Đề tài Điện tích nhỏ nhất xưa và nay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ MƠN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hồng Sinh viên thực tập: Hồng Thị Thanh Thảo Đồn Thị Minh Thư Trần Bùi Cẩm Vân TP HCM, Ngày 15 tháng 5 năm 2009 1 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy MỤC LỤC LỜI NGỎ………………………………………………………………………. 3 ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY………………………………..…...4 I. Điện tích………………………………………………………………..….4 I.1. Khái quát về điện tích:……………………………………………...4 I.2. Thuộc tính và tính chất của điện tích:……………………………....4 I.3. Các loại điện tích:………………………………………………..…6 II. Quan niệm cổ điển: II.1. Electron:………………………………………………………….....6 II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra electron………………….….6 II.1.2. Giới thiệu về electron……………………………………..…6 II.1.3. Thí nghiệm tìm ra electron………………………………..…7 II.1.4. Thí nghiệm đo điện tích điện tử………………………….….8 II.1.5. Các thuộc tính và tính chất của electron…………………….9 II.1.6. Ứng dụng của electron……………………………………..11 II.2. Proton: II.2.1. Khái quát về proton………………………………………...13 II.2.2. Sự ổn định………………………………………………….13 II.2.3. Trong hĩa học………………………………………………14 II.2.4. Lịch sử……………………………………………………...14 II.2.5. Phản proton………………………………………………...14 II.3. Neutron: II.3.1. Khái quát về neutron……………………………………….15 II.3.2. Lịch sử tìm ra neutron……………………………………...15 2 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy II.3.3. Thuộc tính và tính chất của neutron………………………..16 II.3.4. Phản neutron………………………………………………..18 III. Quan niệm hiện đại: Hạt quark: III.1. Giới thiệu về hạt quark:…………………………………………...18 III.2. Tính chất của hạt quark:…………………………………..………19 III.3. Các loại hạt quark:…………………………..…………………….20 III.4. Quá trình khám phá ra các loại hạt quark:……………………..….21 III.5. Điện tích:……………………….…………………………………24 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………28 PHỤ LỤC……………………………………………………………………….29 3 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy LỜI NGỎ Cĩ một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, neutron và electron chính là các "nguyên tử" theo định nghĩa của người cổ Hy lạp. Nhưng vào năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở Standford ở Hoa Kỳ đã cho thấy rằng các proton và neutron cũng khơng phải là các hạt cơ bản nhất. Dựa vào lý thuyết nào người ta lại khẳng định như vậy? Nhằm giúp cho các bạn sinh viên cĩ thêm tư liệu cho việc dạy và học, các em học sinh muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này, nhĩm chúng tơi xin giới thiệu đến các bạn những kiến thức cơ bản liên quan đến vấn đề này. Hy vọng với lượng kiến thức này sẽ giúp các bạn phần nào hiểu thêm về vấn để bạn nghiên cứu. Do thời gian và kiến thức giới hạn nên khĩ tránh khỏi những sai sĩt, mong các bạn thơng cảm. 4 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY I. ĐIỆN TÍCH: I.1 Khái quát về điện tích: Điện tích là một tính chất cơ bản và khơng đổi của một số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng. Điện tích tạo ra trường điện từ và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ. Sự tương tác giữa một điện tích với trường điện từ khi nĩ chuyển động hoặc đứng yên so với trường điện từ này là nguyên nhân gây ra lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên. Điện tích cịn được hiểu là "hạt mang điện". I.2 Thuộc tính và tính chất của điện tích: Các hạt mang điện cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) sẽ đẩy nhau. Ngược lại, các hạt mang điện khác dấu sẽ hút nhau. Tương tác giữa các hạt mang điện nằm ở khoảng cách rất lớn so với kích thước của chúng tuân theo định luật Coulomb. Định luật Coulomb đặt theo tên nhà vật lý Pháp Charles de Coulomb, phát biểu là: “Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với tích các độ lớn điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng các giữa chúng”. Điện tích của một vật vĩ mơ là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đĩ. Thơng thường, các vật quanh ta 5 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy đều trung hịa về điện, đĩ là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều cĩ tổng số proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau. Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng khơng, vật ấy vẫn cĩ thể tham gia tương tác điện từ, đĩ là nhờ hiện tượng phân cực điện. Các điện tích chịu sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích cĩ thể di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của từ trường ngồi gọi là điện tích tự do. Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành dịng điện. Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Coulomb (viết tắt là C), 1 C xấp xỉ bằng 6,24×1018e. Kí hiệu Q được dùng để diễn tả độ lớn một lượng điện tích xác định, gọi là điện lượng. Phần lớn điện lượng trong tự nhiên là bội số nguyên của điện tích nguyên tố. Các hạt quark cĩ điện tích phân số so với e. Phản hạt của một hạt cơ bản sẽ cĩ điện tích bằng về độ lớn, nhưng trái dấu so với điện tích của hạt cơ bản đĩ. Cĩ thể đo điện tích bằng một dụng cụ gọi là tĩnh điện kế. Điện tích là một đại lượng bất biến tương đối tính, điều đĩ cĩ nghĩa là vật (hoặc hạt) mạng điện tích q khi đứng yên, thì vẫn sẽ mang điện tích q như vậy khi chuyển động. Điều này đã được kiểm chứng trong một thực nghiệm, ở đĩ điện tích của một hạt nhân heli (gồm 2 proton và 2 neutron, hạt nhân này di chuyển rất nhanh) được quan sát là gấp đơi điện tích của một hạt nhân deuteri (gồm 1 proton và 1 neutron, được xem là chuyển động rất chậm so với hạt nhân helium). Điện tích tuân theo định luật bảo tồn điện tích: 6 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy “Tổng điện tích của một hệ kín là khơng thay đổi theo thời gian, khơng phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ”. I.3 Các loại điện tích: Theo quy ước, cĩ hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện tích của electron là âm, ký hiệu là –e, cịn điện tích của proton là dương, ký hiệu là +e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố. II. QUAN NIỆM CỔ ĐIỂN II.1 Electron: II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra Electron:  Theo Aristotle thì vật chất được cấu tạo liên tục, tức là cĩ thể chia một mẫu vật chất ngày càng nhỏ mà khơng cĩ một giới hạn nào.  Democritus lại cho rằng vật chất vốn cĩ dạng hạt và vật chất được tạo thành từ một số lớn các loại nguyên tử (atom).  Năm 1830, John Danlton chỉ ra rằng hợp chất hĩa học là do các nguyên tử co cụm lại với nhau tạo nên những đơn nguyên tử được gọi là phân tử.  Năm 1897, J.J.Thomson đã chứng minh được sự tồn tại của một hạt vật chất mà ơng gọi là electron. Một hạt cĩ khối lượng nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử nhẹ nhất khoảng một ngàn lần. II.1.2 Giới thiệu về Electron: Điện tử (hay cịn gọi là electron, được kí hiệu là e−) là một hạt hạ nguyên tử, hay hạt sơ cấp. Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân (hạt nhân bao gồm các proton và neutron) trên quỹ đạo electron. Từ electron bắt 7 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy nguồn từ tiếng Hy Lạp ηλεκτρον (phát âm là "electrum") cĩ nghĩa là hợp kim của bạc và vàng. Electron thuộc lớp đầu tiên của nhĩm lepton trong loại hạt Fermion của hạt cơ bản, nĩ chịu tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác yếu. Electron cĩ phản hạt là positron. Electron được đề nghị bởi George Johnstone Stoney như là đơn vị điện tích trong điện hĩa học, nhưng cũng nhận ra rằng nĩ cịn là hạt hạ nguyên tử và đến năm 1897 được nhà vật lý người Anh Joseph J. Thomson1 tìm ra tại phịng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học Cambridge, trong khi ơng đang nghiên cứu về "tia âm cực". II.1.3 Thí nghiệm: Điện tử là hạt hạ nguyên tử đầu tiên được tìm ra dựa vào tính chất điện của vật chất. Vào cuối thập kỷ đầu tiên của thế kỷ thứ 19, người ta đã nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube). Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên trong cĩ chứa khí cĩ áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là cực âm. Hai cực đĩ được nối với một nguồn cĩ điện thế khác nhau, nguồn này tạo ra một dịng hạt cĩ thể đi qua khí bên trong ống. Người ta giả thiết rằng cĩ một chùm hạt phát ra từ cực dương đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng. Chùm đĩ được gọi là chùm ca-tốt. Khi đặt một vật chướng ngại nhẹ trong ống thì vật đĩ bị di chuyển từ cực dương về cực âm, người ta kết luận hạt đĩ cĩ khối lượng. Khi đặt một từ trường vào thì dịng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt đĩ cĩ điện tích. 1Phụ lục V.1, trang 28. 8 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) đã kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ơng đã đo được tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nĩ bằng độ lệch hướng của chùm tia trong các từ trường và điện trường khác nhau. Thomson dùng rất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí trong ống. Ơng thấy rằng độ lệch của chùm tia cĩ thể tiên đốn bằng cơng thức tốn học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số khơng phụ thuộc vào việc ơng dùng vật liệu gì. Ơng kết luận rằng tất cả các chùm ca-tốt đều được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891. II.1.4 Thí nghiệm đo điện tích electron: (Thí nghiệm giọt dầu Millikan) Năm 1909, Robert Millikan2 thực hiện thí nghiệm để đo điện tích điện tử. Sử dụng một máy phun hương thơm, Millikan đã phun các giọt dầu vào một hộp trong suốt. Đáy và đỉnh hộp làm bằng kim loại được nối với nguồn điện một chiều với một đầu là âm (-) và một đầu là dương (+). Millikan quan sát từng giọt rơi một và cho áp dụng hiệu điện thế lớn 2Phụ lục V.2, trang 28. 9 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy giữa hai tấm kim loại rồi ghi chú lại tất cả những hiệu ứng. Ban đầu, giọt dầu khơng tích điện, nên nĩ rơi dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên sau đĩ, Millikan đã dùng một chùm tia Rưntgen để ion hĩa giọt dầu này, cung cấp cho nĩ một điện tích. Vì thế, giọt dầu này đã rơi nhanh hơn, vì ngồi trọng lực, nĩ cịn chịu tác dụng của điện trường. Dựa vào khoảng thời gian chênh lệch khi hai giọt dầu rơi hết cùng một đoạn đường, Millikan đã tính ra điện tích của các hạt tích điện. Xem xét kết quả đo được, ơng nhận thấy điện tích của các hạt luơn là số nguyên lần một điện tích nhỏ nhất, được cho là tương ứng với 1 electron, e = 1,63 × 10-19 coulomb. Năm 1917, Millikan lặp lại thí nghiệm trên với thay đổi nhỏ trong phương pháp, và đã tìm ra giá trị điện tích chính xác hơn là e = 1,59 × 10-19 coulomb. Những đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý của Millikan cho kết quả là e = 1,602 × 10-19 coulomb. II.1.5 Các thuộc tính và tính chất của electron: Electron cĩ điện tích âm −1.602 × 10−19 coulomb, và khối lượng khoảng 9.1094 × 10−31 kg (0.51 MeV/c²), xấp xỉ 1/1836 khối lượng của proton. Chuyển động của electron xung quanh hạt nhân là một chủ đề gây tranh cãi. Electron khơng chuyển động trên một quỹ đạo cố định mà cĩ lẽ nĩ xuất hiện tại một số điểm trong khu vực xung quanh quỹ đạo hạt nhân (với xác suất khoảng 90% thời gian là trên quỹ đạo tính tốn). Electron cĩ spin ½, nghĩa là nĩ thuộc về lớp hạt Fermion, hay tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Trong khi phần lớn các electron tìm thấy trong nguyên tử thì một số khác lại chuyển động độc lập trong vật chất hay cùng với nhau như những chùm điện 10 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy tử trong chân khơng. Trong một số chất siêu dẫn, các electron chuyển động theo từng cặp. Khi các electron chuyển động tự do theo một hướng xác định thì tạo thành dịng điện. Tĩnh điện khơng phải là dịng chuyển động của các electron. Nĩ chỉ tới những vật cĩ nhiều hoặc ít electron hơn số lượng cần thiết để cân bằng với điện tích dương của hạt nhân. Khi cĩ nhiều electron hơn proton, vật được gọi là cĩ "tích điện âm", ngược lại khi cĩ ít electron hơn proton, vật được gọi là cĩ "tích điện dương". Khi số electron bằng số prơton, vật được gọi là "trung hịa" về điện. Các electron và phản hạt của nĩ là positron cĩ thể tiêu hủy lẫn nhau để sản xuất ra photon. Ngược lại, một photon cao năng lượng cĩ thể chuyển hĩa thành electron và positron bởi một quy trình gọi là sản xuất cặp. Electron là một hạt cơ bản – cĩ nghĩa là nĩ khơng cĩ cấu trúc hạ tầng. Vì vậy, nĩ được miêu tả như là một điểm, cĩ nghĩa trong nĩ khơng cĩ khoảng khơng. Tuy nhiên, nếu chúng ta tiến đến thật gần một electron, chúng ta cĩ thể nhận thấy các thuộc tính của nĩ (như điện tích và khối lượng) dường như đã biến đổi. Hiệu ứng này là chung cho tất cả các hạt cơ bản: vì các hạt này tác động tới những dao động trong chân khơng trong những vùng phụ cận chúng, vì vậy các thuộc tính được nhận thấy từ xa là tổng của các thuộc tính thực sự và các ảnh hưởng của chân khơng . Vận tốc của electron trong chân khơng xấp xỉ nhưng khơng bao giờ bằng c (vận tốc ánh sáng trong chân khơng). Điều này là do hiệu ứng của thuyết tương đối. Hiệu ứng của thuyết tương đối dựa trên một đại lượng được biết đến như là gamma hay hệ số Lorentz. Gamma là một hàm của v - vận tốc của hạt, và c. Dưới đây là cơng thức của gamma: 11 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy )(1 1 2 2 c v  Năng lượng cần thiết để gia tốc một hạt thì bằng gamma trừ đi 1 lần khối lượng tĩnh. Ví dụ, máy gia tốc tại Đại học Stanford cĩ thể gia tốc êlectron tới khoảng 51 GeV. Máy gia tốc này cung cấp gamma bằng 100.000 lần khối lượng tĩnh của electron là 0.51 MeV/c² (khối lượng tương đối của electron nhanh này là 100.000 lần khối lượng tĩnh của nĩ). Giải phương trình trên ta cĩ vận tốc của electron nhanh nĩi trên là c) 2 11( 2  = 0.99999999995 c. (Cơng thức này chỉ áp dụng khi γ lớn) II.1.6 Ứng dụng của Electron: II.1.6.1 Electron trong vũ trụ: Người ta cho rằng số lượng electron để cĩ thể bao trùm vũ trụ là 10130. Người ta cho rằng số lượng electron hiện cĩ trong vũ trụ là khoảng 1079 . II.1.6.2 Electron trong cuộc sống: Dịng điện cung cấp cho các thiết bị điện trong nhà và tại cơng nghiệp là dịng chuyển động cĩ hướng của các electron. Ống tia âm cực của ti vi sử dụng chùm điện tử trong chân khơng để tạo ra hình ảnh trên màn hình lân quang. Tính chất lượng tử của electron được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn như transistor. II.1.6.3 Electron trong cơng nghiệp: Chùm electron được sử dụng trong hàn điện cũng như trong kỹ thuật in đá. II.1.6.4 Electron trong phịng thí nghiệm: Các thí nghiệm phát kiến: 12 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Bản chất lượng tử hay rời rạc của điện tích của electron được quan sát bởi Robert Millikan trong thí nghiệm dầu nhỏ giọt năm 1909. Đo lường: Spin của electron được phát hiện trong thí nghiệm Stern-Gerlach. Điện tích cĩ thể đo trực tiếp bằng các électromètre. Dịng điện cĩ thể đo trực tiếp bằng các galvanomètre. Sử dụng electron trong phịng thí nghiệm: Kính hiển vi điện tử được sử dụng để phĩng to các chi tiết tới 500.000 lần. Hiệu ứng lượng tử của electron được sử dụng trong kính hiển vi quét chui hầm (Microscope à effet tunnel) để nghiên cứu các vật liệu ở thang đo kích thước nguyên tử (2x10-10 m). II.1.6.5 Electron trong lý thuyết: Trong cơ học lượng tử, electron được mơ tả trong phương trình Dirac. Trong mơ hình chuẩn của vật lý hạt, nĩ tạo thành một cặp với neutrino, vì chúng tương tác với nhau bằng lực tương tác yếu. Electron cĩ hai "người bạn" to lớn, với cùng điện tích nhưng khác nhau về khối lượng là: muon và tauon. Trong thế giới phản vật chất, phản hạt của electron là positron. Positron cĩ cùng các giá trị thuộc tính (khối lượng, spin, giá trị tuyệt đối của điện tích) như electron, ngoại trừ nĩ mang điện tích dương. Khi electron gặp positron, chúng cĩ thể tiêu diệt lẫn nhau, tạo thành hai photon trong tia gamma, mỗi tia cĩ năng lượng 0.511 MeV (511 keV). Electron cịn là yếu tố cơ bản trong điện từ trường, là lý thuyết gần đúng cho các hệ thống vĩ mơ. 13 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy II.2 Proton: II.2.1 Khái quát về Proton: Proton (p hay H+, tiếng Hy Lạp πρώτον/proton = đầu tiên) là một loại hạt tổ hợp, một thành phần cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Bản thân proton được tạo thành từ 3 hạt quark (2 quark lên và 1 quark xuống), vì vậy proton mang điện tích +1e hay +1.602 ×10-19 coulomb. Cĩ spin bán nguyên, proton là Fermion. Khối lượng 1.6726 ×10-27 kg xấp xỉ bằng khối lượng hạt neutron và gấp 1836 lần khối lượng hạt electron. Trong nguyên tử trung hịa về điện tích, số proton đúng bằng số electron. Số proton trong nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng điện tích hạt nhân của nguyên tố đĩ, và được chọn làm cơ sở để xây dựng bảng tuần hồn . Proton và neutron được gọi là nucleon. Đồng vị phổ biến nhất của nguyên tử hydrơ là một proton riêng lẻ (khơng cĩ neutron nào). Hạt nhân của các nguyên tử khác nhau tạo thành từ số các proton và neutron khác nhau. Số proton trong hạt nhân xác định tính chất hĩa học của nguyên tử và xác định nên nguyên tố hĩa học. II.2.2 Sự ổn định: Proton là một loại hạt ổn định. Tuy nhiên chúng cĩ thể biến đổi thành neutron thơng qua quá trình bắt giữ electron. Quá trình này khơng xảy ra một cách tự nhiên mà cần cĩ năng lượng: 14 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Quá trình này cĩ thể đảo ngược: các neutron cĩ thể chuyển thành proton qua phân rã bêta. II.2.3 Trong hĩa học: Trong hĩa học và hĩa sinh, proton được xem là ion hydrơ, kí hiệu là H+. Một chất cho proton là axít và nhận proton là bazơ. II.2.4 Lịch sử: Ernest Rutherford3 được xem là người đầu tiên khám phá ra proton. Năm 1918, Rutherford nhận thấy rằng khi các hạt alpha bắn vào hơi nitơ, máy đo sự nhấp nháy chỉ ra dấu hiệu của hạt nhân hydro. Rutherford tin rằng hạt nhân hydro này chỉ cĩ thể đến từ nitơ, và vì vậy nitơ phải chứa hạt nhân hydro. Từ đĩ ơng cho rằng hạt nhân hydro, cĩ số nguyên tử 1, là một hạt cơ bản. Trước Rutherford, Eugene Goldstein đã quan sát tia a nốt, tia được tạo thành từ các ion mang điện dương. Sau khi J.J. Thomson khám phá ra electron, Goldstein cho rằng vì nguyên tử trung hịa về điện nên phải cố hạt mang điện dương trong nguyên tử và đã cố tìm ra nĩ. Ơng đã dùng canal ray để quan sát những dịng hạt chuyển dời ngược chiều với dịng electron trong ống tia âm cực. Sau khi electron được loại ra khỏi ống tia âm cực, những hạt này được nhận thấy là mang điện dương và di chuyển về cực âm. II.2.5 Phản proton: 3Phụ lục V.3, trang 29. 15 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Phản hạt của proton được gọi là phản proton. Những hạt này được phát hiện vào năm 1955 bởi Emilio Segrè bởi Owen Chamberlain và họ đã nhận giải Nobel vật lý năm 1959 nhờ cơng trình này. II.3 Neutron: II.3.1 Khái quát về neutron: Neutron là hạt hạ nguyên tử, khơng chứa điện tích, cĩ khối lượng bằng 1.67492729(28)×10−27 kg, xấp xỉ bằng khối lượng hạt proton. Neutron được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử. Hầu hết hạt nhân của các nguyên tử bao gồm proton và neutron, cái mà người ta gọi chung là nucleons. Số hạt proton trong hạt nhân trong nguyên tử là được gọi là số nguyên tử xác định vị trí của nguyên tố. Số hạt neutron quyết định số đồng vị của nguyên tố. Ví dụ như cacbon -12 đồng vị gồm 6 proton và 6 neutron, trong khi đĩ cacbon -14 đồng vị thì cĩ 6 proton và 8 neutron. Giới hạn của neutron trong hạt nhân là bền, neutron tự do là khơng bền, nĩ chịu phĩng xạ beta với thời gian sống dưới 15 phút (885.7 ± 0.8 s). Neutron tự do được sản xuất trong quá trình phân rã và tổng hợp hạt nhân. II.3.2 Lịch sử khám phá: Năm 1930, Walther Bothe và Herbert Becker người Đức đã thấy rằng nếu hạt alpha với năng lượng lớn từ Poloni rơi vào hạt nhân nhẹ, đặc biệt là Beri, Bo, Liti thì sinh ra 1 tia phĩng xạ bất thường cĩ khả năng đâm xuyên, lần đầu tiên phĩng xạ này được coi là phĩng xạ gamma, mặc dù khả năng đâm xuyên của nĩ lớn hơn bất kì tia gamma đã biết nào, và các chi tiết dựa trên kết quả thí nghiệm rất khĩ để giải thích trên nền tảng nguyên tắc này. Bài đăng quan trọng kế tiếp 16 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy được tuyên bố chính thức 1932 bởi Irène Joliot-Curie và Frédéric Joliot tại Pháp. Họ chỉ ra rằng những bức xạ chưa biết này khi rơi vào Paraffin hoặc hợp chất của Hidro thì nĩ sẽ bắn ra Proton với một năng lượng rất cao. Điều này khơng mâu thuẫn với giả định về bản chất của tia gamma trong phĩng xạ mới, nhưng sự phân tích chi tiết về số lượng thơng tin trở nên khĩ dần để nĩ phù hợp với giả thuyết. Cuối cùng, năm 1932 nhà vật lý James Chadwick4 trong tịa nhà George Holt tại University of Liverpool đã biểu diễn hàng loạt các thí nghiệm và chỉ ra rằng tia gamma theo giả thuyết trên là khơng đứng vững . Ơng ta đề nghị một bức xạ mới của hạt khơng mang điện mà cĩ khối lượng gần đúng với khối lượng của Proton, và ơng đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm để kiểm tra lại đề xuất của mình. Những hạt khơng mang điện này được gọi là neutron, xuất phát từ gốc là từ neutral và theo Hi lạp cĩ –on (mơ phỏng theo electron và proton). II.3.3 Thuộc tính và tính chất II.3.3.1 Ổn định và phân rã beta: Vì neutron được cấu tạo từ 3 hạt quark nên nĩ chỉ cĩ thể phân rã theo cách thức thay đổi số lượng tử cần thiết để thay đổi hương vị của 1 trong những hạt quark bằng lực hạt nhân yếu. Neutron gồm 2 quark down với điện tích -1/3 và 1 quark up với điện tích +2/3, và sự phân rã của 1 trong các quark down cĩ thể đạt đến được nhờ sự thốt ra của W boson (loại boson vectơ trung gian) . Điều này 4Phụ lục V.4, trang 30. 17 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy cĩ nghĩa là phân rã neutron cĩ thể tạo ra 1 proton (bao gồm 1 hạt quark down và quark up), 1 electron, và 1 phản neutrino electron. Ngồi hạt nhân, neutron tự do khơng bền và cĩ thời gian sống trung bình là 885.7±0.8 s (khoảng 15 phút), phân rã bởi sự thốt ra của 1 electron mang điện tích âm và 1 phản neutrino để trở thành 1 proton. n0 → p+ + e− + νe Phân rã này được biết như phân rã beta, cĩ thể thay đổi đặc tính của neutron trong hạt nhân khơng bền. Bên trong hạt nhân, proton cĩ thể thay đổi bằng cách đổi ngược phản ứng phân rã beta của neutron. Trong trường hợp này, sự chuyển đổi xảy ra bởi sự thốt ra của 1 positron (phản electron) và 1 neutrino (thay vì là 1 phản neutrino). p+ → n0 + e+ + νe Sự thay đổi của 1 proton thành neutron bên trong hạt nhân cĩ thể dẫn đến việc bắt electron. p+ + e− → n0 + νe Bắt positron bởi neutron trong hạt nhân cĩ thể ngăn chặn sự vượt trội của neutron, nhưng nĩ bị cản trở vì positron bị đẩy lùi bởi hạt nhân, và nĩ nhanh chĩng bị hủy diệt khi nĩ va chạm với electron. Phản ứng beta và bắt electron là các kiểu của phân rã phĩng xạ và cả 2 đều chịu ảnh hưởng của tương tác yếu. II.3.3.2 Moment lưỡng cực điện: Mơ hình chuẩn của vật lý hạt tiên đốn 1 sự phân ly nhỏ của điện tích dương và điện tích âm bên trong neutron dẫn đến việc sinh ra moment lưỡng cực điện vĩnh cửu. Đĩ là 1 tiên đốn cĩ giá trị. Từ 1 khĩ khăn chưa được giải quyết trong vật lý hạt, nĩ đã xĩa sạch những mơ hình chuẩn khơng đầy đủ. Học thuyết 18 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy mới đã dẫn đến mơ hình chuẩn xa hơn, dẫn đến sự tiên đốn về moment lưỡng cực điện của neutron. Hiện tại, cĩ ít nhất 4 thí nghiệm đã thử đo giới hạn đầu tiên của moment lưỡng cực điện. II.3.4 Phản neutron: Phản neutron là các phạn hạt của neutron. Những hạt nảy đã được tìm ra bởi Bruce Cork vào năm 1956, một năm sau khi phát hiện ra phản proton. Phản neutron cấu thành bởi các phản quark, và cĩ moment lưỡng cực từ ngược với chính hạt: +1,91 µN cho phản neutron. III. Quan niệm hiện đại: Cĩ một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, neutron và electron chính là các "nguyên tử" theo định nghĩa của người cổ Hy lạp. Nhưng vào năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở Standford ở Hoa Kỳ đã cho thấy rằng các proton và neutron cũng khơng phải là các hạt cơ bản nhất, chúng lại được cấu tạo bởi ba hạt nhỏ hơn, đĩ là các hạt quark. Hạt Quark III.1 Giới thiệu về hạt Quark: Cái tên kỳ cục này đã được Murrey Gell Mann5 -người đầu tiên đốn sự tồn tại của chúng lấy từ cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của nhà văn nổi tiếng người Scotland –James Joyce. 5Phụ lục V.6, trang 31. 19 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Hạt quark là hạt cơ bản tạo nên 99,9% vật chất bình thường, tuy nhiên khơng thể nghiên cứu một hạt quark đơn lẻ trong phịng thí nghiệm. Vì vậy, một số tính chất cơ bản của hạt quark khơng được biết đến, như khối lượng chính xác của chúng hoặc tại sao chúng tồn tại ở 6 dạng khác nhau? Hiện nay, các nhà vật lý hạt đang nỗ lực thực hiện một cơng trình nghiên cứu mới để giải quyết bí ẩn của hạt quark với việc hồn thành ba siêu máy tính mạnh nhất chưa từng thấy được sử dụng cho vấn đề này. Việc tìm ra hạt quark thực hiện hàng loạt các phép đo tán xạ electron khơng đàn hồi từ proton và neutron nhằm đưa ra bằng chứng thực hiện trực tiếp đầu tiên về việc proton và neutron được tạo thành từ hạt QUARK (hạt cơ bản). Quark là một trong hai thành phần cơ bản cấu thành nên vật chất trong Mơ hình chuẩn của vật lý hạt. Các phản hạt của quark được gọi là các phản quark. Quark và phản quark là những hạt duy nhất tương tác trong cả 4 lực cơ bản của vũ trụ. Đường đi của 6 hạt quark từ phải sang trái. III.2 Tính chất của hạt quark: Chúng ta khơng thể cơ lập để nhìn thấy hạt quark. 20 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Các hạt quark liên kết với nhau bằng lực mạnh, lực này yếu đi khi các hạt quark gần nhau và lớn lên khi ta tìm cách tách xa chúng ra, dẫn đến việc khơng thể tách rời mỗi hạt quark. Hạt quark khơng bao giờ tồn tại riêng lẻ, mà luơn luơn ở trạng thái liên kết hai hoặc nhiều hạt, gọi là hadron, như proton (được cấu tạo từ hai quark u và một quark d) và neutron (được cấu tạo từ hai quark d và một quark u). Một tính chất quan trọng bậc nhất của các quark chính là tính chế ngự. Tính chất này đã giải thích tại sao việc đơn quark khơng được phát hiện trong các thí nghiệm, chúng luơn luơn ở trong các hadron, hạt hạ nguyên tử như các quang tử, neutron và meson. III.3 Các loại hạt Quark: Cĩ 6 loại hạt quark (người ta cịn gọi đĩ là 6 hương vị) :quark up (u), quark charm (c), quark top (t), quark down (d ), quark strange (s), quark bottom (b). Ngồi ra quark cĩ 3 tích màu: đỏ, xanh và lục.  Cấu trúc Quark của các hạt cơ bản: 21 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Cấu trúc quark của proton Cấu trúc quark của proton Cấu trúc quark của neutron Cấu trúc quark của phản pion (π+) Cấu trúc quark của proton Cấu trúc quark của neutron Cấu trúc quark của phản pion Hai định dạng của các hạt III.4 Quá trình khám phá ra các loại hạt quark: Đến nay đã biết 6 quark khác nhau. Để phân biệt, mỗi loại gọi là một hương. Như vậy quark cĩ 6 hương, ký hiệu: u, d, s, c, b, t. Quark cĩ một số lượng tử cộng tính gọi là Baryon, ký hiệu là B. Mỗi hương quark đều cĩ số Baryon bằng 1/3. Các phản quark cĩ số Baryon bằng -1/3. Từ 2 hương u và d cĩ thể tạo được proton và neutron, tức hạt nhân nguyên tử của mọi chất. Năm 1947, khi nghiên cứu tương tác các tia của vũ trụ, đã tìm thấy một hạt cĩ thời gian sống dài hơn dự kiến: 10-10s thay cho 10-23s, trong số các sản phẩm sau va chạm giữa proton và hạt nhân. Hạt này được gọi là hạt lambda, ký hiệu: . Thời gian sống của nĩ dài hơn rất nhiều so với dự kiến, đã được gọi là 22 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy phép lạ, từ đĩ dẫn đến giả thiết về sự tồn tại của hương quark thứ ba trong thành phần của lambda. Hương quark này gọi là quark lạ - strange quark, ký hiệu là s. Hạt lambda sẽ là một Baryon được tạo thành từ 3 hạt quark: up, down, strange. Thời gian sống được dự kiến cho lambda là 10-23s, bởi vì lambda là Baryon nên nĩ sẽ phân rã do tương tác mạnh. Việc lambda cĩ thời gian sống dài hơn dự kiến chắc chắn là do chịu sự chi phối của định luật bảo tồn mới, đĩ là “định luật bảo tồn số lạ”. Hương s cĩ số lượng tử số lạ: S = -1. Sự cĩ mặt của quark lạ trong lambda làm cho nĩ cĩ số số lạ: S = -1. Các phản hadron tương ứng với nĩ sẽ cĩ số lạ S = +1. Các quark u, d sẽ cĩ số lạ bằng 0. Định luật bảo tồn số lạ sẽ ngăn cấm các phản ứng phân rã mà do tương tác mạnh và tương tác điện từ khơng bảo tồn số lạ. Nhưng trong tất cả các phản ứng phân rã của lambda thành các sản phẩm nhẹ hơn:   - + p ; + + n  e- + e + p ; - +  + p Định luật bảo tồn số lạ đều bị vi phạm. Các hạt sản phẩm phân rã cĩ số lạ bằng 0. Vì vậy sự phân rã của lambda phải gây nên bởi tương tác khác, yếu hơn nhiều so với tương tác điện từ và tương tác mạnh, gọi là tương tác yếu. Tương tác yếu sẽ biến quark lạ thành quark up và quark down. Hệ quả là lambda bị phân rã thành các hạt khơng lạ. Do tương tác rất yếu nên lambda cĩ thời gian sống dài hơn dự kiến. Trong các quá trình: uds uud u d uds udd 22 dduu  o  p + - ; 0  n + 0 23 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy S=1 # 0 + 0 ; S= -1 # 0 + 0 Quark lạ được biến đổi thành quark u và d nhờ một Boson trung gian là W- Năm 1974 lại phát hiện được một meson mới gọi là hạt J/Psi (J/). Hạt này cĩ khối lượng cỡ 3100 MeV, lớn hơn gấp 3 lần khối lượng proton. Đây là hạt đầu tiên cĩ trong thành phần một loại hương quark mới, gọi là quark duyên- charm, ký hiệu là c. Hạt J/Psi được tạo nên từ cặp quark và phản quark duyên. Quark duyên cĩ số lượng tử duyên C = +1. Phản quark duyên cĩ số duyên bằng - 1, cịn các quark khác cĩ số duyên bằng khơng. Quark duyên cùng với các quark thơng thường tạo nên các hạt cộng hưởng cĩ duyên. Meson nhẹ nhất cĩ chứa quark duyên là D meson. Nĩ là một ví dụ điển hình của quá trình chuyển đổi từ quark duyên sang quark lạ chi phối bởi tương tác yếu, và do quá trình chuyển đổi này mà D meson phân rã thành các hạt nhẹ hơn. Baryon nhẹ nhất cĩ chứa quark duyên là lambda cộng, ký hiệu c+. Nĩ cĩ cấu trúc quark (u d c) và cĩ khối lượng cỡ 2281 MeV. Năm 1977, nhĩm thực hiện dưới sự chỉ đạo của Leon Lederman tại Fermilab (Fermi National Acceleration Laboratory ở Batavia, Illinois (gần Chicago)), đã tìm thấy một hạt cộng hưởng mới với khối lượng cỡ 9,4 GeV. Hạt này đã được xem như trạng thái liên kết của cặp quark mới là quark đáy – phản 24 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy quark đáy, bottom – antibottom quark, ký hiệu: b và b và được gọi là meson Upsilon Y. Từ các thí nghiệm này suy ra khối lượng của quark đáy b là cỡ 5 GeV. Phản ứng được nghiên cứu đã là: P + N  + - + X Trong đĩ N là hạt nhân của đồng đỏ hoặc platinum. Hương quark đáy cĩ một số lượng tử mới, đĩ là số đáy Bq= -1. Đối với các hương quark khác số đáy bằng khơng. Các quark hình như tạo với nhau thành các đa tuyến trong thuyết tương đối yếu. Chúng tạo thành các lưỡng tuyến yếu như (u,d), (c,s). Khi cần đưa vào quark đáy b để giải thích sự tồn tại của hạt Upsilon, thì tự nhiên sẽ nảy sinh vấn đề tồn tại một hạt quark song hành với nĩ. Hạt này được gọi là quark đỉnh – top quark, ký hiệu là t. Vào tháng 4 năm 1995 sự tồn tại của hương quark đỉnh t được khẳng định. Bằng máy gia tốc Tevatron thuộc viện Fermilab đã tạo ra proton cỡ 0,9 TeV và cho nĩ va chạm trực tiếp với phản proton cĩ năng lượng tương tự. Bằng cách phân tích các sản phẩm va chạm đã tìm được dấu vết của t. Kết quả cũng được khẳng định sau khi xử lý hàng tỷ kết quả thu được trong quá trình va chạm proton – phản proton với năng lượng cỡ 1,8 TeV. Khối lượng của top quark cỡ vào khoảng 174,3 ± 5,1 GeV. Nĩ lớn hơn 180 lần so với khối lượng proton và gần hai lần khối lượng hạt cơ bản vừa tìm được, meson vecto Z0 (Z0 là hạt truyền tương tác yếu, cĩ khối lượng cỡ 93 GeV. Quark đỉnh cĩ số lượng tử mới gọi là số đỉnh. Nĩ bằng Tq= +1 cho quark đỉnh, và bằng -1 cho phản hạt tương ứng. Số đỉnh sẽ bằng 0 so với các số khác. III.5 Điện tích: Q = 2/3 e: quark up, quark charm, quark top t. 25 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Q = -1/3e: quark down, quark strange, quark bottom. Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), mỗi quark đều cĩ phản hạt và tồn tại ở 6 hương. Hệ Tên/Hương Điện tích Khối lượng (MeV) Phản quark Trên (u) +⅔ 1.5 đến 4 Phản quark trên: 1 Dưới (d) −⅓ 4 đến 8 Phản quark dưới: Lạ (s) −⅓ 80 đến 130 Phản quark lạ: 2 Duyên (c) +⅔ 1,150 đến 1,350 Phản quark duyên: Đáy (b) −⅓ 4,100 đến 4,400 Phản quark đáy: 3 Đỉnh (t) +⅔ 178,000 ± 4,300 Phản quark đỉnh:  Thí nghiệm vật lý kì lạ khám phá cấu trúc proton: Quark là các hạt nhỏ dưới mức nguyên tử, hình thành các khối tạo nên nguyên tử. Các hạt quark lắp ráp với nhau như thế nào để thành proton và nơtron và cái gì đã gắn kết chúng với nhau hiện nay cịn chưa rõ. Thí nghiệm mới này gĩp một phần vào việc giải đáp vấn đề. Thí nghiệm, được gọi là Thí nghiệm G-Zero, được thực hiện tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson ở Newport News. Được thiết kế để thử nghiệm cấu trúc của proton, đặc biệt là sự đĩng gĩp của các hạt quark kỳ lạ, thí nghiệm đã thu hút một nhĩm 108 nhà khoa học của quốc tế từ 19 cơ sở khác nhau. Steve Williamson, nhà vật lý thuộc trường Đại học Illinois ở Urbana - Champain, là người điều phối thí nghiệm này. 26 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Theo Doug Beck, Nhà Vật lý ở Illinois và là Người phát ngơn của Thí nghiệm, Thí nghiệm G-Zero đưa ra một cách nhìn bao quát hơn nhiều về cấu trúc của proton ở quy mơ nhỏ. Trong khi các kết quả thí nghiệm nhất quán với gợi ý của các thí nghiệm trước đây, phát hiện mới cĩ quy mơ lớn hơn nhiều và đưa ra một bức tranh rõ hơn nhiều. Beck sẽ trình bày các kết quả thí nghiệm tại hội thảo của Cơ sở Jefferson. Cấu phần cơ bản của Thí nghiệm G-Zero là nam châm siêu dẫn hình bánh rán đường kính 14 feet, được các nhà vật lý ở Illinois thiết kế và thử nghiệm. Để chế tạo nam châm nặng 100.000 pound này mất 3 năm. Trong thí nghiệm, một chùm nhiều electron phân cực được tán xạ từ đối tượng hydro lỏng chứa trong lõi của nam châm. Các máy dị, được lắp ráp xung quanh chu vi của nam châm, ghi lại số lượng và vị trí của các hạt phát tán. Sau đĩ, các nhà nghiên cứu sử dụng mơ hình tốn học để theo dõi đường đi của các hạt để xác định momen của chúng. Beck cho biết, cĩ rất nhiều năng lượng trong proton. Một phần năng lượng này cĩ thể thay đổi tới lui liên tục vào các hạt gọi là hạt quark kỳ lạ. Khơng giống như ba loại hạt quark (hai loại "lên" và một loại "xuống") luơn luơn tồn tại trong proton, các hạt quark kỳ lạ này cĩ thể thoắt tồn tại và khơng tồn tại. Beck cho biết, do sự tương tự về khối lượng và năng lượng, các trường năng lượng trong proton đơi khi cĩ thể tự biểu hiện như các hạt quark "một phần thời gian" này. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát thấy các hạt quark kỳ lạ trong trường hợp này và cũng là lần đầu tiên các nhà khoa học trắc lượng được tần suất năng lượng này thể hiện như hạt ở điều kiện bình thường. Các kết quả này hỗ trợ các nhà khoa học hiểu rõ hơn cách thức các cấu phần nhỏ của Mơ hình chuẩn lắp ghép với nhau như thế nào. Mơ hình chuẩn thống nhất ba lực: điện từ trường, tương tác hạt nhân yếu và tương tác hạt nhân 27 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy mạnh. Theo Beck, Thí nghiệm G-Zero giúp hiểu rõ hơn về lực tương tác mạnh - cách thức các proton và nơtron gắn kết với nhau. Tuy nhiên, cịn cần nghiên cứu nhiều hơn nữa. 28 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy TÀI LIỆU THAM KHẢO www.vista.gov.vn/portal/page?_pageid=33,28752... bacbaphi.com.vn/.../showthread.php?t=110450 Benjamin Franklin Joseph J. Thomson Dt_d%E1%BA%A7u_Millikan ịch sử ra đời của các hạt sơ cấp 29 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy V PHỤ LỤC: V.1 Tiểu sử Thomson: Joseph J. Thomson sinh năm 1856 trên đồi Cheetham_Manchester tại Anh, trong gia đình người Scotland. Cha chết khi ơng được 16 tuổi. Năm 1870, ơng nghiên cứu kỹ thuật tại Trường Đại học Manchester được gọi là trường Cao đẳng Owens tại thời điểm đĩ, và chuyển vào Trinity College, Cambridge in 1876. Trong 1884, ơng trở thành giáo sư Vật lý. Một trong những học sinh của ơng là Ernest Rutherford, người sau này sẽ thành cơng trong lĩnh vực vật lý. Năm 1890, ơng lập gia đình với Rose Elisabeth Paget, con gái của ngài George Edward Paget, một bác sĩ và sau đĩ là giáo sư vật lý ở Cambridge. Ơng là cha của một con trai, George Paget Thomson, và một đứa con gái, Joan Paget Thomson. Năm 1906 ơng được trao giải thưởng Nobel Prize. Ngày 30/8/1940 ơng mất và được chơn tại Westminster Abbey, gần Ngài Isaac Newton. Thomson được bầu là Uỷ viên của Royal Xã hội ngày 12 tháng 6 năm 1884 và sau đĩ trở thành Chủ tịch của Royal Xã hội từ 1915 đến 1920. V.2 Tiểu sử Millikan: Giáo sư Robert Andrews Millikan (22/ 3/1868 – 19/12/1953) là một nhà vật lý thực nghiệm người Mỹ. Ơng đã giành Giải Nobel Vật lý vào năm 1923 về phương pháp đo chính xác điện tích điện tử và và nghiên cứu của ơng về hiệu 30 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy ứng quang điện. Ơng cũng là người nghiên cứu về các bức xạ vũ trụ. Ơng mất do bệnh đau tim tại San Marino, California, Hoa Kỳ. Millikan nhận bằng cử nhân hạng nhất từ trường Đại học Oberlin năm 1891 và bằng tiến sỹ vật lý của trường đại học Columbia năm 1895 – ơng là người đầu tiên nhận được học vị tiến sỹ từ trường này. V.3 Tiểu sử Ernest Rutherford: Ernest Rutherford (1871 - 1937) là một nhà vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phĩng xạ và cấu tạo nguyên tử. Ơng được coi là "cha đẻ" của vật lý hạt nhân; sau khi đưa ra mơ hình hành tinh nguyên tử để giải thích thí nghiệm trên lá vàng. Ernest Rutherford sinh ngày 30 tháng 8 năm 1871 ở Nelson, New Zealand. Rutherford đã nghiên cứu hiện tượng phĩng xạ từ đầu thập niên 1900. Ơng đã phát hiện ra ba dạng tia phát ra từ các chất phĩng xạ. Ơng (cùng với Soddy) đã đưa ra thuyết phân rã phĩng xạ; đã chứng minh sự tạo thành heli trong quá trình phĩng xạ, đã phát hiện ra hạt nhân nguyên tử và nghiên cứu mơ hình của hạt nhân nguyên tử, đặt cơ sở cho thuyết hiện đại về cấu tạo nguyên tử. 31 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Năm 1907, ơng là giáo sư vật lý ở trường Đại học Manchester. Năm 1908, ơng được tặng giải thưởng Nobel hĩa học cho các cơng trình chứng minh rằng các nguyên tử bị phân rã trong hiện tượng phĩng xạ. Từ năm 1919, ơng làm việc ở Cambridge và Luân Đơn. Tại đây, ơng đã thực hiện sự chuyển hĩa nhân tạo đầu tiên giữa các nguyên tố bền (cịn gọi là kỹ thuật giả kim thuật). Cụ thể là ơng đã biến nitơ thành ơxy bằng cách dùng các hạt alpha bắn phá vào chúng. Ngồi giải thưởng Nobel hĩa học, Ernest Rutherford đã được nhận nhiều vinh danh khác. Ơng đã được bầu làm viện sĩ danh dự của Viện hàn lâm Khoa học Liên Xơ (nay là Viện hàn lâm Khoa học Liên bang Nga). V.4 Tiểu sử James Chadwick: James Chadwick (20 tháng 10 1891 – 24 tháng 7 1974) là một nhà vật lý người Anh. Ơng được nhận Giải Nobel Vật lý năm 1935 vì đã khám phá ra neutron. James Chadwick sinh ra tại Cheshire của Anh, ơng là con trai của John Joseph Chadwick và Anne Mary Knowles. Ơng học ở trường Trung học Manchester, nghiên cứu tại học Đại học Manchester và Đại học Cambridge. Năm 1913 Chadwick đến Học viện kỹ thuật Berlin và làm việc với Hans Geiger ở đĩ. ơng cũng làm việc cùng Ernest Rutherford. Ở Đức, vào thời gian đầu của cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ nhất, ơng bị vào tù tận khi phịng thí nghiệm của Geiger can thiệp để thả ơng. Sau chiến tranh, Chadwick trở lại Cambridge nơi ơng làm việc với Ernest Rutherford để kiểm tra, nghiên cứu sự phát xạ của tia gamma từ các vật liệu 32 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy phĩng xạ. Họ cũng nghiên cứu sự biến đổi của nguyên tố khi bắn phá chúng bằng các hạt alpha, và khám phá về bản chất của hạt nhân nguyên tử. V.5 Tiểu sử Gell – Mann: Murray Gell-Mann (sinh 15/9/1929) là một nhà vật lý người Mỹ. Năm 1969, ơng nhận được Nobel Prize trong lĩnh vực vật lý cho các hoạt động trên lý thuyết của các hạt nhỏ. Một trong số rất nhiều thành tựu của ơng là ơng đã xây dựng thành cơng mơ hình Quark của hạt cơ bản, và xác định cấu trúc, hương vị của hạt quarks. Ơng đã khám phá ra lý thuyết của VA chiral neutrinos phối hợp với Richard Feynman. Ơng đã tạo ra hiện thời đại số trong những năm 1960 như là một cách để rút ra các mơ hình dự báo Quark từ khi các lý thuyết cơ bản vẫn cịn âm u, mà dẫn tới mơ hình độc lập tổng quy tắc xác nhận của thử nghiệm. Gell-Mann, cùng với Levy, khám phá ra mơ hình hạt cơ bản sigma, trong đĩ mơ tả năng lượng thấp tương tác của hạt cơ bản.. Sửa đổi các nguyên tính của Quark mơ hình Hàn và Nambu, Fritsch và Gell-Mann đã là người đầu tiên viết xuống hiện đại, chấp nhận lý thuyết về QCD (quantum chromodynamics) mặc dù họ khơng dự đốn asymptotic quyền tự do ngơn luận. V.6 George Zweig: George Zweig (sinh ngày 30 tháng 5 năm 1937 tại Mat-xcơ-va, Nga, vào một gia đình Jewish). 33 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy Đến năm 1959 tốt nghiệp của Trường Đại học Michigan, Zweig đề nghị sự tồn tại của Quarks trong khi một học sinh tốt nghiệp trong Vật lý tại Viện cơng nghệ California năm 1964 (độc lập của Murray Gell-Mann). Zweig gọi chúng là "aces", Gell-Mann gọi là quarks. Trong năm sau, khi lý thuyết Quark đã được thành lập như là tiêu chuẩn mơ hình phân tử trong vật lý, các Ủy ban Nobel dường như họ khơng nhận ra Zweig như các nhà khoa học người đầu tiên viết ra các lý thuyết của tác động một cách chi tiết. Mặc dù Zweig's seminal đĩng gĩp cho lý thuyết từ trung ương đến vật lý hiện đại, nhưng ơng đã khơng được trao giải thưởng Nobel Prize. Zweig sau đĩ chuyển vào neurobiology, và nghiên cứu các tín hiệu của âm thanh vào xung điện thần kinh trong của tai con người. Năm 1975, trong khi nghiên cứu tai, ơng đã khám phá ra liên tục chuyển đổi wavelet. Trong 1981, Zweig đã nhận được một MacArthur Prize Fellowship. Năm 1996, Zweig đã được bầu vào quốc gia của Học viện Khoa học. Zweig bây giờ làm việc cho các cơng nghệ Renaissance trên Long Island, NY. V.7 Tiểu sử Beniamin Franklin: Benjamin Franklin (17/1/1706 – 17/ 4/1790) là một trong những người thành lập đất nước nổi tiếng nhất của Hoa Kỳ. Ơng là một chính trị gia, một nhà khoa học, một tác giả, một thợ in, một triết gia, một nhà phát minh, nhà hoạt động xã hội, một nhà ngoại giao hàng đầu. Trong lĩnh vực khoa học, ơng là gương mặt điển hình của lịch sử vật lý vì những khám phá của ơng và những lý thuyết về điện, 34 Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy ví dụ như các khám phá về hiện tượng sấm, sét. Ơng cũng là người đã phát minh ra cột chống sét. Sinh ra ở Boston, Massachusetts, Franklin đã học nghề in từ anh trai của ơng và trở thành một chủ biên tập báo, một thọ in và một thương gia rất giàu cĩ ở Philadelphia. Franklin rất quan tâm tới khoa học và kỹ thuật, ơng đã thực hiện những thí nghiệm và phát minh điện nổi tiếng— ngồi cột thu lơi — bếp lị Franklin, ống thơng tiểu, chân nhái, harmonica, và kính hai trịng. Ơng cũng đĩng vai trị quan trọng trong việc thành lập Đại học Pennsylvania và Trường Franklin và Marshall. Ơng đã được bầu làm chủ tịch đầu tiên của Hội Triết học Mỹ, hội học thuật đầu tiên tại Hoa Kỳ, năm 1769. Franklin nĩi thành thạo năm thứ tiếng. Ơng thường được cơng nhận là người đa tài. Để ghi nhận những nghiên cứu trong lĩnh vực điện của ơng, Franklin đã nhận được Huy chương Copley của Royal Society năm 1753, và vào năm 1756 ơng trở thành một trong số ít người Mỹ ở thế kỷ mười tám được bầu làm Fellow of the Society. Đơn vị cgs của electric charge đã được đặt theo tên ơng: một franklin (Fr) tương đương một statcoulomb. Năm 1753, cả Đại học Harvard và Đại học Yale đều trao bằng danh dự cho ơng. Ơng cũng tham gia Hội Mặt trăng (Lunar Society) cĩ nhiều ảnh hưởng tại Birmingham, ơng thường trao đổi với hội này và thỉnh thoảng lui tới trụ sở hội tại West Midlands mỗi khi tới thăm Birmingham.