Bài giảng điện tử thao giảng vật lý 12 cấu tạo vũ trụ (2)

Con Người “Biết Suy Nghĩ’ sẽ nghĩ về
điều gì đầu tiên?


Thế giới vật chất được cấu tạo
bằng gì?
Chúng tương tác với nhau
như thế nào?


Hy Lạp cổ đại: Đất, Nước, Gió, Lửa.


Năm 1800 – Bảng Phân Loại Tuần
Hoàn của Mendeleev


Năm 1897- Thomson tìm ra electron
Năm 1919 - Rutherford tìm ra proton
Năm 1932 - Chadwick tìm ra
neutron
Khám phá hoàn toàn nguyên tử
Năm 1932 được xem là năm vật lý hạt sơ
cấp ra đời


Sự mô tả thế giới vật chất bao xung
quanh chúng ta hoàn toàn tùy thuộc
vào câu hỏi ta đặt ra.

Một lý thuyết vật lý phù
hợp để mô tả thế giới
vật chất.
Nhưng một lý thuyết
khác mô tả thế giới vật
chất ở mức độ tinh tế
hơn...
Và cứ thế…


Hạt Sơ Cấp
- Hạt vi mô hay vi hạt là những hạt có kích thước
vào ~ hạt nhân trở xuống như: photon, electron,
posistron, proton, neutron, neutrino…không xét
đến cấu tạo bên trong của chúng được gọi là các
hạt sơ cấp.
- Về năng lượng, ta có năng lượng liên kết trong hạt
nhân nguyên tử ~ 8MeV, điều kiện để tiến hành
nghiên cứu hạt sơ cấp năng lượng đòi hỏi phải vào ~
GeV tương ứng khoảng cách 10-14 cm, nên vật lý hạt
cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao.


Hạt sơ cấp được nghiên cứu chủ yếu
- Các máy gia tốc



- Các tia vũ trụ

Tiến trình khám phá ra các hạt sơ cấp



Các đặc trưng chính của hạt sơ cấp:
Khối lượng nghỉ m0:
- Thường được diễn tả qua đơn vò năng lượng
như MeV.c-2, hay GeV.c-2 (qua công thức E0=
m0.c2 )
- Ví dụ: me = 0,511 MeV.c-2, mp = 938,3
MeV.c-2, mn = 939,6 MeV.c-2
- Có khối lượng nghỉ bằng 0 như photon, có
khối lượng nghỉ xem như bằng 0 như các hạt
neutrino ν hay hạt graviton.


Điện tích:
Hạt sơ cấp hoặc là không có điện tích, hoặc
có điện tích là bội số nguyên của điện tích
nguyên tố e = 1,6.10-19 C giữ vai trò như một
lượng tử điện tích, gọi Q là lượng tử điện
tích Q = 0, ±1, ±2,…


Spin:
- Ngoài các đặc trưng như khối lượng, điện tích,
còn có moment spin đặc trưng cho chuyển
động nội tại của hạt, được xem như moment

động lượng riêng.
-Mỗi một hạt sơ cấp có moment spin xác đònh,
kí hiệu s: ví dụ electron có s = ½ , photon có s
= 1, hạt π có s = 0.
Ngoài ra còn có moment từ riêng đặc trưng
cho bản chất của hạt sơ cấp. Chính moment
từ riêng này mà ta có thể xác đònh là các hạt
sơ cấp còn có cấu trúc nội tại.


Thời gian sống trung bình:
- Một số ít các hạt sơ cấp là bền, thời gian sống là ~
∞ , cụ thể là 4 hạt p, e, γ, ν. Một cách chính xác thì
thời gian sống của γ là ∞, của electron là > 4,3.1023
năm, với proton là 1031 -> 5.1032 năm.
-Đa số đều không bền, chúng tự hủy và biến thành
hạt nhân khác, ví dụ neutron thời gian sống là ~
932s, sau đó phân rã: n -> p + e- + νÕe; n -> π+ + π- Những hạt cộng hưởng bò phân rã do tương tác
mạnh với thời gian sống đặc trưng là 10-23 - > 10-24s.
- Các hạt còn lại có thời gian sống trung bình < 10-6s


Phản hạt:
- Mỗi hạt sơ cấp có một phản hạt tương ứng.
Phản hạt có cùng khối lượng nghỉ, cùng độ lớn
điện tích nhưng trái dấu. Hạt sơ cấp và phản
hạt của nó tạo thành một cặp. Ví dụ như proton
và phản proton có cùng khối lượng nghỉ và
cùng spin bằng ½, nhưng có điện tích là ngược
nhau, kí hiệu là p, pÕ

Kí hiệu: Hạt X, Phản hạt XÕ


- Khi hạt sơ cấp không mang điện như neutron (điều
kì lạ là neutron vẫn có moment từ ) thì phản neutron
có cùng khối lượng, moment từ cùng độ lớn nhưng
ngược hướng.
- Phản hạt của photon trùng với chính nó.
-Tương tác giữa cặp hạt và phản hạt có thể xảy ra
hiện tượng hủy cặp tạo thành photon, hoặc sinh ra
một cặp hạt và phản hạt của nó từ những tương tác
photon, ví dụ cặp electron và positron:
e+ + e- -> γ + γ
γ + γ -> e+ + e-


Giải thích sự sinh và hủy cặp theo Dirac
• 1927 - Paul Dirac đã đề
xuất hình thức luận rất độc
đáo để giải thích về thế giới
vật chất và phản vật chất.
Các trạng
thái năng
lượng
Các phương trình Dirac đã tiên
đoán được các mức năng
lượng electron dương và âm,
nhưng ta chỉ thấy được
electron ở mức năng lượng
dương.

+mc2
0
- mc2


“Biển” Dirac
•Quan điểm của Dirac: mọi
trạng thái năng lượng âm của
electron đều đã lấp đầy. Bởi
nguyên lí loại trừ Pauli, ta
không thể quan sát các trạng
thái năng lượng âm của
electron

+mc2
0
- mc2

•Vũ trụ chứa đầy một “biển”
các năng lượng electron âm.


“Lổ” trong “biển” Dirac
•Giả sử có một “lổ” hay một
“bọt” trong biển Dirac năng
lượng âm của electron
• lổ hành xử như hạt với:

+mc2

•* năng lượng dương
•* điện tích dương (do vắng một
điện tích âm trong biển năng
lượng âm)
• phản - electron = positron
•Phát hiện bởi Anderson năm 1932

0
- mc2

e+


Sự Sinh và Hủy Cặp
•Sinh cặp
Đưa vào một hay nhiều photon
(năng lượng tổng cộng ít nhất
cũng bằng 2 mc2) và tạo thành
một cặp electron và positron.

e+mc2
0
- mc2

e+


Sự Sinh và Hủy Cặp
• Hủy cặp

Electron and positron gặp
nhau; electron “lấp đầy lổ
trống” và giải phóng năng
lượng (photons).

e+mc2
0

Hai photons đã được tạo ra
(bảo toàn động lượng).

- mc2

e+