IV.1 Khái niệm:
Positron là phản hạt của electron với khối lượng và spin bằng khối lượng và spin của electron, nhưng có điện tích trái dấu với electron.
Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện trong thế giới các hạt vi mô. Trong chân không, positron tồn tại rất lâu với thời gian sống cỡ 4,3×1023
năm, tuy nhiên trong môi trường, nó lại có thời gian sống khá ngắn do bị hủy cặp gần như tức thời với electron của môi trường.
Có thể coi positron có 3 tương tác chính:
• Tán xạ với hạt mang điện nói chung. • Tạo muon μ.
• Hủy cặp với electrron để tạo ra cặp lượng tử gamma bay ngược chiều nhau.
IV.2 Phát hiện ra positron:
Vào năm 1928, khi giải bài toán cơ học lượng tử về sự vận động của electron, ở P.Đirắc đã nảy sinh một ý tưởng vĩ
đại. Theo ông, thuyết lượng tử và thuyết tương đối - hai cơ sở lớn của vật lý học hiện đại, trong bản chất của nó, phải ăn nhập với nhau, phải hài hòa với nhau, chí ít thì cũng phải không mâu thuẫn với nhau. Từ ý tưởng này, P.Đirắc đã mở rộng phương trình lượng tử của electron để có thể áp dụng cho cả những hạt vận động với tốc độ lớn, những hạt có spin 1/2.
P.Đirắc đã tìm ra một phương trình hoàn mỹ, một phương trình trong khi thỏa mãn những yêu cầu của bản thân cơ học lượng tử đã đồng thời thỏa mãn một cách trọn vẹn những yêu cầu của thuyết tương đối hẹp do A.Einstein phát hiện 1905). Phương trình này về sau mang tên ông phương trình P.Đirắc.
Trước khi có phương trình P.Đirắc, trong vật lý học vi mô người ta không thể hiểu được tại sao electron lại khác với chính nó khi nó được quay đủ trọn một vòng, còn khi quay hai vòng (2 x 360o) thì trạng thái ban đầu của nó mới được thiết lập trở lại. Hiện tượng này (spin l/2) hóa ra được mô tả chính xác trong phương trình P.Đirắc.
Phương trình Pđirắc có hai nghiệm, tức là sự vận động của những hạt có spin ½ phải chấp nhận hai đáp án. Một nghiệm tương ứng hoàn toàn với
electron mà người ta đã biết. Còn nghiệm kia tương ứng với một hạt mang năng lượng âm.
Vào cuối những năm 20 của thế kỉ XX, việc tưởng tượng có một loại electron mang năng lượng âm là điều cực kỳ khó hiểu, thậm chí điên rồ. Bởi lẽ, nếu có tồn tại năng lượng âm, vật chất sẽ phải sụp đổ ngược với chiều bình thường. Hơn thế nữa, nếu hạt có năng lượng âm thì sóng của nó cũng phải có tần số âm. Điều này có nghĩa là hạt mang năng lượng âm sẽ đi theo thời gian ngược: từ tương lai đến quá khứ, từ kết quả đến nguyên nhân...
Không chịu khuất phục trước các mâu thuẫn đó, P.Đirắc vẫn tìm cách hiểu đúng thế giới vi mô qua phương trình của mình. Ông giải thích hiện tượng năng lượng âm theo cách khác: Hạt có năng lượng âm sẽ là một hạt khác tương đương với hạt có cùng khối lượng, nhưng mang điện tích trái dấu. Đó là
electron có điện tích dương, chứ không phải có điện tích âm như vẫn được quan sát bằng thực nghiệm.
Như vậy, theo phương trình P.Đirắc, đối lập với electron là một hạt giống hệt nó về các đặc trưng nội tại - khối lượng, spin... chỉ có khác là mang điện tích trái dấu - hạt positron, nghĩa là, phương trình P.Đirắc đã dự báo về sự tồn tại của phản electron (positron sau này thường được gọi là phản electron).
Khái niệm phản hạt đã xuất hiện. Vấn đề chỉ còn là chứng minh sự tồn tại của positron bằng thực nghiệm.
ốn năm sau, khi quan sát những hiệu ứng từ sự va chạm của tia vũ trụ với các nguyên tử Pb, K.Andersơn, nhà vật lý học người Mỹ đã nhận thấy trên ảnh có dấu vết của một hạt lạ. Quỹ đạo của hạt này trong từ trường chứng tỏ là nó mang điện tích dương, nhưng có khối lượng và kích thước đúng bằng electron. Đây chính là positron hay phản electron.
B
Phản vật chất bắt đầu từ trí tưởng tượng của con người ở những năm 1930, về một loại "chất lạ" được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao để đấy những chiếc tàu không gian đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng.
Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đặt ra một vấn đề: rằng mọi hạt đều có "đối hạt" của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ có sự đối lập về mặt điện tích. Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, phản electron (còn được gọi là positron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất. Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một vũ trụ ảo tạo bởi các phản vật chất này.
Thực ra, positron phát sinh từ bức xạ vũ trụ. Khi va chạm với các nguyên tử của bầu khí quyển, nó đã chuyển hóa một phần năng lượng thành một cặp electron-positron, những phản hạt tự nhiên mà người ta quan sát thấy một cách ít ỏi đều là các sản phẩm phát sinh của những hạt vũ trụ.
• Sơ lược về positron:
• Positron (phản electron) Cấu trúc: Hạt sơ cấp Loại: hạt Fermion Nhóm: Lepton Lớp: Đầu tiên
Tương tác: Hấp dẫn, Điện từ, Yếu
Phản hạt: Electron
Lý thuyết: Paul Dirac, 1928
Thực nghiệm: Carl D. Anderson, 1932
Ký hiệu: β+, e+ Khối lượng: 9.1093826(16) × 10−31 kg 1⁄1836.15267261(85) u 0.510998918(44) MeV/c2 Điện tích: 1.602176462(63) × 10−19 C Spin: ½ Hình 4.2: Dấu vết của phản electron
IV.3 Ý nghĩa của việc phát hiện ra positron - phản hạt đầu tiên trong thế giới vi mô:
Trong thế giới vi mô, sự gặp nhau giữa các hạt và phàn hạt sẽ sinh ra hiện tượng hủy cặp: Các hạt và phản hạt sẽ ngay lập tức hủy nhau để tạo ra năng lượng hoặc tạo ra hạt mới. Chẳng hạn, một positron khi gặp electron sẽ sinh ra hai photon (e+ + e- → γ + γ). (Hình 4.3)
Hay các hạt proton khi gặp phàn proton sẽ sinh ra một số meson (p + p --> 2π+ + π- + π0) ... Đây là một đặc tính quan trọng của thế giới vi mô, một đặc tính có ý nghĩa đối với việc duy trì những đối xứng khách quan của thế giới vật chất.
Từ chỗ khám phá ra các phản hạt và về nguyên tắc, người ta biết rằng mỗi hạt đều có một phản hạt tương ứng, cho nên, lẽ đương nhiên, người ta phải đặt vấn đề : nếu các nguyên tử chỉ được tạo thành từ các hạt thì các phản hạt của nó (tồn tại ở đâu đó bên ngoài và đối xứng với các hạt) có thể kết hợp được với nhau - theo các quy luật mà các hạt đã kết hợp - để tạo ra các phản nguyên từ hay không?
Ngay từ khí phản electron được phát hiện năm 1932, sự hoàn hảo của lý thuyết P.Đirắc đã kích thích các nhà khoa học săn lùng phản nguyên tử. Rất nhiều máy gia tốc hạt đã được xây dựng ở các trung tâm nghiên cứu vật lý để
tiến hành cuộc săn lùng này. Và, người ta hy vọng rằng, nếu như thực nghiệm chứng minh được có sự tồn tại của phản nguyên tử, thì điều đó có nghĩa là, sự tồn tại của phản vật thể, phản sinh vật, phản hành tinh, phản vũ trụ... đã bước đầu được chứng minh. Nói một cách khác, nếu con người khám phá ra phản nguyên tử thì về mặt lý thuyết, người ta buộc phải công nhận có sự tồn tại của các phản vật thể trong sự đối xứng với các vật thể mà hàng ngày con người có thể nhận biết được qua các giác quan. Thật thú vị khi hình dung rằng, cùng với sự tồn tại của một trái táo hiện thực trước mặt chúng ta, còn có một phản trái táo ấy tồn tại ở đâu đó trong thế giới này. Và cho đến tháng 9/1995, cánh cửa đầu tiên của thế giới ấy, thế giới phản vật chất đã hé mở, loài người đã tạo ra được 9 phản nguyên tử đầu tiên.
THUẬT NGỮ
Big Bang: Điểm kỳ kị ban đầu của vũ trụ.
Bước sóng: Khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm sóng kề nhau. Chân trời sự kiện: Biên của lỗ đen.
Cơ học lượng tử: Lý thuyết phát triển từ nguyên lý lượng tử của Planck. Điện tích: Một tính chất của hạt đẩy (hoặc hút) một hạt khác có cùng (hoặc
khác) dấu điện tích.
Electron: Hạt mang điện tích âm quay chung quanh nguyên tử. Fermion: Các hạt có spin bán nguyên (1/2; 3/2…).
Hạt nhân: Hạt nằm ở trung tâm của nguyên tử, gồm notron và proton liên kết với nhau bởi tương tác mạnh.
Khối lượng: Lượng vật chất trong một vật thể, quán tính đối với gia tốc. Lepton: Các hạt nhẹ, chỉ chịu tác dụng của lực yếu.
Lỗ đen: Vùng của không-thời gian từ đó không có gì thoát ra khỏi được, kể cả ánh sáng vì hấp dẫn quá mạnh.
Lượng tử: Đơn vị không phân chia được trong bức xạ và hấp thụ các sóng. Máy gia tốc hạt: Thiết bị sử dụng các nam châm điện, có khả năng làm chuyển
động các hạt có điện tích, do đó chúng thu được năng lượng lớn hơn. Nguyên lý loại trừ Pauli: Chỉ có một hạt duy nhất có thể gán cho một trạng thái
lượng tử đã cho.
Nguyên tử: Đơn vị cơ sở của vật chất, gồm hạt nhân (cấu thành bởi notron và proton) có các electron chuyển động chung quanh.
Notron: Một hạt không có điện tích, nhiều tính chất rất giống proton, chiếm xấp xỉ một nửa số các hạt cấu thành nên hạt nhân nguyên tử.
Phản hạt: Mỗi một loại hạt có một phản hạt tương ứng. Mỗi hạt va chạm với phản hạt thì chúng hủy nhau và cho thoát ra năng lượng.
Phóng xạ: Quá trình chuyển biến tự phát của một hạt nhân nguyên tử này thành một hạt nhân khác.
Photon: Lượng tử của ánh sáng.
Positron: Phản hạt của electron, mang điện tích dương.
Proton: Hạt mang điện tích dương, chiếm xấp xỉ một nửa số trong các hạt cấu thành hạt nhân nguyên tử.
Spin: Một thuộc tính nội tại của các hạt cơ bản, gắn liền, song không đồng nhất với khái niệm quay thông thường.
Tia gamma: Sóng điện từ với bước sóng rất ngắn, phát sinh trong các quá trình phân rã phóng xạ, hoặc va chạm của các hạt cơ bản.
Tổng hợp hạt nhân: Quá trình trong đó hạt nhân chạm nhau, tổng hợp thành một hạt nhân duy nhất nặng hơn.
Từ trường: Trường của các lực từ, hiện nay đã thống nhất với điện trường thành điện-từ trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1) Thái Khắc Định (2007), Vật lý nguyên tử và hạt nhân, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh.
2) Trịnh Xuân Thuận (2008), Những con đường của ánh sáng, Nxb Trẻ, TP Hồ Chí Minh.
3) Camejo S.A. (2008), Thế giới lượng tử kỳ bí, Nxb Trẻ, TP Hồ Chí Minh. 4) Halliday D., Resnick R., Walker J. (2007), Cơ sở Vật lýTập 4:Điện học,
Tập 5: Điện học II, Tập 6:Quang học và vật lý lượng tử, Nxb Giáo dục.
5) Hawking S. (2008), Lược sử thời gian, Nxb Trẻ, TP Hồ Chí Minh. • Các trang Web: http://vi.wikipedia.org/wiki/Phản _vật_chất http://vi.wikipedia.org/wiki/Positron http://www.vatlyvietnam.org/home/modules.php? name=News&file=article&sid=69 http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:Electron-positron- annihilation.svg. http://dev.physicslab.org/Document.aspx? doctype=3&filename=AtomicNuclear_DavissonGermer.xml http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/quantum/bragg.html#c1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/quantum/davger2.html http://www.whfreeman.com/modphysics/PDF/3-1bw.pdf