PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI " ĐIỆN TÍCH NHỎ NHẤT XƯA VÀ NAY " pot

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI:













Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng
Sinh viên thực tập: Hoàng Thị Thanh Thảo
Đoàn 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 hóa 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

Có 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 không 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 có thêm tư liệu cho việc dạy và học, các
em học sinh muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này, nhóm chúng tôi 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 khó tránh khỏi những sai sót, mong
các bạn thông 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 không 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 nó 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 còn 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 mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương
ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó. Thông thường, các vật quanh ta
5

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
đều trung hòa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có 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 không, vật ấy
vẫn có thể tham gia tương tác điện từ, đó 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 có thể di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của từ trường

ngoài gọi là điện tích tự do.
Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành
dòng 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 có điện tích phân số so với e. Phản hạt của một hạt cơ bản sẽ có
điện tích bằng về độ lớn, nhưng trái dấu so với điện tích của hạt cơ bản đó.
Có 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 đó có 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 đó
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 đôi 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 toàn điện tích:
6

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
“Tổng điện tích của một hệ kín là không thay đổi theo thời gian, không
phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ”.
I.3 Các loại điện tích:
Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện
tích của electron là âm, ký hiệu là –e, còn 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 có thể chia một
mẫu vật chất ngày càng nhỏ mà không có một giới hạn nào.
 Democritus lại cho rằng vật chất vốn có 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 hóa 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 ông gọi là electron. Một hạt có 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 còn 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") có nghĩa là hợp kim
của bạc và vàng.
Electron thuộc lớp đầu tiên của nhóm lepton trong loại hạt Fermion của
hạt cơ bản, nó chịu tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác yếu.
Electron có phản hạt là positron. Electron được đề nghị bởi George Johnstone
Stoney như là đơn vị điện tích trong điện hóa học, nhưng cũng nhận ra rằng nó
còn là hạt hạ nguyên tử và đến năm 1897 được nhà vật lý người Anh Joseph J.
Thomson
1
tìm ra tại phòng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học
Cambridge, trong khi ông 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 có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là
cực âm. Hai cực đó được nối với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này
tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống. Người ta giả thiết rằng có
một chùm hạt phát ra từ cực dương đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng.
Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt. Khi đặt một vật chướng ngại nhẹ trong ống thì
vật đó bị di chuyển từ cực dương về cực âm, người ta kết luận hạt đó có khối
lượng. Khi đặt một từ trường vào thì dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận
hạt đó có điện tích.

1
Phụ 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, ông đã đo được
tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nó 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. Ông thấy rằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức
toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ
thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì. Ông 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 Millikan
2
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

2
Phụ 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
không tích điện, nên nó rơi dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên sau đó,
Millikan đã dùng một chùm tia Röntgen để ion hóa giọt dầu này, cung cấp cho
nó một điện tích. Vì thế, giọt dầu này đã rơi nhanh hơn, vì ngoài trọng lực, nó
còn 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, ông nhận thấy điện tích của các hạt luôn 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 có 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 không chuyển động trên một quỹ đạo cố định mà có lẽ nó 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 toán).
Electron có spin ½, nghĩa là nó 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 không. 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
dòng điện.
Tĩnh điện không phải là dòng chuyển động của các electron. Nó chỉ tới
những vật có nhiều hoặc ít electron hơn số lượng cần thiết để cân bằng với điện
tích dương của hạt nhân. Khi có nhiều electron hơn proton, vật được gọi là có
"tích điện âm", ngược lại khi có ít electron hơn proton, vật được gọi là có "tích
điện dương". Khi số electron bằng số prôton, vật được gọi là "trung hòa" về điện.
Các electron và phản hạt của nó là positron có thể tiêu hủy lẫn nhau để sản
xuất ra photon. Ngược lại, một photon cao năng lượng có thể chuyển hóa thành
electron và positron bởi một quy trình gọi là sản xuất cặp.
Electron là một hạt cơ bản – có nghĩa là nó không có cấu trúc hạ tầng. Vì
vậy, nó được miêu tả như là một điểm, có nghĩa trong nó không có khoảng

không. Tuy nhiên, nếu chúng ta tiến đến thật gần một electron, chúng ta có thể
nhận thấy các thuộc tính của nó (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 không 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 không .
Vận tốc của electron trong chân không xấp xỉ nhưng không bao giờ bằng c
(vận tốc ánh sáng trong chân không). 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 công 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 có 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 nó). Giải phương trình trên ta có vận tốc của
electron nhanh nói trên là c)

2
1
1(
2


= 0.99999999995 c. (Công 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 có thể bao trùm vũ trụ là 10
130
.
Người ta cho rằng số lượng electron hiện có trong vũ trụ là khoảng 10
79
.
II.1.6.2 Electron trong cuộc sống:
Dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện trong nhà và tại công nghiệp là
dòng chuyển động có hướng của các electron. Ống tia âm cực của ti vi sử dụng
chùm điện tử trong chân không 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 công nghiệp:
Chùm electron được sử dụng trong hàn điện cũng như trong kỹ thuật in đá.
II.1.6.4 Electron trong phòng 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 có thể đo trực tiếp bằng các électromètre.
Dòng điện có thể đo trực tiếp bằng các galvanomètre.
Sử dụng electron trong phòng thí nghiệm:
Kính hiển vi điện tử được sử dụng để phóng 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 mô tả trong phương trình Dirac.
Trong mô hình chuẩn của vật lý hạt, nó tạo thành một cặp với neutrino, vì chúng
tương tác với nhau bằng lực tương tác yếu. Electron có 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 có
cùng các giá trị thuộc tính (khối lượng, spin, giá trị tuyệt đối của điện tích) như
electron, ngoại trừ nó mang điện tích dương. Khi electron gặp positron, chúng có
thể tiêu diệt lẫn nhau, tạo thành hai photon trong tia gamma, mỗi tia có năng
lượng 0.511 MeV (511 keV).
Electron còn là yếu tố cơ bản trong điện từ trường, là lý thuyết gần đúng
cho các hệ thống vĩ mô.


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.
Có 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 hòa 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 đó, và được chọn làm cơ sở để xây dựng bảng tuần hoàn .
Proton và neutron được gọi là nucleon. Đồng vị phổ biến nhất của nguyên
tử hydrô là một proton riêng lẻ (không có 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 hóa học của nguyên tử và xác định nên nguyên tố hóa
học.
II.2.2 Sự ổn định:
Proton là một loại hạt ổn định. Tuy nhiên chúng có thể biến đổi thành
neutron thông qua quá trình bắt giữ electron. Quá trình này không xảy ra một
cách tự nhiên mà cần có năng lượng:

14

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
Quá trình này có thể đảo ngược: các neutron có thể chuyển thành proton
qua phân rã bêta.
II.2.3 Trong hóa học:
Trong hóa học và hóa sinh, proton được xem là ion hydrô, kí hiệu là H
+

.
Một chất cho proton là axít và nhận proton là bazơ.
II.2.4 Lịch sử:
Ernest Rutherford
3
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 có thể đến từ nitơ, và vì vậy nitơ phải chứa hạt nhân hydro. Từ đó
ông cho rằng hạt nhân hydro, có 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 hòa về điện nên phải cố hạt mang điện
dương trong nguyên tử và đã cố tìm ra nó. Ông đã dùng canal ray để quan sát
những dòng hạt chuyển dời ngược chiều với dòng 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:

3
Phụ 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 công trình này.
II.3 Neutron:
II.3.1 Khái quát về neutron:
Neutron là hạt hạ nguyên tử, không chứa điện tích, có 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
đó cacbon -14 đồng vị thì có 6 proton và 8 neutron.
Giới hạn của neutron trong hạt nhân là bền, neutron tự do là không bền, nó
chịu phóng 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 phóng xạ bất thường có khả năng đâm xuyên, lần đầu tiên
phóng xạ này được coi là phóng xạ gamma, mặc dù khả năng đâm xuyên của nó
lớn hơn bất kì tia gamma đã biết nào, và các chi tiết dựa trên kết quả thí nghiệm
rất khó 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 nó sẽ bắn ra Proton với một năng lượng rất cao. Điều này không
mâu thuẫn với giả định về bản chất của tia gamma trong phóng xạ mới, nhưng sự
phân tích chi tiết về số lượng thông tin trở nên khó dần để nó phù hợp với giả
thuyết.
Cuối cùng, năm 1932 nhà vật lý James Chadwick
4

trong tòa 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 không đứng vững . Ông ta đề nghị một
bức xạ mới của hạt không mang điện mà có khối lượng gần đúng với khối lượng
của Proton, và ông đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm để kiểm tra lại đề xuất của
mình.
Những hạt không mang điện này được gọi là neutron, xuất phát từ gốc là
từ neutral và theo Hi lạp có –on (mô 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 nó chỉ có 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 có thể đạt
đến được nhờ sự thoát ra của W boson (loại boson vectơ trung gian) . Điều này

4
Phụ lục V.4, trang 30.
17

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
có nghĩa là phân rã neutron có thể tạo ra 1 proton (bao gồm 1 hạt quark down và
quark up), 1 electron, và 1 phản neutrino electron.
Ngoài hạt nhân, neutron tự do không bền và có thời gian sống trung bình
là 885.7±0.8 s (khoảng 15 phút), phân rã bởi sự thoát ra của 1 electron mang
điện tích âm và 1 phản neutrino để trở thành 1 proton.
n
0
→ p
+

+ e
−
+ νe
Phân rã này được biết như phân rã beta, có thể thay đổi đặc tính của
neutron trong hạt nhân không bền.
Bên trong hạt nhân, proton có 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
thoát ra của 1 positron (phản electron) và 1 neutrino (thay vì là 1 phản neutrino).
p
+
→ n
0
+ e
+
+ νe
Sự thay đổi của 1 proton thành neutron bên trong hạt nhân có thể dẫn đến
việc bắt electron.
p
+
+ e
−
→ n
0
+ νe
Bắt positron bởi neutron trong hạt nhân có thể ngăn chặn sự vượt trội của
neutron, nhưng nó bị cản trở vì positron bị đẩy lùi bởi hạt nhân, và nó nhanh
chóng bị hủy diệt khi nó va chạm với electron.
Phản ứng beta và bắt electron là các kiểu của phân rã phóng xạ và cả 2 đều
chịu ảnh hưởng của tương tác yếu.
II.3.3.2 Moment lưỡng cực điện:

Mô hình chuẩn của vật lý hạt tiên đoán 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. Đó là 1 tiên đoán có giá trị. Từ 1 khó khăn chưa được giải quyết
trong vật lý hạt, nó đã xóa sạch những mô hình chuẩn không đầy đủ. Học thuyết
18

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
mới đã dẫn đến mô hình chuẩn xa hơn, dẫn đến sự tiên đoán về moment lưỡng
cực điện của neutron. Hiện tại, có 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 có moment lưỡng cực từ ngược với
chính hạt: +1,91 µ
N
cho phản neutron.
III. Quan niệm hiện đại:
Có 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 không phải là các hạt cơ bản nhất, chúng lại được cấu tạo bởi ba hạt
nhỏ hơn, đó là các hạt quark.
Hạt Quark
III.1 Giới thiệu về hạt Quark:
Cái tên kỳ cục này đã được Murrey Gell Mann
5
-người đầu tiên đoán sự
tồn tại của chúng lấy từ cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của nhà văn nổi tiếng

người Scotland –James Joyce.

5
Phụ 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
không thể nghiên cứu một hạt quark đơn lẻ trong phòng thí nghiệm. Vì vậy, một
số tính chất cơ bản của hạt quark không 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 công trình nghiên cứu mới để giải quyết bí ẩn
của hạt quark với việc hoàn 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
không 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 Mô
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 không thể cô 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 không
thể tách rời mỗi hạt quark.
Hạt quark không bao giờ tồn tại riêng
lẻ, mà luôn luôn 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 không
được phát hiện trong các thí nghiệm, chúng
luôn luôn ở trong các hadron, hạt hạ nguyên
tử như các quang tử, neutron và meson.
III.3 Các loại hạt Quark:
Có 6 loại hạt quark (người ta còn gọi đó là 6 hương vị) :quark up (u),
quark charm (c), quark top (t), quark down (d ), quark strange (s), quark bottom
(b).
Ngoài ra quark có 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

C
ấu trúc quark của
phản pion (π+)

Cấu trúc quark
của proton

Cấu trúc quark
của neutron

Cấu trúc quark
của phản pion

Hai đ
ịnh 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 có 6 hương, ký hiệu: u, d, s, c, b, t. Quark có một số
lượng tử cộng tính gọi là Baryon, ký hiệu là B. Mỗi hương quark đều có số
Baryon bằng 1/3. Các phản quark có số Baryon bằng -1/3.

Từ 2 hương u và d có 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 có thời gian sống dài hơn dự kiến: 10
-10
s thay cho 10
-23
s, 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 nó 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 đó 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
-23
s, bởi vì lambda là
Baryon nên nó sẽ phân rã do tương tác mạnh. Việc lambda có thời gian sống dài
hơn dự kiến chắc chắn là do chịu sự chi phối của định luật bảo toàn mới, đó là
“định luật bảo toàn số lạ”.
Hương s có số lượng tử số lạ: S = -1. Sự có mặt của quark lạ trong
lambda làm cho nó có số số lạ: S = -1. Các phản hadron tương ứng với nó sẽ có
số lạ S = +1. Các quark u, d sẽ có số lạ bằng 0.
Định luật bảo toàn số lạ sẽ ngăn cấm các phản ứng phân rã mà do tương
tác mạnh và tương tác điện từ không bảo toàn 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 toàn số lạ đều bị vi phạm. Các hạt sản phẩm phân rã có 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 không lạ. Do tương tác rất yếu nên lambda có 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 có khối lượng cỡ 3100 MeV, lớn hơn gấp 3 lần khối lượng proton. Đây là
hạt đầu tiên có 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 có số lượng tử duyên C = +1. Phản quark duyên có số duyên bằng -
1, còn các quark khác có số duyên bằng không. Quark duyên cùng với các quark
thông thường tạo nên các hạt cộng hưởng có duyên.
Meson nhẹ nhất có chứa quark duyên là D meson. Nó 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 có chứa quark duyên là lambda cộng, ký hiệu 
c
+
. Nó có
cấu trúc quark (u d c) và có khối lượng cỡ 2281 MeV.
Năm 1977, nhóm 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 đó N là hạt nhân của đồng đỏ hoặc platinum. Hương quark đáy có
một số lượng tử mới, đó là số đáy B
q
= -1. Đối với các hương quark khác số đáy
bằng không.
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 nó. 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 nó va chạm trực tiếp với phản proton có 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. Nó lớn hơn
180 lần so với khối lượng proton và gần hai lần khối lượng hạt cơ bản vừa tìm
được, meson vecto Z
0
(Z
0
là hạt truyền tương tác yếu, có khối lượng cỡ 93 GeV.
Quark đỉnh có số lượng tử mới gọi là số đỉnh. Nó bằng T
q
= +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.