Đề tài - Điện tích nhỏ nhất xưa và nay

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
2
TP HCM, Ngày 15 tháng 5 năm 2009
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
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
3
II.3.2. Lịch sử tìm ra neutron……………………………………...15
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
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
4
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.
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
5
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
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
6
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:
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
7
“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
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
8
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.
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
1
Phụ lục V.1, trang 28.
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
9
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
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
2
Phụ lục V.2, trang 28.
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
10
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
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.
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
11
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:
)(1
1
2
2
c
v
−
=
γ
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
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
12
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
−
−
γ

= 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 E lectron 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:
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:
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
13
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.
II.2 Proton:
II.2.1 Khái quát về Proton:
Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy