1. Điện tớch :
Điện tớch của một hạt là một trong những thuộc tớnh cơ bản nhất của hạt. Đặc trưng cho tương tỏc điện từ giữa cỏc hạt. nú cú những tớnh chất đặc biệt sau:
+ Điện tớch tồn tại dưới 2 dạng mà từ lõu ta quen gọi là điện tớch õm và điện tớch dương. Nguyờn nhõn của sự tồn tại hai dạng điện tớch này cho đến nay vẫn chưa rừ. Nhưng cỏc nhà vật lý cho rằng hai dạng điện tớch là sự biểu hiện cỏc mặt đối lập của cựng một đặc tớnh nào đú của hạt, cũng như việc tồn tại “bờn trỏi” và “bờn phải” là sự biểu hiện cỏc mặt đối lập của tớnh đối xứng khụng gian.
Việc gọi điện tớch nào là điện tớch dương, điện tớch nào là điện tớch õm là thuộc về lịch sử. Nhưng điều quan trọng là trong vũ trụ phải tồn tại số lượng điện tớch dương bằng số lượng điện tớch õm. Bởi vỡ chớnh sự cõn bằng ấy là điều kiện tồn tại của vũ trụ
+ Tớnh chất đặc biệt thứ hai của điện tớch là cú định luật bảo toàn đối vơớ chỳng. Núi chớnh xỏc hơn là điện tớch của một vật hay một hện vật đặt cụ lập luụn luụn cú giỏ trị khụng đổi. Điều mà ta gọi là cụ lập ở đõy phải hiểu là biờn của vật hay hệ vật khụng tiếp xỳc với vật khỏc. Cũn bản thõn hệ vật vẫn cú thể trao đổi photon với bờn ngoài. Điều đú khụng làm thay đổi số lượng điện tớch của hệ vỡ photon khụng mang điện tớch.
Khi hệ trao đổi photon, trong hệ cú thể sinh ra một số hạt mang điện tớch cú dõu xỏc định nào đú. Nhưng khi đú thỡ thế nào cũng phải sinh ra cỏc hạt khỏc mang điện tớch cú dấu ngược lại sao cho tổng đại số cỏc điện tớch mới được sinh ra phải bằng khụng. Cho đến nay chưa cú một thớ nghiệm nào chứng tỏ rằng định luật bảo toàn điện tớch bị vi phạm.
+ Tớnh chất đặc biệt cuối cựng của điện tớch là tớnh chất “lượng tử hoỏ”. Rất nhiều thớ nghiệm đó chứng tỏ rằng trong tự nhiờn tồn tại một điện tớch nhỏ nhất cú giỏ trị nhất định gọi là điện tớch nguyờn tố.
Điện tớch của một hạt bao giờ cũng cú trị số là bội của điện tớch nguyờn tố. điện tớch của electron ( về trị số ), điện tớch của proton bằng điện tớch nguyờn tố. Điện tớch của hạt α gấp hai lần điện tớch nguyờn tố.
Vậy trong tự nhiờn điện tớch chỉ tồn tại dưới dạng những lượng rời rạc nhất định ( lượng tử ) chứ khụng biến thiờn liờn tục.
2. Định luật bảo toàn điện tớch:
+ Nội dung : ở một hệ cụ lập về điện, nghĩa là hệ khụng trao đổi điện tớch với cỏc hệ khỏc, thỡ tổng đại số cỏc điện tớch trong hệ là một hằng số.
Xột một vật dẫn cú dũng điện. Vẽ tưởng tượng một mặt kớn S trong vật dẫn đú và xột tớch phõn
S
jdS
∫ r r
ẹ
Tớch phõn này cho biết điện lượng di chuyển qua mặt kớn S trong một đơn vị thời gian. Vỡ vậy nếu gọi q là điện tớch chứa trong mặt kớn S thỡ do định luật bảo toàn điện tớch ta cú thể viết :
nr γr nr 2 dS 1 dS rj S
S dq dq jdS dt = ∫ r r ẹ
Theo quy ước về cỏch vẽ đường phỏp tuyến ngoài đối với một mặt kớn. Từ hỡnh vẽ ta thấy :
1 0
jdSr <
r
cũn rjdSr2 >0. Mặt khỏc từ hỡnh vẽ ta thấy dS1dũng điện (điện tớch dương) đi vào trong mặt S cũn qua dS2dũng điện đi qua khỏi mặt đú.
Vỡ vậy căn cứ vào dấu của
S
jdS
∫ r r
ẹ ta cú thể biết được chiều biến thiờn của điện tớch q bờn trong mặt kớn S. Nếu 0
S
jdS <
∫ r r
ẹ thỡ điện lượng đi vào lớn hơn điện lượng đi ra khỏi mặt S, do đú q tăng, dq 0 dt > , ngược lại 0 S jdS > ∫ r r ẹ thỡ dq 0 dt < . Vỡ vậy ta cú thể viết : S dq jdS dt = − ∫ r r ẹ
Nhớ lại cụng thức biển đụi tớch phõn theo mặt kớn thành tớch phõn theo thể tớch ta cú thể
viết: S V jdS = divjdV ∫ r r ∫ r ẹ Mặt khỏc gọi ρ là mật độ điện tớch thỡ q=∫ρdV Và dq d dV dt dt ρ =∫ . Do đú ta cú V d divjdV dV dt ρ = − ∫ r ∫ Suy ra divj d 0 dt ρ + = r
Phương trỡnh vừa viết là cỏch diễn tả định luật bảo toàn điện tớch. Trong trường hợp dũng điện khụng đổi ( dũng dừng) thỡ d 0
Phương trỡnh divjr=0cú nghĩa là qua mặt kớn S bất kỡ trong mụi trường dẫn điện cú dũng dừng, trong mỗi khoảng thời gian ∆tbất kỡ, điện lượng đi vào mặt S bằng điện lượng đi ra khỏi mặt đú.
3. Định luật bảo toàn điện trong phản ứng hạt nhõn: Sự bảo toàn điện tớch đó được kiểm định chặt chẽ vơớ cỏc vật lớn tớch điện và cả với cỏc nguyờn tử, hạt nhõn và cỏc hạt cơ bản, kiểm định chặt chẽ vơớ cỏc vật lớn tớch điện và cả với cỏc nguyờn tử, hạt nhõn và cỏc hạt cơ bản, chưa thấy ngoại lệ nào, như vậy ta thờm điện tớch vào danh sỏch cỏc đại lượng ( bao gồm năng lượng, động lượng và mụmen động lượng) tuõn theo định luật bảo toàn.
Giả sử cú phản ứng : 1 2 3 4 1 2 3 4
A
A A A
Z A+Z B= Z C+Z D.
Điều kiện để phản ứng xảy ra là phải tuõn theo định luật bảo toàn điện tớch: 1 2 3 4
Z +Z =Z +Z ( Cỏc số Z cú thể õm )
Như vậy tất cả cỏc phản ứng hạt nhõn phải tuõn theo định luật bảo toàn điện tớch tức là :
Điện tớch tổng cộng trong vế trỏi và trong vế phải của phương trỡnh phản ứng phải bằng nhau.
Sự phõn ró phúng xạ của hạt nhõn trong đú một hạt nhõn biến đổi một cỏch tự phỏt thành một loại hạt nhõn khỏc cho ta nhiều vớ dụ về định luật bảo toàn điện tớch ở mức độ hạt nhõn. chẳng hạn Uran 238 được tỡm thấy trong quặng Uran cú thể phõn ró bằng cỏch phỏt ra một hạt α và chuyển thành 234Th :
238U →234Th+4He( phõn ró phúng xạ )
Nguyờn tử số Z của hạt nhõn 238U mẹ bằng 92 cho ta biết hạt nhõn đú chứa 92 proton và cú điện tớch 92e. Hạt α được phỏt ra cú Z = 2 và hạt nhõn ion 234Th cú Z = 90. Như vậy lượng điện tớch 92e trước khi phõn ró bằng tổng điện tớch sau khi phõn ró 90e+2e. Điện tớch được bảo toàn.
Vớ dụ khỏc về bảo toàn điện tớch xuất hiện như một ecletron e- ( cú điện tớch bằng –e ) và phản hạt của nú pozitron e+ ( cú điện tớch bằng +e) thực hiện quỏ trỡnh huỷ trong đú chỳng chuyển thành cỏc tia γ ( những hạt ỏnh sỏng khụng cú điện tớch, cú năng lượng cao ) :
e−+ → +e+ γ γ ( sự huỷ )
Khi ỏp dụng nguyờn tắc bảo toàn điện tớch ta phải cộng đại số cỏc điện tớch, phải chỳ ý dấu của chỳng. Trong quỏ trỡnh huỷ ở trờn khi đú điện tớch thực của hệ bằng 0 cả trước và sau quỏ trỡnh. Điện tớch được bảo toàn.
Trong sự tạo cặp, ngược với sự huỷ, điện tớch cũng đựơc bảo toàn. Trong quỏ trỡnh nay tia γ chuyển thành một eclectron và một pozitron.
e e
γ → ++ − ( tạo cặp )
4. Điều gỡ sẽ xảy ra nếu định luật bảo toàn điện tớch khụng nghiệm đỳng ??!
Đú sẽ là thảm hoạ của loài người bởi vỡ :
+ Nếu điện tớch khụng được bảo toàn, lý thuyết Maxwell về điện và từ hiện nay khụng được cụng nhận, sẽ khụng cũn ý nghĩa nữa.
+ Mật độ trung bỡnh điện tớch bằng khụng trong khắp vũ trụ. Nếu như mặt trời và quả đất cú điện tớch dương lớn hơn điện tớch õm là 10-31 lần thỡ đú sẽ là thảm hoạ vỡ khi đú lực đẩy giữa chỳng sẽ lớn hơn rất nhiều lực hấp dẫn.
+ Nếu vũ trụ là kớn thỡ điện tớch toàn phần của vũ trụ bằng khụng vỡ nếu khụng như vậy thỡ cỏc đường sức điện sẽ quấn quanh vũ trụ tạo nờn một điện trường vụ hạn.
+ Và cũn rất nhiều định luật bảo toàn khỏc khụng cũn ý nghĩa nếu định luật bảo toàn điện tớch khụng cũn được nghiệm đỳng
Định luật bảo toàn điện tớch là một trong những định luật bảo toàn đỳng và chớnh xỏc nhất trong tự nhiờn để tạo nờn thế cõn bằng trong vũ trụ.