Tương tác điện từ Từ cổ điển đến lượng tử

Tương tác điện từ Từ cổ điển đến lượng tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa Vật Lý- lớp Lý 3A    Giáo viên hướng dẫn : TSKH. Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Đỗ Thị Thu Hà Vũ Thanh Huy Nguyễn Văn Hùng Hoàng Văn Hưng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 1 MỞ ĐẦU 3 TỔNG QUAN .4 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT 5 I. Các tương tác trong tự nhiện 5 I.1. Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính của vũ trụ " 5 I.1.1. Quan điểm Newton .5 I.1.2. Quan điểm Einstein (tương đối): .6 I.1.3. Quan điểm lượng tử: .7 I.2. Tương tác điện từ: "Chất keo dính của các nguyên tử" .7 I.2.1. Trường điện từ .7 I.2.2. Cơ học lượng tử: 8 I.3. Tương tác mạnh: " Chất keo dính của các hạt " 8 I.4. Tương tác yếu: .9 II. Sự phát triển các quan điểm tương tác điện từ 9 II.1. Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại .9 II.1.1. Sự xuất hiện danh từ “điện” 9 II.1.2. Sự xuất hiện 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 toàn điện tích .11 II.2.1.2. Điện tích và cấu trúc của vật chất 13 II.2.1.3. Tương tác giữa 2 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 là gì ? 19 II.2.2.1. Điện trường và 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 về tương tác giữa hai yếu tố dòng .28 II.2.4. Từ trường là gì? 29 II.2.4.1. Từ trường và 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 ra điện trường 35 II.2.5.1.1 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ: .35 II.2.5.1.2 Luận điểm thứ nhất của Maxwelll 37 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 2 II.2.5.2. Điện trường biến thiên - nguồn sinh ra từ trường 39 II.2.5.2.1 Định luật Ampere về lưu thông từ trường: .39 II.2.5.2.2 Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của 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 - bằng chứng thực nghiệm cho lý thuyết trường điện từ. 45 II.3.1. Cấu tạo: 45 II.3.2. Kết quả thí nghiệm .46 II.3.3. Phát hiện ra sóng điện từ 46 II.3.4. Kết luận 47 II.4. Tương tác điện từ - thuyết trường lượng tử (QED) 48 II.4.1. Thí nghiệm Lamb-Retherfor: 49 II.4.1.1. Phương án thí nghiệm .49 II.4.1.2. Kết quả thí nghiệm 50 II.4.1.3. Phân tích kết quả thí nghiệm: 50 II.4.2. Hạt nhân của 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 không là gì ? .53 II.4.2.2.2 Vậy chân không lượng tử là 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” và tính chất của 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 sự dịch chuyển Lamb 60 II.4.4.2. Moment từ dị thường của electron 61 II.4.4.3. Hiệu ứng Casisir - lực xuất hiện từ chân không .61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 3 MỞ ĐẦU Tương tác điện từ là một trong những tương tác cơ bản, vô cùng phổ biến và quan trọng trong vũ trụ, tầm ảnh hưởng và ứng dụng của nó ngày càng được mở rộng ra mọi mặt trong cuộc sống. Thế nhưng hệ thống kiến thức về tương tác điện từ vẫn chưa được trình bày một cách có hệ thống, có tính khái quát cao. Một bộ phận không nhỏ sinh viên còn chưa có một hệ thống kiến thức đầy đủ, logic, khoa học về tương tác điện tử. Cũng như nhằm đáp ứng nhu cầu của một bộ phận không nhỏ những người đam mê nghiên cứu về các hiện tượng điện từ. Do đó, với đề tài này nhóm chúng tôi sẽ cung cấp cho độc giả một hệ thống kiến thức phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu hiện nay cũng như cho công việc giảng dạy về sau. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 4 TỔNG QUAN Trên cơ sở phân tích các tài liệu của các tác giả khác, nhóm nhận thấy:  Kiến thức về tương tác điện từ trong các tài liệu được trình bày một cách rời rạc, không có hệ thống liên tục, gây khó khăn cho người sử dụng tài liệu, vì phải sử dụng nhiều tài liệu khác nhau trong quá trình nghiên cứu, học tập.  Đồng thời những kiến thức được nêu ra mang tính chất áp đặt, thiếu những thí nghiệm để dẫn đến các định luật định lý, thiếu các lập luận logic dẫn dắt vẫn đề, làm cho người đọc khó nắm bắt được bản chất của vấn đề. Qua đó, nhóm quyết định xây dựng một bức tranh tổng quát về các quan điểm tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng tử. Nội dung đề tài được xây dựng một cách chặt chẽ, logic. Các định luật, định lý được xây dựng từ các thí nghiệm, sử dụng ngôn ngữ toán học một cách chặt chẽ, dẫn dắt người đọc đi sâu vào vấn đề. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 5 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT I. Các tương tác trong tự nhiện Thế giới xung quanh chúng ta đầy rẫy những phương tiện gây tác động: những chiếc vợt đập vào quả bóng, những vận động viên nhảy cầu có thể tung mình lao xuống từ những cầu nhảy cao, các nam châm lớn nâng những đoàn tàu cao tốc trên đường ray riêng của chúng… Và bản thân chúng ta cũng có thể tác động lên các vật bằng cách kéo, đẩy hoặc lắc chúng, bằng cách ném hoặc bắn các vật khác vào chúng, bằng cách kéo giãn, vặn xoắn hoặc nghiền nát chúng, hoặc bằng cách làm lạnh, đốt nóng, hoặc đốt cháy chúng… Trong suốt thế kỷ XX, các nhà vật lý đã tích lũy được rất nhiều bằng chứng cho thấy tất cả những tương tác đó giữa các vật và các chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn tương tác: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. I.1. Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính của vũ trụ " Là tương tác quen thuộc nhất. Chính lực này đã giữ cho Trái Đất của chúng ta quay quanh Mặt Trời và cũng nhờ nó mà bàn chân chúng ta bám chặt được vào mặt đất. Tương tác hấp dẫn là tương tác giữa các hạt vật chất có khối lượng. Bán kính tác dụng của lực hấp dẫn lớn vô cùng nhưng so với các tương tác khác thì cường độ của tương tác hấp dẫn là rất nhỏ. I.1.1. Quan điểm Newton Lí thuyết mang tính định lượng đầu tiên của lực hấp dẫn xây dựng trên các quan sát do Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 trong cuốn “Principia” của ông. Ông viết rằng lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời và các hành tinh phụ thuộc vào lượng vật chất mà chúng chứa. Nó truyền đi những khoảng cách xa và luôn luôn Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 6 giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công thức viết cho lực F giữa hai vật có khối lượng m 1 và m 2 cách nhau khoảng r là 1 2 2 m m F G r  trong đó G là hằng số tỉ lệ, hay hằng số hấp dẫn. Newton không hoàn toàn hài lòng với lí thuyết của ông vì nó giả sử một tương tác xuyên khoảng cách. Khó khăn đã bị loại trừ khi khái niệm trường hấp dẫn được nêu ra, một trường thấm đẫm không gian và được truyền đi một cách tức thời. Lí thuyết Newton được áp dụng rất thành công cho cơ học thiên thể trong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19. I.1.2. Quan điểm Einstein (tương đối): Vào năm 1845, Leverrier tính thấy quỹ đạo của Thủy tinh tiến động 35” trên thế kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không. Năm 1915, Einstein mới có thể giải thích được sự không nhất quán này . Einstein đã sửa đổi dạng của định luật vạn vật hấp dẫn để cho phù hợp với các nguyên lý tương đối. Nguyên lý đầu tiên nói rằng khoảng cách x không thể được vượt qua một cách tức thời nhưng lý thuyết Newton lại bảo rằng lực tác dụng tức thời. Do đó Einstein phải tiến hành sửa đổi các định luật Newton lại, những sửa đổi đó phải rất nhỏ. Nội dung của việc sửa đổi như sau: vì ánh sáng có năng lượng do đó sẽ có khối lượng, mà mọi vật có khối lượng đều hút nhau. Einstein chỉ ra rằng trường hấp dẫn là đại lượng hình học vạch rõ cái gọi là thời gian đích thực, đó là khái niệm nhận cùng một giá trị trong mọi hệ tọa độ tương tự như khoảng cách trong không gian thông thường. Ông cũng thành công trong việc xây dựng các phương trình cho trường hấp dẫn được đặt tên là các phương trình Einstein, và với các phương trình này ông đã có thể tính được giá trị đúng cho sự tiến động đối với quỹ đạo của Thủy tinh. Các phương trình đó cũng cho giá trị đo được của sự lệch của các tia sáng truyền qua mặt trời và không còn có sự nghi ngờ nào rằng các phương trình đó cho kết quả chính xác đối với sự hấp dẫn vĩ mô. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 7 I.1.3. Quan điểm lượng tử: Lực hấp dẫn giữa 2 hạt vật chất được mang bởi một hạt, được gọi là hạt graviton. Hạt này có spin bằng 2, không mang điện, không có khối lượng nghỉ và có tầm tác dụng là vô cùng. Các sóng này rất yếu và khó phát hiện do đó chưa quan sát được cụ thể bằng thực nghiệm trên Trái Đất. I.2. Tương tác điện từ: "Chất keo dính của các nguyên tử" Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện như electron, proton … I.2.1. Trường điện từ James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cuối cùng đã thống nhất các khái niệm điện và từ thành một lí thuyết về điện từ. Lực này được trung chuyển bởi trường điện từ. Có 2 loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm. Lực giữa hai điện tích dương cũng như giữa hai điện tích âm đều là lực đẩy, lực giữa một điện tích âm và một điện tích dương là lực hút. Trong thế giới vi mô, ở quy mô nhỏ như các nguyên tử và phân tử, lực điện từ chiếm ưu thế so với lực hấp dẫn. Lực hút điện từ giữa các electron mang điện âm trong nguyên tử và các proton mang điện dương trong hạt nhân nguyên tử làm cho các electron “quay” xung quanh hạt nhân nguyên tử. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 8 I.2.2. Cơ học lượng tử: Trường điện từ có thể hiểu là dòng các hạt nhỏ gọi là photon cấu thành nên trường điện từ. Nếu chúng ta nghĩ lực điện giữa hai điện tích là trường điện từ trung chuyển nó xuyên khoảng cách, thì bây giờ chúng ta có thể có một bức tranh cơ bản hơn dưới dạng một dòng photon gửi ra từ hạt đến chạm vào hạt kia. Tương tác điện từ được hình dung như được gây bởi sự trao đổi một số lớn photon. Các photon được trao đổi khi đó là các hạt “ photon ảo”. I.3. Tương tác mạnh: " Chất keo dính của các hạt " Tư ơ n g t á c m ạ nh có liên quan đến l ực hạt nhân mạnh - là lực tương tác giữa các proton và neutron bên trong hat nhân nguyên tử, giữ cho proton và neutron ở trong hạt nhân. Tương tác mạnh là tương tác giữa các hadron như tương tác giữa các nuclon trong hạt nhân tạo nên lực hạt nhân hay tương tác dẫn đến sự sinh hạt hadron trong các quá trình va chạm giữa các hadron. Ngày nay người ta tin rằng lực hạt nhân được “mang” bởi một hạt gọi là hạt gluon có spin bằng 1 và có “màu sắc”. Hạt gluon chỉ tương tác với chính nó và với các hạt quark. Lực hạt nhân mạnh có một tính chất kì lạ là sự “cầm tù”: nó luôn luôn liên kết các hạt lại thành các tổ hợp “không có màu”. Sự “cầm tù ” không cho phép có mặt một gluôn riêng lẻ tự nó, vì mỗi gluôn đều có “màu sắc”; thay vì thế người ta cần phải có một tổ hợp các gluôn với tổng màu là “trắng”(một tập hợp như thế tạo nên một hạt không bền gọi là “glueball” ). Việc “cầm tù” không cho phép chúng ta quan sát được một gluon cô lập dường như làm cho toàn bộ khái niệm về các gluon trở nên hơi có vẻ siêu hình. Tương tác mạnh cũng là tương tác giữa các pi-mezon và K-mezon và các hiperon với các nuclon và giữa chúng với nhau. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 9 I.4. Tương tác yếu: Tương tác yếu gây ra sự phóng xạ và chỉ thể hiện ở lực hạt nhân yếu tác dụng lên các hạt có spin 1/2, chứ không tác dụng lên các hạt có spin 0, 1, 2 như photon và graviton. Năm 1967 các nhà bác học A. Salam và S. Weinberg đưa ra giả thuyết ngoài photon còn có 3 hạt có spin bằng 1 khác gọi là các hạt bôzôn- véctơ nặng mang lực hạt nhân yếu. Đó là các hạt W + , W - và Z 0 , mỗi hạt có khối lượng tương ứng khoảng gần 200 nghìn m e (khoảng 100 tỉ electron- vôn). Ở những năng lượng cao, lớn hơn 100 tỉ electron- vôn nhiều thì ba hạt mới này xử sự một cách hoàn toàn tương tự như photon (có tính cách như hạt photon). Ở những năng lượng thấp hơn thì ba hạt mới này lại có khối lượng lớn làm cho các lực mà chúng mang lại có tầm tác dụng ngắn. Năm 1983, tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu ( CERN) nhờ có máy gia tốc mạnh người ta đã phát hiện được ba hạt này có tính chất và khối lượng đúng như giả thuyết. II. Sự phát triển các quan điểm tương tác điện từ II.1. Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại II.1.1. Sự xuất hiện danh từ “điện” Chuyện xảy ra ở Hy Lạp khoảng 2600 năm về trước. Nhà triết học Thales có một cô con gái. Nàng tuy còn nhỏ tuổi nhưng đã biết dệt rất khéo. Nàng được cha mẹ mua cho một con thoi bằng hổ phách rất đẹp, do một tay thợ khéo xứ Phênixi chuốt. Một hôm, cô bé lỡ tay đánh rơi con thoi xuống nước. Nàng bèn dùng vạt áo len lau con thoi. Khi lau xong, thì nàng thấy con thoi bám đầy tơ len. Ngỡ là thoi còn chưa ráo nàng lại lau mạnh hơn, nhưng lạ thay, tơ len lại càng bám nhiều hơn trước. Kinh ngạc, nàng vôi chạy đi tìm cha để cha giảng giải cho nàng về hiện tượng kì lạ đó. Nghe con gái kể lại đầu đuôi câu chuyện, Thales cũng hết sức ngạc nhiên. Vốn là một triết gia chân chính, ông bèn làm lại và nghiên cứu hiện tượng đó. Quả nhiên, sự việc xảy ra đúng như cô bé kể. Thales bèn dùng dạ xát những [...]... tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng dòng điện cũng tương tác với nhau Như vậy, về phương từ thì một dòng điện cũng có thể coi như một nam châm Nói cách khác tương tác giữa nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện, dòng điện với dòng điện cùng chung một bản chất Đó chính là tương tác giữa các hạt mang điện chuyển động và chúng ta gọi đó là tương tác từ II.2.3.1 Từ tích... điểm đó một điện tích thử q thì điện tích thử này sẽ bị tác dụng một lực tĩnh điện:   F ( r )  qE ( r ) Điện tích dương q0 được đặt trong một Điện tích âm q0 được đặt trong điện trường: lực tác dụng lên q0 cùng một điện trường: lực tác dụng lên q0  hướng với E  cùng hướng với E Trang 21 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng II.2.2.3 Nguyên lý chồng chất điện trường... tích Q Khi đặt một điện tích q bất kỳ nào đó vào trong điện trường sẽ tác dụng lên q mô Khi đặt một điện tích thử q vào điểm xác định nào đó trong điện trường điện  trường sẽ tác dụng một lực điện F Lần lượt thay đổi các giá trị điện tích thử chúng Trang 20 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng  ta nhận thấy mặc dù lực điện F thay đổi với các giá trị điện tích thử khác... của điện trường tồn tại giữa 2 bản của tụ điện Tại thời điểm t, hiệu điện thế giữa hai bản là u, điện tích mỗi bản là q Sau thời gian dt nguồn đưa thêm lượng điện tích dq đến cho mỗi bản Vì dq rất nhỏ nên hiệu điện thế u coi như không đổi, do đó công vi phân của nguồn là: Trang 25 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng dA   u  du  dq  Cudu Công toàn phần để nạp điện. .. điểm tương tác gần, hai điện tích q1 và q2 không trực tiếp tác dụng lên nhau mà điện tích thứ nhất gây ra xung quanh nó một điện trường và chính điện trường đó mới tác dụng lực lên điện tích kia II.2.2.5 Năng lượng điện trường Giả sử ta dùng nguồn điện một chiều để nạp điện tích vào hai bản của tụ điện có điện dung C Nguồn điện sinh công để đưa điện tích đến hai bản và công đó chuyển thành năng lượng. .. “chất” ở cực này và Trang 27 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng cực kia của nam châm Chưa ai từng thành công trong việc tách riêng một đơn cực từ Chúng ta nói rằng các đơn cực từ hình như không tồn tại, các đơn cực điện thì thật sự tồn tại– đó là các điện tích Đã có rất nhiều công trình tìm kiếm đơn cực từ Tuy nhiên cho đến giờ phút này, đơn cực từ chỉ là một khái niệm trên... cũ của nó là điểm P Trang 19 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Chúng ta nói rằng vật mang điện A tạo ra hay gây ra một điện trường tại điểm P Điện trường này có mặt tại P ngay cả khi không có điện tích khác tại P: Nó chỉ là kết quả của điện tích trên vật A Nếu sau đó điện tích điểm q được đặt tại điểm P,  nó chịu tác dụng lực F Do đó, điện trường là vật trung gian... năng lượng từ trường Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: năng lượng từ trường được phân bố trong khoảng không gian của từ trường Như ta đã nói ở trên, từ trường trong ống dây thẳng và dài là từ trường đều và có thể coi là chỉ tồn tại bên trong thể tích của ống dây Như vậy, nếu ống dây dài l, tiết diện S, có thể tích V = l.S, thì năng lượng Trang 34 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD:... thuộc vào trọng lực tác dụng của con lắc Giống như vậy tần số dao động của một cái kim tích điện dao động trong mặt phẳng nằm ngang cũng phụ thuộc vào lực điện tác dụng lên nó, thành thử khi đo được tần số dao động của kim, ta có thể xác định được lực điện tác Trang 17 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng dụng Coulomb đã làm một chiếc kim nhỏ bằng chất cách điện, dao động... Trang 10 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Như vậy tương tác điện từ theo quan điểm cổ điển chỉ là do một số vật có tính chất đặc biệt Nguyên nhân mà “đá nam châm” hay “hổ phách” có thể hút các vậy là bởi những viên đá này có chiếm giữ linh hồn hay có một thần lực nào bên trong các vật này Trong giai đoạn này những suy nghĩ duy tâm còn ảnh hưởng rất lớn đến các nhà . .......................................................................65 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 3 MỞ ĐẦU Tương tác điện từ là một trong những tương tác cơ bản,. châm. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 11 Như vậy tương tác điện từ theo quan điểm cổ điển chỉ là