Bai seminar mon cat ly dai cuong bec l1xjyiq60i4x4m 044743

− Có thể hình dung trạng thái này như một chất khí trong đó nguyên tử không còn chuyển động một cách hỗn độn nữa mà bị buộc phải hoạt động trong một không gian thống nhất hoàn toàn, cùng

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP.HCM NG Đ I H C Y D ẠI HỌC Y DƯỢC TP.HCM ỌC Y DƯỢC TP.HCM ƯỢC TP.HCM C TP.HCM KHOA KHOA H C C B N ỌC Y DƯỢC TP.HCM Ơ BẢN ẢN

B MÔN : V T LÝ Đ I C Ộ MÔN : VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ẠI HỌC Y DƯỢC TP.HCM ƯƠ BẢN NG

GIẢNG VIÊN PHỤ TRÁCH: THẦY HÀ SIU

BÀI SEMINAR MÔN VẬT LÝ ĐẠI

CƯƠNG

MỤC LỤC:

1

1

1 Khái niệm:

trong 5 trạng thái cơ bản của vật chất (Rắn, lỏng, khí, plasma và BEC).

3

3

3

− Có thể hình dung trạng thái này như một chất khí trong đó nguyên tử không còn chuyển động một cách hỗn độn nữa mà bị buộc phải hoạt động trong một không gian thống nhất hoàn toàn, cùng vận tốc, cùng phương, cùng hướng.

thấp, các nguyên tử cũng ngưng tụ lại thành BEC (nhưng chỉ được 10% trong số đó thôi) làm cho Heli có tính siêu dẻo, có khả năng

4

4

2 Quá trình nghiên cứu và phát triển:

− Lý thuyết: Các hạt boson (là hạt có số lượng

tử spin nguyên trong nguyên tử chất khí) tuân theo thống kê Bose-Einstein do Bose đề xướng(1920), sau đó được Einstein phát triển và hoàn thiện Năm 1934, Einstein đã tiên đoán về sự tồn tại của trạng thái này sau khi xảy ra sự ngưng tụ Bose-Einstein khi nhiệt độ của hệ khí đạt đến 0 độ tuyệt đối (0K).

5

5

5

− Thực nghiệm: 0K là 1 nhiệt độ rất khó để

đạt được, do đó mãi đến cuối thế kỷ 20, nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật làm lạnh và giam nguyên tử (làm lạnh bằng laze, bay hơi; từ trường, điện trường ), con người mới có thể chế tạo được BEC:

lạnh bằng laze nhưng chưa đủ lạnh để đạt đến trạng thái ngưng tụ.

6

6

 Làm lạnh bằng cách cho bay hơi các nguyên tử còn ‘nóng’, sau khi chúng được giam trong 1 ‘bẫy từ’.

năm 1995 mà đáng ngạc nhiên là các trang thiết bị cần thiết chỉ đặt vừa đủ trên một vài bàn thí nghiệm với tổng giá trị dưới 100.000 USD Mở đầu thế kỷ XXI, công trình chế tạo BEC bằng phương pháp làm lạnh do bay hơi khối khí nguyên tử loãng trong bẫy đã được tặng giải thưởng Nobel

7

7

7

cho ba nhà vật lý: Eric A.Cornell (Mỹ), Wolfgang Ketterle (Đức) và Carl E.Wieman (Mỹ) (năm 2001).

công từ các nguyên tử kiềm, Hidro hay Heli; và cũng có thể từ các loại nguyên tử khác trong tương lai.

3 Tính chất:

− Tính chất cơ bản: Đó là một khối các hạt

đồng nhất có spin nguyên(boson), chúng đều

ở trong cùng một trạng thái cơ bản như

8

8

nhau Chúng có cùng một trạng thái lượng

truyền trong BEC có tốc độ giảm đi hàng chục triệu lần so với trong chân không, nghĩa là chỉ còn vài m/s thậm chí vài cm/s.

9

9

9

 BEC có thể leo ngược lên thành cốc và bò

ra ngoài.

4 Ứng dụng :

Việc tạo ra BEC đã mở đầu kỷ nguyên mới trong vật lý nguyên tử và vật lý trong trạng thái ngưng tụ, đồng thời hứa hẹn những ứng dụng mới quan trọng trong công nghiệp

tử được dùng để tạo ra các giao thoa kế nguyên tử ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

10

10

quang học nguyên tử, đo lường tinh vi, vi phân tích

pháp quang khắc nano hiện đại, có thể tạo

ra các loại chip thực hiện các chức năng cực kỳ đa dạng, dùng trong các giao thoa

kế, máy kỹ thuật toàn ảnh, kính hiển vi đầu dò quét và xử lý thông tin lượng tử

chắc chắn thời gian tới, sẽ tạo ra hướng công nghệ cao mới với hàng loạt cơ cấu

11

11

11

linh kiện tinh vi mới, nhất là trong lĩnh vực nano.

12

12

JOHN-DALTON (1766-1844)

John-Dalton là một

nhà vật lí- hoá học

người Anh rất nổi tiếng.

Ông sinh ra trong một gia đình nghèo nên không có điều kiện học tập và nghiên cứu, theo đuổi ước mơ khoa học của mình Nhưng với nghị lực, quyết tâm, năm 19 tuổi, ông đã làm hiệu trưởng 1 trường trung học sau này,

13

ông nổi tiếng vì những đóng góp, lí giải của ông về bệnh mù màu,… và đặc biệt

là thuyết nguyên tử Lý thuyết về nguyên tử của Dalton là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này.

ĐỊNH LUẬT DALTON

Do nhà vật lí học và hoá học Anh Đantơn (J Dalton) đề ra (1801 - 1803):

1 Áp suất của hỗn hợp những khí không hoá hợp với nhau, bằng tổng của các áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợp Định luật được áp dụng gần đúng cho khí thực ở áp suất thấp (tức là gần trạng thái lí tưởng).

Xét một hỗn hợp khí gồm nhiều chất khí không phản ứng với nhau, ta có:

 Ở một nhiệt độ xác định, áp suất toàn phần của một hỗn hợp khí bằng

15

tổng số áp suất riêng phần của các cấu

tử của hỗn hợp.

o p toàn phần = p =p1+p2+….+pn= ∑p i

 Mỗi khí đều tuân theo PT khí lý

tưởng: P i=n i(RT V )

Phân mol và áp suất riêng phần

Phân mol x i của cấu tử i trong hỗn

mình và cũng chiếm thể tích V ở cùng

một nhiệt độ: pi = x i p

khí (trong hỗn hợp khí) vào một khối lượng xác định của dung môi tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần của nó trên dung môi, không phụ thuộc vào áp suất chung của hỗn hợp khí và hàm lượng các khí

17

khác Định luật này chỉ đúng cho

những hỗn hợp khí có áp suất chung bé

và độ tan của các khí không lớn.

Ví dụ: Khi thu giữ khí

oxy bằng cách đẩy qua

nước vào trong một bình

dốc ngược, sự hiện diện của hơi nước trong bình phải được xét đến khi tính lượng oxy thu được Cách điều chỉnh được thực hiện

dễ dàng bằng việc dùng định luật Dalton

về áp suất riêng phần.

Định Luật Phân Bố Phân Tử Theo Vận

Tốc (Phân Bố Maxwell)

James Clerk Maxwell (sinh

ngày 13 tháng 6 năm 1831 tại Edinburgh, Scotland – mất ngày 5 tháng 11 năm 1879) là một nhà toán học, một nhà vật lý học người Scotland Có thể nói Maxwell là nhà vật

lý học có ảnh hưởng nhất tới nền vật lý của thế kỉ 20, người đã đóng góp vào

công cuộc xây dựng mô hình toán học hiện đại Trong số những công trình nổi tiếng của ông có công trình nghiên cứu về sự phân bố phân tử khí theo vận tốc (1859).

Maxwell đã giải quyết thành công bài toán phân bố trên bằng những lý luận như sau: “nếu thành bình chứa khí là bất động (V=const) và không xuyên thấm với các hạt phân tử (N=const) nhưng cho phép

21

trao đổi nhiệt giữa khí và xung quanh, thì sau một thời gian nhất định trong bình đạt trạng thái cân bằng.”

Sử dụng phương pháp thống kê, Maxwell đã tìm được: số phân tử dn có vận tốc trong khoảng dv từ v đến v + dv trong tổng số phân tử khí ở nhiệt độ đồng đều T và không đặt trong trường lực nào, theo công thức:

Khi điều kiện tiếp xúc nhiệt trên biên ngăn cách giữa khí và môi trường bị

23

thay đổi thì chính hàm phân bố bị thay đổi theo

Ví dụ thay vì tiếp xúc đẳng nhiệt (a) lại xảy ra tiếp xúc đoạn nhiệt (b), nghĩa là loại trừ mọi sự trao đổi năng lượng dưới bất kỳ hình thức nào, thì nội năng toàn phần

E tp sẽ giữ nguyên giá trị chính xác của mình, chứ không phải là trung bình.

Khi đó hàm phân bố có dạng cực kỳ giản đơn: (về hình thức là ứng với T →

∞) f(v) = const là một đường thẳng Tất cả các độ lớn vận tốc v đều có cùng xác suất như nhau.

Lần đầu tiên trong lịch sử vật lý học, một công thức một công thức được rút

ra hoàn toàn dựa vào xác suất thống kê, tuy nhiên công thức lại rất chính xác.

25

Điều này đã được nhà vật lý học người Đức Otto Term kiểm chứng bằng thực nghiệm năm 1920

(hơn 60 năm sau khi hàm phân bố Maxwell ra đời).

Phân bố Maxwell của các phân tử theo vận tốc (đồ thị) Với sự tăng nhiệt độ, số lượng các phân tử nhanh sẽ tăng

lên nhưng điện tích dưới đường cong vẫn giữ nguyên không đổi.

Từ hàm phân bố trên Maxwell đã đưa ra kết luận tổng quát sau: “Vận tốc được phân bố giữa các hạt theo cùng một quy luật như quy luật phân bố sai

số quan sát (phân phối chuẩn) Vận tốc nằm trong khoảng [0,+∞) nhưng số phân tử có vận tốc quá lớn hay quá bé

27

tương đối ít” Điều đặc biệt là phân bố này không rút ra từ lối suy nghĩ nhân quả thông thường mà dựa trên những tính chất đối xứng của vật lý Từ chỗ yêu cầu của hệ vật lý thỏa mãn một số đối xứng nào đó ta đi đến một số tính chất ở dạng thực nghiệm Về phương pháp mà nói thì tư tưởng này còn có ý nghĩa rất quan trọng đối với cơ học lượng tử, khi mà nói chung người ta không giải thích chính xác được mà chỉ

có thể đón nhận tính chất thực nghiệm dựa trên tính chất đối xứng của nó.

Có thể nói ngày khai sinh ra “bức tranh thống kê trong vật lý học” ngày

21 tháng 9 năm 1859 khi James Clerk Maxwell báo cáo kết quả của mình tại phiên họp của Hội hỗ trợ phát triển khoa học Anh.

29

PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS

Johannes Diderik Van der

Tên của ông chủ yếu là liên quan đến phương trình Van der Waals Ông trở

thành giáo sư vật lý đầu tiên của Đại học Amsterdam, khi nó mở cửa vào năm 1877 và giành giải Nobel vật lý vào năm 1910.

PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS

Phương trình Van der Waals là phương trình trạng thái của khí thực

do Johannes Diderik Van der Waals đề xuất năm 1873, dựa trên hai giả thuyết:

nhất định.

31

 Các phân tử hút nhau bằng lực

có bán kính tác dụng ngắn.

Sự sai khác cơ bản giữa khí lý tưởng

và khí thực về lực tương tác giữa các phân tử đã được Van der Waals vận dụng để hiệu chỉnh phương trình trạng thái khí lý tưởng do tác dụng của lực tương tác tổng hợp giữa các phân tử là lực đẩy hoặc là lực hút Từ đó ông đã

xác lập được phương trình trạng thái của khí thực (1873) mang tên phương trình Van der Waals:

Phương trình trên gọi là phương trình Van der Waals đối với một mol khí thực Trong đó:

 a và b: Các hằng số xác định bằng thực nghiệm, đặc trưng cho kích thước và lực tương tác giữa các phân

tử của từng loại khí, được gọi là các hằng số Van der Waals.

Phương trình Van der Waals đem lại nhiều tác dụng thực tế Khí lí tưởng mặc dù là một mô hình lý thuyết đặc biệt hữu hiệu trong vật lý nhưng đã được đơn giản hóa đến mức tối đa Mô hình này tương ứng với chất khí có mật

độ nhỏ đến nỗi tương tác giữa các phân

tử của nó và kích thước của các phân

tử không đóng bất kì vai trò gì Trong khi đó phương trình Van der Waals tương ứng với mô hình thực tế hơn nhiều Trong mô hình Van der Waals, các phân tử là các quả cầu cứng tuyệt đối có đường kính rất nhỏ nhưng hữu hạn mà giữa chúng chịu tác dụng của các lực hút tương hỗ giảm nhanh theo khoảng cách.

35

Phương trình Van der Waals đuợc

sử dụng cực kỳ rộng rãi trong vật lý và

kỹ thuật Phương trình này mô tả toàn

bộ bức tranh dáng điệu của một chất từ trạng thái khí đến trạng thái lỏng Nó không phức tạp và dễ sử dụng Một điều rất quan trọng là nó dựa trên cơ

sở của một mô hình chất đơn giản nhưng mang tính thực tế và có thể đưa

ra cách giải thích mang tính thuyết phục.

Với sự xuất hiện phương trình trạng thái của khí thực sinh ra cả điều bí ẩn của phương trình này Vấn đề là ở chỗ một mặt chính Van der Waals không đưa ra kết luận chặt chẽ của mình Nói đúng hơn là ông phỏng đoán câu trả lời

và phỏng đoán dựa trên cơ sở những lập luận giống như thật nhưng hoàn toàn không chặt chẽ Mặt khác, chưa có một ai thu được kết luận toán học chặt chẽ của phương trình này Tất nhiên,

37

phương trình này không có cơ sở lý thuyết vững chắc nhưng tỏ ra hết sức đúng đắn Một số nhà vật lý thậm chí còn phát hiện ở đây một sự thần bí nào đó.

Vì vậy cho đến nay, điều bí ẩn của phưong trình Van der Waals vẫn chưa

có lời giải đáp đầy đủ.

ta mới phát hiện ra ngoài

ba dạng tồn tại trên vật chất còn tồn tại ở dưới một

dạng khác gọi là Plasma.

39

Một chất ở thể rắn (ta có nói nó ở pha rắn), cứ tiếp tục cung cấp nhiệt nó

sẽ chuyển sang pha lỏng (hóa lỏng), và rồi sẽ chuyển sang pha khí (hóa hơi) Đối với một số chất bền nhiệt như vonfram, nhiệt hóa hơi của nó rất cao,

cỡ 5000C Tuy nhiên, nếu ta cứ tiếp tục

nung nóng, lên đến nhiệt độ cỡ 20000C thì tại đây, bất cứ chất nào cũng sẽ chuyển sang trạng thái thứ tư

41

“Plasma” Vì vậy, Plasma không phổ biến trên Trái Đất Tuy nhiên trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ.

Plasma là sự tụ họp của các hạt (chủ yếu là các electron và ion) có cùng một tính chất (ví dụ như sóng) thống trị và quyết định sự hoạt động của hệ thống Plasma là một hỗn hợp khí ion hóa,

trong đó bao gồm các hạt mang điện như electron, ion, và kể cả các hạt trung hòa Trong hỗn hợp đó giá trị tuyệt đối của điện tích dương bằng giá trị tuyệt đối của điện tích âm => Plasma là hệ trung hòa điện tích, và là vật dẫn điện tốt Khi có sự mất cân bằng điện tích thì trong plasma sẽ sinh

ra một điện trường mạnh để ngăn cản

sự mất cân bằng và làm cho plasma này trở nên trung hòa về điện.

43

CÁC LOẠI PLASMA:

trong khoảng 3000-70000K, thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng điện tử, tivi plasma…

hơn 70000K, thường gặp ở mặt trời và các ngôi sao, trong phản ứng nhiệt hạch…

 Dựa vào bậc ion hóa có hai loại plasma: ion hóa hoàn toàn và ion hóa một phần.

hai loại:

nhiệt) là trong đó các hạt có cùng nhiệt độ,trung hòa về điện vì các hạt mang điện mất đi luôn được bù lại do quá

45

trình ion hóa, nó tồn tại mà không cần lấy năng lượng từ bên ngoài.

plasma bất đẳng nhiệt) không trung hòa về điện, nhưng sự phá vỡ trung hòa đó không phải là lớn, nó tồn tại cần có năng lượng từ bên ngoài, nếu không nhận được năng lượng từ bên ngoài thì plasma sẽ tự mất đi.

 Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện

Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường

và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác Do hiện tượng ion hóa mang tính

47

dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa

 Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử

ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi

các electron bị tách ra khỏi nguyên tử,

và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối

49

plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên.

Các ví dụ về plasma dễ thấy nhất

là mặt trời, các ngôi sao, đèn huỳnh quang và sét.

SỰ PHÂN BỐ BOLTZMANN

Ludwig Eduard Boltzmann (20 tháng

2 năm 1844 – 5 tháng 9 năm 1906) là một nhà vật lý nổi tiếng người Áo, thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Áo, ông là người bắc cầu cho vật lý hiện đại, với những công trình đặt nền móng cho các lĩnh vực khoa học gồm cơ học thống kê và nhiệt động lực học thống kê Ông là một trong những nhân vật có đóng góp lớn, bảo vệ

51