Bài giảng vật lý hiện đại P1

Giới thiệu mơn học q Mục đích mơn học (Objectives) Ø Cung cấp kiến thức bổ sung cho học phần ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân ü Kiến thức tượng xảy nguyên tử, lý thuyết tương đối Einstein áp dụng Kỹ thuật Hạt nhân q Các môn học cần thiết (Pre-requisites) Ø Vật lý I&II NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -1- Giới thiệu môn học q Nội dung môn học Ø Tuần 1: Lý thuyết tương đối tính tập Ø Tuần 2: Lý thuyết tương đối tính tập (tiếp) Ø Tuần 3: Vật lý nguyên tử Ø Tuần 4: Vật lý nguyên tử (tiếp) Ø Tuần 5: Vật lý nguyên tử (tiếp) Ø Tuần 6: Vật lý nguyên tử (tiếp) Ø Tuần 7: Máy phát lượng tử Ø 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 môn học q 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 q Thuật ngữ vật lý đại ám khái niệm vật lý hậu Newton q Vật lý Newton 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 q Vật lý đại dựa tảng hai lý thuyết học lượng tử thuyết tương đối q 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) q 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 q 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 Einstein 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 q Isaac Newton (1642-1727) sinh Anh vào năm nhà vật lí thiên văn huyền thoại Galileo Galilei q Newton coi nhà vật lý vĩ đại thời đại, người tiếp tục xây dựng thành công ý tưởng Galilei không gian chuyển động q Ngày thường gọi toàn học cổ điển (trước Einstein) học cổ điển Newton để nhắc đến công lao ông ü 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 q Trong thời gian dài, học Newton, hay gọi học cổ điển, chiếm địa vị thống trị phát triển khoa học q 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 q 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 q Tóm lại, theo Newton thời gian khơng 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- Lý thuyết tương đối tính Sự hạn chế học cổ điển Newton q Đến cuối kỷ 19 đầu kỷ 20, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh, bắt đầu gặp vật chuyển động nhanh với vận tốc vào cỡ vận tốc ánh sáng c chân khơng (c = 300000 km/s) xuất mâu thuẫn với quan điểm học Newton, cụ thể : Ø Không gian, thời gian, khối lượng m phụ thuộc vào chuyển động q Cơ học Newton khơng giải khó khăn NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 10 - Lý thuyết tương đối tính Động lực học tương đối tính q Động lượng lượng ü Ta có dv ds ds = dv = v.dv dt dt ü Do ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ mo vdv ⎢ mo vdv v ⎥ dW = 1+ = ⎢ ⎥ 2 ⎞3 / v ⎢ c ⎛⎜ − v ⎞⎟ ⎥ ⎛ v ⎟ ⎜ 1− 2 ⎟ ⎥ ⎜1 − ⎟ ⎜ ⎢ c ⎠⎦ c ⎣ ⎝ c ⎠ ⎝ NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 73 - Lý thuyết tương đối tính Động lực học tương đối tính q Động lượng lượng ü Mặt khác từ (16) ta có mo vdv dm == ⎞3 / ⎛ v c2 ⎜1 − ⎟ ⎜ c ⎟ ⎝ ⎠ ü So sánh hai biểu thức ta rút dW = c dm hay W = mc + C NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 74 - Lý thuyết tương đối tính Động lực học tương đối tính q Động lượng lượng ü Trong C số tích phân Do điều kiện m = W = 0, ta rút C = W = mc (17) ü Hệ thức thường gọi hệ thức Einstein NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 75 - Lý thuyết tương đối tính Động lực học tương đối tính q Hệ quả: Năng lượng nghỉ ü Từ hệ thức Einstein ta tìm lượng nghỉ vật nghĩa lượng lúc vật đứng yên (m = mo): W = mo c ü Lúc vật chuyển động, vật có thêm động Wđ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎟ 2 2⎜ Wđ = mc − mo c = mo c ⎜ − 1⎟ v2 ⎜ ⎟ ⎜ 1− ⎟ c ⎝ ⎠ NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn (18) - 76 - Lý thuyết tương đối tính Động lực học tương đối tính q Hệ quả: Năng lượng nghỉ ü Biểu thức khác với biểu thức động vật thường gặp học cổ điển Trong trường hợp v m1c > m c 2 v1 v 1− − 22 c c nên từ biểu thức (19) ta có m > m1 + m2 nghĩa khối lượng hạt nhân trước tự phân rã lớn tổng khối lượng hạt thành phần NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 80 - Lý thuyết tương đối tính Động lực học tương đối tính q Hệ quả: Ứng dụng tượng phân rã hạt nhân ü Theo công thức Einstein, phần lượng W = [m − (m1 + m2 )]c = Δm ⋅ c ü Phần lượng thường tỏa dạng nhiệt xạ NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 81 - Lý thuyết tương đối tính Ý nghĩa triết học hệ thức Einstein q Nhiều nhà vật lí tâm lợi dụng hệ thức Einstein tương đương khối lượng lượng để làm sống lại thuyết "năng lượng học" q Họ cho khối lượng số đo lượng vật chất chứa vật, theo hệ thức Einstein vật chất "biến thành" lượng q Do vật chất bị tiêu hủy NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 82 - Lý thuyết tương đối tính Ý nghĩa triết học hệ thức Einstein q Nhưng biết, vật chất tồn khách quan, khối lượng lượng hai đại lượng vật lí đặc trưng cho quán tính mức độ vận động vật chất q Khơng có chứng tỏ vật chất mà tính chất tồn tại, điều khẳng định vật chất "biến thành" lượng vô q Hệ thức Einstein nối liền vật chất với lượng mà nối liền hai tính chất vật chất: quán tính mức độ vận động Hệ thức cho ta thấy rõ, điều kiện định, vật có khối lượng định có lượng định tương ứng với khối lượng NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 83 - Lý thuyết tương đối tính Ý nghĩa triết học hệ thức Einstein q Thuyết tương đối hẹp Einstein đưa khoa học vật lí tiến lên bước q Về sau, vào năm 1915, Einstein phát triển sâu thêm bước thuyết tương đối đưa thuyết tương đối rộng Ø Thuyết tương đối rộng áp dụng cho hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc, giúp ta nghiên cứu trường hấp dẫn Ø Thuyết tương đối rộng giúp ta hiểu cách sâu sắc liên hệ không gian thời gian với vật chất trường hấp dẫn gây vật khối lượng lớn, không gian bị cong NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 84 - Lý thuyết tương đối tính Ý nghĩa triết học hệ thức Einstein q Các vật chuyển động theo qn tính khơng gian khơng chuyển động thẳng nữa, mà chuyển động theo đường cong q Thời gian nơi trường hấp dẫn mạnh trơi chậm so với thời gian nơi trường hấp dẫn yếu q Nhờ có thuyết tương đối rộng, thiên văn người ta giải thích nhiều kiện tia sáng bị cong gần mặt trời, dịch chuyển vạch quang phổ phía đỏ hấp dẫn NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 85 - Câu hỏi & Giải đáp NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn - 86 - 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 - 87 - ... Giáo dục, 2009 NE2010: Vật lý Hiện đại (Modern Physics) V.T Nguyen thai.nguyenvan@hust.edu.vn -3- Vật lý Hiện đại q Thuật ngữ vật lý đại ám khái niệm vật lý hậu Newton q Vật lý Newton khơng thể... 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. .. 1: Lý thuyết tương đối tính tập Ø Tuần 2: Lý thuyết tương đối tính tập (tiếp) Ø Tuần 3: Vật lý nguyên tử Ø Tuần 4: Vật lý nguyên tử (tiếp) Ø Tuần 5: Vật lý nguyên tử (tiếp) Ø Tuần 6: Vật lý nguyên