Lời cảm ơn
Sau một thời gian nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn tận tình của T.S Nguyễn Thị Hà Loan, em đã hoàn thành khoá luận tốt nghiệp với đề tài: “Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác” Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất trước tắm lòng và sự chỉ bảo tận tình của cô
Qua đây, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa
cũng như các thầy cô trong trường Đại học Sư phạm Hà Nội II đã giúp đỡ em hồn thành khố luận này
Do thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn hẹp cho nên trong khoá luận này chắc chắn còn nhiều chỗ thiếu xót chưa được như ý muốn Em rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô, các bạn để dé tai của em được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2007
Sinh viên thực hiện:
Trần Thị Hải Yến
Trang 2
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan nội dung khố luận khơng trùng với cơng trình nghiên
cứu của bất kỳ một tác giả nào trước Kết quả có được là đo sự cố gắng nỗ lực
của bản thân dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của T.S Nguyễn Thị Hà Loan
Sinh viên thực hiện:
Trần Thị Hải Yến
Trang 3
Mục lục
Trang
Mở đầu 4
Nội dung: 7
Chương l: Các loại lực tương tác trong tự nhiên 7
1 Tương tác hap dan 7
2 Tương tác điện từ 8
3 Tương tác mạnh 8
4 Tương tác yếu 9
Chương 2: Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác 11
1 Cấu trúc của hạt cơ bản 11
2 Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử 15
3 Cấu trúc của nguyên tử, phân tử 21
4 Cu tric vat chat và các trạng thái khác nhau của vật chất 25
Tổng kết 29
Kết luận 30
Tài liệu tham khảo 31
Trang 4
1.Lý do chọn đề tài:
Hạt cơ bản được quan niệm là “viên gạch” đầu tiên xây dựng nên thế
giới vật chất Để gắn kết các “viên gạch” đó với nhau cần đến một thứ “hồ
keo” chính là các loại tương tác trong tự nhiên Trong giới hạn của khoa học hiện nay, tương tác được phân chia ra làm bốn loại: Tương tac hap dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu Trên cơ sở những hiểu biết của mình về các “hạt” và các loại tương tác, các nhà vật lý lý thuyết đang hy vọng xây dựng được một lý thuyết thống nhất về cấu trúc của vật chất trên cơ sở các loại tương tác Đây là một hướng nghiên cứu hấp dẫn không chỉ thu hút
được sự chú ý của các nhà vật lý lý thuyết mà còn lôi cuốn được tất cả những
ai quan tâm tới bức tranh cấu tạo vật chất của chúng ta
Là một sinh viên vật lý, sau bốn năm học qua các học phần vật lý đại cương, vật lý lý thuyết đã có những hiểu biết nhất định về bức tranh thế giới vật chất Tuy nhiên những hiểu biết đó cịn rời rạc, chưa hệ thống Sau đề tài này, em muốn xâu chuỗi những hiểu biết trên, bước đầu trang bi cho minh cái nhìn khái quát thống nhất về cau trúc của thế giới vật chất
Với những lý do như trên em quyết định chọn cho mình đề tài: “Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác ” Đây là một đề tài hay, có nhiều triển vọng Nếu quả thực chúng ta xây dựng được một lý thuyết thống nhất về cấu trúc của thế giới vật chất, một chân trời bao la đầy hứa hẹn sẽ mở ra Chúng ta
sẽ hiểu được bản chất của các hiện tượng vật lý diễn ra trong tự nhiên từ hạt
vi mô cho đến các vật thể vĩ mơ 2.Mục đích nghiên cứu:
Trang 5
Trong đề tài này sẽ đi nghiên cứu về các đặc điểm, tính chất của các loại tương tác trong tự nhiên, vai trò của từng loại tương tác ở các cấp độ cầu trúc vật chất Từ đó đưa ra bức tranh cấu trúc vật chất, bắt đầu từ các hạt quark liên kết với nhau tạo thành các hạt cơ bản, các hạt này lại tổ hợp tạo nên hạt nhân nguyên tử rồi tới nguyên tử Dưới tác dụng của các lực liên kết, các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành phân tử — phần tử nhỏ nhất cịn mang tính chất của hợp chất Các phân tử, nguyên tử sắp xếp theo một trật tự nhất định để tạo nên vật chất ở các trạng thái khác nhau
3.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: vật chất
Phạm vi nghiên cứu: cấu trúc dựa trên quan điểm các loại tương tác trong tự nhiên
4.Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu về các loại tương tác trong tự nhiên - Cấu trúc của vật chất:
+ Cấu trúc của các hạt cơ bản + Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử + Cấu trúc của nguyên tử, phân tử
+ Cấu trúc vật chất và các trạng thái khác nhau của vật chất 5.Các phương pháp, phương tiện:
- Phương pháp: đọc, tra cứu tài liệu, quan sát, tống kết kinh nghiệm, phỏng vấn
- Phương tiện: Sử dụng phương pháp toán cho vật lý: Lý thuyết nhóm
đối xứng SU(n)
Trang 6
Nội dung
Chương 1: Các loại lực tương tác trong tự nhiên
Theo quan điểm của vật lý học hiện nay có bốn loại tương tác trong tự nhiên
1.Tương tác hấp dẫn:
Tương tác hấp dẫn là loại tương tác gắn liền với “vạn vật” và không
biết đến vật cản là gì Do độ lớn của lực hấp dẫn phụ thuộc khối lượng và
khoảng cách giữa hai vật nên với thế giới vi mô loại tương tác này khơng có vai trị đáng kế Tương tác hấp dẫn là loại tương tác đặc trưng của các vật thé
vĩ mô và vũ trụ, bán kính tác dụng của nó có thê tiến tới vơ cùng và nó khơng
hề phụ thuộc vào tính chất của hai vật tham gia tương tác
Đại lượng đặc trưng cho tương tác hấp dẫn là lực hấp dẫn:
MM, 2 12
Với G là hằng số hấp dẫn có độ lớn bằng 6,672 10°'' N m’/kg’
F=G
M¡,M; là khối lượng của các vật tham gia tương tác R¿¿ là khoảng cách giữa hai vật
Theo thuyết tương đối của Enstein thì tương tác hấp dẫn cũng không
phải là truyền đi tức thời mà truyền với vận tốc rất lớn, lực hấp dẫn sẽ bị triệt
tiêu trong hệ chuyển động có gia tốc Tuy nhiên theo quan điểm vận tốc giới hạn của sự lan truyền sóng hấp dẫn cho đến nay vẫn là vấn đề nghiên cứu của các nhà bác học vì vẫn đề đó có liên quan đến bản chất của tương tác hấp dẫn
Trang 7
Theo cách nhìn của cơ học lượng tử đối với lực hấp dẫn thì lực giữa hai hạt vật chất được mang bởi một hạt có Spin bằng 2 gọi là hạt graviton Hạt này khơng có khối lượng riêng vì vậy có tầm tác dung dai
2.Tương tác điện từ:
Hiểu một cách đơn giản tương tác điện từ là loại tương tác giữa các thành phần mang điện Thực ra trong cuộc sống hàng ngày chúng ta thường gap những biểu hiện khác nhau của lực tương tác điện từ như tính chất ma sát, sự đàn hồi, hoạt động của cơ bắp, đặc biệt thường xuyên tiếp xúc với tương tác điện từ - ánh sáng khi nó giúp ta nhìn rõ mọi vật Năng lượng của tương tác điện từ trong các trường hợp này được xác định bằng công cơ học do lực ma sát, lực đàn hồi hay cơ bắp sinh ra
Theo quan niệm, nguyên nhân gây ra tương tác điện từ là sự tích điện của các phân tử tham gia tương tác Ta có một đai lượng đặc trưng cho loại tương tác này là lực Coulomb:
ad
F=k 42
Hạ
Trong đó: k là hằng số Coulomb: 9.10” N.m”/C?”
: d¡.q› là điện tích của các hạt tham gia tương tác : r¡; là khoảng cách giữa chúng
Lực điện từ được hình dung như được gây bởi sự trao đổi một số lớn các hạt ảo khơng có khối lượng tĩnh có Spin bang 1 goi là các phôtôn
Farađây là người đầu tiên chỉ ra rằng tương tác điện từ tồn tại nhờ có trường điện từ xuất hiện xung quanh vật tích điện Mắc xoen là người có cơng chỉ rõ tương tác điện từ lan truyền với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng
Lực điện từ chi phối tính chất của êlectron trong nguyên tử và phân tử,
chỉ phối tới cả liên kết của các phân tử với nhau để tạo thành vật chất Khi đi
sâu vào thế giới hạt cơ bản chúng ta sẽ thấy tương tác điện từ không chỉ gắn
Trang 8
liền với lực Coulomb mà nó cịn biểu hiện ở các quá trình sinh cặp điện tử Poditron và các quá trình rã của meron II thành cặp phôtôn hay sự phân rã của hyperon thành hyperon và phôtôn gama
3.Tương tác mạnh:
Hay còn gọi là tương tác hạt nhân Đây là lực giữ cho các hạt quark ở trong prôtôn, notron và cũng giữ cho prôtôn và nơtron trong nguyên tử Người ta tin rằng lực này được mang bởi hạt có spin bằng 1 khác gọi là gluon Hạt gluon chỉ tương tác với chính nó và các hạt quark
Lực hạt nhân có một tính chất rất lạ gọi là sự cầm tù: nó ln liên kết các hạt có màu thành những tổ hợp hạt không màu Lực hạt nhân cịn có một tính chất khác nữa gọi là sự tự do tiệm cận làm cho khái niệm về các hạt quark và gluon trở nên hoàn toàn xác định
Tương tác mạnh tồn tại giữa các Hađrôn và không tồn tại đối với các hạt Léptôn Sở dĩ gọi là tương tác mạnh vì nó phải thắng được lực đây Culông đáng lẽ làm cho hạt nhân không bền vững Bán kính tác dụng của lực tương tác mạnh vào cỡ 10'Ïm Đại lượng đặc trưng cho tương tác mạnh là lực hạt nhân Đặc tính cơ bản của tương tác mạnh là tương tác gần, không phụ thuộc vào điện tích mà chỉ phụ thuộc vào sự định hướng của các hạt tham gia tương tác
Thời gian sống của tương tác mạnh nhỏ vào cỡ 10 *{s) Tương tác
mạnh có hằng số tương tác lớn, việc đưa vào các cơng cụ tốn học mới để
nghiên cứu là rất khó Ta cũng khơng thể dùng lý thuyết nhiễu loạn được vì cơng cụ này khơng thống nhất cho tất cả các hạt Để nghiên cứu tương tác mạnh người ta dùng lý thuyết nhóm đối xứng, dựa vào lý thuyết này có thể ghép các quark lại với nhau thành các hạt cơ bản
4.Tương tác yếu:
Trang 9
Tương tác yếu là loại tương tác gắn liền với quá trình phân rã của các hạt không bền vững và các q trình phóng xạ của các hạt nhân nguyên tử Tương tác yếu chỉ tác dụng lên các hạt có Spin ngun như phơtơn hay 8ravitôn
Tương tác yếu xảy ra chậm hơn so với tương tác mạnh, thời gian xảy ra tương tác yếu vào cỡ 10” — 10Ÿ(s) Bán kính tác dụng của tương tác yếu cũng nhỏ hơn tương tác mạnh Có người cho rằng vai trò “con thoi” chuyển tải tương tác yếu là điện tử và phản Notrinô ( hay Pôditron và Notrinô ) Khi đi sâu vào nghiên cứu kỹ tương tác yếu ta sẽ làm quen với sự vi phạm tính đối xứng khơng gian và tính đối xứng gương ( mà ta còn gọi là tính chẵn lẻ ) trong các tương tác yếu
Bến loại tương tác chúng ta liệt kê ra trên đây tồn tại với các đặc tính riêng của chúng Trong thế giới vi mô nếu xếp thứ tự theo độ lớn thì ta sẽ có tỷ lệ như sau: nếu coi tương tác mạnh là I thì các loại tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tac hap dan sẽ lần lượt là:10”, 10? và 10”
Các nhà bác học của vật lý học hiện đại đang tìm mối liên hệ giữa các loại tương tác với ý đồ thống nhất chúng lại với nhau
Trang 10
Chương 2: Cấu trúc vật chất theo
quan điểm tương tác 1.Cấu trúc của hạt cơ bản:
Nhà bác học lớn của thế giới E.Eeemi đã nói: “ở mỗi giai đoạn phát triển của khoa học, chúng ta gọi những hạt mà chúng ta không biết cấu trúc mà được xem như những hạt điểm là những hạt cơ bản” Các nuclêon là những hạt cơ bản, nhưng đến “giai đoạn phát triển khoa học” sau năm 1963 vấn đề cấu trúc của các nuclêon đã trở thành vấn đề được các nhà bác học thế giới ghi nhận (nhờ nghiên cứu cấu trúc điện từ của các nuclêoên mà R.Hotstadter đã được tặng giải thưởng Nobel )ngày nay vấn đề cấu trúc của các nuclêôn không còn là van dé ban cãi nhưng do thói quen chúng ta vẫn gọi chúng là những hạt cơ bản
Kết quả nghiên cứu của các nhà bác học Mĩ dưới sự chỉ đạo của
R.Hotstadter và của các nhà bác học Xô viết về cấu trúc của các nuclêon nhờ tán xạ đàn hồi của các điện tích tử trên các nuclêon hay của các II — Mezon lượng lớn lên prôtôn có thể biểu thị thơng qua các hình vẽ dưới đây:
vùng cập
(NN)
2 nhân
4rr pAr
Trang 11Phần lớn khối lượng của nuclêon tập trung trong vùng không gian cỡ 0,8 10 em bao quanh là một lớp vỏ Mêzôn xốp mà ta có thể gọi chúng là
dam mây Mêzơn II với kích thước cỡ 1,4 10 em Có thể tương tác mạng
của các nuclêơn là q trình “liên kết” đám mây II-Mêzôn này và trao đổi
Mêzôn cho nhau Ngồi Mêzơn -II trong quá trình tương tac của các nuclêon người ta nhận thấy sự tham gia của K — Mêzôn và Hypezon
Bằng cơng thức xác định kích thước:
= MC
r
Người ta đã xác định được bán kính tác dụng của các lớp cấu trúc của nucléon như trên hình vẽ
Ngồi các Lepton có kích thước bé và có thế có cấu tạo đơn giản hơn, các hạt cơ bản nói chung đều có kích thước và cấu tạo khá phức tạp và có thé hiểu các hạt cơ bản như một tô hợp liên kết của những hạt khác Sử dụng lý thuyết “sợi dây” để mô ta cấu trúc và tương tác của các hạt cơ bản ta có cấu trúc của các hạt như sau:
Năm 1964 nhà vật lý Sweit đã đưa ra một giá thuyết là tất cả các hạt cơ bản có thể xây dựng từ ba hạt có các số lượng tử phân số mà ông gọi chúng là những hạt quark ( hạt ma quái ) Người ta chưa phát hiện được quark ở trạng
Trang 12
thái tự do riêng rẽ nhưng có rất nhiều dữ kiện chứng tỏ quark phải tồn tai Van đề là các hạt được cấu tạo từ quark như thế nào?
Như đã nói trong chương trước tương tác mạnh chính là lực giữ cho các hạt quark trong prôtôn và nơtrôn Nhờ có tính chất “cầm tù” của lực hạt nhân mà các hạt quark luôn kết hợp được lại thành những tô hợp không màu Ta khơng thể có một hạt quark riêng rẽ vì nó sẽ có màu ( đỏ, xanh hoặc lục) Thay vì thế, một quark đỏ cần được kết hợp với một quark xanh và một quark lục bằng một dây các gluon (đỏ + xanh + lục = trắng) Một tam tuyến như thế tạo nên một prôtôn hoặc một nơtron Một khả năng khác là cặp tạo bởi một quark và một phản quark Các tổ hợp như vậy tạo nên các hạt đã biết là các Mêzon, đó là các hạt khơng bền vì quark và phản quark có thể huỷ nhau tạo thành êlêctrôn và các hạt khác Tương tự sự cầm tù cũng không cho phép có một gluon riêng lẻ, vì các gluon cũng có màu Thay vì thế, người ta cần phải có một tập hợp các gluon với tổng màu là trắng Một tập hợp như thế tạo nên một hạt không bền gọi là glueball
Sau đây chúng ta sẽ sử dụng nhóm đối xứng SU@) để nghiên cứu sự tạo thành các hạt cơ bản từ các hạt quark
Đối với bát tuyến a Do B = 1 cho nén no phai duge tạo thành từ 3 quark
Khi một hạt được tạo ra từ 3 quark, điều đó có nghĩa là tốn tử trường
được tạo thành từ 3 Spinơ SU@) cơ sở q¡ ( = 13)
Spinơ cấp 3 có 8 thành phần độc lập được định nghĩa:
Prine ij, k = 1,2,3
Và có tính chat sau:
LF => Pk
2 Pie + Yay + Key = 0
Trang 13
§ thành phần độc lập ứng với 8 hat Baryon vr Spino nay thoả mãn hệ thức:
A, ) A,) A,)
[Ma Mie l=-] | te - | 2) 2) | Pie | 2) | Pie
Để gán các hàm trường này cho các hạt, ta làm tương tự như trước đây chang han:
i i &
[ 13, Poon] =" 4 Vio s 4 Vin ~ 4 May,
2) 2), 2), 1 1 1 7-7 2 Ma + 2 Mai ~ 2 Ma — 7-7 2 [i2h Cuối cùng ta có kết quả: P=2 Man › n = 2 Mhap
> = ⁄2 My > > = Yosh + Ma; > = V2 Yosp
-0
2=-V3% 33 2° = V2 uy; ='= 42 WỊ,,
Hằng số chuẩn hoá được xác định từ:
ok ý =pp+nn+S'š +
Mỗi trang thái tham gia với trọng lượng l: Từ trên ta suy ra:
P= 2[ud]u :n= 42[ud]d ;>" = 42[su]u “= 2 [ds]s ; 2° = J2[su]s
=- x3[ud]s >i = V2 [ds]d
I1 ; 30 = [ds]s + [us]d
»
Trang 14Đối với 10 Š hàm trường mô tả các trạng thái của hạt như đã viết trước đây
Wi jaye Luc đó
Ns yy, =uuu
N7 =3, =uud
Đối với các meson, do B = 0 nên chúng phải được tạo thành từ quark và phản quark Phản quark được mô tả bởi Spinơ cơ sở ạt Do đó hàm trường ứng với meson 0 là Spinơ hạng hai một lan phan bat biến và một lần hiệp bién ¢/
với tính chất biến đối
LM¿, đ/]= - 4a o) + 6 4a) = fag 27 2), 2`] Lúc đó: Y=1, I=, K*=¢, K°=¢ + 2 I Y =0, I=1, 1 =¢ m= (6-62) a =; 1 2 Y=0, I=0, 7 =w (0ï +4 -26,) 1 — - Y=-l,I=>, Kh=ứ, K=ú,
2.Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử:
Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các prôtôn và nơtrôn:
Prôtôn (P): là hạt mang điện tích dương về trị số tuyệt đối bằng của êlêctron: 1,6 10””(C) và có khối lượng bằng của hạt nhân nguyên tử Hyđrô
Nơtrơn(n): Là hạt trung hồ về điện có khối lượng lớn hơn của prôtôn một chút
Trang 15
Hạt nhân và các thành phần là các hạt vi mô, tuân theo quy luật lượng tử và không ngừng chuyên động vì vậy hạt nhân khơng có giới hạn rõ ràng
Với một mức độ gần đúng nào đó có thể coi phần lớn khối lượng của hạt nhân
tập trung trong một thể tích hình cầu có bán kính R Trong thực tế nên hiểu kích thước của hạt nhân là kích thước của vùng giới hạn trong đó có tác dụng của lực hạt nhân Liên kết của các nuclêon bị chỉ phối bởi tương tác hạt nhân chúng chuyển động bên trong hạt nhân với vận tốc phi tương đối tính Một
điều cần chú ý là lực hạt nhân không chỉ đơn thuần là lực hút khi hai hạt quá
gần nhau thì chúng xuất hiện tương tác đây Bản chất của lực hạt nhân cho đến nay vẫn còn là vấn đề chưa giả quyết triệt để, tuy nhiên các cơng trình nghiên cứu về lực hạt nhân cho phép rút ra một số tính chất cơ bản của lực hạt nhân:
- Lực hạt nhân có tính chất hút và lớn về giá trị tuyệt đối Năng lượng liên kết do lực hạt nhân tạo ra của mỗi nuclêôn cỡ Mev
- Lực hạt nhân có bán kính tác dụng ngắn cỡ 10m Sự giảm nhanh lực hạt nhân khi tăng khoảng cách và khi r >rạ có thé coi lực hạt nhân khơng cịn tác dụng nữa
- Lực hạt nhân có tính chất bão hồ nghĩa là mỗi nuclêon trong các hạt nhân chỉ tương tác với một số hữu hạn các nuclêon khác của hạt nhân (tính chất này tương tự tính chất liên kết hố trị giữa các nguyên tố hố học) Tính
chất bão hoà của lực hạt nhân cho thấy một điều là tính chất hút của nó sẽ bị
thay đổi khi hai nuclêon tiếp cận với nhau cỡ kích thước của các nuclêon - Lực hạt nhân khơng xun tâm, tính khơng xun tâm ( khơng hồn tồn đối xứng tâm) của lực hạt nhân biểu hiện ở sự tồn tại Mômen tứ cực điện của hạt nhân khác tổng của Mômen từ của prôtôn và nơtron
Trang 16
- Lực hạt nhân phụ thuộc vào SpIn của các nuclêơn Tính toán cho thấy rằng năng lượng tương tác do Spin quỹ đạo gây ra chiếm cỡ 10% toàn bộ năng lượng tương tác hạt nhân
- Lực hạt nhân có tính chất trao đổi Tính chất trao đổi của lực hạt nhân biểu hiện ở sự tồn tại “lưỡng tử” truyền tương tác là các hạt IT - Mêzôn
- Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích của các hạt tham gia tương tác
- Lực hạt nhân bất biến với phép nghịch đảo không gian tức là ở tương
tác hạt nhân có sự bảo tồn chẵn lẻ
Hiện nay chưa có lý thuyết hồn chỉnh có thể giải thích được tất cả các tính chất của lực hạt nhân và giả đáp được tất cả các vấn đề về cấu trúc và tính chất của các hạt nhân nguyên tử Người ta cố gắng dùng các mẫu hạt nhân để giả thích các vấn để ấy Các nhà bác học đã đề xuất khá nhiều mãu
hạt nhân như : mẫu giọt, mẫu lớp, mẫu suy rộng, mẫu quang học Nhưng
không mẫu nào có thê giải thích đầy đủ về hạt nhân Mỗi mẫu dựa trên quan niệm khác nhau và mỗi mẫu đều có thể giải thích được một số két quả của thực nghiệm Tổng hợp lại ta thấy rằng với vai trò bỗ xung cho nhau các mẫu đã đề cập tới tương đối toàn diện các vấn đề về cấu trúc hạt nhân và tính chất của nó Do chương trình hạn chế chúng ta chỉ xét một số mẫu:
e Mẫu giọt:
Trong tất cả các mẫu hạt nhân, mẫu giọt là đơn giản nhất, mẫu giọt do N Bolhr dé ra năm 1936 Mặc đù đơn giản nhưng mẫu giọt được ứng đụng có
kết quả trong việc giải thích nhiều tính chất của hạt nhân và phản ứng hạt
nhân Mẫu giọt xuất phát từ quan điểm cho rằng hạt nhân có thể xem như một giọt chất lỏng không nén được có mật độ lớn (10''g/cm”) Bảng sau đây sẽ cho chúng ta thấy về hình thức có nhiều nét tương đồng giữa tính chất của một giọt chất lỏng và hạt nhân
Trang 17
Giọt chât lỏng Hạt nhân
1 Hình dạng: hình câu Hinh dạng: hình câu
2 Tương tác gần: các phân tử Tương tác gần và cũng có tính trong giọt chỉ tương tác với chất bão hoà
các phân tử gần trong giọt và mang tính chất bão hoà
3 Mật độ phân tử của một giọt Mat độ nucléon không phụ không phụ thuộc vào kích thuộc vào độ lớn của hạt nhân thước của giọt
4 Tén tai strc cang bé mat 4 Tén tai luc bao toan dang 5 Khi tang nang lugng, giot co 5 Khi tăng năng lượng, hạt nhân
giãn và khi nhiệt độ lớn hơn | dao động mạnh hơn và khi lớn hơn nhiệt độ sơi của chất lỏng đó | năng lượng liên kết hạt nhân sẽ phân
giọt sẽ bốc hơi chia
Tuy nhiên chúng ta cũng cần lưu ý tới những nét khác biệt rất cơ bản Ví dụ: lực phân tử là lực của tương tác điện từ còn lực hạt nhân là một loại lực đặc biệt Chuyển động của các phân tử trong giọt có thể mơ tả bằng quan điểm cổ điển còn với các nuclêon mọi tính chất gắn liền với quan điểm lượng tử
Quan niệm xuất phát của mẫu giọt đã dựa trên các dữ kiện thực nghiệm có tính chất đặc trưng của giọt chất lỏng là sự tỷ lệ của thể tích hạt nhân so với số nuclêon
Như vậy, theo quan niệm của mẫu giọt hạt nhân phải là một hệ tương tác mạnh Điều này là đúng vì thực tế lực hạt nhân có cường độ rất lớn Quan niệm này khác căn bản với quan niệm của mâu hạt nhân độc lập Môi nuclêon
Trang 18
trên mặt hạt nhân tương tác với một số nuclêon chịu tương tác với một số nuclêon nằm sâu trong hạt nhân, vì vậy năng lượng liên kết toàn phần giảm một lượng nảo đó tỉ lệ với diện tích mặt của hạt nhân
- Thành công và hạn chế của mẫu giọt:
+ Thành công: đã giải thích được đúng đắn và chính xác các vẫn đề có
liên quan đến năng lượng liên kết và hiện tượng phân chia hạt nhân
+ Hạn chế: không cho giá trị đúng đắn của năng lượng kích thích Khơng giải thích được các cấu trúc tinh vi nội tại trong hạt nhân
e Mẫu lớp:
Các giữ kiện thực nghiệm cho chúng ta kết luận rằng, hạt nhân cũng co cấu tạo lớp và các số Magic ứng với số nuclêon chiếm đầy các lớp và tạo thành các hạt nhân bền vững giống như nguyên tử khí trơ Ta cần khẳng định rằng, khái niệm tồn tai các lớp như thế hoàn toàn mâu thuẫn với quan niệm xem hạt nhân là giọt chất lỏng mà ta sử dụng trong mẫu giọt Nó khơng thể giả thích được hiệu ứng lớp (công thức bán thực nghiệm khơng thê giải thích được các hiên tượng biến đổi bất thường có liên quan tới s6 Magic) trong khi đó việc mô tả các hạt nhân này bằng mẫu lớp lại rất thành công
Đề thấy rõ điều kiện phát sinh của các lớp chiếm đầy trong hạt nhân ta nhắc lại những điều kiện quyết định sự hình thành các lớp êlectron trong nguyên tử Elêctron tạo thành các lớp trong vỏ nguyên tử, chịu tác dụng của trường Culông do hạt nhân gây ra, trường này có thể xem là đối xứng cầu Do tính chất đối xứng cầu của trường, mơmen quỹ đạo của nó là một tích phân chuyển động, ứng với số lượng tử quỹ đạo / Một mức năng lượng có thế tương ứng với các giá trị / khác nhau tức là có hiện tượng suy biến Mặt khác êlectron tuân theo thống kê Fecmi - Dirac nên số éléctron trong mỗi mức năng
lượng là hữu hạn và xác định bởi trạng thái suy biến của các mức Chính điều
đó đã dẫn đến cấu trúc lớp Cần chú ý sự phân loại các êlectron thành lớp kín
Trang 19
theo giá trị mômen quỹ đạo 1 chỉ có thể được khi tương tác Spin — quỹ đạo nhỏ
Đối với hạt nhân các nuclêon cũng tuân theo thống kê Fecmi - Đirắc giống như êlêctron Còn về chuyên động quỹ đạo thì có vẻ vơ lý vì trái với &lêctron các nuclêon tương tác với nhau rất mạnh, chung khơng có một tâm lực chung và quãng đường tự do trung bình của các nuclêơn tính được từ giá trị hiệu đụng rất nhỏ Tuy nhiên như Weisskopf đã chứng tỏ, tương tác giữa các nuclêon rất lớn nhưng va chạm giữa chúng lại rất hiếm vì nếu có va chạm thì một trong hai hạt va chạm phải mất năng lượng và tụt xuống mức thấp hơn Nhưng trong va chạm hạt nhân bình thường khơng bị kích thích, tat ca các mức năng lượng đều bị chiếm đầy theo nguyên lý Pauli không thể nhận thêm nuclêon nữa Do đó quãng đường tự do trung bình của các nuclêon trở thành đủ lớn so với kích thước hạt nhân và ta có thể nói tới chuyển động xác định hay quỹ đạo lượng tử của một hạt riêng biệt
Tương tác giữa hai nuclêôn được mô tả bằng mội hồ thế sâu và hep (lực hạt nhân có cự ly ngắn), một nuclêôn chỉ tương tác với một số nuclêôn khác bên cạnh và mặt khác mật độ nuclêôn trong hatl nhân hầu như không đổi nên nếu cộng các hỗ thế gần nhau lại ta được một hồ thế trung bình diễn tả tương tác giữa một nuclêôn với các nuclêôn khác Một trường như thế gọi là trường tự hợp Thế trung bình biến đổi chậm trong lòng hạt nhân nhưng triệt tiêu rất nhanh trên biên, nghĩa là một nuclêôn chỉ chịu tác dụng của các nuclêôn khác chủ yếu khi nó gần biên hạt nhân, còn trong lòng hạt nhân nó chuyên động tương đối tự do.Có thê giả thiết rằng thế trung bình có dạng đối xứng cầu;mặt khác vì lực hạt nhân khơng phụ thuộc điện tích và rất lớn so với lực Culơnggiữa các prơton nên có thể xem hồ thế trung bình cho prơton và nơtrơn khơng khác nhau, do đó chúng sẽ có cùng số Magíc
Trang 20
Ta có bảng so sánh các đặc điểm dẫn đến cấu tạo lớp đối với nguyên tử và đối với hạt nhân :
Nguyên tử Hạt nhân
I Êlêctron chuyển động hầu như độc lập trong trường thế chung do hạt nhân và bản thân các êlêctron gây
ra
2
định hoá sự phân bố điện tích đối
Hạt nhân là tâm lực chung 6n
xứng cầu trong hệ nên thế đẳng hướng và phân bố mật độ lấy trung bình theo các phương
3 Năng lượng liên kết các êlectron rất khác nhau
4 Liên kếtL-S§
5 Số hạt ứng với lớp đầy:
2,10,18,36,54,86
6 Tương tác giữa các êlêctron: cự ly
xa và đây Trạng thái thuận tiện nhất
về năng lượng có đối xứng khơng gian cực tiểu
7 Trạng thái cơ bản Spin có xu
hướng nhận giá trị lớn nhất
I Nuclêôn chuyển động hầu như độc lập trong trường thế chung đo bản thân các nuclêôn gây ra — hồ thế phẳng và biên tâm gây ra
2 Khơng có tâm lực chung Thế đối xứng cầu chỉ trong trường hợp chiếm
đầy lớp, khi đó phân bố mật độ là
đăng hướng Các nhân khác nói chung không đối xứng cầu
3 Năng lượng liên kết các nuclêon không khác nhau nhiều trừ trường hợp hạt nhân nhẹ
4 Liên kết]—J
5 Số hạt ứng với lớp lấp đầy 2,8,20,50,82,126
6 Tương tác giữa nuclêôn cự ly ngắn và hút Trạng thái thuận tiện
nhất về năng lượng có đối xứng
khơng gian cực tiểu
7 Trạng thái của các nhân chẵn — chẵn I = 0, nhân A lẻ nhận I bằng mômen của nuclêôn đơn lẻ cuối cùng
Trang 21
Kết luận về mẫu lớp: - Thành cơng
+ Tìm được số magiíc
+ Tìm được J7” của hạt nhân: chăn — chẵn, lẻ — lẻ, có A lẻ + Mơ tả được một số trạng thái kích thích thấp
+ Giải thích được sự tỒn tại và phân vùng được các trạng thái đồng phân
- Hạn chế của mẫu lớp:
+ Chưa mô tả được phản ứng hạt nhân
+ Chưa mô tả được cơ chế của quá trình phân chia hạt nhân
+ Một số dữ kiện thực nghiệm của một sỐ thông SỐ ( mômen từ, tỷ số xác suất dịch chuyển giữa điện và từ) chưa trùng khớp với kết qua ly thuyết của mẫu này
Ngoài mẫu giọt, mẫu lớp các nhà vật lý còn đưa ra các mẫu: mẫu suy rộng, mẫu khí Fécmi, mẫu quang học
3.Cấu trúc của phân tử và nguyên tử 3.1.Cầu tạo của nguyên tử
Qua nhiều thí nghiệm Rơdopho và các học trò của mình đã tìm ra mẫu hành tỉnh nguyên tử Tuy nhiên mẫu này đã gặp phải những hạn chế mà với lý thuyết của mình Rơdopho chưa thể giải quyết được Dựa trên những thành công của lý thuyết Planck và Einstein, năm1913 nhà vật lý Bohr đã đề ra một lý thuyết mới về cấu trúc nguyên tử nhằm khắc phục những mâu thuẫn của mẫu hành tinh nguyên tử Thuyết của Bo được phát biểu bằng hai định đề:
- Định đề thứ nhất: nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái đừng có năng lượng xác định và gián đoạn hợp thành một chuỗi các giá trị E¡,Bạ Ea Trong trạng thái dừng, các êlêctrôn không bức xạ năng lượng mà chỉ chuyển
Trang 22
động trên các quỹ đạo tròn gọi là quỹ đạo lượng tử có bán kính thoả mãn điều kiện:
L= mvr=nï
- Định đề thứ hai: nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ khi chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái đừng khác Tần số bức xạ điện từ thoả mãn:
E,—E,|
h
v=
F; va E, là năng lượng ứng với trạng thái đầu và trạng thái cuối
Ta thấy rằng với hai định đề của Bo được thừa nhận sẽ xoá bỏ ngay được mâu thuẫn của mẫu nguyên tử Rơdơpho Nguyên tử luôn luôn bền vững
và quang phổ của nó là quang phơ vạch
Cấu trúc của nguyên tử có thế được mô tả như sau: gồm có hai phần lõi hạt nhân và lớp vỏ êlêctron
+ Hạt nhân:có khối lượng lớn và được coi là đứng yên Hạt nhân của nguyên tố hoá học có số thứ tự là Z trong bảng hệ thống tuần hồn thì sẽ có điện tích là Ze và mang điện dương
+ Lớp vỏ êlêctron: các êlêctron chuyển động trên những quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân Hạt nhân có điện tích là +Ze thì lớp vỏ có Z êlêctron Trên quỹ đạo của mình êlêctron chịu tác dụng của lực hút Culông từ hạt nhân đóng vai trị là lực hướng tâm Bán kính quỹ đạo của êlêctron tăng theo bình phương số nguyên và trên quỹ đạo đừng vận tốc của êlêctron là không đối Điều này đảm bảo cho năng lương là không đổi phù hợp với định đề thứ nhất của Bo
Chúng ta sẽ xét những ví dụ cụ thể về cấu trúc của nguyên tử Hiđrô là
nguyên tử đơn giản nhất vì chỉ có một êlectron duy nhất trên quỹ đạo
Trang 23
Hạt nhân có khối lượng lớn được coi là đứng yên, khi đó các êlectron chuyển động trên các quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân chịu tác đụng của lực hút Culông từ hạt nhân Định luật Niutơn áp dụng cho chuyển động của êlectron là:
Năng lượng của nguyên tử bao gồm động năng của êlectrôn và thế năng tương tác tĩnh điện của bộ hạt nhân — êlectron
2 2 2
Bam ye yale
2 r r
Năng lượng tồn phần có giá trị âm nó thể hiện điều kiên liên kết giữa
các hạt nhân và êlectron đề tạo thành nguyên tử bền vững Sử dụng thêm điều kiện lượng tử của Bo ta sẽ được :
wh
Th =
kme?
Bán kính các quỹ đạo tăng theo bình phương các số nguyên chỉ những quỹ đạo có bán kính thoả mãn công thức trên mới là được phép
Vận tốc tương ứng của êlectron trên mỗi quỹ đạo dừng:
ke?
Vn=——
nh
Vận tốc này tỷ lệ với các số nguyên suy ra khi bán kính quỹ đạo càng lớn thì vận tốc của các électron càng nhỏ và ngược lại
Với các ion tương tự Hiđrô tức là các ion của các nguyên tố chỉ còn lại
một êlectron như He”,Li”” có hạt nhân có điện tích +Ze, điều này dẫn đến kết
quả bán kính quỹ đạo của êlectron sẽ nhỏ hơn Z lần vì nó chịu lực hút từ phía hạt nhân tăng hơn Z lần
Trang 24
Với các nguyên tử phức tạp có nhiều êlectron, các êlectron này sắp xếp
theo một trật tự nhất định tuỳ thuộc vào trạng thái của nguyên tử Êlectron là hạt có Spin bán nguyên nên nó tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli
3.2.Cấu trúc của phân tử :
Trong phần trước ta đã nghiên cứu cấu tạo của hạt nhân của các nguyên tử Các nguyên tử được liên kết lại thành từng nhóm và tạo nên các phân tử Như vậy nảy ra câu hỏi: những lực nào đã giữ các nguyên tử lại với nhau trong phân tử?
Một cách tương đối ta có thể chia các lực hút giữa các nguyên tử trong phân tử thành ba nhóm sau đây: lực Vanđecvan, lưc liên kết ion (hay liên kết
dị cực), liên kết cộng hoá trị (hay lực liên kết đồng cực) Sự phân chia này chỉ
là đại thể với ý nghĩa không phải luôn luôn phân biệt ba loại lực trên với nhau
Các lực Vanđécvan thường rất nhỏ so với lực giữa các nguyên tử trong phân tử Các lực Vanđecvan đóng vai trị chủ yếu để giữ các phân tử chất lỏng với nhau Vì vậy khi nghiên cứu vẫn đề liên kết các nguyên tử trong phân tử ta không cần chú ý đến lực này
Các liên kết ion khơng khác gì các lực hútgiữa những điện tích trái dau Nếu có hai iơn ví dụ Na” và CT thì chúng hút nhau bằng các lực hút tĩnh điện và tạo thành phân tử NaCI Tuy nhiên dựa vào liên kết iôn ta không thể giải thích được cấu tạo của tất cả các phan tir Vi du nếu dựa vào khái niệm liên kết ion ta không thê hiểu tại sao hai nguyên tử Hiđrô trung hoà lại liên kết với
nhau tạo thành phân tử Hiđrơ Điều này chỉ có thể giải thích được bằng các
đặc điểm tương tác trong cơ học lượng tử
Liên kết đồng cực là loại liên kết trong phân tử tạo thành bởi các êlectron góp chung của các nguyên tử Cơ học lượng tử sẽ cho ta cách giải thích sâu sắc bản chất của loại tương tác này Theo cơ học lượng tử bản chất
Trang 25
của liên kết đồng cực như sau: Êlectron trong trường hạt nhân phân tử nằm ở một trạng thái lượng tử xác định Nếu khoảng cách giữa các hạt nhân thay đơi thì trạng thái chun động của các êlectron và năng lượng của nó cũng thay đổi Giữa các hạt nhân có lực đây vì vậy năng lượng tương tác giữa chúng tăng lên khi khoảng cách giảm Tuy nhiên khi khoảng cách giảm nếu năng lượng êlectron giảm nhanh hơn độ tăng năng lượng liên kết hạt nhân thì năng lượng toàn phần giảm xuống khi khoảng cách giảm Điều đó có nghĩa là hệ gồm hai hạt nhân đây nhau và một êlectron có tồn tại những lực có xu hướng làm giảm khoảng cách giữa các hạt nhân nghĩa là có nhữg lực hút tác dụng, chính những lực này gây ra liên kết đồng cực trong phân tử Chúng xuất hiện do sự tổn tại của các êlectrôn chung, nghĩa là do sự trao đổi êlectron giữa các hạt nhân nên những lực này được gọi là những lực trao đổi lượng tử
Đề minh hoạ cụ thé ta hãy xét phân tử Hiđrô gồm hai Proton và hai êlectron là một trong những phân tử đơn giản nhất Rõ ràng là nếu khoảng cách giữa các prơton khơng q lớn thì các hàm sóng của các nguyên tử tạo thành phân tử sẽ phủ lên nhau đáng kể Điều đó có nghĩa là mỗi êlectron thuộc về cả hai
nguyên tử, nghĩa là giữa các nguyên tử có sự trao đối các êlectron Nhờ có xuất hiện lực trao đổi gây ra liên kết đồng cực Phép tính chỉ tiết chứng tỏ rằng, nếu các Spinơ của hai nguyên tử là đối song thì hai ngun tử Hiđrơ hút nhau và tạo thành phân tử Hiđrơ, cịn trong trường hợp các Spinơ của chúng song song thì ở mọi khoảng cách các nguyên tử đều chịu tác dụng của lực đây và không tạo thành phân tử được Bây giờ ta giả sử có một nguyên tử Hiđrô
nữa tiến tới gần phân tử Hiđrô Chúng có thể bắt đầu trao đổi các êlectron
Một câu hỏi được đặt ra là: đo sự trao đối đó lực gì sẽ xuất hiện và có tạo thành một phân tử Hiđrô được không? Như đã nói ở trên, một phân tử
Hiđrơ có hai êlectron với các Spinơ đối song Phân tử Hiđrô và nguyên tử Hiđrô không thể trao đối êlectron với các Spinơ đối song vì rằng như vậy
Trang 26
trong phân tử Hiđrô sẽ có hai êlectrơn với Spinơ song song, điều đó khơng thể được Do đó, giữa phân tử Hiđrô và nguyên tử Hiđrơ chỉ có thể trao đổi các êlectron có Spinơ song song, thế nhưng sự trao đồi này dẫn tới lực đây
Do đó giữa nguyên tử Hiđrô và phân tử Hiđrô xuất hiên lực đây không thể tạo thành một phân tử gồm ba nguyên tử Hiđrô được
4.Cấu trúc vật chất và các trạng thái khác nhau của vật chất:
Như đã nói ở trên, phân tử là phần tử nhỏ nhất còn mang đầy đủ tính
chất của hợp chất ở kích thước vĩ mô chúng ta gặp vật chất tồn tại ở các trạng thái: rắn, lỏng, khí và plasma ở các trạng thái khác nhau các phân tử được
xắp xếp và liên kết theo các chật tự khác nhau Thuyết cấu tạo chất đã được
phát biểu như sau:
+ Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt gọi là phân tử + Các phân tử chuyên động không ngừng
+ Các phân tử chuyên động càng nhanh thì nhiệt độ càng cao
Các hạt cấu tạo nên chất rắn và khí trơ là các nguyên tử, được coi là các phân tử đơn nguyên tử Người ta đã xác định được kích thước và khối lượng của các phân tử của các chất khác nhau Các vật có thể giữ được hình dạng và thể tích của chúng là do giữa các phân tử cấu tạo nên vật, đồng thời có lực hút và lực đây Độ lớn của những lực này phụ thuộc khoảng cách giữa các phân tử Khi khoảng cách giữa các phân tử nhỏ thì lực đây mạnh hơn lực hút, khi khoảng cách giữa các phân tử lớn thì lực hút mạnh hơn lực đây Khi khoảng cách giữa các phân tử rất lớn ( lớn hơn nhiều lần kích thước phân tử ) thì lực tương tác giữa chúng coi như không đáng kể Để hình dung được sự tồn tai đồng thời của lực hút và lực đây phân tử người ta có thể dùng mơ hình sau: coi hai phân tử đứng cạnh nhau như 2 quả cầu, liên kết giữa hai phân tử như lò xo Lò xo bị dãn có xu hướng co lại: tổng hợp lực liên kết phân tử là lực
hút Lò xo bị nén có xu hướng đãn ra: tông hợp lực liên kết phân tử là lực đầy
Trang 27
Lò xo không nén cũng không dãn: các phân tử có khoảng cách sao cho lực hút và lực đây cân bằng nhau Sự khác nhau giữa các trạng thái của chất được giải thích như sau:
- ở thể khí: các phân tử ở xa nhau ( khoảng cách giữa các phân tử lớn gấp hàng chục lần kích thước của chúng ) Lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên các phân tử chuyên động hoàn toàn hỗn loạn Do đó, chất khí khơng
có hình dạng và thể tích xác định Chất khí ln chiếm tồn bộ thé tích của
bình chứa và có thể nén được dễ dàng Khi chuyển động các phân tử khí va chạm vào nhau, va chạm vào thành bình gây nên áp suất của chất khí
- ở thể rắn: các phân tử ở rất gần nhau ( khoảng cách giữa các phân tử chỉ vào cỡ kích thước của chúng ) Lực tương tác giữa các phân tử chất rắn rất mạnh nên giữ được các phân tử này ở các vị trí xác định và làm cho chúng chi có thể đao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này Do đó, các vật
rắn có thé tích và hình dạng riêng xác định Khi các vị trí xác định cân bằng
này được xắp xếp theo một trật tự hình học khơng gian xác định thì chất rắn của chúng ta có cấu trúc tinh thế và được gọi là chat ran kết tinh Ngược lại các vị trí cân bằng xắp xếp một các hỗn độn chúng ta sẽ có chat rắn vơ định hình
- Thể lỏng được coi là chung gian giữa thể khí và thế rắn Lực tương tác giữa các phân tử ở thể lỏng lớn hơn lực tương tác giữa các phân tir 6 thé khí nên giữ được các phân tử không chuyên động phân tán ra xa nhau Nhờ đó, chất lỏng có thê tích riêng xác định Tuy nhiên, lực này chưa đủ lớn như trong chat ran dé giữ các phân tử ở những vị trí xác định Các phân tử ở thể lỏng cũng đao động xung quanh vị trí cân bằng, nhưng những vị trí này khơng
có định mà di chuyển Do đó, chất lỏng khơng có hình dạng riêng mà có hình
dạng của phần bình chứa nó
Trang 28
- Plasma: trong điều kiện nhiệt độ rất cao, có thể lên tới hàng chục triệu
độ như trong lòng mặt trời, vật chất không tồn tại đưới ba trạng thái cấu tạo
chất thường gặp mà tồn tại dưới dạng một trạng thái đặc biệt được gọi là
Plasma Trong trang thai Plasma, vật chat khong ton tại dưới dạng các nguyên tử và phân tử mà dưới dạng các iôn mang điện Trên Trái đất trạng thái Plasma này rất hiểm; tuy nhiên, trong vũ trụ lại có tới trên 99% vật chất đang ton tai dưới dang Plasma
Trang 29
Tổng kết
Như vậy, đến đây chúng ta có thể thay rằng trong thế giới tự nhiên tồn tại bốn loại tương tác: Tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu và
tương tác hấp dẫn với những đặc tính riêng khác nhau Tuy nhiên bốn loại
tương tác luôn tồn tại để cấu thành thế giới vật chất bao la của chúng ta ở cấp độ siêu vi mơ thì tương tác mạnh tương tác yếu và tương tác điện từ đóng vai trò là chủ yếu Còn ở cấp độ vĩ mô thì tương tác hấp dẫn lại bao trùm lên tất cả Như vậy, vật chất và tương tác luôn ton tai cung nhau va co mối quan hệ
mật thiết với nhau Chúng ta có thể thấy điều này qua nhận định sau:
1 Theo quan điểm hiện tại thì quack là thành phần cuối cùng của vật chất Các hạt quark liên kết với nhau dé tạo thành các hạt cơ bản Các Bariôn được cấu tạo từ ba quark, còn các Mêzôn được tạo ra từ một quark và một phản quark Các quark liên kết nhau bởi tương tác mạnh
2 Hạt nhân nguyên tử được tạo nên bởi sự liên kết giữa các hạt prôton va notron Tuy thuộc vào số lượng prôtôn trong hạt nhân chúng ta sẽ có các hạt nhân thuộc các nguyên tố khác nhau Nếu hạt nhân có cùng số prơtơn và khác s6 notron thì chúng được gọi là đồng vị của cùng một nguyên tố Như chúng ta đã biết lực liên kết giữa các nuclêôn gọi là lực hạt nhân, bán kính tác dụng nhỏ nhưng cường độ lại rất lớn Tương tác giữa các hạt nuclêôn trong hạt nhân nguyên tử là tương tác mạnh
3 Nguyên tử được tạo thành bởi hạt nhân nguyên tử và lớp vỏ của nó Lớp vỏ nguyên tử chính là các êlectron chuyên động xung quanh hạt nhân ở
Trang 30
điều kiện bình thường thì nguyên tử trung hoà về điện do đó số prơton luôn
bằng số êlectron các nguyên tử muốn tồn tại bền vững thì các êlectron ở lớp vỏ phải liên kết với hạt nhân Lực liên kết ở đây chính là lực điên từ Do đó, electron và hạt nhân nguyên tử liên kết với nhau chủ yếu bằng tương tác điện
từ
4 Bình thường các nguyên tử rất ít khi tồn tại riêng biệt mà chúng
thường liên kết với nhau để tạo thành phân tử Ví dụ phân tử ơxi (O;) hai
nguyên tử ôxi, phân tử muối (NaCl) gồm hai iôn Na”và CÏ tạo thành Liên kết trong phân tử thường là liên kết iôn hoặc cộng hoá trị
ở thế giới vĩ mô chúng ta thường gặp vật chất tồn tại ở các trạng thái khác nhau ( rắn, lỏng, khí và plasma ).Trạng thái của vật chất được quy định bởi sự xắp xếp và liên kết giữa các nguyên phân tử tạo nên chúng mà trật tự này lại được quy định bởi lực tương tác giữa các hạt
Trang 31
Kết luận
Về cơ bản luận văn đã hoàn thành được nhiệm vụ đặt ra đó là tìm hiểu
được cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác Việc trình bày cấu trúc của
vật chất từ cấp độ các hạt cơ bản tới vật chất ở cấp độ vĩ mô sao cho chặt chẽ dễ hiểu là một việc làm khó song qua đó người làm luận văn đã hệ thống hố được kiến thức của mình bước đầu đem lại cho người đọc có cái nhìn khái quát về bức tranh cấu tạo của thế giới vật chất
Phần cấu trúc của các hạt cơ bản từ các hạt quark là một vấn đề mới của vật lý học hiện đại Loại tương tác chi phối quá trình tạo thành hạt cơ bản này không thể biểu diễn bằng các cơng cụ tốn học thường mà cần phải dùng
đến lý thuyết nhóm đối xứng Vì vậy, để nắm được phần này đòi hỏi độc giả phải có một vốn kiến thức nhất định về lý thuyết nhóm đối xứng mà do điều
kiện luận văn chưa trình bày sâu
Với sự phát triển mạnh mẽ của vật lý lý thuyết chắc chắn trong tương lai khơng xa nữa sẽ tìm ra được nhiều hạt mới và thống nhất được các loại tương tác với nhau Lồi người sẽ có một bức tranh vật chất sẽ được mở rộng đến một chân trời bao la đầy hứa hẹn Chúng ta sẽ hiểu được bản chất các hiện tượng vật lý điễn ra trong tự nhiên từ các hạt vi mô đến các vật thể vĩ
mo
Trang 32
Tài liệu tham khảo
1 Cơ học lượng tử và cấu trúc nguyên tử - (An.Matveen ) - “NXBGD - 1980”
2 Vật lý hạt nhân và hạt cơ bản — ( Đặng Xuân Hải )- “ĐHSPHN II-1987”
3 Cơ học lượng tử - (Tran Thai Hoa ) - “DHSPHN II-1992”
4 Vật lý chât rắn - (Nguyễn Thế Khôi Nguyễn Hữu Mình) - “NXBGD -
1992”
5 Cơ lý thuyết - (Galubeva) - “NXBGD”
6 Vật lý nguyên tử và hạt nhân - (Vũ Thanh Khiết Lê Chân Hùng) - “NXBGD - 1989”