Electron hạt hay sóng?

Electron hạt hay sóng?

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TPHCM KHOA VẬT LÝ  GVHD: TSHK. Lê Văn Hoàng Nhóm: Lê Anh Đức Nguyễn Thị Thanh Thảo Phạm Thị Huyền Trang Lê Thị Cẩm Tú Lớp: Lý 3B Tháng 5/2009 2 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 LỜI NÓI ĐẦU .3 I. Sơ lược về electron: .4 II. Electron cùng sự phát triển của Vật lý: 12 III. Bản chất của electron: .29 IV. Positron – Phản hạt của electron: 33 THUẬT NGỮ 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, các ngành khoa học cơ bản, trong đó có vật lý cũng có những bước phát triển vượt bậc. Sự phát triển của cơ học lượng tử đã đưa con người khám phá nhiều hơn thế giới vi mô. Những hiểu biết bước đầu về tính chất của các đối tượng vi mô đã giúp chúng ta những cơ sở để ứng dụng chúng vào khoa học và công nghệ hiện đại, đặc biệt là sự ra đời của máy tính lượng tử. Đi từ thế giới vĩ mô sang vi mô, con người cũng đi từ ngạc nhiên này sang ngạc nhiên khác vì cách hành xử của thế giới vi mô. Electron là một đối tượng quen thuộc với chúng ta. Trong cơ học cổ điển nó là một hạt, nhưng khi cơ học lượng tử ra đời liệu nó có làm chúng ta ngạc nhiên không? Bản chất của nó là gì? Ta có hiểu đầy đủ về bản chất của electron chưa? Và đâu là ranh giới giữa vi mô và vĩ mô? . Bài tiểu luận ra đời vì sự đam mê khám phá, tìm tòi học hỏi và cũng nhằm trả lời cho những câu hỏi đó. Với lượng kiến thức còn hạn chế, bài tiểu luận không tránh khỏi những sai sót. Mong nhận được sự nhận xét và góp ý của Thầy và các bạn! Chân thành cám ơn! Nhóm tiểu luận! Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 4 I. Sơ lược về electron: Cấu trúc: Điện tích nguyên tố Loại: Fermion Nhóm: Lepton Lớp: Đầu tiên Tương tác: Hấp dẫn, điện từ, tương tác yếu Phản hạt: Positron Lý thuyết: Richard Laming (1838–51), G. Johnstone Stoney (1874) và đồng nghiệp. Thực nghiệm: J. J. Thomson (1897) Ký hiệu: e − , β − Khối lượng: 9.10938215(45)x10 -31 kg 5.4857990943(23)×10 −4 u 0.510998910(13) MeV/c 2 Điện tích: -1e = -1.602176487(40)x10 -19 C Spin: ½ Điện tử là một hạt có kích thước nhỏ hơn nguyên tử, mang điện tích âm. Người ta cho rằng không có cấu trúc nào nhỏ hơn điện tử và nó là một điện tích điểm. Các điện tử đều tham gia tương tác gấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác yếu. Giống như khối lượng nghỉ và điện tích nguyên tố của nó, moment từ (hay spin) của một điện tử có giá trị không đổi. Khi một điện tử va chạm với phản hạt của nó là positron, cả hai đều bị hủy. Một cặp điện tử và positron được tạo ra bởi tia gamma có năng lượng vừa đủ. Giả thuyết về một lượng điện tích vô hình trong nguyên tử được đưa ra để giải thích tính chất hóa học cả nguyên tử. Giả thuyết này do nhà triết học tự nhiên người Anh Richard Laming đưa ra vào năm 1838 Cái tên “electron” được nhà vật lý người Ailen Geogre Johnstone Stoney đặ cho loại điện tích này vào năm 1874. Năm 1897, JJ Thomson và các đồng sự người Anh đã xác định electron (điện tử) là một loại hạt. Điện tử được xem là thế hệ họ hạt lepton đầu tiên. Điện tử có các tính chất cơ học lượng tử của cả hạt và sóng; vì vậy nó có thể va chạm với các hạt khác và cũng có thể nhiễu xạ như sóng ánh sáng. Mỗi Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 5 điện tử tồn tại ở một trạng thái lượng tử, mô tả tính ngẫu nhiên của nó bằng một thông số vật lý nào đó như năng lượng nội tại hay hướng của spin. Vì điện tử là hạt fermion nên không có 2 điện tử nào cùng ở một trạng thái lượng tử; tính chất này chính là Nguyên lý loại trừ Pauli. Trong nhiều hiện tượng vật lý, ví dụ như điện, từ, dẫn nhiệt, điện tử đóng vai trò rất quan trọng. Một điện tử có thể tạo ra một từ trường khi nó chuyển động. Khi điện tử được gia tốc, nó có thể tỏa hoặc thu năng lượng dưới dạng photon. Điện tử cùng với hạt nhân nguyên tử (gồm proton và neutron) tạo thành nguyên tử. Tuy nhiên, điện tử chỉ chiếm 0,06% khối lượng của nguyên tử. Lực Coulomb giữa điện tử và proton đã giữ cho nó bị giới hạn trong nguyên tử. Sự trao đổi hoặc trao đổi điện tử giữa hai hay nhiều nguyên tử là cơ sở chính của các liên kết hóa học. Điện tử được tạo ra trong vụ nổ Big Bang, và nó có thể bị tiêu hủy trong quá trình tổng hợp hạt nhân trong các sao. Điện tử thường được tạo ra từ các bức xạ Hawking ở chân trời sự kiện của một lỗ đen và các bức xạ vũ trụ đi vào khí quyển của Trái đất. Các đồng vị được kích thích bởi các sóng điện từ sẽ tạo ra điện tử từ một hạt nhân nguyên tử trong quá trình phân rã hạt β-. Các dụng cụ trong phòng thí nghiệm có thể giữ và quan sát các điên tử riêng lẻ, trong khi đó kính thiên văn có thể phát hiện điện tử plasma khi quan sát sự toả năng lượng của nó. Điện tử plasma có nhiều ứng dụng như hàn, ống tia catot, kính hiển vi điện tử, liệu pháp phóng xạ, laser và máy gia tốc hạt. Trên đây là những điều sơ lược mà con người biết về electron. Ta sẽ tìm hiểu quá trình con người tìm hiểu về electron – từ sự khám phá ra electron đến bản chất của electron là gì. I.1 Sự phát hiện ra electron: Ngày nay, các ống phóng điện được dùng rộng rãi cho các quảng cáo đầy màu sắc ở ngoài đường phố. Nguồn gốc của ống phóng điện đầu tiên là do Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 6 William Crookes chế tạo năm 1870. Ông thực hiện chân không cao bằng máy hút khí làm giảm áp suất trong ống đến mức rất thấp trong một ống thủy tinh và nhận thấy rằng các chất khí ở áp suất thấp sẽ dẫn điện. Một trong những ống đầu tiên mà Crookes thí nghiệm có hai điện cực kim loại ở đầu ống và hàn kín sau khi đã giảm áp suất khí trong ống. Khi đặt một hiệu điện thế cao giữa hai điện cực, khí trong ống phát sáng và màu ánh sáng phát xạ phụ thuộc vào loại khí được dùng. Vậy do đâu mà có ánh sáng phát xạ trong ống ? Crookes đã thiết kế một ống trong đó có đặt một cái chong chóng nhỏ. Ta thấy tia phát ra từ catôt (nối với cực âm của nguồn điện) đã làm quay cánh quạt của chong chóng. Nhưng khi đặt một nam châm gần ống thì chong chóng ngừng quay, chứng tỏ các tia lúc trước đập vào cánh quạt làm chong chóng quay nay đã bị lệch hướng. Vậy tia đó phải là những hạt mang điện vì chúng chịu tác dụng của từ trường. Nhiều thí nghiệm khác đã chứng tỏ các tia này mang điện âm, và do chúng phát ra từ catôt nên có tên là tia catôt. Mối quan tâm của các nhà vật lí về bản chất của tia catôt đã kéo dài trong nhiều năm mà chưa được giải quyết. Mãi tới hơn 20 năm sau (1897), J.Thomson đã khám phá được bí mật này. Bằng một lọat thí nghiệm, ông đã chứng minh rằng tia catôt gồm những hạt vô cùng nhỏ bé tích điện âm mà ông gọi là các “corpuscle”. Ngày nay ta gọi chúng ta gọi là các electron. Ông chứng minh được rằng electron là đồng nhất bất kể khi dùng trong ống thuộc loại gì. Thomson lại đề xuất một luận điểm táo bạo và quan trọng, mà sau này chứng tỏ nó là chính xác, nói rằng các hạt ông tìm ra là một thành phần của mọi đối tượng vật chất. Sau đó lại kết luận thêm hạt ấy nhẹ hơn hạt nhẹ nhất thời bấy giờ là nguyên tử hidro hàng ngàn lần (sau này người ta biết chính xác là 1836.15). Ông đã đo điện tích riêng e/m của electron, cùng với hai luận điểm tài tình và chính xác đã làm nên “sự phát hiện elctron”,đã làm ông nổi danh khắp nơi. Quan niệm tồn tại từ nhiều thế kỉ trước cho rằng nguyên tử là phần tử vật Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 7 chất cuối cùng không thể phân chia được đến nay đã chấm dứt. Thí nghiệm của Thomson đã đặt nền móng cho sự phát triển của kĩ thuật điện tử sau này mà tiêu biểu là dao động kí và ống đèn hình của máy thu hình (ti vi). Chẳng bao lâu sau phép đo trực tiếp điện tích của electron được thực hiện, và vài ba năm sau, electron được chính thức công nhận là một hạt của tự nhiên. I.2 Thí nghiệm đo điện tích riêng electron: Dụng cụ gồm một bình thủy tinh chứa khí hydro ở áp suất thấp (hình 1). Chùm điện tử phát xạ từ dây đốt (catôt) đi xuyên qua khe của anôt. Dọc đường đi của bình chứa khí, các electron va chạm với các nguyên tử khí, kích thích các nguyên tử này và làm chúng phát xạ khiến cho đường đi của chùm electron trông thấy là một vết mảnh sáng. Một cặp cuộn dây (không vẽ trên hình) được bố trí ở hai bên cạnh bình và cho dòng điện không đổi đi qua để tạo ra một từ trường đều có cảm ứng từ vuông góc với bình. Bố trí cho phương ban đầu của chùm electron vuông góc với đường cảm ứng từ. Khi đó lực Lorentz tác dụng lên electron có hướng vuông góc với vận tốc và đóng vai trò lực hướng tâm làm cho electron chuyển động theo quỹ đạo tròn: 2 mv F Bev r = = (1.1.1) Suy ra bán kính quỹ đạo: mv r eB = (1.1.2) Chú ý là lực Lorentz luôn vuông góc với vận tốc, do đó nó không thực hiện công và chuyển động của electron là chuyển động tròn đều với vận tốc v không đổi. Ta thấy bán kính quỹ đạo chỉ phụ thuộc cảm ứng từ B: từ trường càng mạnh thì bán kính quỹ đạo càng nhỏ. Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 8 Để đo điện tích riêng e/m của electron, ta dùng bình nói trên (Hình 1.2) và lần lượt điều chỉnh giá trị cảm ứng từ B bằng cách dùng một biến trở để thay đổi dòng điện chạy trong các cuộn dây. Mỗi lần thay đổi lại đo đường kính của chùm electron trên thang đo bên trong bình. Trong thực tế thí nghiệm, người ta điều chỉnh để đường kính của chùm electron là những giá trị dễ đo và đọc giá trị dòng điện tương ứng trong cuộn dây. Ta hãy tính toán để tìm công thức xác định điện tích riêng e/m. Từ (1.1.2) ta có: eBr v m = (1.1.3) Vận tốc này suy từ động năng mà electron thu được khi chuyển động qua điện trường có hiệu điện thế V A (thế anôt). 2 2 2 2 A A eVmv eV v m = ⇒ = (1.1.4) Kết hợp (1.2) và (1.3) ta được: 2 2 2 A Ve m B r = (1.1.5) Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng Hình 1.2 9 Trong thí nghiệm: - Điện thế V A đo trực tiếp bằng volt kế. - Bán kính r của quỹ đạo đo trực tiếp trên thang đo. - Cảm ứng từ B tính từ giá trị cường độ I qua cuộn dây đọc trên ampere kế. - Lần lượt thay các giá trị của B và vẽ đồ thị B = f(1/r). Đồ thị này có dạng một đường thẳng đi qua gốc tọa độ vì suy từ (1.1.5): 2 A V B e m = 1 r (1.1.6) Vậy giá trị e/m sẽ được suy từ độ dốc của đồ thị: 2 A V e m (1.1.7) Sau đây là thí dụ bằng số. Nguồn phát xạ electron hoạt động ở điện thế V A =2000V dùng để bắn chùm electron vào một từ trường đều có B = 1,9. 10 - 3 T. Phương vận tốc ban đầu của chùm vuông góc với cảm ứng từ và chùm electron vẽ một vòng tròn quỹ đạo có bán kính 80mm. Từ những giá trị trên, ta xác định được điện tích riêng của electron theo (1.1.5) 11 3 2 3 2 2.2000 1,73.10 / (1,9.10 ) .(80.10 ) e C kg m − − = = I.3 Thí nghiệm đo điện tích nguyên tố: Sơ đồ dưới đây cho thấy thiết bị mà nhà vật lý người Hoa Kỳ, Robert Andrews Milikan (1869 – 1953) đã dùng trong những năm 1910 – 1913 để đo điện tích nguyên tố e. Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng 10 Khi các giọt dầu nhỏ được phun vào buồng A, do cọ xát với miệng vòi phun nên một số giọt dầu trở nên tích điện hoặc âm hoặc dương. Xét một giọt dầu có điện tích âm q n rơi xuống buồng C qua một lỗ nhỏ trên bản P 1 . Đầu tiên khi 2 bản kim loại không được nối với nguồn, 2 bản P 1 , P 2 không tích điện. Ta thấy những hạt dầu rơi xuống với tốc độ nhanh dần. Trong quá trình rơi giọt dầu chịu tác dụng cua trọng lực P hướng xuống và lực cản F c = bv hướng lên. Phương trình chuyển động của giọt dầu: dv mg bv m dt − = (1.2.1) trong đó b được xác định bằng định luật Stoke: 6b a πη = η là hệ số nhớt của chất lỏng a là bán kính của giọt dầu. Khi tốc độ rơi của giọt dầu không đổi, trọng lực cân bằng với lực cản. tốc độ của giọt dầu lúc đó là: f mg v b = (1.2.2) Sau đó nối 2 bản với nguồn điện như hình vẽ (Hình 1.3), nguồn điện gây một điện tích dư trên bản dẫn điện P 1 và một điện tích âm dư trên bản dẫn điện P 2 .Các bản điện tích gây ra một điện trường E hướng từ trên xuống dưới trong buồng C. Điện trường này tác dụng một lực tích điện lên bất kì một giọt tích điện nào rơi vào buồng và ảnh hưởng đến chuyển động của nó nên giọt tích điện âm ta đang xét có xu hướng bị đẩy lên trên. Phương trình chuyển động của giọt dầu: n dv q E mg bv m dt − − = (1.2.3) Từ việc đo thời gian chuyển động của các giọt dầu khi khóa mở và khóa đóng, ta có thể tính được điện tích âm q của giọt dầu. Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH. Lê Văn Hoàng [...]... của electron: Qua các thí nghiệm ta thấy, electron khoác lên mình lưỡng tính sóng -hạt Trong thí nghiệm này electron là hạt, nhưng trong thí nghiệm khác nó lại là sóng Nhưng khi nào nó là hạt và khi nào sẽ là sóng? Có thí trường hợp nào mà electron vừa là hạt mà lại vừa là sóng hay không? Chúng ta sẽ thử xem Quay lại với thí nghiệm hai khe, electron thể hiện bản chất sóng của mình Bây giờ giả sử ta thay... tỏ mình là hạt. ” Tất nhiên cách phát biểu này hơi thái quá một chút, nhưng nó phản ánh được kết quả một cách ngộ nghĩnh Electron mang lưỡng tính sóng -hạt, tính chất sóng hay hạt được bộc lộ là do bản chất thí nghiệm quyết định • Đâu là ranh giới giữa vi mô và vĩ mô? Khi tiến hành được thí nghiệm hai khe với electron người ta nghĩ đến khả năng tiến hành thí nghiệm hai khe với những hạt khác electron, ... suất tới của từng hạt riêng lẻ, với khoảng 50% electron bay qua khe 1 và 50% electron bay qua khe 2 Nhưng hóa ra là chúng ta đã hoàn toàn sai với giả thiết của mình, vì việc tiến hành thí nghiệm hai khe vẫn cho vân giao thoa xuất hiện ngay khi chỉ có một electron riêng lẻ Nó được tạo thành một cách chậm chạp khi các electron lần lượt đập trên màn ảnh (Hình 2.3.2) Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH... electron cũng như của tất cả các hạt vi mô đều là quá trình truyền sóng – một loại sóng mới trước đây chưa hề được biết đến, gọi là sóng De Broglie De Broglie đã khái quát hóa lưỡng tính “sóng – hạt của ánh sáng cho các hạt vi mô như electron, photon, nơtron v.v… Ông cho rằng khi một hạt chuyển động tự do có năng lượng và xung lượng xác định sẽ tương ứng với một Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH Lê Văn... thí nghiệm chúng ta nhận được là một mẫu vân giao thoa Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH Lê Văn Hoàng 25 Chắc chắn là chúng ta không thể giải thích các vân giao thoa này bằng mô hình hạt của electron, vì mô hình hạt cho ta một tiên đoán về phân bố xác suất tới của electron trên tấm kính ảnh khác hoàn toàn so với kết quả thí nghiệm Vì vậy ta thấy electron cần phải được mô tả bằng mô hình sóng Cách... Positron là phản hạt của electron với khối lượng và spin bằng khối lượng và spin của electron, nhưng có điện tích trái dấu với electron Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện trong thế giới các hạt vi mô Trong chân không, positron tồn tại rất lâu với thời gian sống cỡ 4,3×1023 năm, tuy nhiên trong môi trường, nó lại có thời gian sống khá ngắn do bị hủy cặp gần như tức thời với electron của môi... bằng thực nghiệm Như vậy, theo phương trình P.Đirắc, đối lập với electron là một hạt giống hệt nó về các đặc trưng nội tại - khối lượng, spin chỉ có khác là mang điện tích trái dấu - hạt positron, nghĩa là, phương trình P.Đirắc đã dự báo về sự tồn tại của phản electron (positron sau này thường được gọi là phản electron) Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH Lê Văn Hoàng 36 Phản vật chất bắt đầu từ trí... thể giảm cường độ nguồn electron đến mức tối thiểu, khiến cho tại mỗi thời điểm t tùy ý chỉ có một electron duy nhất trong thí nghiệm Điều này cũng có nghĩa là không có bất kỳ tương tác nào giữa electron bay ra từ khe 1 và electron Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH Lê Văn Hoàng 26 bay ra từ khe 2 Các electron bay ra từ khe 1 không thể biết khe 2 đang mở và ngược lại Như vậy ta chờ đợi xuất hiện trên... tính được xác suất gặp electron ở một điểm nào đó bằng cách bình phương biên độ sóng Cơ may gặp electron sẽ lớn nhất ở các đỉnh (hoặc hõm) sóng, và nhỏ nhất ở Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH Lê Văn Hoàng 19 cách nút sóng (nơi có biên độ bằng không) Nhưng ngay cả ở các đỉnh sóng ta cũng không bao giờ chắc chắn là sẽ nhìn thấy electron Có thể là hai trong ba lần (xác suất 66%) hay bảy lần trong mười... thái hạt vi mô là spin Từ Electron – Hạt hay sóng? GVHD:TSKH Lê Văn Hoàng 20 phương trình Dirac có thể lí giải được rằng spin thực chất là một thuộc tính thuần túy lượng tử chỉ thấy ở các hạt vi mô và gắn liền với hiệu ứng tương đối tính trong chuyển động của hạt vi mô do vận tốc lớn cùng bậc với vận tốc của ánh sáng Nói chung, cơ học lượng tử không tiên đoán một kết quả xác định cho một quan sát Thay . xác định electron (điện tử) là một loại hạt. Điện tử được xem là thế hệ họ hạt lepton đầu tiên. Điện tử có các tính chất cơ học lượng tử của cả hạt và sóng;. tốc hạt. Trên đây là những điều sơ lược mà con người biết về electron. Ta sẽ tìm hiểu quá trình con người tìm hiểu về electron – từ sự khám phá ra electron