thế giới vật chất từ nguyên tử đến các hạt quac

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ THẾ GIỚI VẬT CHẤT TỪ NGUYÊN TỬ ĐẾN CÁC HẠT QUAC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Ngành: SP VẬT LÝ Giáo viên hướng dẫn: ThS Sinh viên thực hiện: Dương Quốc Chánh Tín Đoàn Thị Thảo Lớp: SP Vật Lý -K36 MSSV: 1100257 Cần Thơ, 2014 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo MỤC LỤC  LỜI CẢM TẠ PHẦN I : MỞ ĐẦU Trang 1.Lý do chọn đề tài.........................................................................................1 2. Mục đích của đề tài ...................................................................................1 3. Mục tiêu của đề tài.................................................................................... 1 4. Giới hạn của đề tài.....................................................................................2 5. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài....................................2 6. Các bước tiến hành.....................................................................................2 PHẦN II : NỘI DUNG Chương I : Các quan điểm về thế giới vật chất 1.1. Bản chất thế giới là vật chất...................................................................3 1.2. Các dạng hạt trong thế giới vật chất .....................................................8 Chương II : Thế giới vi mô của vật chất 2.1. Tổng quan về các hạt vi mô.................................................................. 11 2.2. Các mẫu nguyên tử theo lý thuyết cổ điển............................................ 17 Chương III : Đặc tính của hạt nhân nguyên tử 3.1. Cấu trúc hạt nhân..................................................................................21 3.2. Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân......................................................23 3.3. Các mẫu hạt nhân.................................................................................29 Chương IV : Các hạt cơ bản và những đặc trưng 4.1. Các hạt cơ bản.......................................................................................34 4.2. Đặc trưng của hạt cơ bản......................................................................38 4.3. Mêzôn....................................................................................................42 4.4. Các Hypêron..........................................................................................45 4.5. Số lạ.......................................................................................................47 Chương V: Cấu trúc bên trong các Hadron “các quac và phản quac” 5.1. Tìm hiểu lịch sử về “quac”...................................................................48 5.2. Sự tồn tại của “quac”...........................................................................49 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 5.3. Cấu trúc bên trong các hadron.............................................................50 5.4. Số lượng tử màu (màu của quac).Thuyết sắc động lực học..................53 PHẦN III: KẾT LUẬN Kết luận....................................................................................................................60 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt những năm tháng trên giảng đường đại học. Là nguồn hành trang cho em vững bước vào tương lai. Trân trọng cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín đã hướng dẫn nhiệt tình cho em trong suốt thời gian làm đề tài. Nhân dịp này, xin cảm ơn tất cả bạn bè, luôn sẵn sàng giúp đỡ, đã luôn tạo niềm tin và động lực cho tôi hoàn thành tốt đề tài này. Trân trọng! Ngày 14 tháng 05 năm 2014 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín 0 SVTH: Đoàn Thị Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: - Triết học duy vật biện chứng khẳng định rằng: Bản chất của giới tự nhiên là vật chất. Vật chất tồn tại vĩnh viễn, khách quan và phổ biến trong vũ trụ ở hai dạng “hạt” và “trường”. Thế giới xung quanh ta thật phong phú và đa dạng. Nhưng dù có đa dạng như thế nào đi nữa cũng được gọi chung là vật chất. Vậy thật sự vật chất là gì? Và nó tồn tại ra sao?… luôn thu hút sự quan tâm của cả loài người, của các tôn giáo, của các nhà khoa học, triết học trong tất cả các thời đại. - Riêng thế giới vật chất ở dạng “hạt” với các vấn đề như là cấu trúc bên trong, quá trình vận động trong mỗi loại hạt diễn ra như thế nào… là một đề tài có phạm vi nghiên cứu rộng, sâu, đối tượng nghiên cứu lại gắn liền với thực tiễn. Nó từng là đối tượng nghiên cứu không mệt mỏi của các nhà khoa học. - “Hạt” một vấn đề trăn trở của nhiều nhà khoa học, của nhiều thiên tài từ thời cổ đại cho đến hiện tại đặt ra cho em rất nhiều thắc mắc muốn được giải tỏa. Vì vậy, em quyết định tiến hành đề tài nghiên cứu liên quan đến các hạt cơ bản, với tên đề tài là “Thế giới vật chất từ khái niệm nguyên tử đến các hạt quac”. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI: Nội dung của phần này sẽ nghiên cứu các hạt trong thế giới vi mô. Mỗi dạng hạt có nét đặc thù riêng, nhưng tất cả đều thống nhất về mặt vật chất - đặc trưng về năng lượng và sự cấu thành hạt. Để có thể hệ thống hóa quá trình khám phá vật chất về mặt cấu trúc vật chất. 3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: - Nghiên cứu quá trình hình thành khái niệm nguyên tử trong cơ học cổ điển. - Nghiên cứu quá trình phát triển và các khái niệm mới trong cơ học lượng tử. - Nghiên cứu khái quát một số hạt cơ bản - các đại lượng đặc trưng. - Khám phá hạt quác. 1 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 4. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI: - Thế giới xung quanh ta thật phong phú và đa dạng. Những thành tựu khoa học đã chứng minh rằng các sự vật từ Trái Đất đến các hành tinh xa xôi đều có cấu trúc vật lý, hóa học; được tạo ra từ các phân tử, nguyên tử và các hạt cơ bản, ngoài ra còn các trường vật lý nữa. Câu hỏi đặt ra là phân tử, nguyên tử là gì? Tồn tại ra sao? Nguồn gốc… - Để giải đáp các thắc mắc trên ta sẽ tìm hiểu một cách vắn tắt về mặt cấu trúc vật chất: Từ nguyên tử đến các hạt quác. 5. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: - Thu thập tài liệu ở thư viện khoa, trung tâm học liệu. - Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn. - Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lọc ý hay, cơ bản, sát nội dung đề tài. - Tìm tài liệu qua mạng Internet. 6. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH: - Nhận đề tài. - Sưu tầm tài liệu, tham khảo ý kiến thầy hướng dẫn. - Tiến hành nghiên cứu, chọn lọc, sắp xếp nội dung đề tài. - Lập đề cương cụ thể. - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn. - Tập hợp ý kiến của giáo viên hướng dẫn, tài liệu tham khảo → viết đề tài, đánh máy, nộp bản thảo, chỉnh sửa. - Nộp đề tài cho giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến, chỉnh sửa. - Viết báo cáo, tóm tắt đề tài, tập báo cáo thử. - Nộp đề tài cho hội đồng bảo vệ. - Bảo vệ đề tài. 2 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín 3 SVTH: Đoàn Thị Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo CHƯƠNG I CÁC QUAN ĐIỂM VỀ THẾ GIỚI VẬT CHẤT  Triết học duy vật cho rằng: bản chất của giới tự nhiên là “vật chất”; vật chất gắn liền với vận động. Vật lý học cho rằng có thể tìm hiểu được bản chất thế giới tự nhiên. Bức tranh vật lý về thế giới là sự tổng hợp các tư tưởng và khái niệm của vật lý học và triết học. Cho nên, mặc dù vào thế kỷ XVI, Vật lý học đã tách khỏi triết học và trở thành một ngành khoa học độc lập nhưng vẫn có mối liên hệ khắng khít với triết học và cùng nhau phát triển. 1.1. Bản chất thế giới là vật chất. 1.1.1. Vật chất là gì? “Vật chất” là một trong những phạm trù cơ bản, là nền tảng của chủ nghĩa duy vật. Nó chứa đựng nội dung thế giới quan và phương pháp luận rất sâu sắc. Vật chất với tư cách là một phạm trù triết học; ra đời trong triết học Hy lạp cổ đại. Từ khi xuất hiện, phạm trù này là nguyên nhân chính dẫn đến những cuộc đấu tranh không khoan nhượng giữa chủ nghĩa duy vật và chủ nghĩa duy tâm. Theo chủ nghĩa duy vật: vật chất là cơ sở đầu tiên, bất biến của tất cả các sự vật, hiện tượng tồn tại trong thế giới khách quan. Quan điểm này có ý nghĩa rất lớn trong việc chống lại chủ nghĩa duy tâm, xem tinh thần và ý thức là cơ sở đầu tiên của mọi sự tồn tại.Cuộc đấu tranh này diễn ra không ngừng; nhưng cuối cùng, thì sự thật vẫn hiển nhiên đã được khẳng định trong lịch sử nhân loại. Theo các nhà duy vật cổ xưa vật chất mang tính trực quan cảm tính; vì họ đã đồng nhất vật chất với những vật cụ thể như: đất, nước, lửa, không khí,…Và đỉnh cao của chủ nghĩa duy vật cổ đại về vật chất thuộc về các nhà “ nguyên tử luận ” Lơkipơ và Đêmôcrit. Các ông đều thừa nhận có hai cơ sở đầu tiên của mọi tồn tại, đó là nguyên tử và trống rỗng; và cho rằng: sự đa dạng của thế giới phụ thuộc vào sự liên hợp khác nhau của các nguyên tử - tức là hạt vật chất nhỏ bé nhất không thể phân chia. Đó là nội dung của thuyết nguyên tử luận cổ đại; tuy nó không thoát khỏi những mặt hạn chế chung của lịch sử lúc đó, nhưng sự tồn tại hiện thực của nguyên tử nói riêng là hết sức 3 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo to lớn. Chính nhờ những nền móng đầu tiên này mà Galilê, Đêcac, Newton đã tiếp tục khẳng định và phát triển hơn nữa. Tuy nhiên, vì không hiểu phép biện chứng duy vật, họ đã đồng nhất vật chất với nguyên tử; hoặc vật chất với khối lượng do niềm tin tuyệt đối vào tính đúng đắn của cơ học Newton. Đến cuối thế kỷ XIX – đầu thế kỷ XX, những phát minh quan trọng mới trong khoa học tự nhiên, đã đem lại cho con người những hiểu biết cơ bản hơn và sâu sắc hơn về cấu trúc vật chất. Vào năm 1895, Rơnghen phát hiện ra tia X, một loại sóng điện từ có bước sóng từ 10 2 cm đến 10 6 cm. Năm 1896, Becoren phát hiện ra hiện tượng phóng xạ. Hiện tượng này đã chứng tỏ nguyên tử không phải là bất biến mà có thể phân chia được nữa. Năm 1897, Thomson phát hiện ra điện tử - điện tử là một trong những yếu tố tạo nên nguyên tử. Phát minh này nói lên rằng: nguyên tử không phải là đơn vị cuối cùng tạo nên thế giới vật chất. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Năm 1901, Kauphman đã chứng minh được khối lượng của điện tử không phải là khối lượng tĩnh mà là khối lượng thay đổi theo tốc độ vận động của điện tử. Như vậy, việc phát minh ra trường điện từ và các điện tử đã bác bỏ quan điểm siêu hình về vật chất. Đây là mãnh đất mà chủ nghĩa duy tâm lợi dụng và cho rằng: “Vật chất sẽ tiêu tan mất”. Theo quan điểm xuyên tạc này thì toàn bộ nền tảng của chủ nghĩa duy vật đã bị sụp đổ. Khi đó, V.I.Lênin trên cơ sở phân tích sâu sắc cuộc khủng hoảng Vật lý học, đã phê phán những quan điểm xuyên tạc của chủ nghĩa duy tâm: “không phải là vật chất tiêu tan mất, mà chỉ có nhận thức của con người về vật chất là tiêu tan; nghĩa là: cái mất đi không phải là vật chất mà chỉ có nhận thức của con người chưa nhìn thấy nó mà thôi”. Đồng thời, ông đã đưa ra một định nghĩa toàn diện, sâu sắc và khoa học về phạm trù vật chất, một phạm trù rộng đến cùng cực, rộng nhất, mà cho đến nay, thực ra nhận thức luận chưa vượt quá được. Đó là định nghĩa phạm trù vật chất của Lênin: “Vật chất là phạm trù triết học, dùng để chỉ “thực tại khách quan” được đem lại cho con người trong cảm giác, được cảm giác của chúng ta chép lại, chụp lại, phản ánh và tồn tại không lệ thuộc vào cảm giác”. 4 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Với định nghĩa này, Lênin đã khẳng định: vật chất không có nghĩa gì khác hơn là “thực tại khách quan tồn tại độc lập với ý thức của con người và được ý thức của con người phản ánh”. Nghĩa là, đó là cái tồn tại độc lập với loài người và cảm giác của con người. Hay nói khác hơn, sự tồn tại khách quan ở bên ngoài ý thức. Và tất cả những sự tồn tại đó đều thuộc phạm trù vật chất. Thuộc tính này đã thể hiện lập trường chủ nghĩa duy vật: vật chất có trước, ý thức có sau; vật chất là nguồn gốc khách quan của cảm giác, ý thức; cảm giác ý thức của con người là sự phản ánh hiện thực khách quan. Rõ ràng, Lênin đã thừa nhận rằng: trong nhận thức luận, vật chất là tính thứ nhất, là nguồn gốc của cảm giác, ý thức. Và khi khẳng định vật chất là cái được cảm giác của chúng ta chép lại, chụp lại, phản ánh, thì Lênin cũng đã nhấn mạnh rằng: bằng những phương thức nhận thức khác nhau: chép lại, chụp lại,… con người có thể nhận thức được thế giới vật chất, với mục tiêu: tìm hiểu, khám phá và quyết tâm chinh phục chúng nhằm phục vụ đắc lực cho đời sống nhân loại. Như vậy, định nghĩa của Lênin về vật chất đã chống lại các quan điểm của chủ nghĩa duy tâm và đã khắc phục được những khuyết điểm trong các quan điểm siêu hình – máy móc về vật chất. Vì như thế, vật chất phải được hiểu là tất cả những gì tồn tại khách quan bên ngoài ý thức, bất kể sự tồn tại ấy con người đã nhận thức được hay chưa nhận thức được. Thế mới biết, định nghĩa về phạm trù vật chất của Lênin “rộng đến cùng cực”, rộng nhất trong các phạm trù là như thế nào. Ngoài ra, sự khái quát các thành tựu của khoa học tự nhiên, định nghĩa vật chất của Lênin có vai trò định hướng cho sự phát triển của nhận thức khoa học trong việc tìm kiếm, phát hiện ra những dạng, những hình thức mới của vật thể trong thế giới, đưa vật lý học sang một bước phát triển mới. Điển hình, tháng 9 năm 1995, tại trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN), dựa trên lý thuyết về phản hạt, các nhà khoa học đã tiến hành một cuộc thực nghiệm và đã tìm ra được 9 phản nguyên tử đầu tiên. Tới đây, những thực thể khách quan tồn tại trên lý thuyết đã có từ lâu được khẳng định bằng thực nghiệm, bằng những phương tiện hiện đại mà chính con người đã tạo ra để nhận thức một cách sâu sắc hơn những kết cấu phức tạp của thế giới vật chất. Với những phát minh quan trọng này, loài người đã có thêm cơ sở khoa học đáng tin cậy để khẳng định giá trị to lớn của vật chất trong định nghĩa của Lênin. 5 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Tóm lại: Vật lý học thừa nhận ý kiến của Lênin về vật chất. Vật lý học lấy “vật chất” làm đối tượng nghiên cứu của mình, với hai phạm trù: thành phần cấu tạo và quá trình vận động của thế giới vật chất. 1.1.2. Tổng quan thế giới vật chất trong vật lý. Trong tự nhiên, có hai dạng vật chất cơ bản, đó là “hạt”(hay còn gọi là “chất”) và “trường”. “Hạt” là cái gián đoạn, được tạo ra từ “chất liệu”, có một khối lượng nào đó, bắt đầu từ hạt vi mô có cấu trúc nhỏ nhất như: điện tử, đến hạt vĩ mô xung quanh ta… cho tới những thiên thể cực kỳ lớn (đại vĩ mô trong vũ trụ). Trước kia, các nhà duy vật cổ đại cho rằng: nguyên tử là đơn vị cuối cùng của vật chất, không thể phân chia được nữa, thì ngày nay, nhân loại đã thừa nhận: nguyên tử có kết cấu phức tạp, được cấu thành từ các hạt cơ bản như prôton, nơtron tạo thành hạt nhân, bên ngoài còn có các electron quay xung quanh hạt nhân với tốc độ cao. Ngày nay, khoa học còn phát hiện thêm các hạt cơ bản khác như: các mêzon, hypêron, nơtrino. Chúng tồn tại cả trong nguyên tử, cả trong trạng thái plasma, tự do như trong các tia vũ trụ. Và người ta đã tìm ra các phản hạt như: pôzitron, phản prôton… có điện tích trái dấu. Nói chung, các hạt cơ bản (có cả phôton) đều có lưỡng tính sóng – hạt, có khối lượng và điện tích xác định. Đây là những thành phần cơ bản, chủ yếu nhất để cấu thành thế giới vật chất. Ngoài ra có thể nói vật chất – trong giới tự nhiên, đều được tạo thành từ các “hạt”, các hạt đó sắp xếp theo một trật tự nhất định và luôn luôn vận động, biến đổi. Vậy, các hạt trong tự nhiên vận động và tương tác được với nhau là do đâu? Các nhà khoa học đã tìm ra được bản chất của sự tương tác đó gọi là “trường”. Trường là một môi trường đồng chất liên tục, không có khối lượng tĩnh như: trường hấp dẫn, trường điện từ, trường hạt nhân…Trường làm cho các hạt liên kết với nhau, tác động với nhau mà nhờ đó chúng mới tồn tại được. Song, ranh giới giữa “hạt” và “trường” chỉ có tính tương đối, vì chúng có thể bổ sung chuyển hóa với nhau để tạo nên vật chất. Và điều này đã tạo nên sự thống nhất hài hòa trong toàn bộ các cấp độ tổ chức vật chất từ các hạt vĩ vô đến các hạt vi mô. Từ “hạt” được sử dụng theo ngôn ngữ vật lý học. 6 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Vật lý học, bằng phương pháp thực nghiệm, cả phương pháp tiên đề, đã lấy “thế giới vật chất” làm đối tượng nghiên cứu và nhận ra rằng: bất cứ vật thể nào, bất cứ ở đâu trong vũ trụ - từ ngôi sao xa xôi nhất trên bầu trời cho đến hạt bụi nhỏ bé nhất – đều được tạo thành bởi vật chất dưới nhiều dạng khác nhau. Vì thế, mọi vật thể đều thống nhất ở bản chất vật chất đó. Mỗi sự vật hiện tượng đều tiềm ẩn bên trong một sự vận động và biến đổi không ngừng của các hạt cấu thành chúng – đó là cái tuyệt đối, dẫu vật thể đó có đứng yên tương đối. Điều này đã được vật lý học tìm hiểu, mô tả, luận giải và xem đây là quy luật cơ bản, là nguồn gốc của sự phát triển. Vì vậy, vật lý học đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn, sâu sắc; nó mở ra kỷ nguyên mới cho việc nghiên cứu về bản chất, cấu trúc…của vật chất từ bên trong đến bên ngoài của những vật thể nhỏ nhất đến các vật siêu vĩ mô trong vũ trụ. Ngày nay, dựa vào bản chất và tính chất của giới tự nhiên, vật lý học cho rằng: thế giới vật chất tồn tại trong tự nhiên một cách khách quan và gồm có hai dạng cụ thể: “hạt” và “trường” ( hay còn gọi là “chất” và “trường”). Bởi, người ta quan niệm rằng: trong tự nhiên, cái gì có mang một đặc trưng chính yếu là “năng lượng” thì đó là vật chất. Hạt và trường đều có mang năng lượng nên chúng phải là hai dạng của vật chất. Những vật thể có cấu trúc dù đơn giản hay phức tạp đến đâu cũng được tạo nên từ các hạt như: prôton, nơtron,…và để có sự liên kết, tương tác giữa chúng với nhau phải nhờ vào một môi trường vật chất đặc biệt – gọi là trường. Trường là khái niệm mới, với đặc tính là một thực thể liên tục trong không gian, có dự trữ năng lượng và truyền được sóng điện từ. Theo quan điểm cổ điển, hạt và trường có những tính chất rất khác nhau, một bên mang tính gián đoạn, một bên liên tục trong không gian; một bên chuyển động với tốc độ thấp, một bên truyền sóng điện từ với tốc độ lớn. Hạt có khối lượng, còn trường thì không. Hạt tập trung ở một thể tích xác định, còn trường thì tồn tại liên tục xung quanh hạt. Giữa hạt và trường có một sự thống nhất chung là chúng đều mang năng lượng và cả hai luôn tồn tại gắn bó với nhau. 7 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 1.2. Các dạng hạt trong thế giới vật chất. Vật lý học đã trải qua một quá trình nhận thức với bao thăng trầm, với bao biến đổi về các vật thể trong tự nhiên. Điểm xuất phát đầu tiên là “nguyên tử luận” của Đêmôcrit – đã trở thành cơ sở tự nhiên của khoa học hiện nay. Tiếp theo đó, sau khi hình thành những tri thức ban đầu về cơ học, Newton đã đưa ra các định luật mang tên mình. Các định luật này nghiên cứu chủ yếu là các vật thể xung quanh chúng ta (hạt vĩ mô). Và phải trải qua hơn 200 năm sau, con người mới nhận ra: các định luật đó không phải là phổ biến mà phải hoàn chỉnh hơn để áp dụng cho các hạt vi mô và các hạt chuyển động với tốc độ lớn (v ≈ c). Điều này cho thấy con người đang tiến dần vào thế giới “vi mô” bên trong vật chất, trong nguyên tử,…và cả vũ trụ cao xa. Thế là, thuyết tương đối của Anhxtanh ra đời. Như vậy, tri thức vật lý học, cũng như mọi khoa học khác, là kết quả của một quá trình tiến lên từ cái chưa biết đến cái đã biết, từ chưa hoàn chỉnh đến hoàn chỉnh hơn. Các thực thể trong tự nhiên (các hạt vật chất) cũng không thoát khỏi quá trình vận động như thế của con người để đi đến kết luận: các vật dù rất lớn (siêu vĩ mô) đến các hạt rất nhỏ (vi mô) đều được cấu thành từ các hạt cơ bản và sắp xếp theo một cấu trúc nhất định bên trong nó. Điều đó chứng tỏ thế giới hạt rất phong phú, đa dạng, vô tận cùng với sự vô tận của giới tự nhiên. Các vật thể (hạt) trong vũ trụ này, dù gần hay xa, dù nhỏ hay lớn, đều có một đặc trưng chung là: thể tích (V). Mỗi vật đều chiếm riêng cho nó một phần “không gian” cố định, hay trôi nổi. Dưới hình dạng khác nhau, các vật thể mang trong nó một kích thước nhất định: hoặc lớn, hoặc nhỏ, hoặc rất nhỏ…; song, thể tích của chúng luôn khác không. Như vậy, ta có thể thấy: có 3 tiêu chuẩn để nhận biết vật chất ở dạng “hạt”: năng lượng ( E tp ); thể tích (V) và khối lượng (m). Tất cả các loại hạt khác nhau đều có một thứ chung: đó là khối lượng. Khối lượng là một trong số các đại lượng cơ bản đặc trưng cho vật và là lượng vật chất có trong bất cứ một vật nào. Thật ra, khái niệm khối lượng cũng rất phức tạp và có nhiều quan điểm rất khác nhau. Trong vật lý cổ điển, Đêcac coi rằng: vũ trụ chứa đầy vật chất (không có chỗ nào trống rỗng) và như vậy, thể tích của vật xác định khối lượng vật chất chứa trong vật. Newton cho rằng: vũ 8 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo trụ gồm các nguyên tử chuyển động trong không gian trống rỗng. Vì vậy, lượng vật chất chính là số lượng nguyên tử. Từ một phía khoa học nào đó, ta thấy khối lượng có hai ý nghĩa riêng biệt và nhìn bề ngoài tưởng chúng không có gì liên quan với nhau: +Ý nghĩa thứ nhất: là khối lượng quán tính: nó diễn tả “sức ì” của vật chất khi bắt đầu chuyển động; hay nói tổng quát hơn, là sức cản chống lại tác dụng của lực gây ra sự thay đổi vận tốc của vật. Khối lượng quán tính không phải là đại lượng bất biến. Bởi theo thuyết tương đối hẹp, khối lượng quán tính phụ thuộc vào năng lượng của hạt, mà năng lượng là một hàm của vận tốc. Do đó, khối lượng phụ thuộc vào hệ quy chiếu, vào nơi được đo. Mặt khác, khối lượng là một dạng năng lượng của vật chất. Công thức E= m0 c 2 của Anhxtanh diễn tả mối quan hệ giữa năng lượng và khối lượng, trong đó: m0 là khối lượng tĩnh – khối lượng không phụ thuộc vào hệ quy chiếu. +Ý nghĩa thứ hai: là khối lượng hấp dẫn: nó dùng để xác định tác dụng của vật này lên vật khác thông qua lực hấp dẫn. Anhxtanh đã phát hiện sự đồng nhất giữa khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn. Và nguyên lý tương ứng của ông đã trở thành xuất phát điểm cho thuyết tương đối tổng quát (ra đời năm 1915). Theo thuyết này, nguyên nhân của sự bằng nhau của hai khối lượng này là sự có mặt của khối lượng m nằm tách biệt trong vũ trụ (do lực quán tính và trọng lực có liên quan với nhau). Và người ta đã dùng sự tương đương của hai khối lượng này để giải thích trạng thái không trọng lượng trên các con tàu vũ trụ. Căn cứ vào ba đặc trưng cơ bản của “hạt vật chất” nói trên, người ta chia vật chất ở dạng hạt làm ba loại: hạt vi mô, hạt vĩ mô, hạt siêu vĩ mô (đại vĩ mô) trong vũ trụ. Thực tế, thế giới vĩ mô bao gồm cả thế giới thô đại, chúng bao gồm các hạt vĩ mô có kích thước khối lượng lớn, nhỏ rất khác nhau và chúng đều mang một năng lượng xác định nào đó. Thế giới vĩ mô thuộc về một phần của thế giới về các vật ở tầm gần hoặc tầm xa…mà vật lý học gọi chung là hạt vĩ mô (vĩ mô và siêu vĩ mô). Kích thước giới hạn giữa các hạt vi mô và vĩ mô là a0  10 8 cm. Nghĩa là, các hạt vĩ mô là các vật thể có kích thước lớn hơn 10 8 cm, và nếu có những vật thể có kích thước nhỏ hơn hay bằng 10 8 cm được xem là những vật thể vi mô (hạt vi mô). Do đó, hạt vĩ mô là hạt rất 9 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo phổ biến trong vũ trụ.Chúng tồn tại với nhiều hình thức và nhiều kích cỡ khác nhau, trong đó có hạt rất to (thể tích cực lớn) như: Mặt trời, các hành tinh, thiên thể,…; có hạt to trung bình như: con người, cây cỏ…; có hạt nhỏ như: hạt cát, hạt bụi…Bên cạnh đó còn những hạt vô cùng nhỏ mà mắt ta không nhìn thấy được như: virus, vi khuẩn, tế bào,…Cho dù chúng to hay nhỏ đến mức nào đi nữa, nhưng vẫn nằm trong kích thước của hạt vĩ mô đều trở thành những hạt trong thế giới vĩ mô. Nói như vậy, là vật lý học đã căn cứ vào một tiêu chuẩn chung của chúng: đó là các hạt vĩ mô, cùng hoạt động trong giới tự nhiên theo những hình thức giống nhau (vận động) và tất cả chúng đều được cấu tạo từ các “phân tử” cùng loại hay khác loại. Vấn đề đặt ra là: “Phân tử là gì?” Trong nhiều chất, phân tử là sự hợp thành của hai hay nhiều nguyên tử, nói khác hơn là một nhóm nguyên tử. Ví dụ: phân tử Oxi ( O 2 ) do hai nguyên tử Oxi tạo thành. Và phân tử lại là đơn vị cấu thành vật chất trong hệ vĩ mô và nó giữ nguyên mọi tính chất của vật chất. Ví dụ như: khí Oxi trong bình cũng có mọi tính chất của phân tử Oxi, một thỏi vàng cũng có tính chất như phân tử vàng… Tóm lại, vật lý học cổ điển (cơ học Newton) là các kiến thức ban đầu về giới tự nhiên, đều liên quan đến các đối tượng vật chất xung quanh ta. Đó là các “vật vĩ mô”, hay còn gọi là hệ vĩ mô, hạt vĩ mô…Ba cách gọi này đều có chung một ý nghĩa vật lý; đều nhằm chỉ những vật thể trong vũ trụ có kích thước lớn hơn kích thước giới hạn giữa vật thể vĩ mô và vi mô ( a0  10 8 cm). 10 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo CHƯƠNG II THẾ GIỚI VI MÔ CỦA VẬT CHẤT  2.1. Tổng quan về các hạt vi mô. Thế giới vĩ mô và thế giới vi mô là hai lĩnh vực đặc thù của thế giới thực tại khách quan, khác nhau về mức độ cấu trúc của vật chất. Từ những vật vô cùng lớn đến những vật vô cùng nhỏ, chúng ta có thể nhìn thấy đến chúng ta không thể nhìn thấy…Tất cả chúng được cấu tạo từ đâu? Có cấu trúc và kích thước ra sao? Để trả lời câu hỏi này các nhà khoa học đã tấn công vào bên trong của vật thể, đi vào một thế giới vô cùng nhỏ- thế giới vi mô. Những bước chân đầu tiên chạm vào thế giới vi mô để tìm hiểu về cấu trúc vật chất đã có từ xa xưa. Đầu tiên, là các nhà triết học Hy lạp cổ đại, các ông cho rằng: tất cả đều được cấu tạo từ bốn yếu tố: đất, nước, lửa, không khí. Bên cạnh đó các nhà triết học Trung Quốc cho rằng: thế giới vật chất được cấu tạo từ năm yếu tố: kim, mộc, thủy, hỏa, thổ. Không lâu sau, một quan điểm khác xuất hiện – quan điểm “Nguyên tử luận” của Đêmôcrit. Cấu trúc vật chất được mô tả trong thuyết này có nội dung như sau: “Mọi vật thể trong tự nhiên, được cấu thành từ những hạt nhỏ bé, nguyên vẹn và không thể phân chia được nữa, gọi là “nguyên tử”. Các nguyên tử về bản chất đều như nhau; chỉ khác nhau ở kích thước. Giữa các nguyên tử trong phân tử là chân không”. “Nguyên tử luận” của Đêmôcrit là phù hợp với quan điểm duy vật. Song, lại vấp phải nhiều sự chống đối mà nỗi bật là nhà triết học vĩ đại Arixtôt đã hoàn toàn phủ nhận nguyên tử luận. Theo Arixtôt, chân không là một cái gì không chấp nhận được, mà nguyên tử luận của Đêmôcrit cần phải có chân không. Bằng uy tín to lớn của mình thì Arixtôt đã làm chậm sự phát triển của “Nguyên tử luận” trong nhiều thế kỷ. Mặc dù vậy, giả thiết này vẫn là quan điểm chủ đạo kéo dài khoảng hai ngìn năm sau. Tuy nhiên, nó chỉ là một “triết lý” chứ chưa phải là một “chân lý khoa học”. Bởi lẽ, nguyên tử muốn được công nhận là hạt vật chất thì phải “cân, đo, đong, đếm” được; thuở ấy, ta chưa làm được điều này với nguyên tử. 11 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Đến thế kỷ XIX, vật lý học thực nghiệm đã tạo điều kiện để thực hiện điều này; và người ta đã xem nguyên tử là thành phần cấu tạo nên vật chất. Kể từ đó, tri thức con người đã có những bước tiến đáng kể trong việc đi sâu vào thế giới vi mô; tìm hiểu cấu trúc bên trong vật chất và nó đã trở thành xu hướng phát triển chung của Vật lý học. Sau đó, người ta lại phát hiện ra: prôton và nơtron tạo thành hạt nhân và các electron (điện tử) chuyển động bên ngoài hạt nhân. Rõ ràng, nguyên tử có thể phân chia. Mặt khác, ta thấy rằng: chuyển động của nguyên tử, hạt nhân, electron…lại tuân theo những định luật khác với những định luật cơ học của Newton. Vì vậy, người ta phải thiết lập những định luật mới, chi phối các chuyển động của các hạt vi mô. Lý thuyết đó mang tên là “Cơ học lượng tử”, cơ học của các hạt vi mô. Để mô tả tính chất vận động và tương tác của các hạt vi mô, người ta vẫn dựa trên những nguyên lý chủ đạo của cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối. Như là, các hạt này sẽ chuyển động theo phương trình Schodingrơ trong cơ học lượng tử: ( 2 2 ˆ   V )  E 2m *Trong đó:  là hàm sóng, mô tả trạng thái của hạt. E là trị riêng của toán tử Halmiton, biểu diễn năng lượng của hạt. Đối với các hạt cơ bản, các định luật bảo toàn như: năng lượng, xung lượng, điện tích, số khối,…đều được nghiệm đúng. Còn các đại lượng như: thời gian, vận tốc, …là những đại lượng tương đối tính và tuân theo nguyên lý bất định Heisenberg. Theo nguyên lý này thì không thể nào biết chính xác đồng thời vị trí và vận tốc của một đối tượng vi mô. Khi ta xác định chính xác một trong hai đại lượng thì sai số ở đại lượng kia sẽ lớn. Đó là một tính chất đặc thù của hạt vi mô trong thế giới lượng tử mà cuộc sống hằng ngày của ta không có hoặc không thấy. Hạt vi mô còn một đặc tính riêng khác nữa, đó là lưỡng tính sóng – hạt. Cách đây hơn ba thế kỷ, khi nghiên cứu hạt phôton, Newton cho rằng ánh sáng là hạt, trong khi Huyghen cho rằng ánh sáng là sóng. Nhưng cuối cùng, kết hợp giữa thí nghiệm Young và hiệu ứng quang điện, Planck khẳng định: ánh sáng vừa có tính sóng 12 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo vừa có tính hạt. Lượng tử ánh sáng này chính là cách gọi khác của phôton hiện nay. Năm 1923, nhà vật lý Pháp Đơbrơi (de Broglie) đã đi xa hơn nữa khi ông nêu lên: tính chất hai mặt sóng – hạt đó không chỉ có ở phôton mà còn có ở tất cả các hạt vật chất. Theo ông, hệ thức E  mc 2 liên hệ giữa năng lượng và khối lượng, lượng ánh sáng lại liên hệ năng lượng với tần sóng (   h ). Phối hợp chúng lại với nhau, ta có: khối lượng của hạt (thể hiện tính hạt) cũng có yếu tố sóng – bước sóng qua hệ thức:  h h  mc p Ý tưởng này đã đóng góp đáng kể vào việc xây dựng môn cơ học lượng tử. Theo ông, tất cả các hạt vi mô đều có lưỡng tính sóng hạt và tùy trường hợp mà chúng biểu hiện những tính chất của sóng hay của hạt. Giai đoạn kế tiếp là quá trình nghiên cứu các hạt nhỏ cấu tạo nên nguyên tử và những hạt cùng cấp. Các hạt này có nhiều tính chất đặc biệt, khó nhận biết trong tự nhiên. Và đã trở thành đề tài nghiên cứu chính, không mệt mỏi của các nhà vật lý hiện đại, với tên gọi là “Vật lý hạt cơ bản” hay “ Vật lý hạt sơ cấp”. Vì vậy, từ thế kỷ XIX, những bước chân đi vào cấu trúc bên trong của vật thể (thế giới vi mô) không còn cô độc nữa, không còn âm thầm và lặng lẽ nữa mà đã trở nên tấp nập nhộn nhịp hơn. Bởi lẽ, đây là một đối tượng nghiên cứu rộng, sâu và bí hiểm. Và ta có thể nói: thế giới của các nguyên tử, hạt nhân, hạt hạ nguyên tử,…gọi chung là thế giới các hạt vi mô. Và cả thế giới vi mô đều mang những đặc tính lượng tử. 2.1.1. Phân tử và nguyên tử là hạt cơ bản. Khái niệm về vật chất là tổ hợp của những đơn vị rời rạc và không thể chia nhỏ hơn đã xuất hiện từ nhiều thiên niên kỷ. Các nhà triết học cổ đại Hy Lạp và Ấn Độ đã nhắc tới khái niệm nguyên tử. Nguyên tử luận đầu tiên đã được nhà triết học Hy Lạp Lơkipo nêu lên đầu tiên, từ 500 năm trước công nguyên. Theo ông: “có thể chia không gian thành từng khu vực giới hạn. Giới hạn cuối cùng, không thể phân chia nhỏ hơn nữa, có chứa vật chất là “nguyên tử”. Theo ngôn ngữ hiện đại: “nguyên tử” là hạt cơ bản “ cấu thành thế giới vật chất”. Tuy nhiên, thuyết nguyên tử của ông đã bị các triết gia có uy tín lớn thuộc các thế hệ sau bác bỏ. Đặc biệt, Arixtôt cho rằng: Không gian chứa đầy vật chất (phân 13 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo bố liên tục), không hề có chân không (làm gián đoạn). Có như thế, thì tương tác giữa các vật thể mới thực hiện được. Khoảng giai đoạn 450 TCN, Đêmôcrít đưa ra thuật ngữ átomos lấy từ tiếng Hy Lạp: “atomos”, ghép từ “a” ngĩa là “không” và “temno” là “chia”, “cắt” có nghĩa là "không thể cắt được" hay "hạt vô hình nhỏ nhất của vật chất". Theo ông: “Vật chất, xét đến cùng, là do các “nguyên tử” tạo thành. Nguyên tử chuyển động không ngừng trong chân không. Nó được tạo thành từ một chất cơ sở như nhau; tồn tại vĩnh viễn; không thay đổi, không thể phá huỷ, không nhìn thấy và sờ mó trực tiếp. Chúng chỉ khác nhau về kích thước và hình dạng”. Êpicua và Lucrêxơ ở La Mã, nhiệt thành ủng hộ nguyên tử luận Đêmôcrít. Cuộc tranh luận giữa hai quan điểm: “liên tục” hay “gián đoạn”, về cấu tạo thế giới vật chất kéo dài gần 20 thế kỷ. Học thuyết của Đêmôcrít là học thuyết tiến bộ nhất của thời cổ đại. Nó có tính chất di vật sơ khai. Cho đến thời kỳ phục hưng, dần dà, người ta có thiên về “nguyên tử luận Đêmôcrít” nhưng do trình độ khoa học, kỹ thuật lúc bấy giờ còn rất thấp, hơn nữa, lý luận đôi bên cũng chỉ là những suy tư thuần tuý về giới tự nhiên. Chưa có một thí nghiệm nào để chứng minh đúng hay sai. Nguyên tử luận Đêmôcrít vẫn chưa phải một lý thuyết khoa học. Muốn trở thành một lý thuyết khoa học, thì nó phải được thực nghiệm chứng minh, xác nhận. Từ lý thuyết ấy, có thể suy ra các “hệ quả” mà thực nghiệm có thể đo đạc để kiểm tra. Ở thế kỷ 17, rất nhiều nhà vật lý đã đồng tình và nhắc nhở đến thuyết nguyên tử như: Galilê, Newton, Gát – xenđi, Húc, Bécnuli, Lômônôxốp….Tuy nhiên, những điều bổ sung của họ chưa đủ để nguyên tử luận Đêmôcrít được xem là một thuyết khoa học. 2.1.2. Phân tử cấu tạo từ nguyên tử Một điều chắc chắn rằng: Các vật thể vĩ mô được cấu tạo từ những hạt rất nhỏ gọi là “phân tử”. Giả sử, khi tay chúng ta cầm thỏi than khi buông tay ra sẽ bị lấm đen bởi những bụi than. Đó là những hạt than nhỏ li ti mà mắt thường khó có thể phân biệt được. Những hạt bụi than nhỏ nhất đó được gọi là “phân tử” than. Ở thế kỷ 18, hoá học khảo sát tính chất; phân định thành phần các chất: đơn chất, hợp chất, hỗn hợp…Nhà vật lý hoá học Béctônlê, cố vấn khoa học của hoàng đế Pháp 14 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Napôlêôn vẫn lẫn lộn giữa phân tử và nguyên tử. Một số nhà vật lý khác gọi phân tử là nguyên tố phức tạp; gọi nguyên tử là nguyên tố đơn giản… Cuối cùng họ cũng đã phân biệt được rằng:  Phân tử các đơn chất được cấu thành từ các nguyên tử đồng loại. Ví dụ: O2  O  O  Phân tử hợp chất cấu thành từ các nguyên tử khác loại. Ví dụ: H 2 O  2 H  O Sở dĩ, các nguyên tử liên kết được với nhau là nhờ các liên kết bên trong phân tử như: liên kết cộng hoá trị, liên kết ion, liên kết kim loại… Các phân tử khác nhau về nhiều mặt như: mùi, vị, màu sắc, tính chất hoá, lý,…,kể cả kích thước lẫn hình dạng. Nhưng nói chung, chúng có kích thước rất nhỏ (cỡ 10 7 cm). Với kích thước này, thì đa số phân tử thuộc phạm vi của hạt vĩ mô chứ không là hạt vi mô (có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 10 8 cm). Dựa vào những tư tưởng chứa đựng trong “nguyên tử luận” và những kết quả nghiên cứu của Pruxtơ, Đantơn - nhà hoá học Anh đã xây dựng nên lý thuyết nguyên tử có cơ sở thực nghiệm vững chắc. Trong đó nguyên tử đã được xây dựng thành một khái niệm khoa học đúng đắn. Đantơn giả thiết rằng: tất cả các chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ không thể phân chia được -nguyên tử. Điểm hoàn toàn mới và rất cơ bản trong lý thuyết Đantơn là những nguyên tử được xem như là có một “khối lượng” nhất định; khối lượng này thay đổi từ nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn các hợp chất là kết quả của sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau theo một trật tự nhất định. Tuy nhiên, lý thuyết của Đantơn đã gặp hạn chế xung quanh những vấn đề giá trị tương đối của khối lượng nguyên tử. Avôgađrô là người đã giải quyết tốt đẹp những khó khăn trên và đưa lý thuyết nguyên tử tiếp tục phát triển một cách đúng đắn, điều này giúp chúng ta mở ra những cánh cửa đầu tiên từ thế giới vĩ mô sang thế giới vi mô, trong số đó có số Avôgađrô (kí hiệu là N). Tới đây, khối lượng được chọn làm đơn vị là khối lượng của đồng vị 126 C . 15 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Sau đó, Lôsmit cũng đã tiến hành xác định số nguyên tử có trong 1 cm 3 khi dựa trên thuyết động học chất khí. Ông đã đưa ra số Lôsmit, kí hiệu: L0 (là số phân tử chứa trong 1 cm 3 chất khí trong điều kiện tiêu chuẩn). Dựa trên các hệ thức thu được từ thuyết động học phân tử và một số giả thiết khác, Lôsmit đã tìm được đường kính phân tử không khí khoảng 12. 10 9 cm; một giá trị hợp lý so với kích thước nguyên tử 10 8 cm. Từ kết quả đó, ông thu được L0  2,1.1019 / cm 3 . Từ số Lôsmit, muốn tìm số Avôgrađrô ta chỉ cần nhân lên với thể tích nguyên tử gam. Kết quả: N A  6,023.1023 hat mol Thế là vật lý học đã đếm được số nguyên tử và “thuyết nguyên tử” về cấu trúc thế giới vật chất , coi như là một thuyết khoa học kể từ đó. Tóm lại: cho đến cuối thế kỷ 19, vật lý học khẳng định rằng: hạt cơ bản cấu thành thế giới vật chất chính là “nguyên tử” đúng như Đêmôcrít đã nói. Các phân tử được cấu thành từ các nguyên tử. Các vật thể vĩ mô được cấu thành từ các phân tử. * Có các loại phân tử: đơn nguyên tử, lưỡng nguyên tử, đa nguyên tử. Các phân tử cấu tạo nên vật đều ở trạng thái luôn chuyển động. Cũng như các vật chuyển động khác, các phân tử có động năng. Ngoài ra, giữa các phân tử có lực hấp dẫn lên nhau nên chúng có thế năng. Thế năng phụ thuộc vào vị trí tương đối của các phân tử. Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật gọi là “nội năng” của vật đó. Đây là bản chất của hạt vi mô thể hiện trong tính chất của hạt vĩ mô được tạo thành. Nguyên tử là hạt vi mô có kích thước nhỏ hơn kích thước phân tử. Các nguyên tử không chỉ khác nhau về kích thước, hình dạng…mà còn nhiều điểm nữa. Ta có trên 100 loại nguyên tử khác nhau, gọi là các “nguyên tố hoá học”. Chúng có nhiều thuộc tính khác nhau. Có thứ là kim loại; có thứ là phi kim; có thứ nặng; có thứ nhẹ; có thứ hoạt tính hoá học mạnh; có thứ hoạt tính hoá học yếu… 16 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Như vậy, việc tìm ra nguyên tử là một bước tiến rất lớn trong quá trình tìm hiểu thế giới vật chất. Vì ta biết rằng, thế giới tự nhiên được tạo nên từ vô số các phân tử muôn hình vạn trạng…song cũng chỉ được tạo nên từ trên 100 loại nguyên tố hoá học mà ra. 2.2. Các mẫu nguyên tử theo lý thuyết cổ điển. Về bản chất, thế giới tự nhiên gồm các hạt được tạo nên từ “nguyên tử”. Nguyên tử, từ lâu được cho rằng là đơn vị cuối cùng của vật chất không thể phân chia. Nhưng cuối thế kỷ 19, việc khám phá ra hạt electron làm quan niệm này hoàn toàn bị sụp đổ. Nguời ta khẳng định rằng: Nguyên tử còn chứa trong lòng nó những phần tử tích điện bé hơn theo một cấu trúc nào đó. Vấn đề đặt ra là: Nguyên tử cấu tạo từ những gì và có cấu trúc như thế nào? Để trả lời câu hỏi này các nhà khoa học đã đưa ra các mẫu nguyên tử rồi dùng lý thuyết và thực nghiệm để chính xác dần. 2.2.1. Mẫu nguyên tử Thomson Năm 1897, nhà vật lý người Anh Thomson đã tiến hành một thí nghiệm. Ông đã phát hiện những hạt nhỏ trong tia âm cực và có thể nhìn thấy tia này đi qua giữa hai đầu có điện áp cao của một ống thuỷ tinh chứa chất khí áp suất thấp. Để nguyên tử trung hoà về điện thì nó phải được cấu thành từ hai thứ vật chất: một loại mang điện tích dương (+) và một loại mang điện tích âm (-) với tổng điện tích của chúng bằng không. Như vậy, trong nguyên tử có các hạt electron; nó là một hạt thực sự dù nó có khối lượng rất nhỏ. Miliken đã đo được khối lượng này bằng một loại cân đặc biệt – cân xoắn (với khối lượng của electron me  9,1.1031 kg Năm 1903, Thomson đưa ra mô hình nguyên tử cụ thể đầu tiện: mẫu nguyên tử Thomson: Nguyên tử là một hình cầu với kích thước vào bậc A 0 . Trong lòng nguyên tử không có chân không mà dày đặc thứ vật chất mang điện tích dương. Các electron được gắn trong đó theo một trật tự có tính đối xứng. 17 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Các điện tích dương phân bố liên tục trong hình cầu và bằng tổng điện tích âm của các electron nên nguyên tử trung hoà về điện. Mẫu nguyên tử Thomson đã tồn tại trong một thời gian tương đối dài vì chưa có thí nghiệm nào có khả năng đi sâu vào tận bên trong nguyên tử. Tuy là một mẫu đơn giản, song nó cũng giải thích được một số sự kiện do nguyên tử gây ra. 2.2.2. Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford. Rutherford không thoả mãn hình mẫu nguyên tử Thomson. Ông cho rằng cách tốt nhất để tìm hiểu cấu trúc nguyên tử là phải đi sâu vào lòng nguyên tử. * Năm 1930, Rutherford đã tiến hành một thí nghiệm lịch sử như sau: - Chiếu chùm hạt α vào một lá vàng mỏng, hạt α sẽ va chạm với các nguyên tử trong lá vàng. - Nếu nguyên tử có cấu trúc như mẫu Thomson thì theo dự đoán các hạt α sẽ xuyên thẳng qua lá vàng. - Kết quả của Rutherford lại hoàn toàn trái ngược với dự đoán trên: đa số các hạt α đều bay thẳng xuyên qua lá vàng, một số hạt bị lệch với những góc lớn, thậm chí có một số ít hạt bị bật ngược trở lại. **Rutherford giải thích như sau: Ở tại tâm nguyên tử có một quả cầu nhỏ, đặc, mang toàn bộ điện tích dương và rất nặng gọi là “hạt nhân”. Quay quanh và rất xa hạt nhân là các điện tử (sau này gọi là electron); mỗi hạt chuyển động theo một quỹ đạo kín xác định với tốc độ rất lớn. Rutherford xem nguyên tử như một “Thái dương hệ” thu nhỏ, các hành tinh là các electron và Mặt trời là hạt nhân. Đây là một hình mẫu tuyệt vời, bởi vì, từ đây ta 18 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo có thể hình dung được cấu trúc bên trong nguyên tử (mặc dù chưa rõ ràng lắm). Mẫu hành tinh nguyên tử Kích thước hạt nhân là rất nhỏ, chỉ vào cỡ 1012 đến 1013 cm, tức là nhỏ hơn mười nghìn lần kích thước của nguyên tử đó (đây là lý do mà đa số hạt nhân bay thẳng). Mặt khác, khoảng cách từ mỗi hạt electron trong nguyên tử đến hạt nhân vào khoảng: a0  108 cm . Đây là một khoảng cách rất lớn so với kích thước của electron và hạt nhân; nhưng lại là rất nhỏ so với khoảng cách giữa các vật thể vĩ mô trong vũ trụ. Do đó, quả cầu nguyên tử có kích thước như trên được xem là giới hạn phân định giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô: Vi mô: a  108 cm Vĩ mô: a > 10 8 cm Như vậy, với kết quả nghiên cứu của Rutherford đã hoàn toàn phá đi tính không thể phân chia của nguyên tử và mở ra một con đường mới cho vật lý vi mô. Tuy nhiên, mẫu hành tinh nguyên tử như vậy sẽ không tồn tại lâu, vì sẽ bị tiêu huỷ ngay thành một nguồn bức xạ điện từ và mất dần đi năng lượng. Do đó, bán kính quỹ đạo của nó sẽ ngày càng giảm và cuối cùng rơi vào hạt nhân. Nhưng thực tế, nguyên tử luôn luôn bền vững. Hạn chế thứ hai của mẫu nguyên tử này là: electron chuyển động quanh hạt nhân sẽ liên tục phát ra năng lượng; do đó, quang phổ của nguyên tử phát ra phải là quang phổ liên tục; nhưng thực tế lại thu được quang phổ vạch. Điều này chứng tỏ, mẫu nguyên tử Rutherford về mặt cấu trúc có vẽ hợp lý nhưng về mặt động lực học thì còn nhiều điểm chưa ổn. 2.2.3. Thuyết Bohr Năm 1913, dựa trên những thành công của Planck và Anhxtanh, nhà Vật lý người Đan Mạch, Bohr đã đưa ra một thuyết mới về cấu trúc nguyên tử nhằm khắc phục những mâu thuẫn còn tồn tại trong mẫu “Thái dương hệ”. 19 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Theo mẫu Bohr, các electron trong nguyên tử chuyển động trên các quỹ đạo đều hình tròn; mỗi quỹ đạo ứng với một giá trị năng lượng xác định. Khi chuyển động trên quỹ đạo, electron nằm ở một trạng thái dừng; không bức xạ hoặc hấp thụ năng lượng; và tuân theo các định luật chuyển động cổ điển chỉ khi electron nhảy từ một quỹ đạo này sang một quỹ đạo khác, nó mới bức xạ hoặc hấp thu một năng lượng h xác định, đúng bằng hiệu năng lượng của hai quỹ đạo dừng. Mẫu này đã thành công khi giải thích phổ của nguyên tử Hiđro; và có thể nói, đây là một mẫu nguyên tử có bước phát triển cao nhất. Từ đây, ông đã đưa ra thuyết Bohr với hai định đề cơ bản ( về trạng thái dừng và cơ chế hấp thụ - phát xạ năng lượng của nguyên tử); với ý nghĩa là phải thừa nhận chúng như một định đề toán học. Thuyết này ban đầu đã gây ra nhiều ý kiến tranh cãi, nhưng sau này, sự đúng đắn của thuyết đã được thực nghiệm chứng minh. Như vậy, nội dung cơ bản của thuyết này là: các điện tử chỉ “được phép” có những năng lượng biến thiên gián đoạn. Các điện tử có mức năng lượng cho phép thấp nhất sẽ chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất và các điện tử có mức năng lượng cho phép cao nhất sẽ ở trên quỹ đạo xa nhất. Sau đó, người ta đã phát hiện: có một giới hạn về số điện tử ở mỗi mức năng lượng. Các điện tử trong nguyên tử sẽ sắp xếp đầu tiên ở mức năng lượng thấp nhất. Những điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử sẽ quyết định tính chất hoá học của nguyên tử đó hoặc dùng nó để liên kết với các nguyên tử khác tạo thành phân tử…Bức tranh mới mẻ về nguyên tử này được xem là một bức phá không chỉ riêng cho vật lý vi mô mà cả cho hoá học, triết hoc,… Như đã nói, các tiên đề Bohr dù sao cũng chỉ là tiên đề, do đó phải thừa nhận, không chứng minh mặc dù được thực tiễn kiểm nghiệm. Tới đây, khi tiếp cận bản chất của vật chất bằng cách chia nhỏ chúng ra, ta luôn đứng trước một tập hợp “hạt” với một loạt câu hỏi tương tự đã nảy sinh. Chẳng hạn, ta đã biết: nguyên tử gồm hai thành phần: các electron và hạt nhân. Vậy hai thành phần này đã là những “hạt cơ bản” cấu thành vật chất hay chưa? Để có câu trả lời các nhà khoa học đã đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc bên trong của hạt nhân nguyên tử. 20 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo CHƯƠNG III ĐẶC TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ  3.1. Cấu trúc hạt nhân. Vào những năm 1910 – 1920, nhiều sự kiện thực nghiệm cho thấy rằng: hạt nhân phải có một cấu trúc nội tại nào đó. Chẳng hạn, căn cứ vào hiện tượng phóng xạ tự nhiên, là hiện tượng mà từ hạt nhân nguyên tử có phát ra tia bêta (   ) thực chất đó là dòng hạt electron. Vào năm 1913, Rutherford đã cho rằng: trong hạt nhân, vốn có một thứ hạt mang điện tích dương, có khối lượng xấp xỉ 1842 lần khối lượng của electron ( me ) được gọi là “prôton” (tiếng Hy lạp có nghĩa là vật đầu tiên). Prôton có điện tích đúng bằng điện tích của electron nhưng ngược dấu. Đây là kết quả nghiên cứu mà ông thu được đối với nguyên tử Hiđro, còn đối với nguyên tử khác thì chưa rõ. Năm 1919, ông đã chứng minh được sự tồn tại của chúng bằng cách dùng hạt α bắn phá hạt Nitơ. Năm 1932, Chawick (sinh viên của Rutherford) đã tìm thấy bằng thực nghiệm một hạt khác nữa trong hạt nhân khi cho Beri (Be) tiếp xúc với hạt α. Đó là nơtron – một hạt không mang điện, có khối lượng xấp xỉ với khối lượng của prôton. Thực nghiệm cho thấy, cả prôton và nơtron đều có spin s  1 . Để thoả mãn 2 đồng thời cả định luật bảo toàn spin , Ivanencô, Heisenberg tạm cho rằng hạt nhân chỉ cấu thành từ các prôton và nơtron mà thôi. Các ông thấy rằng, bản thân nơtron có thể là hạt nhưng không phải là prôton và electron kết hợp với nhau. Bởi khi so sánh trọng lượng của Hiđro và Hêli, người ta thấy: nguyên tử Hêli nặng gấp bốn lần nguyên tử Hiđro. Nhưng Hêli đứng ở ô số 2 trong bảng tuần hoàn (Z = 2) – tức là có 2 electron và 2 prôton. Khối lượng tập trung ở hạt nhân, nên khối lượng của nguyên tử Hêli chỉ có thể gấp 2 lần nguyên tử Hiđro chứ không thể gấp 4 lần. Như vậy, trong hạt nhân Hêli ngoài prôton còn phải có thêm một loại hạt gì đó – hạt nơtron. 21 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Như vậy, tất cả các hạt nhân trong nguyên tử đều được cấu tạo từ hai loại hạt: prôton (kí hiệu: p) và nơtron (kí hiệu: n) được gọi chung là các nuclon. Số prôton sẽ qui định số điện tử (electron) quay quanh hạt nhân và từ đó làm nên tính chất hoá học của chúng. Vậy mỗi hạt nhân có bao nhiêu prôton và nơtron? Từ mẫu hạt nhân Ivanencô_Heisenberg ta có ký hiệu của một hạt nhân là: Az X *Trong đó: + A: là số khối, cũng là tổng số prôton và nơtron tạo nên hạt nhân được gọi là các nuclon. Số khối A là số nguyên gần hạt nhân nhất của khối lượng hạt nhân tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử (AEM). + Z: là nguyên tử số hay số thứ tự. Số này chính là số prôton, số electron trong hạt nhân. Ta thấy, nguyên tử có chứa Z hạt electron (q = -Ze) thì trong hạt nhân phải có Z hạt prôton (q = +Ze) để nguyên tử trung hoà về điện. Vậy thì số nơtron được tính như thế nào? Trong đơn vị này, số nơtron trong hạt nhân xấp xỉ bằng hiệu số của khối lượng nguyên tử trừ đi số có trong hạt nhân đó. Và kí hiệu là N N=A–Z * Xét một ví dụ: Hạt nhân Hiđro chỉ có một prôton và nguyên tố này nằm đúng ô số 1 của bảng hệ thống tuần hoàn Menđêlêep (Z = 1). Có A = 2. Từ đây ta có thể xác định được số nơtron là N = A – Z = 1. Như chúng ta đã biết, prôton là các hạt mang điện dương, trong khi nơtron là các hạt không mang điện. Mà theo định luật Culông những hạt mang điện dương sẽ bị đẩy nhau và bị tung toé ra ngoài; trên thực tế hạt nhân là một khối được liên kết chặt chẽ và bền. Vấn đề này là do đâu? Heisenberg cho rằng: Câu trả lời nằm giữa các nuclon, tức là giữa các prôton – prôton, nơtron – nơtron, prôton – nơtron có tồn tại một lực hút gọi lực hạt nhân. Lực này có bán kính tác dụng ngắn, nhưng cường độ lại rất mạnh; mạnh hơn nhiều so với lực Culông (Wigner – 1933). Lực hạt nhân phụ thuộc đáng kể vào khoảng 22 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo cách giữa các nuclon. Ở khoảng cách lo nào đó (các số liệu thực nghiệm cho biết l0  1013 cm), lực hạt nhân giữa chúng lớn gấp 135 lần lực tương tác, lớn hơn 1038 lần lực hấp dẫn. Ở khoảng cách 2.1012 cm, tác dụng của chúng bằng 0. Lực này không phụ thuộc vào điện tích và có tính chất bão hoà. Do đó, trong hạt nhân tồn tại song song hai lực: lực đẩy Culông giữa các prôton với nhau và lực hút giữa các nuclon. Lực hút này chi phối toàn bộ nên chúng gắn chặt với nhau. Ta biết, giữa hai điện tích, chẳng hạn như hai prôton trong hạt nhân, đặt gần nhau sẽ tồn tại một lực Culông. Sự tương tác này có được là nhờ một tác nhân truyền giữa hai điện tích. Nó là trường điện từ, là một dạng đặc biệt của vật chất mà trường hợp riêng là sóng ánh sáng. Sóng ánh sáng ngoài tính chất sóng còn có tính chất hạt biểu hiện ở lượng tử ánh sáng (hay phôton). Trường điện từ cũng đặc trưng bởi các hạt phôton. Do đó, tương tác giữa hai điện tích nói trên được thực hiện nhờ các phôton có khối lượng bằng không. Bán kính tác dụng vô cùng lớn của tương tác điện từ thể hiện ở chỗ hạt photon không có khối lượng nghỉ ( m0  0 ). Tương tự, tương tác hạt nhân giữa các nuclon cũng được thực hiện thông qua một loại hạt nào đó; nhưng khác nhau là, bán kính tác dụng của hạt nhân rất ngắn nên hạt truyền tương tác phải có khối lượng nhất định. Đúng vậy, có một loại hạt như thế ( đúng hơn là hai hạt, tích điện trái dấu) đã được tìm thấy vào năm 1947 được gọi là hạt mêzon pi (π). Từ “mêzon”- tiếng Hy lạp có nghĩa là “trung gian”, trung bình – tức khối lượng của hạt này lớn hơn khối lượng của electron ( me ) và nhỏ hơn khối lượng prôton ( m p ). Ngày nay, ta đã biết được ba loại hạt mêzon:   ,   , 0 (kí hiệu của các hạt mêzon: tích điện dương, âm, trung hoà). Khối lượng hai hạt mêzon tích điện lớn gấp 278 lần me ; còn hạt trung hoà khoảng 268 lần. 23 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 3.2. Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân. Trong tự nhiên tồn tại hai loại hạt nhân là bền và không bền (phóng xạ tự nhiên). Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân bền là điện tích, số khối, khối lượng, bán kính, momen từ,… Đối với các hạt nhân không bền (hạt nhân phóng xạ) còn có thêm các đặc trưng khác nữa như: chu kỳ bán rã, năng lượng của các hạt tạo thành,… 3.2.1. Năng lượng liên kết riêng. Ta biết hạt nhân được cấu tạo bởi Z prôton và N nơtron - Người ta thấy rằng khối lượng hạt nhân bé hơn tổng khối lượng của Z prôton và N nơtron. Hiệu số đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân. Δm = Zm p  ( A  Z )mn  mhn - Như vậy, khi tổng hợp Z prôton và N nơtron để tạo thành hạt nhân dư ra một khối lượng Δm. Khối lượng Δm này tương ứng với một năng lượng ΔE giải phóng ra được tính theo công thức Anhxtanh: ΔE = Δm c2 Khi tách rời các prôton và các nơtron ra khỏi hạt nhân, ta cần phải cung cấp cho hạt nhân một năng lượng đúng bằng ΔE nói trên để cho tương ứng với việc tổng khối lượng các nuclon tăng lên một lượng Δm bù vào độ hụt khối khối lượng nói trên khi ta tổng hợp. Nói cách khác, các nuclon trong hạt nhân cố kết với nhau. - Năng lượng cần thiết để giữ chặt các nuclon trong hạt nhân gọi là năng lượng liên kết hạt nhân. - Năng lượng liên kết hạt nhân (ký hiệu ΔW) có giá trị bằng và ngược dấu với năng lượng cung cấp từ ngoài vào ΔE để phá vỡ hạt nhân thành các nuclon riêng lẻ. ΔW = -ΔE = -Δm. c2 = { mhn  [ Zm p  ( A  Z )mn ]}c 2 - Năng lượng liên kết tính cho một nuclon của hạt nhân gọi là năng lượng liên kết riêng hay năng lượng liên kết trung bình.  W A 24 Luận văn tốt nghiệp Đại học - GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân. Giá trị của nó càng lớn thì hạt nhân càng khó phân chia. Thực tế về lý thuyết thống kê còn cho ta thấy các hạt nhân bền vững nhất là những hạt nhân có số prôton (Z) và số nơtron ( N = A – Z ) đều là số chẵn. Ngược lại nếu Z và N đều là số lẻ thì kém bền. Còn lại các hạt nhân khác thì ở mức trung bình. N Z Mức độ bền Ví dụ Chẵn chẵn bền 4 2 H ,168O... Chẵn lẻ kém bền 7 3 Li Lẻ lẻ kém bền nhất 2 1 D Nói chung hạt nhân càng nhẹ càng kém bền vững, càng nặng càng bền. Điều này có liên quan đến tính chất của lực hạt nhân. 3.2.2. Lực hạt nhân. - Ta biết rằng hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố đều được cấu thành từ các prôton mang điện dương và nơtron không mang điện. - Đối với các nuclon thì lực hấp dẫn có giá trị quá nhỏ. - Lực Culông giữa các prôton là đáng kể, nó có xu hướng làm phá vỡ hạt nhân. Mặt khác đa số các nguyên tố trong tự nhiên có hạt nhân bên vững. Điều đó có nghĩa là các prôton và các nơtron trong hạt nhân được giữ chặt ở đó bằng một lực hút rất mạnh và hoàn toàn chế ngự được lực đẩy Culông. Lực đó gọi là lực hạt nhân. Bản chất của lực hạt nhân là tương tác mạnh giữa các nuclon. ** Lực hạt nhân có các đặc điểm sau: 1. Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích: vì các nuclon là prôton (p) hoặc nơtron (n) nên khi chúng tương tác với nhau chỉ có thể là cùng loại hoặc khác loại, tức là chỉ (p – p), (n – n) hay (p – n) mà thôi. Thực nghiệm chứng tỏ rằng tương tác hạt nhân giữa các cặp đó là hoàn toàn như nhau. 2. Lực hạt nhân có giá trị tuyệt đối cực kỳ lớn. Lấy ví dụ năng lượng liên kết hạt nhân dơtri ( 12 H ) do lực hạt nhân gây ra ta thấy: ΔE = ( mA mh )c 2 = 2,23 MeV 25 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Tức là muốn tách hai nuclôn này ra thì phải tốn một năng lượng 2,23MeV. Trong khi đó năng lượng liên kết Culông giữa prôton và nơtron trong nguyên tử chỉ là 13,6 eV, nhỏ hơn hàng triệu lần so với năng lượng liên kết hạt nhân giữa một prôton và một nơtron. 3. Lực hạt nhân có bán kính tác dụng rất ngắn. Thực nghiệm cho thấy hai nuclon chỉ tác dụng mạnh với nhau khi chúng cách nhau một khoảng r < 1015 m. Hay nói cách khác lực hạt nhân có bán kính tác dụng vào cỡ 1fm (1fm = 1015 m gọi là 1 fecmi). Cũng cần lưu ý rằng lực hạt nhân về căn bản là lực hút rất mạnh nhưng hai nuclon ở gần nhau r  0,5.1015 m = 0,5 fm chúng lại đẩy nhau. 4. Lực hạt nhân có đặc tính bão hoà. Mỗi nuclon chỉ tương tác với một số nuclôn khác lân cận chứ không tương tác với tất cả các nuclon có trong hạt nhân. Thực vậy, nếu mỗi nuclon tương tác với tất cả các nuclon khác trong hạt nhân thì năng lượng liên kết phải tỷ lệ với A (A – 1) tức là với A 2 chứ không phải với A như thực nghiệm ( W  A. ). 5. Lực hạt nhân không có tính đâm xuyên. Thật vậy, khi xét momen điện của hạt nhân ta thấy hạt nhân tồn tại momen tứ cực điện, do đó hình dạng hạt nhân không phải đối xứng cầu và lực hạt nhân liên kết các nuclôn không phải là lực xuyên tâm. 3.2.3. Điện tích của hạt nhân. Trước khi có mẫu hạt nhân Ivanencô-Heisenberg đã có nhiều thí nghiệm đo điện tích q của hạt nhân. Năm 1913, Môzơlây, dùng tia X chiếu vào tinh thể rắn, quan sát hiện tượng nhiễu xạ và đã nêu được công thức:   AZ  B *Với: γ tần số tia X. A, B là các hằng số thực nghiệm. Năm 1920, Chadwick thực hiện sự tán xạ hạt α lên lá kim loại và đo được Z theo công thức Rơđepho : 26 Luận văn tốt nghiệp Đại học  Ze 2 dn  n Z  M  GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 2  d   sin 4  2 Chadwick đo được Z của plarin, đồng, bạc,…  Hạt nhân không phải là một điểm, không phải là một hình cầu, nó có thể bị méo mó. Vì thế nó không thể là một điện tích điểm, không thể là một lưỡng cực điện mà chỉ có thể là đa cực điện (tứ cực). - Momen tứ cực điện của hạt nhân: năm 1935, Schler và Schmidt cho rằng điện tích trong hạt nhân phân bố không đều, tức không đối xứng cầu, nên không thể xem hạt nhân là một điện tích điểm. Thực tế chứng minh rằng momen điện của hạt nhân: M  0 . Và nếu quan tâm đến kích thước hạt nhân thì mỗi hạt nhân là một tứ cực điện. - Mỗi hạt nhân có Z prôton và mỗi prôton có điện tích là +e. Do đó điện tích của hạt nhân là +Ze (C ). 3.2.4. Momen từ của hạt nhân (  nh ) Trong nguyên tử hạt nhân là tâm, nó không chuyển động tịnh tiến, chỉ có thể quay và tạo ra một dòng điện. Từ đó hạt nhân có sẵn một momen từ (  nh ). Biết rằng hạt nhân gồm Z hạt prôton mang điện tích, prôton cũng có momen từ (  p ). Hạt nơtron trung hòa về điện tích nhưng nó vẫn có momen từ (  n ) ta có: Z A Z i 1 k 1  nh    pi    nk * Thí nghiệm đo được: e 2me Với o  nh  e   o 2m p 1838  p  2,7896  nh  n  1,9103  nh gọi là một “manhêton Bohr” dùng làm đơn vị cơ sở, từ đó: Được gọi là “manhêton hạt nhân” dùng làm đơn vị đo momen từ của hạt nhân. 27 Luận văn tốt nghiệp Đại học * Ví dụ: hạt dơtron có GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo M D  2,78961,9103  0,8793 nh Trong cơ học lượng tử tương đối tính, năm 1928, Dêrăc cho rằng hạt nào mang điện tích q thì có momen từ ( riêng )  với giá trị là một manhêton o  q (M: khối 2M lượng hạt) Như vậy có 2 loại đơn vị cơ sở đo momen từ: e  o  e.  1,0011596567 2me  p  nh  ec gam ec gam e.  5,00.10 27 2m p * Sự tồn tại momen từ ở hạt nhân được thể hiện thông qua cấu trúc “siêu tế vi” ở quang phổ nguyên tử. Ta biết rằng sự tồn tại momen từ của trong lòng nguyên tử đã được chứng minh trong hiện tượng cấu trúc tinh vi của quang phổ nguyên tử. Một chùm hạt tích điện, khi bay vuông góc với một từ trường, sẽ bị tách làm 2 chùm đối xứng. Điều này, chứng tỏ hình chiếu (  tp ) của hạt lên phương: Oz  H o chỉ có hai  giá trị ngược dấu nhau (với e , đó là    o ). Thí nghiệm Stern và Gherlach chứng tỏ điều này trong vật lí nguyên tử. 3.2.5. Spin của hạt nhân. Mọi hạt vi mô đều có chuyển động nội tại. Chuyển động này không có hình tượng cổ điển cụ thể. Do đó ,mỗi hạt nhân có momen cơ riêng P mà giá trị theo cơ học lượng tử là: P  I ( I  1)  Với: I là số lượng tử Spin của hạt nhân. - Nếu: + A là chẵn thì I bằng 0 hoặc là một số nguyên. + A là lẻ thì bằng 1 hoặc một số bán nguyên. 2 - Thực nghiệm cho thấy, hạt nhân nào có Z và A đều chẵn thì I bằng 0. 28 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Nếu A lẻ thì I thay đổi như sau: A =1,3 I 1 2 A = 5, 7, 9,11 I 3 2 A = 3, 15 I 1 2 A = 33, 25, 37, 39 I 3 2 A = 43, 45,47,… I 7 2 là những số bán nguyên - Hệ số từ hồi chuyển: (từ - cơ) Xét tỷ số  I  g ở mỗi hạt nhân, ta có g là tỷ số từ hồi chuyển ( hệ số từ - cơ ). *Ví dụ: 1 + Với prôton: I  ;   2,7896  g  5,58 2 1 + Với nơtron: I  ;   1,9103  g  3,82 2 1 2 + Electron: I  ;   1  g  2 3.3. Các mẫu hạt nhân. Sau khi phát hiện ra hạt nhân nguyên tử, cùng những tính chất của nó thể hiện qua các hiện tượng vật lí và những vấn đề có liên quan đến hạt nhân, các nhà vật lí đã cố gắng xây dựng lí thuyết về mẫu hạt nhân, hi vọng sẽ đưa ra được mẫu hạt nhân hoàn chỉnh có thể giải thích được tất cả các đặc tính mà hạt nhân nguyên tử thể hiện qua các hiện tượng vật lí mà chúng ta đã gặp; hay ít ra cũng giải thích được đa số các hiện tượng trong tự nhiên. Nhưng cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết nào về hạt nhân cho phép giải thích đầy đủ mọi tính chất của hạt nhân. Bởi vì, người ta chưa tìm ra được công thức 29 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo toán học nào của lực hạt nhân. Do đó, các nhà vật lí đã đưa ra các mẫu khác nhau về hạt nhân. Mỗi mẫu cho phép ta giải thích đúng đắn về một số tính chất của hạt nhân hoặc của một số hạt nhân nào đấy. Sau đây ta sẽ đề cập đến một số mẫu điển hình. 3.3.1. Mẫu giọt hạt nhân. Người ta thấy rằng một số tính chất của hạt nhân tương tự như một chất lỏng. Nên xuất hiện mẫu giọt hạt nhân. Giọt chất lỏng có dạng hình cầu. Giữa các phân tử chất lỏng có các lực tác dụng ở khoảng cách ngắn. Mỗi phân tử của chất lỏng chỉ tác dụng với các phân tử nằm gần nó. Các phân tử chuyển động hỗn loạn và thường xuyên va chạm vào nhau. Các phân tử ở bề mặt chỉ tác dụng lên các phân tử nằm phía bên trong chất lỏng, do đó xuất hiện sức căng mặt ngoài. Mật độ chất lỏng không phụ thuộc kích thuộc kích thước của nó. Các tính chất như trên cũng có ở hạt nhân nếu như thay thế các phân tử và lực phân tử bằng các nuclon và lưc hạt nhân. Do đó, theo mẫu giọt hạt nhân giống như một giọt chất lỏng. Các nuclon chuyển động hỗn loạn và luôn va chạm vào nhau. Mỗi khi va chạm các nuclon trao đổi với nhau năng lượng và xung lượng. Nhờ có một lực hút mạnh giọt chất hạt nhân giữ được nguyên hình dạng của nó. Khi hạt nhân nhận được một năng lượng nào đó, nó sẽ chuyển sang một trong các trạng thái kích thích. Do các nuclon thường xuyên va chạm nhau, chúng trao đổi cho nhau năng lượng và xung lượng. Có thể xảy ra trường hợp năng lượng được tập trung cho một hạt ở bề mặt. Nếu năng lượng này lớn hơn năng lượng liên kết của hạt trong hạt nhân thì hạt này sẽ bức xạ ra khỏi hạt nhân. Như vậy, sự bức xạ của một hạt ra khỏi hạt nhân theo mẫu giọt giống như sự bốc hơi của một giọt chất lỏng. Tuy nhiên, khác với giọt chất lỏng, hạt nhân có thể quay về trạng thái cơ bản và phóng xạ ra lượng tử γ nào đó. Thể tích V của giọt hạt nhân chứa đầy các nuclon, giống như giọt chất lỏng chứa đầy phân tử. Do đó, thể tích V của hạt nhân tỷ lệ với số khối A và vì vậy bán kính 1 3 hạt nhân R = r0 .A (tỷ lệ với căn bậc 3 của số khối A). Kết luận: ta thấy mẫu “giọt hạt nhân” giải thích được nhiều hiện tượng như: - Phổ năng lượng liên kết riêng của hạt nhân nguyên tử các nguyên tố. 30 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Hiện tượng phân hạch của hạt nhân. Vì trạng thái kích thích cũng giống như sự nung nóng của chất lỏng mà từ đó các phân tử chất lỏng có động năng lớn, thắng sức căng mặt ngoài và bay hơi. Đó là sự sôi. Hiện tượng này giống như hạt nhân phóng ra các hạt và biến thành hạt nhân khác. 3.3.2. Mẫu lớp vỏ. Khi nghiên cứu hạt nhân, người ta thấy rằng một số tính chất của hạt nhân như năng lượng, spin, momen từ…phụ thuộc vào số nuclon cấu tạo nên hạt nhân đó và có giá trị biến thiên tuần hoàn, điều này cũng giống như một số tính chất của nguyên tử phụ thuộc vào số electron cấu tạo nên nguyên tử. Hơn nữa, các hạt nhân có số Z hoặc N = (A – Z) bằng 2, 8, 20, 50, 82, 126 gọi là số mazic (quái số) thì bền vững. Những hạt nhân có hai lần quái số ( tức Z và N đều là quái số ) thì bền vững đặc biệt. Như vậy các hạt nhân Heli ( 24 He ), Oxi ( 168O ), Canxi ( 2040Ca ), Chì ( 206 82 Pb ), là những hạt nhân bền vững đặc biệt. Căn cứ vào những điều đó, ta có thể xem rằng các nuclon trong hạt nhân cũng được sắp xếp giống như các electron trong nguyên tử, tức là chúng được sắp thành lớp tuần tự theo các mức năng lượng từ thấp đến cao và theo nguyên lý Pauli. Như vậy trong hạt nhân các mức năng lượng liên kết được lấp đầy (đương nhiên các lớp năng lượng thấp đã được lấp đầy) thì hạt nhân bền vững. Điều này tương tự như những khí trơ kém hoạt động (vì hoá trị bằng không). 1 2 Thật vậy, cả prôton và nơtron đều là những fermion ( s  ), chúng là hệ hạt đồng nhất, nên tuân theo nguyên lý Pauli. Mỗi nuclon có một momen động lượng quĩ đạo đặc trưng bởi lượng tử số  và các momen riêng, đặc trưng bởi lượng tử số s 1 2 nên momen động lượng toàn phần của chúng được đặc trưng bởi lượng tử số j, với j = 1 2 1 2 (   ) và j = (   ) theo phép cộng momen trong cơ học lượng tử. Với mỗi giá trị của n (n= 1, 2, 3,…) thì  nhận các giá trị từ 0 đến (n – 1) và với mỗi  , j có hai giá trị 1 2 1 2 là (   ) và (   ). Với mỗi giá trị của j lại cho (2j + 1) giá trị khác nhau của jz . 31 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Như vậy mỗi giá trị của j sẽ có (2j + 1) prôton hoặc nơtron cho mỗi lớp năng lượng như sau: - Lớp 1: Vì n = 1 nên   0 , do đó j  1 2 1 1 và j   , suy ra số prôton (hay 2 2 1 2 nơtron) trong lớp này là: N1  (2.  1  2.  1)  2 3 2 1 1 và j   , suy ra số 2 2 - Lớp 2: n = 2 nên   0 và   1 , do đó j  , j  3 2 1 2 1 2 prôton (hay nơtron) trong lớp này là : N 2  (2.  1  2.  1  2.  1  6 ) Tương tự như vậy, ta tính được số prôton hay nơtron trong lớp 3 là N3  12 , lớp 4 là N4  20 … Theo lý thuyết thì như vậy, nhưng thực tế có những trạng thái ở lớp 5 lại có năng lượng thấp như ở lớp 4 nên các nuclon này được xếp vào lớp 4 để thoả mãn cả hai nguyên lý Pauli và năng lượng tối thiểu, người ta đã tính được số prôton hay nơtron ở lớp 4, 5 và 6 là N 4  30, N 5  32, N 6  44 . Ta có sơ đồ số prôton hay nơtron cho các lớp như sau: Lớp Số prôton Cả hai loại Tổng số nuclon trong hạt nhân Hay nơtron trong lớp có các lớp đầy 1 2 4 4 4 2 2 6 12 16 16 8 3 12 24 40 40 20 4 30 60 5 32 64 6 44 88 He O Ca 100 Ta thấy ngay các hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố như trên là bền vững vì chúng có hai lần quái số. 32 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 3.3.3. Mẫu tập thể. Mẫu tập thể về cấu trúc hạt nhân là một thành công trong việc kết hợp những quan điểm dường như không thể dung hoà của mẫu giọt và mẫu lớp. Trong mẫu giọt chúng ta đã giả thiết các nuclon chuyển động hỗn loạn và thường xuyên va chạm nhau, còn trong mẫu lớp ta lại giả thiết mỗi nuclon chuyển động trên một quỹ đạo xác định ở bên trong hạt nhân và hoàn toàn khó va chạm được với nhau. Trong mẫu này, hạt nhân được hình dung như có một lõi trung tâm gồm một vỏ đầy các nuclon, bên ngoài là một số nuclon chuyển động trên các quỹ đạo lượng tử hoá, trong một hố thế xác lập bởi lõi trung tâm. Như vậy, lõi trung tâm có tính chất rất giống với mẫu giọt, còn bên ngoài giống mẫu lớp. Mẫu tập thể đã thu hút được những thành công đáng kể, nó giải thích được sự tồn tại các mức quay trong hạt nhân,cũng như năng lượng và khoảng cách của các mức quay của hạt nhân. Nói chung mẫu này được coi là hoàn thiện hơn các mẫu trước. 33 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo CHƯƠNG IV CÁC HẠT CƠ BẢN VÀ NHỮNG ĐẶC TRƯNG  4.1. Các hạt cơ bản. 4.1.1. Lịch sử về hạt cơ bản. Kể từ năm 1950 trở về trước, sự nghiên cứu các hạt cơ bản được gắn liền với vật lí hạt nhân và tia vũ trụ. Tia vũ trụ là những dòng hạt nhỏ bé, có năng lượng cao và từ khoảng không vũ trụ bay vào Trái đất của chúng ta. Ở trên tầng cao của khí quyển, từ năm nghìn đến mười nghìn mét, cường độ ion hoá do tia vũ trụ gây ra rất lớn so với gần mặt đất. Điều đó chứng tỏ tầng khí quyển đã ngăn cản tia vũ trụ (tầng ozon đã hấp thụ chúng), là cho chúng ít đến được Trái đất và có đến được cũng đã yếu đi. Hầu hết các hạt gần hết năng lượng khi chúng đến được mặt đất, do đó việc nghiên cứu các hạt cơ bản từ tia vũ trụ gặp nhiều khó khăn (vì chúng ít gây được phản ứng hạt nhân). Từ năm 1950 trở lại đây, sự xuất hiện các máy gia tốc hạt đã cho phép ta tạo được những chùm hạt có cường độ lớn và động năng cao, do đó người ta có thể gây ra các phản ứng hạt nhân nhân tạo. Sự kiện này thúc đẩy vật lí hạt cơ bản phát triển mạnh. Nó bắt đầu tách ra thành ngành vật lí riêng gọi là “vật lí năng lượng cao” hay còn gọi là “vật lí dưới hạt nhân”. * Các hạt cơ bản đầu tiên đã được tìm thấy là: - Hạt electron ( e ) do Thomson người Anh tìm ra năm 1897 bằng cách phát xạ electron từ kim loại nung nóng và quan sát bằng màn huỳnh quang. - Hạt photon (γ) do Planck và Einstein, nguời Đức, tìm ra năm 1900 bằng giả thuyết ánh sáng là dòng hạt và đã được kiểm nghiệm. - Hạt proton ( 11H ) do Rơđepho, người Anh tìm ra năm 1919 từ thí nghiệm cho hạt α bắn phá hạt nhân nitơ như sau: 4 2 He 147N 178O11H 34 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Hạt pôzitron do Dêrăc, người Anh đề xướng năm 1931 và được Anderson kiểm chứng năm 1932 từ sự phân rã   của proton trong hạt nhân như sau: 1 1  P 01n10e00 Đó là những hạt đầu tiên. Sau này người ta tiếp tục tìm được nhiều hạt khác nữa như nơtrino, mezon π, mezon k,…Ngày nay số lượng của chúng cỡ trên 400 hạt. 4.1.2. Các hạt nhân không bền – Hạt nơtrino ( 00 ). Electron ( e ) và positron ( e  ) không có sẵn trong lòng hạt nhân chúng xuất hiện trong sự phân rã   A Z A Z   A 0 X  Z 1Y  1 e  X  Z A1Y  10e Xét đến định luật bảo toàn năng lượng là một định luật phổ biến. Người ta phát hiện hình như định luật bảo toàn năng lượng bị vi phạm ở thế giới vi mô, khi tìm hiểu về năng phổ hạt   . Tại sao kết quả thí nghiệm đưa đến một giản đồ với một đường cong biểu diễn liên tục mà không gián đoạn. Tin tưởng vào tính đúng đắn của định luật bảo toàn năng lượng, Pauli cho rằng phóng xạ   ngoài tia   còn có một  hạt nhẹ hơn nữa, nhẹ hơn cả e , ông gọi là các hạt nơtrino  0 0 e hoặc  0 0 e Theo giả thuyết của Pauli về nơtrino và phản nơtrino thì các phản ứng phân rã không bảo toàn momen. Vì nếu ở vế trái, nơtron đứng yên thì spin là s  1 còn vế 2 phải là tổng momen của prôton và electron và theo quy tắc cộng momen thì spin của vế 1 2 1 2 phải là s  (  )  1 hoặc bằng 0, không cân bằng với vế trái. Do đó, để bảo toàn momen, trong phân rã   phải có thêm một hạt nơtrino hay phản hạt nơtrino chúng có 1 2 spin là s  . Vậy hai quá trình phân rã   thực chất là: 1 0  ~ n  p e   1 1 0 1 0 0 35 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 4.1.3. Hạt và phản hạt. 1 1  1 0 0 p  0 n 1e  0  Mỗi hạt nói chung đều là một phản hạt. Sự tồn tại phản hạt ở mỗi hạt, vốn đã được Dêrăc tiên đoán trước. Khi xét hệ thức năng – khối lượng m0 Etp  mc 2 với m  1 2 c2 trong cơ học tương đối tính và biểu thức P4  i Etp là thành phần thứ 4 của vectơ C xung lượng 4 chiều. Kết quả đi đến giá trị của: Etp  c p 2c 2  m0c 2 Dêrăc nói rằng: “Trong tự nhiên ứng với dấu (+) của Etp là các “hạt”, ứng với dấu (-) là “phản hạt”. Cùng với hạt, các phản hạt là thành phần cấu trúc giới tự nhiên. Phản hạt được kí hiệu như hạt nhưng có dấu ( ~ ) ở trên đầu.  0 Như vậy tất cả các hạt mà ta đã biết như: e , p, n, 0  ~ ~ đều có phản hạt ~ e , p, n,   0 0 - Hạt và phản hạt có khối lượng bằng nhau, có điện tích bằng nhau nhưng khác nhau dấu. - Các hạt nơtron và nơtrino tuy là hạt trung hoà song không thực sự trung hoà vì hạt khác phản hạt. - Chỉ có phôton ( 00 ) lượng tử trường điện từ là thực sự trung hoà. 4.1.4. Hạt phôton. Năm 1905, Anhxtanh đưa ra khái niệm “lượng tử ánh sáng” là hạt “phôton”. Phôton được gọi là hạt như các hạt thông thường. Nó tương tác với các hạt khác. *Ví dụ: + Trong hiệu ứng quang điện: phôton tương tác với các e liên kết trong kim loại. 36 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo + Trong hiệu ứng Compton: phôton tương tác với các e tự do hoặc liên kết yếu. - Phôton là hạt phi khối lượng, không có điện tích, và không bị phân rã tự phát trong chân không. - Một phôton có hai trạng thái phân cực và được miêu tả chính xác bởi ba tham số liên tục: là các thành phần của vectơ sóng của nó, xác định lên bước sóng λ và hướng lan truyền của phôton. Phôton là một hạt truyền tương tác của trường điện từ và do vậy mọi số lượng tử khác của phôton đều bằng 0. - Các phôton được phát ra từ rất nhiều quá trình trong tự nhiên. Ví dụ, khi một hạt tích điện bị gia tốc, nó sẽ phát ra bức xạ synchrotron – bức xạ “phi nhiệt”. Trong quá trình một phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhân trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, các phôton với năng lượng khác nhau sẽ bị phát ra, từ bức xạ hồng ngoại cho đến tia gamma. Phôton cũng được phát ra khi một hạt và phản hạt tương ứng hủy lẫn nhau (ví dụ như sự hủy cặp hạt electron và pozitron). Trong chân không, phôton chuyển động với vận tốc ánh sáng c và năng lượng cùng động lượng của nó được liên hệ trong công thức E = pc, với p là độ lớn của vectơ động lượng p. Công thức này suy ra từ công thức tương đối tính, với m = 0 E 2  p2c2  m2c4 Năng lượng và động lượng của phôton chỉ phụ thuộc vào tần số (ν) của nó hay bước sóng (λ): E    hv  hc  ; p  k Với k là vectơ sóng (trong đó số sóng (wave number) k = |k| = 2π/λ), ω = 2πν là tần số góc, và ħ = h/2π là hằng số Planck thu gọn. Do p chỉ theo hướng của sự lan truyền phôton, độ lớn của động lượng sẽ là: p  k  hv h  c  Phôton ngày nay, không chỉ là một phương tiện để mô tả một thứ vật chất ở dạng trường mà là một hạt vi mô thật sự. ** Để thuận tiện cho việc nghiên cứu các hạt cơ bản, người ta chia thành 4 nhóm như sau: - Nhóm phôton: chỉ có hạt phôton, khối lượng nghỉ bằng không. 37 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Nhóm lepton: gồm các hạt có khối lượng nhẹ. - Nhóm mêzon: gồm các hạt có khối lượng trung bình. - Nhóm barion: gồm các hạt có khối lượng nặng. - Nhóm các hạt mêzon và barion còn gọi là các hạt hadron. 4.2. Đặc trưng của hạt cơ bản. 4.2.1. Khối lượng nghỉ ( m0 ): - Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m0 xác định, trừ hạt phôton có khối lượng nghĩ bằng 0. Ví dụ: electron có khối lượng nghĩ me  9,11.1031 kg. - Khối lượng, ngoài đơn vị (kg) ở hệ ( SI ) ta có thể dùng một đơn vị tương ứng với khối lượng là năng lượng, tính theo công thức:   c 2 .m Nếu ΔE tính bằng MeV, Δm tính bằng (AEM) thì công thức trên có dạng: E = 931m Trong đó: 1 eV  1,6.1019 J 1 AEM  1,66.1027 kg Như vậy electron có năng lượng nghỉ là: W= me c 2  9,11.1031.(3.108 ) 2 J  0,51.106 eV  0,51MeV **Mối liên hệ của KeV, GeV, MeV và eV như sau: 1 KeV = 103 eV ; 1 GeV = 109 eV ; 1 MeV = 106 eV - Để tính khối lượng của các hạt, người ta thường lấy khối lượng của electron làm đơn vị hay MeV làm đơn vị. - Khối lượng của hạt là một đặc trưng cơ bản và cũng là một tiêu chuẩn để ta phân loại các hạt. Khối lượng cũng là điều kiện để có tương tác hấp dẫn. 4.2.2. Điện tích. - Các hạt cơ bản có thể mang điện tích (Q),với hai dấu ngược nhau (-) và (+) hay trung hoà về điện (Q = 0). - Nếu lấy điện tích nguyên tố làm đơn vị e  1,6.1019 C , thì tất cả các hạt cơ bản như đã biết đều có điện tích là Q = 1; Q = -1; hay Q = 0. Ví dụ: electron có Q = 0; prôton có Q =  1 - Điện tích của phản hạt thì trái dấu với điện tích của hạt. 38 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Trong các phản ứng định luật bảo toàn điện tích luôn luôn được nghiệm đúng. - Điện tích của các hạt là điều kiện để chúng tham gia tương tác điện từ. 4.2.3. Thời gian sống (τ). - Trong tự nhiên có những hạt có thời gian sống rất lâu (τ = ∞) như proton, electron; còn đa số các hạt có thời gian sống bé. Thậm chí có những hạt có thời gian sống khoảng 1023 s. Tức là chúng vừa được chào đời lại phải lìa đời ngay. Đó là các hạt cộng hưởng, là những hạt được tạo thành do hai hạt có năng lượng xác định gặp nhau (va chạm), kết với nhau trong một thời gian rất ngắn rồi sau đó rã thành các hạt khác. - Các hạt có thời gian sống lâu hơn 1020 s được gọi là các hạt bền. Các hạt ở trạng thái tự do thì có đời sống ngắn ngủi, nhưng trong hạt nhân thì nó sống dai chẳng kém gì proton đó là nơtron. Nơtron tự do chỉ sống được 100s. - Thời gian sống (τ) là một đại lượng phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố. ** Vật lí hạt nhân đã xây dựng biểu thức diễn tả định luật phóng xạ: N (t )  N o e   t với   1 gọi là hằng số phóng xạ.  - Căn cứ vào tính ngẫu nhiên của hiện tượng phóng xạ. Thời gian cần thiết trung bình có một nửa số nguyên tử trong mẫu vật bị phân rã phóng xạ, khoảng thời gian ấy là chu kỳ bán rã. - Chu kỳ bán rã T  ln 2  thì mẫu vật rã mất một nữa còn lại một nữa. Ta thấy rằng tuổi thọ của mỗi hạt dài ngắn khác nhau. Ta chỉ lấy giá trị trung bình tức thời là “thời gian sống trung bình” 4.2.4. Momen từ (μ). - Về phương diện điện từ học, các hạt cơ bản đều tồn tại momen từ quỹ đạo (   ) và momen từ riêng (  s ), là những momen từ do chuyển động cơ và chuyển động nội tại của hạt mà có. - Các hạt cơ bản, đặc biệt là các hạt có Q  0 lại có thêm một đặc trưng nữa là “vectơ momen từ toàn phần”:  tp 39 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Vậy momen từ của hạt là tổng hợp hai momen nói trên:  tp    s 4.2.5. Spin (s). - Như ta đã biết, mỗi hạt đều tồn tại một chuyển động nội tại được đặc trưng bởi lượng tử số s, xác định momen động lượng riêng của hạt là: M s  s ( s  1)  Và s được gọi là spin của hạt. - Đa số các hạt có spin bằng 1 và các hạt này thuộc loại fermion, tuân theo 2 phân bố Fermi-Dêrăc. Một số loại khác có s = 1 hay s = 0, chúng thuộc loại các hạt bozon, tuân theo phân bố Boso-Einstein. - Vì hạt có chuyển động nội tại nên hạt liên kết hay hạt tự do đều có spin (s). 4.2.6. Barion tích (B). - Thuật ngữ “Barion” tích cũng có ý nghĩa như thuật ngữ “điện tích”. Các hạt trong nhóm Barion đều có barion tích bằng 1 và các phản hạt của chúng có barion tích bằng -1. Các Barion tham gia tương tác mạnh, trong lòng hạt nhân. Ta xét 3 phản ứng có prôton tham gia: p p p p  hạt p mới sinh ra có kèm theo p (tạo một cặp) p p p p p p  p  p  p  p  n n ~ ở đây xuất hiện một cặp (p + p ) cũng có một cặp Các cặp này có thể tự huỷ thành mêzon π ~ ~ p  p o ; n  n   Xét cả 3 phản ứng có Barion tham gia thì Barion vẫn tồn tại. 40 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo - Vậy trong các phản ứng số lượng Barion nhất thiết phải bảo toàn: định luật bảo toàn tích Barion. Tức là một quá trình phân rã của một Barion nhất thiết phải tạo ra một Barion mới. *Ví dụ:   n    o  p       o  k  4.2.7. Lepton tích (L). - Thuật ngữ lepton tích “ cũng có ý nghĩa như barion tích và điện tích. - Các hạt được xếp vào nhóm lepton thì có lepton tích bằng 1, phản lepton thì có lepton tích bằng -1, còn các hạt khác thì có lepton tích bằng 0. 1 2 - Các lepton đều là fecmion ( s  ). Chúng đều tham gia tương tác yếu. - Trong quá trình tương tác của các hạt, lepton tích cũng tuân theo định luật bảo toàn. 4.2.8. Spin đồng vị (T) và hình chiếu spin đồng vị (Ts). - Để phân nhóm các hạt cơ bản theo từng tuyến, người ta đưa ra định nghĩa đồng vị hạt cơ bản là những hạt có những đặc trưng gần giống nhau như: khối lượng (m), spin (s), lepton tích (L), barion tích (B). Chúng chỉ khác nhau về điện tích và thời gian sống mà thôi. - Số hạt cơ bản trong một tuyến đồng vị được tính theo công thức: N = 2T +1 *Trong đó: N là số hạt T là spin đồng vị của tuyến đó Như vậy nếu biết được N thì ta tính được T của tuyến đồng vị đó. Cũng giống như lượng tử số ms , xác định giá trị hình chiếu của momen động lượng trên trục oz, Ts cũng nhận các giá trị từ -T đến +T. Như vậy Ts có tất cả (2T + 1) giá trị. Do đó mỗi hạt trong tuyến đồng vị đó nhận một trạng thái được xác định bởi giá trị hình chiếu Ts. *Ví dụ: prôton và nơtron lập thành lưỡng tuyến spin đồng vị do đó: 41 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín N = 2 => 2T + 1 = 2 => T= SVTH: Đoàn Thị Thảo 1 1 1 => Ts   và Ts   2 2 2 4.2.9. Số lạ. - Ngoài các đặc trưng đã biết, đối với các hạt hadron người ta còn đưa ra một đặc trưng nữa, đó là số lạ S. Nếu hạt nào có số lạ S khác 0 thì gọi là hạt lạ, còn hạt có S = 0 thì không phải là hạt lạ. Số lạ S được tính theo công thức: S  2Q  B * Trong đó: Q là điện tích trung bình trong tuyến spin đồng vị B là barion tích của các hạt trong tuyến đó * Nếu S  0 : hạt lạ S = 0 : không lạ Trong tương tác của các hạt thì số lạ không nhất thiết phải bảo toàn, nó chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ mà thôi. - Số lạ có liên quan sâu sắc đến spin đồng vị và các đặc trưng khác của hạt như Q  Ts  sau: BS  S  2(Q  Ts )  B 2 (*) *Trong đó: Q, B, Ts, S lần lượt là điện tích, barion tích, hình chiếu spin đồng vị và số lạ của hạt. Dựa vào công thức (*) người ta có thể kiểm tra được hạt nào là hạt lạ hay không phải hạt lạ. *Ví dụ: 1 2 - Hạt nơtron có Q  ; B  1  S = 0  Nơtron không phải hạt lạ. - o  S  2Q  B  2.0  1  1  hạt lạ. 4.3. Mêzon. 4.3.1. Hạt Muy (   ). Khi đặt máy đếm ở tần cao khí quyển, người ta đã phát hiện được các hạt trong tia vũ trụ. Anderson nói rằng “Pozitron” ( e  ) rất hiếm nhưng có thấy trong tia vũ trụ. Điều này đã chứng tỏ tiên đoán của Đêrăc về hạt và phản hạt là đúng. Ngoài ( e  ) người ta còn phát hiện một hạt mới từ tia vũ trụ, có khối lượng lớn hơn me , song nhỏ 42 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo hơn mn  m p . Đầu tiên nó được gọi là các hạt “muy” (  _ ) và  không thấy có ~  0 trung hoà. Đo khối lượng “trung gian” nên tạm xếp nó vào các loại “mêzon”. Chúng cũng không bền và phân rã theo phản ứng: ~    e   e    ~    e   e    3 Thời gian sống    2.10 s. Ta có thêm 1 cặp hạt lepton mới là “nơtrino μ” và “phản nơtrino μ”, với m  200me . 4.3.2. Hạt mêzon (  ,0 ), (pion) Nếu như trường lực điện từ lấy hạt “phôton” làm lượng tử của trường điện từ thì với trường lực mạnh, trong lòng hạt nhân cũng phải có một hạt làm nhiệm vụ trung gian truyền tương tác giữa các nuclon (n và p). Yukava (nhà vật lí người Nhật), năm 1935 nói rằng: lực hạt nhân còn mang tính trao đổi. Đó là quá trình trao đổi một loại hạt mêzon mà ông gọi là hạt pion với dấu (  ,0 ) với ( m  270me ). - Cơ chế tương tác mạnh xảy ra tuần tự như sau: + Mỗi nuclon (n và p) phát ra một hạt pion. Nuclon lận cận bắt lấy và trao trả lại. * Ví dụ: - Hạt prôton phóng thích   và biến thành nơtron. Nơtron bắt hạt   và biến thành prôton. p     n o  2      on 1 p  o - Sau đó tiếp diễn p    n no    1 p  Vậy mỗi nuclon có  1 thời gian là nơtron, sau đó biến thành prôton, do trao đổi   2 o n     Hoặc là : p  p       n o    p      n o 43 Luận văn tốt nghiệp Đại học Vậy mỗi nuclon có GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 1 thời gian là nơtron sau đó lại là p  do trao đổi   . 2 o o p   o  n        o p  o  8.1017 s n Đối với các nuclon trao đổi hạt  **Tóm lại: Các pion (  , 0 o thì prôton và nơtron không biến đổi. ) là hạt mêzon làm nhiệm vụ trung gian truyền tương tác mạnh. Trong quá trình trao đổi (prôton và nơtron) thì các định luật bảo toàn năng lượng và điện tích được nghiệm đúng. Vậy cơ chế này là hợp lý. - Lúc đầu người ta cứ tưởng hạt mêzon này chính là hạt muy (   ) của Anderson phát hiện trong tia vũ trụ. - Nhưng khác ở chỗ là trong tia vũ trụ, không thấy có  o - Khối lượng hai hạt có khác nhau. - Hạt pion không rã như là muy (theo dạng tương tác yếu). Pion tham gia tương tác mạnh. Cũng vì lý do này mà về sau người ta xếp các μuyon vào hang ngũ các lepton thay vì hang ngũ các hadron, các hạt pion lại thuộc về hadron. Đến đây hiển nhiên các nuclon (n và p) là các hadron đầu tiên, sau đó là các pion. Nhưng các pion không phải là các hạt nặng (Barion) mà là các hạt trung gian (mêzon π): m  mn . ** Năm 1950, người ta phát hiện được  o ở trạng thái tự do và đã xác định khối lượng của nó. - Có thể tính trực tiếp khối lượng hạt pion: theo hệ thức bất định Heiseenberg về thời gian và năng lượng E.t   (1) - Hạt pion bay giữa các nuclon với vận tốc v = c, với quảng đường l  ro  1013 cm. l  v.t  c.t  t  l c (2) - Theo Anhxtanh: E   c  t l 44 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín   c 2 .m  m  SVTH: Đoàn Thị Thảo  c    c 2 lc 2 cl - Thay giá trị  ,c, l ta có: 1,05.1034 m   200  300 hạt 3.108.1015 mo  264,1.me m  273,1.me Vậy các hạt pion là có thật. 4.4. Các Hypêron: Từ năm 1950 trở đi, các máy gia tốc hạt lại tạo ra nhiều hạt mới, chưa từng thấy. Có thể kể tên một loạt các nhóm: * Tam tuyến (   , 0 ) và T3  1,0    0,8.1010 s     1,5.1010 s * Đơn tuyến:  0 với   2,5.1010 s 10 Nếu lấy chuẩn   10 s “bền” thì chúng là các hạt bền, có khối lượng xác định: m   1190MeV  m   1197MeV  m 0  1192MeV  mo  1116MeV Vậy chúng có đủ tiêu chuẩn là một “hạt” nên gọi là các “hypêron”. Các hypêron này được tạo ra từ các nuclon.    p  o  k o  k n k Cụ thể trong các phản ứng:   p     o     o cũng được tìm thấy trong tương tác: pion + nuclon. Các hypêron này cũng có thể rã theo các phản ứng: 45 Luận văn tốt nghiệp Đại học   GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín   p   o   n   SVTH: Đoàn Thị Thảo o  n   o  o  o  00 Với   1014 s * Hypêron Ômêga (   ): Nó được tạo thành từ các phản ứng:    p    k o  k o  k  Với m  1672M và   1.1010 s và tạo nên một đơn tuyến (   ). * Từ máy gia tốc, một số Hypêron khác lại được phát hiện: Hypêron Kxi (   ,0 ) Các hạt này không rã thành các nuclon mà qua hạt trung gian (π) rồi mới biến thành o    o   với   1,7.1010 s o   o   o với   3.1010 s Với khối lượng: m   1321MeV m o  1315MeV Có thể so sánh chúng như cặp nuclon (n, p) nên chúng tạo nên lưỡng tuyến. Các hypêron Kxi cũng được tạo thành từ các nuclon.    p   o k o  k o  o  n    k   k o Tóm lại: xuất phát từ các nuclon bị bắn phá ta có các hypêron, Xigma, Kxi, Omêga, lamđa (η) với số hạt tổng cộng là 8 hypêron. 46 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 4.5. Số lạ. Các mêzon K (kaon). Nhìn các phản ứng tạo ra các hypêron từ các nuclon ta thấy hạt pion biến mất mà xuất hiện một hạt mới đó là các mêzon K (kaon): K  , 0 . Nuclon (p) đã biến thành một hạt mới sống lâu (   1010 s ). Khi nó rã thì một pion và một nuclon lại xuất hiện và thêm một mêzon K mới. Nó sống lâu, đi được quãng đường dài, có thể ghi nhận dễ dàng. Người ta bắt gặp chúng, trước tiên, trong tia vũ trụ, sau đó là ở phòng thí nghiệm. Liên quan đến mêzon Kaon là một định luật bảo toàn mới: bảo toàn “tích Kaon” mà sau này gọi là bảo toàn “số lạ S”. 47 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo CHƯƠNG V CẤU TRÚC BÊN TRONG CÁC HADRON “CÁC QUAC VÀ PHẢN QUAC”  5.1. Tìm hiểu lịch sử về “quac”. Trái với lepton, các hadron lại có mọi chứng cớ của một cấu trúc phức tạp. Lý thuyết đã chỉ ra được đều đó còn trong thực nghiệm, người ta đã thấy các proton và nơtron có kích thước 1013 cm và bên trong chúng điện tích được phân bố theo kiểu nhất định, mặc dù proton có điện tích toàn phần bằng 1 và của nơtron bằng 0. Năm 1963, khi suy nghĩ về các hạt lạ, Gellmann nói rằng: “Các hadron đều được cấu thành từ các hạt “thực sự cơ bản”. Bên cạnh đó là nhà vật lý người Thụy Sỹ Xvei, hai người đã độc lập nhau đưa ra một giả thuyết có ý nghĩa tương tự. Giả thuyết cho rằng: sự sắp xếp các hadron thành các siêu đa tuyến nói trên là hòan toàn hiểu được nếu ta thừa nhận: “Tất cả các hadron đều được cấu tạo từ những thành phần cơ bản hơn mà Gellmann gọi là các hạt “quac” hay còn gọi là các “mùi” quac. Tên gọi “quac” được mượn từ thuyết Finnegan’s Wake của James Joice; tác giả không đưa ra một thông tin nào liên quan đến đặc trưng của những cái gọi là các “quac” mà chỉ khẳng định sự tồn tại của chúng; do đó, nó hoàn toàn không mang một ý nghĩa vật lý nào cả. Theo thời gian các quac được tìm hiểu. Gellmann đưa ra ba mùi “quac” và ba mùi “phản quac” sau đây: ~ - Quac u (up) và phản hạt là u ~ - Quac d (down) và phản hạt là d ~ - Quac s (strange) và phản hạt là s Các “quac” đều là các hạt điện tích nhưng đặc biệt ở chỗ: những hạt mà trước đây ta xem là hạt cơ bản đều có điện tích của các hạt “quac” lại là một phân số của điện tích này ( với e  1,6.1019 C 48 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Nếu ta lấy điện tích e làm đơn vị thì : 2 3 - Quac u mang điện tích: Q  e 1 3 - Quac d mang điện tích: Q   e 1 3 - Quac s mang điện tích: Q   e *Phản quac có dấu ngược lại (trừ s) *Các mùi quac đều là các fecmion. Ngoài điện tích, các mùi quac và phản mùi quac còn có các đặc trưng cơ bản khác nhau như: barion tích, thời gian sống, spin, số lạ,… Với các quac và phản quac như thế, Gellmann đã cấu tạo nên mọi nuclon, barion, mêzon. Các quac xuất hiện trong hạt nhân nguyên tử. Mỗi nuclon gồm ba quac: prôton được tạo thành từ hai quac u và một quac d; nơtron từ một quac u và hai quac d và ~ ~ đương nhiên các phản nuclon ( p, n ) được cấu tạo từ ba phản quac tương ứng. Quac cũng là thành phần cơ bản của các hadron – những hạt tham gia vào mọi tương tác đã biết. Chẳng hạn, các mêzon luôn được cấu tạo từ một quac và một phản quac; còn các barion từ ba quac; các phản barion từ các phản quac. 5.2. Sự tồn tại của “quac” Quac có thật sự tồn tại không? Khối lượng của các mùi thuộc quac u, d, s đều nhỏ hơn 1 m p  313Me . Nếu thế thì các prôton sẽ bị vỡ thành các hạt quac ấy và nơtron cũng 3 vậy. Người ta tìm nó ở mọi nơi bằng nhiều phương pháp: + Xác định khối lượng của quac bằng cách đo khối lượng của chúng trong ống đếm Sêrencốp và đo thời gian bay. + Xác định điện tích Q của quac từ khả năng ion hóa của quac, trong ống đếm nhấp nháy. *Tại Secpukhôpơ người ta dùng nam châm điện, thấu kính từ, ống đếm,...Tìm quac trong tia vũ trụ: năm 1969 tại Australia nhóm Cusker quan sát 55.000 vết, thấy có ba 49 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo vết nghi là do quac gây ra. Nhưng sau đó đã xác nhận lại là do mêzon (   ) và các e chậm, chứ không phải quac. + Người ta dùng buồng bọt cũng vô hiệu. +Dùng phương pháp hóa – lý, tích tụ hạt bằng điện trường, làm giàu quac bằng bốc hơi, dùng phương pháp Miliken; dùng phổ kế từ,… Tất cả đều vô hiệu quả. Cho đến nay, chưa ở đâu phát hiện được quac ở trạng thái tự do. Từ “quac” cũng là một ngẫu hứng đặt ra mà thôi. 5.3. Cấu trúc bên trong các hadron. Với 3 mùi và 3 phản mùi quac đã biết, có thể xây dựng cấu trúc các hadron và các phản hadron. 5.3.1. Các Barion: Nuclon: Có thể tiên đoán là n và p đều có S = 0, nên mùi của quac s không có mặt ở các nuclon, n và p được cấu thành từ các mùi quac u và d. * Cấu tạo prôton theo quac: - Prôton được cấu tạo từ các quac u và d theo các hợp phần sau: ~ p = u + u + d = uud ~ ~ ~ p  uud - Nghiệm lại các định luật bảo toàn ta thấy: Đối với p 2 2 1   1 3 3 3 1 1 1 B    1 3 3 3 S 0000 Q ~ Đối với p 2 2 1 Q '      1 3 3 3 1 1 1 B      1 3 3 3 S 0000 * Cấu tạo nơtron theo quac: - Nơtron được cấu tạo từ các quac u và d theo các hợp phần sau: ~ ~ ~ ~ n  d du n = d + d + u = ddu - Nghiệm lại các định luật bảo toàn ta thấy: 50 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo ~ Đối với n Đối với n 1 1 2 Q   0 3 3 3 1 1 1 B    1 3 3 3 S 0000 Q'  1 1 2   0 3 3 3 1 1 1 B      1 3 3 3 S  000  0 Từ cấu tạo của các nuclon ta thấy trong sự phân rã   ,   trong lòng hạt nhân chỉ có cơ chế chuyển đổi của các mùi quac trong prôton và nơtron.  Đối với phân rã   : 1 0 n11p  0 v e  10 e  ddu  uud  e   ve Vậy trong phân rã   ,1 quac d đã chuyển đổi thành 1 quac u (trong lòng nuclon)  Đối với phân rã   : 1 1 p  01n  10e  00ve uud  ddu  10e   ve Vậy trong phân rã   , 1 quac u đã chuyển đổi thành 1 quac d (trong lòng nuclon). Lưu ý: + Quá trình chuyển hóa xảy ra trong phạm vị hẹp hơn 1013 cm. 1 2 + Định luật bảo toàn spin được nghiệm đúng hoàn toàn (vì các quac đều có s  ) cho cả hai phản ứng kể trên. + Các định luật bảo toàn điện tích (Q), tích Barion (B) đều được nghiệm đúng. 5.3.2. Các Hyperon:  , 0 a.Hyperon sigma:   sdd ( là các hạt lạ nên cần có mùi quac s tham gia)     s d d 51 Luận văn tốt nghiệp Đại học   udd 0  và GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín ~ ~ ~ Hai hyperon này có cấu trúc như nhau   usd  usd 0 0 ~ ~ ~ 0  usd và SVTH: Đoàn Thị Thảo song khác nhau ở chỗ  0 là thành viên của tam tuyến; còn 0 thuộc đơn tuyến 0 . b.Ômêga:    sss và ~ ~~~   s s s 5.3.3. Các mêzon và phản mêzon: Mỗi mêzon cấu thành từ một mùi quac và một mùi phản quac chọn thích nghi: Ví dụ: Mêzon  , 0 (không lạ) nên không chứa s mà chỉ chứa u và d. a.Tam tuyến pion ~ ~   ud   du ~ ~ ~ ~  o  u u  d d nữa thời gian sống là u u ; nữa còn lại là d d b.Tam tuyến Kaon: ~ ~ k   u s và k   k   u s ~ ko  d s c.Mêzon: ~ ~   u d giống như (  ) và   d u (giống   ) khác nhau ở đa tuyến phụ thuộc. o  o d.Mêzon  o (êta): ~ ~ ~ o ~ ~ ~ ~   u u  d d  s s đời sống gồm 3 giai đoạn và   u u  d d  s s o Ta có thể giải thích vì sao các mêzon đều là các Bôzon vì chúng chỉ gồm 2 hạt thành viên là mùi quac và một phản mùi quac, cả hai mùi quac này đều là các fecmion, tuân theo nguyên lý Pauli nên spin của mêzon là 0 cho các tam tuyến, cho  o , o là 1. 52 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Tóm lại: Quan điểm của Gellmann về các mùi quac rõ ràng có thể thừa nhận. Nhưng nó vẫn còn nhiều vướng mắc phải được xét kỹ và bổ sung. ** Với 3 mùi quac và mùi phản quac chỉ có thể ghép thành 9 mêzon. ~ ~ ~ ud ; d u ; uu ~ ~ ~ u s; su; d d ~ ~ ~ d s; sd; ss + Nếu ta ghép các mêzon có spin (s) như nhau nhưng khác nhau theo số lạ (S) và spin đồng vị (T) để có một siêu đa tuyến như đã nói ở trên, thì chỉ có được. 1 đơn tuyến Tổng cộng là 9 mêzon 1 bát tuyến ~ ~ ~ + Nếu ghép 3 mùi quac u, d, s và 3 mùi phản quac u , d , s thì cũng chỉ có 27 tổ hợp dành cho Barion. Khi xây dựng siêu đa tuyến, với tiêu chuẩn cùng (s) khác S và T thì có được: 1 đơn tuyến 2 bát tuyến Tổng cộng 27 Barion 1 thập tuyến Vậy với Gellmann: chỉ mới xây dựng được tất cả là 36 = 9 + 27 hadron. Thế nhưng hàng ngũ hadron ngày càng nhiều gần 350 hạt. 5.4. Số lượng tử màu (màu của quac). Thuyết sắc động lực học. 5.4.1. Số lượng tử màu. Để góp phần xây dựng hoàn chỉnh cấu trúc của hadron; ngoài những đặc trưng đã biết nhà vật lý Ginbec đã bổ sung ý kiến của mình với giả thiết cho rằng: các quac còn một đặc trưng nữa gọi là “màu” của quac. Màu của quac có ba giá trị khác nhau là: 53 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín  Màu đỏ (red), kí hiệu là: r  Màu lục (blue), kí hiệu là: b  Màu xanh lá (green), kí hiệu là: g SVTH: Đoàn Thị Thảo Các phản quac cũng có ba màu là: lam, vàng, đỏ thắm. Và bây giờ, ngoài nguyên lý Pauli còn có thêm hai quy tắc liên quan đến “màu”: + Một là các barion phải được cấu tạo từ ba hạt mùi quac, mỗi mùi một màu. + Hai là các mêzon được cấu tạo từ quac và phản quac cùng màu, nhưng với xác suất cả ba màu đều như nhau. Từ đây ta có thể suy ra là, không hạt hadron nào có màu nhất định cả, tức chúng đều không có màu. Thực tế, ta không thể nào quan sát “thấy màu”, nhưng việc tồn tại ba màu của quac là hoàn toàn có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm. 5.4.2. Thuyết sắc động lực học. Bằng việc kết hợp ba quac với ba màu khác nhau để tạo thành hadron; quac và phản quac để tạo thành mêzon. Và câu hỏi đặt ra là lực gì đã giữ chúng lại? Tương tự như lối suy nghĩ trong tương tác điện từ trong tương tác giữa các quac, người ta cho rằng có một trường hạt để truyền tương tác, hạt đó đóng vai trò như hạt phôton trong tương tác điện từ và có tên gọi là gluon. Hạt gluon giống phôton ở chỗ đều có spin bằng 1, không có khối lượng và không tích điện. Tuy nhiên chỉ có một hạt phôton trong khi có đến tám gluon. Bên cạnh đó gluon là hạt có màu, do đó khi quac nào phát ra hay thu vào một gluon thì màu của quác đó thay đổi còn mùi thì giữ nguyên. Ví dụ: hạt quac “u” đỏ sau khi phát ra gluon sẽ biến thành “u” xanh chẳng hạn, nhưng không thể nào thành quac “d” và quac “s” được. Lý thuyết về hạt gluon đặc trưng cho sự cho sự tương tác giữa các quac màu gọi là “thuyết sắc động lực hoc”. Thuyết sắc động lực học khẳng định rằng: tương tác giữa các quac màu là tương tác mạnh. 54 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo 5.4.3. Các tính chất của quac Đến đây, ta có thể thấy rằng các hadron không phải là các hạt cơ bản , mà nó được cấu tạo từ những hạt cơ bản hơn – các mùi quac. Thực nghiệm chưa phát hiện được các quac ở trạng thái tự do. Vấn đề này liên quan đến tính chất lực tương tác của các quac trong hạt mà nó cấu thành. Theo thuyết sắc động lực học lực tương tác giữa các quac màu là rất lớn và không đổi khi tách rời hai quac màu ra xa nhau. Ta thấy để tách electron ra khỏi nguyên tử chỉ cần một năng lượng vài eV. Tách prôton ra khỏi hạt nhân thì cần vài triệu eV. Tách một quac ra khỏi prôton phải cần một năng lượng 1013 eV. Trong quá trình đạt tới mức năng lượng lớn để có thể tách hai hạt quac thì đã xảy ra quá trình sinh ra một cặp quac – phản quac từ một quac do nguồn năng lượng được cung cấp để kéo chúng ra. Ví dụ đối với các quac trong một prôton. Hạt quac mà ta định kéo nó ta khỏi prôton, nó chưa kịp ra thì đã nhận năng lượng ấy để sinh ra một cặp quac và phản quac. Hạt quac mới này thay chỗ cho hạt quac định kéo ra để bảo toàn prôton. Còn hạt phản quac thì dính vào hạt quac kia để tạo ra một mêzon (không màu). Thế nên, tất cả những gì mà ta đạt được là tạo ra một mêzon (không màu). Như vậy, ta không thể nào tách rời ra được một quac hay một gluon nào cả. Đây là nội dung giả thiết quac bị “cầm tù” bên trong các hadron. Chính trạng thái “cầm tù” này nên các quac không khi nào ở trạng thái tự do. Trái lại bên trong các hadron, tức là các quac ở rất gần nhau, thì lực tương tác giữa chúng lại bằng 0, nghĩa là các quac tuy đứng kế nhau nhưng không ảnh hưởng gì đến nhau cả. Tính chất này được gọi là tiệm cận tự do, đã được lý thuyết chứng minh và thực nghiệm kiểm chứng. 5.4.4. Mùi quac thứ tư (quac duyên c) Năm 1974, người ta tìm được một mezon mới: hạt J- Psi, kí hiệu là J /ψ. Hạt có khối lượng vào cỡ 3,1 GeV. Đời sống khá dài vào cỡ   1020 s hoặc hơn 1000 lần như thế. Vậy có một nguyên nhân nào đó ngăn cản nó rã nhanh hơn như các mêzon khác. Không thể dùng 3 mùi quac u , d, s để cấu trúc cho hạt J- Psi. 55 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Hơn nữa, giới tự nhiên vốn có tính đối xứng. Lúc này ta đã có bốn hạt cơ bản là bốn lepton (e , ve ,  ,v ) thế nhưng mới có 3 mùi quac, người ta lâp luận nên có một quac thứ tư để có đối xứng “ lepton – quac”.Năm 1970, ba nhà vật lý: Glashow, Jlliopulos và Maine nói “ có tồn tại trong tự nhiên mùi quac thứ 4” . Gọi là quac c ; hạt này được đặc trưng bởi lượng tử số gọi là “duyên” (charme) với lượng tử C =  1, 0 C = +1 cho quac duyên C = -1 cho phản quac duyên C = 0 cho quac không phải là quac duyên. Trong năm 1974, Sting và Ritchetor phát hiện hạt mezon J- Psi được cấu tạo theo công ~ thức : J   C C Quac duyên C có: M c  1350 MeV ; Q  2 1 1 ; L0 ; B ; s 3 3 2 S = 1 ; T = 0 ; T3  0 Sau đó, người ta lại tìm được nhiều hạt mêzon và hạt barion mới nữa, mà thành phần cấu tạo của chúng có chứa quac c. Tất cả các hạt có cấu tạo từ quac c đều được gọi là các hạt “duyên”. 5.4.5. Quac mùi thứ 5 - quac đẹp (b - beauty) Năm 1975, người ta phát hiện thêm một lepton mới: lepton “ Tau” ,kí hiệu là “τ”. Do đó, đối xứng lepton – quac bị phá vỡ. Bằng niềm tin thuyết đối xứng trong tự nhiên, năm 1977 người ta đề xướng mùi quac thứ 5 gọi là quac đẹp (b) được đặc trưng bởi lượng tử số “đẹp” với các đặc trưng dự đoán: M b  4700 MeV Q ;s 1 1 ;B ; S 1 2 3 1 ; T  0 ; T3  0 ; L  0 ; b  1,0 3 Năm 1979, thực nghiệm phát hiện thêm 1 Hadron mới là mêzon “ upxilon”, kí ~ m m hiệu là  .Được cấu thành theo công thức:   b b 56 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo Cùng với lepton τ, người ta đã chứng minh sự tồn tại của “notrino tau” ( v ) cũng là một lepton. 5.4.6. Quac mùi thứ 6 – quac vị hay quac đỉnh ( t ) Đến bây giờ ta đã có 6 hạt lepton và 5 mùi quac. Để đối xứng lepton – quac không bị vi phạm, người ta nói rằng có tồn tại một mùi quac thứ 6, gọi tên là quac vị hay quac đỉnh ( t ). Với các đặc trưng dự tính như sau: M t  22.000 MeV Q ;s 1 1 ;B ; S 1 2 3 2 ; T  0 ; T3  0 ; t  1,0 3 Năm 1984, Carlo- Rubia, nhà vật lý người Ý đã tìm thấy hạt này đúng như dự đoán. ~ Ông đã quan sát được hạt t và t 5.4.7. Tổng kết về các hạt thật sự cơ bản Một mô hình chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản: + Hạt fermion: spin bán nguyên, fermion là những hạt vật chất. + Hạt bosson: spin nguyên, bosson là những hạt truyền tương tác. Tất cả có 12 hạt “ thực sự cơ bản” gồm: 6 lepton và 6 mùi quac ( mỗi quac có 3 màu khác nhau r, g, b) * Các lepton: Electron e ( 1 e0 ) Mezon   (  ) tau ( τ ) Notrino e ( ve ) Notrino  Notrino  (v  )   ( v )  57 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo * Các hạt quac: Hạt M(MeV) s Q (e) B L S c (b) T Ts 4 1 2 2 3 1 0 0 0 1 2 1 2 1 3 1 0 0 0 1 2 2 3 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (1) 0 0 u (up) d (down) 8 c (charm) 1350 s (strange) t (top) 150 22000 b (beauty) 4700 1 2 - 1 2 1 2  1 2 3 3 3 1 3 1 3 2 3 1 2  1 2 - 1 3 1 3 1 3 Bên cạnh đó là 12 phản hạt tương ứng: ~ ,   6 phản lepton: e ~ 6 mùi phản quac : u ~ ~ ~ ~ ,  ~ ~ ~ ~ , ve , v , v ~ ~ ~ , d , s , c , b , t với 3 phản màu khác nhau: ~ r ,b , g . 1 2 Tất cả các hạt và phản hạt thật sự cơ bản này đều là các fecmion ( s  ). Cùng với hàng ngũ này là loại hạt tham gia “cấu trúc”, và các hạt thật sự cơ bản làm nhiệm vụ trung gian truyền tương tác chính là các hạt Bosson. Bosson gồm 4 loại: + Photon: hạt trung gian trong tương tác điện từ + W và Z bosson: hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu + Gluon: hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh + Higss: có Spin bằng 0 ; đóng vai trò chủ động tạo nên khối lượng cho vạn vật ( vẫn còn nghiên cứu ) 58 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo ♣ Mô hình chuẩn hoàn chỉnh  Tất cả vật thể xung quanh ta đều được cấu thành từ 17 “viên gạch” của vũ trụ.  17 hạt cơ bản - những cấu phần nhỏ nhất của tự nhiên mà Mô hình Chuẩn đã mô tả tường minh. 59 Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín 60 SVTH: Đoàn Thị Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín 61 SVTH: Đoàn Thị Thảo Luận văn tốt nghiệp Đại học GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn Thị Thảo KẾT LUẬN  Việc khám phá thế giới tự nhiên luôn là một “kho báu” mà các nhà khoa học tích cực theo đuổi. Cùng với sự phát triển của xã hội thì con người ngày càng hứng thú nghiên cứu mọi vật thể trong tự nhiên – dưới dạng hạt. Càng đi sâu vào thế giới “bên trong” của vật chất thì ngày càng phức tạp. Tóm lại, vật chất ở dạng hạt trong vũ trụ, từ những “hạt” bé nhất đến những “hạt” lớn nhất, tất cả đều được cấu tạo từ những hạt cơ bản thực sự và mang các đặc trưng chung đó là năng lượng và khối lượng. Về thành phần cấu trúc của thế giới vật chất, ta đã nêu tên cụ thể các hạt cơ bản. Những “hạt” tưởng là rắn chắc, không thể phân chia, được xem là những hạt cơ bản. Nhưng qua lịch sử, ta thấy một hạt nào đó vốn được xem là hạt cơ bản, sau đó, không còn là cơ bản nữa. Điều này, một lần nữa làm cho thế giới vật chất trong tự nhiên càng trở nên huyền bí. Những thử thách của tự nhiên này không làm trùng chân khám phá, con người ngày càng bước những bước “sâu” hơn, “rộng” hơn vào thế giới vật chất. Và càng đi sâu vào thế giới “hạt” thì kích thước “hạt” càng nhỏ. Những vấn đề mới được đặt ra: trong không gian chật hẹp đó hạt vận động và tương tác như thế nào? Theo tinh đối xứng của tự nhiên thì lượng “hạt” và “phản hạt” trong vũ trụ có bằng nhau không?... Các nhà vật lý đang cố gắng nghiên cứu, tìm kiếm xem bản chất chung của hiện tượng vật lý. Thế giới vật chất còn biết bao điều bí ẩn đang chờ đợi sự khám phá của khoa học và các nhà vật lý tương lai. Hiện nay, điều đó còn tùy thuộc vào ngành vật lý năng lượng cao, nơi mà người ta tiên đoán rằng những bí ẩn của cấu trúc vật chất sẽ được khám phá và khi đó thì chúng ta sẽ biết được chính xác cội nguồn vật chất là gì? 60 Luận văn tốt nghiệp Đại học Thị Thảo GVHD:ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Đoàn TÀI LIỆU THAM KHẢO  1. Vật lý đại cương. Tác giả: Lương Duyên Bình. NXB GD 1997 2. Vật lý nguyên tử và hạt nhân. Tác giả: Phạm Duy Hiển. NXB GD 1983 3. Hạt cơ bản – vũ trụ siêu thế giới đầy bí ẩn. Tác giả: Vũ Thanh Khiết. NXB GD 1999 5. Giáo trình Vật lý nguyên tử và hạt nhân. Tác giả: Hoàng Xuân Dinh 6. Giáo trình Vật lý hạt nhân và cơ bản. Tác giả: Nguyễn Xuân Tư. 7. http://thuvienvatly.com 8. http://vi.wikipedia.org/wiki/Quark 9. http://tai-lieu.com/tai-lieu/de-tai-hat-so-cap-6103/ 10. http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADt_ch%E1%BA%A5t 11. http://www.khoahoc.com.vn/timkiem/h%E1%BA%A1t+higgs/index.aspx 12. http://thanhtra.edu.vn/category/detail/157-trinh-bay-dinh-nghia-vat-chat-cuale--nin-va-y-nghia-cua-phuong-phap-luan-nay.html. [...]... phân tử được cấu thành từ các nguyên tử Các vật thể vĩ mô được cấu thành từ các phân tử * Có các loại phân tử: đơn nguyên tử, lưỡng nguyên tử, đa nguyên tử Các phân tử cấu tạo nên vật đều ở trạng thái luôn chuyển động Cũng như các vật chuyển động khác, các phân tử có động năng Ngoài ra, giữa các phân tử có lực hấp dẫn lên nhau nên chúng có thế năng Thế năng phụ thuộc vào vị trí tương đối của các phân tử. .. thể nói: thế giới của các nguyên tử, hạt nhân, hạt hạ nguyên tử, …gọi chung là thế giới các hạt vi mô Và cả thế giới vi mô đều mang những đặc tính lượng tử 2.1.1 Phân tử và nguyên tử là hạt cơ bản Khái niệm về vật chất là tổ hợp của những đơn vị rời rạc và không thể chia nhỏ hơn đã xuất hiện từ nhiều thiên niên kỷ Các nhà triết học cổ đại Hy Lạp và Ấn Độ đã nhắc tới khái niệm nguyên tử Nguyên tử luận... Như vậy, việc tìm ra nguyên tử là một bước tiến rất lớn trong quá trình tìm hiểu thế giới vật chất Vì ta biết rằng, thế giới tự nhiên được tạo nên từ vô số các phân tử muôn hình vạn trạng…song cũng chỉ được tạo nên từ trên 100 loại nguyên tố hoá học mà ra 2.2 Các mẫu nguyên tử theo lý thuyết cổ điển Về bản chất, thế giới tự nhiên gồm các hạt được tạo nên từ nguyên tử Nguyên tử, từ lâu được cho rằng... Từ số Lôsmit, muốn tìm số Avôgrađrô ta chỉ cần nhân lên với thể tích nguyên tử gam Kết quả: N A  6,023.1023 hat mol Thế là vật lý học đã đếm được số nguyên tử và “thuyết nguyên tử về cấu trúc thế giới vật chất , coi như là một thuyết khoa học kể từ đó Tóm lại: cho đến cuối thế kỷ 19, vật lý học khẳng định rằng: hạt cơ bản cấu thành thế giới vật chất chính là nguyên tử đúng như Đêmôcrít đã nói Các. .. hai nguyên tử Oxi tạo thành Và phân tử lại là đơn vị cấu thành vật chất trong hệ vĩ mô và nó giữ nguyên mọi tính chất của vật chất Ví dụ như: khí Oxi trong bình cũng có mọi tính chất của phân tử Oxi, một thỏi vàng cũng có tính chất như phân tử vàng… Tóm lại, vật lý học cổ điển (cơ học Newton) là các kiến thức ban đầu về giới tự nhiên, đều liên quan đến các đối tượng vật chất xung quanh ta Đó là các vật. .. thể trong tự nhiên (các hạt vật chất) cũng không thoát khỏi quá trình vận động như thế của con người để đi đến kết luận: các vật dù rất lớn (siêu vĩ mô) đến các hạt rất nhỏ (vi mô) đều được cấu thành từ các hạt cơ bản và sắp xếp theo một cấu trúc nhất định bên trong nó Điều đó chứng tỏ thế giới hạt rất phong phú, đa dạng, vô tận cùng với sự vô tận của giới tự nhiên Các vật thể (hạt) trong vũ trụ này,... Hy Lạp Lơkipo nêu lên đầu tiên, từ 500 năm trước công nguyên Theo ông: “có thể chia không gian thành từng khu vực giới hạn Giới hạn cuối cùng, không thể phân chia nhỏ hơn nữa, có chứa vật chất là nguyên tử Theo ngôn ngữ hiện đại: nguyên tử là hạt cơ bản “ cấu thành thế giới vật chất Tuy nhiên, thuyết nguyên tử của ông đã bị các triết gia có uy tín lớn thuộc các thế hệ sau bác bỏ Đặc biệt, Arixtôt... biệt được rằng:  Phân tử các đơn chất được cấu thành từ các nguyên tử đồng loại Ví dụ: O2  O  O  Phân tử hợp chất cấu thành từ các nguyên tử khác loại Ví dụ: H 2 O  2 H  O Sở dĩ, các nguyên tử liên kết được với nhau là nhờ các liên kết bên trong phân tử như: liên kết cộng hoá trị, liên kết ion, liên kết kim loại… Các phân tử khác nhau về nhiều mặt như: mùi, vị, màu sắc, tính chất hoá, lý,…,kể cả... được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ không thể phân chia được -nguyên tử Điểm hoàn toàn mới và rất cơ bản trong lý thuyết Đantơn là những nguyên tử được xem như là có một “khối lượng” nhất định; khối lượng này thay đổi từ nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn các hợp chất là kết quả của sự kết hợp các nguyên tử thuộc những... phân tử Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật gọi là “nội năng” của vật đó Đây là bản chất của hạt vi mô thể hiện trong tính chất của hạt vĩ mô được tạo thành Nguyên tử là hạt vi mô có kích thước nhỏ hơn kích thước phân tử Các nguyên tử không chỉ khác nhau về kích thước, hình dạng…mà còn nhiều điểm nữa Ta có trên 100 loại nguyên tử khác nhau, gọi là các nguyên tố hoá học” Chúng