những thí nghiệm cơ bản trong vật lý

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: ThS HOÀNG XUÂN DINH Sinh viên thực hiện: LÊ TRUNG HIẾU MSSV: 1100214 Lớp: SP Vật Lý K36 Cần Thơ, 5/2014 Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 2 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 3 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 4 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 5 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Phần MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật lý là một ngành khoa học thực nghiệm. Vật lý gắn liền với đời sống và với mọi người chúng ta. Khoa học ngày càng phát triển, những vấn đề mới mẻ trong tự nhiên nói chung và vật lý nói riêng ngày càng được nghiên cứu và khám phá nhiều hơn. Những vấn đề đó được phát hiện như thế nào ? Ai là người phát hiện ? Và nó được giải thích ra sao ? Đó 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 6 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại - 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 7 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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”. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 8 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 9 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 4.10-5cm. 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 10 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 11 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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: GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 12 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 RutherfordBohr. 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.  Quy luật quang phổ của nguyên tử: 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: GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 13 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 1   1  R 2  2  Với n = 3,4,5,… (1.1)  n  2 1 Sau đó năm 1889, nhà nghiên cứu phổ Thụy Điển – Rydberg đã tìm ra công thức tổng quát:  1 1   R 2  2    n1 n2  1 (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.  Giả thuyết lượng tử năng lượng của Planck: 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:  Định đề 1: (định đề về các trạng thái dừng của nguyên tử) 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh (1.3) Trang 14 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Trong đó   Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại h  1.05.10 34 J / s là hằng số Planck rút gọn, n = 1, 2, 3, … 2  Định đề 2: (định đề về cơ chế hấp thụ và phát xạ của nguyên tử) 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:  Ei  E k (1.4) h Với: Ei, Ek là năng lượng ở trạng thái đầu và trạng thái cuối. Ei > Ek: quá trình phát xạ. Ei < Ek: quá trình hấp thụ. 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 15 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 16 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý 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 mv 2 . Tại AK, có sự chuyển hóa từ “cơ năng” sang “quang năng”. 2 Một lượng tử sẽ bay ra, ta có được tia X có bước sóng   c  . Xét hệ thức mv 2 hc  h  . 2  Gọi U là hiệu điện thế giữa Catot và AK thì h  eU . Vậy:   hc eU GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh (2.1) Trang 17 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 18 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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. 2d sin   k gọi là công thức Bragg. (2.2) Trong đó: D: hằng số mang theo một phương nào đó. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 19 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại  : 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 20 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 HuyghenFresnel 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 p  h  với   c  (c là vận tốc ánh sáng). Trong đó năng lượng E và xung lượng p đặc trưng cho tính hạt, còn tần số  và bước sóng  đặc trưng cho tính sóng. Sự phân biệt giữa sóng và hạt chỉ ở chừng mức, mà sóng và hạt chỉ là hai dạng truyền năng lượng mà thôi. Hạt cổ điển là một đối tượng vật chất có vị trí, xung lượng, năng lượng, khối lượng, vận tốc,… xác định. Còn sóng thì được đặc trưng bởi các đại lượng: tần số, bước sóng, tốc độ lan truyền,… Sự khác nhau cơ bản giữa sóng và hạt là hạt có thể định xứ, còn sóng có thể trải dài và lan rộng. Từ việc ánh sáng được biết đến như một sóng, lại có thêm bản chất hạt. De Broglienhà 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:  E h (3.1)  h p (3.2) GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 21 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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:  h  p h 2mE  h (3.3) 2meV 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  12,25 V A 0 (3.4) Như vậy, bước sóng De Broglie ứng với chuyển động tự do của electron vào cỡ A 0 , 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 22 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 50 0 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 23 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 24 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 25 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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  h  p h 2mE  h 2meV cho thấy vật càng lớn thì  càng bé. Đối với các hạt vĩ mô, bước sóng ấy bé đến mức không thể phát hiện được. Có thể nói lưỡng tính sóng - hạt chỉ thể hiện rõ ở các hạt vi mô. 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 c  GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 26 1  0 0 . Năm SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 = 6,6.10-34J/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 p  h  . 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 27 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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:  h h  p mv (3.5) Tuy nhiên, giữa photon và các hạt khác có sự khác nhau trong cách thức liên kết các tính chất sóng và hạt. Vì đối với photon, ta có hệ thức   c , nên chỉ cần một hệ thức là có thể suy ra bước sóng và tần số từ các tính chất hạt là năng lượng và xung lượng. Còn đối với mọi hạt khác thì phải có hai hệ thức để suy ra bước sóng (   h / p ) và tần số (  E / h) tương ứng với chúng. Tiên đề thứ hai của De Broglie phát biểu: một hạt chuyển động tự do có năng lượng E và xung lượng P = mv ứng với một sóng phẳng lan truyền theo hướng chuyển động của hạt với tần số  và bước sóng  được xác định theo công thức sau đây: E  h P GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh (3.6) h (3.7)  Trang 28 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 29 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 30 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Người ta đã tìm được 60 cặp hạt nhân đồng khối lượng bền có số A chẵn và số Z khác nhau hai đơn vị bắt đầu từ A = 36 và hai cặp đồng vị A lẻ và Z khác nhau một đơn vị: Ví dụ: 48Cd113 và 49In113 123 54Sb và 52Te123 Ngoài ra còn tìm được vài nhóm ba hạt nhân đồng khối lượng như: 50 50 50 22Ti , 23V , 24Cr 54Xe 136 , 56Ba136, 58Ce136 Các hạt nhân có số nơtron N bằng nhau gọi là các nhân đồng nơtron. Hai hạt nhân đồng phân (cùng A) mà có số proton Z của hạt nhân này bằng số nơtron N của hạt nhân kia và ngược lại gọi là hạt nhân đối xứng gương. Ví dụ: 1H3 và 2He3, 3Li7 và 4Be7, 12Mg25 và 13Al25 Hiện nay ta biết trên 2000 đồng vị, trong đó có 267 là những đồng vị bền có trong thiên nhiên. Còn lại các đồng vị phóng xạ được tạo ra trong các phòng thí nghiệm. 4.1.2.2 Khối lượng của hạt nhân nguyên tử Trong vật lý hạt nhân, đơn vị khối lượng không phải là khối lượng của proton hay nơtron mà là 1/12 của khối lượng đồng vị cacbon 6C12 (1 đơn vị khối lượng nguyên tử = 1u = 1/12M (6C12) = 1,66055.10-27 kg). Ta biểu diễn các khối lượng của p, n, e theo các đơn vị u: Mp = 1,00728u, mn = 1,00867u, me = 0,00055u. Trong các phản ứng hạt nhân, hệ thức Einstein E  m.c 2 là một công cụ bắt buộc phải sử dụng hằng ngày. Năng lượng tương đương với một đơn vị khối lượng nguyên tử dễ dàng tìm được là 931,5 MeV. Vì vậy, c2 có thể viết là 931,5 MeV/u và chúng ta có thể dễ dàng tìm được năng lượng (MeV) tương ứng với một hiệu khối lượng đã cho bất kì (tính ra u) và ngược lại. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 31 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 4.1.2.3 Bán kính của hạt nhân nguyên tử Đơn vị thuận tiện để đo khoảng cách trong thang hạt nhân là femtomet (= 10-15). Tiếp đầu femto bắt nguồn từ chữ Đan Mạch có nghĩa là 15. Đơn vị này còn thường được gọi là fecmi và chung một tên viết tắt là fm. Như vậy: 1femtomet = 1fecmi = 1fm = 10-15 m. Ngoài các phương pháp khác, ta còn có thể biết về kích thước và cấu trúc của hạt nhân bằng cách bắn phá nó bởi các chùm electron năng lượng cao và quan sát cách hạt nhân làm lệch các electron tới. Năng lượng các electron cần phải đủ cao (gần bằng 200MeV) sao cho bước sóng De Broglie của chúng đủ nhỏ để có thể đóng vai trò các hạt thử nhạy với cấu trúc của hạt nhân. Những thí nghiệm như thế chứng tỏ rằng hạt nhân (được giả thuyết là hình cầu) có bán kính đặc trưng R được cho bởi: R = R0 .A1/3 với A là số khối và R0  1,2 fm. (4.1) 4.1.3 Số khối và độ hụt khối 4.1.3.1 Số khối Số khối A xác định số lượng nuclon có trong hạt nhân hay là số proton và số nơtron A=Z+N (4.2) Số nuclon trong quá trình của một phản ứng hạt nhân không đổi khi phản ứng đó không xuất hiện phản hạt. Do đó, trong phản ứng hạt nhân, có định luật bảo toàn số nuclon. Số khối A biểu thị trong đơn vị khối lượng nguyên tử cho giá trị gần đúng về khối lượng hạt nhân nguyên tử. 4.1.3.2 Độ hụt khối Khối lượng hạt nhân Mhn nhỏ hơn tổng các khối lượng của các nuclon thành phần. Hiệu số của chúng được gọi là độ hụt khối. M  Zm p  Nmn  M hn GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 32 (4.3) SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 4.1.4 Kích thước và hình dạng hạt nhân. 4.1.4.1 Kích thước hạt nhân Người ta có thể coi hạt nhân như một quả cầu bán kính R và xác định bán kính đó bằng nhiều phương pháp thực nghiệm khác nhau. Sau đây ta nói qua một vài phương pháp. 4.1.4.1.1 Khảo sát tán xạ nơtron Người ta bắn phá hạt nhân bằng đạn nơtron năng lượng từ 20 – 50 MeV. Vì nơtron không mang điện nên dễ xuyên thấu vào hạt nhân và vì nơtron mang năng lượng lớn nên nó tương tác mạnh mẽ với hạt nhân. Thực nghiệm cho biết xác suất xảy ra phản ứng tỉ lệ với tiết diện hình học của hạt nhân R 2 . Do đó được xác suất phản ứng, ta có thể suy ra được các bán kính R của hạt nhân. R  10 14 m đối với hạt nhân nặng như Pb, U, … R  6.10 15 m đối với hạt nhân trung bình như Fe,… 4.1.4.1.2 Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt điện tích Khi bắn phá hạt nhân bằng hạt tích điện, thì giữa hạt nhân và hạt tích điện xuất hiện lực đẩy Coulomb. Do đó, có thể coi như một hàng rào thế năng tương tác làm cho hạt tích điện khó xuyên vào hạt nhân. Nhưng do hiệu ứng đường ngầm, nên hạt tích điện tuy có năng lượng nhỏ hơn hàng rào thế năng, vẫn có thể xuyên qua hàng rào thế năng và gây ra phản ứng hạt nhân được. Thực nghiệm cho biết xác suất gây ra phản ứng đó tỉ lệ với độ xuyên qua hàng rào thế năng. Từ đó người ta tính được kích thước hạt nhân. R = 1,4.10-15 A1/3 m. (4.4) 4.1.4.1.3 So sánh năng lượng liên kết các hạt nhân gương So sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương, ta thấy hạt nhân nhiều proton sẽ có năng lượng lớn hơn hạt nhân nhiều nơtron, ví dụ : năng lượng liên kết của 1H3 bằng – 8,485 MeV, còn năng lượng liên kết của 2He3 bằng – 7,723 MeV. Nguyên nhân là vì mỗi khi thay một nơtron bằng một proton thì lực đẩy Coulomb tăng lên và gây ra một năng GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 33 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học lượng phụ bằng Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 6 Ze 2 1 . Biết hiệu năng lượng liên kết các hạt nhân gương, ta sẽ tính . 5 R 4 0 được bán kính hạt nhân: R = 1,3.10-15 A1/3 m. 4.1.4.1.4 Khảo sát lực hạt nhân Các nuclon tương tác với nhau bằng cách trao đổi mêzôn  . Nơtron có thể nhả mêzôn  âm hoặc nuốt mêzôn  dương để biến thành proton và proton có thể nhả mêzôn  dương hoặc nuốt mêzôn  âm để biến thành nơtron. Như vậy, nuclon trong hạt nhân có thể ở trạng thái phân ly như sau : p  n   ;n  p    p  p   0;n  n   0. (4.5) Quá trình phân ly đó xảy ra kèm theo độ biến thiên năng lượng E : E  m c 2 . (4.6) Đó là một quá trình tự phát không cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài vào. Theo cơ học lượng tử thì độ biến thiên đó là do tính bất định về năng lượng của hệ quy mô. Tính bất định đó chỉ tồn tại trong một thời gian: t   . E (4.7) Thành thử quá trình phân ly của nuclon chỉ xảy ra trong khoảng thời gian: t   m c 2 (4.8) Trong khoảng thời gian này, mêzôn  chuyển động với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng và rời khỏi nuclon một khoảng cách. r0  t.c    1,4.10 15 m . m c GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 34 (4.9) SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Khoảng cách đó tượng trưng cho kích thước của đám mây mêzôn bao quanh nuclon. Thành ra lực hạt nhân chỉ tồn tại trong phạm vi kích thước đám mây mêzôn. Nói cách khác, khoảng cách r0   coi như bán kính tác dụng của lực hạt nhân. m c Từ đó xác định được bán kính hạt nhân: R = r0.A1/3 = 1,4.10-15.A1/3 m. Kết quả là bằng phương pháp đo khác nhau, người ta thấy kích thước hạt nhân phù hợp theo công thức thực nghiệm : R = r0.A1/3 (4.10) Với r0  (1,2 – 1,5) .10-15 m. Người ta gọi r0 là bán kính điện vì nó xác định kích thước của miền chiếm bởi các hạt tích điện trong hạt nhân. Ta đi tới một kết luận quan trọng là: thể tích hạt nhân tỉ lệ với số hạt trong hạt nhân. Nói cách khác, mật độ khối lượng hạt nhân là không đổi với mọi hạt nhân. Nếu kí hiệu mật độ khối lượng hạt nhân là  , ta có: mp A M hn 1,67.10 27 3     1014 tấn/m (4.11) 4 3 4 4 R  1,53 . A.10 45  1,53 .10 45 3 3 3 Ta thấy mật độ khối lượng hạt nhân cực kì lớn. Thực tế, thực nghiệm đã chứng minh rằng khối lượng hạt nhân không phân bố đều mà tập trung ở giữa tạo thành lõi, còn ở lớp ngoài mặt, mật độ khối lượng giảm nhanh, nhưng không đột ngột. 4.1.4.1 Hình dạng hạt nhân Trước những năm 1950 hạt nhân được coi là có dạng hình cầu. Từ năm 1950 người ta chứng minh được rằng nhiều hạt nhân có dạng lệch khỏi đối xứng cầu. Bằng chứng trực tiếp và thuyết phục nhất về sự tồn tại các hạt nhân không có dạng hình cầu là sự có mặt các dải quay trong phổ các hạt nhân chẵn – chẵn. Dải quay là một chuỗi các mức tuân theo hệ thức sau đây giữa năng lượng và Spin: Ej   2 J J  1 2I GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh (4.12) Trang 35 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Trong đó I là mômen quán tính của hạt nhân đối với trục đối xứng và J là spin hạt nhân. Nếu hạt nhân hoàn toàn đối xứng thì không có phương ưu tiên, do đó spin bằng 0. Còn khi hạt nhân mất đối xứng theo một trục nào đó thì spin của hạt khác không. Trong trường hợp bất đối xứng đó năng lượng kích thích đó do sự quay của hạt nhân được xác định theo công thức trên, có giá trị khác không. Đối với hạt nhân chẵn – chẵn, các giá trị spin bằng J = 0, 2, 4, 6, 8,… Như vậy các hạt nhân có spin khác không thường có dạng không đối xứng cầu. Ngoài phổ quay, tính không đối xứng cầu còn thể hiện ở sự có mặt mômen tứ cực điện Q. Thông thường các hạt nhân ở trạng thái cơ bản có dạng hình cầu hay elip tròn xoay, còn ở trạng thái kích thích chúng có dạng phức tạp hơn. 4.1.5 Năng lượng liên kết hạt nhân 4.1.5.1 Đơn vị đo khối lượng và năng lượng Để đo khối lượng trong Vật lý hạt nhân, người ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử u, bằng 1/12 khối lượng nguyên tử đồng vị 6C12 Do hệ thức Einstein E = mc2, đơn vị khối lượng tính theo kg tương ứng với đơn vị khối lượng tính theo MeV. Sau đây là khối lượng của một số hạt: Khối lượng Hạt u Kg MeV Proton 1,00728 1,6724.10-27 938,23 Nơtron 1,00867 1,6748.10-27 939,53 Deuteron 2,01335 3,3325.10-27 1875,5 Alpha 4,00047 6,6444.10-27 3726,2 Bảng 4.1: Khối lượng và năng lượng tương ứng của vài hạt nhân. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 36 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 4.1.5.2 Năng lượng liên kết Theo lý thuyết tương đối (quy tắc tương đương giữa khối lượng và năng lượng), độ hụt khối nhân với bình phương vận tốc ánh sáng bằng năng lượng liên kết của hệ Eh  Mc 2 . Về mặt Vật lý, để phân chia một hệ liên kết ta phải có một năng lượng cần thiết để thắng các lực liên kết các thành phần của nó với nhau. Tương tự, năng lượng này được giải phóng khi tổng hợp một hệ từ các thành phần. Vậy độ hụt khối tồn tại không chỉ trong trường hợp hạt nhân mà cả trong trường hợp nguyên tử. Khối lượng nguyên tử nhỏ hơn tổng khối lượng của hạt nhân và của tất cả các điện tử. Song do năng lượng liên kết của các điện tử trong nguyên tử là vài bậc nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nuclon trong hạt nhân, độ hụt khối của nguyên tử có thể bỏ qua. Vậy năng lượng liên kết hạt nhân cho bởi công thức: Eh  Mc 2  Zm p  Nmn  M hn  (4.13) Công thức này biểu diễn năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân. Còn năng lượng liên kết của từng nuclon với hạt nhân bằng năng lượng cần thiết để tách nuclon ra khỏi hạt nhân. 4.1.5.3 Năng lượng liên kết riêng Quá trình biến thiên của Eh/A, tức là của năng lượng liên kết trung bình tính trên một nuclon (năng lượng liên kết ứng với một nuclon hay năng lượng liên kết riêng) vào số nuclon, có ý nghĩa lớn trong việc tìm hiểu nhiều hiện tượng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Sau đây là các đặc tính của quan hệ đó: - Trong một vùng rộng các số khối lượng, năng lượng liên kết là một đại lượng không đổi (quãng 8 MeV), nghĩa là năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân tỉ lệ với số khối A. - Các hạt nhân với các số khối trung bình (gần 60) là liên kết mạnh nhất. Đối với chúng năng lượng liên kết riêng có giá trị đến 8,7 MeV. - Đối với các hạt nhân có A lớn hơn 60, năng lượng liên kết riêng giảm khi A tăng. Đối với các hạt nhân nặng (ví dụ như uran) nó gần bằng 7,5 MeV. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 37 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại - Đối với những hạt nhân nhẹ (A 0 là khối lượng hạt nhân có số khối (A – 4) và điện tích (Z – 2) là khối lượng hạt  . Năng lượng tương ứng W = c2.  M chuyển hóa thành động năng của các sản phẩm sinh ra. Thành thử quá trình phóng xạ thực chất là một quá trình biến đổi hạt nhân. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 48 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 4.3 PHỔ NĂNG LƯỢNG  VÀ HẠT NEUTRINO 4.3.1 Phổ năng lượng  Khác với phân rã alpha, phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và phản neutrino. Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không phải chỉ quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay ra đó. Ở đây bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con. Do tính thống kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng electron và phản neutrino trong một phân rã là ngẫu nhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kỳ từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ E max. Tuy nhiên, đối với một số lớn phân rã beta thì phân bố năng lượng của electron không phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác định. Phân bố năng lượng này gọi là phổ electron của phân rã beta. 4.3.2 Hạt neutrino 4.3.2.1 Nguồn gốc hạt neutrino Phân rã  là quá trình phân rã của hạt nhân nguyên tử có kèm theo sự phát ra hạt   (e-) hay   (e+), tức là phân rã theo sơ đồ sau đây:   X ZA  YZA1  e01 Và  X ZA YZA1  e10 (4.38) (4.39) Trong lòng hạt nhân không có sẵn electron và pozitron, nhưng chúng bắn ra từ hạt nhân. Do đó, sự ra đời của chúng khi hạt nhân phân rã chỉ có thể giải thích theo quá trình xảy ra ở ngay trong lòng hạt nhân nghĩa là một nơtron phân rã thành một pozitron có thể viết như sau: 1   n 0  p11  e01 (4.40)   p11  n01  e10 (4.41) Quá trình phân rã  được kiểm nghiệm đối với nơtron tự do, còn proton tự do thì không thể biến thành nơtron được, nó chỉ có thể biến thành nơtron khi còn ở trong hạt nhân mà thôi. Sở dĩ các hạt nhân phóng xạ  vì chúng luôn muốn trở thành bền vững. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 49 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Khi nghiên cứu về phổ năng lượng  bằng thực nghiệm người ta thấy năng lượng phổ của hạt  là liên tục, tức là có giá trị tùy ý. Điều này mâu thuẫn với lý thuyết lượng tử rằng: các hạt vi mô chỉ có thể có giá trị của năng lượng gián đoạn. Nếu hạt  có giá trị năng lượng liên tục thì hạt nhân có giá trị năng lượng liên tục, nhưng trên thực tế phổ năng lượng hạt nhân là gián đoạn. Từ những ý trên ta có thể suy ra trong phân rã  người ta thấy năng lượng có bị mất đi. Bohr cho rằng có thể năng lượng này không được bảo toàn trong một số quá trình đặc biệt. Pauli cho rằng: trong phân rã  ngoài e-, còn bức xạ thêm một hạt mang số năng lượng hao hụt. Nhưng hạt nơtron không ở trạng thái tự do và Fecmi đặt tên hạt mới là neutrino ( 00 ) mang năng lượng hao hụt. 4.3.2.2 Sự tồn tại hạt neutrino Để giải quyết vấn đề phổ năng lượng. Năm 1930, Pauli đưa ra giả thuyết khi phân rã, ngoài sự phóng ra e- hay e+, hạt nhân còn phóng ra một hạt không mang điện, có khối lượng rất bé gọi là neutrino (  00 ) và phản neutrino (~00 ). Hai hạt này giống nhau về toàn bộ và chỉ khác nhau về lepton (L) tích mà thôi. Như vậy, năng lượng trong phân rã  vẫn có giá trị xác định là W0 chẳng hạn và năng lượng này được phân phối tùy ý cho hai hạt là e- và (~00 ) hay e+ và ( 00 ). Do đó phổ năng lượng của  mà ta thu được từ thực nghiệm như trên không hề mâu thuẫn với giá trị gián đoạn của năng lượng hạt nhân. Trong phân rã  nếu không có ( ~00 ) và ( 00 ) thì không “bảo toàn momen”. Đúng vậy, nếu vế trái nơtron đứng yên thì spin là s = 1/2 còn vế phải là tổng momen của p 11 và eTheo quy tắc cộng momen thì spin của vế phải là 1/2 + 1/2 = 1 (hoặc bằng không) thì nó không cân bằng với vế trái. Do đó, để bảo toàn momen, trong phân rã phải có thêm một hạt (  00 ) hay (~00 ), chúng có spin bằng 1/2. Vậy quá trình phân rã   hay   được biểu diễn qua hai phương trình: GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 50 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học 1  Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại ~ Phân rã   : n 0  p1  e1   0 1 0 0  1 1 0 0 Phân rã   : p1  n0  e1   0 (4.42) (4.43) Sau này người ta chứng minh được sự tồn tại của hạt ( 00 ) bằng thực nghiệm. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 51 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Chương 5: THÍ NGHIỆM PHÂN HẠCH HẠT NHÂN Một trong các phản ứng thông dụng nhất là việc tạo thành hạt nhân hợp phần khi một hạt nhân có A > 230 hấp thụ một nơtron tới. Đa số các hạt nhân hợp phần đó đều vỡ thành hai mảnh hạt nhân có khối lượng trung bình và phát ra vài nơtron thứ cấp. Phản ứng này gọi là phản ứng phân hạch. Hình 5.1: Thí nghiệm phân hạch hạt nhân 5.1 NĂNG LƯỢNG VỠ HẠT NHÂN Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra tương ứng với độ hụt khối đó gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch. Thí dụ khi bắn nơtron chậm vào hạt nhân U235 thì nó sẽ vỡ thành hai mảnh M, N và giải phóng hai, ba nơtron. n + 92U235  M + N +kn (k = 1, 2, 3). (5.1) Hai mảnh M, N là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau tùy theo điều kiện của phản ứng. Xác suất xuất hiện hai hạt nhân M, N phụ thuộc vào số nuclon của chúng. Hình 5.2: Xác suất phân bố các mảnh phân hạch theo số nuclon A. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 52 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Trong đó: Mass number: số khối Percent fission yield: phần trăm sản lượng phân hạch. Hình 5.2 biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất xuất hiện các mảnh hạt nhân theo số nuclon A. Theo đồ thị ta thấy xác suất cực tiểu khi A = 118 (bằng nửa số nuclon của hạt nhân uran). Vậy rất ít khi xảy ra phản ứng trong đó hai nhân M, N bằng nhau. Xác suất cực đại khi A  90 và A  140. Thí dụ phản ứng: n + 92U235 → 54Xe139 + 38Sr95 +2n (5.2) là một phản ứng dễ xảy ra nhất. Trong mọi trường hợp, phản ứng vỡ nhân uran bao giờ cũng tỏa ra năng lượng: Wf = c2[(mn + muran) – (mM + mN + kmn)] (5.3) Wf gọi là năng lượng phân hạch của hạt nhân uran. Năng lượng đó có giá trị khoảng: W  200MeV Và phân bố như sau: Các mảnh phân hạch: 162 MeV, Nơtron: 6 MeV, Tia  : 6 MeV, Neutrino: 11 MeV, Phân rã  các mảnh: 5 MeV, Bức xạ  các mảnh: 5 MeV. Trong nhiều phản ứng phân hạch, ta thấy hạt nhân hợp phần dễ được tạo thành với nơtron nhiệt E  0,04 eV. Các nơtron sinh ra trong mỗi phân hạch đều có động năng vào cỡ 2 MeV. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 53 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 5.2 PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN CỦA SỰ VỠ NHÂN URAN Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ trung bình phải phát ra nhiều nơtron. Những nơtron này lại có thể bắn phá các nhân uran khác ở gần đó và cứ thế phản ứng tiếp diễn thành một dây chuyền. Thực tế không phải mọi nơtron sinh ra đều gây ra phản ứng vỡ hạt nhân, trái lại có nhiều nơtron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: thí dụ nơtron có thể bị các tạp chất trong tự nhiên hấp thụ, hoặc bị U238 hấp thụ mà không xảy ra phản ứng vỡ, hoặc bay ra ngoài thể tích khối uran,… thành thử muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới hệ số nhân nơtron k của hệ. Nó phụ thuộc tỉ số giữa số nơtron sinh ra và số nơtron mất đi do các nguyên nhân khác nhau. Nếu k nhỏ hơn đơn vị (k < 1) phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Nếu k đúng bằng đơn vị (k = 1) thì phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra với mật độ nơtron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điểu khiển được trong lò phản ứng. Nếu k lớn hơn đơn vị (k > 1) thì dòng nơtron sẽ tăng liên tục theo thời gian và dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được. Uran thiên nhiên chứa 99,3% đồng vị U238 và 0,7% đồng vị U235. Hạt nhân U238 chỉ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh, năng lượng lớn hơn 1 MeV, còn khi hấp thụ nơtron năng lượng dưới 1 MeV thì U238 sẽ biến đổi thành Pu239. Trái lại hạt nhân U235 sẽ vỡ khi hấp thụ cả nơtron chậm và nơtron nhanh. Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm của U235 lớn hơn nhiều so với khi hấp thụ nơtron nhanh. Thành thử trong một môi trường đồng nhất, nồng độ U238 lớn thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Trái lại với một khối lượng U235 đủ lớn thì phản ứng dây chuyền tự phát có thể xảy ra và chỉ sau một thời gian ngắn đã tỏa ra một nhiệt lượng lớn và gây ra vụ nổ nguyên tử. Ta gọi khối lượng tối thiểu của uran để xảy ra phản ứng dây chuyền tự phát là khối lượng tới hạn (đối với U235 nguyên chất là 1 kg, đối với plutoni nguyên chất là 1,235kg. Nhiệt lượng tỏa ra ứng với khối lượng tới hạn này tương đương với nhiệt lượng tỏa ra khi đốt 2000 tấn xăng, hay tương đương với năng lượng khi làm nổ 25.000 tấn thuốc nổ trinitrotoluen). Đó là nguyên tắc bom hạt nhân. Người ta dùng hai mảnh U235 khối lượng nhỏ hơn 1 kg đặt cách xa nhau. Dùng thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh đó đính liền nhau, khối lượng bây giờ lớn hơn mức tới hạn. Kết quả sẽ xảy ra vụ nổ nguyên tử. Trong thực tế vì khó có được U235 nguyên chất nên khối lượng tới hạn sẽ lớn hơn 1 kg nhiều. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 54 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Chương 6: THÍ NGHIỆM NHIỆT HẠCH HẠT NHÂN Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng theo đó hai nuclon hay hạt nhân tương đối nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng. Thí dụ, từ phản ứng tổng hợp hạt nhân đơtêri và triti để tạo thành heli, năng lượng được giải phóng ra sẽ là 17,6 MeV. 1H 3 + 1H2  2He4 + 0n1 + 17,6 MeV (6.1) Phản ứng nhiệt hạch điển hình là phản ứng kết hợp một proton với nơtron để tạo thành một đơton: 1H 1 + 0n1  1H2 Q = 2,23 MeV (6.2) Tương tự, ta có phản ứng tạo thành một hạt alpha bằng cách tổng hợp hai đơton và được thực hiện như hình 6.1. 1H 2 + 1H2  2He4 Q = 23,8 MeV. (6.3) Hình 6.1: Thí nghiệm nhiệt hạch hạt nhân 6.1 ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Trong phản ứng nhiệt hạch, các ion dương tương tác với nhau vì vậy để phản ứng xảy ra thì chúng phải có năng lượng lớn để thắng lực đẩy Coulomb. Trong phản ứng phân hạch, tác dụng tự duy trì do các nơtron sinh ra sau phản ứng thực hiện. Các nơtron sinh ra trong phản ứng này tương tác và phân hạch các hạt nhân uranium khác và quá trình này tự tiếp diễn. Quá trình này gọi là phản ứng phân hạch dây chuyền. Một loại phản ứng phân hạch khác không phải là phản ứng dây chuyền khi một lượng GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 55 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại uranium lớn được chiếu xạ cùng một lúc bởi dòng nơtron cường độ cao, đó chỉ là một hành động đơn lẻ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân có tính chất giống như loại phản ứng không dây chuyền này. Phản ứng được thực hiện do sự tham gia đồng thời của một lượng rất lớn các hạt nhân nhẹ. Điều kiện để phản ứng xảy ra là các hạt nhân phải có động năng đủ lớn để chúng vượt hàng rào thế Coulomb. Khi đó lực hạt nhân sẽ có tác dụng và phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Một điều kiện nữa để phản ứng thực hiện được, người ta phải đưa nhiệt độ tới hàng trăm triệu độ. Nhiệt độ này có thể đạt được bằng cách cho nổ một quả bom A (bom nguyên tử uran hay plutoni). Một loại bom gọi là bom hydro hay bom H được chế tạo theo nguyên tắc này. Như đã nói muốn phản ứng xảy ra phải đưa nhiệt độ tới hàng trăm triệu độ tức là khoảng 1010 K. Thực ra chỉ cần nhiệt độ 108 K đã xảy ra rồi. Nguyên nhân là theo định luật phân bố vận tốc của Maxwell, mặc dù ở nhiệt độ không cao lắm vẫn có một số hạt có năng lượng trung bình khá lớn để đảm bảo số phản ứng cần thiết xảy ra. Thành thử muốn thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân 2He4 phải tạo ra những nhiệt độ cao. Nói chung, khó khăn chủ yếu trong việc thực hiện phản ứng nhiệt hạch trong lò phản ứng nhiệt hạt nhân vẫn là vấn đề nhiệt độ: - Thực hiện những nhiệt độ hàng trăm triệu độ mà không được dùng bom nguyên tử. - Chế tạo lò phản ứng bằng những nguyên vật liệu có sức chịu đựng ở nhiệt độ lớn. - Cô lập lớp plasma có nhiệt độ hàng trăm triệu độ bên trong với vỏ lò. Vì nếu tiếp xúc với vỏ lò, plasma sẽ làm lò bốc hơi ngay và ngược lại plasma sẽ bị lạnh, và phản ứng sẽ ngừng lại. Vì plasma gồm những phần tử tích điện (ion) nên về nguyên tắc, người ta có thể nghĩ đến việc sử dụng một từ trường cực mạnh tạo thành một bức thành vô hình ngăn cách plasma và lớp vỏ lò phản ứng. Hiện tại người ta đang cố gắng nghiên cứu cách giải quyết các khó khăn cực lớn trên. Hy vọng rằng trong thời gian không xa, khoa học sẽ thành công trong việc thực hiện các phản ứng nhiệt hạch trong những lò phản ứng hạt nhân. Và nếu thực hiện được thì phản ứng nhiệt hạt nhân sẽ là nguồn cung cấp năng lượng cho thế giới trong tương lai. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 56 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 6.2 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH TRONG VŨ TRỤ Phản ứng nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng của các vì sao và Mặt trời. Năm 1938, Bethe đưa ra giả thuyết về hai chu trình phản ứng proton – proton và carbon – nitrogen. Chu trình proton – proton xảy ra như sau: 2(p + p → d + e+ + ) (6.4) 2(d + p → 2He3 +  ) (6.5) 2He 3 + 2He3 → 2He4 + 2p (6.6) Chu trình này biến các proton thành hạt nhân helium và giải phóng một lượng năng lượng rất lớn: 6p → 2He4 + 2p + 2e+ +2  Q = 26 MeV (6.7) Phản ứng này xảy ra với thời gian bán rã T1/2 = 1,4.1010 năm. Tuy năng lượng giải phóng trong một phản ứng là 26 MeV nhưng năng lượng giải phóng trung bình trên một đơn vị khối lượng đơn vị là rất thấp. Năng lượng này còn thấp hơn năng lượng giải phóng của cơ thể người. Tuy nhiên, do khối lượng của Mặt Trời là rất lớn, khoảng 2.10 33 g, nên năng lượng tổng cộng của Mặt Trời phát ra theo chu trình proton – proton rất lớn, tương đương với khối lượng Mặt Trời mất đi là 4,3.106 tấn/s. Chu trình carbon – nitrogen gồm 6 phản ứng, trong đó carbon đóng vai trò chất xúc tác: + 1H1 → 7N13 +  (6.8) → 6C13 + e+ + (6.9) 13 6C + 1H1→ 7N14 +  (6.10) 7N 14 + 1H1→ 8O15 +  (6.11) 8O 15 → 7N15 + e+ + (6.12) 7N 15 + 1H1→ 6C12 + 2He4 (6.13) 12 6C 7N 13 Chu trình này có thể viết dưới dạng tóm tắt: 41H1 → 2He4 + 2e+ +2 + 3  GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Q = 26 MeV Trang 57 (6.14) SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Kết quả là bốn hạt nhân hydrogen tạo thành một hạt nhân helium, còn lượng carbon không thay đổi. Phản ứng này cũng giải phóng năng lượng giống như chu trình proton – proton nhưng có thời gian đặc trưng bé hơn rất nhiều T1/2 = 3.108 năm. Chu trình hydro. 1H 1 + 1H1  1H2 + e+ +  (6.15) 1H 1 + 1H2  2He3 +  (6.16) 3 2He + 2He3  2He4 + 2(1H1) (6.17) Có thể viết tóm tắt là: 4(1H1)  2He4 + 2e+ + 2 +2  (6.18) Cần nói thêm rằng, các quá trình trên được gọi là các chu trình bởi vì từ các bon 6C12 biến đổi lại cho các bon 6C12 (chu trình các bon) và từ hydro 1H1 biến đổi lại cho hydro 1H1 (chu trình hydro). GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 58 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Phần KẾT LUẬN Qua nghiên cứu đề tài tôi đã đạt được một số điểm quan trọng sau đây: Thứ nhất, tôi đã trình bày thí nghiệm của Rutherford về cấu trúc nguyên tử. Từ mẫu nguyên tử ban đầu mà Thomson đưa ra có những sai sót nhất định, bằng thực nghiệm Rutherford đã chứng minh được mẫu nguyên tử của Thomson là hoàn toàn sai. Cuối cùng người hoàn chỉnh mẫu nguyên tử theo quan điểm cổ điển là Bohr. Thứ hai, tôi đã trình bày thí nghiệm nhiễu xạ tia X trên tinh thể. Qua thí nghiệm này tôi đã trình bày thí nghiệm phát kiến ra tia X và còn cho biết được bên trong vật chất có cấu trúc nhất định. Thứ ba, tôi đã trình bày thí nghiệm nhiễu xạ electron trên tinh thể. Qua thí nghiệm tôi đã trình bày được sóng De Broglie, thí nghiệm của Davission và Germer, G.P.Thomson, thí nghiệm nhiễu xạ electron qua hai khe và cũng trình bày được lưỡng tính sóng – hạt ở hạt vi mô. Thứ tư, tôi đã trình bày thí nghiệm phổ năng lượng  , tôi đã trình bày được một số tính chất của hạt nhân, hiện tượng phóng xạ, phổ năng lượng  và hạt neutrino. Thứ năm, tôi đã trình bày thí nghiệm phân hạch hạt nhân, gồm năng lượng vỡ hạt nhân và phản ứng dây chuyền của sự vỡ nhân uran. Cuối cùng, tôi đã trình bày thí nghiệm nhiệt hạch hạt nhân, trong thí nghiệm này tôi đã trình bày được điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch và phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ. Phản ứng nhiệt hạch có năng lượng rất lớn, nếu kiểm soát được đây sẽ là nguồn năng lượng cho toàn thế giới trong tương lai. Qua nghiên cứu, tôi đã trình bày được mục đích đã đặt ra. Do giới hạn về tài liệu nên thí nghiệm phân hạch và thí nghiệm nhiệt hạch chưa trình bày một cách chi tiết, cụ thể. Tuy nhiên, tôi cũng đã trình bày một cách cụ thể các thí nghiệm: thí nghiệm của Rutherford về cấu trúc nguyên tử, thí nghiệm nhiễu xạ tia X trên tinh thể, thí nghiệm nhiễu xạ electron trên tinh thể và thí nghiệm phổ năng lượng  , do những thí nghiệm này có nhiều tài liệu. Do luận văn của tôi chỉ trình bày một số thí nghiệm cơ bản chứ không trình bày tất cả các thí nghiệm trong vật lý học hiện đại. Nếu có cơ hội tôi sẽ bổ sung thêm những thí nghiệm khác để luận văn của tôi hoàn chỉnh hơn. Tiếp theo, vì luận văn của tôi chỉ nghiên GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 59 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại cứu về mặt lý thuyết, nhưng chưa nghiên cứu thí nghiệm. Nếu có điều kiện tôi sẽ làm thí nghiệm để kiểm chứng lại những lý thuyết trong phần luận văn đã trình bày. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 60 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Duyên Bình: Vật lý đại cương – tập 3 NXB Giáo dục. Năm 1998 [2] Trần Ngọc Hợi, Phạm Văn Thiều: Vật lý đại cương các nguyên lý và ứng dụng NXB Giáo dục. Năm 2006 [3] PGS.TS. Ngô Quang Huy: Cơ Sở Vật Lý Hạt Nhân NXB Khoa học và kỹ thuật. Năm 2006 [4] N.I. KARIAKIN, K.N. BƯXTRÔV, P.X. KIRÊEV: Sách tra cứu tóm tắt về Vật Lý NXB Khoa học và kỹ thuật. Năm 2004 [5] Đào Văn Phúc: Lịch sử vật lý học NXB Giáo dục. Năm 2009 [6] Ronald Gautreau – William Savin: Vật Lý hiện đại NXB Giáo dục. Năm 2006 [7] Đặng Văn Soa: Giáo trình cấu trúc hạt nhân và hạt cơ bản NXB Đại học Sư Phạm. Năm 2006 [8] Đào Đình Thức: Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tập I NXB Giáo dục. Năm 2005 [9] Nguyễn Xuân Tư: Bài giảng Vật lý hạt nhân và hạt cơ bản. Khoa Sư Phạm Đại học Cần Thơ. Năm 2000 [10] Đặng Huy Uyên: Vật lý hạt nhân đại cương NXB ĐHQG Hà Nội. Năm 2005. GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 61 SVTH: Lê Trung Hiếu [...]... Broglie, nhưng có nhiều thí nghiệm đầu tiên được tiến hành với electron GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 22 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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... 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 16 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Chương 2: THÍ NGHIỆM... 28 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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 GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 29 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại Chương 4: THÍ NGHIỆM PHỔ NĂNG LƯỢNG  4.1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HẠT... 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 2d sin   k gọi là công thức Bragg (2.2) Trong đó: D: hằng số mang theo một phương nào đó GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 19 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại  : góc là của chùm tia... 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. .. Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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  h... planes: mặt phẳng Bragg Hình 3.1: Thí nghiệm của Davisson và Germer GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 23 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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... Trang 15 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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... 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... Hoàng Xuân Dinh Trang 24 SVTH: Lê Trung Hiếu Luận văn tốt nghiệp Đại học Những thí nghiệm cơ bản trong Vật lý hiện đại 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