Tương tác điện từ: Từ cổ điển đến lượng tử và ứng dụng trong chân không lượng tử

MỤC LỤC

Điện tích - Định luật bảo toàn điện tích

Nếu chúng ta cọ sát một thanh nhựa và một tấm da lông thú với nhau, cả hai ban đầu không mang điện, thì thanh nhựa sẽ nhận được điện tích âm (bởi vì nó lấy các electron từ tấm da lông thú) và tấm da nhận điện tích dương có cùng độ lớn (bởi vì nó đã mất số electron bằng số electron mà thanh nhựa đó nhận được). Điện tích không thể bị chia thành những lượng nhỏ hơn điện tích của một electron hay proton (các điện tích hạt quark, bằng ±1 / 3 và ±2 / 3 điện tích của electron, hầu như chắc chắn không thể. thấy được với tư cách là các điện tích đơn lẻ).

Hình trên chỉ ra hai thanh nhựa dẻo và một tấm da thú. Sau khi chúng ta tích   điện cho mỗi thanh nhựa bằng cách cọ sát nó với tấm da thú đó, thì chúng ta thấy   rằng các thanh nhựa đó sẽ đẩy nhau (hình b)
Hình trên chỉ ra hai thanh nhựa dẻo và một tấm da thú. Sau khi chúng ta tích điện cho mỗi thanh nhựa bằng cách cọ sát nó với tấm da thú đó, thì chúng ta thấy rằng các thanh nhựa đó sẽ đẩy nhau (hình b)

Tương tác giữa 2 điện tích điểm - Định luật Coulomb Như đã nói ở trên các vật có thể hút nhau có thể đẩy nhau, như vậy có một

Để khảo sát sự phụ thuộc này, Culomb đã chia một điện tích thành hai phần bằng nhau bằng cách đặt một vật dẫn hình cầu mang điện nhỏ tiếp xúc với một vật giống như vậy nhưng không mang điện; do tính chất đối xứng, điện tích được chia đều bằng nhau giữa hai quả cầu (lưu ý vai trò thiết yếu của định luật bảo toàn điện tích trong phương thức này). Ông đã thực hiện nhiều phép đo khác nhau và đã công bố kết quả của 3 lần đo, trong đó khi giữ các điện tích cùng dâu không đổi, và cho khoảng cách giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ: 36: 18: 8,5 thì lực đẩy giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ: 36: 144: 575, tức là lực đẩy giữa chúng gần đúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.

Điện trường và lực điện

Bởi vì điện tích điểm q sẽ chịu tác dụng một lực tại bất kỳ điểm nào ở lân cận A, điện trường mà A tạo ra đó tồn tại tại mọi điểm trong khoảng không gian xung quanh A. Một điện tích riêng rẽ tạo ra một điện trường trong khoảng không gian xung quanh, nhưng điện trường này không thể tác dụng một lực lên điện tích đã tạo ra nó; đây là nguyên lý chung một vật không thể tác dụng một lực lên chính nó.

Véctơ cường độ điện trường

Tương tự như vậy, chúng ta có thể nói rằng điện tích điểm q tạo ra một điện trường trong không gian quanh nó và điện trường này tác dụng lực −urF. Như vậy ta thấy rằng tồn tại một đại lượng không phụ thuộc vào điện tích thử đặt vào, đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực.

Năng lượng điện trường

Định luật Gauss thể hiện quan điểm tương tác gần, sở dĩ các điện tích tác dụng lực lên nhau được là nhờ một môi trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tích – đó là điện trường. Mãi đến năm 1820, Oersted, nhà vật lý người Đan Mạch phát hiện ra hiện tượng dòng điện đặt gần kim la bàn làm kim la bàn không chỉ theo hướng Bắc – Nam nữa mà bị lệch đi thì người ta mới biết rằng điện và từ có liên quan với nhau.

Từ tích - đơn cực từ

Nói cách khác tương tác giữa nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện, dòng điện với dòng điện cùng chung một bản chất. Tuy nhiên, với việc máy gia tốc hạt LHC đã được khởi động thì công cuộc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sáng sủa hơn bao giờ hết.

Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng Sau khi phát hiện ra tương tác giữa 2 dòng điện Ampere đặt vấn đề dựa vào thí

Tuy nhiên cho đến giờ phút này, đơn cực từ chỉ là một khái niệm trên lý thuyết.

Véctơ từ trường

Tổng hợp 3 kết quả trên ta rút ra bất kỳ một yếu tố dòng nào đặt trong từ trường đều chịu tác dụng lực từ Fur. Lực từ này luôn vuông góc với yếu tố dòng, vuông góc với phương đặc trưng và tỷ lệ với tích độ lớn yếu tố dòng và sinθ.

Nguyên lý chồng chất từ trường

Vectơ từ trường tại một điểm M trong từ trường do dòng điện gây ra bằng tổng hợp các véctơ từ trường do tất cả các yếu tố dòng điện gây ra tại điểm đó. Vectơ từ trường tại một điểm M trong từ trường do nhiều dòng điện gây ra bằng tổng hợp các véctơ cảm ứng từ do tất cả các dòng điện gây ra tại điểm đó.

Đường cảm ứng từ - định luật Gauss cho từ trường

Vì lí do đó cho nên có bao nhiêu đường sức từ chui vào mặt Gauss thì có bấy nhiêu đường sức từ chui ra mặt Gauss nên từ thông gửi qua mặt Guass bất kỳ luôn bằng không. Do đó định luật Gauss cho từ trường được phát biểu như sau: “ Từ thông gửi qua bất kỳ mặt kín nào cũng bằng không”.

Năng lượng từ trường

Như vậy năng lượng mà nguồn điện cung cấp một phần chuyển hóa thành nhiệt và một phần chuyển hóa thành dạng năng lượng khác xác định bởi biểu thức 1 2. Vì vậy, để tính năng lượng của một từ trường bất kỳ, ta chia không gian của từ trường đó thành những phần thể tích vô cùng nhỏ dV, sao cho trong thể tích ấy ta có thể coi cảm ứng từ Br không đổi.

Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường 1 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Vì mạch điện đứng yên, không biến dạng và chỉ có từ trường biến đổi theo thời gian, nên từ trường biến đổi theo thời gian đã gây ra sự biến đổi từ thông, vậy ta có thể kết luận rằng: từ trường biến đổi theo thời gian đã gây ra một điện trường. Nếu đường sức của điện trường này cũng hở như đường sức của điện trường tĩnh thì công của lực điện trường này dọc theo một đường cong kín sẽ bằng không và như vậy nó không thể làm cho các điện tích chuyển động theo đường cong kín để tạo nên dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

Điện trường biến thiên - nguồn sinh ra từ trường 1 Định luật Ampere về lưu thông từ trường

Mở rộng cho trường hợp một điện trường bất kỳ biến đổi theo thời gian, Maxwell đi tới giả thuyết tổng quát sau đây: Xét về phương diện sinh ra từ trường, thì bất kỳ điện trường nào biến đổi theo thời gian cũng giống như một dòng điện, gọi là dòng điện dịch, có véctơ mật độ dòng bằng Jd 0E. Với giả thuyết của Maxwell, tại một vị trí nào đó của môi trường, nếu đồng thời có dòng điện dẫn và dòng điện dịch, thì từ trường do cả dòng điện dẫn và dòng điện dịch gây ra, do đó Maxwell đã đưa ra khái niệm dòng điện toàn phần là tổng của dòng điện dẫn và dòng điện dịch.

Trường điện từ - môi trường vật chất

Lấy phương hướng dựa trên nguyên lý tác dụng gần của Faraday và lấy khái niệm trường làm cơ sở, Maxwell đã chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ: tại một điểm trong không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian đó phải xuất hiện điện trường xoáy và ngược lai, cứ như vậy điện từ trường luôn tồn tại đồng thời, chuyển hóa lẫn nhau và lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ. Trong suốt những năm 30 và 40 của thế kỷ XX, các nhà vật lý lý thuyết dưới sự dẫn dắt của Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Julian Schwinger, Freeman Dyson, Sin- Intiro Tomonaga, Feynman và nhiều người khác, đã nỗ lực không mệt mỏi để tìm ra một hình thức luận có khả năng mô tả được sự náo động của thế giới vi mô.

Phương án thí nghiệm

Nhờ một loạt những phát triển đầy mà đỉnh cao là giải thích thành công sự dịch chuyển Lamb họ đã cho ra đời điện động lực học lượng tử lý thuyết chính xác nhất trong số các lý thuyết đến tận ngày nay. Sự phá hủy các trạng thái nửa bề trong công trình của Lamb và Retherford đã đạt được bằng cách cho tác dụng bức xạ có tần số vô tuyến, bức xạ này cảm ứng những dời chuyển từ các trạng thái 2s1/2 về trạng thái 2p1/2.

Kết quả thí nghiệm

Để thu được các điều kiện cộng hưởng, người ta đã sử dụng hiệu ứng Zeeman tại các thành phần của cấu trúc tinh tế. Khi thay đổi từ trường, ta có thể thay đổi các đường cong biến thiên của các dòng electron đã cho.

Phân tích kết quả thí nghiệm

Các kết quả thu được của lý thuyết về độ dịch chuyển Lamb của các mức năng lượng của các mức năng lượng của các electron trong các nguyên tử đồng dạng hydro đã khai sinh ra lý thuyết điện từ mới đó là điện động lực học lượng tử. Như ta đã biết theo điện động lực học cổ điển, các electron khi chuyển động quanh hạt nhân trên các quỹ dạo có gia tốc sẽ bức xạ điện từ, năng lượng giảm iên tục nên cuối cùng rơi vào hạt nhân.

Chân không lượng tử 1 Chân không là gì ?

Tất nhiên thôi, nguyên lý bất định bảo ta nếu xung lượng |k| được xỏc định rừ rệt bao nhiờu thỡ vị trớ trong khụng gian |x| lại mơ hồ rối loạn bấy nhiêu, vậy năng lượng tối thiểu ε = (1/2)hν ≠ 0 chính là một thỏa hiệp tối ưu bình đẳng cho cả hai bên |k| và |x|. Tuy nhiên chính vì vô hướng, trung hòa lại có năng lượng vô hạn, nên cái chân không lượng tử mang ẩn dụ một hư vô mênh mang tĩnh lặng, từ đó do những kích thích nhiễu loạn của năng lượng mà vật chất được tạo thành để rồi chúng tương tác, biến đổi, phân rã rồi trở về với chân không, tiếp nối bao vòng tục lụy!.

Định nghĩa

Mặc dầu chân không là trạng thái không sao nắm bắt, chẳng cú cỏi nào của nú mà ta định lượng nổi, nhưng rừ ràng khỏc với hư không trong công nghệ, về mặt định tính ta có thể kể ba đặc trưng của chân không. Đối với các hạt tích điện cùng dấu, photon mang tới thông điệp bảo chúng “đi ra xa nhau”, trong khi đó đối với các hạt tích điện trái dấu, nó mang tới thông điệp “xích lại gần nhau”.

Tái chuẩn hóa

Thứ nhất, nó dựa vào việc chia 2 vế của một phương trình cho một đại lượng vô hạn, điều này trong trường học ta cũng biết là không được phép. Liệu có thể tìm được một lý thuyết mà những vô hạn tự triệt tiêu lẫn nhau không mà không cần phải sử dụng tái chuẩn hóa đây là câu hỏi lớn cho đến tận ngày nay cho các nhà vật lý lý thuyết.

Giải thích sự dịch chuyển Lamb

Nếu năng lượng của các dao động tử khác không, chúng ta sẽ đi đến kết luận rằng trong trường hợp không có photon, giá trị trung bình của các thăng giáng bằng không, tuy nhiên quanh giá trị không của trường có thể có những thăng giáng. Như vậy đối với các s-electron các lượng bổ chính chân không cho năng lượng lớn hơn lượng bổ chính đối với s-electron và dẫn đến sự tách mức năng lượng 2s1/2 và 2p1/2.

Moment từ dị thường của electron

Nếu giá trị trung bình các thăng giáng bằng không thì các giá trị của trung bình bình phương thăng giáng khác không. Nếu kí hiệu vị trí cân bằng là r, độ lệch là q thì giá trị tức thời của năng lượng có thể biểu diễn dưới dạng.

Hiệu ứng Casisir - lực xuất hiện từ chân không

Năm 1998, Mohideen và các cộng sự đã đưa ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới để đo lực Casimar sử dụng kính hiển vi nguyên tử lực (một loại kính hiển vi dùng để khảo sát bề mặt với độ phân giải cao). Qua quá trình nghiên cứu nhóm đã xây dựng được một bức tranh tổng quát về tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng từ, xây hoàn chỉnh các định luật định, định lý cơ bản của tương tác điện từ.