Vật lý hạ nguyên tử và ứng dụng

Thuyết trình
VẬT LÝ HẠ NGUYÊN TỬ

Thành viên nhóm

Lê Kim Nhung

Trần Phong Thái

Huỳnh Hữu Phúc


VẬT LÝ HẠ NGUYÊN TỬ

•

Là ngành nghiên cứu về bản chất của
các hạt cấu tạo nên vật chất cũng như
tương tác giữa chúng.

•

Có thể gọi đây là vật lý năng lượng cao
vì đa số các hạt không xuất hiện trong
điều kiện môi trường tự nhiên mà chỉ
được tạo ra hay phát hiện thông qua sự
va chạm của các hạt nhờ máy gia tốc


TỔNG QUAN

•

Hiện nay hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung
vào các hạt hạ nguyên tử ( những hạt có cấu trúc
nhỏ hơn nguyên tử) gồm electron, proton và
neutron.

•

Có 2 loại hạt:

–

Hạt cơ bản ( hạt sơ cấp): những hạt không thể chia
nhỏ hơn được nữa như electron và photon.

–

Hạt tổ hợp: những hạt được cấu thành bời các hạt
khác như proton - neutron được cấu thành từ các
hạt quark.


MÔ HÌNH CHUẨN

•

Là mô hình miêu tả về lực tương tác
mạnh, tương tác yếu, lực điện từ
bằng việc sử dụng các hạt truyền

tương tác, gauge boson

•

Mô hình gồm 24 hạt cơ bản chứa
trong vật chất và các hạt truyền
tương tác.

Hình ảnh mô tả 6 quark, 6 lepton và tác động giữa các hạt theo mô hình chuẩn



•

Lepton là những hạt cơ bản, có spin bán nguyên,không tham gia vào tương tác mạnh nhưng tuân theo nguyên lý loại trừ
Pauli.

•

Quark là hạt sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất.


Hạt Higgs

•
•

là hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành vật lý và là một trong những loại hạt boson.

•

Việc phát hiện ra hạt Higgs, một loại hạt hạ nguyên tử, có thể giúp loài người giải thích nguyên nhân tại sao
mọi dạng vật chất trong vũ trụ có khối lượng. Không chỉ có ý nghĩa đối với vũ trụ, với hạt Higgs, con người sẽ
có thêm nguồn năng lượng mới, giúp tạo nên những thành tựu công nghệ đột phá trong giao thông và viễn
thông.

Năm 1964 Peter Higgs là người đầu tiên công bố giả thuyết về hạt higgs. Năm 2012 phát hiện ra hạt Higgs
thông qua máy gia tốc hạt .


Hình mô phỏng quá trình tìm kiếm hạt Higgs bằng cách cho các luồng hạt proton va chạm trực diện với tốc độ cực lớn trong máy
gia tốc


Lý thuyết
Hạt hạ nguyên tử


Khái niệm
Hạt hạ nguyên tử là khái niệm để chỉ các hạt cấu thành nên nguyên tử. Cùng với các hạt được giải phóng trong các phản ứng
hạt nhân hay phản ứng phân rã

“Đây là những hạt sơ cấp được xem là tồn tại
như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể
tách thành các thành phần nhỏ hơn”.

Electron

Proton

Neutron

Các hạt hạ nguyên tử

Trong vật lý hiện đại, các hạt như các Quark(proton…), Lepton(electron, positron,
neutrino…), gauge, boson, photon là các hạt sơ cấp


Ví dụ
Nguyên tử Heli
Proton
Neutron
Electron
Các hạt Proton, Neutron, Electron là các hạt
sơ cấp cấu thành nên nguyên tử Heli


Tính chất các hạt sơ cấp
Khối lượng nghỉ
Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ số đó, vật đứng yên.
Đại đa số vật chất, trừ photon và notron, đều có khối lượng nghỉ khác không

Thời gian tồn tại
Các hạt sơ cấp đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của chúng dao động từ 10
bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 10

22

−6

đến 10

−24

giây. Một số ít hạt sơ cấp được gọi là

30
năm, proton10 năm.

Điện tích
Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương

Spin
Spin là một đại lượng vật lý, có bản chất của mô men động lượng và là một khái niệm thuần túy lượng tử.


Số lạ
+ 0
0
Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt sơ cấp, được đưa ra khi nghiên cứu quá trình phân rã của các hạt mêzon K: K , K , và hyperon Υ: Λ ,
+ 0 Σ , Σ , Σ tuân theo định luật bảo toàn số lạ

Phản hạt
Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song có một hoặc một số tính chất vật lý khác cùng độ lớn nhưng có chiều
ngược lại.
Ví dụ, với điện tử và phản hạt của nó positron thì có điện tích trái dấu, notron và phản notron là momen từ.
Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của photon cũng chính là photon.

Các cặp phản hạt

Phân loại hạt sơ cấp
Các hạt sơ cấp được chia làm 2 nhóm chính là fermion (các hạt tạo nên vật chất trong vũ trụ) và boson (các hạt truyền tương tác).

Bosons
Chúng là loại hạt duy nhất tuân theo thống kê
Bose-Eistein nghĩa là chúng có thể nằm cùng một
trạng thái lượng tử(không tuân thủ nguyên lý
Pauli). Theo lý thuyết thống kê spin, chúng có spin
lấy giá trị nguyên

Hadron
Là hạt tổ hợp có vai trò trọng yếu trong lực tương tác mạnh. Hadron bao gồm:
Baryon: spin bán nguyên
Meson: spin nguyên
Fermions
Trong vật lý hạt, fermion là các hạt có spin nửa nguyên. Các hạt này đặt theo tên của Enrico Fermi. Trong Mô hình chuẩn, có hai kiểu fermion cơ
bản: quark và lepton.


Tương tác của các hạt sơ cấp
Tương tác mạnh
Tương tác mạnh hay lực mạnh là một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên. Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh
dư.

Tương tác điện từ


Tương tác yếu
Tương tác yếu gây ra phân rã phóng xạ ở cả hạt hạ nguyên tử và phản ứng phân hạch. Lý thuyết tương tác yếu đôi khi được gọi là vị động lực học

lượng tử (QFD), tương tự với lý thuyết QCD và QED, nhưng tên gọi này ít khi được sử dụng bởi vì lực yếu được hiểu tốt nhất tronglý thuyết điện yếu.


Tương tác hấp dẫn
Trong vật lý học, lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật chất và có độ lớn tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng
cách của hai vật.


Fermions

Quark

Lepton

Các fermion tuân theo thống kê Fermi-Dirac


Khảo sát Quark
Quark (phát âm /ˈkwɔrk/ hay /ˈkwɑrk/) (đôi khi gọi là hạtquac) là một hạt cơ bản sơ cấp và
là một thành phần cơ bản của vật chất. Các quark kết hợp với nhau tạo nên các hạt tổ
hợp còn gọi là các hadron, với những hạt ổn định nhất là proton và neutron - những hạt
thành phần của hạt nhân nguyên tử.

Có 6 loại quark, còn được biết đến
là hương: lên (u), xuống(d), duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b).

Có điện tích, khối lượng, màu tích, và hương, các quark là các hạt cơ bản duy nhất được
biết đến có tham gia vào cả 4 tương tác cơ bản của vật lý học hiện nay: tương tác điện
từ, tương tác hấp dẫn, tương tác mạnh và tương tác yếu.

Khảo sát Lepton
1
Lepton là những hạt cơ bản, có spin bán nguyên (spin ⁄2) không tham gia vào tương tác mạnh, nhưng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli.
Hạt lepton nỏi tiếng nhất chính là electron, nó chi phối gần như mọi phản ứng hóa học, chiếm các vị trí trong obitan nguyên tử và gắn liền trực tiếp mọi
tính chất hóa học của các nguyên tố.

Electron

Neutrion

Muon

Tauon

Tham gia vào cả 4 tương tác cơ bản của vật lý học hiện
nay: tương tác điện từ, tương tác hấp dẫn, tương tác
mạnh và tương tác yếu


Video
Electron-Proton-Neutron

Thư giãn và cảm nhận !



XẠ TRỊ BẰNG PROTON

Lịch sử các thiết bị xạ trị proton

1989

1961

Trung tâm điều trị proton đầu tiên được thành lập

Phòng thí nghiệm gia tốc hạt nhân Harvard (HCL) và Bệnh viện Massachusetts (MGH) hợp tác theo đuổi liệu
phapr proton

1946

1954

+ Phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley

1957

+ Uppsala ở Thụy Điển

Robert R. Wilson đề nghị dùng proton năng lượng cao


Xạ trị proton là gì?
Xạ trị proton hay là một liệu pháp xạ trị ngoài sử dụng chùm hạt proton có năng
lượng cao thông thường từ 160 tới 230 MeV khi đó nó có tốc độ bằng khoảng 7080% tốc độ ánh sáng. Chùm hạt proton được phát ra nhờ máy gia tốc hạt có thể là
cyclotron hoặc synchrotron.