những thí nghiệm cơ bản trong vật lý

Phần NỘI DUNG Chương 1: THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ 1.1 MẪU NGUYÊN TỬ THOMSON Đến thế kỉ XIX quan niệm về nguyên tử là phần tử cuối cùng không phân chia được của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NHỮNG THÍ NGHIỆM CƠ BẢN TRONG VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

MSSV: 1100214 Lớp: SP Vật Lý K36

Cần Thơ, 5/2014

LỜI CẢM ƠN



Sau một khoảng thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn

của mình Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân cùng với sự

hướng dẫn tận tình của quý thầy cô, đặc biệt là thầy Hoàng Xuân

Dinh đã cung cấp, hướng dẫn cho tôi thực hiện đề tài Ngoài ra

còn có sự đóng góp ý kiến từ các bạn trong lớp Sư phạm Vật lý

K36

Tuy đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn, nhưng khó tránh khỏi

những thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và

các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 25 tháng 8 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Lê Trung Hiếu

MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Giới hạn của đề tài 1

4 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 1

4.1 Phương pháp nghiên cứu 1

4.2 Phương tiện thực hiện đề tài 2

5.Các bước thực hiện đề tài 2

Phần NỘI DUNG 3

Chương 1 THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ 3

1.1 Mẫu nguyên tử Thomson 3

1.2 Thí nghiệm của Rutherford – mẫu nguyên tử Rutherford 4

1.2.1 Thí nghiệm của Rutherford 4

1.2.2 Mẫu nguyên tử Rutherford 7

1.3 Mẫu nguyên tử Rutherford - Bohr 8

1.3.1 Lý thuyết của Bohr về cấu trúc nguyên tử 8

1.3.2 Mẫu nguyên tử Rutherford – Bohr 10

Chương 2 THÍ NGHIỆM NHIỄU XẠ TIA X TRÊN TINH THỂ 12

2.1 Thí nghiệm phát kiến ra tia X 12

2.2 Thí nghiệm nhiễu xạ tia X trên tinh thể 13

2.2.1 Thí nghiệm của Vonlaue 13

2.2.2 Thí nghiệm của hai cha con Bragg 14

Chương 3 NHIỄU XẠ ELECTRON TRÊN TINH THỂ 16

3.1 Sóng De Broglie 16

3.2 Thí nghiệm nhiễu xạ electron 18

3.2.1 Thí nghiệm của Davission và Germer 18

3.2.2 Thí nghiệm của G.P.Thomson 19

3.2.3 Thí nghiệm giao thoa electron qua hai khe 20

3.3 Lưỡng tính sóng – hạt ở hạt vi mô 21

3.3.1 Lưỡng tính sóng hạt của bức xạ điện từ 22

3.3.2 Lưỡng tính sóng hạt của vật chất 23

Chương 4 THÍ NGHIỆM PHỔ NĂNG LƯỢNG  25

4.1 Một số tính chất của lực hạt nhân 25

4.1.1 Cấu tạo hạt nhân 25

4.1.2 Đồng vị, khối lượng và bán kính của hạt nhân nguyên tử 25

4.1.2.1 Đồng vị của hạt nhân nguyên tử 25

4.1.2.2 Khối lượng của hạt nhân nguyên tử 26

4.1.2.3 Bán kính của hạt nhân nguyên tử 27

4.1.3 Số khối và độ hụt khối 27

4.1.3.1 Số khối 27

4.1.3.2 Độ hụt khối 27

4.1.4 Kích thước và hình dạng hạt nhân 28

4.1.4.1 Kích thước hạt nhân 28

4.1.4.1.1 Khảo sát tán xạ nơtron 28

4.1.4.1.2 Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt điện tích 28

4.1.4.1.3 So sánh năng lượng liên kết các hạt nhân gương 28

4.1.4.1.4 Khảo sát lực hạt nhân 29

4.1.4.2 Hình dạng hạt nhân 30

4.1.5 Năng lượng liên kết hạt nhân 31

4.1.5.1 Đơn vị đo khối lượng và năng lượng 31

4.1.5.2 Năng lượng liên kết 32

4.1.5.3 Năng lượng liên kết riêng 32

4.1.5.4 Năng lượng tách các hạt ra khỏi hạt nhân 34

4.1.6 Spin và mômen từ của hạt nhân nguyên tử 34

4.1.6.1 Spin hạt nhân 34

4.1.6.2 Mômen từ hạt nhân 35

4.1.7 Các loại tương tác và các tính chất của lực hạt nhân 36

4.1.7.1 Tổng quan về các loại tương tác 36

4.1.7.1.1 Tương tác hấp dẫn 36

4.1.7.1.2 Tương tác yếu 37

4.1.7.1.3 Tương tác điện từ 39

4.1.7.1.4 Tương tác mạnh 40

4.1.7.2 Các tính chất của lực hạt nhân 40

4.1.7.2.1 Lực hạt nhân có bán kính tác dụng vô cùng nhỏ 41

4.1.7.2.2 Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích 41

4.1.7.2.3 Lực hạt nhân không chỉ là lực hút 41

4.1.7.2.4 Lực hạt nhân là lực trao đổi 41

4.1.7.2.5 Lực hạt nhân có tác dụng bão hòa 42

4.1.7.2.6 Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin của các nuclon 42

4.2 Hiện tượng phóng xạ 43

4.3 Phổ năng lượng  và hạt neutrino 44

4.3.1 Phổ năng lượng  44

4.3.2 Hạt neutrino 44

4.3.2.1 Nguồn gốc hạt neutrino 44

4.3.2.2 Sự tồn tại hạt neutrino 45

Chương 5 THÍ NGHIỆM PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 47

5.1 Năng lượng vỡ hạt nhân 47

5.2 Phản ứng dây chuyền của sự vỡ nhân uran 49

Chương 6 THÍ NGHIỆM NHIỆT HẠCH HẠT NHÂN 50

6.1 Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch 50

6.2 Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ 52

Phần KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

là những câu hỏi đặt ra cho chúng ta Khi tìm hiểu về các định luật vật lý, ta thấy rằng: thí nghiệm có vai trò rất quan trọng, từ những thí nghiệm này các nhà vật lý học đã đưa

ra được các thuyết vật lý, xây dựng biểu thức, phát hiện các định luật mới, các hiện tượng mới,…

Xuất phát từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại”, nhằm điểm lại các thí nghiệm trong lịch sử vật lý học hiện đại và cho thấy vai trò của các thí nghiệm không thể thiếu trong nghiên cứu vật lý và cũng chứng minh cho một phương pháp nghiên cứu vật lý quan trọng đó là phương pháp thực nghiệm

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Trình bày các thí nghiệm quan trọng, không thể thiếu trong quá trình phát triển của vật lý học hiện đại

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài chỉ đưa ra các thí nghiệm cơ bản có tính đột phá cho quá trình phát triển của vật lý học hiện đại chứ không trình bày tất cả các thí nghiệm Ở đây chỉ nghiên cứu đề tài trên cơ sở lý thuyết, chưa nghiên cứu các thí nghiệm bằng thực nghiệm

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, tôi đã thực hiện các phương pháp nghiên cứu sau:

- Tổng hợp những tài liệu nói về các thí nghiệm quan trọng của vật lý hiện đại, những thông tin có liên quan

- Phân tích, tổng hợp các nội dung có liên quan để soạn thảo luận văn, từ đó rút ra nhận

xét đánh giá với sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn

4.2 Phương tiện thực hiện đề tài

- Tài liệu tham khảo: Giáo trình, bài giảng, Luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ

sách báo, tài liệu từ Internet

- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các bạn sinh

viên

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

Bước 2: Xây dựng đề cương

Bước 3: Thu thập, tìm kiếm các dữ liệu có liên quan đến đề tài

Bước 4: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết bản thảo

Bước 5: Nộp bản thảo cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa

Bước 6: Hoàn chỉnh luận văn và báo cáo

Phần NỘI DUNG

Chương 1: THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD

VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ

1.1 MẪU NGUYÊN TỬ THOMSON

Đến thế kỉ XIX quan niệm về nguyên tử là phần tử cuối cùng không phân chia được của vật chất do Đêmôcrít đề xướng từ thế kỉ thứ V trước công nguyên đã không thể tồn tại được nữa Bởi vì ngay từ sự kiện khám phá ra các electron (1897) đã cho người ta thấy rằng nguyên tử phải có những thành phần và những cấu trúc nhất định

Năm 1903 nhà vật lý người Anh Thomson đã đưa ra mô hình cụ thể đầu tiên Theo Thomson, nguyên tử có dạng hình cầu với kích thước vào bậc Angstron, tích điện dương dưới dạng một môi trường đồng chất, còn các electron thì phân bố rải rác và đối xứng bên trong hình cầu đó Điện tích dương của môi trường và điện tích âm của các electron bằng nhau để đảm bảo tính trung hòa về điện của nguyên tử

Như vậy Thomson đã đưa ra được “hình dạng” của nguyên tử Dựa vào mô hình này, Thomson đã cố gắng giải thích một cách định tính, một số hiện tượng như tính chất tuần hoàn của các nguyên tố, tính dẫn điện của các kim loại, hiện tượng phóng xạ, sự hình thành quang phổ vạch,… nhưng không thành công

Tóm lại, mẫu nguyên tử Thomson chỉ giải quyết được hai vấn đề đó là nguyên tử trung hòa về điện và nguyên tử có dạng hình cầu Tuy vậy, đây là mô hình nguyên tử đầu tiên được xây dựng và có ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành các mẫu nguyên tử sau này

Để kiểm chứng bằng thực nghiệm mẫu nguyên tử Thomson, học trò của ông, nhà vật

lý người Anh là Rutherford đã tiến hành thí nghiệm “tán xạ hạt  ” lên nguyên tử nhằm thăm dò cấu trúc bên trong Từ kết quả thu được, Rutherford đã xây dựng nên mẫu nguyên tử thứ hai – “mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford”

Hình 1.1: Mô hình mẫu nguyên tử Thomson

1.2 THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD – MẪU NGUYÊN TỬ RUTHERFORD

1.2.1 Thí nghiệm của Rutherford

Năm 1896, nhà vật lý học người pháp là Henri Becquerel (1852 – 1908) phát hiện được hiện tượng “phóng xạ” Điều này giúp Rutherford có phương tiện để tiến hành thí nghiệm của mình

Để kiểm chứng mẫu Thomson và tìm hiểu cấu trúc bên trong nguyên tử, năm 1911 Rutherford đã tiến hành thí nghiệm như sau:

Dụng cụ thí nghiệm gồm: mẫu phóng xạ phát ra những hạt  và được chuẩn trực thành chùm tia hẹp, màn huỳnh quang để nhận ảnh, trên đường đi của tia  có đặt các lá vàng mỏng

Vì các hạt  có vận tốc rất lớn nên chúng có thể đi qua gần sát hay xuyên suốt bất kì nguyên tử nào nằm trên đường đi Nếu nguyên tử có cấu trúc như mẫu Thomson thì theo

dự đoán, các hạt  sẽ xuyên qua các nguyên tử một cách tự do, chỉ có một vài hạt bị lệch rất ít dưới tác dụng của trường lực Coulomb của các electron, theo tính toán góc lệch này khoảng vài độ

Rutherford đã tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ hình 1.2 Trong thí nghiệm, ông quan sát điều được dự đoán là đa phần các hạt  đi qua lá vàng theo phương chuyển động ban đầu, nhưng kết quả thí nghiệm của Rutherford lại hoàn toàn trái ngược với dự đoán trên

đa số các hạt  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

Hình 1.2: Thí nghiệm tán xạ hạt của Rutherford

Trong đó:

Source of alpha particles:nguồn của các hạt alpha

Lead shield: buồng chì

Beam of alpha particles:chùm hạt alpha

Gold foil:lá vàng

Fluorescent screen:màn huỳnh quang

Alpha particles:hạt alpha

Nucleus: hạt nhân

Atom of gold foil:nguyên tử của lá vàng

Trong thí nghiệm của Rutherford, cứ trong khoảng 20.000 hạt  đập vào lá vàng có

một hạt bị bật ngược lại mặc dù lá vàng chỉ dày 4.10-5

cm Rutherford nói về sự kiện này như sau: “Đó là một sự kiện khó tin nhất xảy ra trong đời tôi Điều đó hầu như không tin

được cũng giống như nếu bạn bắn một viên đại bác cỡ 15 inchs vào một tờ giấy cuốn thuốc lá mà sau khi phản xạ ở đó, viên đạn bị bật trở lại về phía bạn”

Để hạt  có năng lượng vài MeV có thể bị bật ngược trở lại thì khi va chạm cần phải

có lực rất lớn tác dụng lên nó Để giải thích kết quả này Rutherford đoán nhận bên trong nguyên tử phải có một điện trường cực mạnh được sinh ra bởi điện tích dương tập trung trong một thể tích rất nhỏ và có khối lượng rất lớn mới có thể làm cho một số hạt  lệch với những góc lớn

Qua mô hình trên, Rutherford giải thích kết quả thí nghiệm thành công Vì kích thước của hạt nhân rất nhỏ so với kích thước của nguyên tử hàng chục nghìn lần, nên đa số các hạt xuyên qua khoảng không của nguyên tử rồi đi thẳng Những hạt nào đi sát hạt nhân

sẽ chịu lực đẩy tĩnh điện rất mạnh, làm cho nó lệch hướng ban đầu với những góc đáng

kể Một số ít hạt va chạm vào hạt nhân thì bị bật ngược trở lại

Kết luận:

Từ các kết quả quan sát, đo, đếm được, Rutherford đã đi đến những kết luận sau đây:

+ Mô hình nguyên tử Thomson là sai về cấu trúc nguyên tử Mô hình nguyên tử của Thomson chỉ đúng về vấn đề nguyên tử trung hòa về điện và nguyên tử có dạng hình cầu Thể tích không gian của nguyên tử đa phần là chân không, phần thể tích do các hạt electron và các điện tích dương chiếm rất bé

+ Mỗi hạt đều chịu tổng hợp lực vừa đẩy vừa hút nên các lực này cân bằng, đường bay

sẽ ít bị lệch Thí nghiệm cho thấy góc  lớn, thậm chí  có thể lớn hơn 900: hạt  bị phản xạ Rõ ràng, các điện tích dương trong nguyên tử vàng tập trung vào một thể tích

V0 cực bé so với thể tích V toàn nguyên tử Sự phân bố đối xứng các đốm sáng trên màn ảnh chứng tỏ thể tích V0 ở tâm của nguyên tử là nơi tập trung các điện tích dương liên kết tạo nên một hạt nhân Các electron thì tản mạn ở xung quanh, chúng chuyển động quanh nhân nhờ lực hướng tâm

+ Ngoài ra, Rutherford cũng cho rằng các electron quay quanh hạt nhân trên những quỹ đạo elip cũng giống như chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời trong thái dương

hệ Vì vậy, mẫu nguyên tử của Rutherford còn được gọi là mẫu hành tinh nguyên tử Sự

khác biệt duy nhất giữa hai hệ thống chỉ là lực tương tác Với nguyên tử là lực hút tĩnh điện, còn với thái dương hệ là lực hấp dẫn

1.2.2 Mẫu nguyên tử Rutherford

Bằng nhiều thí nghiệm nghiên cứu sự tán xạ hạt  trên những lá kim loại khác nhau, Rutherford đã khẳng định sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử Từ đó ông xây dựng mẫu nguyên tử

Ta có thể hình dung tổng quát về mẫu nguyên tử Rutherford như sau:

Nguyên tử gồm một hạt nhân chiếm một thể tích cực nhỏ ở chính giữa, tại đó tập trung điện tích dương và gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử Xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động, tổng điện tích âm của các electron bằng tổng điện tích dương của hạt nhân

Nếu số electron của nguyên tử là Z thì điện tích dương của hạt nhân là +Ze Số Z chính là nguyên tử số của các nguyên tố Như vậy, có thể nói rằng sự sắp xếp thứ tự của các nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn Mendeleep thực chất là do số electron của mỗi nguyên tố đó quy định

Hình 1.3: Mô hình mẫu nguyên tử Rutherford

Tuy nhiên, mẫu nguyên tử Rutherford vừa ra đời đã vấp phải những khó khăn về mặt

lý thuyết không thể vượt qua được Về mặt cấu trúc được coi là hợp lý, nhưng khi nghiên cứu kĩ lại nảy sinh những mâu thuẫn sau đây:

Mẫu nguyên tử Rutherford trái với hệ các phương trình Maxwell đã được thiết lập, trạng thái trường điện từ tại nguồn được xét đến: “sự bức xạ sóng điện từ cho thấy mọi điện tích chuyển động có gia tốc là nguồn thường xuyên bức xạ sóng điện từ tức là bức

xạ năng lượng” Thế thì, các hạt electron trong nguyên tử thường xuyên chuyển động cong tất phải thường xuyên bức xạ năng lượng dưới dạng sóng điện từ Vì bức xạ điện từ liên tục như vậy sẽ dẫn đến sự mất dần năng lượng theo thời gian và khoảng cách từ mỗi electron đến hạt nhân thu hẹp dần, đến lúc khoảng cách bằng 0, electron sẽ nhập vào hạt nhân, nguyên tử sẽ tự hủy diệt Như vậy, mẫu nguyên tử Rutherford xem như bế tắc Mặt khác, ngành vật lý thực nghiệm “quang phổ phân tử” xác nhận rằng quang phổ của mọi nguyên tử phát xạ đều là “quang phổ vạch” Thế nhưng, với bức xạ điện từ liên tục của mẫu nguyên tử Rutherford thì quang phổ nguyên tử phải là “quang phổ liên tục” Mâu thuẫn này không sao giải quyết được

Những mâu thuẫn trên cho thấy vật lý cổ điển không thể giải thích được cấu trúc và

sự vận động của thế giới vi mô Tức là những nhân tố mới, những lý thuyết mới vào nguyên tử trên, để khắc phục những mâu thuẫn và hoàn thiện dần mô hình cấu trúc nguyên tử Lý thuyết của Bohr về cấu trúc nguyên tử đã làm được điều này Kết hợp lý thuyết của Bohr và mẫu nguyên tử của Rutherford đã cho ta mẫu nguyên tử Rutherford-Bohr

1.3 MẪU NGUYÊN TỬ RUTHERFORD - BOHR

1.3.1 Lý thuyết của Bohr về cấu trúc nguyên tử

Từ những hạn chế của vật lý cổ điển trong việc giải quyết vấn đề về cấu trúc nguyên

tử Niels Bohr, nhà vật lý người Đan Mạch và là một học trò của Rutherford, cho rằng cần có lý thuyết mới Bohr đặc biệt chú ý tới hai phát kiến mới trong vật lý lúc bấy giờ là quy luật quang phổ của nguyên tử và giả thuyết lượng tử năng lượng

Năm 1885, Banmer – một giáo viên người Thụy Sĩ đã tìm ra công thức toán đơn giản,

mô tả mối liên hệ giữa các bước sóng của các vạch quang phổ ở miền nhìn thấy được của nguyên tử Hydro:

n n

R

 (1.2)

Với R=1,096776.107m-1: hằng số Rydberg, n1< n2 là các hằng số dương Bohr cho đây

là biểu hiện của tính chất khá đặc biệt của electron trong nguyên tử

Năm 1900, Max Planck – nhà vật lý học người Đức đã đưa ra giả thuyết về lượng tử năng lượng với nội dung: “Các nguyên tử hoặc phân tử vật chất không hấp thụ hay phát

xạ ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng phần riêng biệt, đứt quãng Mỗi phần đó mang theo năng lượng hoàn toàn xác định, có độ lớn  h”

Trong đó  là tần số ánh sáng phát ra, h là hằng số Planck, có giá trị là h = 6.625.10-34Js Planck đưa ra khái niệm lượng tử như một cách cải biến ý tưởng cổ điển để lý thuyết phù hợp với thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu bức xạ của vật đen tuyệt đối Đến năm 1905, thuyết lượng tử đã được Einstein sử dụng để giải thích hiệu ứng quang điện

và đưa ra khái niệm photon ánh sáng, giả thuyết này được mọi người chú ý và tin tưởng

Từ các cơ sở đó, năm 1913, Bohr đã đưa ra một lý thuyết mới về cấu trúc nguyên tử Thuyết Bohr với hai định đề:

Nguyên tử chỉ tồn tại ở những trạng thái dừng có năng lượng xác định và gián đoạn hợp thành một chuỗi các giá trị E1, E2 ,…, En Trong các trạng thái dừng, các electron không bức xạ năng lượng và chỉ chuyển động trên các quỹ đạo tròn gọi là quỹ đạo lượng

tử có các bán kính thỏa mãn điều kiện sau đây (gọi là điều kiện lượng tử hóa Bohr) về giá trị momen động lượng:

Lmr n (1.3)

Nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ khi nó

chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác Tần số của bức xạ điện từ mà

nguyên tử hấp thụ hay phát xạ được xác định bằng biểu thức:

Nếu thừa nhận hai định đề của Bohr thì các mâu thuẫn trong mẫu hành tinh nguyên tử

của Rutherford đã được giải quyết

Từ định đề thứ nhất ta thấy rằng: vì khi electron chuyển động trên các quỹ đạo dừng

không bức xạ năng lượng nên nguyên tử luôn luôn bền vững Từ định đề thứ hai cho thấy

sự chuyển mức năng lượng mang tính chất gián đoạn, nên năng lượng bức xạ điện từ

được hấp thụ hay phát xạ thể hiện qua tần số cũng gián đoạn Do đó phổ nguyên tử phải

là quang phổ vạch

1.3.2 Mẫu nguyên tử Rutherford – Bohr

Trong mẫu nguyên tử Rutherford – Bohr, những ý chính của mẫu nguyên tử Rutherford

vẫn được giữ lại và bổ sung thêm lý thuyết mới của Bohr Mẫu nguyên tử Rutherford –

Bohr có thể phát biểu như sau:

Nguyên tử có dạng hình cầu gồm hạt nhân ở chính giữa mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ, có khối lượng gần bằng khối lượng nguyên tử

Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo tròn dừng, ở các trạng thái dừng electron không bức xạ năng lượng Electron chỉ hấp thụ hay bức xạ năng

lượng dưới dạng sóng điện từ khi nó chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác

Lực tương tác giữa hạt nhân và electron là lực hút tĩnh điện

Thuyết Bohr với hai tiên đề đã mang đến những yếu tố mới chưa từng có trong vật lý học

cổ điển đó là quan niệm lượng tử về năng lượng của nguyên tử

Trước hết dùng lý thuyết Bohr để giải quyết được bài toán nguyên tử hydro, dùng lý thuyết Bohr để giải thích tính quy luật của quang phổ hydro và tính toán chính xác các bước sóng của các quang phổ vạch

Tuy nhiên, bên cạnh những thành công, Bohr cũng bộc lộ những thiếu sót lớn và những hạn chế đáng kể đó là:

Về cường độ, độ rộng của các vạch quang phổ và cấu trúc tinh thể của các nguyên tử thì

lý thuyết Bohr hoàn toàn không giải quyết được Và thiếu sót cơ bản nhất của thuyết Bohr là

sự thiếu nhất quán của bản thân lý thuyết Trong khi đưa ra tiên đề có tính độc đáo, cách mạng thì Bohr vẫn thừa nhận cơ học cổ điển và vẫn áp dụng các định luật của điện học cổ điển Các quy tắc tương tự được gắn cho các hình mẫu cổ điển không theo một quan hệ logic nào Tất cả những yếu tố đó đã dẫn đến bế tắc của thuyết Bohr Sau này có bổ sung thêm thuyết Somerfeld nhưng cuối cùng vẫn thất bại vì không giải quyết triệt để về vấn đề cấu trúc nguyên tử Và chính những bế tắc này đã đưa đến sự ra đời của cơ học lượng tử, là nền tảng của một lý thuyết hoàn toàn mới, có khả năng giải quyết đúng đắn và chính xác mọi hiện tượng, mọi quy luật trong thế giới vi mô xảy ra bên trong nguyên tử và hạt nhân

Tuy nó chỉ có giá trị lịch sử tạm thời và chỉ tồn tại trong khoảng thời gian 10 năm Thuyết Bohr với những thành công độc đáo vẫn xứng đáng được xem là chiếc cầu nối không thể thiếu được của hai giai đoạn phát triển của vật lý học Nó đánh dấu sự chuyển tiếp từ vật

lý học cổ điển sang vật lý học hiện đại

Chương 2: THÍ NGHIỆM NHIỄU XẠ TIA X TRÊN TINH THỂ

2.1 THÍ NGHIỆM PHÁT KIẾN RA TIA X

Năm 1895, nhà vật lý học thực nghiệm xuất sắc Roentgen đã phát hiện một hiện tượng mới Ông chiếu một chùm tia electron phát ra từ âm cực (K) của một ống phóng điện vào một điện cực nằm giữa A và K nối với Anot Điện cực trung gian này mang tên là “đối âm cực” (AK) Kết quả là từ AK, ông thu được một bức xạ không nhìn thấy được, không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, nghĩa là bức xạ đó không chứa các hạt mang điện tích, vận tốc truyền loại bức xạ này bằng vận tốc ánh sáng Tất cả các thí nghiệm quang học thông thường như phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ,…Với bức xạ mới này đều không thu được kết quả dự đoán trước Vì thế, người ta gọi bức xạ này là tia X, tên gọi này còn dùng mãi đến nay, mặc dù ngày nay người ta đã biết rõ bản chất và tính chất của bức xạ này

Đó là tia “Roentgen” hay còn gọi là tia X

Hình 2.1: Thí nghiệm tạo ra tia X

Sự bức xạ tia X đã được giải thích đúng đắn dựa vào giả thuyết của Planck về lượng tử bức xạ với công thức  h Khi các electron phát ra từ Catot đến đập vào AK thì nó đã

sẵn có một động năng

2

2

mv

Tại AK, có sự chuyển hóa từ “cơ năng” sang “quang năng”

Một lượng tử sẽ bay ra, ta có được tia X có bước sóng

Tia X sau khi được phát kiến đã có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, cả trong vật

lý, công nghiệp, y học,…Với những thành tựu như vậy Roentgen đã vinh dự nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1911 về phát kiến mới mẻ này

2.2 THÍ NGHIỆM NHIỄU XẠ TIA X TRÊN TINH THỂ

2.2.1 Thí nghiệm của von Laue

Vật lý chất rắn là sản phẩm mới của thế kỉ 20 Nó hình thành do sự phân nhánh ngành điện học và sự đóng góp của môn hóa lý Nó có ứng dụng cực kỳ lớn trong kỹ thuật và công nghệ

Đối tượng chính của vật lý chất rắn là vật rắn kết tinh Von Laue đã sử dụng tia X, một phát minh mới của vật lý học làm phương tiện thực nghiệm để nghiên cứu về cấu trúc tuần hoàn của một mạng tinh thể Từ khi phát kiến ra tia X năm 1895 cho đến năm 1912, bản chất tia X vẫn chưa được khẳng định Người ta chỉ biết rằng tia X không chịu tác dụng bởi điện trường và từ trường, vậy tia X không được hình thành từ các hạt mang điện tích, các thí nghiệm quang học thông thường vẫn chưa đưa đến kết quả nào, chỉ xác nhận rằng vận tốc tia X bằng vận tốc ánh sáng Cũng thời gian ấy, các nhà vật lý đã biết rằng, trong tinh thể, các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự đặc biệt

Năm 1912, von Laue nảy sinh một ý kiến độc đáo là liên kết hai vấn đề trên lại với nhau Dùng tia X chiếu vào tinh thể để vừa nghiên cứu bản chất của tia X lại vừa nghiên cứu cấu trúc tinh thể Von Laue đã làm thí nghiệm như trên hình 2.2

Trong đó:

X – ray tube: ống tia X

Crystal: tinh thể

Photographic film: phim ảnh

Hình 2.2: Thí nghiệm của von Laue

Các thí nghiệm về “nhiễu xạ tia X” với cách tử quang học cổ điển đã không thành công Vì nếu tia X là sóng điện từ, bước sóng của nó rất ngắn so với khe cách tử nên

không thu được hiện tượng nhiễu xạ Nhưng ở trường hợp này, nếu dùng sóng vô tuyến điện Hertz với bước sóng vài centimet thì hiện tượng nhiễu xạ sẽ xảy ra

Von Laue đã chiếu chùm tia X xuống bề mặt tinh thể đồng Sunfat (CuSO4), một kính ảnh đặt phía sau tinh thể Sau vài giờ thí nghiệm, rửa ảnh von Laue nhận thấy một ảnh đối xứng gồm những chấm đen, mỗi chấm ấy ứng với vị trí của nguyên tử trong tinh thể đã gây ra sự nhiễu xạ tia X Qua thí nghiệm này có thể nói rằng: tia X có bản chất là sóng điện từ như ánh sáng, đồng thời cho thấy cấu trúc bên trong của vật rắn kết tinh mang tính chất “trật tự tuần hoàn” như là một cách tử

2.2.2 Thí nghiệm của hai cha con Bragg

Hai cha con Henry Bragg và Lauvience Bragg xuất phát từ quan niệm cho rằng trong tinh thể các hạt sắp xếp đều đặn thành một mạng, với các mặt mạng song song Các hạt tinh thể nằm ở nút mạng

Hai cha con Bragg tiến hành nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng cách chiếu một chùm tia

X vào một mạng tinh thể, dùng nó làm một cách tử không gian Hai ông đã làm thí nghiệm như trên hình 2.3

Hình 2.3: Thí nghiệm của hai cha con Bragg

Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm là công thức nhiễu xạ

: góc là của chùm tia X trên mặt cách tử

K: bậc nhiễu xạ cực đại

: bước sóng tia X sử dụng

Maurice De Broglie có nghĩ ra một thí nghiệm để xác định góc  Đó là thí nghiệm tinh thể quay tự động trên mặt bằng của giác kế quanh một trục thẳng góc với mặt phẳng tới của chùm tia X

Cực đại sáng là góc  nghiệm đúng công thức Bragg với các bậc K=1,2,3,…Thí nghiệm đã được thực hiện trên đơn thể kích thước cỡ 10mm, trong điều kiện không có mẫu lớn như vậy, có thể dùng tinh thể bột gồm vô số đơn tinh thể hướng theo nhiều phương Debye và Scherrer đã làm như thế

Tìm hiểu cấu trúc tuần hoàn của tinh thể được cha con Bragg thực hiện đầu tiên, mở đường xây dựng phân ngành vật lý chất rắn, kết hợp với việc xây dựng “cơ học lượng tử” Cho đến nay, kỹ thuật tạo tia X, kỹ thuật chụp ảnh và các kỹ thuật khác liên quan đến sự cải tiến thí nghiệm về sự nhiễu xạ tia X đã đạt đến trình độ cao Ứng dụng kết quả vào thực tế và lý thuyết vật lý thật phong phú Vì vậy, thí nghiệm này của Bragg, cơ sở ý kiến trên của von Laue, xứng đáng được xem là một thí nghiệm cơ bản của vật lý hiện đại Kỳ tích này xứng đáng với giải Nobel vật lý năm 1914 cho von Laue và năm 1915 cho hai cha con Bragg

Chương 3: NHIỄU XẠ ELECTRON TRÊN TINH THỂ

3.1 SÓNG DE BROGLIE

Trước hết ta xét lưỡng tính sóng hạt của bức xạ điện từ Sau khi nguyên lý Fresnel ra đời, giải thích thành công về cả mặt định tính và định lượng hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng thì bản chất sóng của ánh sáng được khẳng định, thay thế cho giả thuyết của Newton về bản chất hạt của ánh sáng Ánh sáng được biết đến như một sóng và Maxwell chứng minh đó là sóng điện từ Nhưng bản chất sóng của ánh sáng không giải thích được hiện tượng quang điện và hiệu ứng Compton Đến khi Einstein vận dụng thuyết lượng tử năng lượng của Planck, giải thích thành công hiện tượng quang điện thì bản chất hạt của ánh sáng được khẳng định Như vậy, ánh sáng vừa là “sóng” vừa là “hạt” Lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng đã được Einstein nêu lên trong thuyết lượng tử ánh sáng Theo thuyết này thì ánh sáng được cấu tạo bởi các photon, mỗi hạt mang năng lượng Eh, và xung lượng

Từ việc ánh sáng được biết đến như một sóng, lại có thêm bản chất hạt De Broglie- nhà Vật lý người Pháp đã đưa ra giả thuyết: Nếu bức xạ điện từ có lúc hành động như một sóng, lúc hành động như một hạt, vậy thì hạt vật chất cũng phải có tính chất sóng Vào năm 1924, De Broglie phát triển giả thuyết của mình như sau: Một hạt chuyển động tự do

có năng lượng E và xung lượng p, sẽ ứng với một sóng phẳng lan truyền theo phương chuyển động của hạt với tần số  , bước sóng  xác định theo công thức:

Hai công thức trên gọi là công thức De Broglie Vế trái mô tả đặc trưng của sóng là tần

số và bước sóng Vế phải đặc trưng cho tính hạt là năng lượng và xung lượng Mối liên hệ sóng-hạt được thể hiện qua hằng số Planck h

Sóng gắn với chuyển động của vật chất được gọi là sóng De Broglie Bản chất sóng De Broglie rất khó diễn tả, nó xa lạ với các sóng thông thường mà ta quen gặp, và nó trái với quan niệm thông thường

Theo giả thuyết De Broglie: nếu có hạt nào đó bay qua một hay nhiều khe hẹp, có bề rộng của khe vào cỡ bước sóng kết hợp với chúng, thì các hạt ấy sẽ bị nhiễu xạ giống như nhiễu xạ qua khe hẹp của photon ánh sáng

Dựa vào tính chất đối xứng của tự nhiên, De Broglie đã đưa ra giả thuyết là các bước sóng kết hợp với hạt phải thỏa mãn hệ thức, giống như các hệ thức tương ứng của photon Vấn đề quan trọng đặt ra là khẳng định sự đúng đắn của giả thuyết De Broglie Muốn vậy ta phải chứng tỏ được tồn tại “sóng” của hạt vật chất chuyển động, cũng như xác định bước sóng De Broglie của nó bằng thực nghiệm

Giờ ta thử đánh giá định lượng về bước sóng De Broglie ứng với chuyển động của hạt

cụ thể Rồi xác định sự tồn tại và đo đạc chúng bằng thực nghiệm Ta xét chùm hạt electron chuyển động tự do với năng lượng (động năng) E, thu được sau khi tăng tốc Bước sóng De Broglie của electron:

meV

h mE

h p

Thay giá trị của h = 6,625.10-34Js, m = 9,1.10-31kg, e = 1,6.10-19 C vào biểu thức ta được

Như vậy, bước sóng De Broglie ứng với chuyển động tự do của electron vào cỡ 0

A , tức

là cùng bậc với bước sóng tia X

Dù De Broglie không chứng minh được sự tồn tại của sóng De Broglie, nhưng có nhiều thí nghiệm đầu tiên được tiến hành với electron

)4.3(25,

12 0

A V





3.2 THÍ NGHIỆM NHIỄU XẠ ELECTRON

3.2.1 Thí nghiệm của Davisson và Germer

Vào năm 1927, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, hai nhà vật lý người Mỹ là Davisson và Germer đã tiến hành thí nghiệm nhiễu xạ chùm electron qua một tinh thể Ni, kiểm nghiệm giả thuyết De Broglie Hai ông dùng súng phóng electron Trong ống, electron được phát ra từ một sợi nung được đốt nóng, các electron được tăng tốc bởi hiệu điện thế V điều chỉnh được Chùm tia hẹp được tạo ra từ các electron có năng lượng E = e.V, tới đập vào tinh thể Nickel Sau khi va chạm với tinh thể, chùm electron bị tán xạ về mọi phía Chùm electron tán xạ từ tinh thể hợp với tia tới một góc  sẽ được detector ghi nhận bằng dòng điện I Detector D có thể chuyển động xung quanh tinh thể để thay đổi góc đặt 

Hai ông cho V một giá trị tùy ý nào đó rồi đọc dòng điện I qua detector với các góc đặt

 khác nhau của detector Sau đó họ đặt cho V một giá trị khác và lặp lại sự quét góc của detector Theo thí nghiệm của hai ông, nếu không có nhiễu xạ thì cường độ electron tán xạ phải giảm đơn điệu theo các góc tán xạ Nhưng trái lại, vì có nhiễu xạ nên Davisson và Germer quan sát thấy cường độ electron tán xạ có một đỉnh cực đại ở góc 500

như thí nghiệm trên hình 3.1 Bước sóng tính theo các kết quả trên phù hợp với giá trị của bước sóng De Broglie, vì vậy nghiệm đúng giả thuyết De Broglie

Trong đó:

Incident beam:chùm tia tới Crystal face:mặt tinh thể Bragg planes:mặt phẳng Bragg

Hình 3.1: Thí nghiệm của Davisson và Germer

3.2.2 Thí nghiệm của G.P.Thomson

Năm 1927, cùng lúc với thí nghiệm của Davisson và Germer, thì G.P.Thomson (con trai của giáo sư Thomson đã xây dựng mẫu nguyên tử Thomson) nhà vật lý người Anh, đang làm việc tại Đại học tổng hợp Abrdeen, Scotland đã khẳng định sự đúng đắn của giả thuyết De Broglie một cách độc lập và theo phương pháp hơi khác với thí nghiệm trên Ông dùng chùm electron đơn năng (mỗi electron có một động năng như nhau, do đó sóng

De Broglie cũng có giá trị như nhau, giống như một chùm ánh sáng đơn sắc) được chuẩn trực tốt, bị tán xạ trên một tấm bia Bia này đặc biệt không phải là một tinh thể lớn duy nhất như Ni trong thí nghiệm của Davisson và Germer Nó gồm một số lớn vi tinh thể (tinh thể dạng bột), định hướng một cách ngẫu nhiên Với cách bố trí như vậy, thì luôn có một số tinh thể được định hướng với góc thích hợp để tạo ra chùm tia nhiễu xạ Sau bia có một tấm phim, được đặt vuông góc với chùm tia tới G.P.Thomson đã làm thí nghiệm như trên hình 3.2

Hình 3.2: Thí nghiệm của G.P.Thomson

Trong đó:

Electron source: nguồn electron

Crystal lattice: mạng tinh thể

Irradiance: bức xạ

Trong thí nghiệm này, nếu electron xử sự như một hạt thì trên phim ta sẽ thấy được một chấm sáng do chùm electron ló gây ra Còn theo lý thuyết De Broglie tiên đoán, các electron nhiễu xạ sẽ lan truyền trên các mặt nón tròn xoay, có trục trùng với phương của chùm electron tới Do đó, trên phim ảnh ta sẽ thu được một loạt các vòng tròn đồng tâm, là các vân tròn nhiễu xạ bao quanh chấm sáng ở tâm Vị trí vòng tròn được xác định bởi cấu

trúc tinh thể và bước sóng theo định luật Bragg Từ thí nghiệm trên ta có thể lý giải coi electron xử sự như các sóng Do đó thí nghiệm Thomson cũng lại nghiệm đúng giả thuyết của De Broglie

3.2.3 Thí nghiệm giao thoa electron qua hai khe

Cho chùm electron đi qua một khe hẹp, ta thu được chùm electron trên màn huỳnh quang, dùng kính quan sát hay chụp ảnh ta sẽ thu được các vân nhiễu xạ giống như vân nhiễu xạ của ánh sáng qua một khe

Hình 3.3: Giao thoa electron qua hai khe

Trong đó:

Screen with two slits: màn với hai khe

Optical screen: màn hình quang học

Optical screen (front view): màn hình quang học (xem trước)

Trên màn huỳnh quang, ta thu được những mảnh rời rạc của electron Tuy nhiên, nếu thời gian thí nghiệm khá dài, để số electron qua khe đủ lớn, ta vẫn thu được các vân nhiễu

xạ trên màn huỳnh quang như hình bên dưới

Hình 3.4: Hình ảnh giao thoa của electron riêng biệt qua hai khe hẹp

Thí nghiệm chứng tỏ electron riêng biệt cũng có bản chất sóng Như vậy, giả thuyết De

Broglie đã được chứng minh Các thí nghiệm khác như: nhiễu xạ nguyên tử He, phân tử

H2 hay nhiễu xạ nơtron chậm đã chứng tỏ bản chất sóng – hạt của hạt vật chất

Về nguyên tắc thì sóng De Broglie tồn tại ở mọi dạng vật thể, nhưng biểu thức

meV

h mE

3.3 LƯỠNG TÍNH SÓNG HẠT Ở HẠT VI MÔ

Khi Newton đưa ra thuyết hạt của ánh sáng từ thế kỉ thứ XVII, ông cho rằng ánh sáng

là một dòng hạt rất nhỏ và ông đã dựa vào ý tưởng này để giải thích hiện tượng phản xạ và khúc xạ Khi giải thích hiện tượng khúc xạ, ông cho rằng ánh sáng truyền trong trong thủy tinh nhanh hơn trong không khí Năm 1678, Huyghen là người tiên phong đưa ra thuyết sóng ánh sáng, bằng nguyên lý nổi tiếng của mình ông đã giải thích đúng đắn hiện tượng phản xạ và khúc xạ (khác với Newton trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng truyền trong thủy tinh chậm hơn truyền trong không khí) Vì rằng lúc đó không có phương tiện để xác định xem ánh sáng truyền trong thủy tinh nhanh hay chậm hơn trong không khí và do uy tính khoa học của Newton, nên thuyết hạt được chấp nhận trong khoảng hơn 150 năm

Năm 1803, Thomas Young là người đầu tiên chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng bằng hình ảnh giao thoa của ánh sáng khi đi qua hai khe hẹp Vì rằng giao thoa là tính chất sóng, nên thí nghiệm Young đã bác bỏ thuyết hạt của Newton Ngay cả khi đã có thí nghiệm này một số nhà khoa học vẫn không thừa nhận ánh sáng là một sóng dù họ buộc phải thừa nhận sự giao thoa của ánh sáng Họ không thừa nhận do họ đã nghĩ rằng sóng ánh sáng là sóng dọc mà không phải là sóng ngang và vì thế họ đã không giải thích được hiện tượng lưỡng chiết Mười năm sau đó, Young đã phát hiện ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang và đã giải thích được hiện tượng lưỡng chiết Hơn nữa, những thiết bị đo tốc

độ ánh sáng đã chứng tỏ rằng ánh sáng truyền trong nước chậm hơn trong không khí, vì thế đã chứng tỏ sự đúng đắn thuyết sóng ánh sáng của Huyghen Năm 1862, Maxwell còn chứng tỏ rằng sóng ánh sáng là một bức xạ điện từ truyền với tốc độ

0 0

1849, Armand Fizeau bằng thực nghiệm đã cho kết quả phù hợp với công thức trên và như vậy chứng tỏ sự đúng đắn của Maxwell Kết quả là thuyết sóng được công nhận và thuyết hạt hầu như bị lãng quên

Tuy nhiên vào cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX, hàng loạt sự kiện thực nghiệm chứng tỏ rằng mọi vật phát xạ hay hấp thụ ánh sáng theo những lượng gián đoạn mà độ lớn của chúng phụ thuộc vào tần số ánh sáng Đây là cách tiếp cận hoàn toàn mới so với lý thuyết

cổ điển đã cho rằng năng lượng cũng như các đại lượng Vật lý khác có các giá trị liên tục Điều đó dẫn đến khái niệm hạt ánh sáng do Einstein đưa ra: Ánh sáng là một chùm hạt gọi

là lượng tử ánh sáng hay photon, mỗi photon là một sóng mang một năng lượng nhất định Bằng giả thuyết cho rằng năng lượng này tỉ lệ với tần số của sóng ánh sáng Einstein đã giải thích trọn vẹn hiện tượng quang điện Cũng bằng thuyết photon của Einstein, hiệu ứng Compton cũng được giải thích thỏa đáng

Năm 1915, Robert Millican đã tiến hành các nghiên cứu chi tiết hiệu ứng quang điện Các kết quả nhận được phù hợp một cách chính xác lý thuyết Einstein và cho giá trị của hằng số Planck h = 6,6.10-34

J/s

Như vậy, trong một loạt các hiện tượng ánh sáng có tính chất sóng nhưng trong những hiện tượng khác ánh sáng xử sự như một luồng hạt, mỗi hạt có một năng lượng W và động lượng p

xác định (tương ứng bằng h và



h

p Trong đó h – hằng số Planck,  và  là tần số và bước sóng ánh sáng còn p là động lượng của hạt photon) Điều đó nói lên rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt

3.3.1 Lưỡng tính sóng - hạt của bức xạ điện từ

Để giải thích một số quan sát thực nghiệm như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton Tuy nhiên trong các hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ thì bức xạ điện từ lại hoạt động như một sóng Thành thử ta thấy bức xạ điện từ lúc biểu hiện tính chất sóng, lúc biểu hiện tính chất hạt Vì vậy ta nói bức xạ điện từ có lưỡng tính sóng – hạt

Cần nhận thức rõ rằng sự phân biệt giữa sóng và hạt chỉ ở trong chừng mực mà sóng và hạt cũng chỉ là hai dạng truyền năng lượng mà thôi Hạt cổ điển là một đối tượng vật chất

có vị trí, xung lượng, động năng, khối lượng và điện tích, còn sóng lại có bước sóng, tần

số, vận tốc, biên độ, cường độ, năng lượng và xung lượng Sự khác nhau chủ yếu giữa

sóng và hạt là ở chỗ một hạt có thể được định xứ còn sóng thì lại trải dài và lan rộng do đó choán một khoảng không gian rộng lớn

3.3.2 Lưỡng tính sóng - hạt của vật chất

Năm 1924 Louis de Broglie đưa ra giả thuyết: nếu bức xạ điện từ hoạt động lúc như một sóng, lúc như một hạt thì có lẽ vấn đề chính là do có những đối tượng vật chất như các electron cũng có khi hoạt động như một sóng Nói cách khác, De Broglie đưa ra giả thuyết là nếu có các hạt nào đó đi xuyên qua các khe rộng vào cỡ bước sóng kết hợp với chúng thì các hạt đó sẽ bị nhiễu xạ giống hệt như hiện tượng nhiễu xạ qua một khe của các photon truyền qua

Đối với một photon, ta có hai biểu thức   E / h và h / p, trong đó vế trái mô tả các đặc trưng sóng của photon (tần số, bước sóng), còn vế phải lại thể hiện các đặc trưng hạt (năng lượng, động lượng) Mối liên hệ sóng – hạt được biểu thị qua hằng số Planck Dựa vào các tính chất đối xứng của tự nhiên, De Broglie đưa ra giả thuyết là các bước sóng kết hợp với hạt phải thỏa mãn các hệ thức giống như các hệ thức tương ứng của photon Ông

đã phát biểu thành tiên đề thứ nhất như sau: mỗi hạt đều kết hợp với một sóng mà bước sóng được xác định theo hệ thức:

mv

h p

Các công thức (3.6) và (3.7) gọi là công thức De Broglie Sóng gắn với chuyển động của hạt gọi là sóng De Broglie

Chương 4: THÍ NGHIỆM PHỔ NĂNG LƯỢNG 

4.1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HẠT NHÂN

4.1.1 Cấu tạo hạt nhân

Theo giả thuyết Iwannenko – Heisenberg đưa ra năm 1932 thì hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi hai loại hạt sau:

Proton: (kí hiệu là p): hạt mang điện tích dương, về trị số tuyệt đối bằng điện tích của electron: 1,6.10-19C và có khối lượng bằng khối lượng hạt nhân hydro

Nơtron: (kí hiệu là n): hạt trung hòa điện có khối lượng lớn hơn một ít so với khối lượng proton

Hai loại hạt proton và nơtron có tên chung là nuclon Thực nghiệm đã xác nhận giả thuyết Iwannenko – Heisenberg là đúng Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong bảng tuần hoàn Mendeleep ; Z gọi là điện tích hạt nhân (tính ra đơn vị điện tích nguyên tố) Tổng các nuclon trong hạt nhân gọi là khối lượng (kí hiệu là A) Do

đó số nơtron trong hạt nhân sẽ là N = A – Z Người ta thường kí hiệu hạt nhân của một nguyên tử là ZXA (với X là tên nguyên tố tương ứng)

- Hạt nhân Heli được kí hiệu là 2He4 có Z = 2, A = 4

- Hạt nhân Liti được kí hiệu là 3Li7 có Z = 3, A = 7

4.1.2 Đồng vị, khối lượng và bán kính của hạt nhân nguyên tử

4.1.2.1 Đồng vị của hạt nhân nguyên tử

Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số proton Z nhưng khác nhau số nơtron N (do đó khác số khối A) gọi là các đồng vị (chúng ở cùng một vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn)

Ví dụ: Các đồng vị của Uran: 92U233, 92U235, 92U238

Các hạt nhân có cùng số khối A nhưng khác nhau số proton Z được gọi là các nhân đồng khối

Ví dụ: 16S36 và 18Ar36