Vật lý đại cương các nguyên lí và ứng dụng

Physics Classial and Modern VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG TẬP CÁC NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG (Quang học Vật lí l.tử) NXB GIÁO DỤC - 2009 A - QUANG HỌC Quang học môn học nghiên cứu vể ánh sáng Trước công nguyêri số nhà triết học cổ Hy Lạp cho rằng, nhìn thấy vật từ tđ phát "tia nhìn" đến đập lên vật Tuy nhiên có số triết gia khác cho ánh sáng xuất phát từ vật phát sáng Vào cuối kỉ XVII Niutơn (Newton) dựa vào tính chất truyền thẳng ánh sáng đă đưa thuyết hạt ánh sáng Theo Niutơn ánh sáng dòng hạt bay từ vật phát săng theo đường thẳng Cùng thòi gian Huyghen (Huygens) lại đưa thuyết sóng ánh sáng Theo ông, ánh sáng truyền dao động đàn hồi môi trường gọi "ête vũ trụ" Do uy tín khoa học Niutơn nên kỉ XVIII thời kì thống trị thuyết hạt ánh sáng Tuy nhiên vào đầu kỉ X IX sở giả thuyết sóng ánh sáng, Prênen (Fresnel) giải thích đầy đù tượng qunng học biết thcri Kết thuyết sóng người cồng nhân thuyết hat hẩu bi lãng quên Sau thuyết điện từ Macxoen (Maxwell) đòi (1864) người ta chứng minh ánh sáng sóng điện từ có bước sóng từ 0,4^m đến 0,7S^ln Vào cuối kỉ XIX đầu kỉ X X hàng loạt kiện thực nghiệm chứng tỏ vật phát xạ hay hấp thụ ánh sáng theo lượng gián đoạn mà độ ỉớn chúng phụ thuộc vào tẩn số ánh sáng Điều lại dẫn đến khái niệm hạt ánh sáng : ánh sáng gồm dòng hạt gọi ohôtAn Sự phát triển vật lí sau chứng tỏ ánh sár.g vừa có tính chắt sóng vừa có tính chất hạt Trong số tượng giao thoạ, nhiễu xạ, phân cực, ánh sáng thể tính chất sóng ; số tượng khác hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Comtơn (Compton), ánh sáng lại thể tính chất hạt Trong phần giáo trình nghiên cứu tượng quang học - nhằm hiểu rõ chất ánh sáng, đồng thời giáo trình cung cấp kiến thức cán thiết việc ứng dụng định luật quang học kĩ thuật đời sống Chương sỏ CỦA QUANG HÌNH HỌC CẤC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Trong thực tẽ có nhiểu tượng quang học, đặc biệt hoạt động dụng cụ quang học nghiên cứu xuất phát từ khái niệm tia sáng Phần quang học dựa khái niệm gọi quang hình học Dựa vào định luật tia sáng, quang hình học giúp nghiên cứu tạo thành ảnh dụng cụ quang học cách đcm giản §1.1 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC Quang hình học dựa bốn định luật sau : Định luật truyền thẳng ánh sáng Định luật phằt biểu sau : Trong mơi trườtĩg suổt dồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đuởng thẳng Khi nghiên cứu tượng nhiễu xạ ta sỗ thấy định luật có giới hạn ứng dụng Lúc ánh sáng truyền qua nhữiTg lỗ thật nhỏ gặp chướng ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng định luật khơng Định luật tác dụng độc lập tiâ sáng Định luật phát biểu : Túc dụng cúc chùm sáng khác ìĩhaii độc lập với nhau, nghĩa tác dụng chùm sàng khơng phụ thuộc vào có mặt hay không chùm sáng khác, Hai định luật Đêcac (Descartes) Thực nghiệm xác nhận tia sáng 01 tới mặt phân cách hai môi trường suốt, đồng tính đẳng hướng tia sáng bị tách thành hai tia : tia phản xạ //? Ị tia khúc xạ ỈRo ( h ,l- l) Chúng tuân theo hai định luật sau : a) Định luật Đ êcac thứ : Tia phản xạ nằm mặt phang tới (tức mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến IN) góc tới ^óc phản xụ (1- 1) h) Định luật Đ êcac thứ hai : Tia khúc xạ nằm mặt phẳriịị tới tỉ s ổ sin góc tới sin góc khúc xa s ố không đổi sini sini 21 (1- ) 1121 mội số không đổi phụ thuộc vào chất hai môi trường gọi !à chiết suất tỉ dổi củạ môi trườiig môi trường Định luật phản xạ đinh luât khúc xa Nếu H2| > 19 < ij, tia khúc xạ gập lại gần pháp tuyến môi trường gọi chiết quang môi trường Ngược lại n2i < Ỉ2 > i], tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến môi trường chiết quang môi trưcmg c) Chiết suất tỉ dối chiết suất tuyệt đối : Nếu gọi Uj U2 vận tốc ánh sáng mơi trường thực nghiệm chứng tỏ : Với : 021 = — • ^2 nước —khơng khí : (1“ 3) n2i = 1,33, thuỷ tinh ~ khơng khí : Ũ2 \ - 1,52 Ngồi chiết suất tỉ đối, người ta định nghĩa chiết suất tuyệt đối môi trường Thèo định nghĩa chiết suất tuyệt đ ối môi trường chiết suất tỉ đối m trường chân không Nếu gọi Ü vận tốc ánh sáng môi trường, c vận tốc ánh sáng chân không n chiết suất tuyệt đối môi trường vào (1 -3 ) ta có : n=^ (1 -4 ) V Đối với khơng khí V » c nên n = So sánh với kết thu nghiên cứu vận tốc truyền sóng điện từ, ta thấy : n ^ ^Ịĩụ.y e ^ số điện mơi độ từ thẩm mơi trường Ta tìm liên hệ chiết suất tỉ đối hai môi trường chiết suất tuyệt đối chúng Từ (1 -3 ) viết : _ ''l _ c n2i = - L V2 = — V2 c _ n, ; — Vị = n, N ếu m ô i trư n g th ứ n h ấ t l k h ô n g k h í th ì riỊ (l-j) « v Ti2 ị ~ IÌ - Do coi chiết suất tuyệt đối môitrường, chiết suất tỉ đối mơi trường khơng khí d) Dọng đối xứn^ định liỉậí Đ êcac : Từ (1 -2 ) (1 -5 ) viết : sinỈỊ H2 sinii2 n (1-6) ĨÌỊ sini] = n2 SÌnỈ2 Đó dạng đối xứng định luật Đêcac d) Hiện tượng phản xạ toàn phần “ Xét hai môi trường Nếu ĨÌ2 \ > Ì2 < ii tia tới cho tia khúc xạ, ví dụ trường hợp ánh sáng từ Khơng khí vào nước (h -2a) Nếu n2 i < Ì2 > ii tia tới cho tia khúc xạ Vì góc khúc xạ Ì2 < — đó, tia tới mà góc tới Ìị ứng với góc khúc xa ¡2 ^ 71 niới cho tia khúc xa Goi ÌỊmax ứng với góc khúc xạ —, vào định luật khúc xạ ta có : (1 -7 ) Nếu ỉ ị > iiniax bị phản xạ khơng tia khúc xạ nứa Lúc ta có tượng phản xạ toàn phần (h l*-2b) Vậy muốn xảy tượng phản xạ tồn phần o íQ i "2 n i < ”2 ' R, n|>n Q2 Q3 a) H.1-2 Hiện tượng phản xạ toàn phần b) ánh sáng phải truyền từ mơi trường có chiết suất lớn sang mơi trường có chiết suất bé, đồng thời góc tói phải lớn ỈỊn^ax ’ Mavix gọi góc ĩới giới hạn Ví dụ trường hợp ánh sáng truyền từ nước khơng khí iimax “ * Hiện tượng khúc xạ phản xạ toàn phần có nhiều ứng dung thực tế p H.1-3 Độ cao quan sát độ cao thực Trong thiên vãn học xác định vị trí ngơi cầrì phải xét đến khúc xạ ánh sáng qua lớp khơng khí, Chúng ta biết chiết suất khơng khí phụ thuộc mật độ eủa thực nghiệm ehứng tỏ hiệu số ”kh ~ lệ với mật độ Càng lên cao mật độ khơng khí giảm chiết suất khơng khí bị giảm theo Tia sáng xuất phát từ ngơi khơng đỉnh đầu đến Trái Đất qua lớp khơng khí với chiết suất tăng dần bị cong (hình 1-3, hình vẽ để dễ hình dung khí chia thành lớp mỏng bề dày Ah) Kết vị trí quan sát ngơi cao vị trí thực Một đường chân trời, tượng khúc xạ ánh sáng, bị nâng lên góc 36' H.1-4 Sự tạo thành ảo ảnh Các ảo ảnh quan sát vLing sa mạc hay đồng cỏ giải thích dựa tượỉig khiic xạ phản xạ toàn phần (h l-'4) Nhờ uốn cong tia sánc; nên số vật khuất xa đường chân trời nhìn thấy gần người quan sát Hiện tượng phản xạ toàn phần ứng dụng để đổi chiều tia sáng dụng cụ quang học Chiết suất nhiều loại thuỷ tinh vào cỡ 1,5 Vì góc tới giới hạn biên giới thuỷ tinh khỏng khí cỡ 42° góc tới 45^ luôn xảy tượng phản xạ tồn phần Hình 1-5 biếu diễn lăng kííih phản xạ toàn phần Trong trường hợp a) ảnh phương truyền ánh sáng bị quay góc 90^ phản xạ toàn phần mặt đáy lăng kính Trong trường hợp b) ảnh phương truyền ánh sáng bị đổi chiều hai lần phản xạ tồn phần hai mặt bên làng kính B , B N A Ặ' ĩ A’ a) B' \ ị/ \ t ' / b) H.1-5 Các lăng kính phản xạ toàn phần Trong trường hợp b) ảnh phưomg truyền ánh sáng bị đổi chiều hai lần phản xạ toàn phần hai mặt bên lăng kính Trong trường hợp c) ảnh bị đổi chiều phản xạ toàn phần mặt đáy lăng kính chiều truyền ánh sáng lại khơng đổi Hình 1—6 biểu diễn sơ đồ loại Ống nhòm dùng quan sát vật bị che khuất, nguyên tắc đùng hai gương phẳng đặt nghiêng 45° để thay làng kính phản xạ tồn phần \ A ỵ y y X / / / H.1-6 Ống nhỏm quan sát vật bị che khuất Tuy nhiên phản xạ từ gương kitn lóại phần ánh sáng xuyên vào kim loại bị hấp thụ ỉrong Khi dùng lăng kính phản xạ tồn phần mát khơng xảỳ r^ Ngày tượng phản xạ tồn phần ứng dụng cáp sợi quang §1.2 NHữvíG PHÁT BIỂU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỊNH LUẬT ĐÊCAC Quang lộ Xét hai điểm A, B mơi trường đồng tính chiết suất n, cách đoạn d (h.l-7a) Thời gian ánh sáng từ A đến B : t = ị, V (1 -8 ) tro n g đ ó V v ận tố c án h sá n g tro n g m ô i trư n g Người ta định nghĩa : quang lộ hai điểm A ,B đoạn đường ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian t, đố t khoảng thời gian mà ánh sáng đoạn đường AB môi trường Gọi L quang lộ hai điểm A, B ta có L = ct (1 -9 ) Thay t từ (1 -8 ) vào (1 -9 ) biết chiết suất mơi trưòng n = — ta rút : V L = nd Nếu ánh (1 -1 ) sáng truyền qua nhiều môi trườngchiết suất Iii, n2, 03, , với quãng đường d j, d2, d3, (h l-7 b ), quang lộ tổng cộng : L = íiidị + n 2ổ2 + H3d3 + = Srijdi (1-11) Nếu ánh sáng môi Irường mà chiết suất thay đổi liên tục từ điểm đến điểm khác Ch-l-7c) ta chia đoạn đường thành 10 đoạn nhỏ ds để chiết suất coi không đổi đoạn nhỏ quang lộ g4ữa hai điểm A B : L = n.ds B n a) H.1-7 Khái niệm quang lộ Nguyên lí Fecm a (F.ermat) a) Phát hiểu : Khi nghiên cứu truyền ánh sáng, Fecma tìm ngun lí sau : Giữa hai điểm AB, ánh sáng s ẽ truyền theo đường mà quang lộ cực trị {cực đại, cực tiểu h oặc không đổi) Căn vào (1 -9 ) ta phát biểu : Giữa hai điểm AB, ánh sáng truyền theo đường thòi gian nhất, nhiều thời gian nhất, truyền theo đưòmg mà thời gian truyền h) Sự tương đương nguyên lí Pecm a cá c định luật Đ êcac : Nguyên Ịí Fecma dạng phát biểu tương đương định luật Đêcac Ta xét tương đương - Sự tương đương nguyền lí Pecma với định luật phản xạ Xét hai điểm A, B nằm phía mặt phản xạ z (h l - a) Gọi AIB ià đường ánh sáng truyền từ A đến B Căn vào định luật phản xạ Ì ị - iỊ 11 thái điện nghĩa : 21 + = , = 1/2 ; p n hai trạng thái c ủ a n u clô n k h c hình c h iế u ỉy c ủ a spin đ n g vị, cụ th ể : P có I = + - ; z n có' I Tương tự ba hạt - _ ^ 71°, n coi ba trạng thái hạt, nghĩa 21 + = Do I = Vậy hạt ĩĩiêdơn 71 có spin đồng vị : = Ba trạng thái n^, 71°, n ứng với ba giá trị hình chiếu I2 khác spin đồng vị n 7ĩ^ có I = ; 71° có I = ; n~ có I = - Người ta nói (p, n) hợp thành hộ đôi đồng vị, (7t^, 71^, n ) hợp thành hộ đồng vị Đặc biệt hạt A” hợp thành hộ đơn đồng vị (I = , = 0) Đối hạt có I có Ij, ngược dấu so với hạt §9.2 PHÂN LOẠI CÁC HẠT s CẤP Phân loại hạt sơ cấp Hiện hạt sơ cấp biết phân thành bốn loại sau ; a) Phôtôn (y) : lượng tử ánh sáng, khối lượng tĩnh không h) Leptôn ; hạt nhẹ gồm có nơtrinơ (v), êlectrơn (e ) mêdơn đối hạt chúng Gần người ta lại phát có hai loại nơtrinơ : loại ln đôi với êlectrôn (Vg) loại đơi với mêdơn |4 (v^) 233 Ví dụ : p - ^ n + e^-hVỗ; > i" ^ + n-^p + e + v ^ ; 7C ; )LX 4- v ^ Do người ta phân hai loại họ leptỏn : leptơn electrón (e, Vg) leptơn mêdôn ịi (|LI, Vịx) Một điều đặc biệt phản ứng biến đổi sinh cập leptơn họ leptơn lại xuất lĩìột leptơn khác họ Ví dụ : K ^ ; e" + Ve + Vpi Để mơ tả tính chất leptơn người ta đưa số lượng tử mói gọi s ố ìeptơn ỉ Các leptơn e , p, , Vg, có / = Đối hạt có số leptơn ngược dấu so với hạt Các q trình giải thích định luật gọi định luật hảo toàn s ố leptôn (êlectrôn hay mêdôn Ji) : troriỊỊ trình hiến đổi, tổng (đại số) sơ' leptơn hệ hảo tồn c) Mêdơn : hạt trung bình có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng êlectrơn Có hai nhóm mêdơn mêdơn n (K *, 900 71° , 71 ) mêdơn K (K'^, K®) d) Bariơn : Các hạt nặng có khối lượng hay lớn khối lượng prơtơn Có hai nhóm bariơn : nuclôn (p, n) hypêrôn (A, 2, S) Năm 1964 ngưòi ta tìm hypêrơn ơmêga (Q ), khối ỉượng (3278 ± )me Các mêdôn 71, K bariơn có tên chung ađrơn Công thức Gellman Nishijima Đối với ađrôn, Gellman - Nishijima đưa công thức sau đây, liên hệ điện tích Q, hình chiếu spin đồng vị I^, số lạ s số bariổn B hạt : 234 Q= I z + ^ (9 -1 ) (ở Q số điện tích hạt tính theo đơn vị e) Ví dụ prơtơn : Q = - + —— = ; 2 ntrơn : Q = - i i ± = 0; 2 ômêga (Q ) : trang 234, có bảng liệt kê số hạt sơ cấp cừng với kí hiệu, điện tích, khối lượng, thời gian sống, spin, spin đồng vị, hình chiếu spin đồng vị phản ứng phân rã chúng §9.3 TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT s CẤP Các hạt sơ cấp luôn biến đổi ; số q trình biến đổi kể : trình tán xạ hạt lên hạt khác, trình sinh hạt, trình huỷ hạt, Nói chung hạt sơ cấp có tương tác Ngày người ta biết có bốn loại tương tác hạt sơ cấp : Tương tác mạnh ỉà tương tấc ađrơn trừ q trình phân rã chúng Ví dụ tương tác nuclơn (q trình lukaoa) loại tưcmg tác mạnh : p + n - > n + 7i^ + n - n + p; n+ p p + n +p p + n; n + n - ^ n + 7t° + n —>n + n; p + p —»p + n^’ + p —>p + p 235 Ví dụ khác : n + p —> K° + A° ; K° + p 7T+ + A° Tương tác điện từ tưomg tác phơtơn hạt mang điện Ví dụ : (huỷ cặp) 2y ; n o Y 2ỵ + hạt nhân Tĩ"^ + 71 Y + e“ *f e (sinh cặp) 2ỵ ; (quang điện) e Nói chung hạt tương tác với đối hạt cho hai phôtôn, Tương tác yếu bao gồm trình phân rã ađrơn, hấp thụ mêdơn ịx chất q trình có nơtrinơ Ví dụ : p n + e'‘’ + Vg ; (phân rã p^) n p + e’ + Vg ; (phân rã P”) ; n~ ị f + v^ 4, Tương tác hấp dẫn tưofng tác phổ biến vật có khối lượng Khi khảo sát hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác nhỏ không đáng kể Nếu so sánh độ mạnh tương đối loại tương tác trên, ta có bảng sau : Loại tương tác Độ mạnh (quy ước) 236 Mạnh Điên từ • í/137 Yếu Hấp dẫn -^9 10 B ản g cá c h ạt sơ cấp d ã biết K hối iượng L o ạỉ hạt H ạt Kí hiệu H ình chiếu s p in Điện Spỉn tích đồng spin s vị I đồng Q /e vị ly T ính T ính bàng M eV 0 0 1/2 e ,5 1 N ơtrinôm êđôn Ịi Vu 0 1/2 M êđôn [Ẳ n ,7 ,6 -1 1/2 Mêdôn n 71 ,2 135,01 0 ,2 ,6 +1 +1 6 ,5 ,8 +1 1/2 + /2 k" 965 ,0 0 1/2 - 1/2 p 1836,1 ,2 +1 1/2 /2 ■f1 /2 n 8 ,6 9 ,5 0 1/2 ỉ /2 - 1/2 2182 1 ,4 0 1/2 A 2325 1 ,4 +1 1/2 +1 2324 1 ,4 1/2 2341 1 ,0 -1 1/2 -1 w Ì ,4 ,3 1/2 1/2 + 1/2 ww 2585 ,8 -1 1/2 1/2 -1 /2 3278 1675 -1 /2 0 Phôtôn Phỏtôn Y Nơtrinô êleclrôn Leplôn Ê iectrôn n + Mêđơn Mêdơn K Nucỉơn Hypêrơn ìamđa Bariơn Hypêrơn sicm a Hypồrôn Icsi Hypêrôn ôm êga _o q ” 1/2 237 SỐ ba ri ôn Số la s ‘ Số leplơn l Thời gian sống trung bình (s) s Tròng với hạt oo Dạng phân rã c Phản hạt oo oo oo I ,2 “ ® V M + 1^ " '^ Trùng — ,5 ” ® tC Ve + e e *“ + Ịi ^ + Vjx y+ Y Tt’ ịX • (6 % ) +1 " * k n* + n° “ (2 ,5 % ) n* + n * + n~ (5 ,6 % ) +1 k Aỉ Tt"^ + ít' " (6 ,4 % ) 71° + JI° (30,6%) ^ “ 10 ,9 n“ + J i ° + i ° 1^0 ^2 1^2 ít'*'+ Jt” + Jt° ,7 % ) ' JI~ + (26,6%) n" + (3 ,6 % ) ,6 +1 oo P ,0 1 ^ n ,6 +1 +1 -1 —in ,7 8 ~ ‘ ° Ã '' n —> p + e " + Ve A° A \ - p + 71 n + 7Ĩ (6 ,7 % ) (31,6%) P + 7C° (51%) ẫ"- n + Ti"^ (49%) +1 -1 < lO ""’ ĩ® A% Y +1 -1 ,5 " '° S" ^ n *f- 71 +1 -2 ,6 " ‘° +1 -2 ,7 ~ ‘° +1 -3 , " ‘° A M Q" E -f 71 “ A ° + 7C —> • +7C S ” + II® 238 (2 ,1 % ) Các tương tác chất khác nhau,nhưngtntheo sơ quy luật chung, đặc biệt định luậtbảo toàn Các trình tương tác tuân theo định luật bảo toàn sau : a) Bảo toàn nàng lượng ; b) Bảo tồn động lượng ; c) Bảo tồn mơmen động lượng (kể mơmen spin) ; d) Bảo tồn điện tích ; e) Bảo tồn số bariơn ; g) Bảo tồn số leptơn êlectrơn ; h) Bảo tồn số leptơn mêdơn Ngồi có định luật bảo tồn số loại tưcmg tác Ví dụ : tương tác mạnh có định luật bảo toàn số lạ s, bảo toàn spin vị I bảo tồn hình chiếu spin đồng vị I ; tương tác điện từ có định luật bảo tồn số !ạ s bảo tồn hình chiếu spin đồng vị I2 ; tưofng tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ hình chiếu spin vị biến đổi theo quy tắc lựa chọn : AS = ± ; AI^=+ị ^ (9 -11 ) Ví dụ xét q trình tương tác yếu có hạt lạ tham gia sau : (AS = -1 ), ^ S"-^A°+7t" (AS = +1), ^ P AI, = + , V ( P AI^= Còn q trình tưomg tác yếu có leptơn tham gia khơng tn theo hai định luật bảo toàn số lạ, bảo toàn spin đồng vị chúng khơng có số lạ spin vị 239 Ngồi có ếc định luật bảo tồn khác định luật bảo toàn chẵn lẻ v.v,., mà ta khơng nói tới Hiện phát khoảng 300 hạt sơ cắp (xem bảng hạt sơ cấp trang 234) có hàng trăm hạt sinh rạ tương tác mạnh Những hạt có tính chất đặc biệt, thời gian sống cực ngắn —21 vào cỡ thời gian hạt nhân (10 ^s) ; khối lượng chúng khơng có giá trị xác định, Người ta gọi ÌIỌĨ cộng hưởìì^, Thành thử số hạt sơ cấp phát ngày nhiều Chúng sinh, huỷ biến đổi tương hỗ- Trong trình biến đổỉ, hạt sơ cấp tuân theo định luật bảo toàn ĩuyột đối : lượng, xung lượng, spỉn, điện tích Tuỳ theo tính chất hạt tương tác, q trình biến đổi hạt sơ cấp tuân theo số định luật định luật bảo toàn khác định luật bảo tồn số leptơn êlectrơn, số leptơn mêdơn, số bariơn, số lạ, apin đồng vị, chẵn lẻ §9.4 CÁC HẠT QƯARK Vì sấ hạt sơ cấp phát ngày nhiều nên từ lâu nhà vật lí đặt vấn đề tìm hiểu xem liệu hạt sơ cấp có cấu tạo số hạt khác ”cơ bản" ? Câu trả lời : Điều hoàn toàn phù hợp với quan điểm chủ nghĩa vật biện chứng : trình sâu tìm hiểu cấu tạo bên vật chất, coi đối tượng vật chất đối tượng vật chất khác "viên gạch" cuối cấu tạo nên chất Ngay từ năm 1963 - 1964 Gelman - ZWeig giả thuyết hạt ađrôn cấu tạo ba hạt "cơ bản" gọi chung hạt quark tên cụ thể u, d s (các phản hạt chúng ũ, d s') Các hạt quark có spin J = — đăc biệt chứng có điện tích phân số cùa điện tích nguyên tố e ; 240 B ả n g sau đ ây c h o biết g iá trị c ủ a spin J , đ iện tíc h Q (tín h t h e o đ n vị b ằ n g e ) , số b ariô n B v s ố lạ s ba hạt q u a rk u, d, s c ù n g v i c c đối hạt c ủ a c h ú n g Quark J Q B s u ỉ 2 3 d s ũ d ¥ ỉ 1 3 1 í 3 2 3 -1 1 3 ỉ 3 0 • Cấu tạo quark số ađrơn tóm tắt bảng sau : B s uss ; d ss -2 uds uus ; uds ; dds -1 + ;0 ;- l p ; n uud ; udd 1 ;0 K~ ; K° us ; ds tổ hựp c ủ a -1 -1 ;0 ũu , d d , s's 0 ud ; ũ d 0 ;- i u¥ ; đ i’ 1 ;0 H ạt • Nể , w pi4 w A ; r ; z“ V o TÌ^ ; 71 6- VLĐCT3-P1 C ấu tạ o Q ;- l 241 Giả thuyết cấu tạo quark ađrơn giải thích nhiều kết phù hợp với thực nghiệm ; đặc biệt tiên đốn tồn hạt 1Í2 ; hạt thực nghiệm tìm sau năm với đặc trưng vật lí phù hợp với tính tốn lí thuyết Năm 1969 xuất giả thuyết cho phải tồn hạt quark thứ tư, kí hiệu c : hạt mang tính chất vật lí đặc trưng số Iưọmg tử gọi số ''duyên" c (chartn) Hạt quark J Q B c 2 3 C 3 s c -1 Giả thuyết hạt quark c giải thích phát số hạt sơ cấp, đặc biệt ađrơn siêu nặng tìm năm 1975 : chúng có cấ u tạ o quark CC c c h ạt \|/ Nãm 1977 lại xuất giả thuyết cho phải tồn hạt quark thứ năm, kí hiệu b : hạt mang tính chất vật lí đặc trưng số lượng tử gọi số "đẹp" b (beauty) bottom) Hạt quark b b J 2 Q B 1 3 1 3 s C b 0 0 -I Giả thuyết tồn hạt quark b chứng minh,khi người ta tìm hạt sơ cấp Y (upsilon), hạt nặng có cấu tạo bb Hiện nhà vật lí thừa nhận tồn hạt quark thứ sáu 242 hạt t (top) tương ứng với hạt leptơn nói mục sau Năm 1994 (một số nhà vật lí trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (C ER N ) thơng báo tìm thấy hạt quark t (trong máy gia tốc Tevatron : m, = 1746eV /cl * CÁC LEPTÔN Trong năm 30 kỉ XX người ta mói biết có hạt leptơn êlectrơn e ; mêdơn ; ncrtrinơ V Sau phát tồn hai hạt nơtrinô khác Vg tương ứng với hạt êlectrôn e tương ứng với hạt mêdôn Vào khoảng năm 80, người ta tìm hạt leptơn nặng, hạt T , khối lượng 17 lần khối lượng hạt lĩiêdôn |X Và người ta thừa nhận phải tồn hạt nortrinơ thứ ba Vt tương ứng vói hạt T Như có hạt leptơn xếp thành cặp tương ứng e v^; T Vx- §9.6 SỰTHỐNG NHẤT v ĩ ĐẠI CỦA CÁC TƯƠNG TÁC Trong số tương tác hạt sơ cấp (mạnh, điện từ, yếu, hấp dẫn), tương tác điện từ đựợc nghiên cứu từ lâu đến 243 1- hình thàíih lí thuyết hồn chỉnh phù hợp với thực ụghiệm cách tuyệt vòi Ví dụ tính tốn mơmen từ dị thường electrón, điện động lực học lượĩìg tử (lí thuyết tương tác điện từ) tìm kết í' ịi = ( ì ì 59 652 359 ± ) 10 -12 kết thực nghiệm |L I = ( 1 652 410 ±200) lo' 12 Theo điện động lực học lượng tử, tương tác điện từ tương tác không trực tiếp : hai hạt tích điện (đứng yên hay chuyển động) tương tác điện từ với thông qua trao đổi phôton Hạt phôton gọi lượng tử trường điện từ (hay gọi hạt trường tương tác điện từ) Những tính tốn ỉí thuyết kiện thực nghiệm chứng tỏ nhiều trường hợp, bốn tương tác nói có thể giống Đặc biệt người ta chứng minh giới hạn lượng cao bốn tương tác nói tiến đến giới hạn Về mặt lí thuyết diễn tả bốn tương tác hệ hình thức lí thuyết trường chuẩn (gauge) Yang “ MilL Nói cách khác thống bốn loại tương tác với : thổng gọi H.9-1 Tương tác hai electrón ĩhốĩìg vĩ đại, Theo lí thuyết này, tương tác tương tác không trực tiếp - có hạt trường tương ứng cá c bosoĩi 244 ;những hạt trường T irơ n g t c h ấp dẫn c ó hạt trư n g g r a v ito n Tương tác mạnh có hạt trườíig gkiơn Tương tác yếu có hạt trường w^, w~, z" ; (còn gọi boson trung gian) Nhà vật lí người Italía Carlo Rubbia với 148 cộng sự, sau năm cải tiến máy gia tốc CERN đạt tới lượng 540 GeV, đến 1983 thơng báo tìm boson trung gian Theo tính tốn lí thuyết khối lượng w~ vào cỡ 78GeV/c”, z° vào cỡ 89 GeV/c^ ; thực nghiệm cho kết (81 ± 5) GeV/c^ Việc tìm boson trung gian thắng lợi rực rỡ lí thuyết thống vĩ đại Và với việc táng không ngừng lượng máy gia tốc hạt, người ta hi vọng tiếp tục tìm chứng minh thực nghiệm lí thuyết Để kết thúc, tóm tắt sơ đồ cấu tạo vũ trụ sau : vật chất tổn hai dạng : hạt trường ; với dạng hạt có , hạt (theo ý nghĩa viên gạch tạo nên hạt khác), với dạng trưòmg có hạt tmyển tương tác : 245 Hạt Trường (tương tác) lepton quark ỉoại hạt irường hạt u m 5M e V /c^ Q hạt m Q hấp dẫn graviton < eV /c' 0,511 Me v /c ' -1 yếu w",w ,z° < M e V /c ' điện từ phôton mạnh gluôn lOM eV/c^ 150oM ^ C M e V /c ^ G e V /c^ M e V /c' < M e V /c ' 0 M e V /c ' I M e V /c' Sơ đồ cấu tạo gọi mẫu chuẩn hay mơ hình chuẩn cấu tạo vật chất (standard model) Ngày mơ hình chuẩn đa số nhà vât lí thừa nhân 246 Mực LỤC « ♦ Trafig A QƯANG HỌC Chương ỉ Cơ sở quang hình học Các đại ỉượng trắc quang Trang B VẬT LÍ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN Chươỉìg ổ Cơ học lượng tử 116 § í Các định luật quang hình học §6.1 Tính sóng hạt vật chất giới vi mơ 116 § 1.2, Những phát biểu tương đưcmg định luậtĐềcác 10 §6.2 Hộ thức bất định Haidenbec 121 125 § l Các đại lượng trắc quang 15 §6.3 Hàm sóng ý nghĩa thống kê Chương Cơ sở quang học sóng 19 §6.4 Hiưcmg trình học ỉượng tử 130 §2 l Cơ sở cùa quang học sóng 19 §6.5 úhg đụng 132 §2.2 Hiện tượng giao thoa hai sóng ánh sáng kết hợp 21 §6.6 Hệ hình ứiức ĩốn cùa học iượngtử 142 §2.3 Hiện tượng giao thoa phản xạ 28 Chương Vật lí nguyẻn tử 150 §2,4 Giao thoa gây mỏng 31 §7.1 Ngun tử hiđrơ 151 §2.5 ứig đụng tượng giao thoa §7.2 Nguyên tử kim loại kiềm 162 §2.6 Toan 38 45 Chương Nhiài xạ ánh sáng 54 §3 ỉ - Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng §3.2 Nhiễu xạ gây sóng cầu 54 55 §3.3 Nhiễu xạ gây sóng phẳng Giao thoa ỏnh sỏng y' ' Đ7.3 Mụmen ng lng mômen từ êiectrôn chuyển động xung quanh hạt nhân ỉ 66 §7.4 %>in êlectrơn 170 176 63 §7.5 Khái niêm hệ thống tuần hoàn cùa Menđêlêep §3.4 Năng suất phân ii dụng cụ quang học 74 §7,6 Hệ hạt đồng 179 Chương Vật lí hạt nhân 180 Chương Phân cực ánh sáng 76 181 §4.1 Ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực 77 §8.1 Những tính chất hạt nhân ngun tử §8.2 Hiện tượng phóng xạ 193 §4.2 Phân cực ánh sáng phản xạ khúc xạ 81 §8.3 Các phương pháp gia tốc hạt 206 §8.4 Tương tác hạt nhân §4.3 ttiân cực ỉtĩỡng chiết 82 §8.5 Sự vỡ hạt nhân phản ứng dây chuyền 210 212 §4,4 Các loại kính phân cực 89 221 §4.5 Ánh sáng jrfỉân cực elip phân cực tròn 91 §8.6 Phản ứng nhiệt hạch nâng lượng nhiệt hạeh Chương Hạt sơ cấp 227 §4.6 Lưõíng chiết nhân tạo 95 §9.1 Những đặc ừimg hạt sơcấịp 228 §4.7 Sự quay mât phẳng phân cực 99 §9.2 Phân loại hạt sơ cấp 233 Chương Quang học lượng tử 235 §5.1 Bức xạ nhiệt 100 §9.3 Tương tác hạt sơ cấp ỈOO §9.4 Các hạt quark §5.2 Thuyết iượng từ Pìăng i04 §9.5 Các lepton 243 §5.3 Thuyết phơton Anhxtanh Ỵ07 §9.6 Sựthốhg nháầ vĩ đại củacác tiítmg tác 243 240 247 ... nghĩalà quang lộ hai mặt trực giao §1.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Các đại lượng trắc quang đại lượng dùng kĩ thuật đo lường ánh sáng Sau ta nghiên cứu số đại lượng Quang thơng Ta biết ánh sáng... sáng tổng c c dao động sáng thành phân Nguyên lí ứng dụng để nghiên cứu tượng giao thoa nhiễu xạ Ngun lí Huyghen Vì ánh sáng có chất sóng nên tn theo ngun lí Huyghen^*^: điểm nhận sóng ánh sáng... h) Định lí Maluyt : Nghiên cứu truyền ánh sáng, Maluyt phát biểu định lí sau : Quang ỉộ cùa cá c tia sáng hai mặt trực giao chùm sáng Xuất phát từ định luật Đ các, ta chứng minh định lí Maluyt