Đề tài - Điện tích nhỏ nhất xưa và nay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng Sinh viên thực tập: Hoàng Thị Thanh Thảo Đoàn Thị Minh Thư Trần Bùi Cẩm Vân 2 TP HCM, Ngày 15 tháng 5 năm 2009 MỤC LỤC LỜI NGỎ………………………………………………………………………. 3 ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY……………………………… … .4 I. Điện tích……………………………………………………………… ….4 I.1. Khái quát về điện tích:…………………………………………… .4 I.2. Thuộc tính và tính chất của điện tích:…………………………… 4 I.3. Các loại điện tích:……………………………………………… …6 II. Quan niệm cổ điển: II.1. Electron:………………………………………………………… .6 II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra electron………………….….6 II.1.2. Giới thiệu về electron…………………………………… …6 II.1.3. Thí nghiệm tìm ra electron……………………………… …7 II.1.4. Thí nghiệm đo điện tích điện tử………………………….….8 II.1.5. Các thuộc tính và tính chất của electron…………………….9 II.1.6. Ứng dụng của electron…………………………………… 11 II.2. Proton: II.2.1. Khái quát về proton……………………………………… .13 II.2.2. Sự ổn định………………………………………………….13 II.2.3. Trong hóa học………………………………………………14 II.2.4. Lịch sử…………………………………………………… .14 II.2.5. Phản proton……………………………………………… .14 II.3. Neutron: II.3.1. Khái quát về neutron……………………………………….15 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 3 II.3.2. Lịch sử tìm ra neutron…………………………………… .15 II.3.3. Thuộc tính và tính chất của neutron……………………… 16 II.3.4. Phản neutron……………………………………………… 18 III. Quan niệm hiện đại: Hạt quark: III.1. Giới thiệu về hạt quark:………………………………………… .18 III.2. Tính chất của hạt quark:………………………………… ………19 III.3. Các loại hạt quark:………………………… …………………….20 III.4. Quá trình khám phá ra các loại hạt quark:…………………… ….21 III.5. Điện tích:……………………….…………………………………24 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………28 PHỤ LỤC……………………………………………………………………….29 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 4 LỜI NGỎ Có một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, neutron và electron chính là các "nguyên tử" theo định nghĩa của người cổ Hy lạp. Nhưng vào năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở Standford ở Hoa Kỳ đã cho thấy rằng các proton và neutron cũng không phải là các hạt cơ bản nhất. Dựa vào lý thuyết nào người ta lại khẳng định như vậy? Nhằm giúp cho các bạn sinh viên có thêm tư liệu cho việc dạy và học, các em học sinh muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này, nhóm chúng tôi xin giới thiệu đến các bạn những kiến thức cơ bản liên quan đến vấn đề này. Hy vọng với lượng kiến thức này sẽ giúp các bạn phần nào hiểu thêm về vấn để bạn nghiên cứu. Do thời gian và kiến thức giới hạn nên khó tránh khỏi những sai sót, mong các bạn thông cảm. Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 5 ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY I. ĐIỆN TÍCH: I.1 Khái quát về điện tích: Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng. Điện tích tạo ra trường điện từ và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ. Sự tương tác giữa một điện tích với trường điện từ khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với trường điện từ này là nguyên nhân gây ra lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên. Điện tích còn được hiểu là "hạt mang điện". I.2 Thuộc tính và tính chất của điện tích: Các hạt mang điện cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) sẽ đẩy nhau. Ngược lại, các hạt mang điện khác dấu sẽ hút nhau. Tương tác giữa các hạt mang điện nằm ở khoảng cách rất lớn so với kích thước của chúng tuân theo định luật Coulomb. Định luật Coulomb đặt theo tên nhà vật lý Pháp Charles de Coulomb, phát biểu là: “Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với tích các độ lớn điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng các giữa chúng”. Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó. Thông thường, các vật quanh ta Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 6 đều trung hòa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng số proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau. Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng không, vật ấy vẫn có thể tham gia tương tác điện từ, đó là nhờ hiện tượng phân cực điện. Các điện tích chịu sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích có thể di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoài gọi là điện tích tự do. Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành dòng điện. Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Coulomb (viết tắt là C), 1 C xấp xỉ bằng 6,24×1018e. Kí hiệu Q được dùng để diễn tả độ lớn một lượng điện tích xác định, gọi là điện lượng. Phần lớn điện lượng trong tự nhiên là bội số nguyên của điện tích nguyên tố. Các hạt quark có điện tích phân số so với e. Phản hạt của một hạt cơ bản sẽ có điện tích bằng về độ lớn, nhưng trái dấu so với điện tích của hạt cơ bản đó. Có thể đo điện tích bằng một dụng cụ gọi là tĩnh điện kế. Điện tích là một đại lượng bất biến tương đối tính, điều đó có nghĩa là vật (hoặc hạt) mạng điện tích q khi đứng yên, thì vẫn sẽ mang điện tích q như vậy khi chuyển động. Điều này đã được kiểm chứng trong một thực nghiệm, ở đó điện tích của một hạt nhân heli (gồm 2 proton và 2 neutron, hạt nhân này di chuyển rất nhanh) được quan sát là gấp đôi điện tích của một hạt nhân deuteri (gồm 1 proton và 1 neutron, được xem là chuyển động rất chậm so với hạt nhân helium). Điện tích tuân theo định luật bảo toàn điện tích: Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 7 “Tổng điện tích của một hệ kín là không thay đổi theo thời gian, không phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ”. I.3 Các loại điện tích: Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện tích của electron là âm, ký hiệu là –e, còn điện tích của proton là dương, ký hiệu là +e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố. II. QUAN NIỆM CỔ ĐIỂN II.1 Electron: II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra Electron: − Theo Aristotle thì vật chất được cấu tạo liên tục, tức là có thể chia một mẫu vật chất ngày càng nhỏ mà không có một giới hạn nào. − Democritus lại cho rằng vật chất vốn có dạng hạt và vật chất được tạo thành từ một số lớn các loại nguyên tử (atom). − Năm 1830, John Danlton chỉ ra rằng hợp chất hóa học là do các nguyên tử co cụm lại với nhau tạo nên những đơn nguyên tử được gọi là phân tử. − Năm 1897, J.J.Thomson đã chứng minh được sự tồn tại của một hạt vật chất mà ông gọi là electron. Một hạt có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử nhẹ nhất khoảng một ngàn lần. II.1.2 Giới thiệu về Electron: Điện tử (hay còn gọi là electron, được kí hiệu là e−) là một hạt hạ nguyên tử, hay hạt sơ cấp. Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân (hạt nhân bao gồm các proton và neutron) trên quỹ đạo electron. Từ electron bắt Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 8 nguồn từ tiếng Hy Lạp ηλεκτρον (phát âm là "electrum") có nghĩa là hợp kim của bạc và vàng. Electron thuộc lớp đầu tiên của nhóm lepton trong loại hạt Fermion của hạt cơ bản, nó chịu tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác yếu. Electron có phản hạt là positron. Electron được đề nghị bởi George Johnstone Stoney như là đơn vị điện tích trong điện hóa học, nhưng cũng nhận ra rằng nó còn là hạt hạ nguyên tử và đến năm 1897 được nhà vật lý người Anh Joseph J. Thomson 1 tìm ra tại phòng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học Cambridge, trong khi ông đang nghiên cứu về "tia âm cực". II.1.3 Thí nghiệm: Điện tử là hạt hạ nguyên tử đầu tiên được tìm ra dựa vào tính chất điện của vật chất. Vào cuối thập kỷ đầu tiên của thế kỷ thứ 19, người ta đã nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube). Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên trong có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là cực âm. Hai cực đó được nối với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống. Người ta giả thiết rằng có một chùm hạt phát ra từ cực dương đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng. Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt. Khi đặt một vật chướng ngại nhẹ trong ống thì vật đó bị di chuyển từ cực dương về cực âm, người ta kết luận hạt đó có khối lượng. Khi đặt một từ trường vào thì dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt đó có điện tích. Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) đã kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo được tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nó bằng độ lệch hướng của chùm 1 Phụ lục V.1, trang 28. Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 9 tia trong các từ trường và điện trường khác nhau. Thomson dùng rất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí trong ống. Ông thấy rằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì. Ông kết luận rằng tất cả các chùm ca-tốt đều được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891. II.1.4 Thí nghiệm đo điện tích electron: (Thí nghiệm giọt dầu Millikan) Năm 1909, Robert Millikan 2 thực hiện thí nghiệm để đo điện tích điện tử. Sử dụng một máy phun hương thơm, Millikan đã phun các giọt dầu vào một hộp trong suốt. Đáy và đỉnh hộp làm bằng kim loại được nối với nguồn điện một chiều với một đầu là âm (-) và một đầu là dương (+). Millikan quan sát từng giọt rơi một và cho áp dụng hiệu điện thế lớn giữa hai tấm kim loại rồi ghi chú lại tất cả những hiệu ứng. Ban đầu, giọt dầu không tích điện, nên nó rơi dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên sau đó, Millikan đã dùng một chùm tia Röntgen để ion hóa giọt dầu này, cung cấp cho nó một điện tích. Vì thế, giọt dầu này đã rơi nhanh hơn, vì ngoài trọng lực, nó còn chịu tác dụng của điện trường. Dựa vào khoảng thời gian chênh lệch khi hai 2 Phụ lục V.2, trang 28. Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 10 giọt dầu rơi hết cùng một đoạn đường, Millikan đã tính ra điện tích của các hạt tích điện. Xem xét kết quả đo được, ông nhận thấy điện tích của các hạt luôn là số nguyên lần một điện tích nhỏ nhất, được cho là tương ứng với 1 electron, e = 1,63 × 10-19 coulomb. Năm 1917, Millikan lặp lại thí nghiệm trên với thay đổi nhỏ trong phương pháp, và đã tìm ra giá trị điện tích chính xác hơn là e = 1,59 × 10-19 coulomb. Những đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý của Millikan cho kết quả là e = 1,602 × 10-19 coulomb. II.1.5 Các thuộc tính và tính chất của electron: Electron có điện tích âm −1.602 × 10 −19 coulomb, và khối lượng khoảng 9.1094 × 10 −31 kg (0.51 MeV/c²), xấp xỉ 1/1836 khối lượng của proton. Chuyển động của electron xung quanh hạt nhân là một chủ đề gây tranh cãi. Electron không chuyển động trên một quỹ đạo cố định mà có lẽ nó xuất hiện tại một số điểm trong khu vực xung quanh quỹ đạo hạt nhân (với xác suất khoảng 90% thời gian là trên quỹ đạo tính toán). Electron có spin ½, nghĩa là nó thuộc về lớp hạt Fermion, hay tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Trong khi phần lớn các electron tìm thấy trong nguyên tử thì một số khác lại chuyển động độc lập trong vật chất hay cùng với nhau như những chùm điện tử trong chân không. Trong một số chất siêu dẫn, các electron chuyển động theo từng cặp. Khi các electron chuyển động tự do theo một hướng xác định thì tạo thành dòng điện. Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy [...]... quark lên và 1 quark xuống), vì vậy proton mang điện tích +1e hay +1.602 ×1 0-1 9 coulomb Có spin bán nguyên, proton là Fermion Khối lượng 1.6726 ×1 0-2 7 kg xấp xỉ bằng khối lượng hạt neutron và gấp 1836 lần khối lượng hạt electron Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton đúng bằng số electron Số proton trong nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng điện tích hạt nhân của nguyên tố đó, và được chọn... khi nó va chạm với electron Phản ứng beta và bắt electron là các kiểu của phân rã phóng xạ và cả 2 đều chịu ảnh hưởng của tương tác yếu II.3.3.2 Moment lưỡng cực điện: Mô hình chuẩn của vật lý hạt tiên đoán 1 sự phân ly nhỏ của điện tích dương và điện tích âm bên trong neutron dẫn đến việc sinh ra moment lưỡng cực điện vĩnh cửu Đó là 1 tiên đoán có giá trị Từ 1 khó khăn chưa được giải quyết trong vật... phỏng theo electron và proton) II.3.3 Thuộc tính và tính chất II.3.3.1 Ổn định và phân rã beta: Vì neutron được cấu tạo từ 3 hạt quark nên nó chỉ có thể phân rã theo cách thức thay đổi số lượng tử cần thiết để thay đổi hương vị của 1 trong những hạt quark bằng lực hạt nhân yếu Neutron gồm 2 quark down với điện tích -1 /3 và 1 quark up với điện tích +2/3, và sự phân rã của 1 trong các quark down có thể... Tĩnh điện không phải là dòng chuyển động của các electron Nó chỉ tới những vật có nhiều hoặc ít electron hơn số lượng cần thiết để cân bằng với điện tích dương của hạt nhân Khi có nhiều electron hơn proton, vật được gọi là có "tích điện âm", ngược lại khi có ít electron hơn proton, vật được gọi là có "tích điện dương" Khi số electron bằng số prôton, vật được gọi là "trung hòa" về điện Các electron và. .. q= +1 cho quark đỉnh, và bằng -1 cho phản hạt tương ứng Số đỉnh sẽ bằng 0 so với các số khác III.5 Điện tích: Q = 2/3 e: quark up, quark charm, quark top t Q = -1 /3e: quark down, quark strange, quark bottom Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), mỗi quark đều có phản hạt và tồn tại ở 6 hương Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 26 Hệ Tên/Hương Điện tích Khối lượng (MeV) 1... các thí nghiệm và chỉ ra rằng tia gamma theo giả thuyết trên là không đứng vững Ông ta đề nghị một bức xạ mới của hạt không mang điện mà có khối lượng gần đúng với khối lượng của Proton, và ông đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm để kiểm tra lại đề xuất của mình Những hạt không mang điện này được gọi là neutron, xuất phát từ gốc là từ neutral và theo Hi lạp có –on (mô phỏng theo electron và proton) II.3.3... rã mà do tương tác mạnh và tương tác điện từ không bảo toàn số lạ Nhưng trong tất cả các phản ứng phân rã của lambda thành các sản phẩm nhẹ hơn: Λ → - + p ; Λ→π+ + n Λ→ e- + νe + p ; Λ→ - + νµ + p Định luật bảo toàn số lạ đều bị vi phạm Các hạt sản phẩm phân rã có số lạ bằng 0 Vì vậy sự phân rã của lambda phải gây nên bởi tương tác khác, yếu hơn nhiều so với tương tác điện từ và tương tác mạnh, gọi... rời rạc của điện tích của electron được quan sát bởi Robert Millikan trong thí nghiệm dầu nhỏ giọt năm 1909 • Đo lường: Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy 13 Spin của electron được phát hiện trong thí nghiệm Stern-Gerlach Điện tích có thể đo trực tiếp bằng các électromètre Dòng điện có thể đo trực tiếp bằng các galvanomètre • Sử dụng electron trong phòng thí nghiệm: Kính hiển vi điện tử được... của ông và trở thành một chủ biên tập báo, một thọ in và một thương gia rất giàu có ở Philadelphia Franklin rất quan tâm tới khoa học và kỹ thuật, ông đã thực hiện những thí nghiệm và phát minh điện nổi tiếng— ngoài cột thu lôi — bếp lò Franklin, ống thông tiểu, chân nhái, harmonica, và kính hai tròng Ông cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thành lập Đại học Pennsylvania và Trường Franklin và Marshall... và được chôn tại Westminster Abbey, gần Ngài Isaac Newton Thomson được bầu là Uỷ viên của Royal Xã hội ngày 12 tháng 6 năm 1884 và sau đó trở thành Chủ tịch của Royal Xã hội từ 1915 đến 1920 V.2 Tiểu sử Millikan: Giáo sư Robert Andrews Millikan (22/ 3/1868 – 19/12/1953) là một nhà vật lý thực nghiệm người Mỹ Ông đã giành Giải Nobel Vật lý vào năm 1923 về phương pháp đo chính xác điện tích điện tử và . không phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ”. I.3 Các loại điện tích: Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện tích của electron. NGỎ………………………………………………………………………. 3 ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY …………………………… … .4 I. Điện tích …………………………………………………………… ….4 I.1. Khái quát về điện tích: …………………………………………… .4