Hạt Kí hiệu Khới lượng nghỉ (𝑴𝒆𝑽/𝒄𝟐) Điện tích (𝒆) Thời gian tồn tại (𝒔) Pion dương 𝜋+ 139.6 +1 2.6 × 10−8 Pion âm (phản hạt của Pion dương) 𝜋− 139.6 -1 2.6 × 10−8
Pion trung hoà 𝜋0 135.0 0 0.84 × 10−6
2.2.4. Kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM)
Kính hiển vi là một thiết bị giúp con người có thể quan sát các vật dụng nhỏ mợt cách dễ dàng bằng cách phóng đại chúng lên nhiều lần. Có rất nhiều loại kính hiển vi, nhưng chúng ta có thể chia thành hai loại lớn như kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử. Mỗi loại kính đều có những nhược điểm và ưu điểm nhất định. Nên tuỳ vào mục đích làm việc, một số loại kính sẽ thích hợp, một số loại thì khơng khả thi. [6]
Kính hiển vi quang học là loại kính có cấu tạo gồm hệ kính hợi tụ - phân kì đặt cách nhau mợt cách hợp lí để có thể thu được hình ảnh phóng đại rõ nét. Đới với kính hiển vi quang học, các vật cần quan sát sẽ được rọi ánh sáng khả kiến lên, sau đó
chúng sẽ phản xạ ánh sáng qua các thấu kính, lúc này các thấu kính sẽ phóng đại ảnh của vật thơng qua ngun lí khúc xạ ánh sáng như hình 2.8. [6]
Hình 2.8. Sự tạo ảnh phóng đại qua kính hiển vi quang học.
(nguồn: https://tinyurl.com/y26tpoah )
Do kính hiển vi quang học dùng ánh sáng khả kiến nên độ phân giải khơng được cao và nó khơng được dùng để quan sát các vật có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng khả kiến. Nên các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo ra kính hiển vi điện tử, là mợt loại kính hiển vi dùng chùm tia điện tử (các hạt mang điện) với năng lượng lớn để nâng cao chất lượng của đợ phân giải so với kính hiển vi quang học. [7]
Xét mợt hạt điện tử chủn đợng với tớc đợ 𝑣 thì gắn với nó sẽ là mợt sóng vật chất với bước sóng được tính theo lí thút sóng de Broglie
𝜆 = ℎ 𝑝
hạt có năng lượng càng lớn tức đợng lượng càng lớn dẫn tới bước sóng của nó sẽ càng nhỏ, như vậy đợ phân giải của kính hiển vi điện tử sẽ tớt hơn nhiều so với kính hiển vi quang học.
đích thích hợp. Nhưng việc quan sát bề mặt bằng các kính hiển vi thông thường thường không cho ra được hình ảnh rõ nét. Do đó, các nhà khoa học đã dựa vào một vài kiến thức cơ học lượng tử để xây dựng nên kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử – một nghiên cứu được trao giải Nobel Vật lí vào năm 1986. [7]
Kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử tḥc loại kính hiển vi điện tử, hoạt động dựa trên hiệu ứng xuyên hầm lượng tử khi các hạt điện tử chuyển động qua rào thế giữa bề mặt vật liệu và đầu dò.
Kính quét xuyên hầm lượng tử có nhiều ưu điểm đáng kể như ảnh của kính tạo ra độ phân giải và chất lượng cao. Việc quét bề mặt mẫu bằng kính không nhất thiết phải phá huỷ mẫu. [7]
Tuy nhiên, do mẫu được dùng trong việc quét phải dẫn được điện (do phải cho dòng điện chạy qua). Bề mặt của mẫu phải siêu sạch và chống rung. Tốc độ ghi ảnh của kính vẫn còn rất thấp. Kính hiển vi xuyên hầm lượng tử chỉ có thể dùng để quan sát bề mặt chứ không thể quan sát được bên trong mẫu. [7]
2.2.5. Máy tính lượng tử
Máy tính là một công cụ đặc biệt quan trọng trong thế giới khoa học hiện nay. Việc tính toán các dữ liệu khoa học rất phức tạp, bản thân bộ não con người không thể nào tính toán nhanh, đầy đủ và chính xác được các dữ liệu đó. Khoa học càng tiến bộ, các vấn đề tính toán càng trở nên phức tạp hơn. Do đó, yêu cầu đặt ra trong giới khoa học là phải cố gắng cải thiện các siêu máy tính, nâng cấp các siêu máy tính để có thể làm việc nhanh hơn và lưu trữ các dữ liệu được nhiều hơn.
Kể từ khi cơ học lượng tử xuất hiện, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và cố gắng ứng dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử vào trong máy tính. Máy tính lượng tử là một trong những phát minh đang được giới khoa học quan tâm và được đánh giá là “bước nhảy vọt” của công nghệ thông tin thế kỉ XXI. [5]
“Máy tính lượng tử (còn gọi là siêu máy tính lượng tử) là mợt thiết bị tính tốn sử dụng trực tiếp các hiệu ứng của cơ học lượng tử như tính chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào.” [5]
Hiện nay, một số phòng nghiên cứu đã cho ra mắt được một số thiết bị có khả năng thực hiện các tính toán lượng tử nhưng chỉ trên một số nhỏ qubit (đơn vị cơ bản của thông tin trong máy tính lượng tử). [5]
Công ty D-wave tại Canada đã cơng bớ chiếc máy tính lượng tử có khả năng thương mại hố đầu tiên vào năm 2007 (hình 2.9). Chiếc máy tính này có khả năng làm việc như những chiếc máy tính thơng thường nhưng với tớc đợ nhanh hơn rất nhiều lần. Tuy nhiên, vẫn chưa có những thử nghiệm khó khăn để có thể so sánh ưu thế của máy tính lượng tử so với máy tính thơng thường. Ngồi ra, máy tính lượng tử có rất ít khách hàng có thể mua được vì giá khá đắt. Mợt sớ tở chức chính phủ, q́c phịng … khi cần nghiên cứu sâu về thực nghiệm lẫn lí thuyết mới sẵn sàng chi phí để mua máy tính lượng tử. [5]
Hình 2.9. Máy tính lượng tử của hãng D-wave.
(nguồn: https://tinyurl.com/y2bfc7r7 )
Như vậy, cho đến hiện tại, vẫn chưa có một máy tính lượng tử hoàn chỉnh để có thể mang vào sử dụng thực tế, nhưng thiết bị này vẫn rất được mong chờ vì nó có khả năng có thể giải quyết tốt các vấn đề phức tạp một cách nhanh chóng.
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ TÀI LIỆU THAM KHẢO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
3.1. MỤC TIÊU KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ
Khảo sát, đánh giá về tính hợp lí, khả thi, thiết thực và hấp dẫn của tài liệu tham khảo về cơ học học lượng tử cho học sinh Trung học Phổ thông.
3.2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ
3.2.1. Phạm vi
Tiến hành khảo sát, đánh giá tại các trường THPT tại địa bàn Thành phớ Hồ Chí Minh.
3.2.2. Đối tượng
Nội dung kiến thức cơ học lượng tử cho bậc Trung học Phổ thông. Các giáo viên của các trường THPT tại Thành phớ Hồ Chí Minh.
3.3. TIẾN TRÌNH KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ
3.3.1. Lập phiếu khảo sát, đánh giá
Được trình bày ở Phụ lục 3.
3.3.2. Lấy ý kiến khảo sát, đánh giá
Tiến hành lấy ý kiến khảo sát, đánh giá trên từng đối tượng được thực hiện như sau:
Gửi link thực hiện đánh giá trên google biểu mẫu cho giáo viên các trường THPT. Trong link thực hiện đánh giá có tóm tắt ngắn gọn nợi dung của tài liệu tham khảo. Giáo viên có thể đọc tóm tắt từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá và góp ý cho tài liệu tham khảo này.
Link phiếu đánh giá online: https://forms.gle/JdvEmduZVLjtrCBp7
3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ
3.4.1. Về các nội dung kiến thức được truyền tải trong tài liệu tham khảo
Số liệu thống kê về đánh giá sơ bộ các ý kiến về các nội dung kiến thức được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Số liệu thống kê về đánh giá các kiến thức
Tổng số người thực hiện đánh giá: 17 người. Nội dung kiến
thức Hồn tồn phù hợp Phù hợp Bình thường Khơng phù hợp Hồn tồn khơng phù hợp Tiền lượng tử 3 12 2 0 0 Phương trình Schrodinger 1 6 4 6 0 Các hiệu ứng lượng tử 1 6 4 6 0 Nguyên lí bất định Heisenberg 2 10 3 2 0 Nguyên lí chồng chất trạng thái vi mô 3 7 4 3 0 Giải thích sự phụ tḥc của nhiệt dung chất
rắn vào nhiệt độ
4 9 2 2 0
Phân biệt kim loại, bán dẫn,
điện môi
2 7 8 0 0
Tiên đoán hạt
Meson 3 9 4 1 0
Kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử
Dựa vào các số liệu thống kê trong bảng 3.1, ta thu được bảng 3.2 về điểm trung bình và mức độ phù hợp của kiến thức đó đối với nhận thức của học sinh Trung học Phổ thông.
Bảng 3.2. Điểm trung bình và mức đợ phù hợp của các kiến thức
Trong đó điểm trung bình của mỡi nợi dung kiến thức được tính như sau: - Cho điểm 4, 3, 2, 1, 0 lần lượt ứng với ý kiến hoàn toàn phù hợp, phù hợp,
bình thường, không phù hợp hoặc hồn tồn khơng phù hợp.
Máy tính lượng
tử 7 9 1 0 0
Tổng số người thực hiện đánh giá: 17 người.
Nội dung kiến thức Điểm trung bình Mức đợ
Tiền lượng tử 3.1 Phù hợp
Phương trình Schrodinger 2.2 Bình thường
Các hiệu ứng lượng tử 2.2 Bình thường
Ngun lí bất định
Heisenberg 2.7 Phù hợp
Ngun lí chồng chất trạng
thái vi mơ 2.6 Phù hợp
Giải thích sự phụ tḥc của nhiệt dung chất rắn vào nhiệt
độ
2.9 Phù hợp
Phân biệt kim loại, bán dẫn,
điện môi 2.6 Phù hợp
Tiên đoán hạt Meson 2.7 Phù hợp
Kính hiển vi quét xuyên hầm
lượng tử 3.0 Phù hợp
- Áp dụng cơng thức tính điểm trung bình 𝑠̅ của từng nội dung kiến thức:
𝑠̅ = 4A + 3B + 2C + D
𝑁 , (3.1)
trong đó: A, B, C, D lần lượt là số ý kiến chọn hồn tồn phù hợp, khá phù hợp,
phù hợp, khơng phù hợp. N là tổng số người thực hiện đánh giá.
- Đánh giá mức độ phù hợp của từng nội dung căn cứ vào giá trị điểm trung bình và thang mức đợ: *Từ 0.0 đến cận 0.8: Hồn tồn khơng phù hợp.
*Từ 0.8 đến cận 1.6: Khơng phù hợp. *Từ 1.6 đến cận 2.4: Bình thường. *Từ 2.4 đến cận 3.2: Phù hợp.
*Từ 3.2 đến cận 4.0: Hoàn toàn phù hợp.
3.4.1.2. Nhận xét
Các nội dung kiến thức về cơ học lượng tử được cung cấp trong tài liệu hầu hết theo đánh giá phù hợp với nhận thức của học sinh Trung học Phổ thông, tuy nhiên vẫn cịn hai kiến thức về Phương trình Shcrodinger và Các hiệu ứng lượng tử được đánh giá là Bình thường. Cũng có thể hiểu rằng đây là những kiến thức khó của cơ học lượng tử vì nó liên quan đến những cơng cụ tốn học phức tạp và ở mức độ của học sinh Trung học Phở thơng thì vẫn chưa đủ khả năng để vận dụng được các công cụ đó.
Về ứng dụng máy tính lượng tử được đánh giá là hồn tồn phù hợp đới với học sinh vì đây là mợt ứng dụng đang được giới khoa học bàn luận rất nhiều nên việc cung cấp mợt sớ thơng tin về máy tính lượng tử cho học sinh biết trong thời điểm hiện tại là một điều cần thiết.
3.4.2. Về đánh giá tổng quát tài liệu
3.4.2.1. Các số liệu thống kê
Các số liệu thống kê về đánh giá tổng quát tài liệu được thể hiện trong bảng 3.3.
Tổng số người thực hiện đánh giá: 17 người. Tiêu chí Hồn tồn đồng ý Đồng ý Khơng có ý kiến Khơng đồng ý Hồn tồn khơng đồng ý
Cung cấp được các lí thuyết cơ
bản
3 13 1 0 0
Cung cấp được các ứng dụng
thực tiễn
4 11 2 0 0
Phù hợp với học
sinh 2 8 5 2 0
Hấp dẫn học sinh 1 6 10 0 0
Cần thiết cho chương trình Vật
lí hiện nay
1 15 0 1 0
Dựa vào số liệu bảng 3.3 và cách tính trung bình điểm và xếp loại mức độ, ta thu được bảng 3.4.
Bảng 3.4. Điểm trung bình và các mức đợ khảo sát về tài liệu
Tổng số người thực hiện đánh giá: 17 người.
Tiêu chí Điểm trung bình Mức độ
Cung cấp được các lí
thuyết cơ bản 3.1 Đồng ý
Cung cấp được các
ứng dụng thực tiễn 3.1 Đồng ý
Phù hợp với học sinh 2.6 Đồng ý
Hấp dẫn học sinh 2.5 Đồng ý
Cần thiết cho chương
trình Vật lí hiện nay 2.9 Đồng ý
Tài liệu được đánh giá là đã cung cấp được khơng những các lí thút lượng tử cơ bản mà còn cung cấp cho học sinh biết được các ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử trong đời sống và trong khoa học kĩ thuật.
Một số đánh giá cũng cho biết rằng tài liệu này phù hợp và có thể gây nên hấp dẫn cho học sinh. Tuy nhiên, một số đánh giá lại chưa dám khẳng định điều này vì nhiều lí do, ví dụ như chỉ mợt sớ học sinh có hứng thú với vật lí nói chung và vật lí hiện đại nói riêng thì mới tìm đến đọc tài liệu này. Mợt sớ ý kiến khác lại cho rằng tài liệu này nên giới thiệu cho sinh viên năm đầu hoặc năm hai chun ngành vật lí, cịn đới với các học sinh khơng thích vật lí thì khó mà hấp dẫn được.
Tài liệu cũng được đánh giá là cần thiết cho chương trình Vật lí hiện nay. Nhưng khi hỏi về tính khả thi khi sử dụng tài liệu này trong các trường học thì các đánh giá viên đưa ra nhiều ý kiến. Có thể kể đến như có ý kiến cho rằng chỉ nên sử dụng tài liệu này cho các khối chuyên, trường chuyên hoặc nâng cao; hoặc nếu có đem vào dạy học thì nên tở chức thành chuyên đề hay giới thiệu mở rộng. Một số ý kiến khác cho rằng việc khả thi hay khơng cịn tuỳ tḥc vào trường học, tuỳ thuộc vào các giáo viên và cả học sinh ở ngôi trường đó. Và một số ý kiến vẫn cho rằng tài liệu này chưa khả thi khi sử dụng trong trường học.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cho học sinh bậc trung học phở thơng đưa ra những khái niệm cũng như lí thút mới để học sinh mợt phần nào đó có thể hiểu biết thêm về vật lí nói chung và cơ học lượng tử nói riêng. Tài liệu cũng đã giới thiệu thêm về một số ứng dụng hiện đại mà các lí thút cở điển chưa giải qút được từ đó đề cao được tầm quan trọng của cơ học lượng tử trong đời sống hiện nay. Tài liệu được đánh giá là đã cung cấp các nội dung kiến thức mợt cách hợp lí, có thể phù hợp và gây hấp dẫn với học sinh trung học phổ thông và đây là một tài liệu cần thiết cho chương trình Vật lí hiện nay, nhưng về tính khả thi để có thể sử dụng trong các trường học thì cịn là mợt dấu chấm hỏi lớn.
Tuy nhiên, tài liệu tham khảo này vẫn chưa hồn thành mợt cách hồn hảo nhất vì nhiều lí do. Có thể kể đến như cơ học lượng tử là mợt mơn học rất khó, cần sự hiểu biết vật lí sâu xa cũng như phải có mợt nền tảng tốn học tớt, linh hoạt thì mới có thể hiểu được đơi phần về cơ học lượng tử. Nên, tài liệu tham khảo này cũng chỉ có thể dừng lại ở mức độ giới thiệu thêm cho học sinh biết về cơ học lượng tử. Còn về việc sử dụng tài liệu tham khảo này để dạy cho học sinh trung học phở thơng thì phải xây dựng lại trình tự logic cũng như bở sung những điều cần thiết.
Có nhiều hướng để phát triển tài liệu tham khảo này, có thể thêm vào nhiều hình ảnh, cũng như những ví dụ để học sinh cảm thấy kiến thức dễ hiểu hơn. Tài liệu cũng có thể cung cấp thêm nhiều ứng dụng để học sinh cảm thấy cơ học lượng tử gần gũi và có mặt trong đời sớng thường ngày. Ngồi ra, có thể thay đởi hình thức của tài liệu để có thể gây hấp dẫn hơn với người đọc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách
[1] Lê Khắc Bình, Nguyễn Nhật Khanh, Vật lí CHẤT RẮN, Nxb Đại học Q́c gia TPHCM, 2002.
[2] Hồng Dũng, Nhập mơn CƠ HỌC LƯỢNG TỬ, Tập 1, Nxb Giáo dục, 1999. [3] Lê Văn Hoàng, Bài giảng CƠ HỌC LƯỢNG TỬ, Nxb Đại học Sư phạm
TPHCM, 2018.
[4] Lý Minh Tiên, Nguyễn Thị Tứ (Chủ biên), TÂM LÍ HỌC LỨA TUỔI VÀ TÂM
LÍ HỌC SƯ PHẠM, Nxb Đại học Sư phạm TPHCM, 2016.