Bài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHN

Bài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHNBài giang Vật lý hiện đại ĐHBKHN

Vật lý Hiện đại (Modern Physics) Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thái NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -0- Giới thiệu mơn học  Mục đích môn học (Objectives)  Cung cấp kiến thức bổ sung cho học phần ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân  Kiến thức tượng xảy nguyên tử, lý thuyết tương đối Anhxtanh áp dụng Kỹ thuật Hạt nhân  Các môn học cần thiết (Pre-requisites)  Vật lý I&II NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -1- Giới thiệu môn học  Nội dung môn học  Tuần 1: Lý thuyết tương đối tính tập  Tuần 2: Lý thuyết tương đối tính tập (tiếp)  Tuần 3: Vật lý nguyên tử  Tuần 4: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 5: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 6: Vật lý nguyên tử (tiếp)  Tuần 7: Máy phát lượng tử  Tuần 8: Máy phát lượng tử (tiếp) NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -2- Giới thiệu mơn học  Giáo trình tài liệu tham khảo Vật lý đại, Ronald Gautreau and William Savin (Ngô Phú An Lê Băng Sương dịch), Nhà Xuất Giáo dục, 2003 Vật lý đại cương, tập phần I Lương Duyên Bình (chủ biên) Nhà Xuất Giáo dục, 2009 Vật lý đại cương, tập phần II Đỗ Trần Cát, Đặng Quang Khang, Nguyễn Văn Trị, Phùng Văn Trình, Nguyễn Cơng Vân Nhà Xuất Giáo dục, 2009 NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -3- Vật lý Hiện đại  Thuật ngữ vật lý đại ám khái niệm vật lý hậu Newton  Vật lý Newton khơng thể giải thích nhiều tượng tự nhiên từ cấp độ vi mô đến vĩ mô, đời vật lý đại nhằm giải thích số tượng mà vật lý cổ điển chưa làm đồng thời vật lý đại mang lại nhìn sâu sắc người tự nhiên, đồng thời thúc đẩy tiến loài người (Wikipedia.org) NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -4- Vật lý Hiện đại  Vật lý đại dựa tảng hai lý thuyết học lượng tử thuyết tương đối  Các hiệu ứng lượng tử xảy cấp độ nguyên tử (gần 10-9m), hiệu ứng tương đối tính xảy vận tốc vật đạt xấp xỉ tốc độ ánh sáng (gần 108 m/s)  Cơ học cổ điển vật lý cổ điển nghiên cứu tượng với vận tốc nhỏ khoảng cách tương đối lớn (Wikipedia.org) NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -5- Vật lý Hiện đại  Vật lý đại môn học bổ sung cho học phần ứng dụng kỹ thuật hạt nhân, cung cấp kiến thức tượng xảy nguyên tử, lý thuyết tương đối Anhxtanh cách ứng dụng kiến thức học để tìm hiểu lý thuyết tương tự áp dụng vật lý kỹ thuật hạt nhân NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -6- Lý thuyết tương đối tính Sự hạn chế học cổ điển Newton  Isaac Newton (1642-1727) sinh Anh vào năm nhà vật lí thiên văn huyền thoại Galileo Galilei  Newton coi nhà vật lý vĩ đại thời đại, người tiếp tục xây dựng thành công ý tưởng Galilei không gian chuyển động  Ngày thường gọi toàn học cổ điển (trước Einstein) học cổ điển Newton để nhắc đến công lao ông Cơ học cổ điển Newton xây dựng lấy sở từ hình học Euclite lý thuyết chuyển động Galilei NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -7- Lý thuyết tương đối tính Sự hạn chế học cổ điển Newton  Trong thời gian dài, học Newton, hay gọi học cổ điển, chiếm địa vị thống trị phát triển khoa học  Trên sở học Newton hình thành quan niệm không gian, thời gian vật chất NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -8- Lý thuyết tương đối tính Sự hạn chế học cổ điển Newton  Theo quan niệm khơng gian, thời gian vật chất không phụ thuộc vào chuyển động, cụ thể khoảng thời gian tượng xảy ra, kích thước vật khối lượng hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động  Tóm lại, theo Newton thời gian không gian tuyệt đối, không phụ thuộc vào chuyển động, khối lượng vật bất biến NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -9- Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Quá trình tạo phổ tia X đặc trưng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 78 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hệ thức Moseley  Năm 1913 H Moseley tìm thấy tần số v quan sát dãy xạ Roentgen K L thỏa mãn hệ thức v2 = A(Z − Z0 )  Z nguyên tử số vật liệu làm bia, A Z0 số phụ thuộc vào chuyển dời quan sát  Với dãy K, thực nghiệm người ta tìm thấy Z0 = 1, giá trị A thay đổi tương đối ít, tùy theo chuyển dời quan sát Kα, Kβ v.v  Với dãy L, Z0 = 7,4 A thay đổi theo chuyển dời Lα, Lβ v.v NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 79 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hệ thức Moseley  Dạng biểu thức Moseley suy từ mẫu kiểu Bohr 1/ A Kα  3 =  cR∞   4 A Lα   =  cR∞   36    m   =   × 10  1,097 × 107  m  s    1/ 1/   m   =   × 10  1,097 × 107  s  m   36  = ,97 × 107 Hz / 1/ = ,14 × 107 Hz /  Các giá trị tương đối phù hợp với kết thực nghiệm sử dụng tốn có liên quan đến hệ thức Moseley, có dẫn ngược lại NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 80 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hệ thức Moseley  Mặc dù mẫu Bohr phát triển để nghiên cứu nguyên tử tự thể khí người ta thử áp dụng mẫu để giải thích tính chất ngun tử mơi trường rắn chúng chịu tác dụng tương tác mạnh  Nguyên nhân chuyển dời tia X xảy electron mức lượng thấp chịu liên kết mạnh với hạt nhân  Khi nguyên tử liên kết để tạo thành vật rắn lượng electron vỏ khác với lượng mà chúng có, nguyên tử trạng thái khí  Năng lượng electron vỏ không chịu biến đổi chúng bị liên kết mạnh NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 81 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Khi chùm tia X truyền qua chất, số photon tương tác với nguyên tử chất số photon bị hấp thụ  Các loại tương tác quan trọng làm giảm cường độ chùm Roentgen nằm vùng từ 1-100 keV nên chúng gây trình tạo cặp (năng lượng tạo cặp cần thiết ≥ 1000 keV)  Như cường độ chùm tia X bị giảm hai hiệu ứng đầu hiệu ứng quang điện chiếm ưu NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 82 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Cường độ I chùm tia X đơn sắc sau truyền qua khoảng cách x vật liệu cho trước biểu diễn theo công thức I = I e − µx  với I0 cường độ chùm tới µ hệ số hấp thụ vật liệu  Giá trị µ phụ thuộc đồng thời vào nguyên tử vật liệu bia lượng photon X NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 83 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Giả sử vật liệu bia cho trước µ đo tùy thuộc vào lượng photon tới  Khi lượng tăng, hệ số hấp thụ giảm photon lượng cao có khả bị tán xạ Compton  Q trình giảm µ tiếp tục lượng photon tia X lượng liên kết electron vỏ  Lúc nhiều electron sẵn sàng tham gia vào hiệu ứng quang điện kéo theo giảm đột ngột cường độ chùm tia X truyền qua hay nói cách khác kéo theo tăng đột ngột hệ số hấp thụ NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 84 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Sự gián đoạn trình hấp thụ tia X  Việc biến đổi đột ngột µ xảy lượng photon lượng liên kết electron vỏ thể điểm gián đoạn đường cong hấp thụ  Việc đo điểm gián đoạn K, L, cho phép xác định lượng liên kết electron thuộc vỏ tương ứng  Thực tế chỗ gián đoạn, trừ điểm gián đoạn K, bao gồm nhiều pic gần tương ứng với cấu trúc tinh tế mức lượng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 85 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Hiệu ứng Auger  Trong lập luận giả sử quang electron sinh photon tia X truyền đến từ nguồn bên  Tuy nhiên xảy trường hợp photon tia X phát chuyển dời bên nguyên tử, bị electron ngun tử hấp thụ; kết electron bị bứt khỏi nguyên tử  Các quang electron sản sinh gọi electron Auger theo tên nhà bác học Pháp phát q trình NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 86 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Huỳnh quang tia X  Các photon tia X sử dụng để kích thích để bứt electron từ vỏ  Khi nguyên tử trở trạng thái bản, chuyển dời xảy kèm theo việc phát photon tia X phụ với lượng bé lượng photon tới  Hiện tượng gọi tượng huỳnh quang tia X NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 87 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 88 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Ứng dụng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 89 - Vật lý Nguyên tử  Huỳnh quang tia X ứng dụng  Ứng dụng  X-ray fluorescence can provide high sensitivity with small samples  Spectrum taken from ul (1 mm3) of blood  Concentrations are given in parts per million NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 90 - Câu hỏi & Giải đáp NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 91 - Atoms for Peace and for the Next Generation Safe, Reliable, Peaceful, and Sustainable Use of Nuclear Power NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 92 -