(Luận văn) xây dựng tài liệu tham khảo các kiến thức cơ học lượng tử cho học sinh trung học phổ thông
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.46 MB, 64 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ
lu
TRƯƠNG H BẢO
an
n
va
to
p
ie
gh
tn
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
oa
nl
w
do
d
XÂY DỰNG TÀI LIỆU THAM KHẢO
an
lu
u
nf
va
CÁC KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
ll
CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THƠNG
oi
m
z
at
nh
z
@
m
co
l.
ai
gm
Chun ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ mơn Vật lí
an
Lu
TP. HỒ CHÍ MINH, 2019
n
va
ac
th
si
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ
lu
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
an
n
va
gh
tn
to
p
ie
XÂY DỰNG TÀI LIỆU THAM KHẢO
CÁC KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
d
oa
nl
w
do
ll
u
nf
va
an
lu
oi
m
z
at
nh
Người thực hiện: TRƯƠNG HUÊ BẢO
Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ VĂN NĂNG
z
m
co
l.
ai
gm
@
an
Lu
n
va
TP. HỒ CHÍ MINH, 2019
ac
th
si
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. ĐỖ VĂN NĂNG - người đã tận tình giúp đỡ và
hướng dẫn tơi trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện khóa luận này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Trường, Phịng Đào tạo, các thầy cơ trong khoa Vật
lí - Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thực
hiện khóa luận này.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Thanh Bình, hiệu trưởng
trường THPT Võ Văn Kiệt đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện khảo sát thực trạng tại
trường.
Qua đây, tôi cũng xin bày tỏ lịng cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè
lu
đã giúp đỡ tơi trong thời gian thực hiện khóa luận này.
an
va
n
TP. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 5 năm 2019
to
p
ie
gh
tn
SINH VIÊN
oa
nl
w
do
d
TRƯƠNG HUÊ BẢO
ll
u
nf
va
an
lu
oi
m
z
at
nh
z
m
co
l.
ai
gm
@
an
Lu
n
va
ac
th
si
ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1.Mơ hình vật đen thường được dùng trong phòng thí nghiệm. .............. 16
Hình 2.2.Phổ bức xạ của vật đen ứng với các nhiệt độ khác nhau. ..................... 17
Hình 2.3.Các loại quang phổ. ............................................................................... 18
Hình 2.4.Hố thế năng chữ nhật vuông góc thành cao vô hạn bề rộng 𝑎. ............. 21
Hình 2.5.Rào thế bậc thang chiều cao 𝑉0. ........................................................... 22
Hình 2.6.Đường cong thể hiện sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nhiệt dung riêng của
mạng tinh thể một số chất. .................................................................................... 33
Hình 2.7.Sự khác nhau giữa các vùng năng lượng. ............................................. 35
Hình 2.8.Sự tạo ảnh phóng đại qua kính hiển vi quang học. ............................... 37
lu
Hình 2.9.Máy tính lượng tử của hãng D-wave. ................................................... 39
an
n
va
p
ie
gh
tn
to
d
oa
nl
w
do
ll
u
nf
va
an
lu
oi
m
z
at
nh
z
m
co
l.
ai
gm
@
an
Lu
n
va
ac
th
si
iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1.Một số đặc điểm của hạt Pion ............................................................... 36
Bảng 3.1.Số liệu thống kê về đánh giá các kiến thức........................................... 41
Bảng 3.2.Điểm trung bình và mức đợ phù hợp của các kiến thức ....................... 42
Bảng 3.3.Số liệu thống kê về đánh giá tài liệu ..................................................... 43
Bảng 3.4.Điểm trung bình và các mức đợ khảo sát về tài liệu ............................. 44
lu
an
n
va
p
ie
gh
tn
to
d
oa
nl
w
do
ll
u
nf
va
an
lu
oi
m
z
at
nh
z
m
co
l.
ai
gm
@
an
Lu
n
va
ac
th
si
iv
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. I
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... II
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... III
MỤC LỤC
...........................................................................................................IV
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
I. Giới thiệu tổng quan ............................................................................................ 1
II.Mục tiêu thực hiện của đề tài .............................................................................. 2
III.Giả thuyết khoa học ........................................................................................... 2
IV.Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 3
lu
V.Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 3
an
VI.Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................ 3
va
n
VII.Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 3
gh
tn
to
CHƯƠNG 1. XÂY DỰNG TÀI LIỆU KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHO
MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG .................................................... 4
ie
p
1.1.Cơ sở xây dựng hệ thống kiến thức cơ học lượng tử môn vật lí bậc trung học
do
nl
w
phổ thông ............................................................................................................. 4
oa
1.1.1. Một số đặc điểm về tâm lí học của học sinh trung học phổ thông ..........4
d
1.1.2. Công cụ toán học ở bậc trung học phổ thông ..........................................6
lu
va
an
1.1.3. Một số kiến thức vật lí ở bậc trung học phổ thông ..................................7
u
nf
1.1.4. Đặc điểm kiến thức cơ học lượng tử ở bậc trung học phổ thông ............9
ll
1.1.5. Các tiêu chí lựa chọn kiến thức trong tài liệu ........................................10
m
oi
1.2.Quy trình xây dựng hệ thống kiến thức cơ học lượng tử cho môn vật lí bậc
z
at
nh
trung học phổ thông .............................................................................................. 10
1.2.1. Phân tích các đặc điểm cơ bản của kiến thức vật lí bậc trung học phổ
z
@
thông ...............................................................................................................10
l.
ai
gm
1.2.2. Xác định mục tiêu chung của tài liệu ....................................................12
1.2.3. Xây dựng cấu trúc các nội dung kiến thức ............................................13
m
co
1.2.4. Thiết kế nội dung chi tiết cho từng bài học ...........................................13
an
Lu
1.2.5. Thực hiện khảo sát, đánh giá .................................................................13
n
va
ac
th
si
v
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO KIẾN THỨC CƠ HỌC
LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ................................ 14
2.1.Khái quát về cơ học lượng tử.......................................................................... 14
2.1.1. Khái niệm về cơ học lượng tử ...............................................................14
2.1.2. Các khái niệm ........................................................................................15
2.1.3. Các lí thuyết lượng tử cơ bản ................................................................23
2.2.Các ứng dụng của cơ học lượng tử ................................................................. 31
2.2.1. Giải thích sự phụ thuộc của nhiệt dung chất rắn vào nhiệt độ ..............32
2.2.2. Xây dựng lí thuyết để phân biệt kim loại, chất bán dẫn và điện môi ....34
2.2.3. Tiên đoán hạt meson ..............................................................................35
lu
2.2.4. Kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM) ......................................36
an
2.2.5. Máy tính lượng tử ..................................................................................38
va
n
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ TÀI LIỆU THAM KHẢO CƠ HỌC
3.1.Mục tiêu khảo sát, đánh giá ............................................................................ 40
ie
gh
tn
to
LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỞ THƠNG ................................ 40
p
3.2.Phạm vi và đới tượng khảo sát, đánh giá ........................................................ 40
do
nl
w
3.2.1. Phạm vi ..................................................................................................40
oa
3.2.2. Đối tượng ...............................................................................................40
d
3.3.Tiến trình khảo sát, đánh giá........................................................................... 40
lu
va
an
3.3.1. Lập phiếu khảo sát, đánh giá .................................................................40
u
nf
3.3.2. Lấy ý kiến khảo sát, đánh giá ................................................................40
ll
3.4.Kết quả khảo sát, đánh giá .............................................................................. 40
m
oi
3.4.1. Về các nội dung kiến thức được truyền tải trong tài liệu tham khảo ....40
z
at
nh
3.4.2. Về đánh giá tổng quát tài liệu ................................................................43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 46
z
PHỤ LỤC
gm
@
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 47
........................................................................................................ PL1
l.
ai
Phụ Lục 1 ........................................................................................................ PL1
m
co
........................................................................................................ PL3
Phụ lục 3
........................................................................................................ PL5
an
Lu
Phụ lục 2
n
va
ac
th
si
1
PHẦN MỞ ĐẦU
I.
Giới thiệu tổng quan
Thế giới chúng ta đã và đang trải qua bốn cuộc cách mạng công nghiệp lớn. Các
cuộc cách mạng công nghiệp này ít nhiều đều liên quan đến lĩnh vực vật lí. Trong đó,
vật lí hiện đại đã đóng góp một phần quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp
lần Thứ Tư. Điều này đã một phần khẳng định rằng vật lí ngày càng mở rộng và ngày
càng phát triển lớn mạnh, đi sâu vào đời sống thường ngày của mọi người. Điển hình
như máy tính lượng tử, một ứng dụng của vật lí hiện đại đang rất được quan tâm,
được đánh giá là một “bước nhảy vọt” của công nghê thông tin thế kỉ XXI. [5] Như
lu
vậy, các kiến thức vật lí hiện đại đang được mọi người tập trung chú ý tới, đặc biệt là
an
Chương trình học môn vật lí bậc trung học phổ thông hiện nay chỉ dừng lại ở
n
va
cơ học lượng tử – kiến thức nền tảng cho vật lí hiện đại.
gh
tn
to
việc cung cấp các kiến thức vật lí ở mức độ cổ điển. Các kiến thức này đã được phát
p
ie
triển và được đưa vào giảng dạy từ rất nhiều năm trước. Ngày nay, cùng với mạng xã
do
hội và các thiết bị công nghê thông tin, học sinh có thể dễ dàng tiếp cận các kiến thức
nl
w
vật lí này. Trong khi đó, các kiến thức vật lí hiện đại, cụ thể là cơ học lượng tử đang
d
oa
rất được quan tâm vì có nhiều sản phẩm và giải pháp hiện đại phục vụ đời sống và
an
lu
khoa học kỹ thuật, tiêu biểu như máy tính lượng tử, kính hiển vi quét xuyên hầm
va
lượng tử, … Nhờ các lí thuyết cơ học lượng tử mà chúng ta có thể hiểu hơn và giải
u
nf
thích rõ hơn về các quy luật, hiện tượng vật lí liên quan. Đồng thời, các lý thuyết này
ll
cũng giúp con người hiểu biết hơn về thế giới và cuộc sống. Nhìn chung, cơ học lượng
m
oi
tử đang đóng một vai trò không nhỏ đối với khoa học kĩ thuật và đời sống nhưng
z
at
nh
chương trình mơn Vật lí ở Việt Nam hiện tại vẫn chưa đề cập tới các kiến thức này.
Nên điều cấp thiết là phải giới thiệu được cho học sinh những kiến thức vật lí hiện
z
gm
@
đại, đặc biệt là cơ học lượng tử, một cách đơn giản nhất để giúp học sinh vừa tiếp cận
được những điều mới, vừa có thể tạo nên niềm yêu thích khoa học ở mỗi học sinh.
l.
ai
m
co
Việc truyền tải một số kiến thức vật lí hiện đại, bao gồm cơ học lượng tử đã
được nền giáo dục của nhiều quốc gia phát triển quan tâm. Đã có nhiều công trình
an
Lu
nghiên cứu để đưa cơ học lượng tử đến gần hơn với trẻ em, tiêu biểu cho các tác phẩm
n
va
ac
th
si
2
này gồm có “Quantum Mechanics for Babies” (tạm dịch: Cơ học lượng tử cho Trẻ
nhỏ), “Quantum Computing for Babies” (tạm dịch: Điện toán lượng tử cho Trẻ nhỏ),
“Quantum Entanglement for Babies” (tạm dịch: Vướn víu lượng tử cho Trẻ nhỏ) và
nhiều sách khác của tác giả Chris Ferrie. Trong đó, sách “Quantum Mechanics for
Babies” chỉ đơn thuần giúp cho các bé biết rằng thế giới nguyên tử luôn chuyển động
liên tục. Tác giả giới thiệu một cách hài hước, dễ hiểu với những hình vẽ minh hoạ
để trẻ nhỏ có thể biết một phần nào đó về vật lí hiện đại. Nhưng, kiến thức mà các tác
phẩm này cung cấp chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản, vì đối tượng nhắm đến là các em
nhỏ. Và hiện nay, chưa có một tài liệu nào để cung cấp kiến thức cơ học lượng tử bậc
lu
an
trung học phổ thông.
n
va
Một cuộc khảo sát nhỏ được diễn ra để hỏi thăm ý kiến của học sinh và giáo
lục 2), kết quả cho thấy học sinh có mong ḿn được tìm hiểu thêm các ứng dụng
gh
tn
to
viên về sự mong muốn tài liệu này (phiếu khảo sát được cung cấp ở phụ lục 1 và phụ
p
ie
liên quan đến cơ học lượng tử, từ đó, các em ḿn đọc thêm tài liệu để có thể mở
do
mang kiến thức.
nl
w
Trước thực tế đó, việc xây dựng một tài liệu tham khảo về kiến thức vật lí hiện
d
oa
đại, cụ thể hơn là cơ học lượng tử là một điều cần thiết. Do vậy, nghiên cứu này tập
an
lu
trung xây dựng nội dung cho tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cơ bản cho học
va
sinh trung học phổ thông.
u
nf
II. Mục tiêu thực hiện của đề tài
ll
Xây dựng được một tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử ở mức độ cơ bản cho
z
at
nh
III. Giả thuyết khoa học
oi
m
học sinh trung học phổ thông.
Nếu chỉ ra và sử dụng được các đặc điểm cần thiết của các kiến thức cơ học
z
gm
@
lượng tử cho học sinh Trung học Phở thơng thì sẽ xây dựng được tài liệu tham khảo
về cơ học lượng tử cho bậc Trung học Phổ thông một cách phù hợp với nhận thức
l.
ai
m
co
của học sinh; góp phần cập nhật các kiến thức vật lí hiện đại; cung cấp được một số
ứng dụng trong đời sống và khoa học kĩ thuật; vun đắp thêm niềm đam mê khoa học
an
Lu
cho học sinh.
n
va
ac
th
si
3
IV. Đối tượng nghiên cứu
Những kiến thức cơ học lượng tử, các ứng dụng của cơ học lượng tử và đặc
điểm tâm lí, nhu cầu nhận thức của học sinh trung học phổ thông.
V. Phạm vi nghiên cứu
Địa bàn nghiên cứu: Học sinh, sinh viên và giáo viên thuộc thành phớ Hồ Chí
Minh.
Nợi dung nghiên cứu: Tâm lí học sinh, nội dung kiến thức cơ học lượng tử, các
ứng dụng cơ học lượng tử.
VI. Nhiệm vụ nghiên cứu
lu
− Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu các kiến thức cơ học lượng tử và viết lại một cách
an
va
đơn giản, dễ hiểu; sắp xếp theo một trình tự hợp lí, logic.
n
− Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu cơ sở xây dựng tài liệu tham khảo kiến thức (đặc
to
− Nhiệm vụ 3: Tìm hiểu cách xây dựng tài liệu tham khảo kiến thức (cơ sở,
p
ie
gh
tn
điểm tâm sinh lí, công cụ toán, kiến thức vật lí).
do
quy trình).
nl
w
− Nhiệm vụ 4: Viết tài liệu.
d
oa
− Nhiệm vụ 5: Chỉnh sửa các sai sót. Hoàn thiện sản phẩm.
an
lu
− Nhiệm vụ 6: Khảo sát, đánh giá sản phẩm.
va
VII. Phương pháp nghiên cứu
ll
u
nf
− Phương pháp phân tích và tổng hợp lí thuyết.
oi
m
− Phương phân loại hệ thống hoá lí thuyết.
z
at
nh
− Phương phân tích và tổng hợp kinh nghiệm.
− Phương pháp kiểm tra, đánh giá.
z
m
co
l.
ai
gm
@
an
Lu
n
va
ac
th
si
4
CHƯƠNG 1. XÂY DỰNG TÀI LIỆU KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
CHO MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
1.1. CƠ SỞ XÂY DỰNG HỆ THỐNG KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
MƠN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỞ THƠNG
1.1.1. Mợt số đặc điểm về tâm lí học của học sinh trung học phổ thông
1.1.1.1. Hoạt động học tập – hướng nghiệp của học sinh trung học phổ thông
Hoạt động học tập - hướng nghiệp là một hoạt động chủ đạo của học sinh trung
học phổ thông. Hoạt động này rất quan trọng đối với các em và chi phối hầu hết đến
lu
sự hình thành và phát triển nhân cách. Ở tuổi này các em đã hình thành xu hướng
an
nghề nghiệp. Đây là mợt nét cấu tạo tâm lí mới của học sinh trung học phổ thông.
va
n
Nhờ có xu hướng nghề nghiệp mà học sinh có những đợng lực nhằm thúc đẩy bản
gh
tn
to
thân các em cớ gắng học tập và tìm kiếm những phương pháp để rèn lụn bản thân
mình.
ie
p
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc chọn nghề của học sinh như ý kiến của
do
nl
w
phụ huynh, khả năng tự đánh giá bản thân, tác động từ bạn bè, sự hướng dẫn của thầy
oa
cô giáo, … Chọn nghề là một công việc có ý nghĩa trong cuộc đời của học sinh, do
d
đó, nhà trường, giáo viên cùng phối hợp với phụ huynh học sinh để định hướng tốt
lu
va
an
cho các em sau này. [4]
u
nf
Các ngành nghề liên quan đến vật lí ít nhiều đều phải học về cơ học lượng tử.
ll
Do đó, việc xây dựng tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử để giới thiệu cho học sinh
m
oi
một phần nào đó giúp các em đỡ bỡ ngỡ khi phải học mơn này trên giảng đường đại
tịi cái mới.
z
at
nh
học, cũng như vun đắp thêm cho học sinh niềm đam mê khoa học, khơng ngừng tìm
z
a. Tri giác
l.
ai
gm
@
1.1.1.2. Hoạt đợng nhận thức của học sinh trung học phổ thông
m
co
Ở lứa tuổi trung học phổ thông, tri giác đã phát triển hơn nhiều. Các em tri giác
có chủ định, có mục đích hơn, vừa tri giác vừa suy xét. Học sinh khi tri giác một vấn
an
Lu
n
va
ac
th
si
5
đề mới luôn tự đặt ra câu hỏi như “Học làm gì?”, “Có ý nghĩa gì với đời sống?”, “Có
liên quan gì đến những cái mình đã học không?”. [4]
Do đó, việc xây dựng tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử sẽ dựa trên kiến
thức vật lí mà các em đã được giới thiệu, thông qua đó nêu lên những ứng dụng thực
tế để các em cảm thấy kiến thức gần gũi hơn với đời sống hằng ngày. [4]
b. Trí nhớ
Cũng như tri giác, việc ghi nhớ của học sinh trung học phở thơng là ghi nhớ có
chủ định, nó phát triển mạnh mẽ và đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển
nhận thức của học sinh. Ngoài ra, việc ghi nhớ có ý nghĩa ở lứa t̉i này phát triển
lu
an
mạnh mẽ và tạo nên tính logic, mang tính hệ thớng cao trong nhận thức của học sinh.
Do đó, tài liệu về cơ học lượng tử sẽ đưa ra những nợi dung chính, những nợi
n
va
[4]
gh
tn
to
dung quan trọng và cơ bản nhất của cơ học lượng tử giới thiệu cho học sinh. Ngồi
p
ie
ra, cách sắp xếp bớ cục cũng sẽ hợp lí để các em có thể nhớ lâu hơn. Hệ thống kiến
do
thức cơ học lượng tử sẽ đưa vào những hình ảnh minh hoạ để học sinh có thể hình
nl
w
dung được bài học dễ dàng hơn.
d
oa
c. Tư duy
an
lu
Phát triển tư duy cho học sinh là một trong những mục tiêu quan trọng của nền
va
giáo dục hiện nay. Việc phát triển tư duy cho học sinh, đặc biệt là học sinh trung học
u
nf
phổ thông sẽ giúp học sinh phát triển hoàn thiện về nhận thức và tạo ra niềm tin, sự
ll
tự tin cho các em khi gặp một vấn đề mới cần được giải quyết. Ở lứa tuổi trung học
m
oi
phổ thông, tư duy trừu tượng phát triển mạnh và giữ vai trị quan trọng. Ngồi ra, các
z
at
nh
phẩm chất tư duy như tính đợc lập, tính lập ḷn, tính phê phán, tính linh hoạt, …
cũng phát triển mạnh mẽ. Hơn nữa, tư duy lí luận giúp các em có thể giải quyết các
z
gm
@
vấn đề học tập cũng như làm cơ sở để có thể học tiếp ở bậc học cao hơn, hình thành
thế giới quan khoa học ở chính bản thân các em. [4]
l.
ai
m
co
Do đó, tài liệu cơ học lượng tử sẽ được xây dựng tối ưu để có thể phát triển tư
duy cho học sinh, từ đó hình thành thế giới quan khoa học cho các em. Tài liệu này
an
Lu
n
va
ac
th
si
6
sẽ dựa trên kiến thức mà học sinh đã biết và dùng các phương pháp đối chiếu, so sánh,
… để đưa ra kiến thức mới.
1.1.2. Công cụ toán học ở bậc trung học phổ thông
Toán học là một công cụ rất cần thiết cho bộ môn vật lí. Toán học vừa là công
cụ để có thể giải quyết những bài toán khó, mặt khác, toán học là một cách thể hiện
về mặt kí hiệu của các định luật, định lí của vật lí. Hiểu biết được ý nghĩa toán học sẽ
giúp chúng ta hiểu sâu hơn về vật lí từ đó hiểu được thế giới chúng ta nhiều hơn. Do
vậy, toán học là một công cụ không thể thiếu cho việc xây dựng các kiến thức vật lí.
Ở Việt Nam, học sinh đã bước đầu làm quen với những con số từ mẫu giáo, và
lu
việc học toán đã đi theo các em từ Tiểu học, đến hết bậc Trung học phổ thông. Mỗi
an
n
va
cấp bậc cung cấp cho các em các kiến thức toán học cơ bản và càng nâng cao hơn cả
Xét ở bậc trung học phổ thông, toán học đã tách thành ba mảng khác nhau để
gh
tn
to
các bậc học khác.
p
ie
các em có thể phân biệt được: Đại Số, Giải Tích và Hình học. Các em được giới thiệu
do
rất nhiều về các kiến thức toán học cơ bản như hàm số, đồ thị hàm số và các ý nghĩa
nl
w
của hàm số. Các tính chất của hàm số như tính liên tục, tính đồng biến, nghịch biến.
d
oa
Hàm số mà các em đã được giới thiệu là một phần quan trọng của cơ học lượng tử,
an
lu
các em cần các kiến thức này để có thể liên hệ với hàm sóng.
va
Ngoài ra, các em còn được học về đạo hàm, tích phân, vi phân, đây cũng là
u
nf
những phần toán học quan trọng và rất hữu ích cho đời sống, cũng như trong vật lí
ll
nói riêng. Hầu hết các toán tử trong vật lí ít nhiều đều liên quan đến đạo hàm của hàm
m
oi
số (toán tử xung lượng, toán tử moment động lượng, …). Do đó, các em đã có cơ sở
z
at
nh
về các phép tính giải tích để phần nào hiểu biết rõ hơn về cơ học lượng tử.
Tính đến lớp 12, các em cũng đã được làm quen đến số mũ, hàm e mũ và các
z
gm
@
công thức lượng giác cơ bản. Như vậy, nhìn chung, bậc trung học phổ thông đã cung
cấp cho học sinh các công cụ cần thiết cho việc học vật lí ở mức đợ cơ bản.
l.
ai
m
co
Nhưng để có thể học tốt cơ học lượng tử, các em cần phải dùng đến cơng cụ
tốn mới là tốn tử. Tốn tử là mợt cơng cụ tốn khó dùng và học sinh chưa được giới
an
Lu
thiệu ở bậc trung học phổ thông. Do đó, trong giới hạn của tài liệu tham khảo cơ học
n
va
ac
th
si
7
lượng tử này sẽ không đề cập đến các bài toán cũng như cơng thức tốn học khó nhằn,
tài liệu chỉ đề cập tới những vấn đề định tính để giới thiệu một cách cơ bản nhất về
cơ học lượng tử cho học sinh.
1.1.3. Một số kiến thức vật lí ở bậc trung học phổ thông
1.1.3.1. Một số kiến thức phần cơ học
Cơ học là một phần rộng và rất khó trong vật lí học, đây lại là nền tảng kiến
thức cho các phần khác. Do đó, trong việc giảng dạy vật lí, cơ học luôn được quan
tâm và giành được thời lượng khá nhiều để giới thiệu cho học sinh. Các lí thuyết cơ
học đại cương được giới thiệu cho các em qua các khối lớp như lớp 6, lớp 8 và lớp
lu
an
10. Lên tới lớp 12, cơ học vẫn được chương trình vật lí giới thiệu nhưng ở mức độ
n
va
cao hơn bao gồm các chuyển động phức tạp, các ứng dụng thực tiễn. Nhưng, có thể
tn
to
nói, phần cơ học lớp 10 đã bao hàm và nâng cao hơn phần cơ học của lớp 6 và lớp 8.
gh
Trong đó, có một số kiến thức quan trọng cần được các học sinh ghi nhớ như khái
p
ie
niệm chất điểm, ba định luật Newton, sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
w
do
a. Khái niệm chất điểm
oa
nl
Mở đầu phần Cơ học lớp 10 là chương “Động học chất điểm”, chương này sẽ
d
giúp học sinh khảo sát chuyển động của một chất điểm khi chưa quan tâm đến nguyên
an
lu
nhân gây ra chuyển động. Như vậy, khái niệm chất điểm sẽ được nhắc đến đầu tiên
u
nf
va
và sẽ theo sát học sinh cho đến hết lớp 12. Theo sách giáo khoa Vật lí lớp 10, chất
điểm được định nghĩa như sau “Một vật chuyển động được coi là một chất điểm nếu
ll
z
at
nh
ta đề cập đến).”
oi
m
kích thước của nó rất nhỏ so với độ dài đường đi (hoặc so với những khoảng cách mà
Khái niệm chất điểm giúp các em dễ dàng tiếp cận về sự vật và hiện tượng. Lúc
z
này, các em không cần quan tâm đến hình dạng của vật thể như thế nào, mà chỉ cần
gm
@
quan tâm đến sự chuyển động của nó.
l.
ai
Đây là một khái niệm quan trọng trong cơ học nói chung và trong cơ học lượng
m
co
tử nói riêng. Do cơ học lượng tử là cơ học của những hạt vi mô, do đó, một cách
an
Lu
tương tự, các hạt vi mô này có thể được xem là chất điểm, và cũng do đó, một số tính
chất về chuyển động của chất điểm có thể áp dụng cho các hạt vi mô này.
n
va
ac
th
si
8
b. Ba định luật Newton
Ba định luật Newton được xem là ba định luật nền tảng của cơ học cổ điển cũng
như vật lí học cở điển. Ba định ḷt này giải thích được nhiều vấn đề liên quan đến
chuyển động trong đời sống. Chương trình giới thiệu các định luật Newton trong ở
lớp 10, nếu ở chương trình chuẩn thì chỉ giới thiệu vỏn vẹn trong 1 bài với 2 tiết học,
nhưng với chương trình nâng cao thì được giới thiệu trong 3 tiết liên tục. Nhìn chung
chương trình cũng đã cung cấp đủ hàm lượng kiến thức cơ bản liên quan về ba định
luật Newton để các em có thể hiểu được về cách phát biểu cũng như hiện tượng.
Một điều quan trọng là ba định luật này lại không còn đúng trong thế giới vi
lu
mô, đòi hỏi các nhà khoa học phải tìm ra các định luật, phương trình cụ thể có ý nghĩa
an
n
va
tương tự với ba định ḷt Newton để có thể mơ tả trạng thái chủn đợng của các hạt
c. Định luật bảo tồn và chuyển hố năng lượng
Định ḷt bảo tồn và chủn hoá năng lượng là một định luật đơn giản và cơ
p
ie
gh
tn
to
vi mơ.
do
bản nhất trong vật lí học. Mọi q trình vật lí đều phải tuân thủ theo định luật này dù
oa
nl
w
ở vĩ mô hay vi mô.
d
1.1.3.2. Sóng ánh sáng
an
lu
Chương trình vật lí lớp 12 đã cung cấp cho học sinh các kiến thức cụ thể và đơn
u
nf
va
giản về sóng ánh sáng. Sau khi học xong, học sinh có thể dễ dàng nhìn nhận được
bản chất của ánh sáng dưới dạng sóng thông qua các thí nghiệm nhiễu xạ và giao thoa
ll
oi
m
(tương tự như sóng cơ các em đã được học ở chương 2 sách giáo khoa Vật lí lớp 12).
z
at
nh
Các kiến thức về sóng ánh sáng học sinh được cung cấp chỉ ở mức độ cơ bản như là
giới thiệu cho các em dãy bước sóng điện từ, trong đó có dãy hồng ngoại, khả kiến
z
và tử ngoại; giúp các em biết được các ứng dụng của tia hồng ngoại, tử ngoại.
gm
@
1.1.3.3. Hiện tượng quang điện
m
co
l.
ai
Song hành với sóng ánh sáng, hiện tượng quang điện được đưa vào chương trình
vật lí lớp 12 để thể hiện tính chất khác của ánh sáng, đó là tính hạt. Chương trình vật
an
Lu
lí 12 chỉ đơn giản cung cấp cho các em về hiện tượng, thuyết ánh sáng của Einstein
và định luật quang điện để các em có thể biết thêm được về tính chất hạt của ánh
n
va
ac
th
si
9
sáng. Như vậy, sau khi học xong hai chương “Sóng ánh sáng” và “Lượng tử ánh
sáng”, học sinh sẽ có mợt cái nhìn tởng quát hơn về ánh sáng, đó là lưỡng tính sóng
- hạt. Sau này, de Broglie tởng qt tính chất lưỡng tính sóng - hạt này cho các hạt
vật chất, và ta đã có được lí thuyết hàm sóng rất quan trọng trong cơ học lượng tử.
1.1.3.4. Mẫu nguyên tử Rutherford và mẫu nguyên tử Bohr
Chương trình vật lí 12 giới thiệu mợt sớ mẫu ngun tử cho học sinh như mẫu
nguyên tử Rutherford và mẫu nguyên tử Bohr. Về mẫu nguyên tử Rutherford, chương
trình chỉ nhắc đến đó là mẫu hành tinh nguyên tử và vẫn còn nhiều khó khăn khi sử
dụng mẫu này như là khơng giải thích được tính bền vững của ngun tử và sự tạo
lu
an
thành quang phổ vạch của nguyên tử. Sau đó, chương trình giới thiệu tiếp về mơ hình
n
va
ngun tử Bohr bằng cách đưa thêm hai tiên đề vào để hạn chế hai khó khăn mắc phải
tn
to
ở mơ hình của Rutherford.
gh
1.1.4. Đặc điểm kiến thức cơ học lượng tử ở bậc trung học phổ
p
ie
thông
w
do
Kiến thức cơ học lượng tử bậc trung học phổ thông được đề cập trong tài liệu
oa
nl
này sẽ có mợt sớ đặc điểm cơ bản sau đây:
d
a. Tính giản đơn: kiến thức cơ học lượng tử bậc trung học phổ thông không đề
an
lu
cập đến những vấn đề phức tạp sâu xa trong cơ học lượng tử mà chỉ giới thiệu những
u
nf
va
gì cơ bản nhất của cơ học lượng tử như các lí thuyết tiền lượng tử, các hiệu ứng lượng
tử của hạt khi chuyển động trong các hố thế hoặc rào thế một chiều, ... Các kiến thức
ll
oi
m
lượng tử đưa ra chỉ nhằm mục đích giúp học sinh nhận thấy được những khác biệt cơ
z
at
nh
bản giữa cơ học cổ điển và cơ học hiện đại.
b. Tính định tính: do cơng cụ tốn học bậc trung học phở thơng cịn rất hạn chế
z
và khó để có thể khảo sát định lượng các tính chất của cơ học lượng tử. Do vậy, các
@
gm
kiến thức cơ học lượng tử ở bậc trung học phổ thông chỉ dừng lại ở mức định tính,
l.
ai
khơng cung cấp các cơng thức tốn học phức tạp cho học sinh.
m
co
c. Tính thực tiễn: tài liệu cơ học lượng tử này sẽ cung cấp cho học sinh một số
an
Lu
ứng dụng của cơ học lượng tử vào đời sớng như máy tính lượng tử, kính hiển vi lượng
tử. Ngoài ra cũng sẽ vận dụng các hiệu ứng lượng tử cũng như các nguyên lí trong cơ
n
va
ac
th
si
10
học lượng tử để giải thích mợt sớ điều liên quan đến cuộc sống, con người từ đó dạy
học đạo đức cho học sinh.
1.1.5. Các tiêu chí lựa chọn kiến thức trong tài liệu
Tiêu chí đầu tiên để lựa chọn các kiến thức cơ học lượng tử cho tài liệu này là
các kiến thức phải ở mức độ đơn giản, dễ hiểu, dễ hình dung. Ví dụ như các lí thuyết
tiền lượng tử, các lí thuyết này nếu đi sâu, cụ thể sẽ rất khó hiểu vì liên quan đến tốn
học và những hiểu biết sâu xa của vật lí, nhưng nếu chỉ dừng lại ở việc cung cấp
những thực nghiệm, những khó khăn khi sử dụng lí thút cở điển để giải thích và
sau đó giới thiệu lí thuyết mới thì lại khá đơn giản.
lu
an
Tiêu chí thứ hai là các kiến thức này phải phù hợp với nhận thức của học sinh
Tiêu chí thứ ba là các kiến thức cơ học lượng tử này có ứng dụng. Việc cung
n
va
trung học phở thơng.
gh
tn
to
cấp các kiến thức vật lí hiện đại cho học sinh phải kèm theo các ứng dụng vào bài để
p
ie
các em có thể hiểu rằng vật lí hiện đại khơng chỉ là mợt lí thút sn, khơ khan mà
do
cịn có nhiều ứng dụng khơng những trong đời sớng mà cịn trong khoa học kĩ tḥt.
nl
w
Ví dụ như kính hiển vi quét xuyên hầm lượng tử là một thành tựu của việc ứng dụng
d
oa
hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của hạt khi chuyển động qua rào thế. Hay máy tính
an
lu
lượng tử hoạt đợng dựa trên sự chồng chất trạng thái vi mơ của các hạt.
va
Tiêu chí phụ: Các kiến thức này phải có sự so sánh đới lập với vật lí cở điển để
u
nf
các em vừa củng cớ kiến thức cở điển cũng như được tìm hiểu thêm về kiến thức hiện
ll
đại.
oi
m
z
at
nh
1.2. QUY TRÌNH XÂY DỰNG HỆ THỚNG KIẾN THỨC CƠ HỌC LƯỢNG
TỬ CHO MÔN VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
z
1.2.1. Phân tích các đặc điểm cơ bản của kiến thức vật lí bậc trung học
gm
@
phở thơng
l.
ai
Vật lí bậc trung học phổ thông được giới thiệu cụ thể thông qua 3 khối lớp, trải
an
Lu
nhân, quang lượng tử.
m
co
dài từ cơ, nhiệt, điện - từ, quang cho đến một số kiến thức của vật lí hiện đại như hạt
n
va
ac
th
si
11
Các kiến thức được sắp xếp theo mợt trình tự logic, theo diễn tiến của lịch sử
vật lí và phù hợp với tâm lí học sinh, và với các bợ mơn khoa học khác như toán, hoá.
Vật lí bậc trung học phở thơng đưa các kiến thức vật lí ở bậc trung học cơ sở lên một
mức độ cao hơn. Nếu ở bậc cơ sở, học sinh được giới thiệu chủ yếu về hiện tượng vật
lí, các thí nghiệm kiểm chứng chỉ dừng ở mức định tính thì ở bậc phở thơng, các em
được học hỏi và được tìm hiểu nhiều hơn về mặt định lượng, được ứng dụng nhiều
công thức tốn học để có thể giải qút các bài tập khó.
Mở đầu cho vật lí bậc trung học phở thông là phần Cơ học với 4 chương. Cơ
học của lớp 10 đánh mạnh vào các vấn đề cơ bản của vật lí, nhưng vẫn rất thực tế.
lu
Đây chính là nền tảng kiến thức để các em có thể vận dụng vào các phần sau và phát
an
n
va
triển nên sau này. Tiếp sau phần Cơ, chương trình giới thiệu về Nhiệt học, chủ yếu ở
trạng thái chất khí và được tìm hiểu thêm các ngun lí của nhiệt đợng lực học. Ngồi
gh
tn
to
lớp 10, các em được giới thiệu về thút đợng học phân tử chất khí, các định luật về
p
ie
ra, chương trình còn cung cấp một số thông tin về chất rắn, chất lỏng nhưng chỉ dừng
do
lại ở một mức độ cơ bản về các hiện tượng thường gặp.
nl
w
Đến lớp 11, học sinh sẽ được học về phần Điện - Từ và Quang. Mở đầu cho
d
oa
chương trình vật lí lớp 11 là Điện học. Các em được giới thiệu thế nào là điện trường,
an
lu
điện tích, được học về dòng điện, nguồn điện, mạch điện thường gặp trong đời sống
va
từ đó phát triển lên thành các dòng điện trong các môi trường thường gặp. Tiếp sau
u
nf
đó các em được giới thiệu về Từ, cũng chỉ dừng lại ở mức cơ bản các kiến thức về từ
ll
trường, cảm ứng từ và hiện tượng quan trọng cảm ứng điện từ với nhiều ứng dụng
m
oi
trong đời sớng. Ći chương trình vật lí 11, các em được học về Quang, và cụ thể
z
at
nh
hơn chính là Quang hình học với sự bổ sung định luật Khúc xạ ánh sáng. Từ đó dẫn
dắt ra sự tạo ảnh của một vật qua lăng kính và qua các loại thấu kính khác nhau và
z
mắt, kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn, v…v…
l.
ai
gm
@
ứng dụng của chúng vào trong đời sống và khoa học kĩ thuật như các kính trị tật về
m
co
Lớp 12, các em được học sâu hơn về các ứng dụng đời sống với các kiến thức
ở mức độ cao hơn nhiều so với lớp 10 và 11. Mức độ cao hơn ở đây không chỉ về
an
Lu
hiện tượng vật lí mà cịn về các cơng cụ tốn học. Vật lí ở lớp 12 học sinh sẽ phải
n
va
ac
th
si
12
dùng nhiều cơng cụ toán hơn để có thể giải quyết vấn đề chứ không chỉ dừng lại ở
các phép toán đơn giản như 10 và 11. Nhưng nhìn chung, vật lí 12 đưa ra được những
kiến thức sát với thực tế hơn và đề cập đến nhiều vấn đề của cuộc sống vào trong
chương trình như sự cộng hưởng cơ, cợng hưởng điện, điện xoay chiều, quang sóng,
… Đặc biệt hơn, nếu lớp 10 và lớp 11, các kiến thức vật lí chỉ trọng tâm vào những
kiến thức vật lí cở điển đã có hơn 200 năm thì lớp 12 đã đề cập được tới những vấn
đề của vật lí hiện đại, nhưng cũng chỉ dừng lại ở mợt mức đợ đơn giản.
Như vậy, chương trình vật lí phở thông hiện hành đã đáp ứng đủ về việc cung
cấp các kiến thức vật lí nền tảng cho học sinh sau này. Nhưng khi nhìn nhận lại thì
lu
các kiến thức này đã có mặt trên thế giới tận hơn 200 năm, và hiện tại chương trình
an
n
va
vật lí phở thơng Việt Nam và trên thế giới chưa có sự cập nhật, bở sung các vấn đề
Nhìn chung, chương trình vật lí hiện hành chú trọng nhiều vào vật lí cở điển,
gh
tn
to
của vật lí hiện đại.
p
ie
chưa cập nhật nhiều kiến thức về vật lí hiện đại hoặc các kiến thức vật lí hiện đại vẫn
do
chưa đủ cơ sở để giải thích mợt số ứng dụng trong thực tế.
nl
w
Do đó, cần một tài liệu để có thể giúp học sinh có thể tìm hiểu thêm về vật lí
d
oa
hiện đại, dù chỉ đơn giản, chỉ dừng lại ở mức đợ định tính.
va
a. Kiến thức
an
lu
1.2.2. Xác định mục tiêu chung của tài liệu
u
nf
− Biết được bức xạ của vật đen và lí thuyết Planck.
ll
− Biết được hiện tượng quang điện và lí thuyết Einstein.
m
oi
− Biết được mẫu nguyên tử Bohr và lí thuyết Bohr.
z
at
nh
− Nêu được định nghĩa về thế giới vi mô.
z
− Biết được về lưỡng tính sóng hạt của hạt vật chất.
@
gm
− Biết được một số hiệu ứng của hạt chuyển động một chiều.
l.
ai
− Phát biểu được ngun lí chồng chất sóng vật chất.
m
co
− Phát biểu được nguyên lí bất định Heisenberg.
an
Lu
b. Kĩ năng
n
va
ac
th
si
13
− So sánh được chuyển động của hạt một chiều trong cơ học lượng tử với
cơ học cổ điển.
− Vận dụng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử giải thích hoạt đợng của kính
hiển vi qt xun hầm lượng tử.
− Vận dụng nguyên lí chồng chất giải thích đơn giản hoạt đợng máy tính
lượng tử.
1.2.3. Xây dựng cấu trúc các nợi dung kiến thức
Các nội dung kiến thức trong tài liệu tham khảo này được xây dựng và sắp xếp
lu
dựa trên hệ thống các kiến thức cơ học lượng tử của bậc đại học, loại bỏ những cơng
an
thức tốn học phức tạp, chỉ những lại những cốt lỏi quan trọng, cơ bản nhất về cơ học
va
n
lượng tử để giới thiệu cho học sinh. Nội dung kiến thức sẽ được xây dựng phù hợp
tn
to
với học sinh bậc trung học phổ thông, cung cấp thêm những kiến thức mới dựa trên
1.2.4. Thiết kế nội dung chi tiết cho từng bài học
p
ie
gh
nền tảng vật lí mà các em đã được học.
do
w
Tài liệu tham khảo về cơ học lượng tử cho học sinh trung học phở thơng sẽ có
oa
nl
bao gồm các phần sau đây: Khái quát về cơ học lượng tử, Các ứng dụng của cơ học
d
lượng tử và Cơ học lượng tử trong cuộc sống.
lu
va
an
Trong đó, phần Khái quát về cơ học lượng tử giới thiệu cho học sinh những khái
u
nf
niệm mới và những lí thuyết cũng như các nguyên lí cơ bản trong cơ học lượng tử.
ll
Phần “Các ứng dụng của cơ học lượng tử” đưa ra ứng dụng của cơ học lượng tử
m
oi
phục vụ xây dựng những lí thút khó hoặc những ứng dụng thực tế.
z
at
nh
Phần “Cơ học lượng tử trong cuộc sống” nêu lên một số điều về cách sống dựa
trên những lí thuyết, nguyên lí của cơ học lượng tử.
z
@
1.2.5. Thực hiện khảo sát, đánh giá
gm
Sau khi hoàn thành xong tập tài liệu cơ học lượng tử, tài liệu sẽ được cung cấp
hồi.
m
co
l.
ai
cho các giáo viên phổ thông đọc, làm phiếu đánh giá và đưa ra những góp ý, phản
an
Lu
n
va
ac
th
si
14
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO KIẾN THỨC CƠ HỌC
LƯỢNG TỬ CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
Các kiến thức cơ học lượng tử dưới đây được tham khảo từ tài liệu [2,3]
2.1. KHÁI QUÁT VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
2.1.1. Khái niệm về cơ học lượng tử
Vật lí học là một ngành khoa học lâu đời và có nhiều ứng dụng thực tiễn góp
phần vào sự phát triển của nhân loại từ xa xưa đến ngày nay. “Vật lí học là một môn
khoa học tự nhiên tập trung vào nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó trong
lu
không gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng lượng và lực”.
an
Vật lí học được chia thành nhiều ngành học nhỏ khác nhau, song vẫn có mối liên hệ
va
n
chặt chẽ với nhau. Có thể chia vật lí học thành 5 ngành lớn sau đây: Cơ học, Vật lí
tn
to
phân tử và nhiệt học, Điện từ học, Quang học, Vật lí nguyên tử và hạt nhân. Trong
ie
gh
đó, cơ học là một ngành vật lí học quan trọng nhất, là nền tảng cho các ngành vật lí
p
khác.
w
do
“Cơ học là một ngành của vật lí nghiên cứu về sự chuyển động của vật chất
oa
nl
trong không gian và thời gian dưới tác dụng của các lực và những hệ quả của chúng
d
lên môi trường xung quanh”, theo Wikipedia định nghĩa. Nhờ nghiên cứu về sự
lu
an
chuyển động nên cơ học luôn được các nhà vật lí quan tâm đến và cũng là những lí
u
nf
va
thuyết nền tảng để có thể giải thích hầu hết các hiện tượng trên thế giới.
Do đó, cơ học lại được chia ra những chuyên ngành nhỏ để các nhà vật lí có thể
ll
oi
m
dễ dàng nghiên cứu từng mảng riêng. Đến nay, đã có nhiều lí thuyết cơ học nổi tiếng,
z
at
nh
thông dụng như cơ học Newton, cơ học Lagrange, cơ học Halminton, cơ học thiên
thể, cơ học chất lưu, … Đặc điểm chung của các ngành cơ học trên là đã được các
z
nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu, và có thể giải thích hầu hết các hiện tượng vật lí
gm
@
ở cấp độ vĩ mô.
l.
ai
Tuy nhiên, các lí thuyết trên vẫn còn nhiều hạn chế, không thể đưa ra cách giải
m
co
thích hoàn chỉnh cho một số hiện tượng vật lí như bức xạ vật đen, hiện tượng quang
an
Lu
điện, phổ của nguyên tử hydro, … Và để giải thích các hiện tượng này, các nhà khoa
học phải đặt ra những lí thuyết mới, những lí thuyết đột phá và phải đi sâu vào vật
n
va
ac
th
si
15
chất, đi sâu vào thế giới ở cấp độ vi mô. Và sau nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa
học đã có thể xây dựng nên một lí thuyết cơ học mới, mang tầm ảnh hưởng cao, được
gọi là cơ học lượng tử.
Cũng giống như cơ học cổ điển, cơ học lượng tử là một chuyên ngành nhỏ của
ngành cơ học. Tuy nhiên, nếu cơ học cổ điển nghiên cứu sự chuyển động của vật chất
ở thế giới vĩ mô, thì cơ học lượng tử nghiên cứu sự chuyển động của vật chất ở thế
giới vi mô. Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hai chuyên ngành này là về sự liên
tục – gián đoạn. Ví như nếu ở cơ học cổ điển, năng lượng được các nhà khoa học xem
là liên tục thì ở cơ học lượng tử, năng lượng sẽ bị gián đoạn thành các mức năng
lu
lượng khác nhau. Đó cũng là điểm đột phá của cơ học lượng tử. Nhờ vào điểm đợt
an
n
va
phá này mà các lí thút lượng tử có thể giải thích nhiều thực nghiệm mà cơ học cổ
Như vậy, cơ học lượng tử là một ngành vật lí học nghiên cứu về chuyển động
gh
tn
to
điển khơng giải thích được. Cụ thể ở phần dưới.
do
rạc.
p
ie
của vật chất ở thế giới vi mô, trong đó, một số đại lượng vật lí không liên tục, mà rời
nl
w
2.1.2. Các khái niệm
d
oa
Để có thể tiếp cận được nợi dung của cơ học lượng tử thì bước ban đầu cần biết
an
lu
được một số khái niệm cơ bản thường sử dụng trong cơ học lượng tử.
u
nf
va
2.1.2.1. Thế giới vi mô
Như đã đề cập ở trên, cơ học lượng tử là một ngành vật lí học nghiên cứu về
ll
oi
m
chuyển động của vật chất ở thế giới vi mô. Như vậy, để phân biệt được thế giới vi mô
z
at
nh
và vĩ mô, các nhà khoa học đã lấy kích thước của vật chất làm yếu tố để phân biệt.
Ranh giới kích thước của hai thế giới vào khoảng Angstrong (Å). Các vật chất có kích
z
thước từ angstrong trở lên được gọi là thế giới vĩ mô, ngược lại, dưới mức angstrong
m
co
l.
ai
gm
2.1.2.2. Vật đen và phổ bức xạ vật đen
@
sẽ được gọi là thế giới vi mô.
Vật đen có thể hiểu đơn giản là một vật có khả năng hấp thụ các bức xạ chiếu
toàn các bức xạ.
an
Lu
đến nó. Đôi lúc, các nhà khoa học gọi là vật đen tuyệt đối để chỉ sự hấp thụ hoàn
n
va
ac
th
si
16
Thế giới có rất nhiều vật đen, có thể ví dụ đơn giản như mặt trời. Nhưng, để tiện
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng một hốc cầu được
khoét lỗ tròn rất nhỏ, bên trong được quét bồ hóng để làm mô hình vật đen như hình
2.1. Với mô hình này, khi các bức xạ đi đến và xâm nhập vào bên trong thông qua lỗ
tròn, chúng sẽ bị phản xạ nhiều lần ở bên trong hốc và bị hấp thụ dần đến hết. Do lỗ
tròn có kích thước rất bé nên xác suất để bức xạ có thể thoát ra ngoài qua lỗ là rất
thấp. Như vậy ta có thể xem như hốc tròn đã hấp thụ toàn bộ bức xạ chiếu đến, giớng
như mợt vật đen.
lu
an
n
va
p
ie
gh
tn
to
d
oa
nl
w
do
ll
u
nf
va
an
lu
oi
m
Mơ hình vật đen thường được dùng trong phịng thí nghiệm.
z
at
nh
Hình 2.1.
(nguồn: )
z
@
Do có khả năng hấp thụ các bức xạ nên vật đen cũng có khả năng phát xạ các
l.
ai
gm
bức xạ đó. Như vậy, vật đen không có nghĩa là nó có màu đen, vì có khả năng phát
xạ bức xạ nên vật đen có màu, và màu sắc của vật đen sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ của
m
co
nó. Mỗi bức xạ sẽ được vật đen phát ra với mật độ năng lượng khác nhau nên ta sẽ
an
Lu
thu được phổ bức xạ của vật đen.
n
va
ac
th
si
17
Phổ bức xạ vật đen là một đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa mật độ năng lượng
phát xạ và bước sóng của bức xạ mà vật đen đó phát ra. Ví dụ được thể hiện ở hình
2.2. Nghiên cứu phổ bức xạ của vật đen sẽ giúp cho các nhà khoa học hiểu được nhiều
ý nghĩa về vật đen đó. Ví dụ, nếu biết được màu của vật đen (bước sóng mà vật đen
phát ra có cường độ lớn nhất), ta có thể biết được nhiệt độ của vật đen này. Việc làm
này rất quan trọng và thường được ứng dụng trong lĩnh vực thiên văn học để tìm hiểu
các vì sao ngoài vũ trụ.
Khả
Tử ngoại
Hồng ngoại
kiến
an
n
va
p
ie
gh
tn
to
Mật độ năng lượng bức xạ
lu
𝜆𝑚𝑎𝑥
d
oa
nl
w
do
u
nf
va
an
lu
ll
Phổ bức xạ của vật đen ứng với các nhiệt độ khác nhau.
oi
m
Hình 2.2.
Bước sóng 𝝀 (𝝁𝒎)
2.1.2.3. Quang phổ vạch
z
at
nh
(nguồn: )
z
Quang phổ vạch là một đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ bức xạ của
@
gm
các bức xạ điện từ theo bước sóng hoặc tần số. Quang phổ vạch được chia ra thành
phổ vạch phát xạ.
m
co
l.
ai
các loại khác nhau như quang phổ vạch liên tục, quang phổ vạch hấp thụ và quang
an
Lu
Quang phổ vạch liên tục là một dãy màu liên tục từ đỏ đến tím. Quang phổ hấp
thụ là dãy các bức xạ liên tục nhưng có những vạch đen trên dãy liên tục đó. Các vạch
n
va
ac
th
si
18
đen này thể hiện các bức xạ mà nguyên – phân tử đã hấp thụ. Và một cách tương tự,
quang phổ vạch phát xạ là những vạch màu xen kẽ nhau trên nền đèn do các nguyên
– phân tử phát ra khi bị kích thích dưới các điều kiện nhất định. Ví dụ về các quang
phổ được thể hiện trên hình 2.3.
Mỗi nguyên – phân tử khác nhau sẽ có quang phổ vạch hấp thụ và phát xạ khác
nhau. Do đó, quang phổ vạch hấp thụ và quang phổ vạch phát xạ của một chất mang
ý nghĩa quan trọng vì dựa vào đó, các nhà khoa học có thể để xác định các thành phần
có trong chất này.
Quang phổ vạch liên tục
lu
an
va
n
Quang phổ vạch phát xạ
gh
tn
to
p
ie
Quang phổ vạch hấp thụ
oa
nl
w
do
d
Hình 2.3.
Các loại quang phổ.
va
an
lu
(nguồn: )
u
nf
2.1.2.4. Sóng De Broglie
ll
Chúng ta đều biết rằng ánh sáng vừa có thể được xem như là sóng (đặc trưng
m
oi
bởi bước sóng) hoặc có thể xem nó có bản chất hạt (gọi là các photon, mỗi photon có
z
at
nh
năng lượng và động lượng xác định). Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. Các
tính chất sóng của ánh sáng đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh từ
z
nhiều năm trước thông qua các thí nghiệm như giao thoa hai nguồn sáng điểm, giao
@
gm
thoa ánh sáng trên bản mỏng, sự nhiễu xạ, sự phân cực,… Về tính chất hạt của ánh
m
co
l.
ai
sáng, nhờ vào thí nghiệm quang điện và lí thuyết của Einstein, thêm một lần được
khẳng định thông qua thí nghiệm Compton, các nhà khoa học mới chấp nhận tính
an
Lu
chất hạt của ánh sáng.
n
va
ac
th
si
