(LUẬN văn THẠC sĩ) lịch sử vật lý hạt nhân từ năm 1932 đến năm 1983 qua nghiên cứu tương tác nucleon nucleon

Trong vòng 50 năm tiếp theo, sự phát triển của VLHN đóng một vai trò then chốt trong sự phát triển của vật lý hiện đại, góp phần tìm ra được các hạt mới muon, pion, ….. Khác với tương tá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư Ngành: Sư Phạm Vật lý

Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Minh Lộc

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Bích Thư Ngành: Sư Phạm Vật lý

Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Minh Lộc

CHỮ KÍ XÁC NHẬN

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thành với sự nỗ lực hết mình từ bản thân, cùng với sự

giúp đỡ, động viên của thầy, gia đình và bạn bè

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cám ơn TS Bùi Minh Lộc, cám ơn Thầy đã tận tình hướng

dẫn, giúp đỡ, có những ý tưởng mới để luôn trợ giúp cho tôi hoàn thành tốt nhất khóa luận

này Nhờ Thầy mà tôi biết thêm được nhiều kiến thức, kĩ năng trong quá trình giảng dạy và

cũng nỗ lực tìm hiểu hơn rất nhiều để nâng cao năng lực của mình

Cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích và hỗ trợ, giúp đỡ

tôi hết mình mỗi khi tôi gặp khó khăn trong quá trình thực hiện khóa luận

Một lần nữa, xin gửi đến tất cả mọi người lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Bích Thư

MỤC LỤC

Bảng 1 CÁC SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN

CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983 9

A MỞ ĐẦU 10

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 10

II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 11

B NỘI DUNG 12

CHƯƠNG 1: SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN 12

1.1 Khởi đầu của lĩnh vực VLHN (từ những năm cuối thế kỷ 19) 13

1.2 Thí nghiệm của Rutherford (1909) 15

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON 18

2.1 Deuteron - Người anh em của Hydro 19

2.1.1 Nucleon 23

2.1.1.1 Proton 23

2.1.1.2 James Chadwick và hạt mới neutron 24

2.1.2 Thuyết Yukawa về tương tác hạt nhân 26

2.1.2.1 Hideki Yukawa 26

2.1.2.2 Lý thuyết của Yukawa về sự tương tác hạt nhân 26

2.2 Tán xạ NN 30

2.3 Quark 33

2.3.1 Gell – Mann: Cha đẻ của mô hình hạt cơ bản quark 33

2.3.2 Quark 34

CHƯƠNG 3: LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON 36

3.1 Tương tác Skyrme 36

3.1.1 Tony Skyrme 36

3.1.2 Tương tác Skyrme 38

3.2 Lực Migdal 39

3.2.1 Arkady Migdal 39

3.2.2 Lực Migdal 41

3.3 Tương tác Gogny 44

3.3.1 Daniel Marc Gogny 44

3.3.2 Tương tác Gogny 45

3.4 Tương tác trên bề mặt delta 45

3.5 Xác định tương tác hiệu dụng bằng thực nghiệm 46

3.6 Kết luận 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

PHỤ LỤC 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các sự kiện nổi bật của vật lý hạt nhân trong nghiên cứu tương tác nucleon –

nucleon từ 1932 – 1983 9

Bảng 2.1 Các tính chất cơ bản của deuteron 22

Bảng 2.2 Phân loại quark 34

Bang 3.1 Các tham số của lực Gogny 45

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.1 Nhà triết học Democritus 12

1.2 Henri Becquerel (1852 – 1908) 13

1.3 Một tấm ảnh được thực hiện bởi Henri Becquerel cho thấy những ảnh hưởng của việc tiếp xúc với phóng xạ 14

1.4 Vợ chồng Marie – Pierre Curie 15

1.5 Ernest Rutherford (1871 – 1937) và thí nghiệm tán xạ hạt alpha 17

2.1 Harold Clayton Urey (1893-1981) 20

2.2 Ba đồng vị của Hydro: Hyrogen, Deuterium, Tritium 21

2.3 Niels Bohr (1885 – 1962) 24

2.4 James Chadwick (1891 – 1974) 24

2.5 Hideki Yukawa (1907 – 1981) 26

2.6 Carl David Anderson (1905 – 1991) 28

2.7 CecilFrank Powel (1903 – 1969) 28

2.8 Giản đồ minh họa tương tác NN trong lý thuyết Yukawa 29

2.9 Giản đồ Feynman 30

2.10 Gell – Mann (1929 – 2019) 33

2.11 Cấu trúc quark của meson và baryon 35

2.12 Cấu trúc quark của proton và neutron 35

3.1 Tony Hilton Skyrme (1922 – 1987) 36

3.2 Arkady Migdal 39

3.3 Daniel Marc Gogny 44

3.4 Steven A Moszkowski 46

Bảng 1 CÁC SỰ KIỆN NỔI BẬT CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN

CỨU TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON TỪ 1932 – 1983

1932

- Sự phát hiện ra Deuterium (Urey*, Brickwedde, Murphy)

- Sự phát hiện ra neutron (Chadwick*)

- Mô hình hạt nhân proton – neutron (Heisenberg*)

1935 - Giả thuyết về hạt meson (Yukawa*)

1947 - Tìm được pi – meson (Powel*)

1964 - Quark model of hadrons (Gell Mann Zweig)

1974 - Charmed quark được xác nhận (Richer Ting)

1977 - Bottom quark (Lenderman)

1983 - Operation of proton – antiproton collider at 300 GeV (CERN)

- Phát hiện weak boson (Rubbia)

A MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý Hạt nhân (VLHN) đã có nền tảng với những bước đi đầu tiên như phát hiện hiện tượng phóng xạ vào năm 1896 hay thí nghiệm Rutherford Tuy nhiên chỉ đến khi Chadwick tìm ra neutron vào năm 1932, thành phần của hạt nhân mới được hiểu rõ Các công trình của Cơ học lượng tử ngay lập tức được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân Trong vòng 50 năm tiếp theo, sự phát triển của VLHN đóng một vai trò then chốt trong sự phát triển của vật lý hiện đại, góp phần tìm ra được các hạt mới (muon, pion, …) VLHN có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là y học hạt nhân, ví dụ như hình ảnh cộng hưởng từ, … Ngay từ ban đầu, tương tác nucleon – nucleon (NN) đã trở thành một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu hàng đầu Khác với tương tác điện từ có thể được xây dựng từ những nguyên lý ban đầu của lý thuyết điện động lực học lượng tử, tương tác

NN là đối tượng nghiên cứu rất phức tạp Hơn nữa nucleon không phải là hạt cơ bản mà là trạng thái cân bằng lượng tử của quark và gluon Sự hiểu biết về tương tác NN quyết định thành công của nghiên cứu VLHN

Hiện nay, tại Việt Nam, đã có các giáo trình phục vụ cho việc dạy học lịch sử của ngành Vật lý, trong đó, “Lịch sử Vật lý” của Thạc sĩ Nguyễn Thị Thếp là một trong những giáo trình được sử dụng phổ biến nhất ở các trường Đại học cũng như có nội dung tương đối đầy

đủ và chính xác khi tóm tắt các sự kiện từ thời Vật lý cổ đại đến những năm đầu của Vật lý hiện đại ở các ngành Cơ, Nhiệt, Điện, Quang Tuy vậy, sự phát triển của Vật lý học sau sự

ra đời của thuyết tương đối và thuyết lượng tử chỉ được tóm gọn một cách sơ lược ở những trang cuối cùng của sách, trong đó, VLHN chỉ được đề cập một vài thành tựu nhất định và kết thúc ở lý thuyết về quark của Gell Mann vào năm 1963 (trang 198)

Bên cạnh đó, có một sự thật không thể phủ nhận, đó là một bộ phận sinh viên chuyên ngành Vật lý nhưng lại thiếu đam mê trong việc học môn Vật lý, làm ảnh hưởng đến quá trình tiếp thu kiến thức, hệ quả là sinh viên bị điểm kém, và nó làm cho các bạn không còn động lực để học Vật lý Cách giải quyết hiệu quả nhất lúc này là cho sinh viên tiếp xúc với Vật lý thông qua lịch sử Lịch sử Vật lý sẽ giúp sinh viên bổ sung những kiến thức còn

lịch sử, sinh viên sẽ tìm thấy được động lực cho bản thân, từ đó lấy lại được đam mê, hiệu quả học tập được nâng cao

II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

 Tìm hiểu quá trình hình thành và phát triển của VLHN thông qua các lý thuyết về tương tác NN

 Bổ sung kiến thức về VLHN

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN

VLHN là ngành nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử Loại lực đặc trưng cho các tính chất của hạt nhân có nguồn gốc từ tương tác mạnh Tuy nhiên, cả tương tác yếu lẫn tương tác điện từ cũng đóng một vai trò quan trọng Vì những lí do này, VLHN trở thành một ngành

vô cùng cần thiết để có thể kiểm chứng các đặc điểm cơ bản của hạ nguyên tử cũng như nghiên cứu các định luật nền tảng của Vật lý

Các nghiên cứu về tính chất cơ bản của vật chất vốn đã được nhen nhóm bởi những

nhà triết học người Hy Lạp từ rất lâu về trước, đặc biệt là Democritus sống ở thế kỉ thứ 4 trước công nguyên Ông tin rằng vũ trụ này được cấu thành từ hai thực thể: nguyên tử và chân không, trong đó “nguyên tử là các hạt vật chất cực nhỏ, không nhìn thấy được, không thể phân chia nhỏ hơn được nữa”

Trong vòng 2400 năm tiếp theo, quan điểm của Democritus vẫn chỉ là một dự đoán Cho đến tận đầu thế kỉ

19, khi khoa học thực nghiệm ra đời và được áp dụng, người

ta tìm ra được các bằng chứng về sự tồn tại của nguyên tử và

từ đó, ý tưởng về “nguyên tử” trở thành lý thuyết khoa học toàn diện Một khi các nhà hóa học làm sáng tỏ, hệ thống được các nguyên tử và giải thích các quy luật ảnh hưởng đến sự kết hợp của nguyên tử trong vật chất thì hiển nhiên sẽ xuất hiện nhu cầu nghiên cứu về các đặc tính cơ bản của từng nguyên tử trong nguyên tố, đó chính là Vật lý nguyên tử Từ đó đặt nền tảng cho các công cuộc nghiên cứu nguyên tử và dần dần mở cánh cửa cho các nhà khoa học đến với VLHN

Hình 1.1 Nhà triết học

Democritus (thế kỉ 4 TCN)

Nguồn: wikipedia

1.1 Khởi đầu của lĩnh vực VLHN (từ những năm cuối thế

kỷ 19)

Sự khởi đầu của VLHN được đánh dấu bằng việc khám phá ra

một dạng bức xạ mới từ muối urani của Henri Becquerel Henri

Becquerel là một nhà khoa học người Pháp, tháng 2/1896,

Becquerel hi vọng sẽ chứng minh được liên hệ giữa các khoáng

chất phát sáng khi tiếp xúc với ánh sáng mạnh (huỳnh quang)

và một loại bức xạ điện từ mới vừa được phát hiện – tia X

Becquerel lên kế hoạch phơi một vật liệu huỳnh quang với

ánh nắng mặt trời, rồi đặt nó và một vật bằng kim loại trên một

tấm phim chưa phơi sáng Nếu tấm phim ghi lại hình ảnh của

vật thể, ông có thể kết luận rằng các vật liệu huỳnh quang thực sự phát ra tia X

Nhưng thời tiết liên tục có mây, buộc ông phải trì hoãn thí nghiệm của mình trong nhiều ngày Ông quấn các tinh thể huỳnh quang của mình – một hợp chất uranium có tên là potassium uranyl sulfate – trong một tấm vải màu đen, cùng với tấm phim và một cây thánh giá đồng Maltese, và chờ một ngày nắng hơn

Vài ngày sau, khi lấy dụng cụ ra khỏi ngăn kéo, Becquerel đã vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện hình ảnh cây thánh giá xuất hiện trên phim – mặc dù nó chưa từng bị phơi nắng Kết luận duy nhất là các tinh thể tự phát ra bức xạ Becquerel quyết định lặp lại các điều kiện của thí nghiệm: Ông đặt trực tiếp một tinh thể muối uranium lên một tấm phim, đặt gián tiếp qua một tấm nhôm và kính trên hai tấm phim khác

Sau khi được đặt trong bóng tối vài giờ, tất cả ba tấm bị làm đen bởi bức xạ (tinh thể tiếp xúc trực tiếp với phim cho thấy sự đen tối mạnh nhất) “Bây giờ tôi tin rằng muối uranium tạo ra bức xạ vô hình, ngay cả khi chúng được giữ trong bóng tối” – ông viết trong nhật ký thí nghiệm của mình – Đó chính là hiện tượng phóng xạ tự nhiên

Hình 1.2 Henri Becquerel (1852 – 1908) Nguồn: wikipedia

Trước cuối thế kỉ 19, phần lớn các hiện tượng Vật lý quan sát được đều được giải thích bằng Vật lý cổ điển Tuy nhiên, phóng xạ là một những bài toán mà Vật lý cổ điển không thể giải quyết được Và chính khát khao tìm câu trả lời cho những hiện tượng này, đồng thời thiết lập một hệ thống các định luật Vật lý đã tạo cơ hội cho Vật lý hiện đại được hình thành

Nhờ có phát minh của Becquerel, người ta quan tâm nhiều hơn về các chất phóng xạ Năm 1898, Pierre và Marie Curie đã phát hiện hai nguyên tố phóng xạ mới được gọi là poloni và radi (Becquerel cùng với Pierre và Marie Curie đạt giải Nobel Vật lý năm 1903) Cũng trong năm này, trong thời gian làm việc tại phòng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học Cambridge, Ernest Rutherford đã thông báo về sự tồn tại của hai tia phóng xạ trong bức xạ urani và chỉ ra một số tính chất của chúng Ông đặt tên cho tia dễ dàng bị chặn lại hơn (hay khó có khả năng đâm xuyên) là tia alpha (α) gồm các hạt He4 mang điện tích dương, còn tia dễ đâm xuyên hơn là tia beta (β) gồm các hạt electron hoặc positron, theo tên hai kí tự đầu tiên của bảng chữ cái Hi Lạp Rutherford cũng chứng minh rằng phóng xạ

là một hiện tượng phân rã tự phát của hạt nhân Năm 1900, Paul Villard (nhà khoa học

Hình 1.3 Một tấm ảnh được thực hiện bởi Henri Becquerel cho thấy những ảnh hưởng

của việc tiếp xúc với phóng xạ Một cây thánh giá bằng kim loại đặt giữa tấm phim và

muối unrni phóng xạ đã để lại một cái bóng rõ ràng trên tấm phim (nguồn: https://timeline.web.cern.ch/becquerel-discovers-radioactivity)

người Pháp) đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ mới Năm 1903, Ernest Rutherford đặt tên cho nó là tia gamma (γ)

1.2 Thí nghiệm của Rutherford (1909)

Năm 1909, dưới sự chỉ đạo của Ernest Rutherford, tại phòng thí nghiệm vật lý của Đại học Manchester, Hans Geiger (phụ tá của Rutherford) và Ernest Marsden (sinh viên) thực hiện thí nghiệm chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha truyền qua và tán

xạ Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomet: hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt bị lệch hướng, và cứ khoảng chừng 8000 hạt thì có một hạt bị tán xạ ngược lại và góc tán xạ lớn hơn o

90 Rutherford đã mô tả lại kết quả này một cách đầy hình tượng: “Đó là sự kiện đáng chú ý nhất trong cuộc đời tôi Điều này giống như khi bạn bắn một phát súng đại bác vào một mảnh giấy và viên đạn bay ngược trở lại trúng vào bạn”

Kết quả này đã đưa ra một cái nhìn hoàn toàn khác với giả thuyết trước đó về nguyên

tử, mô hình “pudding mận” (“plum pudding”) của Joseph John Thomson (đạt giải Nobel Vật lý năm 1906) Nếu cấu trúc nguyên tử giống như bánh pudding mận, khi mà điện tích

Hình 1.4 Vợ chồng Marie – Pierre Curie Marie Curie là phụ nữ đầu tiên được nhận giải Nobel danh giá và đồng thời cũng là người

duy nhất nhận được hai giải thưởng Nobel ở hai lĩnh vực khác nhau: hóa học và vật lý

(nguồn: Wikipedia)

âm và điện tích dương trộn lẫn với nhau, giống như quả mận được trộn lẫn trong bánh, nó

sẽ trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa các nguyên tử và các hạt alpha, thì các hạt alpha sẽ đi xuyên qua lá vàng Rutherford suy luận rằng sự phản xạ của hạt alpha đã cho minh chứng nguyên tử có một lõi nhỏ giống như là những lá chắn cứng đối với các hạt alpha Hạt alpha có tốc độ rất lớn, khoảng 10.000 km/s Để đẩy bật ngược được nó, thì phải có một lực đẩy tĩnh điện rất mạnh từ các điện tích dương của nguyên tử trong lá vàng Điều đó chỉ có thể xảy ra khi mà toàn bộ điện tích dương tập hợp lại trong một thể tích rất nhỏ

Năm 1911, Rutherford đã giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên giả thuyết về “mẫu hành tinh nguyên tử”: nguyên tử có cấu tạo rỗng chứa một hạt nhân nhỏ mang điện tích dương trong lõi với các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt trời Phần lõi này được gọi là hạt nhân nguyên tử

Do những giới hạn mà thời điểm đó, người ta chưa thể hiểu biết nhiều về cấu trúc của thế giới vi mô như ngày nay Mô hình nguyên tử của Rutherford là mô hình đầu tiên đề xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm tại tâm của nguyên tử, có thể coi là sự khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử Sau khám phá này, việc nghiên cứu về nguyên tử được tách ra làm hai nhánh, Vật lý hạt nhân nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử và Vật lý nguyên tử nghiên cứu về cấu trúc của các electron bay quanh

Có thể nói, khám phá của Rutherford vô cùng quan trọng và chính là tiền đề cho sự phát triển của VLHN hiện đại sau này vì vậy, Ernest Rutherford được mệnh danh là “cha đẻ” của VLHN

Hình 1.5 Ernest Rutherford (1871 – 1937) và thí nghiệm tán xạ hạt alpha Ernest Rutherford là một nhà Vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phóng xạ và cấu tạo nguyên tử - “cha đẻ” của VLHN Nhờ làm sáng tỏ hiện tượng tán xạ trong thí nghiệm

với lá vàng mà ông được giải Nobel hóa học vào năm 1908

(nguồn: https://www.iespfq.cat/moodle)

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON

Lực hạt nhân (hay là sự tương tác giữa nucleon với nucleon hoặc là phần thặng dư của lực tương tác mạnh) là lực tương tác giữa hai hay nhiều nucleon Nó là nguyên nhân gây ra sự gắn kết của các proton và các neutron ở trong hạt nhân nguyên tử

Những đặc điểm cơ bản của lực hạt nhân:

 Lực hạt nhân có cường độ rất lớn Tương tác hạt nhân là tương tác mạnh Ví dụ, năng lượng liên kết do lực hạt nhân gây ra đối với hạt nhân deutron bằng 2,23 MeV, trong khi năng lượng liên kết do lực điện từ gây ra đối với hydrogen bằng 13,6 eV

 Lực hạt nhân có tính độc lập điện tích Trong các thí nghiệm về tán xạ NN, bao gồm tán

xạ n-n, n-p, p-p, sau khi loại bỏ phần tương tác Coulomb trong tán xạ p-p, người ta thấy

có sự đồng nhất về dáng điệu tán xạ của ba quá trình trên Do đó, về phương diện lực hạt nhân thì ba quá trình tương tác trên là như nhau

 Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin hạt nhân, tức là phụ thuộc vào sự định hướng tương đối giữa spin của các nucleon Điều này thể hiện trong tán xạ neutron – proton năng lượng thấp

 Lực hạt nhân không đối xứng tâm, tức là có tính chất tensor Điều đó có nghĩa là phương của lực tác dụng tương hỗ giữa hai nucleon không trùng với phương nối hai nucleon đo.s Khi đó, lực hạt nhân không bảo toàn moment quỹ đạo Tính không xuyên tâm của lực hạt nhân suy từ sự có mặt của moment tứ cực điện của deutron

 Lực hạt nhân có tính trao đổi Khi va chạm nhau, các nucleon trao đổi với nhau điện tích, hình chiếu spin, … tính chất trao đổi này suy ra từ các thí nghiệm tán xạ neutron năng lượng cao lên proton

 Lực hạt nhân có lõi đẩy mạnh, tức là khi đạt đến khoảng cách đủ nhỏ, lực hạt nhân không hút các nucleon lại nữa mà trở thành đẩy chúng với cường độ lớn Lõi đẩy bắt đầu xuất hiện ở khoảng cách cỡ 0,5 fermi, tức là cỡ 0, 5.1013cm

 Lực hạt nhân có thể phụ thuộc mạnh vào vận tốc các hạt va chạm

2.1 Deuteron - Người anh em của Hydro

Deuterium, hay còn gọi là hydro nặng, là một đồng vị bền của hydro có mặt phổ biến trong các đại dương của Trái Đất với tỉ lệ khoảng 1 nguyên tử trong 6400 nguyên tử hydro (khoảng 156,25 ppm) Deuterium chiếm khoảng 0,0156% (tương đương về khối lượng: 0,0312%) trong tổng số hydro tự nhiên trong các đại dương của Trái Đất; mức độ phong phú thay đổi nhỏ theo từng loại hình nước tồn tại trong tự nhiên Hạt nhân của deuterium (được gọi là deuteron) chứa 1 proton và 1 neutron, trong khi các hạt nhân của hydro thông thường không có neutron Tên đồng vị này có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp deuteros nghĩa là

"2", ám chỉ có 2 hạt cấu tạo nên hạt nhân

Vào những năm 1920, William Giauque và Herrick Johnston đã phát hiện ra các đồng

vị bền của oxy Ở thời điểm đó, đồng vị chưa được hiểu rõ; James Chadwick cũng không khám phá ra neutron cho đến tận năm 1932 Người ta phân loại các đồng vị dựa trên các tính chất hóa học và vật lý Loại thứ hai được xác định bằng máy quang phổ khối Vì người

ta biết rằng trọng lượng nguyên tử của oxy nặng gần gấp 16 lần so với hydro, Raymond Birge và Donald Menzel đưa ra giả thuyết rằng hydro cũng có nhiều hơn một đồng vị Dựa trên sự khác biệt giữa kết quả của hai phương pháp, họ dự đoán rằng chỉ có một nguyên tử hydrogen trong 4500 đồng vị nặng

Năm 1931, Urey bắt đầu tìm kiếm đồng vị hydro Urey và George Murphy đã tính toán từ dãy Balmer rằng đồng vị nặng sẽ có các vạch được dịch chuyển từ 1,1 đến 1,8 ångströms (1,1.1010 ~ 1,8.1010 m ) Urey đã truy cập vào 6,4 m lưới quang phổ, một thiết bị nhạy cảm được cài đặt gần đây tại Columbia và có khả năng giải quyết các dãy Balmer Với độ phân giải 1 Å trên mỗi milimet, máy sẽ tạo ra sự khác biệt khoảng 1 milimét Tuy nhiên, vì chỉ có một nguyên tử trong 4500 là nặng, nên đường kẻ trên máy quang phổ rất mờ nhạt Do đó, Urey quyết định trì hoãn công bố kết quả của họ cho đến khi ông có thêm bằng chứng thuyết phục rằng đó là hydro nặng

Urey và Murphy tính toán từ mô hình Debye rằng đồng vị nặng sẽ có điểm sôi cao hơn một chút so với các đồng vị nhẹ Bằng cách làm ấm cẩn thận hydro lỏng, 5 lít hydro lỏng có thể được chưng cất thành 1 mililit, sẽ được tăng thêm trong đồng vị nặng từ 100 đến 200 lần Để có được năm lít hydro lỏng, họ đã đi đến phòng thí nghiệm đông lạnh tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia ở Washington, DC, nơi họ có được sự giúp đỡ của Ferdinand Brickwedde , người mà Urey đã biết tại Johns Hopkins

Mẫu đầu tiên mà Brickwedde gửi đi đã bốc hơi ở 20 K (−253,2 ° C; −423,7 ° F) ở áp suất 1 khí quyển tiêu chuẩn (100 kPa) Trước sự ngạc nhiên của họ, điều này cho thấy không

có bằng chứng của sự tăng thêm Brickwedde sau đó đã chuẩn bị một mẫu thứ hai bay hơi

ở 14 K (−259,1 ° C; −434,5 ° F) ở áp suất 53 mmHg (7,1 kPa) Trên mẫu này, các dòng Balmer cho hydro nặng gấp 7 lần Bài báo công bố phát hiện ra hydro nặng, sau này được đặt tên là deuterium, được Urey, Murphy và Brickwedde cùng xuất bản năm 1932 Urey được trao giải thưởng Nobel về hóa học năm 1934 "vì phát hiện ra hydro nặng" Ông từ chối tham dự buổi lễ tại Stockholm, để ông có thể có mặt khi con gái Mary Alice được sinh

ra

Hình 2.1 Harold Clayton Urey (1893-1981) là nhà hóa học người Mỹ được coi là người mở hướng đi mới cho công nghệ năng lượng hạt nhân

(nguồn: https://genk.vn)

Làm việc với Edward W Washburn từ Cục Tiêu chuẩn, Urey sau đó đã phát hiện ra

lý do của mẫu dị thường Hydro của Brickwedde đã được tách ra khỏi nước bằng phương pháp điện phân, dẫn đến mẫu bị cạn kiệt Hơn nữa, Francis William Aston hiện báo cáo rằng giá trị tính toán của ông đối với trọng lượng nguyên tử của hydro là sai, do đó làm mất hiệu lực lý luận ban đầu của Birge và Menzel Tuy nhiên, việc phát hiện ra deuterium vẫn

là một dấu mốc quan trọng

Urey và Washburn đã cố gắng sử dụng điện phân để tạo ra nước nặng tinh khiết Phương pháp của họ là sử dụng âm thanh, nhưng đã bị đánh bại vào năm 1933 bởi Lewis, người có thể dùng tài nguyên của Đại học California theo ý của mình Sử dụng phép tính xấp xỉ Born-Oppenheimer, Urey và David Rittenberg đã tính toán các tính chất của khí

có chứa hydro và deuterium Họ đã mở rộng điều này để làm giàu các hợp chất của carbon, nitơ và oxy Chúng có thể được sử dụng như các chất đánh dấu trong hóa sinh , dẫn đến một cách hoàn toàn mới để kiểm tra các phản ứng hóa học Ông thành lập Tạp chí Vật lý hóa học vào năm 1932, và là biên tập viên đầu tiên của nó, phục vụ trong khả năng đó cho đến năm 1940

Tại Columbia, Urey chủ trì Liên đoàn Đại học vì Dân chủ và Tự do Trí tuệ Ông ủng

hộ đề xuất của Atlanticist Clarence Streit cho một liên minh các nền dân chủ lớn của thế giới và sự nghiệp cộng hòa trong cuộc Nội chiến Tây Ban Nha Ông là một đối thủ đầu tiên của chủ nghĩa phát xít Đức và hỗ trợ các nhà khoa học tị nạn, bao gồm Enrico Fermi, bằng cách giúp họ tìm việc ở Hoa Kỳ, và thích nghi với cuộc sống ở một quốc gia mới

Deuterium chính là khám phá đầu tiên trong bốn khám phá trọng yếu của năm 1932 Các khám phá neutron, positron, và sự phân hủy hạt nhân bởi máy gia tốc hạt nhanh chóng tiếp gót sau đó Những khám phá này nhanh chóng làm chuyển biến kiến thức về cấu trúc

hạt nhân và chứng minh tính thực tại của phản vật chất

Hình 2.2 Ba đồng vị của Hydro: Hyrogen, Deuterium, Tritium

(nguồn: https://genk.vn)

Hệ gồm có một proton và một neutron thì hệ này có thể ở trạng thái liên kết Trạng thái liên kết của hạt nhân đơn giản là deuteron (hạt nhân của nguyên tử hidro nặng 2H, kí hiệu là 𝑑) Mặc dù trong deuteron có hạt neutron là hạt không bền (phân rã β) nhưng hạt nhân deuteron

có thời gian sống lâu Như vậy, deuteron là hệ bền vững Vì vậy phải có năng lượng nào giữ chúng ở trạng thái bền vững Đó chính là năng lượng liên kết Vậy năng lượng liên kết

là đặc trưng quan trọng của deuteron Nó được tính bằng hiệu số khối lượng của deuteron với khối lượng của các hạt tạo thành nó Người ta đã tìm được nó là ε = 2,2245 MeV Ngoài ra, các đặc trưng cơ bản quan trọng khác của deuteron được thể hiện ở bảng 2.1

Năng lượng liên kết E B 2,22457312(22) MeV

Spin và độ chẵn lẻ Jπ 1+

Momen lưỡng cực từ μd 0,857438230(24) MeV

Momen tứ cực điện Qd 0,28590(30) efm2

Bảng 2.1 Các tính chất cơ bản của deuteron

Những số liệu cấu trúc này của deuteron thường xuyên được dùng để kiểm định thành phần tương tác proton – neutron trong các mẫu tương tác tác NN khác nhau Cụ thể, người

ta xác định hàm sóng Ψ𝑑 của deuteron từ nghiệm của phương trình Schrodinger sau cho hệ proton – neutron

2 2

pn(r) d(r) Ed d(r)2

Deuteron là thí dụ điển hình minh họa sự phụ thuộc

của tương tác NN vào spin và spin đồng vị của cặp NN

Cụ thể, tương tác NN chỉ có thể giữ cặp proton – neutron

với spin đồng vị T = 0 trong một trạng thái liên kết với

năng lượng cặp nhỏ hơn 0 khi S = 1 Nếu S = 0, cặp

proton – neutron chỉ có thể là cặp NN tương tác tự do với

nhau trong một quá trình phản ứng tán xạ NN (năng lượng

cặp lớn hơn 0) Ngoài ra, tương tác NN cũng không thể

liên kết cặp proton – proton hoặc cặp neutron – neutron

trong các trạng thái 3S1 và 3D1 Lí do đơn giản là d có spin

đồng vị là T = 0 trong khi các cặp pp và nn đều có spin

đồng vị tổng T = 1 Hiệu ứng phụ thuộc spin đồng vị trong trường hợp này có thể giải thích được trên cơ sở nguyên lý loại trừ Pauli của cơ học lượng tử Theo nguyên lý Pauli thì hàm sóng của một cặp ferrmion đồng loại (identical fermion) phải là phản đối xứng (antisymmetric) đối với phép hoán vị tất cả các tạo độ của hai fermion

2.1.1 Nucleon

Hạt nhân của bất cứ một nguyên tử nào cũng bao gồm các proton và neutron Proton mang điện tích dương, neutron thì không mang điện tích, và khối lượng của cả hai thì gần như là xấp xỉ (chênh lệch 0,1%) Ngoại trừ Hidro chỉ có duy nhất một proton bên trong hạt nhân của nó, thì tất cả các nguyên tố khác đều bao gồm proton và neutron Thuật ngữ “nucleon”

là tên gọi chung dành cho proton và neutron

2.1.1.1 Proton

Proton được Ernest Rutherford tìm thấy vào năm 1911 Ông đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm để khảo sát sự phóng xạ Ông cho rằng nguyên tử phải có một lõi trung tâm mà ở

đó tập trung toàn bộ điện tích dương và khối lượng của nguyên tử Và các điện tích dương

đó chính là proton Số proton trong nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng điện tích hạt

nhân của nguyên tố đó

Năm 1913, Niels Bohr đã đưa ra mô hình nguyên tử của mình và đặt tên mô hình nguyên tử Bohr, theo đó toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân Bởi vì khối

Hình 2.3 Niels Bohr (1885 – 1962) Nguồn: wikipedia

lượng của electron không đáng kể so với khối lượng của proton, nên toàn bộ khối lượng của nguyên tử, cũng như các proton, tập trung ở hạt nhân Các nhà khoa học thử lấy 2 mẫu hạt nhân – hạt nhân Hidro và hạt nhân Helium Như đã nói ở trên thì toàn bộ khối lượng của nguyên tử sẽ tập trung ở hạt nhân Vậy, Hidro có 1 proton, Helium có 2 proton có nghĩa

là khối lượng của Helium sẽ gấp hai lần khối lượng của Hidro Nhưng khi tiến hành thực nghiệm kiểm chứng, kết quả cho thấy khối lượng của Helium lại gấp 4 lần khối lượng của Hidro Câu hỏi được đặt ra: khối lượng tăng thêm của nguyên tử Helium đến từ đâu? Các nhà khoa học đưa đến kết luận: cần phải có thêm một số hạt ở bên trong hạt nhân của nguyên tử Helium Các hạt này đã làm khối lượng của Helium tăng lên và hạt này không thể mang điện tích Bởi vì nguyên tử trung hòa về điện, số electron bằng với số proton Nếu như các hạt mới này mang điện tích sẽ khiến cho nguyên tử không còn bền vững

2.1.1.2 James Chadwick và hạt mới neutron

James Chadwick sinh năm 1891 tại Manchester, Anh

Ông ta là một đứa trẻ nhút nhát sinh ra từ một gia đình

thuộc tầng lớp lao động, nhưng tài năng của ông đã thu

hút được sự chú ý của giáo viên và đã được cử đi học

Vật lý tại Đại học Manchester, nơi mà sau này Chadwick

làm việc cùng với Ernest Rutherford trong các nghiên

cứu về phóng xạ

Năm 1914, Chadwick quyết định tới Đức để học

cùng Hans Geiger Thật không may, không lâu sau khi

đến Đức, chiến tranh thế giới thứ 2 nổ ra và Chadwick

đã phải trải qua 4 năm tiếp theo trong một trại tù Điều này không hề làm ông nản chí với các nghiên cứu khoa học của mình Để không bị nhàm chán, ông và một số bạn tù đã thành lập một câu lạc bộ khoa học, giảng bài cho nhau và thuyết phục các cai tù cho phép họ thành lập một phòng thí nghiệm nhỏ Mặc dù nhiều loại hóa chất rất khó có thể lấy được, Chadwick thậm chí còn tìm được một tuýp nhỏ chất phóng xạ được bán ở chợ đen Đức vào

Hình 2.4 James Chadwick (1891 – 1974) Nguồn: wikipedia

Sau chiến tranh, Chadwick trở lại nước Anh, hoàn thành bằng tiến sĩ tại Cambridge năm 1921 cùng với Rutherford, lúc đó là Giám đốc phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge Chadwick lúc này đã có thể tiếp tục nghiên cứu về phóng xạ với những thiết bị tân tiến hơn hẳn khi còn ở trong tù Năm 1923, Chadwick được bổ nhiệm làm trợ

lý giám đốc phòng thí nghiệm Cavendish

Tháng 2 năm 1932, Chadwick đã tiến hành một số thí nghiệm Ông ấy sử dụng hạt alpha chiếu vào hạt nhân Beryllium Khi James thực hiện, ông ta quan sát được có một hạt mới được giải phóng và đặt tên cho hạt này là neutron Hạt này không bị lệch bởi các điện tích và ông kết luận neutron không mang điện tích

He + Be →9 12C + neutron

4

Nhờ đây, bài toán về khối lượng của Helium được giải quyết

Việc phát hiện ra neutron đã nhanh chóng thay đổi quan điểm của các nhà khoa học về nguyên tử và Chadwick nhờ có thành tựu này đã được trao giải Nobel năm 1935 Các nhà khoa học sớm nhận ra rằng neutron mới được phát hiện, tuy không mang điện tích, nhưng lại có khối lượng lớn, có thể dùng để thăm dò các hạt nhân khác và đồng thời, neutron còn

có thể sử dụng để tạo ra phản ứng phân hạch của hạt nhân uranium, giải phóng một lượng năng lượng đáng kinh ngạc, tạo ra vũ khí hạt nhân James Chadwick, chính là người mở đường cho bom nguyên tử, sau này ông làm việc cho Dự án Manhattan

Đến những năm 1960, người ta vẫn cho rằng nucleon là hạt cơ bản và không thể tách

nó ra thành những thành phần nhỏ hơn nữa Tuy nhiên, ngày nay chúng ta đã biết được nucleon là do ba hạt quark liên kết với nhau nhờ tương tác mạnh tạo thành Tương tác giữa hai hay nhiều nucleon được gọi là tương tác NN hoặc lực hạt nhân, mà bản chất của nó chính là tương tác mạnh

2.1.2 Thuyết Yukawa về tương tác hạt nhân

2.1.2.1 Hideki Yukawa

Hideki Yukawa sinh ra ở Tokyo, Nhật Bản, vào ngày

23 tháng 1 năm 1907, con trai thứ ba của Takuji Ogawa,

người sau này trở thành Giáo sư Địa chất tại Đại học

Kyoto Yukawa lớn lên ở Kyoto và tốt nghiệp ở một

trường đại học tại địa phương vào năm 1929 Kể từ đó,

ông đã tham gia vào các cuộc điều tra về Vật lý lý

thuyết, đặc biệt lý thuyết về các hạt cơ bản

Từ năm 1932 đến 1939, ông là giảng viên tại Đại

học Kyoto, giảng viên và trợ lý giáo sư tại Đại học

Osaka Yukawa đã đạt được học vị Tiến sĩ Khoa học

vào năm 1938 và sau đó, trở thành Giáo sự Vật lý lý

thuyết tại Đại học Kyoto Khi còn ở Đại học Osaka,

năm 1935, ông đã xuất bản một bài báo có tựa đề “Sự tương tác của các hạt cơ bản I”, trong

đó, ông đề xuất một lý thuyết mới về lực hạt nhân và dự đoán sự tồn tại của meson Được khuyến khích bởi sự phát minh ra một loại hạt meson trong tia vũ trụ của một nhà Vật lý người Mĩ, Yukawa đã cống hiến hết mình để nghiên cứu phát triển lý thuyết về meson Từ năm 1947, ông chủ yếu nghiên cứu về lý thuyết của các hạt cơ bản

Năm 1948, Yukawa được mời làm Giáo sư tại Viện nghiên cứu cao cấp tại Princeton, Hoa Kỳ và tháng 7 năm 1949, ông trở thành Giáo sư tại Đại học Columbia, New York Giải thưởng Hoàng gia của Học viện Nhật Bản đã được trao cho Yukawa vào năm

1940, ngoài ra, ông còn nhận được Giải thưởng Văn hóa vào năm 1943 Năm 1949, Yukawa được trao giải thưởng cao quý Nobel Vật lý

2.1.2.2 Lý thuyết của Yukawa về sự tương tác hạt nhân

Nghiên cứu bản chất vật lý của tương tác mạnh là một trong những thách thức lớn nhất ngay từ những năm đầu của phát triển VLHN hiện đại Năm 1934, Hideki Yukawa đã đưa

ra giả thuyết tương tác NN xảy ra nhờ quá trình trao đổi một hạt boson có spin bằng 0 và

Hình 2.5 Hideki Yukawa (1907 – 1981) Nguồn: wikipedia