PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI " ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY " pot

ĐIỆN TÍCH: I.1 Khái quát về điện tích: Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng.. Sự tương tác giữa một đi

MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

MỤC LỤC

LỜI NGỎ……… 3

ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY……… … 4

I Điện tích……… ….4

I.1 Khái quát về điện tích:……… 4

I.2 Thuộc tính và tính chất của điện tích:……… 4

I.3 Các loại điện tích:……… …6

II Quan niệm cổ điển: II.1 Electron:……… 6

II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra electron……….….6

II.1.2 Giới thiệu về electron……… …6

II.1.3 Thí nghiệm tìm ra electron……… …7

II.1.4 Thí nghiệm đo điện tích điện tử……….….8

II.1.5 Các thuộc tính và tính chất của electron……….9

II.1.6 Ứng dụng của electron……… 11

II.2 Proton: II.2.1 Khái quát về proton……… 13

II.2.2 Sự ổn định……….13

II.2.3 Trong hóa học………14

II.2.4 Lịch sử……… 14

II.2.5 Phản proton……… 14

II.3 Neutron: II.3.1 Khái quát về neutron……….15

II.3.2 Lịch sử tìm ra neutron……… 15

II.3.3 Thuộc tính và tính chất của neutron……… 16

II.3.4 Phản neutron……… 18

III Quan niệm hiện đại: Hạt quark: III.1 Giới thiệu về hạt quark:……… 18

III.2 Tính chất của hạt quark:……… ………19

III.3 Các loại hạt quark:……… ……….20

III.4 Quá trình khám phá ra các loại hạt quark:……… ….21

III.5 Điện tích:……….………24

TÀI LIỆU THAM KHẢO………28

PHỤ LỤC……….29

Nhằm giúp cho các bạn sinh viên có thêm tư liệu cho việc dạy và học, các

em học sinh muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này, nhóm chúng tôi xin giới thiệu đến các bạn những kiến thức cơ bản liên quan đến vấn đề này Hy vọng với lượng kiến thức này sẽ giúp các bạn phần nào hiểu thêm về vấn để bạn nghiên cứu

Do thời gian và kiến thức giới hạn nên khó tránh khỏi những sai sót, mong các bạn thông cảm

ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT

XƯA VÀ NAY

I ĐIỆN TÍCH:

I.1 Khái quát về điện tích:

Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên

tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng Điện tích tạo ra trường điện từ và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ Sự tương tác giữa một điện tích với trường điện từ khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với trường điện từ này

là nguyên nhân gây ra lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên

Điện tích còn được hiểu là "hạt mang điện"

I.2 Thuộc tính và tính chất của điện tích:

Các hạt mang điện cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) sẽ đẩy nhau Ngược lại, các hạt mang điện khác dấu sẽ hút nhau Tương tác giữa các hạt mang điện nằm ở khoảng cách rất lớn so với kích thước của chúng tuân theo định luật Coulomb Định luật Coulomb đặt theo tên nhà vật lý Pháp Charles de Coulomb, phát biểu là:

“Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với tích các độ

lớn điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng các giữa chúng”

Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó Thông thường, các vật quanh ta

đều trung hòa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng

số proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau

Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng không, vật ấy vẫn có thể tham gia tương tác điện từ, đó là nhờ hiện tượng phân cực điện Các điện tích chịu sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích có thể di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoài gọi là điện tích tự do

Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành dòng điện

Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Coulomb (viết tắt là C), 1 C xấp xỉ bằng 6,24×1018e Kí hiệu Q được dùng để diễn tả độ lớn một lượng điện tích xác định, gọi là điện lượng

Phần lớn điện lượng trong tự nhiên là bội số nguyên của điện tích nguyên

tố Các hạt quark có điện tích phân số so với e Phản hạt của một hạt cơ bản sẽ có điện tích bằng về độ lớn, nhưng trái dấu so với điện tích của hạt cơ bản đó

Có thể đo điện tích bằng một dụng cụ gọi là tĩnh điện kế

Điện tích là một đại lượng bất biến tương đối tính, điều đó có nghĩa là vật (hoặc hạt) mạng điện tích q khi đứng yên, thì vẫn sẽ mang điện tích q như vậy khi chuyển động Điều này đã được kiểm chứng trong một thực nghiệm, ở đó điện tích của một hạt nhân heli (gồm 2 proton và 2 neutron, hạt nhân này di chuyển rất nhanh) được quan sát là gấp đôi điện tích của một hạt nhân deuteri (gồm 1 proton và 1 neutron, được xem là chuyển động rất chậm so với hạt nhân helium)

Điện tích tuân theo định luật bảo toàn điện tích:

“Tổng điện tích của một hệ kín là không thay đổi theo thời gian, không

phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ”

I.3 Các loại điện tích:

Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương Điện tích của electron là âm, ký hiệu là –e, còn điện tích của proton là dương, ký hiệu

là +e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố

II QUAN NIỆM CỔ ĐIỂN

II.1 Electron:

II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra Electron:

 Theo Aristotle thì vật chất được cấu tạo liên tục, tức là có thể chia một mẫu vật chất ngày càng nhỏ mà không có một giới hạn nào

 Democritus lại cho rằng vật chất vốn có dạng hạt và vật chất được tạo thành từ một số lớn các loại nguyên tử (atom)

 Năm 1830, John Danlton chỉ ra rằng hợp chất hóa học là do các nguyên

tử co cụm lại với nhau tạo nên những đơn nguyên tử được gọi là phân tử

 Năm 1897, J.J.Thomson đã chứng minh được sự tồn tại của một hạt vật chất mà ông gọi là electron Một hạt có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử nhẹ nhất khoảng một ngàn lần

II.1.2 Giới thiệu về Electron:

Điện tử (hay còn gọi là electron, được kí hiệu là e−) là một hạt hạ nguyên

tử, hay hạt sơ cấp Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân (hạt nhân bao gồm các proton và neutron) trên quỹ đạo electron Từ electron bắt

nguồn từ tiếng Hy Lạp ηλεκτρον (phát âm là "electrum") có nghĩa là hợp kim của bạc và vàng

Electron thuộc lớp đầu tiên của nhóm lepton trong loại hạt Fermion của hạt cơ bản, nó chịu tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác yếu Electron có phản hạt là positron Electron được đề nghị bởi George Johnstone Stoney như là đơn vị điện tích trong điện hóa học, nhưng cũng nhận ra rằng nó còn là hạt hạ nguyên tử và đến năm 1897 được nhà vật lý người Anh Joseph J Thomson1 tìm ra tại phòng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học Cambridge, trong khi ông đang nghiên cứu về "tia âm cực"

II.1.3 Thí nghiệm:

Điện tử là hạt hạ nguyên tử đầu tiên được tìm ra dựa vào tính chất điện của vật chất Vào cuối thập kỷ đầu tiên của thế kỷ thứ 19, người ta đã nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube) Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên trong có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là cực âm Hai cực đó được nối với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống Người ta giả thiết rằng có một chùm hạt phát ra từ cực dương đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt Khi đặt một vật chướng ngại nhẹ trong ống thì vật đó bị di chuyển từ cực dương về cực âm, người ta kết luận hạt đó có khối lượng Khi đặt một từ trường vào thì dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt đó có điện tích

1

Phụ lục V.1, trang 28

Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) đã kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo được

tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nó bằng độ lệch hướng của chùm tia trong các từ trường và điện trường khác nhau Thomson dùng rất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí trong ống Ông thấy rằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức toán học Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì Ông kết luận rằng tất cả các chùm ca-tốt đều được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891

II.1.4 Thí nghiệm đo điện tích electron: (Thí nghiệm giọt dầu

Millikan)

Năm 1909, Robert Millikan2 thực

hiện thí nghiệm để đo điện tích điện tử

Sử dụng một máy phun hương thơm,

Millikan đã phun các giọt dầu vào một

hộp trong suốt Đáy và đỉnh hộp làm

bằng kim loại được nối với nguồn điện

một chiều với một đầu là âm (-) và một

đầu là dương (+)

Millikan quan sát từng giọt rơi

một và cho áp dụng hiệu điện thế lớn

2

Phụ lục V.2, trang 28

giữa hai tấm kim loại rồi ghi chú lại tất cả những hiệu ứng Ban đầu, giọt dầu không tích điện, nên nó rơi dưới tác dụng của trọng lực Tuy nhiên sau đó, Millikan đã dùng một chùm tia Röntgen để ion hóa giọt dầu này, cung cấp cho

nó một điện tích Vì thế, giọt dầu này đã rơi nhanh hơn, vì ngoài trọng lực, nó còn chịu tác dụng của điện trường Dựa vào khoảng thời gian chênh lệch khi hai giọt dầu rơi hết cùng một đoạn đường, Millikan đã tính ra điện tích của các hạt tích điện Xem xét kết quả đo được, ông nhận thấy điện tích của các hạt luôn là

số nguyên lần một điện tích nhỏ nhất, được cho là tương ứng với 1 electron, e = 1,63 × 10-19 coulomb

Năm 1917, Millikan lặp lại thí nghiệm trên với thay đổi nhỏ trong phương pháp, và đã tìm ra giá trị điện tích chính xác hơn là e = 1,59 × 10-19 coulomb Những đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý của Millikan cho kết quả là e = 1,602

× 10-19 coulomb

II.1.5 Các thuộc tính và tính chất của electron:

Electron có điện tích âm −1.602 × 10−19 coulomb, và khối lượng khoảng 9.1094 × 10−31 kg (0.51 MeV/c²), xấp xỉ 1/1836 khối lượng của proton

Chuyển động của electron xung quanh hạt nhân là một chủ đề gây tranh cãi Electron không chuyển động trên một quỹ đạo cố định mà có lẽ nó xuất hiện tại một số điểm trong khu vực xung quanh quỹ đạo hạt nhân (với xác suất khoảng 90% thời gian là trên quỹ đạo tính toán)

Electron có spin ½, nghĩa là nó thuộc về lớp hạt Fermion, hay tuân theo thống kê Fermi-Dirac

Trong khi phần lớn các electron tìm thấy trong nguyên tử thì một số khác lại chuyển động độc lập trong vật chất hay cùng với nhau như những chùm điện

tử trong chân không Trong một số chất siêu dẫn, các electron chuyển động theo từng cặp

Khi các electron chuyển động tự do theo một hướng xác định thì tạo thành dòng điện

Tĩnh điện không phải là dòng chuyển động của các electron Nó chỉ tới những vật có nhiều hoặc ít electron hơn số lượng cần thiết để cân bằng với điện tích dương của hạt nhân Khi có nhiều electron hơn proton, vật được gọi là có

"tích điện âm", ngược lại khi có ít electron hơn proton, vật được gọi là có "tích điện dương" Khi số electron bằng số prôton, vật được gọi là "trung hòa" về điện

Các electron và phản hạt của nó là positron có thể tiêu hủy lẫn nhau để sản xuất ra photon Ngược lại, một photon cao năng lượng có thể chuyển hóa thành electron và positron bởi một quy trình gọi là sản xuất cặp

Electron là một hạt cơ bản – có nghĩa là nó không có cấu trúc hạ tầng Vì vậy, nó được miêu tả như là một điểm, có nghĩa trong nó không có khoảng không Tuy nhiên, nếu chúng ta tiến đến thật gần một electron, chúng ta có thể nhận thấy các thuộc tính của nó (như điện tích và khối lượng) dường như đã biến đổi Hiệu ứng này là chung cho tất cả các hạt cơ bản: vì các hạt này tác động tới những dao động trong chân không trong những vùng phụ cận chúng, vì vậy các thuộc tính được nhận thấy từ xa là tổng của các thuộc tính thực sự và các ảnh hưởng của chân không

Vận tốc của electron trong chân không xấp xỉ nhưng không bao giờ bằng c (vận tốc ánh sáng trong chân không) Điều này là do hiệu ứng của thuyết tương đối Hiệu ứng của thuyết tương đối dựa trên một đại lượng được biết đến như là gamma hay hệ số Lorentz Gamma là một hàm của v - vận tốc của hạt, và c Dưới đây là công thức của gamma:

) ( 1

1

2 2

electron nhanh nói trên là )c

2

1 1 (  2 = 0.99999999995 c (Công thức này chỉ áp dụng khi γ lớn)

II.1.6 Ứng dụng của Electron:

II.1.6.1 Electron trong vũ trụ:

Người ta cho rằng số lượng electron để có thể bao trùm vũ trụ là 10130 Người ta cho rằng số lượng electron hiện có trong vũ trụ là khoảng 1079

II.1.6.2 Electron trong cuộc sống:

Dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện trong nhà và tại công nghiệp là dòng chuyển động có hướng của các electron Ống tia âm cực của ti vi sử dụng chùm điện tử trong chân không để tạo ra hình ảnh trên màn hình lân quang Tính chất lượng tử của electron được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn như transistor

II.1.6.3 Electron trong công nghiệp:

Chùm electron được sử dụng trong hàn điện cũng như trong kỹ thuật in đá

II.1.6.4 Electron trong phòng thí nghiệm:

Các thí nghiệm phát kiến:

Bản chất lượng tử hay rời rạc của điện tích của electron được quan sát bởi Robert Millikan trong thí nghiệm dầu nhỏ giọt năm 1909

Đo lường:

Spin của electron được phát hiện trong thí nghiệm Stern-Gerlach

Điện tích có thể đo trực tiếp bằng các électromètre

Dòng điện có thể đo trực tiếp bằng các galvanomètre

Sử dụng electron trong phòng thí nghiệm:

Kính hiển vi điện tử được sử dụng để phóng to các chi tiết tới 500.000 lần Hiệu ứng lượng tử của electron được sử dụng trong kính hiển vi quét chui hầm (Microscope à effet tunnel) để nghiên cứu các vật liệu ở thang đo kích thước nguyên tử (2x10-10 m)

II.1.6.5 Electron trong lý thuyết:

Trong cơ học lượng tử, electron được mô tả trong phương trình Dirac Trong mô hình chuẩn của vật lý hạt, nó tạo thành một cặp với neutrino, vì chúng tương tác với nhau bằng lực tương tác yếu Electron có hai "người bạn" to lớn, với cùng điện tích nhưng khác nhau về khối lượng là: muon và tauon

Trong thế giới phản vật chất, phản hạt của electron là positron Positron có cùng các giá trị thuộc tính (khối lượng, spin, giá trị tuyệt đối của điện tích) như electron, ngoại trừ nó mang điện tích dương Khi electron gặp positron, chúng có thể tiêu diệt lẫn nhau, tạo thành hai photon trong tia gamma, mỗi tia có năng lượng 0.511 MeV (511 keV)

Electron còn là yếu tố cơ bản trong điện từ trường, là lý thuyết gần đúng cho các hệ thống vĩ mô

II.2 Proton:

II.2.1 Khái quát về Proton:

Proton (p hay H+, tiếng Hy Lạp πρώτον/proton = đầu tiên) là một loại hạt

tổ hợp, một thành phần cấu tạo hạt nhân nguyên tử Bản thân proton được tạo thành từ 3 hạt quark (2 quark lên và 1 quark xuống), vì vậy proton mang điện tích +1e hay +1.602 ×10-19 coulomb

Có spin bán nguyên, proton là Fermion

Khối lượng 1.6726 ×10-27 kg xấp xỉ bằng khối lượng hạt neutron và gấp

1836 lần khối lượng hạt electron

Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton đúng bằng số electron

Số proton trong nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng điện tích hạt nhân của nguyên tố đó, và được chọn làm cơ sở để xây dựng bảng tuần hoàn

Proton và neutron được gọi là nucleon Đồng vị phổ biến nhất của nguyên

tử hydrô là một proton riêng lẻ (không có neutron nào) Hạt nhân của các nguyên

tử khác nhau tạo thành từ số các proton và neutron khác nhau Số proton trong hạt nhân xác định tính chất hóa học của nguyên tử và xác định nên nguyên tố hóa học

II.2.2 Sự ổn định:

Proton là một loại hạt ổn định Tuy nhiên chúng có thể biến đổi thành neutron thông qua quá trình bắt giữ electron Quá trình này không xảy ra một cách tự nhiên mà cần có năng lượng:

Quá trình này có thể đảo ngược: các neutron có thể chuyển thành proton qua phân rã bêta

II.2.3 Trong hóa học:

Trong hóa học và hóa sinh, proton được xem là ion hydrô, kí hiệu là H+ Một chất cho proton là axít và nhận proton là bazơ

II.2.4 Lịch sử:

Ernest Rutherford3 được xem là người đầu tiên khám phá ra proton Năm

1918, Rutherford nhận thấy rằng khi các hạt alpha bắn vào hơi nitơ, máy đo sự nhấp nháy chỉ ra dấu hiệu của hạt nhân hydro Rutherford tin rằng hạt nhân hydro này chỉ có thể đến từ nitơ, và vì vậy nitơ phải chứa hạt nhân hydro Từ đó ông cho rằng hạt nhân hydro, có số nguyên tử 1, là một hạt cơ bản

Trước Rutherford, Eugene Goldstein đã quan sát tia a nốt, tia được tạo thành từ các ion mang điện dương Sau khi J.J Thomson khám phá ra electron, Goldstein cho rằng vì nguyên tử trung hòa về điện nên phải cố hạt mang điện dương trong nguyên tử và đã cố tìm ra nó Ông đã dùng canal ray để quan sát những dòng hạt chuyển dời ngược chiều với dòng electron trong ống tia âm cực Sau khi electron được loại ra khỏi ống tia âm cực, những hạt này được nhận thấy

là mang điện dương và di chuyển về cực âm

II.2.5 Phản proton:

3

Phụ lục V.3, trang 29

Phản hạt của proton được gọi là phản proton Những hạt này được phát hiện vào năm 1955 bởi Emilio Segrè bởi Owen Chamberlain và họ đã nhận giải Nobel vật lý năm 1959 nhờ công trình này

II.3 Neutron:

II.3.1 Khái quát về neutron:

Neutron là hạt hạ nguyên tử, không chứa điện tích, có khối lượng bằng 1.67492729(28)×10−27 kg, xấp xỉ bằng khối lượng hạt proton

Neutron được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử Hầu hết hạt nhân của các nguyên tử bao gồm proton và neutron, cái mà người ta gọi chung là nucleons Số hạt proton trong hạt nhân trong nguyên tử là được gọi là số nguyên

tử xác định vị trí của nguyên tố Số hạt neutron quyết định số đồng vị của nguyên tố Ví dụ như cacbon -12 đồng vị gồm 6 proton và 6 neutron, trong khi

đó cacbon -14 đồng vị thì có 6 proton và 8 neutron

Giới hạn của neutron trong hạt nhân là bền, neutron tự do là không bền, nó chịu phóng xạ beta với thời gian sống dưới 15 phút (885.7 ± 0.8 s) Neutron tự

do được sản xuất trong quá trình phân rã và tổng hợp hạt nhân

II.3.2 Lịch sử khám phá:

Năm 1930, Walther Bothe và Herbert Becker người Đức đã thấy rằng nếu hạt alpha với năng lượng lớn từ Poloni rơi vào hạt nhân nhẹ, đặc biệt là Beri, Bo, Liti thì sinh ra 1 tia phóng xạ bất thường có khả năng đâm xuyên, lần đầu tiên phóng xạ này được coi là phóng xạ gamma, mặc dù khả năng đâm xuyên của nó lớn hơn bất kì tia gamma đã biết nào, và các chi tiết dựa trên kết quả thí nghiệm rất khó để giải thích trên nền tảng nguyên tắc này Bài đăng quan trọng kế tiếp

được tuyên bố chính thức 1932 bởi Irène Joliot-Curie và Frédéric Joliot tại Pháp

Họ chỉ ra rằng những bức xạ chưa biết này khi rơi vào Paraffin hoặc hợp chất của Hidro thì nó sẽ bắn ra Proton với một năng lượng rất cao Điều này không mâu thuẫn với giả định về bản chất của tia gamma trong phóng xạ mới, nhưng sự phân tích chi tiết về số lượng thông tin trở nên khó dần để nó phù hợp với giả thuyết

Cuối cùng, năm 1932 nhà vật lý James Chadwick4 trong tòa nhà George Holt tại University of Liverpool đã biểu diễn hàng loạt các thí nghiệm và chỉ ra rằng tia gamma theo giả thuyết trên là không đứng vững Ông ta đề nghị một bức xạ mới của hạt không mang điện mà có khối lượng gần đúng với khối lượng của Proton, và ông đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm để kiểm tra lại đề xuất của mình

Những hạt không mang điện này được gọi là neutron, xuất phát từ gốc là

từ neutral và theo Hi lạp có –on (mô phỏng theo electron và proton)

II.3.3 Thuộc tính và tính chất

II.3.3.1 Ổn định và phân rã beta:

Vì neutron được cấu tạo từ 3 hạt quark nên nó chỉ có thể phân rã theo cách thức thay đổi số lượng tử cần thiết để thay đổi hương vị của 1 trong những hạt quark bằng lực hạt nhân yếu Neutron gồm 2 quark down với điện tích -1/3 và 1 quark up với điện tích +2/3, và sự phân rã của 1 trong các quark down có thể đạt đến được nhờ sự thoát ra của W boson (loại boson vectơ trung gian) Điều này

4

Phụ lục V.4, trang 30