BÀI THẢO LUẬN LỊCH SỬ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

Cuối thế kỷ XIX, vật lý học cổ điển dựa trên cơ sở cơ học Newton và lý thuyết điện tử Maxwell là một hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh cho kết quả phù hợp với thực nghiệm đối với hầu hết các hiện tượng vật lý.

BÀI TH O LU N ẢO LUẬN ẬN

BÀI TH O LU N ẢO LUẬN ẬN

BÀI TH O LU N ẢO LUẬN ẬN

BÀI TH O LU N ẢO LUẬN ẬN

S RA Đ I VÀ PHÁT TRI N Ự RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN ỜI VÀ PHÁT TRIỂN ỂN

S RA Đ I VÀ PHÁT TRI N Ự RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN ỜI VÀ PHÁT TRIỂN ỂN

C A C H C L ỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Ơ HỌC LƯỢNG TỬ ỌC LƯỢNG TỬ ƯỢNG TỬ NG T Ử

C A C H C L ỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Ơ HỌC LƯỢNG TỬ ỌC LƯỢNG TỬ ƯỢNG TỬ NG T Ử

Nhóm 8-Lý A K45

Nhóm 8:

1 Tr n Th H ng ần Thị Hương ị Hương ương 7 Nông Đình Đôn

2 Lãnh Th Vân ị Hương 8 S ch V Tr ng ạch V Trường ường

3 Vũ Th M ị Hương ỵ 9 Vũ V Hùng

4 Hà Ki u Miên ều Miên 10 Vũ V M nh ạch V Trường

5 Đinh Th Yên ị Hương 11 Nông Q Dũng

6 Nùng T Th ng ượng

Nhóm 8- Lý A k45

Các n i dung chính: ội dung chính:

C h c l ng tơng ọc lượng tử ượng ử

Lịch sử của CHLT:

 Từ năm 1900, khi Planck phát hiện ra hiện tượng gián

đoạn trong các quá trình quang học, điều chưa từng được biết đến trong VL cổ điển Chỉ 1 vài năm sau, Einstein đã

diễn tả chính xác hiện tượng này trong giả thuyết của ông

về các lượng tử ánh sáng Sự không thể hòa hợp lý thuyết Maxwell với giả thuyết này đã buộc các nhà nghiên cứu đi đến KL: các hiện tượng bức xạ chỉ có thể hiểu được bằng việc dứt khoát từ bỏ sự trực quan hóa về chúng

 Được tìm ra bởi Planck, được nối tiếp bởi Einstein và

Debye, lý thuyết lượng tử tiếp tục tiến thêm một bước nữa khi được diễn tả một cách hệ thống trong các định đề cơ

bản của Bohr Các định đề này, cùng với điều kiện lượng

tử Bohr-Sommerfeld đã dẫn đến một sự diễn giải định

lượng về các tính chất hóa học và quang học của nguyên

tử

 Các định đề của Bohr đối lập một cách không

khoan nhượng với cơ học cổ điển, tuy nhiên, theo các kết quả định lượng, chúng lại có vẻ như vô

cùng cần thiết cho việc tìm hiểu các tính chất của

nguyên tử Vật lý cổ điển dường như là trường hợp giới hạn được trực quan hóa đối với một lĩnh vực vật lý vi mô về cơ bản là không thể

trực quan hóa được Sự trực quan hóa mà càng

tốt thì hằng số Planck-đặc trưng của vật lý lượng

tử càng bị triệt tiêu Sự tiếp cận đó đã dẫn đến

nguyên lý tương ứng Bohr, chính nguyên lý này

đã chuyển một số đáng kể các kết luận được xây dựng trong cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử

Nhóm 8- Lý A K45

Tiến trình lịch sử:

 Năm 1899, Beccoren (1852-1908) phát minh ra hiện tượng phóng xạ, sau đó ngta xác định được rằng: trong các tia phóng xạ thì tia β là 1 chùm electron

và tia α là 1 chùm hạt nặng hơn mạng điện tích +

 Như vậy, nguyên tử không phải là phần nhỏ nhất, không thể phân chia của vật chất, nó phải do các

hạt nhỏ hơn nữa tạo thành.

 Năm 1903- 1904, 2 mẫu nguyên tử được đề xuất:

• Mẫu của J Tomxon là 1 quả cầu nhỏ mang điện

tích +, bên trong có các e nằm rải rác ở mọi chỗ.

• Mẫu của Nagaôca gồm 1 hạt nhân mang điện tích riêng và các e quay quanh hạt nhân trên 1 đường tròn.

Nhóm 8- Lý A K45

 Năm 1909-1911, Rodopho (1871-1937),

khảo sát sự tán xạ của các hạt α trên các vật liệu mỏng, nhận thấy rằng chúng chịu tác dụng đẩy của những lực xuất phát từ

những tâm lực rất nhỏ mang điện tích +.

 Mẫu nguyên tử của Rodopho không giải

thích được tại sao các e trong nguyên tử

không liên tục bức xạ, liên tục mất năng

lượng và rơi vào hạt nhân, phù hợp với lí thuyết của Macxell, không giải thích được

sự phân bố các vạch phổ của nguyên tử, vì

sự phân bố đó chứng tỏ rằng: sự bức xạ

của nguyên tử phải có tính gián đoạn.

Nhóm 8- Lý A K45

 Năm 1913, Bohr (1885-1962) đề xuất mẫu mới

bằng cách lấy mẫu của Rodopho và bổ sung thêm

1 số giả thuyết dựa trên thuyết lượng tử của

Planck.

• Theo mẫu Bohr, các e trong nguyên tử chuyển

động trên các quỹ đạo bền, hình tròn, mỗi quỹ đạo ứng với 1 giá trị năng lượng xác định Khi chuyển động trên 1 quỹ đạo, e nằm ở 1 trạng thái dừng, không bức xạ hoặc hấp thụ năng lượng và tuân

theo các ĐL chuyển động cổ điển.Khi các e nhảy

từ 1 quỹ đạo dừng này sang 1 quỹ đạo dừng khác

nó mới bức xạ hoặc hấp thụ 1 năng lượng hf xác định đúng bằng hiệu năng lượng của 1 quỹ đạo

hf= Em – En .

 Mẫu Bohn chỉ thành công khi áp dụng cho nguyên

tử H và giải thích được phổ của nguyên tử H

Nhưng không giải thích được những nguyên tử

nhiều e.

1 số mẫu nguyên tử:

 Năm 1915, để giải thích hiệu ứng Ziman ( sự tách các

vạch phổ trong từ trường), Xommecphen đã phát triển

thêm lí thuyết của Bo, ông gắn cho mỗi quỹ đạo của e

lượng tử số n, n=1, 2, 3… Các CT tính khoảng cách của quỹ đạo tới hạt nhân, năng lượng của e trên quỹ đạo đó đều chứa n

 Do đó, năng lượng của e và khoảng cách của nó tới hạt nhân có các giá trị gián đoạn hay được ’’ lượng tử hóa “ Trên mỗi quỹ dạo e lại có thể nằm ở các trạng thái khác nhau

• Ông đã đưa thêm lượng tử số l để xác định hình dạng của quỹ đạo e, lượng tử số m để xác định sự định hướng của quỹ đạo đó trong không gian

 Tìm ra được phép lượng tử hóa không gian, giải thích

được hiệu ứng Ziman bình thường ( vạch phổ bị tách

thành 2 vạch), không giải thích đươc hiệu ứng Ziman dị thường ( vạch phổ bị tách thành nhiều vạch hơn)

Nhóm 8- Lý A K45

 Năm 1925, Paoli chỉ ra rằng để đặc trưng cho trạng thái của

e trong nguyên tử thì 3 lượng tử số n,m,l là chưa đủ Ông đưa thêm lượng tử số s là spin, đặc trưng cho sự quay của

e quanh trục của chính nó và ông phát biểu phép cấm Paoli: Trong 1 nguyên tử không thể có 2 e ở cùng 1 trạng thái với

4 lượng tử số như nhau

 Từ đó đã giải thích được mọi trường hợp của hiệu ứng

Ziman

 Tuy nhiên, sau này, từ lí thuyết tới thực nghiệm cho thấy

không có KN quỹ đạo của e trong nguyên tử và e cũng

không phải là 1 hòn bi quay tròn

 Mô hình của Bohr, Xommecphen và Paoli cũng chỉ là 1 “ bộ giàn giáo ” giống như mô hình ete của Maxwell trước đây,

và khi dỡ bỏ “ bộ giàn giáo” đi thì “ tòa nhà ” lộ ra là các PT

để tính toán, trong đó các lượng tử số là 1 bộ số để đánh dấu các trạng thái gián đoạn của e

Nhóm 8- Lý A K45

 Các lý thuyết trên, mặc dù thành công trong giải thích một số thí nghiệm nhưng vẫn bị giới hạn ở tính hiện tượng luận: chúng không được chứng minh một cách chặt chẽ về tính lượng tử Tất cả các lý thuyết đó được gọi là lý thuyết lượng tử cổ điển.

 Thuật ngữ "vật lý lượng tử" lần đầu tiên được

dùng trong bài Vũ trụ của Planck dưới ánh sáng của vật lý hiện đại của Johnston.

 Cơ học lượng tử hiện đại được ra đời năm 1925, khi Heisenberg phát triển cơ học ma trận và

Schrödinger sáng tạo ra cơ học sóng và phương trình Schrödinger Sau đó, Schrödinger chứng

minh rằng hai cách tiếp cận trên là tương đương.

 Điều đó chứng tỏ rằng: các hạt vi mô có lưỡng tính sóng hạt.

 Heisenberg đưa ra nguyên lý bất định vào năm 1927 và giải thích Copenhagen cũng hình thành vào cùng thời gian đó

 Bắt đầu vào năm 1927, Paul Dirac thống nhất lý thuyết tương đối hẹp với cơ học lượng tử Ông cũng là người tiên phong sử dụng lý thuyết toán tử, trong đó có ký hiệu Bra-ket rất hiệu quả trong các tính toán như được mô tả trong cuốn sách nổi tiếng của ông xuất bản năm 1930

 Cũng vào khoảng thời gian này John von Neumann đã đưa ra cơ sở toán học chặt chẽ cho cơ học lượng tử như là một lý thuyết về các toán tử tuyến tính trong không gian Hilbert Nó được trình bày

trong cuốn sách cũng nổi tiếng của ông xuất bản năm 1932 Các lý thuyết này cùng với các nghiên cứu khác từ thời kỳ hình thành cho đến nay vẫn đứng vững và ngày càng được sử dụng rộng rãi.

Sự phát triển của cơ học lượng tử

 Đầu năm 1927, các cố gắng nhằm áp dụng cơ học lượng tử vào các lĩnh vực khác như là các hạt đơn lẻ dẫn đến sự ra đời của lý thuyết trường lượng tử Những người đi đầu

trong lĩnh vực này là Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Victor

Weisskopf, và Pascaul Jordan

 Lĩnh vực này cực thịnh trong lý thuyết điện động lực học

lượng tử do Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian

Schwinger, và Sin-Itiro Tomonaga phát triển cvào những

năm 1940 Điện động lực học lượng tử là lý thuyết lượng tử

về điện tử, phản điện tử, và điện từ trường và đóng vai trò quan trọng trong các lý thuyết trường lượng tử sau này

 Hugh Everett đưa ra giải thích đa thế giới vào năm 1956

 Lý thuyết sắc động học lượng tử được hình thành vào đầu những năm 1960 Lý thuyết này do Politzer, Gross và

Wilzcek đưa ra vào năm 1975 Dựa trên các công trình tiên phong của Schwinger, Peter Higgs, Goldstone và những

người khác, Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg và

Abdus Salam đã độc lập với nhau chứng minh rằng lực

tương tác yếu và sắc động học lượng tử có thể kết hợp

thành một lực điện yếu duy nhất

Feynman sơ đồ của gluon bức xạ trong sắc động học lượng tử

Ứng dụng của cơ học lượng tử

 CHL đã đạt được các thành công vang dội trong việc

giải thích rất nhiều các đặc điểm của thế giới chúng ta Tất cả các tính chất riêng biệt của các hạt vi mô tạo

nên tất cả các dạng vật chất đó là điện tử, proton,

neutron, chỉ có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử

 CHLT còn quan trọng trong việc tìm hiểu các nguyên tử riêng biệt kết hợp với nhau để tạo nên các chất như thế nào Việc áp dụng CHLT vào hóa học được gọi là hóa học lượng tử CHL T phép nhìn sâu vào các quá trình liên kết hóa học bằng việc cho biết các phân tử ở các trạng thái có lợi về năng lượng như thế nào so với các trạng thái thái và làm sao mà chúng khác nhau Phần lớn các tính toán được thực hiện trong hóa học tính

toán dựa trên CHLT

 Rất nhiều các công nghệ hiện đại sử dụng các thiết bị có kích thước mà ở đó hiệu ứng lượng

tử rất quan trọng Ví dụ như là laser, transistor, hiển vi điện tử, và ảnh cộng hưởng từ hạt nhân Nghiên cứu về chất bán dẫn dẫn đến việc phát minh ra các đi-ốt và transistor, đó là những linh kiện điện tử không thể thiếu trong xạ hội hiện

đại.

 Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các

phương pháp để can thiệp vào các trạng thái

lượng tử Một trong những cố gắng đó là mật

mã lượng tử cho phép truyền thông tin một cách

an toàn Mục đích xa hơn là phát triển các máy tính lượng tử, có thể thực hiện các tính toán

nhanh hơn các máy tính hiện này rất nhiều lần Một lĩnh vực khác đó là di chuyển lượng tử có thể cho phép truyền các trạng thái lượng tử đến những khoảng cách bất kỳ.

 Bằng chứng phát sinh từ một nghiên cứu cách thức năng lượng truyền trong các

phân tử khai thác ánh sáng trong quá trình quang hợp

 Hi vọng rằng sự kết hợp lượng tử có thể

dùng để sản xuất pin mặt trời hiệu quả

hơn Công trình trên đang sắp làm thay đổi cách thức chúng ta suy nghĩ về sự quang hợp và sự điện toán lượng tử, Engel nói

“Nó là một kết quả lớn”.

Thiên nhiên vận dụng CHLT rất hiệu quả

 Một doanh nghiệp nhỏ ở Canada cho biết họ đã chế tạo được chiếc máy tính lượng tử mang tính thương mại

đầu tiên trên TG Mặc dù các nhà KH này đã xây dựng được các nguyên mẫu cho cỗ máy, nhưng hầu như họ vẫn phải chờ thêm ít nhất là một thập kỉ nữa mới có thể xây dựng được chiếc máy tính lượng tử hữu dụng, bởi vì rất khó thao tác với những hệ lượng tử tinh vi mà không làm phá hủy chúng lúc hoạt động

 Máy tính lượng tử của thế kỷ 21 sẽ xử lý thông tin

nhanh chưa từng thấy Nguyên tắc hoạt động của máy tính lượng tử trong tương lai sẽ hoàn toàn khác Cuộc chạy đua trong những lĩnh vực này đang diễn ra mạnh

mẽ trên toàn thế giới

Máy tính lượng tử - giấc mơ đã thành sự thật ?

PIN QUANG ĐIỆN:

 Món quà thứ nhất mà đặc tính dạng số của CHLT tặng

thiên nhiên là tính bền.

 Món quà dạng số thứ hai là tính đếm được.

 Món quà dạng số thứ ba mà CHLT tặng cho thiên nhiên là thông tin.

 Món quà thứ tư từ CHLT là việc xử lý thông tin.

 Món quà thứ năm và cũng là cuối cùng mà CHLT tặng cho thiên nhiên, nhưng không phải lúc nào cũng được xem là món quà: đó là tính ngẫu nhiên (Khác với cơ học cổ điển,

cơ học lượng tử chứa đựng sự bất định cố hữu; dưới một tình huống thích hợp, có thể chuyển hóa một cách tối giản thành một hành xử ngẫu nhiên không thể rút gọn được

Chính cái bản chất ngẫu nhiên này đã từng bị Einstein chỉ trích khi ông tuyên bố "Thượng đế không chơi trò xí ngầu" Thật ra, Einstein đã sai lầm: Thượng đế có chơi trò xí

ngầu, và may mắn thay, Ngài chơi rất giỏi Tính ngẫu

nhiên quả thực là kẻ thù của sự trật tự - đây là tính chất

mà Einstein đã từng chỉ trích Tuy nhiên, tính ngẫu nhiên là nguồn cội của sự biến đổi Và như Darwin đã từng dạy

chúng ta: “sự sống không biến đổi sẽ không còn là sự

sống”.

Kết luận:

 Cho đến hôm nay các nhà vật lý dự báo

tương lai loài người chính là tương lai của

CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Tuy các cuộc tranh luận vẫn chưa kết thúc nhưng cơ học

lượng tử đã trở thành một công cụ đắc

lực,một cơ sở không thể thiếu đối với việc nghiên cứu thế giới vi mô.