Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác

Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Lời cảm ơn Sau thời gian nghiên cứu, hướng dẫn tận tình T.S Nguyễn Thị Hà Loan, em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp với đề tài: “Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác” Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước lòng bảo tận tình cô Qua đây, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô khoa thầy cô trường Đại học Sư phạm Hà Nội II giúp đỡ em hoàn thành khoá luận Do thời gian kinh nghiệm nghiên cứu hạn hẹp khoá luận chắn nhiều chỗ thiếu xót chưa ý muốn Em mong nhận đóng góp, bảo thầy cô, bạn để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2007 Sinh viên thực hiện: Trần Thị Hải Yến Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nội dung khoá luận không trùng với công trình nghiên cứu tác giả trước Kết có cố gắng nỗ lực thân hướng dẫn, bảo tận tình T.S Nguyễn Thị Hà Loan Sinh viên thực hiện: Trần Thị Hải Yến Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Mục lục Trang Mở đầu Nội dung: Chương 1: Các loại lực tương tác tự nhiên Tương tác hấp dẫn Tương tác điện từ Tương tác mạnh Tương tác yếu Chương 2: Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác 11 Cấu trúc hạt 11 Cấu trúc hạt nhân nguyên tử 15 Cấu trúc nguyên tử, phân tử 21 Cấu trúc vật chất trạng thái khác vật chất 25 Tổng kết 29 Kết luận 30 Tài liệu tham khảo 31 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Mở đầu 1.Lý chọn đề tài: Hạt quan niệm “viên gạch” xây dựng nên giới vật chất Để gắn kết “viên gạch” với cần đến thứ “hồ keo” loại tương tác tự nhiên Trong giới hạn khoa học nay, tương tác phân chia làm bốn loại: Tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu Trên sở hiểu biết “hạt” loại tương tác, nhà vật lý lý thuyết hy vọng xây dựng lý thuyết thống cấu trúc vật chất sở loại tương tác Đây hướng nghiên cứu hấp dẫn không thu hút ý nhà vật lý lý thuyết mà lôi tất quan tâm tới tranh cấu tạo vật chất Là sinh viên vật lý, sau bốn năm học qua học phần vật lý đại cương, vật lý lý thuyết có hiểu biết định tranh giới vật chất Tuy nhiên hiểu biết rời rạc, chưa hệ thống Sau đề tài này, em muốn xâu chuỗi hiểu biết trên, bước đầu trang bị cho nhìn khái quát thống cấu trúc giới vật chất Với lý em định chọn cho đề tài: “Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác” Đây đề tài hay, có nhiều triển vọng Nếu thực xây dựng lý thuyết thống cấu trúc giới vật chất, chân trời bao la đầy hứa hẹn mở Chúng ta hiểu chất tượng vật lý diễn tự nhiên từ hạt vi mô vật thể vĩ mô 2.Mục đích nghiên cứu: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Trong đề tài nghiên cứu đặc điểm, tính chất loại tương tác tự nhiên, vai trò loại tương tác cấp độ cấu trúc vật chất Từ đưa tranh cấu trúc vật chất, hạt quark liên kết với tạo thành hạt bản, hạt lại tổ hợp tạo nên hạt nhân nguyên tử tới nguyên tử Dưới tác dụng lực liên kết, nguyên tử kết hợp với tạo thành phân tử – phần tử nhỏ mang tính chất hợp chất Các phân tử, nguyên tử xếp theo trật tự định để tạo nên vật chất trạng thái khác 3.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: vật chất Phạm vi nghiên cứu: cấu trúc dựa quan điểm loại tương tác tự nhiên 4.Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm hiểu loại tương tác tự nhiên - Cấu trúc vật chất: + Cấu trúc hạt + Cấu trúc hạt nhân nguyên tử + Cấu trúc nguyên tử, phân tử + Cấu trúc vật chất trạng thái khác vật chất 5.Các phương pháp, phương tiện: - Phương pháp: đọc, tra cứu tài liệu, quan sát, tổng kết kinh nghiệm, vấn - Phương tiện: Sử dụng phương pháp toán cho vật lý: Lý thuyết nhóm đối xứng SU(n) Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Nội dung Chương 1: Các loại lực tương tác tự nhiên Theo quan điểm vật lý học có bốn loại tương tác tự nhiên 1.Tương tác hấp dẫn: Tương tác hấp dẫn loại tương tác gắn liền với “vạn vật” đến vật cản Do độ lớn lực hấp dẫn phụ thuộc khối lượng khoảng cách hai vật nên với giới vi mô loại tương tác vai trò đáng kể Tương tác hấp dẫn loại tương tác đặc trưng vật thể vĩ mô vũ trụ, bán kính tác dụng tiến tới vô không phụ thuộc vào tính chất hai vật tham gia tương tác Đại lượng đặc trưng cho tương tác hấp dẫn lực hấp dẫn: F = G M 1M R122 Với G số hấp dẫn có độ lớn 6,672 10-11 N m2/kg2 M1,M2 khối lượng vật tham gia tương tác R12 khoảng cách hai vật Theo thuyết tương đối Enstein tương tác hấp dẫn truyền tức thời mà truyền với vận tốc lớn, lực hấp dẫn bị triệt tiêu hệ chuyển động có gia tốc Tuy nhiên theo quan điểm vận tốc giới hạn lan truyền sóng hấp dẫn vấn đề nghiên cứu nhà bác học vấn đề có liên quan đến chất tương tác hấp dẫn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Theo cách nhìn học lượng tử lực hấp dẫn lực hai hạt vật chất mang hạt có Spin gọi hạt graviton Hạt khối lượng riêng có tầm tác dụng dài 2.Tương tác điện từ: Hiểu cách đơn giản tương tác điện từ loại tương tác thành phần mang điện Thực sống hàng ngày thường gặp biểu khác lực tương tác điện từ tính chất ma sát, đàn hồi, hoạt động bắp, đặc biệt thường xuyên tiếp xúc với tương tác điện từ - ánh sáng giúp ta nhìn rõ vật Năng lượng tương tác điện từ trường hợp xác định công học lực ma sát, lực đàn hồi hay bắp sinh Theo quan niệm, nguyên nhân gây tương tác điện từ tích điện phân tử tham gia tương tác Ta có đai lượng đặc trưng cho loại tương tác lực Coulomb: F = k q1 q r122 Trong đó: k số Coulomb: 9.109 N.m2/C2 : q1,q2 điện tích hạt tham gia tương tác : r12 khoảng cách chúng Lực điện từ hình dung gây trao đổi số lớn hạt ảo khối lượng tĩnh có Spin gọi phôtôn Farađây người tương tác điện từ tồn nhờ có trường điện từ xuất xung quanh vật tích điện Mắc xoen người có công rõ tương tác điện từ lan truyền với vận tốc vận tốc ánh sáng Lực điện từ chi phối tính chất êlectron nguyên tử phân tử, chi phối tới liên kết phân tử với để tạo thành vật chất Khi sâu vào giới hạt thấy tương tác điện từ không gắn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến liền với lực Coulomb mà biểu trình sinh cặp điện tử Poditron trình rã meron  thành cặp phôtôn hay phân rã hyperon thành hyperon phôtôn gama 3.Tương tác mạnh: Hay gọi tương tác hạt nhân Đây lực giữ cho hạt quark prôtôn, nơtron giữ cho prôtôn nơtron nguyên tử Người ta tin lực mang hạt có spin khác gọi gluon Hạt gluon tương tác với hạt quark Lực hạt nhân có tính chất lạ gọi cầm tù: liên kết hạt có màu thành tổ hợp hạt không màu Lực hạt nhân có tính chất khác gọi tự tiệm cận làm cho khái niệm hạt quark gluon trở nên hoàn toàn xác định Tương tác mạnh tồn Hađrôn không tồn hạt Léptôn Sở dĩ gọi tương tác mạnh phải thắng lực đẩy Culông làm cho hạt nhân không bền vững Bán kính tác dụng lực tương tác mạnh vào cỡ 10-15m Đại lượng đặc trưng cho tương tác mạnh lực hạt nhân Đặc tính tương tác mạnh tương tác gần, không phụ thuộc vào điện tích mà phụ thuộc vào định hướng hạt tham gia tương tác Thời gian sống tương tác mạnh nhỏ vào cỡ 10 -24(s) Tương tác mạnh có số tương tác lớn, việc đưa vào công cụ toán học để nghiên cứu khó Ta dùng lý thuyết nhiễu loạn công cụ không thống cho tất hạt Để nghiên cứu tương tác mạnh người ta dùng lý thuyết nhóm đối xứng, dựa vào lý thuyết ghép quark lại với thành hạt 4.Tương tác yếu: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Tương tác yếu loại tương tác gắn liền với trình phân rã hạt không bền vững trình phóng xạ hạt nhân nguyên tử Tương tác yếu tác dụng lên hạt có Spin nguyên phôtôn hay gravitôn Tương tác yếu xảy chậm so với tương tác mạnh, thời gian xảy tương tác yếu vào cỡ 10-10 – 10-8(s) Bán kính tác dụng tương tác yếu nhỏ tương tác mạnh Có người cho vai trò “con thoi” chuyển tải tương tác yếu điện tử phản Nơtrinô ( hay Pôditron Nơtrinô ) Khi sâu vào nghiên cứu kỹ tương tác yếu ta làm quen với vi phạm tính đối xứng không gian tính đối xứng gương ( mà ta gọi tính chẵn lẻ ) tương tác yếu Bốn loại tương tác liệt kê tồn với đặc tính riêng chúng Trong giới vi mô xếp thứ tự theo độ lớn ta có tỷ lệ sau: coi tương tác mạnh loại tương tác điện từ, tương tác yếu tương tác hấp dẫn là:10-3, 10-24 10-40 Các nhà bác học vật lý học đại tìm mối liên hệ loại tương tác với ý đồ thống chúng lại với Trường Đại học Sư phạm Hà Nội K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Chương 2: Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác 1.Cấu trúc hạt bản: Nhà bác học lớn giới E.Eeemi nói: “ở giai đoạn phát triển khoa học, gọi hạt mà cấu trúc mà xem hạt điểm hạt bản” Các nuclêon hạt bản, đến “giai đoạn phát triển khoa học” sau năm 1963 vấn đề cấu trúc nuclêon trở thành vấn đề nhà bác học giới ghi nhận (nhờ nghiên cứu cấu trúc điện từ nuclêon mà R.Hotstadter dược tặng giải thưởng Nobel )ngày vấn đề cấu trúc nuclêôn không vấn đề bàn cãi thói quen gọi chúng hạt Kết nghiên cứu nhà bác học Mĩ đạo R.Hotstadter nhà bác học Xô viết cấu trúc nuclêon nhờ tán xạ đàn hồi điện tích tử nuclêon hay  – Mezon lượng lớn lên prôtôn biểu thị thông qua hình vẽ đây:  r r Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 10 K29A - Vật k lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến theo giá trị mômen quỹ đạo l tương tác Spin – quỹ đạo nhỏ Đối với hạt nhân nuclêon tuân theo thống kê Fecmi - Đirắc giống êlêctron Còn chuyển động quỹ đạo vô lý trái với êlêctron nuclêon tương tác với mạnh, chung tâm lực chung quãng đường tự trung bình nuclêôn tính từ giá trị hiệu dụng nhỏ Tuy nhiên Weisskopf chứng tỏ, tương tác nuclêon lớn va chạm chúng lại có va chạm hai hạt va chạm phải lượng tụt xuống mức thấp Nhưng va chạm hạt nhân bình thường không bị kích thích, tất mức lượng bị chiếm đầy theo nguyên lý Pauli nhận thêm nuclêon Do quãng đường tự trung bình nuclêon trở thành đủ lớn so với kích thước hạt nhân ta nói tới chuyển động xác định hay quỹ đạo lượng tử hạt riêng biệt Tương tác hai nuclêôn mô tả mội hố sâu hẹp (lực hạt nhân có cự ly ngắn), nuclêôn tương tác với số nuclêôn khác bên cạnh mặt khác mật độ nuclêôn hatl nhân không đổi nên cộng hố gần lại ta hố trung bình diễn tả tương tác nuclêôn với nuclêôn khác Một trường gọi trường tự hợp Thế trung bình biến đổi chậm lòng hạt nhân triệt tiêu nhanh biên, nghĩa nuclêôn chịu tác dụng nuclêôn khác chủ yếu gần biên hạt nhân, lòng hạt nhân chuyển động tương đối tự do.Có thể giả thiết trung bình có dạng đối xứng cầu;mặt khác lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích lớn so với lực Culônggiữa prôton nên xem hố trung bình cho prôton nơtrôn không khác nhau, chúng có số Magíc Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 19 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Ta có bảng so sánh đặc điểm dẫn đến cấu tạo lớp nguyên tử hạt nhân : Nguyên tử Hạt nhân Êlêctron chuyển động Nuclêôn chuyển động độc lập trường chung độc lập trường chung hạt nhân thân êlêctron gây thân nuclêôn gây – hố phẳng biên tâm gây ra Không có tâm lực chung Thế đối Hạt nhân tâm lực chung ổn xứng cầu trường hợp chiếm định hoá phân bố điện tích đối đầy lớp, phân bố mật độ xứng cầu hệ nên đẳng đẳng hướng Các nhân khác nói hướng phân bố mật độ lấy trung chung không đối xứng cầu bình theo phương Năng lượng liên kết nuclêon Năng lượng liên kết êlectron không khác nhiều trừ trường khác hợp hạt nhân nhẹ Liên kết J – J Liên kết L – S 5 Số hạt ứng với lớp lấp đầy Số hạt ứng với lớp đầy: 2,8,20,50,82,126 2,10,18,36,54,86 Tương tác nuclêôn cự ly Tương tác êlêctron: cự ly ngắn hút Trạng thái thuận tiện xa đẩy Trạng thái thuận tiện nhất lượng có đối xứng lượng có đối xứng không không gian cực tiểu gian cực tiểu Trạng thái nhân chẵn – Trạng thái Spin có xu chẵn I = 0, nhân A lẻ nhận I hướng nhận giá trị lớn mômen nuclêôn đơn lẻ cuối Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 20 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Kết luận mẫu lớp: - Thành công + Tìm số magíc + Tìm J  hạt nhân: chẵn – chẵn, lẻ – lẻ, có A lẻ + Mô tả số trạng thái kích thích thấp + Giải thích tồn phân vùng trạng thái đồng phân - Hạn chế mẫu lớp: + Chưa mô tả phản ứng hạt nhân + Chưa mô tả chế trình phân chia hạt nhân + Một số kiện thực nghiệm số thông số ( mômen từ, tỷ số xác suất dịch chuyển điện từ) chưa trùng khớp với kết lý thuyết mẫu Ngoài mẫu giọt, mẫu lớp nhà vật lý đưa mẫu: mẫu suy rộng, mẫu khí Fécmi, mẫu quang học… 3.Cấu trúc phân tử nguyên tử 3.1.Cấu tạo nguyên tử Qua nhiều thí nghiệm Rơdopho học trò tìm mẫu hành tinh nguyên tử Tuy nhiên mẫu gặp phải hạn chế mà với lý thuyết Rơdopho chưa thể giải Dựa thành công lý thuyết Planck Einstein, năm1913 nhà vật lý Bohr đề lý thuyết cấu trúc nguyên tử nhằm khắc phục mâu thuẫn mẫu hành tinh nguyên tử Thuyết Bo phát biểu hai định đề: - Định đề thứ nhất: nguyên tử tồn trạng thái dừng có lượng xác định gián đoạn hợp thành chuỗi giá trị E 1,E2…En Trong trạng thái dừng, êlêctrôn không xạ lượng mà chuyển Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 21 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến động quỹ đạo tròn gọi quỹ đạo lượng tử có bán kính thoả mãn điều kiện: L = mvr = n  - Định đề thứ hai: nguyên tử hấp thụ hay phát xạ lượng dạng xạ điện từ chuyển từ trạng thái dừng sang trạng thái dừng khác Tần số xạ điện từ thoả mãn:  = Ei  E k h Ei Ek lượng ứng với trạng thái đầu trạng thái cuối Ta thấy với hai định đề Bo thừa nhận xoá bỏ mâu thuẫn mẫu nguyên tử Rơdơpho Nguyên tử luôn bền vững quang phổ quang phổ vạch Cấu trúc nguyên tử mô tả sau: gồm có hai phần lõi hạt nhân lớp vỏ êlêctron + Hạt nhân:có khối lượng lớn coi đứng yên Hạt nhân nguyên tố hoá học có số thứ tự Z bảng hệ thống tuần hoàn có điện tích Ze mang điện dương + Lớp vỏ êlêctron: êlêctron chuyển động quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân Hạt nhân có điện tích +Ze lớp vỏ có Z êlêctron.Trên quỹ đạo êlêctron chịu tác dụng lực hút Culông từ hạt nhân đóng vai trò lực hướng tâm Bán kính quỹ đạo êlêctron tăng theo bình phương số nguyên quỹ đạo dừng vận tốc êlêctron không đổi Điều đảm bảo cho lựơng không đổi phù hợp với định đề thứ Bo Chúng ta xét ví dụ cụ thể cấu trúc nguyên tử Hiđrô nguyên tử đơn giản có êlectron quỹ đạo Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 22 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Hạt nhân có khối lượng lớn coi đứng yên , êlectron chuyển động quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân chịu tác dụng lực hút Culông từ hạt nhân Định luật Niutơn áp dụng cho chuyển động êlectron là: ke mv = r r2 Năng lượng nguyên tử bao gồm động êlectrôn tương tác tĩnh điện hạt nhân – êlectron E= mv ke ke + ()=2 r r Năng lượng toàn phần có giá trị âm thể điều kiên liên kết hạt nhân êlectron để tạo thành nguyên tử bền vững Sử dụng thêm điều kiện lượng tử Bo ta : n 2 kme rn = Bán kính quỹ đạo tăng theo bình phương số nguyên quỹ đạo có bán kính thoả mãn công thức phép Vận tốc tương ứng êlectron quỹ đạo dừng: = ke n Vận tốc tỷ lệ với số nguyên suy bán kính quỹ đạo lớn vận tốc êlectron nhỏ ngược lại Với ion tương tự Hiđrô tức ion nguyên tố lại êlectron He+,Li++ có hạt nhân có điện tích +Ze, điều dẫn đến kết bán kính quỹ đạo êlectron nhỏ Z lần chịu lực hút từ phía hạt nhân tăng Z lần Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 23 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Với nguyên tử phức tạp có nhiều êlectron, êlectron xếp theo trật tự định tuỳ thuộc vào trạng thái nguyên tử Êlectron hạt có Spin bán nguyên nên tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli 3.2.Cấu trúc phân tử : Trong phần trước ta nghiên cứu cấu tạo hạt nhân nguyên tử Các nguyên tử liên kết lại thành nhóm tạo nên phân tử Như nảy câu hỏi: lực giữ nguyên tử lại với phân tử? Một cách tương đối ta chia lực hút nguyên tử phân tử thành ba nhóm sau đây: lực Vanđecvan, lưc liên kết ion (hay liên kết dị cực), liên kết cộng hoá trị (hay lực liên kết đồng cực) Sự phân chia đại thể với ý nghĩa luôn phân biệt ba loại lực với Các lực Vanđécvan thường nhỏ so với lực nguyên tử phân tử Các lực Vanđecvan đóng vai trò chủ yếu để giữ phân tử chất lỏng với Vì nghiên cứu vấn đề liên kết nguyên tử phân tử ta không cần ý đến lực Các liên kết ion không khác lực hútgiữa điện tích trái dấu Nếu có hai iôn ví dụ Na+ Cl- chúng hút lực hút tĩnh điện tạo thành phân tử NaCl Tuy nhiên dựa vào liên kết iôn ta giải thích cấu tạo tất phân tử Ví dụ dựa vào khái niệm liên kết ion ta hiểu hai nguyên tử Hiđrô trung hoà lại liên kết với tạo thành phân tử Hiđrô Điều giải thích đặc điểm tương tác học lượng tử Liên kết đồng cực loại liên kết phân tử tạo thành êlectron góp chung nguyên tử Cơ học lượng tử cho ta cách giải thích sâu sắc chất loại tương tác Theo học lượng tử chất Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 24 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến liên kết đồng cực sau: Êlectron trường hạt nhân phân tử nằm trạng thái lượng tử xác định Nếu khoảng cách hạt nhân thay đổi trạng thái chuyển động êlectron lượng thay đổi Giữa hạt nhân có lực đẩy lượng tương tác chúng tăng lên khoảng cách giảm Tuy nhiên khoảng cách giảm lượng êlectron giảm nhanh độ tăng lượng liên kết hạt nhân lượng toàn phần giảm xuống khoảng cách giảm Điều có nghĩa hệ gồm hai hạt nhân đẩy êlectron có tồn lực có xu hướng làm giảm khoảng cách hạt nhân nghĩa có nhữg lực hút tác dụng, lực gây liên kết đồng cực phân tử Chúng xuất tồn êlectrôn chung, nghĩa trao đổi êlectron hạt nhân nên lực gọi lực trao đổi lượng tử Để minh hoạ cụ thể ta xét phân tử Hiđrô gồm hai Prôton hai êlectron phân tử đơn giản Rõ ràng khoảng cách prôton không lớn hàm sóng nguyên tử tạo thành phân tử phủ lên đáng kể Điều có nghĩa êlectron thuộc hai nguyên tử, nghĩa nguyên tử có trao đổi êlectron Nhờ có xuất lực trao đổi gây liên kết đồng cực Phép tính chi tiết chứng tỏ rằng, Spinơ hai nguyên tử đối song hai nguyên tử Hiđrô hút tạo thành phân tử Hiđrô, trường hợp Spinơ chúng song song khoảng cách nguyên tử chịu tác dụng lực đẩy không tạo thành phân tử Bây ta giả sử có nguyên tử Hiđrô tiến tới gần phân tử Hiđrô Chúng bắt đầu trao đổi êlectron Một câu hỏi đặt là: trao đổi lực xuất có tạo thành phân tử Hiđrô không? Như nói trên, phân tử Hiđrô có hai êlectron với Spinơ đối song Phân tử Hiđrô nguyên tử Hiđrô trao đổi êlectron với Spinơ đối song Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 25 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến phân tử Hiđrô có hai êlectrôn với Spinơ song song, điều Do đó, phân tử Hiđrô nguyên tử Hiđrô trao đổi êlectron có Spinơ song song, trao đổi dẫn tới lực đẩy Do nguyên tử Hiđrô phân tử Hiđrô xuất hiên lực đẩy tạo thành phân tử gồm ba nguyên tử Hiđrô 4.Cấu trúc vật chất trạng thái khác vật chất: Như nói trên, phân tử phần tử nhỏ mang đầy đủ tính chất hợp chất kích thước vĩ mô gặp vật chất tồn trạng thái: rắn, lỏng, khí plasma trạng thái khác phân tử xắp xếp liên kết theo chật tự khác Thuyết cấu tạo chất phát biểu sau: + Các chất cấu tạo từ hạt riêng biệt gọi phân tử + Các phân tử chuyển động không ngừng + Các phân tử chuyển động nhanh nhiệt độ cao Các hạt cấu tạo nên chất rắn khí trơ nguyên tử, coi phân tử đơn nguyên tử Người ta xác định kích thước khối lượng phân tử chất khác Các vật giữ hình dạng thể tích chúng phân tử cấu tạo nên vật, đồng thời có lực hút lực đẩy Độ lớn lực phụ thuộc khoảng cách phân tử Khi khoảng cách phân tử nhỏ lực đẩy mạnh lực hút, khoảng cách phân tử lớn lực hút mạnh lực đẩy Khi khoảng cách phân tử lớn ( lớn nhiều lần kích thước phân tử ) lực tương tác chúng coi không đáng kể Để hình dung tồn đồng thời lực hút lực đẩy phân tử người ta dùng mô hình sau: coi hai phân tử đứng cạnh cầu, liên kết hai phân tử lò xo Lò xo bị dãn có xu hướng co lại: tổng hợp lực liên kết phân tử lực hút Lò xo bị nén có xu hướng dãn ra: tổng hợp lực liên kết phân tử lực đẩy Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 26 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Lò xo không nén không dãn: phân tử có khoảng cách cho lực hút lực đẩy cân Sự khác trạng thái chất giải thích sau: - thể khí: phân tử xa ( khoảng cách phân tử lớn gấp hàng chục lần kích thước chúng ) Lực tương tác phân tử yếu nên phân tử chuyển động hoàn toàn hỗn loạn Do đó, chất khí hình dạng thể tích xác định Chất khí chiếm toàn thể tích bình chứa nén dễ dàng Khi chuyển động phân tử khí va chạm vào nhau, va chạm vào thành bình gây nên áp suất chất khí - thể rắn: phân tử gần ( khoảng cách phân tử vào cỡ kích thước chúng ) Lực tương tác phân tử chất rắn mạnh nên giữ phân tử vị trí xác định làm cho chúng dao động xung quanh vị trí cân xác định Do đó, vật rắn tích hình dạng riêng xác định Khi vị trí xác định cân xắp xếp theo trật tự hình học không gian xác định chất rắn có cấu trúc tinh thể gọi chất rắn kết tinh Ngược lại vị trí cân xắp xếp hỗn độn có chất rắn vô định hình - Thể lỏng coi chung gian thể khí thể rắn Lực tương tác phân tử thể lỏng lớn lực tương tác phân tử thể khí nên giữ phân tử không chuyển động phân tán xa Nhờ đó, chất lỏng tích riêng xác định Tuy nhiên, lực chưa đủ lớn chất rắn để giữ phân tử vị trí xác định Các phân tử thể lỏng dao động xung quanh vị trí cân bằng, vị trí không cố định mà di chuyển Do đó, chất lỏng hình dạng riêng mà có hình dạng phần bình chứa Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 27 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến - Plasma: điều kiện nhiệt độ cao, lên tới hàng chục triệu độ lòng mặt trời, vật chất không tồn ba trạng thái cấu tạo chất thường gặp mà tồn dạng trạng thái đặc biệt gọi Plasma Trong trạng thái Plasma, vật chất không tồn dạng nguyên tử phân tử mà dạng iôn mang điện Trên Trái đất trạng thái Plasma hiếm; nhiên, vũ trụ lại có tới 99% vật chất tồn dạng Plasma Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 28 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Tổng kết Như vậy, đến thấy giới tự nhiên tồn bốn loại tương tác: Tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu tương tác hấp dẫn với đặc tính riêng khác Tuy nhiên bốn loại tương tác tồn để cấu thành giới vật chất bao la cấp độ siêu vi mô tương tác mạnh tương tác yếu tương tác điện từ đóng vai trò chủ yếu Còn cấp độ vĩ mô tương tác hấp dẫn lại bao trùm lên tất Như vậy, vật chất tương tác tồn có mối quan hệ mật thiết với Chúng ta thấy điều qua nhận định sau: Theo quan điểm quack thành phần cuối vật chất Các hạt quark liên kết với để tạo thành hạt Các Bariôn cấu tạo từ ba quark, Mêzôn tạo từ quark phản quark Các quark liên kết tương tác mạnh Hạt nhân nguyên tử tạo nên liên kết hạt prôton nơtron Tuỳ thuộc vào số lượng prôtôn hạt nhân có hạt nhân thuộc nguyên tố khác Nếu hạt nhân có số prôtôn khác số nơtron chúng gọi đồng vị nguyên tố Như biết lực liên kết nuclêôn gọi lực hạt nhân, bán kính tác dụng nhỏ cường độ lại lớn Tương tác hạt nuclêôn hạt nhân nguyên tử tương tác mạnh Nguyên tử tạo thành hạt nhân nguyên tử lớp vỏ Lớp vỏ nguyên tử êlectron chuyển động xung quanh hạt nhân Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 29 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến điều kiện bình thường nguyên tử trung hoà điện số prôton số êlectron nguyên tử muốn tồn bền vững êlectron lớp vỏ phải liên kết với hạt nhân Lực liên kết lực điên từ Do đó, electron hạt nhân nguyên tử liên kết với chủ yếu tương tác điện từ Bình thường nguyên tử tồn riêng biệt mà chúng thường liên kết với để tạo thành phân tử Ví dụ phân tử ôxi (O2) hai nguyên tử ôxi, phân tử muối (NaCl) gồm hai iôn Na +và Cl- tạo thành Liên kết phân tử thường liên kết iôn cộng hoá trị giới vĩ mô thường gặp vật chất tồn trạng thái khác ( rắn, lỏng, khí plasma ).Trạng thái vật chất quy định xắp xếp liên kết nguyên phân tử tạo nên chúng mà trật tự lại quy định lực tương tác hạt Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 30 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Kết luận Về luận văn hoàn thành nhiệm vụ đặt tìm hiểu cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác Việc trình bày cấu trúc vật chất từ cấp độ hạt tới vật chất cấp độ vĩ mô cho chặt chẽ dễ hiểu việc làm khó song qua người làm luận văn hệ thống hoá kiến thức bước đầu đem lại cho người đọc có nhìn khái quát tranh cấu tạo giới vật chất Phần cấu trúc hạt từ hạt quark vấn đề vật lý học đại Loại tương tác chi phối trình tạo thành hạt biểu diễn công cụ toán học thường mà cần phải dùng đến lý thuyết nhóm đối xứng Vì vậy, để nắm phần đòi hỏi độc giả phải có vốn kiến thức định lý thuyết nhóm đối xứng mà điều kiện luận văn chưa trình bày sâu Với phát triển mạnh mẽ vật lý lý thuyết chắn tương lai không xa tìm nhiều hạt thống loại tương tác với Loài người có tranh vật chất mở rộng đến chân trời bao la đầy hứa hẹn Chúng ta hiểu chất tượng vật lý diễn tự nhiên từ hạt vi mô đến vật thể vĩ mô Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 31 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Tài liệu tham khảo Cơ học lượng tử cấu trúc nguyên tử - (An.Matveen ) - “NXBGD 1980” Vật lý hạt nhân hạt – ( Đặng Xuân Hải )- “ĐHSPHN II-1987” Cơ học lượng tử - (Trần Thái Hoa ) - “ĐHSPHN II-1992” Vật lý chât rắn - (Nguyễn Thế Khôi_Nguyễn Hữu Mình) - “NXBGD 1992” Cơ lý thuyết - (Galubeva) – “NXBGD” Vật lý nguyên tử hạt nhân – (Vũ Thanh Khiết_Lê Chân Hùng) “NXBGD - 1989” Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 32 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Trần Thị Hải Yến 33 K29A - Vật lý [...]... tương tác: Tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác hấp dẫn với những đặc tính riêng khác nhau Tuy nhiên bốn loại tương tác luôn tồn tại để cấu thành thế giới vật chất bao la của chúng ta ở cấp độ siêu vi mô thì tương tác mạnh tương tác yếu và tương tác điện từ đóng vai trò là chủ yếu Còn ở cấp độ vĩ mô thì tương tác hấp dẫn lại bao trùm lên tất cả Như vậy, vật chất và tương tác. .. của vật chất được quy định bởi sự xắp xếp và liên kết giữa các nguyên phân tử tạo nên chúng mà trật tự này lại được quy định bởi lực tương tác giữa các hạt Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 30 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Kết luận Về cơ bản luận văn đã hoàn thành được nhiệm vụ đặt ra đó là tìm hiểu được cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác Việc trình bày cấu trúc của vật chất. .. 4 .Cấu trúc vật chất và các trạng thái khác nhau của vật chất: Như đã nói ở trên, phân tử là phần tử nhỏ nhất còn mang đầy đủ tính chất của hợp chất ở kích thước vĩ mô chúng ta gặp vật chất tồn tại ở các trạng thái: rắn, lỏng, khí và plasma ở các trạng thái khác nhau các phân tử được xắp xếp và liên kết theo các chật tự khác nhau Thuyết cấu tạo chất đã được phát biểu như sau: + Các chất được cấu tạo từ... kính tác dụng của các lớp cấu trúc của nuclêon như trên hình vẽ Ngoài các Lepton có kích thước bé và có thể có cấu tạo đơn giản hơn, các hạt cơ bản nói chung đều có kích thước và cấu tạo khá phức tạp và có thể hiểu các hạt cơ bản như một tổ hợp liên kết của những hạt khác Sử dụng lý thuyết “sợi dây” để mô tả cấu trúc và tương tác của các hạt cơ bản ta có cấu trúc của các hạt như sau: Năm 1964 nhà vật. .. chất từ cấp độ các hạt cơ bản tới vật chất ở cấp độ vĩ mô sao cho chặt chẽ dễ hiểu là một việc làm khó song qua đó người làm luận văn đã hệ thống hoá được kiến thức của mình bước đầu đem lại cho người đọc có cái nhìn khái quát về bức tranh cấu tạo của thế giới vật chất Phần cấu trúc của các hạt cơ bản từ các hạt quark là một vấn đề mới của vật lý học hiện đại Loại tương tác chi phối quá trình tạo thành... mạnh mẽ của vật lý lý thuyết chắc chắn trong tương lai không xa nữa sẽ tìm ra được nhiều hạt mới và thống nhất được các loại tương tác với nhau Loài người sẽ có một bức tranh vật chất sẽ được mở rộng đến một chân trời bao la đầy hứa hẹn Chúng ta sẽ hiểu được bản chất các hiện tượng vật lý diễn ra trong tự nhiên từ các hạt vi mô đến các vật thể vĩ mô Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 31 K29A - Vật lý Khoá... Đại học Sư phạm Hà Nội 2 15 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến - Lực hạt nhân phụ thuộc vào Spin của các nuclêôn Tính toán cho thấy rằng năng lượng tương tác do Spin quỹ đạo gây ra chiếm cỡ 10% toàn bộ năng lượng tương tác hạt nhân - Lực hạt nhân có tính chất trao đổi Tính chất trao đổi của lực hạt nhân biểu hiện ở sự tồn tại “lưỡng tử” truyền tương tác là các hạt  – Mêzôn - Lực hạt... nhiều tính chất của hạt nhân và phản ứng hạt nhân Mẫu giọt xuất phát từ quan điểm cho rằng hạt nhân có thể xem như một giọt chất lỏng không nén được có mật độ lớn (1014g/cm3) Bảng sau đây sẽ cho chúng ta thấy về hình thức có nhiều nét tương đồng giữa tính chất của một giọt chất lỏng và hạt nhân Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 16 K29A - Vật lý Khoá luận tốt nghiệp Trần Thị Hải Yến Giọt chất lỏng Hạt... luôn tồn tại cùng nhau và có mối quan hệ mật thiết với nhau Chúng ta có thể thấy điều này qua nhận định sau: 1 Theo quan điểm hiện tại thì quack là thành phần cuối cùng của vật chất Các hạt quark liên kết với nhau để tạo thành các hạt cơ bản Các Bariôn được cấu tạo từ ba quark, còn các Mêzôn được tạo ra từ một quark và một phản quark Các quark liên kết nhau bởi tương tác mạnh 2 Hạt nhân nguyên tử được... nhiệt độ sôi của chất lỏng đó năng lượng liên kết hạt nhân sẽ phân giọt sẽ bốc hơi chia Tuy nhiên chúng ta cũng cần lưu ý tới những nét khác biệt rất cơ bản Ví dụ: lực phân tử là lực của tương tác điện từ còn lực hạt nhân là một loại lực đặc biệt Chuyển động của các phân tử trong giọt có thể mô tả bằng quan điểm cổ điển còn với các nuclêon mọi tính chất gắn liền với quan điểm lượng tử Quan niệm xuất ... lực tương tác tự nhiên Tương tác hấp dẫn Tương tác điện từ Tương tác mạnh Tương tác yếu Chương 2: Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác 11 Cấu trúc hạt 11 Cấu trúc hạt nhân nguyên tử 15 Cấu. .. nghiên cứu: vật chất Phạm vi nghiên cứu: cấu trúc dựa quan điểm loại tương tác tự nhiên 4.Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm hiểu loại tương tác tự nhiên - Cấu trúc vật chất: + Cấu trúc hạt + Cấu trúc hạt... thống cấu trúc giới vật chất Với lý em định chọn cho đề tài: Cấu trúc vật chất theo quan điểm tương tác Đây đề tài hay, có nhiều triển vọng Nếu thực xây dựng lý thuyết thống cấu trúc giới vật chất,