Bài giảng Nguyên tử

1. SƠ LƯỢC VỀ CÁC HẠT SƠ CẤP - Các hật sơ cấp còn gọi là các hạt cơ bản, đó là những hạt khởi đầu mà từ chúng tất cả các hạt phức tạp hơn được tạo thành. Các hạt cơ bản tự chúng không phải là một hệ cấu tạo từ những hạt cơ bản hơn. - Các hạt sơ cấp như: electron e-,pozitron e+, proton p, nơtron n, nơtrino ,….. 2.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT SƠ CẤP a) Khối lượng nghỉ: + Hạt sơ cấp không có khối lượng nghỉ (m0 = 0): phôtôn, nơtrinô, graviton + Theo hệ thức Anhxtanh, hạt sơ cấp có khối lượng nghỉ m0 thì có năng lượng nghỉ E0 = m0c2 2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP b) Điện tích: + Hạt sơ cấp có thể có điện tích : Q = – 1, Q = 0, Q = + 1 (đơn vị đo là e) + Q được gọi là: số lượng tử điện tích 2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP c) Spin: + Mỗi hạt sơ cấp đều có momen động lượng riêng và momen từ riêng đặc trưng cho chuyển động nội tại và bản chất của hạt. + Momen đặc trưng bằng số lượng tử spin s VD: p, n, e- có s = +1/2; phôton có s =1 + Momen động lượng riêng của hạt sơ cấp bằng sh/2 (h: hằng số Plank) 2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP d) Thời gian sống trung bình: + Có 4 hạt sơ cấp bền (không phân rã thành hạt khác): phôtôn, nơtrinô, electron (+ và -) và prôton + Tất cả các hạt khác không bền thì phân rã thành hạt khác  Thời gian sống của notron: 932s  Thời gian sống của các hạt không bền khác: 10-24s đến 10-6s 2.2 PHÂN LOẠI HẠT SƠ CẤP 1. Photon (lượng tử ánh sáng) là hạt truyền tương tác điên từ, khối lượng nghỉ bằng 0, spin bằng 1. 2. Lepton (hạt nhẹ) gồm 6 hạt có spin bằng 1/2 , xếp thành 3 cặp: lepton electron, lepton muy, lepton tau. 6 hạt này chỉ thực hiện tương tác điện từ và tương tác yếu. 3.Mezon (hạt trung gian) có spin bằng 0, thường truyền tương tác mạnh. 4.Barion (hạt nặng) có spin bán nguyên, chia làm các nhóm: nuclon và hyperon, ngoài ra còn có các nhóm barion duyên, barion đáy. Barion có tương tác đặc trưng là tương tác mạnh 2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP 3. HẠT VÀ PHẢN HẠT. Phần lớn các hạt sơ cấp đều tạo thành từng cặp có cùng m0, s, điện tích có trị số bằng nhau nhưng trái dấu gọi là hạt và phản hạt VD1: electron e- và pôzitron e+ có cùng me và s = ½ nhưng Q = - 1 và Q = +1 VD2: proton và phản proton (antiproton) 3. HẠT VÀ PHẢN HẠT. Quá trình hủy cặp: hạt + phản hạt  phôton + phôton Quá trình sinh cặp: phôton + phôton  hạt + phản hạt 4.Các tương tác cơ bản Ta đã coi các hạt cơ bản là những thành phần nhỏ nhất của vật chất cấu tạo nên vũ trụ .Một câu hỏi đặt ra: các hạt đó tương tác với nhau như thế nào để tạo nên cấu trúc vật chất, tạo nên vũ trụ ? Câu trả lời là: có 4 loại tương tác cơ bản: hấp dẫn, điện từ, mạnh và yếu. 4.1 Tương tác hấp dẫn Được mô tả bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newtơn. Tương tác hấp dẫn là chung cho tất cả các hạt cơ bản cũng như cho các vật thể vĩ mô So với các tương tác khác, tương tác hấp dẫn là lực yếu nhất so với các lực còn lại nhưng lại có thể hoạt động ở khoảng cách xa. Cơ chế tương tác hấp dẫn giữa hai hạt có khối lượng là sự trao đổi hạt truyền tương tác (còn gọi là lượng tử của trường tương tác) gọi là hạt graviton. 4.2 Tương tác điện từ Là tương tác giữa các hạt mang điện Các hạt cơ bản mang điện có điện tích bằng điện tích của elctrôn hoặc điện tích của pôzitrôn. Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi giữa các hạt mang điện các lượng tử của trường điện từ gọi là các hạt phôtôn 4.3 Tương tác yếu Đó là tương tác có các lepton tham gia, ví dụ các quá trình phân rã β: Các nơtrinô,   luôn luôn đi đôi với e+, e-. Sau đó tìm thêm được hai leptôn tương tự như electron là và Tương tự với chúng có hai loại nơtrinô là  và . Vậy có sáu hạt lepton xếp thành 3 cặp 4.4 Tương tác mạnh Tương tác mạnh là tương tác giữa các hađrôn và ở khoảng cách nhỏ (cỡ bán kính hạt nhân) Các hạt nuclôn trong hạt nhân tương tác với nhau bằng tương tác mạnh và tạo ra lực hạt nhân. Cơ chế tương tác mạnh là sự trao đổi các hạt truyền gluôn giữa các hạt hađrôn. Tương tác giữa các quac có một đặc tính là: Khi các quac lại gần nhau thì tương tác giữa chúng rất yếu, không đáng kể, có thể coi như chúng ở trạng thái tự do. Trái lại, khi khoảng cách giữa các quac tăng lên thì tương tác giữa chúng trở nên cực mạnh. Điều này giải thích tại sao ta không thể quan sát được các quac ở trạng thái tự do. 4.5 Sự thống nhất của các tương tác Trong điều kiện bình thường, cường độ của các loại tương tác kể trên được so sánh với nhau theo tỉ lệ tương đối là: Tuy nhiên lí thuyết và thực nghiệm đã chứng minh được rằng, trong điều kiện các năng lượng cực cao, thì cường độ của các tương tác sẽ cùng cỡ đối với nhau. Vào đầu những năm 70 của thế kỉ trước, một lí thuyết của Van-bớc-Xa-lam (Weiberg - Salam) về sự thống nhất hai tương tác điện từ và tương tác yếu đã được xây dựng thành công (lí thuyết tương tác điện từ yếu). Hiện nay đang tiến hành xây dựng lí thuyết thống nhất ba tương tác mạnh, điện từ, yếu (lí thuyết về sự thống nhất lớn). Và tương lai sẽ xây dựng lí thuyết thống nhất bốn tương tác trong vũ trụ (thống nhất vĩ đại hay siêu thống nhất). 4.6  Thống nhất các tương tác và sự khởi đầu của vũ trụ a. Vũ trụ của chúng ta được sinh từ một “vụ nổ lớn” b. Ở những thời điểm đầu tiên 10-43s, vũ trụ có kích thước 10-32m, nhiệt độ cực cao 1032K, ứng với năng lượng 1019GeV; lúc này có bốn loại tương tác thống nhất với nhau c. Tiếp đó, năng lượng giảm dần đến 1015GeV, tương tác hấp dẫn tách ra thành một tương tác riêng; chỉ còn ba tương tác: mạnh, điện từ, yếu, thống nhất với nhau d. Tiếp sau đó, năng lượng vào cỡ 100GeV: tương tác mạnh tách ra chỉ còn hai tương tác điện từ và yếu thống nhất với nhau Cuối cùng khi năng lượng giảm dần đến 0,1GeV thì các tương tác điện từ và yếu củng tách ra. Và sau đó 14 tỉ năm hình thành vũ trụ ngày nay 5.Quark 5.1 Quark là gì? Từ những năm 1970, nhờ có các máy gia tốc cực mạnh, người ta đã tìm ra hàng trăm hạt hađrôn. Sự tồn tại của một số hạt khá lớn các hađrôn đã dẫn các nhà vật lí đến kết luận: các hađrôn chưa phải là những “viên gạch” cuối cùng tạo nên các chất. Nói cách khác, các hađrôn được cấu tạo bởi các vi hạt có kích thước nhỏ hơn. Các vi hạt này được gọi là các hạt quac. 5.2.Họ các quark Ba hạt quark đầu Vào năm 1963,Muray Gell-Man và george Zweig đã đưa ra thuyết về quark một cách độc lập nhau.Theo các ông , hadron được cấu tạo bởi ba quark u,d,s. Các mêzôn được cấu tạo từ 1 quark và 1 phản quark. Các bariôn được cấu tạo từ 3 quark Năm 1975,người ta phát hiện ra một hađrôn siêu nặng.Cấu trúc của hạt này được giải thích bằng sự tồn tại của một quark khác gọi là quark c Năm 1977 thêm 1 giả thiết về quark thứ 5 gọi là quark b vào đầu năm 1994 ở châu âu người ta phát hiện sự tồn tại quark thứ sáu gọi là quark t 5.3 Đặc tính của các quac     a. Mỗi hađrôn cấu tạo bởi một số quac.     b. Có sáu hạt quac và sáu đối quac tương ứng.     c. Các quac đều là các fecmiôn và có điện tích phân số Sự tồn tại của các quark đã được thực nghiệm chứng minh (up: lên, down: xuống, strange: lạ, charm: duyên, bottom: đáy, top: đỉnh)   Các đặc tính của hạt quac: hạt pion (+1) gồm hai hạt quac, hạt proton gồm có 3 hạt quac, hạt neutron gồm có 3 hạt quac Quark và các đặc trưng Sáu hạt trong Mô hình chuẩn là các quark (màu tím). Ba cột đầu tiên tạo thành các thế hệ của vật chất. Cột thứ tư là các hạt trường. KẾT LUẬN 1. Có 6 loại lepton: e, µ, τ các notrino tương ứng và các phản hạt của chúng. Do đó có tất cả 12 lepton. Câu hỏi đặt ra là: - Còn lepton nào khác không? - Các lepton không có cấu trúc bên trong hay chúng là những hạt tổ hợp? - Định luật bảo toàn số lepton là tuyệt đối hay gần đúng? 2. Trong mẫu chuẩn có 6 quark và các phản hạt của chúng. Nhưng mỗi loại trong số chúng có 3 màu khác nhau, nên tổng cộng ta sẽ có 36 hạt. Các hạt quark được gắn với nhau trong các mezon và hadron bởi các gluôn có 8 màu khác nhau. KẾT LUẬN Vậy: - Có phải tất cả chúng đều là những hạt cơ bản? - Những gì thật sự đang diễn ra bên trong notron và proton? - Các lepton liên hệ với các quark như thế nào? Chúng có thể hợp nhất lại trên cơ sở sâu hơn không? 3. Chúng ta có tương tác cơ bản sau; - Tương tác hấp dẫn - Tương tác điện yếu (tương tác điện từ và tương tác yếu) - Tương tác mạnh (tương tác giữa các hadron, giữa quark và gluon) Lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ là 1 thành công lớn. Hiện nay lý thuyết thông nhất vĩ đại đang được xây dựng nhưng bản thân nó còn gặp nhiều trở ngại: Phân rã proton, khối lượng tĩnh của notrino, sự vi phạm bảo toàn lepton và barion. Một cuộc hành trình lí thú cho những phát minh, khám phá mới đang chờ đợi, thu hút những người dũng cảm, giàu trí tưởng tượng, muốn tìm tòi và có tinh thần đổi mới, cách mạng trong khoa học. Chúng ta hi vọng những ai bước vào lĩnh vực khoa học đầy thách thức này sẽ ứng dụng được tiềm năng, trí tuệ của mình để kiến thiết, xây dựng và sử dụng cái mới một cách hiệu quả hơn nữa, khám phá ra những huyền bí về cấu trúc của vũ trụ chúng ta! (25 công trình- 50 nhà khoa học) TÀI LIỆU THAM KHẢO Vật lý nguyên tử, hạt nhân. Lê Chấn Hùng, Lê Trọng Tường. Vật lý nguyên tử, hạt nhân. Nguyễn Minh Thủy Cơ sở vật lý. VI, David Halliday, NXB Giáo dục 2009 Vật Lý hiện đại. William Savin, NXB Giáo Dục 1996 Vật lý hạt nhân. Nguyễn Triệu Tú, NXB ĐHQG 2006 TÀI LIỆU THAM KHẢO 8. 9. 10. 11.|vi&u= 12.|vi&u=