Lịch sử vật lý hạt nhân từ năm 1932 đến năm 1983 qua nghiên cứu tương tác nucleon nucleon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỊCH SỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN TỪ NĂM 1932 ĐẾN NĂM 1983 QUA NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON NUCLEON Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư Ngành: Sư Phạm Vật lý Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Minh Lộc TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỊCH SỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN TỪ NĂM 1932 ĐẾN NĂM 1983 QUA NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON NUCLEON Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư Ngành: Sư Phạm Vật lý Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Minh Lộc TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020 CHỮ KÍ XÁC NHẬN Cán phản biện Cán hướng dẫn TS Nguyễn Văn Hoa TS Bùi Minh Lộc LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp hoàn thành với nỗ lực từ thân, với giúp đỡ, động viên thầy, gia đình bạn bè Lời đầu tiên, xin chân thành cám ơn TS Bùi Minh Lộc, cám ơn Thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, có ý tưởng để ln trợ giúp cho tơi hồn thành tốt khóa luận Nhờ Thầy mà biết thêm nhiều kiến thức, kĩ trình giảng dạy nỗ lực tìm hiểu nhiều để nâng cao lực Cảm ơn gia đình, bạn bè, người ln động viên, khuyến khích hỗ trợ, giúp đỡ tơi tơi gặp khó khăn q trình thực khóa luận Một lần nữa, xin gửi đến tất người lòng biết ơn chân thành sâu sắc Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Bích Thư MỤC LỤC Bảng CÁC SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊ CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983 A MỞ ĐẦU I.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN 1.1 Khởi đầu lĩnh vực VLHN (từ nh 1.2 Thí nghiệm Rutherford (1909) CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON 2.1 Deuteron - Người anh em Hydro 2.1.1 Nucleon 2.1.1.1 Proton 2.1.1.2 James Chadwick hạt 2.1.2 Thuyết Yukawa tương tác hạt nhân 2.1.2.1 Hideki Yukawa 2.1.2.2 Lý thuyết Yukawa 2.2 Tán xạ NN 2.3 Quark 2.3.1 Gell – Mann: Cha đẻ mơ hình hạt quark 2.3.2 Quark CHƯƠNG 3: LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEO 3.1 Tương tác Skyrme 3.1.1 Tony Skyrme 36 3.1.2 Tương tác Skyrme 38 3.2 Lực Migdal 39 3.2.1 Arkady Migdal 39 3.2.2 Lực Migdal 41 3.3 Tương tác Gogny 44 3.3.1 Daniel Marc Gogny 44 3.3.2 Tương tác Gogny 45 3.4 Tương tác bề mặt delta 45 3.5 Xác định tương tác hiệu dụng thực nghiệm 46 3.6 Kết luận 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 PHỤ LỤC 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC BẢNG Bảng Các kiện bật vật lý hạt nhân nghiên cứu tương tác nucleon – nucleon từ 1932 – 1983 Bảng 2.1 Các tính chất deuteron 22 Bảng 2.2 Phân loại quark 34 Bang 3.1 Các tham số lực Gogny 45 DANH MỤC HÌNH ẢNH 1.1 Nhà triết học Democritus 12 1.2 Henri Becquerel (1852 – 1908) 13 1.3 Một ảnh thực Henri Becquerel cho thấy ảnh hưởng việc tiếp xúc với phóng xạ 14 1.4 Vợ chồng Marie – Pierre Curie 15 1.5 Ernest Rutherford (1871 – 1937) thí nghiệm tán xạ hạt alpha 17 2.1 Harold Clayton Urey (1893-1981) 20 2.2 Ba đồng vị Hydro: Hyrogen, Deuterium, Tritium 21 2.3 Niels Bohr (1885 – 1962) 24 2.4 James Chadwick (1891 – 1974) 24 2.5 Hideki Yukawa (1907 – 1981) 26 2.6 Carl David Anderson (1905 – 1991) 28 2.7 Cecil Frank Powel (1903 – 1969) 28 2.8 Giản đồ minh họa tương tác NN lý thuyết Yukawa 29 2.9 Giản đồ Feynman 30 2.10 Gell – Mann (1929 – 2019) 33 2.11 Cấu trúc quark meson baryon 35 2.12 Cấu trúc quark proton neutron 35 3.1 Tony Hilton Skyrme (1922 – 1987) 36 3.2 Arkady Migdal 39 3.3 Daniel Marc Gogny 44 3.4 Steven A Moszkowski 46 Bảng CÁC SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983 NĂM 1932 1935 1947 1964 1974 1977 1983 A I MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật lý Hạt nhân (VLHN) có tảng với bước phát hiện tượng phóng xạ vào năm 1896 hay thí nghiệm Rutherford Tuy nhiên đến Chadwick tìm neutron vào năm 1932, thành phần hạt nhân hiểu rõ Các cơng trình Cơ học lượng tử ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân Trong vòng 50 năm tiếp theo, phát triển VLHN đóng vai trị then chốt phát triển vật lý đại, góp phần tìm hạt (muon, pion, …) VLHN có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt y học hạt nhân, ví dụ hình ảnh cộng hưởng từ, … Ngay từ ban đầu, tương tác nucleon – nucleon (NN) trở thành vấn đề quan tâm nghiên cứu hàng đầu Khác với tương tác điện từ xây dựng từ nguyên lý ban đầu lý thuyết điện động lực học lượng tử, tương tác AN đối tượng nghiên cứu phức tạp Hơn nucleon hạt mà trạng thái cân lượng tử quark gluon Sự hiểu biết tương tác NN định thành công nghiên cứu VLHN Hiện nay, Việt Nam, có giáo trình phục vụ cho việc dạy học lịch sử ngành Vật lý, đó, “Lịch sử Vật lý” Thạc sĩ Nguyễn Thị Thếp giáo trình sử dụng phổ biến trường Đại học có nội dung tương đối đầy đủ xác tóm tắt kiện từ thời Vật lý cổ đại đến năm đầu Vật lý đại ngành Cơ, Nhiệt, Điện, Quang Tuy vậy, phát triển Vật lý học sau đời thuyết tương đối thuyết lượng tử tóm gọn cách sơ lược trang cuối sách, đó, VLHN đề cập vài thành tựu định kết thúc lý thuyết quark Gell Mann vào năm 1963 (trang 198) Bên cạnh đó, có thật khơng thể phủ nhận, phận sinh viên chuyên ngành Vật lý lại thiếu đam mê việc học môn Vật lý, làm ảnh hưởng đến trình tiếp thu kiến thức, hệ sinh viên bị điểm kém, làm cho bạn khơng cịn động lực để học Vật lý Cách giải hiệu lúc cho sinh viên tiếp xúc với Vật lý thông qua lịch sử Lịch sử Vật lý giúp sinh viên bổ sung kiến thức thiếu hệ thống lại kiến thức rời rạc Tương tự, lịch sử VLHN đem lại tích cực cho sinh viên Khi tìm hiểu VLHN thơng qua kiện nhân vật 10 không gian tọa độ Mặt khác, hỗn hợp trao đổi isospin spin amd quan trọng Chúng khác lực hạt-hạt lực hạt-lỗ: V0 tham số cường độ phải điều chỉnh theo không gian cấu hình (ví dụ: 208 vùng Pb , V0 độ tương tác khác bên bên hạt nhân độ khuếch tán bề mặt hạt nhân phụ thuộc mật độ tuyến tính số f, f ' (3.11) f f Trong (r) có dạng phân phối Fermi (3.12) Các tham số bổ sung R a đại diện cho bán kính độ khuếch tán tương ứng hạt nhân Trái ngược với tính tốn Hartree-Fork với tương tác phụ thuộc mật độ, mật độ không điều chỉnh tự ổn định Do đó, lực Migdal vi phạm tính bất biến tịnh tiến Tất nhiên, điều khơng có nhược điểm, quy trình tái chuẩn hóa kết nối chặt chẽ với tiềm hạt đơn bên dưới, vi phạm invariacne tịnh tiến Trong thực tế, lựa chọn thích hợp tương tác dư hiệu khơi phục tính bất biến Từ điều kiện này, người ta suy quan hệ bổ sung tham số f, f ', g, g' Lực Migdal sử dụng rộng rãi để tính tốn rung động tập thể mức thấp hạt nhân khuôn khổ xấp xỉ pha ngẫu nhiên Các điện tích hiệu gây rung động cung cấp lượng liệu thực nghiệm khổng lồ để điều chỉnh sáu tham số f in , f ex , f 'in , f 'ex g, g’ cho lực hạt lỗ hạt vịng hạt tìm thấy: f in 0, 0685; f' ex 0, 465 : f 'in g 0, 3315; 0, 575; f ex 2,165; g ' 0, 725 Điều quan trọng cần lưu ý lực ph hiệu dụng mà không cần phải khử đối xứng Nó cho thấy sức hút mạnh mẽ bên ngồi hạt nhân gần không bên hạt nhân 43 3.3 Tương tác Gogny 3.3.1 Daniel Marc Gogny Gogny sinh ngày 20 tháng năm 1938 Ông kể câu chuyện cách ông trở thành nhà vật lý hạt nhân lý thuyết theo cách Ơng ta nói ông ta đường phố Paris tình cờ gặp người bạn cũ, ơng ta nói “Dạo bạn làm vậy?” Daniel trả lời: “Khơng nhiều, có khơng?” Người bạn nói “Bây giờ, đăng ký vào trường đại học để trở thành nhà vật lý, bạn không tơi?” Daniel nói: “tại khơng nhỉ? Đằng tơi rảnh.” Đó cách bắt đầu Bốn mươi mốt năm sau, ông dành đời để làm việc cho Ủy ban Năng lượng nguyên tử Pháp, phát minh Lực lượng Gogny, Hình 3.3 Daniel Marc Gogny Nhà Vật lý người Pháp Nguồn: wikipedia sử dụng ngày Vào tháng năm 1991, ông nhận giải thưởng Prix Joliot-Curie cho phát minh đặt tên Chevalier dans l'Ordre de Palmes Academique, vào năm 1996 Năm 1999, ông trao giải thưởng khoa học hai năm lần Lazare Carnot, năm 2006 công nhận CEA (Ủy ban Năng lượng nguyên tử Pháp) cho thể cơng trình (hơn 40 năm) đóng góp cho tiến khoa học Pháp Năm 1998, ông CEA bổ nhiệm làm người liên lạc khoa học cho người Pháp Phịng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, ơng gia đình chuyển đến California từ Bordeaux, Pháp, nơi ông giám đốc Life Life cho Trung tâm khoa học Kỹ thuật công nghệ nhà hàng Le Barp, Pháp Gogny nghỉ hưu từ CEA năm 2004 tiếp tục cố vấn cho sinh viên tiến sĩ làm việc với cộng tác viên Walid Younes LLNL 11 năm Gogny thích bạn bè, khu vườn, mèo ly rượu vang nhỏ anh Ơng biết đến với đồ nướng, đặc biệt thịt cừu, ratatouille tình u anh bữa tiệc Daniel khơng đặt câu hỏi trách nhiệm nghĩa vụ 44 sống mà thực chúng cách lịch duyên dáng Ông hết lịng vợ Patricia trai Jordan, nhiều bạn bè, sinh viên đồng nghiệp Lễ kỷ niệm đời công việc Gogny tổ chức vào Thứ bảy, 27 tháng 6, lúc 11 sáng, Nhà thờ Trưởng lão Livermore, 2020 Đường số Livermore Hình 3.4 Steven A Nhà Vật lý ngư Nguồn: wikip phạm vi rộng trung bình tương tác hiệu dụng thực tế Đặc biệt, lực Skyrme khơng thể diễn tả xác liên kết thành cặp nguyên tử, vậy, năm 1975, Gogny thay t , t1 t hợp spin spin đồng vị (isospin) có iW0 ( )k (r1 r2 )k (3.13) t (1 P ) (r1 r2 ) 1/3 ( (r1 r2 )) Các tham số điều chỉnh để thích hợp với nguyên tố hữu hạn vật chất hạt nhân (bảng 3.1) i i (fm) Wi B i H M i (MeV) i 0,7 - 402,4 -100 - 496,2 - 23,56 W115 1,2 - 21,30 -11,77 37,27 - 68,81 t Bảng 3.1 Các tham số lực Gogny 3.4 Tương tác delta Giống tương tác Migdal, lực coi tương tác hiệu dụng hạt gần bề mặt Fermi Ý tưởng vật lý nucleon di chuyển gần độc lập phần bên 45 hạt nhân Trên thực tế, tương tác thặng dư Migdal yếu bên hạt nhân Hầu hết vụ va chạm xảy bề mặt hạt nhân nơi nguyên tắc Pauli tầm quan trọng nucleon cảm thấy tương tác hấp dẫn mạnh mẽ Hành vi lực bên bề mặt lần khơng quan trọng hàm sóng có phân rã theo cấp số nhân, nghĩa xác suất tìm thấy nucleon nhanh chóng Do đó, năm 1965, Green Moszkowski đưa phép tính gần có ý nghĩa để hạn chế tồn tương tác bề mặt hạt nhân để xác định gọi tương tác bề mặt delta: V(1, 2) V0 (r1 r2 ) ( r1 R ) (3.14) V0 phụ thuộc vào tọa độ spin isospin theo cách thơng thường Lực có tính chất hình học đơn giản Sử dụng mở rộng hàm đa thức Legendre r1 r2r1 r22l 1Pl (cos 12 ) r1r2l4 r R0 (3.15) Trong 12 cầu, có được: r1 R Y* lm r2 định lý bổ sung hàm điều hịa Ylm 2 Đây tổng vơ hạn rời rạc Trong sở hình cầu, phần tử ma trận kết hợp với động lượng góc tốt trở nên đơn giản cịn thuật ngữ tổng (3.16) Lực mơ hình áp dụng nhiều tính tốn Nó sử dụng lực Migdal lực lượng lực hiệu số hạt hóa trị Tuy nhiên, điều khơng có ý nghĩa để mở rộng khơng gian cấu hình hai lớp vỏ chính, trở thành trường hợp có mức có số lượng tử động lượng góc Do tích phân xuyên tâm xấp xỉ giá trị hàm sóng khơng có hủy bỏ hàm sóng với số lượng nút xuyên tâm khác Do đó, hạt mức độ cảm thấy tương tác mạnh mẽ phi vật lý 3.5 Xác định tương tác hiệu dụng thực nghiệm Do việc tạo tương tác hiệu từ lực NN trần phức tạp, số tác giả cố gắng xác định yếu tố ma trận lực NN sở định trực tiếp từ liệu thực nghiệm 46 James Phillip Elliott cộng sử dụng độ dịch pha thực nghiệm tán xạ NN để lấy phần tử ma trận tương tác hiệu trực tiếp sở dao động (lực Sussex) Bằng cách này, vấn đề lõi cứng tránh hoàn toàn John Douglas McCullen nhóm nghiên cứu xác định yếu tố ma trận từ 42 phổ Sc Nó chứa neutron m lượng góc l cung cấp lượng tương tác V(I) (3.17) B I, Trong B lượng liên kết thực nghiệm cấp độ với spin I trạng thái hạt nhân khác Schiffer Molinari thực điều tra tổng quát nhiều hạt nhân đơn giản với cấu hình túy nucleon nằm vỏ j1 nucleon cịn lại vỏ j2 Sự kết hợp động lượng góc tạo bội số với j1 j2 I j1 j2 Sự tương tác tạo phân chia bội số Thật thuận tiện vẽ V(I) so với I mà tỷ lệ không thứ nguyên V(I) / V hàm góc chồng chéo 12 V lượn trung bình tương tác hai hạt V 2I V(I)/ I 2I I Góc góc quỹ đạo cổ điển hai hạt nhân hóa trị (3.18) đo chồng chéo khơng gian hai hàm sóng (3.19) 3.6 Kết luận cặp hạt nhân Với khởi đầu QCD, rõ ràng tương tác NN Tuy nhiên, ngày nay, cách tiếp cận vấn đề cấu trúc hạt nhân, người ta cho hạt nhân hạt Thất bại thành cơng phương pháp sau dạy điều liên quan hạt nhân bậc tự Sự tương tác NN điều tra số lượng lớn nhà vật lý toàn giới 70 năm qua Nó phần tương tác mạnh biết đến tương tác mạnh; thực tế, khơng có mẫu khác lực mạnh, lượng liệu thực nghiệm tương đương tích lũy Nỗ lực lâu đời để giải thích chất lực hạt nhân Yukawa Theo lý thuyết ông, boson khổng lồ (meson) làm trung gian cho tương tác hai nucleon Mặc dù, ánh sáng QCD, lý thuyết meson khơng cịn coi nữa, khái niệm trao đổi meson tiếp tục đại diện cho mơ hình hoạt động tốt cho tiềm NN định lượng Trong lịch sử, trở thành nhiệm vụ quan trọng để mô tả lực hạt nhân tượng học, phải phần tư kỷ để đưa mơ hình bán định lượng - năm 1956 sử dụng ngày nhờ có tính đơn giản hóa tính tốn Kể từ đó, có tiến đáng kể thử nghiệm lý thuyết lực hạt nhân Hầu hết câu hỏi giải năm 1960 70, cho năm gần tập trung vào tinh tế lực đặc biệt Trong năm 1990, vấn đề liên quan đến tương tác NN là: Cải thiện phân tích dịch pha Dữ liệu NN có độ xác cao Tiềm NN có độ xác cao QCD lực hạt nhân Tán xạ NN lượng trung bình cao 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VLHN ngành nghiên cứu quan trọng tìm hiểu hạt nhân nguyên tử, trung tâm khả hiểu vũ trụ Nó cung cấp câu trả lời mở rộng kiến thức thực thể vô nhỏ lớn Chẳng hạn, học hạt nhân tồn kết tương tác tương đối đơn giản hạt hạ nguyên tử gọi quark gluon Và hạt tạo thành hệ thống phức tạp giúp chúng ta, giới vũ trụ hữu hình tồn Nhưng có nhiều điều để tìm hiểu hạt lực ảnh hưởng đến chúng Khi tìm hiểu hạt nhân nguyên tử lực chi phối nó, nhà khoa học phát triển kiến thức, kỹ thuật cơng cụ nghiên cứu sử dụng để phát triển nhiều ứng dụng thực tế Những ứng dụng bao gồm thiết bị cơng nghệ chẩn đốn trị liệu y tế, sản xuất thăm dị lượng, an tồn an ninh quốc gia, để phân tích vật liệu chất gây ô nhiễm môi trường VLHN ứng dụng thúc đẩy sức sống kinh tế chúng ta, làm cho giới sống an toàn lành mạnh Tuy nhiên, thấy rằng, VLHN chương trình dạy học sinh viên Sư phạm chưa nhận ý xứng đáng với vai trò thành tựu Đặc biệt, học phần “Lịch sử Vật lý”, dường VLHN đề cập đến phần nhỏ, phần Cơ, Nhiệt, Điện, Quang thể chi tiết giai đoạn cổ đại đến đại Tiến hành khảo sát 40 sinh viên Sư phạm Vật lý cho thấy  Vẫn có số sinh viên nhầm lẫn VLHN Vật lý nguyên tử hỏi mục đích nghiên cứu VLHN: 49  100% sinh viên khảo sát đến lý thuyết Yukawa tương tác hạt nhân, lý thuyết dấu mốc quan trọng trình phát triển VLHN, hỗ trợ nghiên cứu tương tác NN  Hơn 90% sinh viên khảo sát muốn tìm hiểu thêm lịch sử phát triển VLHN, chủ yếu lý do: Bản thân có niềm đam mê nghiên cứu Vật lý VLHN có ứng dụng ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống phát triển xã hội Muốn biết VLHN hình thành Việc tiếp cận với chuyên ngành thơng qua q trình đời, phát triển cách để khiến cho người học dễ dàng tiếp thu với kiến thức Trong trình học, sinh viên hiểu nhà khoa học truyền cảm hứng thông qua đời họ Từ đó, tạo động lực, niềm u thích việc học tập nghiên cứu mơn Vật lý 50 PHỤ LỤC BIỂU MẪU KHẢO SÁT SINH VIÊN 51 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Phúc (2007), Lịch sử Vật lý học, nhà xuất Giáo dục Ths Nguyễn Thị Thếp (2008), Lịch sử Vật lý, nhà xuất Đại học Sư phạm Peter Ring, Peter Schuck (1980), The Nuclear Many-Body problem, Springer-Verlag New York Inc Samuel S.M Wong (2004), Introductory Nuclear Physics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KgaA Đào Tiến Khoa (2010), Vật lý hạt nhân đại, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội Kenneth S Krane (1987), Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons Inc Florian Cajori (1962), History of Physics, Dover Publications 53 ... KHOA VẬT LÝ  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỊCH SỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN TỪ NĂM 1932 ĐẾN NĂM 1983 QUA NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON NUCLEON Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư Ngành: Sư Phạm Vật lý Giảng... SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983 NĂM 1932 1935 1947 1964 1974 1977 1983 A I MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật lý Hạt nhân (VLHN) có tảng... TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON Lực hạt nhân (hay tương tác nucleon với nucleon phần thặng dư lực tương tác mạnh) lực tương tác hai hay nhiều nucleon Nó nguyên nhân gây gắn kết proton neutron hạt nhân