nghiên cứu chương trình TỪ VI mô đến vĩ mô

LỜI NÓI ĐẦU  Đất nước ta ngày phát triển, tiến đến hội nhập, sánh vai nhiều quốc gia giới Song song với trình phát triển nhanh chóng, không nước ta mà nhân loại nói chung đối diện với biến đổi khí hậu ghê gớm, môi trường sống bị đe dọa nghiêm trọng Trước tình hình này, ngành giáo dục có nhiệm vụ đào tạo hệ người có tri thức, có đầy đủ lực, kỹ để đáp ứng nhu cầu xã hội Điều đòi hỏi giáo dục cần phải đổi hướng, hợp lý Người giáo viên có vai trò quan trọng việc tham gia vào trình đào tạo người trình đổi giáo dục Để làm tốt nhiệm vụ mình, vấn đề cốt lõi giáo viên phải có lực chuyên môn vững vàng, đặc biệt nắm vững, hiểu sâu sắc kiến thức môn học mà giảng dạy Ý thức điều đó, với phân công lớp, nhóm tiến hành tìm hiểu sâu sắc phần kiến thức: Sơ lược thuyết tương đối hẹp, Hạt nhân nguyên tử Từ vi mô đến vĩ mô, thuộc vào ba chương cuối vật lý lớp 12 nâng cao sách giáo khoa hành Để hoàn thành tiểu luận, chọn phương pháp nghiên cứu đọc tài liệu vật lí đại cương, sách giáo khoa, sách giáo viên vật lí 12 trung học phổ thông, tìm kiếm, lựa chọn tài liệu Internet, giảng lớp PGS.TS Lê Công Triêm, tiểu luận học viên khoá trước… Do điều kiện thời gian khả nghiên cứu thân nên vấn đề trình bày tiểu luận nhiều hạn chế Nhưng với nỗ lực mình, hy vọng viết góp phần giải nhiều vấn đề đặt việc nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông nói chung Rất mong nhận đóng góp chân thành thầy bạn TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ MỞ ĐẦU Vũ trụ sinh từ nào? Vũ trụ đâu? Vũ trụ cấu tạo từ gì? Liệu vũ trụ có tuổi thọ không? Bên vũ trụ nữa? Song song với việc nghiên cứu, giải thích tượng tự nhiên, vấn đề nảy sinh hiển trước mắt, Trái đất, người qua hệ tò mò tìm cách để trả lời câu hỏi Sự tiến khoa học kỹ thuật chục năm trở lại việc trả lời câu hỏi diễn nhanh có người nghĩ câu trả lời cuối không xa Trong năm gần đây, chương trình sách giáo khoa biên soạn lại đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi giáo dục theo chủ trương nghành giáo dục nước nhà Trước chương trình Vật lí phổ thông chưa có nội dung kiến thức thiên văn học hình thành cách có hệ thống thành chương phần cụ thể SGK 12 SGK 12 nâng cao hành có bước tiến đưa thêm chương "Từ vi mô đến vĩ mô" với nội dung kiến thức vào chương trình Chương giới thiệu số nét khái quát giới vô bé (các hạt sơ cấp, hạt quark), giới vô lớn (Hệ Mặt Trời, thiên hà, vũ trụ) thuyết Big bang (Vụ nổ lớn) nhằm giải đáp phần cho học sinh câu hỏi có liên quan đến tượng xảy giới Nhiệm vụ phần Từ vi mô đến vĩ mô - Nghiên cứu khái niệm hạt sơ cấp đặc trưng hạt sơ cấp - Nghiên cứu phân loại hat sơ cấp - Nghiên cứu đặc điểm cầu tạo chuyển động hệ Mặt Trời - Nghiên cứu thiên hà - Nghiên cứu trình tiến hóa - Nghiên cứu thuyết Big Bang Sơ lược cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô SGK hành Trong thời gian tới, Bộ GD ĐT đổi chương trình SGK phổ thông, thiết nghĩ, kiến thức phần môn vật lý không thay đổi nhiều Tuy nhiên, kiến thức Từ vi mô đến vĩ mô rộng nhiều so với kiến thức trình bày chương trình vật lý phổ thông Vậy nên xin nêu lại cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô trình bày SGK hành để tiện theo dõi nội dung nghiên cứu phần này: Các hạt sơ cấp - Hạt sơ cấp - Các đặc trương hạt sơ cấp - Phản hạt - Phân loại hạt sơ cấp - Tương tác hạt sơ cấp - Hạt quac (quark) Mặt trời Hệ Mặt trời - Cấu tạo chuyển động hệ Mặt trời - Mặt trời - Trái đất - Các hành tinh khác Sao chổi Thiên thạch Sao Thiên hà - Sao - Các loại - Khái quát tiến hóa - Thiên hà Thuyết Big bang (thuyết vụ nổ lớn) - Các thuyết tiến hóa vũ trụ - Các kiện thiên văn quan trọng - Thuyết Big bang Cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ Các hạt sơ cấp Mặt Trời Hệ Mặt Trời Sao Thiên hà Định luật Kepler Thuyết Big Bang (Thuyết vụ nổ lớn) PHÂN TÍCH NỘI DUNG Các khái niệm 1.1 Các hạt sơ cấp 1.1.1 Khái niệm hạt sơ cấp Đến nay, người ta phát hạt có kích thước nhỏ khối lượng nhỏ, chẳng hạn electron, proton, nơtron, mêzôn, muyôn, piôn Tất hạt gọi hạt sơ cấp Nói chung hạt sơ cấp có kích thước khối lượng nhỏ hạt nhân nguyên tử Hạt sơ cấp không bị phân chia phản ứng hạt nhân 1.1.2 Những đặc trưng hạt sơ cấp 1.1.2.1 Khối lượng nghỉ mo (năng lượng nghỉ) Các hạt sơ cấp có khối lượng nghỉ khác không, trừ phôtôn (γ) có khối lượng nghỉ không nitrơno (ν) có khối lượng nghỉ coi không (khi nói khối lượng hạt ta hiểu khối lượng nghỉ) Khối lượng hạt sơ cấp thường tính đơn vị khối lượng êlectrôn (me) hay tính MeV/c2 hay GeV.c-2 (qua công thức E0= m0.c2) Ví dụ : me= 0,511 MeV.c-2, mp= 938,3 MeV.c-2, mn= 939,6 MeV.c-2 Khối lượng mêdôn mπ = (264,2 ± 0,1)me = (135,01 ± 0,05)MeV/c2 Khối lượng prôtôn mp = (1836,09 ± 0,01)me = (928,256 ± 0,005)MeV/c2 1.1.2.2 Điện tích Một số hạt sơ cấp trung hòa điện : γ, ν, π0, n, Một số hạt khác mang điện tích dương hay âm Nói chung trị số tuyệt đối điện tích : e = 1,602.10-19 C (điện tích nguyên tố) 1.1.2.3 Spin Các hạt sơ cấp có mômen spin đặc trưng cho chuyển động nội chúng r S Mômen spin biểu diễn vectơ có môđun cho bởi: uur | S | = s( s + 1).h hình chiếu trục z cho bởi: Sz = ms.h Trong s số lượng tử spin (gọi tắt spin) ms số lượng tử hình chiếu spin: ms = -s, -s+1, 0, s-1,s Nói cách khác với trị số xác định s có 2s +1 trị số ms; s nguyên hay bán nguyên Ví dụ : phôtôn (γ) có spin s = 1; êlêctrôn (e-) có spin = 1/2, mêdôn π có spin s = *Spin đồng vị Tương tác nuclôn hạt nhân có đặc tính không phụ thuộc vào điện tích Cụ thể tương tác p - p, n - n, p - n Nói cách khác, tương tác hạt nhân hai hạt p n không khác Khối lượng p khác khối lượng n p có mang điện tích (nghĩa tương tác điện từ) Như tương tác hạt nhân, coi p n hai trạng thái hạt, tức hạt nuclôn (N) Nếu không để ý đến tương tác điện từ hai trạng thái tương ứng với khối lượng, tương ứng với hai mức lượng gần Có thể so sánh tính chất với tính chất êlectrôn nguyên tử Nếu không để ý đến spin trạng thái êlectrôn nguyên tử tương ứng với mức lượng, để ý đến spin mức lượng tách thành hai mức gần nhau, tương ứng với hai trạng thái sz = + êlectrôn khác định hướng mômen spin ( h sz = − h ) Đối với nuclôn, để tiện tính toán, người ta đưa đại lượng gọi spin đồng vị Nếu hệ có spin thông thường s hệ có 2s +1 trạng thái ứng với hình chiếu khác spin Tương tự có hệ spin đồng vị I hệ có 2I+1 trạng thái ứng với giá trị khác hình chiếu spin đồng vị trục z Khái niệm spin đồng vị cho phép mô tả trạng thái điện khác hạt Ví dụ : Nuclôn có hai trạng thái điện nghĩa : 2I+1 = 2, I=1/2; p n hai trạng thái nuclôn khác hình chiếu Iz spin đồng vị, cụ thể là: P có Iz = +1/2 N có Iz = -1/2 Tương tự ba hạt π-, π0, π+ coi ba tạng thái hạt, nghĩa 2I +1 =3 Do I =1 hạt mêdôn π có spin đồng vị : I = Ba trạng thái π-, π0, π+ ứng với ba giá trị hình chiếu Iz khác spin đồng vị π π+ có Iz=1; π0 có Iz= 0; π- có Iz = -1 Có thể nói (p,n) hợp thành đôi đồng vị, (π-, π0, π+) hợp thành ba đồng vị Đặc biệt hạt Λ0 hợp thành đơn đồng vị (I = 0, Iz = 0) Đối hạt có I Iz ngược dấu so với hạt 1.1.2.4 Thời gian sống thời gian phản ứng phân rã Trong số hạt sơ cấp, có số hạt bền là: phôtôn γ, nitrơno ν, e+, e-, proton p (bền nghĩa thời gian sống lớn, coi vô cùng) Một cách xác thời gian sống γ vô cùng, e > 4,3.1023 năm, p 1031 đến 5.1032 Còn hạt sơ cấp khác sống thời gian phân rã thành hạt khác Ví dụ: nơtrôn (n) có thời gian sống: (1013 ± 26)s phân rã theo phản ứng: n → p + e- +νe (phân rã β-) Mêdôn π+ có thời gian sống (2,551 ± 0,026).10-8s phân rã theo phản ứng: π → μ+ + νμ Mêdôn π0 có thời gian sống (1,80 ± 0,026).10-16s phân rã theo phản ứng: π0 → 2γ Tên hạt Năng lượng Eo (MeV) Điện tích Q Spin s Thời gian sống (giây) Photon 0 ∞ Electron 0,511 -e 1/2 ∞ Pozitron 0,511 +e 1/2 ∞ Notrino 0 1/2 ∞ Pion 139,6 +e 2,6.10-8 Kaon 497,7 0 8,8.10-11 Proton 938,3 +e 1/2 ∞ Notron 939,6 1/2 932 Xicma 1189 +e ½ 8.10-11 Omega 1672 -e 3/2 1,3.10-10 1.1.3 Phản hạt Phần lớn hạt sơ cấp tạo thành cặp (trừ photon), cặp gồm hai hạt có khối lượng nghỉ mo spin s nhau, điện trái dấu (trừ nơtron có điện tích 0) Ví dụ: * Electron positron có khối lượng me = 9,1.10-31 kg, có spin, electron có điện tích –e, positron có điện tích +e * Proton phản proton có khối lượng me = 1,67.10-27 kg, có spin, electron có điện tích –e, positron có điện tích +e Khi hai hạt đối hạt tương tác với có tượng hủy cặp để sinh hai photon, hai photon tương tác sinh cặp electron - positron Ví dụ: e- + e+ → γ + γ; γ + γ → e- + e+ 1.1.4 Các lực Lực hấp dẫn tác dụng lên tất hạt hiệu ứng mức nội nguyên tử yếu tới mức chưa cần phải xét tới Lực điện từ tác dụng lên tất hạt tích điện, hiệu ứng biết rõ cần tính tới Như lực: Lực mạnh lực liên kết hạt hạt nhân lực yếu lực liên quan đến phân rã β trình tương tự Lực yếu tác dụng lên tất hạt lực mạnh tác dụng lên số hạt Các hạt chịu tác dụng lực mạnh gọi hadrôn Còn hạt không chịu tác dụng cuảc lực mạnh, lực yếu trở thành lực lấn áp, gọi leptôn.Các proton, notron piôn hadrôn, electron notrino leptôn 1.1.5 Phân loại loại hạt sơ cấp 1.1.5.1 Phân loại dựa vào khối lượng nghỉ m0 đặc tính tương tác Baryon Hiện hạt sơ cấp biết phân thành bốn loại sau: Hạt sơ cấp Photon Các Lepton Các Hadron Mezon Nucleon Hyperon sát lỗ thiên thạch Mặt Trăng, tồn dải Ngân Hà với rất nhiều quan trọng quan sát qua kính thiên văn mình, Galilei chứng minh Trái Đất trung tâm vũ trụ mô hình vũ trụ địa tâm Ptolemy Qua kính thiên văn, Galilei nhận thấy Mặt Trăng có núi non thung lũng Trái Đất, khẳng định Trái Đất có vị trí ưu tiên vũ trụ Và rõ ràng, Mặt Trăng “quả cầu lửa” lời Ptolemy Việc phát vệ tinh lớn Mộc chứng minh không Trái Đất có vệ tinh quay quanh Nếu Mộc có vệ tinh quay quanh Mặt Trăng quay quanh Trái Đất Mộc Trái đất cần phải quay quanh tâm chung Điều Galilei đưa vào “Đối thoại hai hệ thống vũ trụ” chứng thực nghiệm góp phần vào việc khẳng định mô hình nhật tâm Copernics “Đối thoại hai hệ thống vũ trụ”, xuất năm 1632, tác phẩm thiên văn học lớn Galilei Qua tác phẩm này, ông khác biệt mẫu Ptolemy Copernics để chứng minh đắn hệ nhật tâm Copernics đồng thời làm sụp đổ hoàn toàn thuyết địa tâm Ptolemy Tác phẩm Galilei sau khiến nhà thờ giận ông phải chịu nhiều hình phạt việc Đã nói đến Galilei, không nhắc đến Johanne Kepler (1571 – 1630) Johannes Kepler gương mặt quan trọng mạng khoa học, nhà toán học, nhà chiêm tinh cách học, nhà thiên văn học, nhà văn buổi đầu truyện khoa học viễn tưởng người Đức Ông tiếng định luật chuyển động thiên thể, dựa công trình ông Astronomia nova, Harmonice Mundi sách giáo khoa Tóm tắt thiên văn học Copernicus Xuyên suốt nghề nghiệp mình, Kepler giáo viên toán trường đời dòng Graz (sau trường đại học Graz), người trợ lý cho Tycho Brahe, nhà toán học triều đình Hoàng đế Rudolf II, giáo viên toán Linz, nhà thiên văn học Tướng Wallenstein Ông thực công việc mang tính tảng thị giác giúp đưa vào thực phát kính thiên văn người thời với ông Galileo Galilei Thỉnh thoảng ông coi "nhà vật lý học thiên thể lý thuyết đầu tiên", Carl Sagan coi ông nhà chiêm tinh học khoa học cuối Chính Kepler người gửi cho Galilei toàn nội dung hệ nhật tâm Copernics để từ đời “Đối thoại hai hệ thống vũ trụ ” Năm 1609, Kepler tìm định luật quĩ đạo vận tốc chuyển động hành tinh quanh Mặt Trời: - Các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời theo quĩ đạo hình elip mà Mặt Trời nằm tiêu điểm elip quĩ đạo - Bán kính vectơ hành tinh quét diện tích khoảng thời gian Năm 1919, Kepler khám phá định luật cuối (định luật Kepler) chuyển động hành tinh, liên hệ bán trục lớn quĩ đạo với chu kì quĩ đạo hành tinh: Bình phương chu kì chuyển động hành tinh tỷ lệ với luỹ thừa bậc ba nửa trục lớn quĩ đạo Như vậy, phương pháp toán học xác mình, Kepler cho đời ngành khoa học lịch sử khám phá vũ trụ người – học thiên thể 2.2 Các định luật Kepler 2.2.1 Định luật Kepler Định luật quỹ đạo elíp hành tinh: Các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời theo quỹ đạo hình elíp với Mặt trời nằm tiêu điểm M F a Trái đất Mặt trời F’ b Mặt trời tiêu điểm Trong đó: + MF+MF’= Hằng số + a: gọi bán trục lớn + b: gọi bán trục bé + Tâm sai e = FF’/2a r= Phương trình elip tọa độ cực: p 1+ ε cos θ Hình 2.2.1 Hình ảnh minh họa thông số elip 2.2.2 Định luật Kepler Định luật đồng vận tốc diện tích: Đường nối hành tinh với Mặt trời quét qua diện tích khoảng thời gian ∆t ∆t S S S ∆t Hình 2.2.2 Diện tích quét quỹ đạo 2.2.3 Định luật Kepler Định luật chu kỳ chuyển động: Bình phương chu kỳ chuyển động hành tinh tỷ lệ với lập phương bán trục lớn quỹ đạo elip hành tinh a13 a23 an3 = = = = k = conts T12 T22 Tn2 Trong đó: + T thời gian cần thiết để hành tinh quay vòng quanh Mặt Trời, gọi chu kỳ + a bán trục lớn quỹ đạo elíp hành tinh Hình 2.2.3 Hình ảnh minh họa định luật Kepler • Chứng minh Định luật Kepler 3: Coi quỹ đạo chuyển động hành tinh gần tròn Ta có: v2 4π 2 a ht = =ω r = r r T F1 =M 1aht M 1M T 4π2 r1 ⇒ G =M 2 r1 T1 M 2M T 4π2 r2 G =M 2 r2 T2 3 r T a T ⇒13 = ⇒ 13 = r2 T2 a2 T2 2.3 Ý nghĩa định luật Kepler Các định luật Kepler minh chứng rõ ràng cho kiểu nhật tâm Mặt Trời, chúng trở nên đơn giản đưa Mặt Trời vào tâm Tuy nhiên, Kepler không khám phá lý lẽ sâu sắc định luật, dù nhiều năm đời ông coi giành cho việc nghiên cứu bí ẩn thuộc khoa học Isaac Newton cuối cho thấy định luật hệ định luật chuyển động hấp dẫn vũ trụ ông Thuyết Big bang (Thuyết Vụ nổ lớn) 3.1 Cơ sở thuyết Thuyết Big bang (Thuyết Vụ nổ lớn) 3.1.1 Lược sử thuyết vụ nổ lớn Cho đến đầu kỷ 20, chứng thực tiễn nguồn gốc vũ trụ bầu trời ban đêm tối đen Nghịch lý Olbers (1823) cho vũ trụ vô tận khôngthời gian phải có nhiều đến mức nhìn lên bầu trời, tia mắt ta gặp Và ta thấy bầu trời sáng rực mặt trời, vào ban đêm Nhưng thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen Thật thú vị thơ văn xuôi dài Eureka năm 1848, Edgar Poe cho rằng, không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ Vậy bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn mãi Không đứng vững trước thử thách thời gian mà giả thuyết đóng vài trò định việc hình thành lý thuyết Big Bang Cơ sở lý luận Big Bang thuyết tương đối tổng quát, cho không thời gian đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm Engels, cho không-thời gian hình thức tồn vật chất) Điều dẫn tới việc không-thời gian vũ trụ có khởi đầu kết thúc, ý tưởng mà ban đầu Einstein tìm cách chống lại Để vũ trụ tĩnh (không tự suy sụp hấp dẫn), ông đưa số vũ trụ có tác dụng phản hấp dẫn Năm 1922, Friednam tìm nghiệm phương trình Einstein cho vũ trụ động, gần đồng thời với giả thuyết nguyên tử nguyên thuỷ linh mục Lemaitre Bằng chứng định phát vũ trụ giãn nở Hubble năm 1920 Cho đến lúc đó, dải Ngân hà xem toàn vũ trụ Với viễn kính 100 inch núi Wilson, Hubble thấy Tinh vân Tiên nữ, thiên hà sóng đôi cách triệu năm ánh sáng, tiến lại gần (theo ngôn ngữ vật lý dựa hiệu ứng Dopler, phổ dịch phía xanh) Khảo sát thiên hà khác, ông thấy chúng tản xa (phổ dịch phía đỏ) Điều có nghĩa vũ trụ gồm hàng tỷ thiên hà tản xa Vũ trụ giãn nở thiên hà ngày xa chứng tỏ khứ chúng gần nhau, vũ trụ có kích thước nhỏ Suy diễn ngược thời gian đến thời điểm khai sinh, toàn vũ trụ tập trung điểm, có mật độ, nhiệt độ độ cong không-thời gian vô hạn Và vũ trụ bùng nổ 15 tỷ năm trước khiến vũ trụ sinh thành Đó mô hình Big Bang tiêu chuẩn Năm 1946, nhà vật lý George Gamow thấy rằng, lửa sáng buổi hồng hoang để lại “vết lông ngỗng” qua xạ tàn dư trải toàn vũ trụ, lạnh cỡ độ K (trên độ không tuyệt đối) Năm 1965, hai kỹ sư vô tuyến điện Penzias Wilson tình cờ phát xạ chế tạo ăng ten bắt sóng từ vệ tinh Như xẩy lịch sử, giải Nobel danh giá trao cho phát kiến tình cờ hai người ngoại đạo! Năm 1991, vệ tinh Cobe đo phông xạ hoá thạch 2,7 độ K với độ xác cao Và Big Bang thừa nhận rộng rãi Khá hài hước tên thuyết Big Bang lại nhà thiên văn Hoyle đặt năm 1950 nhằm chế diễu lý thuyết Ông người đề xuất thuyết vũ trụ dừng (steady state) năm 1948, theo vũ trụ khởi đầu kết thúc; sau khám phá xạ tàn dư, chết vẻ vang hầu hết lý thuyết khoa học khác 3.1.2 Cơ sở lý thuyết Lý thuyết Vụ Nổ Lớn ngày dựa ba giả thuyết sau: - Tính phổ quát định luật vật lý - Nguyên lý vũ trụ học - Nguyên lý Copernic Ban đầu, giải thuyết thừa nhận ngày có nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đắn chúng Tính phổ quát định luật vật lý chứng minh đắn sai số lớn số cấu trúc tinh tế khoảng thời gian tuổi vũ trụ cỡ khoảng 10-5 Tính dị hướng vũ trụ xác định nguyên lý vũ trụ kiểm nghiệm với độ xác 10 -5 vũ trụ xác định đồng quy mô lớn với độ sai số khoảng 10% Hiện người ta trình kiểm tra nguyên lý Copernic cách nghiên cứu tương tác đám thiên hà CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich với độ xác 1% Lý thuyết Vụ Nổ Lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian thời điểm sau kỷ nguyên Planck Các phép đo dựa tọa độ quy chiếu khoảng cách quy chiếu thời gian quy chiếu loại bỏ giãn nở vũ trụ quan điểm phép đo không-thời gian Khoảng cách quy chiếu thời gian quy chiếu định nghĩa cho vật thể chuyển động vũ trụ giãn nở khác có khoảng cách chân trời hạt hay giới hạn quan sát (của vũ trụ đó) xác định thời gian quy chiếu Vì vũ trụ mô tả tọa độ vậy, vụ nổ lớn vụ nổ vật chất phóng lấp đầy vũ trụ trống rỗng; giãn nở không-thời gian Đó giãn nở làm cho khoảng cách vật lý hai điểm cố định vũ trụ tăng lên Các vật thể liên kết với (ví dụ bị liên kết lực hấp dẫn) không giãn nở không-thời gian định luật vật lý điều khiển chúng giả thiết đồng độc lập với giãn nở metric Hơn nữa, giãn nở vũ trụ nấc thang cục ngày nhỏ nên có phụ thuộc định luật vật lý vào giãn nở phụ thuộc nhỏ làm cho máy đo xác định 3.1.3 Cơ sơ thực nghiệm 3.1.3.1 Định luật Hubble giãn nở vũ trụ Các quan sát thiên hà quasar xa xôi cho thấy ánh sáng từ chúng phát bị dịch chuyển phía ánh sáng có bước sóng dài (dịch chuyển đỏ) dịch chuyển tỷ lệ với khoảng cách chúng Sự dịch chuyển ánh sáng rút từ phổ tần số vật thể so sánh với vạch phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử nguyên tố tương tác với xạ Sự dịch chuyển đỏ giải thích hiệu ứng Doppler ánh sáng nguồn phát chuyển động xa nguồn thu Sự dịch chuyển phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách tượng biểu diễn định luật Hubble sau: v = H0 D Trong đó: v vận tốc rời xa D khoảng cách H0 số Hubble có giá trị 71 ± km/giây/Mpc 3.1.3.2 Bức xạ vũ trụ Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán tồn xạ vi sóng vũ trụ tạo thành từ quang tử phát từ giai đoạn sinh hạt baryon Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai trạng thái cân nhiệt động nên nhiệt độ xạ plasma plasma tái hợp Trước nguyên tử hình thành xạ bị hấp tụ tái phát xạ trình gọi tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không suốt với ánh sáng Tuy nhiên, trình nhiệt độ vũ trụ bị giảm giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp 3000 K, nhiệt độ điện tử hạt nhân kếp hợp với để tạo nguyên tử plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hòa Quá trình gọi trình giải phóng quang tử Một vũ trụ gồm nguyên tử trung hòa cho phép xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều Vì giai đoạn sớm, vũ trụ trạng thái cân nhiệt động nên xạ từ thời điểm có phổ phân bố giống phổ phát xạ vật đen truyền cách tự ngày bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble Bức xạ phải giống theo hướng không gian Năm 1964, Arno Penzias Robert Wilson phát xạ phông vũ trụ họ tiến hành nghiên cứu máy thu tín hiệu vi sóng phòng thí nghiệm Bell Khám phá họ khẳng định tiên đoán xạ vũ trụ, xạ đẳng hướng đồng phân bố giống phổ phát xạ vật đen có nhiệt độ khoảng K Penzias Wilson trao giải Nobel vật lý nhờ khám phá 3.1.3.3 Kết luận Hai kiện thiên văn quan trọng nêu số kiện thiên văn khác minh chứng cho tính đắn Thuyết Big Bang 3.2 Hạt nhân thuyết Big bang (vụ nổ lớn) 3.2.1 Ý tưởng thuyết Vụ Nổ Lớn lý thuyết khoa học nguồn gốc vũ trụ Lý thuyết phát biểu vũ trụ điểm kỳ dị có mật độ vật chất nhiệt độ lớn vô hạn thời điểm hữu hạn khứ Từ đó, không gian mở rộng với thời gian làm cho thiên hà di chuyển xa hơn, tạo vũ trụ giãn nở thấy ngày Ý tưởng trung tâm lý thuyết trình vũ trụ giãn nở Nó minh chứng thí nghiệm dịch chuyển đỏ thiên hà (định luật Hubble) Điều có nghĩa thiên hà rời xa có nghĩa chúng gần khứ khứ xa xưa nhất, cách khoảng 13,7 tỷ (13,7 × 109) năm, điểm kỳ dị Từ "vụ nổ lớn" sử dụng nghĩa hẹp, thời điểm thời gian mở rộng vũ trụ bắt đầu xuất hiện, theo nghĩa rộng, trình tiến hóa, giải thích nguồn gốc phát triển vũ trụ 3.2.2 Nội dung thuyết Theo thuyết Vụ nổ lớn, vũ trụ bắt đầu dãn nở từ “điểm kì dị” Muốn tính tuổi vũ trụ, ta phải lập luận để ngược thời gian để đến “điểm kì dị”, lúc tuổi bán kính vũ trụ số để làm mốc Vật lí học đại dựa vào vật lí hạt sơ cấp đoán kiện xảy thời điểm = 10-43 s sau Vụ nổ lớn Ở thời điểm này, kích thước vũ trụ 10 -35 m, nhiệt độ 1032 K khối lượng riêng (mật độ) 1091 kg/cm3, lượng Vũ trụ cỡ 10 15 GeV Khi vũ trụ bị tràn ngập hạt có lượng cao electron, notrino quack Từ thời điểm 10-43s đến (14 tỉ năm) vũ trụ dãn nỡ nhiệt độ giảm + Sau vụ nổ 1s hình thành prôtôn nơtron (nuclôn) + Sau t = phút, hạt nhân tạo thành (Heli) + Sau t = 300 000 năm, nguyên tử tạo thành (H He) + Sau t = 109 năm tương tác chủ yếu chi phối vũ trụ tương tác hấp dẫn Các lực hấp dẫn thu gom nguyên tử lại, tạo thành thiên hà ngăn cản thiên hà tiếp tục nở ra, có khoảng cách thiên hà tiếp tục tăng lên Trong thiên hà, lực hấp dẫn nén đám nguyên tử lại, tạo thành Hiện nhiệt độ vũ trụ 2,7K (bức xạ 3K) 3.3 Ý nghĩa thuyết Big bang Thuyết Big bang lý thuyết khoa học Thuyết Big bang thực chất để giải thích việc làm cách vũ trụ phát triển từ trạng thái nhỏ dày đặc để ngày hôm Học thuyết Big Bang mô tả trình giãn nở vũ trụ từ thời điểm bắt đầu hình thành Đó số học thuyết hình thành phát triển vũ trụ Đồng thời, đưa số dự đoán tương lai vũ trụ, nhiều số phán đoán chứng minh hoàn toàn có sở Một số nhà vũ trụ học sử dụng thuyết Big Bang để ước tính tuổi vũ trụ Nhưng kỹ thuật đo lường khác nhau, nên sai số phép đo lớn, thực tế, sai số lên đến hàng tỷ năm Việc phát vũ trụ mở rộng dẫn đến nhiều câu hỏi khác như: Nó có mở rộng không? Nó có dừng lại không? Liệu có đảo ngược không? 3.4 Hạn chế thuyết Big bang Đi ngược lại định luật thứ nhiệt động học Định luật phát biểu rằng, vật chất, lượng, không tự nhiên sinh không tự nhiên Phe phản đối cho rằng, thuyết Big Bang đề giả thuyết vũ trụ hình thành từ số Tuy nhiên, người ủng hộ lại cho lời trích cứ, lý Thứ nhất, Big Bang không giải thích việc vũ trụ tạo nào, mà nói phát triển vũ trụ Thứ hai, định luật khoa học đổ vỡ hình thành phát triển vũ trụ, chắn định luật bảo toàn vật chất lượng 100% Đi ngược lại định luật Entropy Định luật phát biểu theo thời gian, vật chất trở nên hỗn độn Nhưng nhìn lại, bạn thấy, thời điểm ban đầu, vũ trụ hoàn toàn đồng đẳng hướng, nay, vũ trụ tập hợp sao, thiên hà điều dấu hiệu cho thấy thuyết Big Bang tuân thủ định luật Entropy Sự mở rộng nhanh vũ trụ giây phá vỡ giới hạn vận tốc ánh sáng Những người ủng hộ có nhiều quan điểm khác để bác bỏ ý kiến Thứ nhất, vào thời điểm Big Bang, thuyết tương đối hoàn toàn không áp dụng, đó, chẳng có vấn đề với việc di chuyển nhanh vận tốc ánh sáng Thứ hai, không gian hoàn toàn nằm tương tác trọng lực, không gian tự thân hoàn toàn mở rộng nhanh vận tốc ánh sáng Trên vài hạn chế hay đưa tranh luận thuyết Big Bang Nhưng nhiều câu hỏi khác mà thuyết Big Bang chưa giải thích Điều xảy trước Big Bang? Liệu có khác tồn vũ trụ hay không? Và hình hài vũ trụ nào? Hi vọng ngày không xa, học thuyết khác, hoàn chỉnh giải đáp câu hỏi KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông theo nhiệm vụ phân công, đạt kết sau: - Nắm phần nội dung kiến thức thuộc phần ý đồ xây dựng kiến thức tác giả sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao hành Từ hiểu sâu sắc phần kiến thức tự rút kinh nghiệm quý giá cho việc tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu thân, cho việc giảng dạy vật môn lý trường phổ thông, góp phần nâng cao chất lượng dạy học, giúp học sinh chiếm lĩnh tri thức cách có hiệu Với phương châm “Để nói làm cho người khác hiểu vấn đề trước hết thân phải nắm rõ, phải hiểu sâu sắc vấn đề đó”, hy vọng tiểu luận tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn đọc, giáo viên trung học học viên cao học Mặc dù cố gắng thiếu tài liệu tham khảo hiểu biết thân chưa thấu đáo nên trình thực đề tài không tránh khỏi sai sót đáng tiếc Kính mong thông cảm, chia góp ý chân thành thầy cô, bạn bè đọc giả! TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (chủ biên) (2007), Vật lí đại cương (tập 3, phần 1), Nhà xuất giáo dục Lê Công Triêm (1986), Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông, Trường ĐHSP- Đại học Huế Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 12 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), SGV Vật lí 12 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2008), Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2008), SGV Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục Đào Văn Phúc (2003), Lịch sử vật lý học, Nhà xuất Giáo dục Lê Chấn Hùng – Lê Trọng Tường (2000), Vật lý Nguyên tử Hạt nhân (Sách cao đẳng sư phạm), Nhà xuất Giáo dục Thái Khắc Định (2003), Vật lý Nguyên tử Hạt nhân, Trường ĐHSP Thành phố Hồ Chí Minh (tài liệu lưu hành nội bộ) 10 PGS.TS.Ngô Quang Huy, Cơ sở Vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật 11 Walter Benenson, John W Harris, Horst Stocker, Holger Lutz, Handbook of Physics 12 Một số trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki http://www.thuvienvatly.com http://vatlysupham.com [...]... biến đổi; trong các quá trình biến đổi ấy có thể kể ra: quá trình tán xạ của hạt này lên hạt khác, quá trình sinh một hạt, quá trình hủy một hạt, Nói chung giữa các hạt sơ cấp có tương tác Ngày nay người ta biết có bốn loại tương tác giữa các hạt sơ cấp: 1.1.6.1 Tương tác mạnh Là tương tác giữa các ađrôn trừ các quá trình phân rã của chúng Ví dụ tương tác giữa các nuclôn (quá trình lukoa) là một loại... (radiative zone) - khu vực chiếm thể tích lớn nhất, nó trải dài từ biên giới của lõi ra đến 70% bán kính Mặt Trời (tính từ tâm) Vùng này có mật độ thấp hơn nhiều so với lõi, nhưng đủ đặc để truyền các bức xạ sinh ra từ các phản ứng nhiệt hạch và làm chúng nguội đi đáng kể trước khi ra ngoài Nhiệt độ của vùng bức xạ này giảm nhanh từ trong ra ngoài, từ 7 triệu giảm xuống 2 triệu K Vùng đối lưu (convective... chuyển động từ từ trên bề mặt này và dần biến mất sau khi bị che khuất Từ đó ông đi đến kết luận rằng các vết đen này cũng là một phần của Mặt Trời và chuyển động quay cùng với thiên thể, và vi c quan sát các vết đen Mặt Trời cho phép Galilei tự rút ra kết luận rằng Mặt Trời có chu kì tự quay khoảng 28 ngày Vết đen là hiện tượng xảy ra trên quang cầu của Mặt Trời Chúng có nhiệt độ khoảng 4800 đến 5000K,... lượng của Mặt Trời Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua,... nó bắt đầu quay nhanh hơn (bảo toàn mô- men xung lượng) Khi khí quay đủ nhanh, lực li tâm cân bằng với lực hấp dẫn Sự co dừng lại Toàn bộ khí dồn lại trong một đĩa bao quanh Mặt Trời tương lai Từng mẫu khí quay quanh Mặt Trời tuân theo gần đúng định luật 3 Keple Các hành tinh hình thành từ khí này Khí chứa các hạt bụi và hạt băng Thoạt đầu các hạt có kích thước vi mô Thời gian trôi qua, thỉnh thoảng... hypêrôn Điều đặc biệt là trong các quá trình biến đổi, mỗi khi mất đi một bariôn bao giờ cũng có một bariôn mới xuất hiện Ví dụ: p + p →p + Σ+ + K0 Λ0 → p + ππ- + p → K0 + Λ0 Để mô tả quá trình bariôn tham gia người ta đưa ra một số lượng tử mới gọi là số bariôn B: số bariôn B của các hạt bariôn (ρ, n, Λ, Σ) đều bằng 1, các đối hạt của chúng đều bằng -1 Và các qui trình trên được giải thích bằng định... nóng (T ~ 1,6 K) Ở đó, nhiệt năng được tạo bởi những phản ứng hạt nhân Bức xạ rất mạnh ở tâm Từ đó, bức xạ khuyếch tán từ từ ra phía ngoài, mang năng lượng tới những vùng ít nóng hơn Ở ngoài xa hơn nữa, năng lượng được mang tới bởi sự đối lưu hơn là bức xạ Cuối cùng, khi nhiệt 3 độ giảm tới 6.10 K, mật độ thấp đến nỗi dường như tất cả bức xạ có thể thoát ra vào vũ trụ Đó chính là lớp mà chúng ta quan... đáo duy nhất trong hệ Mặt Trời Điểm thứ nhất cần nói đến là khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời là 149,6 triệu km Đó là khoảng cách đủ để nước có thể tồn tại được ở thể lỏng, rất cần cho sự sống Khoảng cách này cũng là khoảng cách để nhiệt đến từ Mặt Trời ở mức độ thuận lợi cho các phản ứng hóa học tạo nên các hợp chất hữu cơ Điều thứ hai cần nói đến là khối lượng vừa phải của Trái Đất đủ để giữ lại... như ở sao Kim nhưng cũng không quá loãng đến mức không giữ được nhiệt như ở sao Hỏa hay ở Mặt Trăng Trong suốt quá trình phát triển, bầu khí quyển Trái Đất luôn biến đổi chậm chạp, giảm dần lượng khí CO2, tăng dần lượng khí O2 Đầu tiên khí cacbonic, hơi nước và nitơ thoát ra từ các miệng núi lửa được giữ lại trong khí quyển Sau đó, các đại dương được hình thành từ sự nguội lạnh và ngưng kết của hơi nước... xuống Khi có đại dương, nước hấp thụ bớt khí CO2 trong khí quyển Đến khi các sinh vật xuất hiện ở biển, trong đó có loài tảo lục, thì sự hấp thụ CO2 và thải O2 vào không khí ngày càng gia tăng Ngày nay, khí quyển chứa 78% nitơ, 21% oxi và 1% còn lại là cacbonic, acgông, mêtan, hơi nước, các khí khác Từ những sinh vật đầu tiên cho đến nay, quá trình oxi hóa bầu khí quyển Trái Đất đã diễn ra gần 3 tỉ năm ... môn vật lý không thay đổi nhiều Tuy nhiên, kiến thức Từ vi mô đến vĩ mô rộng nhiều so với kiến thức trình bày chương trình vật lý phổ thông Vậy nên xin nêu lại cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô. .. Mặt Trời - Nghiên cứu thiên hà - Nghiên cứu trình tiến hóa - Nghiên cứu thuyết Big Bang Sơ lược cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô SGK hành Trong thời gian tới, Bộ GD ĐT đổi chương trình SGK phổ... câu hỏi có liên quan đến tượng xảy giới Nhiệm vụ phần Từ vi mô đến vĩ mô - Nghiên cứu khái niệm hạt sơ cấp đặc trưng hạt sơ cấp - Nghiên cứu phân loại hat sơ cấp - Nghiên cứu đặc điểm cầu tạo