực nghiệm củaủa lí lí t thuyết To # đ cấu tạo VẺ DI ĐỂ kết thức, có thé tom fitất sr đỗva tri a danhạtg khá2),c): voi tai; hai dạng + "ớ ach tgo nen itGo`9h bảnten (theo ý nghĩa me a i hy, Š tường có hat truyền tươn# : Hạtcơ quark = e) u| SA > tes 5MeV/e tOMe Mic alls Pears | t| : | | vụ EB MeV (cs Sơ đồ cấu tạo _T30 | + đực h |OsiMevic?| ụ- te | | yéu |dien tir]