Hạt cơ bản vũ trụ siêu thế giới đầy bí ẩn

Chúng ở trong các hiện tượng xảy ra trong phạm vi hạt nhân nguyên tử và ở trong tính chất của các hạt chuyển động với những vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng và trong các thuộc tính kì l

LỜI NÓI ĐẦU

CÓ biết bao điểu bí ẩn trong thế giới quanh ta - từ vũ trụ bao

la vô tận đến các hạt cơ bản nhỏ xíu cấu thành nên thế giới vật

chất của chúng ta Trong nhiều năm qua các nhà bác học trên toàn thế giới đã thu được những thành tựu khoa học vĩ đại, góp phần làm sáng tỏ một phần những điều bí ẩn đó Trong cuốn sách này chúng tôi cố gắng dùng cách trình bày đơn giản, bằng ngôn ngữ "đời thường" (do đó có đồi chỗ chưa thật hoàn toàn chặt chẽ, theo cách nói của các nhà khoa học), để diễn đạt nhiều kiến thức, khái niệm ít nhiều còn "xa lạ" đối với nhiều người, nhằm giới thiệu với các giáo viên, học sinh, sinh viên và những người ham thích tìm hiểu khoa học tự nhiên, một số thành tựu khoa học vĩ đại đó

Để tăng phân minh họa cho nội dung trình bày, chúng tôi có sử dụng nhiều tư liệu môi và ảnh chụp trong một số cuốn sách chuyên khảo liệt kê ở cuối sách Chúng tôi hi vọng, sau khi đọc xong cuốn sách, độc giả hình dung được khái quát thế giới vật chất quanh ta với bao điều bí ẩn mà ta muốn biết!

Tác giả

II "BA THẾ GIỚI" CỦA VẬT LÍ HỌC HIỆN ĐẠI

Vật lí học hiện đại nghiên cứu ba thế giới khác nhau, mỗi thế giới tuân theo những quy luật riêng của mình.

Đầu tiên con người nghiên cứu thế giới tự nhiên xung quanh mình chỉ bằng bàn tay và các giác quan của mình Vì thế, con người chỉ khám phá được phần thế giới có thể so sánh được với thân thể

mình - đó là Thế giới Vĩ mô, trong đó độ dài được đo bằng centimét

hay kilômét, thời gian đo bằng giây hay bằng năm, còn vận tốc đo bằng mét trong một giây Ta có thể phân biệt phần thê giới này bằng mắt thường, không cần công cụ phức tạp; nó có những quy luật riêng của nó, chủ yếu là những quy luật đơn giản về cơ học và quang học sơ cấp, mà đã từ lâu con người nghiên cứu những biểu hiện đặc thù của chúng, đó là vật lí học cổ điển.

Nhưng sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã tạo cho con người những khả năng mới để vượt ra ngoài phần thế giới này Con người đã hướng công cuộc nghiên cứu của mình vào hai hướng tương phản nhau Một mặt nghiên cứu việc đo những độ dài khoảng hàng phần nghìn triệu centimét, mặt khác, nghiên cứu việc đo những độ dài khoảng hàng nghìn triệu km! Con người đã nghiên cứu và tính được những khoảng thời gian bằng phần nghìn triệu giây, nhưng đồng thời cũng đo những khoảng thời gian hàng nghìn triệu năm, đã nghiên cứu

phân biệt những vận tốc hàng triệu lần bé hơn vận tốc con ôc sên,

nhưng đồng thời cũng nghiên cứu những vận tốc vượt quá vận tốc

máy bay phản lực hàng triệu lần!

Vật chất nguyên thủy, tức là “chất liệu ban đầu” mà từ đó thiên nhiên xây dựng nên những "viên gạch" nhỏ nhất - những hạt cơ

bản - là gì? vân vân và vân vân

Các câu hỏi và các vấn đề đó đều hấp dẫn, lí thú, "nóng hổi", nhưng đều khó giải đáp Con người đang đứng trước ngưỡng cửa của thế giới vẫn còn rất nhiều điều bí ẩn và đang tìm cách giải quyết những vấn đề đó

Đối với con người ở các thế kỉ trước, thì hình như, “thế giới bí ẩn” chỉ ẩn náu ở các lục địa xa xôi, những miền đất lạ, ở những miền địa cực bao la đầy băng tuyết, trên những đỉnh núi cao hiểm trở và trong những hoang mạc không có sự sống Nhưng ngày nay con người lại nhận thấy rằng nhiều điều bí ẩn sâu xa lại ở rất gần chúng ta Chúng ở trong các hiện tượng xảy ra trong phạm vi hạt nhân nguyên

tử và ở trong tính chất của các hạt chuyển động với những vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng và trong các thuộc tính kì lạ của các "Thếgiới" vật lí mới được khám phá trong mấy chục năm gần đây

Đi vào các "Thế giới" đó, không phải là những đoàn thuyền, những đoàn thám hiểm vòng quanh lục địa, những đoàn du lịch hay những đoàn người leo núi Những điều bí ẩn của các thế giới đó được

5

khám phá hàng ngày nhờ công lao của các nhà bác học trong các

phòng thí nghiệm, các đài thiên văn trên toàn thế giới

Siêu thế giới và phản thế giới, bản chất trường hấp dẫn, "lỗ đen", "vi phạm đốì xứng", "hạt quark" Biết hao nhiêu danh từ, khái niệm và những vấn đề mới xuất hiện trong vật lí học hiện đại! Chúng không tách rời sự tiến bộ của khoa học Hiểu được những vân đề đó tức là tiến gần đến biên giới của khoa học, tức là có một khái niệm về các vấn đề mà hiện nay các nhà bác học phải băn khoăn suy nghĩ Thế nhưng, làm được việc đó không phải là dễ Nhà toán học Pháp H.Poincaré có một câu nói nổi tiếng, có phần nào "bông đùa": "Các phương trình còn thông minh hơn cả những người tìm ra chúng" Câu

đó có ý là tìm một công thức còn dễ hơn là hiểu được nó Trong thực

tê, con người đã tìm ra được nhiều phương trình mô tả đúng đắn cácquy luật của các quá trình tự nhiên, nhưng để hiểu nó, cần phải có những kiến thức đặc biệt và căng thẳng ở trình độ cao của những môn khoa học chuyên biệt Thông thường, điều đó đã xảy ra khi những công thức phản ảnh những hiện tượng mà trước đây chưa từng xảy ra trong đời sống hằng ngày của con người, khi nhà nghiên cứu đi vào những miền "xa lạ” của tự nhiên

Đó là Siêu thế giới - miền "sâu xa" vô tận ở ngoài giới hạn

của phần thế giới mà chúng ta quan sát được bằng các dụng cụ thí nghiệm và kính thiên văn hiện đại Trong lòng vô đáy của nó có mặt tất cả các hạt và các nguyên tô"h(5a học Trong đó, một sô"định luật đã biết của "Thế giới chung ta" có phần nào thay đổi Có lẽ ở một nơi nào đây, có những "phán Thê" giới", "phản Thiên hà" đang chuyển động, chúng tạo nên bởi các khối vật chất có điện tích ngược dấu với điện tích của các chất bao quanh ta Các định luật của Siêu thế giới như thế nào? Cấu trúc của nó ra sao? Cho đến nay chưa ai trả lời được những câu hỏi đó Ngày nay, đó là Thế giới đầy bí ẩn mà ta muốn biết rõ!

II "BA THẾ GIỚI" CỦA VẬT LÍ HỌC HIỆN ĐẠI

Vật lí học hiện đại nghiên cứu ba the giới khác nhau, mỗi thế giới tuân theo những quy luật riêng của mình

Đầu tiên con người nghiên cứu thế giới tự nhiên xung quanh mình chỉ bằng bàn tay và các giác quan của mình Vì thế, con người chỉ khám phá được phần thế giới có thể so sánh được với thân thế mình - đó là Thế giới Vĩ mô, trong đố độ dài được do bằng centime! hay kilômét, thời gian đo bằng giây hay bằng năm, còn vận tốc đo bằng mét trong một giây Ta có the phân biệt phần thế giới này bằng mắt thường, không cần công cụ phức tạp; nó có những qui luật riêng của nó, chủ yếu là những quy luạt đơn giản về cơ học và quang học sơ cấp, mà dã từ lâu con ngươi nghiên cứu những biểu hiện đặc thù của chúng, dó là vật lí học cổ điển

Nhưng sự phái triển của khoa học kĩ thuật đã tạo cho con người những khả năng mới để vượt ra ngoài phần the giới nay Con người dã hướng công cuộc nghiên cứu của mình vào hai hướng tương phản nhau Một mặt nghiên cớu việc đo những độ dai khoảng hàng phần ngàn triệu centimet, mặt khác, nghiên cứu việc do những độ dài khoảng hàng nghìn triệu km! Con ngươi đã nghiên cứu và tính được những khoảng thơi gian bằng phần nghìn triệu giây, nhưng đồng thời cũng đo những khoảng thời gian hàng nghìn triệu nam, đã nghiên cứu phân biệt những vần tốc hàng triệu lần bé hơn vận tốc con ốc sên, nhưng đồng thơi cung nghiên cứu những vạn tốc vượt qua vận tốc máy bay phan lực hàng triện lần!

Có thể nói rằng, những hoạt động hàng ngày của con người

gần như nằm giữa hai thế giới này: Thế giới Vi mô và thế giới Siêu vĩ

mô Thế giới của electron (hạt điện tử) tức là Thế giới Vi mô và th-

giới của Thiên hà, của những Tinh vân ngoài Thiên hà, tức là Thế giới

Siêu vĩ mô.

Một mẩu vật chất bé nhất mà con người có thể nhận biết bằng giác quan của mình hoặc có thể di chuyển không cần công cụ đặc biệt, gồm hàng triệu triệu hạt nhỏ bé (gọi là hạt vi mô, như electron) Còn nếu quay về thế giới kia thì hành tinh của chúng ta - Trái Đất - lại gồm hàng triệu triệu mẩu vật chất lớn nhất mà con người không thể di chuyển được nếu không nhờ đến máy móc.

Thành thử nhờ công cuộc lao động sáng tạo không ngừng của con người sự hiểu biết thế giới vật chất chung quanh ta ngày càng mở rộng ra trước mắt loài người.

Archimède

Hiện nay

Hình 1 Sự mở rộng, khoảng hiểu biết từ

thời Archimède đến nay (r e là bán kính electron; R là bán kính hệ siêu vĩ mô)

Trong tác phẩm "đếm các hạt cát" ("Pơxamit") của mình, nhà toán học và cơ học vĩ dại Ihdi cổ Hi lạp là Archimède đã tính ra rằng,

Vũ trụ - mà đường kính của nó ông đã lấy bằng 1010 stađi (1 stađi -

= 100 mét ), nghĩa là bằng 1014 cm co chứa 1063 hạt cát Đối với

chúng ta, những con người chuẩn bị bước sang thế kỉ XXI, giới hạn các khoảng cách trong phạm vi mà chúng ta đã biết về thế giới siêu vĩ

mô đo bằng hàng tỉ năm ánh sáng (nghĩa là cỡ 1027 cm) - những Tinh vân ngoài Thiên hà, mà chúng ta có thể biết được bằng quan sát, cách

xa chúng ta biết chừng nào Còn giới hạn mà chúng ta đã đi sâu vào thế giới vi mô là những khoảng cách cỡ 10-13 cm Do đó ngày nay tỉ số các thể tích của thế giới siêu vĩ mô và thế giới vi mô đã biết là 10l20nghĩa là 1057 lần lớn hơn tỉ số đó của Archimède (Hình 1) Qua khoảng hơn 2200 năm giới hạn hiểu biết của chúng ta về thế giới vật chất đã mở rộng đến như vậy đó!

III CUỘC TIẾN CÔNG VÀO THẾ GIỚI VI MÔ

Trong khi tìm cách hiểu sâu về cấu tạo vật chất, con ngườị phát hiện được thế giới vi mô Hệ thống "thế giới vi mô" có liên quan đến các vật không nhìn thấy được bằng mắt thường Các hạt cơ bản (như là electron) và các hạt nhân nguyên tử - những cư dân của “thế

giới kì lạ” đó được gọi chung là hạt vi mô - mà chúng ta không thể

nhận thức được một cách cụ thể bằng giác quan của mình Kích thước của các hạt đó được đo bằng hàng phần chục triệu triệu cm, và trong nhiều trường hợp, các quá trình ở đó xảy ra trong khoảng những phần giây nhỏ đến nỗi muốn viết những phần giây đó thì với một tử số là con số 1, ở mẫu số sau con số 1 ta phải viết tiếp hơn hai chục con số 0? Các đối tượng của thế giới vi mô chỉ nặng bằng một phần triệu triệu đồng xu! Định luật của thế giới vi mô khác hẳn với các định luật

của thê giới thực tiễn hàng ngày của chúng ta — thế giới vĩ mô Chính

vì - vậy các định luật của cơ học Newton đã mất hiệu lực một khi

chúng ta đi vào thê giới vi mô (xem mục VI).

Nhà toán học người Nga N.Lobasepxki, trong tác phẩm

"Những tiên đề mới của hình học" xuất bản năm 1835, đã viết

rằng:"Sự sai lệch của các định luật đối với các khái niệm quen thuộc xảy ra, hoặc ở ngoài giới hạn của thế giới trông thấy được” (nghĩa

ở ngoài giới hạn quan sát được của thiên văn học) tức là thế giới siêu

vĩ mô, “hoặc là ở trong hình cầu chật hẹp của lực hút phân tử", nghĩa

là trong thế giới vi mô Nhà vật lí P.Laimevin người Pháp đã nhận xét một cách tinh vi rằng "Thiên nhiên hoàn toàn không giống như những

"búp hê" bằng gỗ, con nọ cổ thể lắp được vào trong con kia và chỉ

10

khác nhau về độ lớn Sự thực, khi đi từ thế giới vĩ mô sang thế giới vi

mô, nhiều định luật và khái niệm vật lí phải thay đổi " Người ta đã tìm thấy rằng trong thế giới vi mô phải ứng dụng các định luật của cơ học lượng tử (định luật chuyển động của các hạt vi mô, sẽ trình bày rõ hơn ở các phần sau)(1)

Ở đây diễn ra quá trình biến đổi kì lạ của những hạt vi mô này thành các hạt vi mô khác và người ta đã khám phá được nhiều hiện tượng trong thế giới đó mà đến nay chưa giải thích được Người

ta thấy có nhiều hạt vi mô có tính "đối xứng điện tích", chúng tương ứng với các “phản hạt” v.v Sự nghiên cứu "tính đốỉ xứng của các hạt cơ bản " dẫn đến tư tưởng về "tính đối xứng" phổ biên tồn tại trong tự nhiên "Tính đối xứng của thế giới" liên hệ chặt chẽ với các định luật cơ bản của vật lí học - các định luật bảo toàn động lượng (hay xung lượng) , năng lượng v.v Thế nhưng lại xảy ra một điều bất ngờ thú vị là, người ta lại phát hiện rằng , không phải bao giờ

sự "bảo toàn đối xứng" cũng đúng !!!(2) Điều đó có nghĩa là, hoặc

"chân không" có "bên phải tuyệt đốĩ" và "bên trái tuyệt đối"H, hoặc các hạt cơ bản không đối xứng Nhưng liệu có thể như thế được không? Thế giới vật chất của chúng ta có phương "ưu tiên" không? Trước mặt , chúng ta còn một the giới bí ẩn mà các nhà bác học đang cố gắng tìm cách đoán nhận

Trong khi cố gắng phát hiện nguồn gốc của tính đối xứng, chúng ta không tránh khỏi cau hỏi: Cái gì “cơ bản” hơn những hạt cơ bản nhất? Có thể tìm được một loại hạt đơn giản nhất của vật chất, từ

đó mọi hạt vi mô đã biết được tạo thành từ hạt đơn giản đó hay không? Tìm cái bản chất vật chất, từ đó phát sinh ra các hạt cơ bản, - tức là tìm "vật chất nguyên thủy " hay "tiền vật chất", có lẽ ở đây ẩn náu một thế giới bí ẩn hấp dẫn nhất của vật lí học hiện nay

(1) Xem mục VI, VII, VIII, IX

(2) Xem mục XV

Trường hấp dẫn - gắn liền với lực vạn vật hấp dẫn - có nên xếp ra ngoài những trường vật chất đã biết (như trường điện từ quen thuộc) hay không? Nhiều nhà hác học tin rằng có tồn tại những sóng hấp dẫn - những hạt graviton (giống như đã có tồn tại sóng điện từ

mà chúng ta đã sử dụng vào mục đích thông tin lien lạc) Và theo họ các hạt graviton này, trong những điều kiện xác định, có thể biến hóa thành các electron, các proton và ngược lại Ai sẽ đoán nhận được thế giới bí ẩn đó? Các nhà bác học sẽ giái quyết bài toán bí hiểm của trường hấp dẫn như thế nào?

Tất cả các vấn đề đã nêu ở trên đều hoàn toàn là những vấn

đề mang tính lí thuyết trừu tượng Nhưng giữa các vấn đề đó và đời sống hàng ngày của chúng ta lại có những mối quan hệ chặt chẽ Hơn nữa, nhiều vấn đề trong số các vấn đề đó đang được minh họa bằng thực nghiệm và trong đời sống Chúng ta khẳng định rằng, trong khoa học có một định luật quan trọng tác động một cách có hiệu lực nhất, định luật đó là: Dù hiện tượng nghiên cứu có xa rời những hình ảnh của thực tiễn sống đến chừng nào, dù lí thuyết mô tả đúng đắn hiện tượng đó có trừu tượng đến đâu, thì lí thuyết đó cũng nhất định phải được thực tiễn xác nhận và những tài liệu thực nghiệm của nó cũng phải hoàn toàn hiển nhiên

Đây là một thí dụ Cái gì sẽ có thể phức tạp hơn và trừu tượng hơn những luận điểm của cơ học lượng tử - một trong các học thuyết

vĩ đại nhất của thế kỉ xx?(3) Đó là một thuyết hoàn toàn thiếu tính chất cụ thể Khi các nhà khoa học phát biểu những định luật của cơ học lượng tử, họ hình dung mơ hồ không biết những định luật đó có thể ứng dụng ở đâu trong đời sống hàng ngày? Nhưng giờ đây, các nhà máy điện nguyên tử đang hoạt động ở nhiều nước Nhờ các thiết

bị như máy gia tốc hạt cơ bản người ta nghiên cứu cấu trúc của hạt

(3) Xem mục VI, VII, VIII.

nhân và giải quyết nhiều vấn đề quan trọng khác của vật lí học Những chất đồng vị phóng xạ phục vụ cho con người trong đời sống hòa bình Tất cả các điều đó không được đề xuất và giải quyết, nếu các nhà vật lí học đã không khám phá ra các định luật chuyển động của các hạt vi mô và đã không phát biểu các nguyên lí của cơ học lượng tử Mối liên hệ vững chắc giữa những kết quả lí thuyết của Vật

lí học hiện đại và những thành tựu thực tiễn đã chứng tỏ ràng tính chân lí của những quan niệm của loài người về toàn bộ thế giới vật chất và về các bộ phận của thế giới đó đang được kiểm nghiệm trong thực tiễn

IV.ĐIỀU "BÌNH THƯỜNG"

CỦA THẾ GIỚI VI MÔ

Cluing ta hay Bước vào thế giới Vi mô và quan sát các "cư

dân" ở đó - các hạt cơ bản Thế giới vi mô - thế giới của các hạt cơ bản - theo một nghĩa nào đó, cũng giống như " thế giới kì lạ" trong các truyện cổ tích Ở đó cũng xảy ra những quá trình biến đổi lạ thường.Và ở đó cũng không ít những điều “ kì dị” theo quan điếm của những người chỉ quen thuộc với thực tế xung quanh - cái mà, nói một cách hình ảnh, ta có thổ "sờ mó bằng tay được" Nhưng trước hết phải nổi rằng ngay ở trong thế giới vi mô, không phải tất cả cái gì cũng là

kì dị cả Các hạt cơ bản triệt để tuân theo các quy luật riêng và không bao giờ vi phạm các quy luật đó Ngoài ra, không phải tất cả cái gì trong thế giới vi mô đều là "không bình thường" cả Có những thuộc tính có sẵn trong các vật thể lớn, đơn giản , cũng tồn tại trong các hạt của thế giới vi mô: các electron, proton, nơtron, V.V

1• Trước khi nói đến những điều "bình thường" của thế giới các hạt cơ bản ta hãy điểm qua một cách khái quát sự phát hiện ra các "cư dân" đầu tiên của thế giới hạt cơ hân

Bản thân chữ "cơ bản" hay ở gốc chữ La tinh, có nghĩa là "đơn giản nhất" Nó phán ánh sự cố gắng xác định giới hạn phân chia được của các chất, trái với quan niệm của Aristotle cho rằng người ta không bao giờ đi tới một hạt vật chất mà không thể phân chia được nữa Vào thế kỉ XVIII và đầu thế kỉ XIX các phần tử được xem la các hạt cơ bản nhất Sau đó cái vinh dự được coi là "các viên gạch của vũ trụ" chuyển sang các nguyên tử ("atom" theo tiếng Hi Lạp có nghĩa

là "không thể phân chia được nữa"), do là các phần hợp thành của

14

phân tử Nhưng rồi san đó cũng đã có những nghi ngờ đố với giả thuyết cho rằng các nguyên tử là không thể phân chia được Năm

1897 Nhà bác học 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 hạt nhân nguyên tử hiđro 1836 lần Ông đã dùng một dụng cụ khá giống với chiếc đèn hình của một máy thu hình hiện đại: một sợi kim loại nóng đỏ phát ra các hạt electron và bởi vì các hạt này mang điện âm nên có thể dùng một điện trường để gia tốc chúng hướng vào một màn phủ photpho; khi các hạt này đập vào màn, chúng sẽ gây ra những chớp sáng Chẳng bao lâu sau người ta thấy rằng các hạt electron đó bắn ra từ chính bên trong các nguyên tử và vào năm 1911 nhà vật lí người Anh E.Rutherford cuối cùng đã chứng

tỏ được rằng các nguyên tử có cấu trúc phức tạp: chúng tạo bởi một hạt nhân cực kì nhỏ mang điện dương, nơi tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử và nằm ở tâm của nguyên tử và các electron quay quanh hạt nhân

Vào đầu thế ki XX người ta đã xác nhận rằng chùm sáng được cấu tạo bởi dòng các hạt đặc biệt tức là các photon hay lượng tử ánh sáng (xem mục V)

Năm 1919 E Rutherford, bằng cách dùng các hạt anpha (là các hạt nhân của nguyên tử hêli) bắn phá các hạt nhân nguyên tử, đã khám phá ra rằng có thể đánh bật hạt nhân đơn giản nhất - hạt nhân của nguyên tử hiđro còn gọi là hạt proton - ra khỏi mục tiêu ấy Thoạt đầu người ta nghĩ rằng hạt nhân nguyên tử được tạo bởi electron và proton (theo tiếng Hi Lạp proton có nghĩa là "đầu tiên", vì người ta nghĩ rằng nó là đơn nguyên cơ bản tạo nên vật chất) Sau đổ hai nhà vật lí học người Pháp - hai vợ chồng Irene Curie, Frederic Joliot Curie - đã thấv rằng khi bắn hạt anpha vào hạt nhân beri có xuất hiện một bức xạ trung hòa điện, bức xạ này có thể tương tác với các hạt proton Vào đầu năm 1932 nhà vật lí học ngươi Anh là J.Chad wick đã chỉ ra rằng, bức xạ mới này gồm các hạt trung hòa

(không mang điện tích), khối lượng của chúng gần băng khối lượng của proton; ông gọi các hạt đó là các nơtron Như vậy trong hạt nhân nguyên tử, ngoài proton còn có nơtron.

Như vậy dần dần người ta đã lân lượt khám pha được bốn "cư dân" đầu tiên trong thế giới hạt cơ bản, đó là bốn hạt cơ bản cơ sở": electron, photon, proton, nơtron

2 Bây giờ ta hãy xem xét các đặc trưng "bình thường" của hạt cơ bản

- Đặc trưng “bình thường" thứ nhất của các hạt cơ bản

là kích thước

Các hạt cơ bản nhỏ một cách kì lạ Bằng thí nghiệm trực tiếp người ta đã tìm thấy đứờng kính của proton vào khoảng 10'13 cm, tức là một phần mười triệu triệu cm Đại lượng này nói chung rất đặc trưng cho thế giới các hạt cơ bản Nó được gọi là

"độ dài hạt nhân đặc trưng" và được dùng làm đơn vị chiều dài trong lĩnh vực vật lí hạt nhân; đôi khi người ta còn gọi nó là "fermi" để kỉ niệm nhà vật lí Italia nổi tiếng E.Fermi Đường kính hạt nhân nguyên

tử vào khoảng từ 1,4 đến 9 fermi So sánh với kích thước của nguyên

tử, mà ta xem một cách thô sơ là đường kính của quỹ đạo chuyển động của electron quanh hạt nhân, thì đại lượng trên là cực kì nhỏ Có thể hình dung đại thể như sau: nếu ta "tăng" kích thước của nguyên tử đến kích thước của quảng trường Ba Đình ở thủ đô Hà Nội thì hạt nhân còn chưa bằng một hạt lúa

- Đặc trưng "bình thường" thứ hai của các hạt cơ bản là

khối lượng

Electron - "cư dân" được phát hiện đầu tiên trong thê giới các hạt cơ bản - có khối lượng vào khoảng 9.10'28 g Nếu như một người thợ kim hoàn tinh xảo nhất chế tạo được một vòng hạt đeo cổ gồm

10 tỉ tỉ tỉ (1028) electron, thì khối lượng của vòng hạt đó tất cả chỉ có 9g, nhưng mà vòng đó dài tới 20 tỉ km, tức là khoảng gấp rưỡi đường

kính của toàn bộ Hệ Mặt Trời của chúng ta Khối lượng của electron khi nó đứng yên (còn gọi là khối lượng nghỉ(4)) được lấy làm đơn vị

để đo khối lương của các hạt cơ bản và được kí hiệu bằng me Khối lượng của proton và nơtron tính theo đơn vị đó, lần lượt bằng 1836,lme và 1838,6me.

- Đặc trưng "bình thường" thứ ba của hạt cơ bản là điện tích.

Electron có điện tích âm, bằng -1,6.10-19C Ngươi ta nhận thấy rằng trong thiên nhiên tất cả các điện tích xét về giá trị tuyệt đối, đều bằng một số nguyên lần điện tích của một electron; vì vậy đại lượng e=16.10-19C được gọi là điện tích nguyên tố (5) Proton có điện tích dương, bằng + e = +1,6.10-19 c, Phần lớn các hạt cơ bán đều tích điện dương hoặc âm, và về trị số tuyệt đối, điện tích của các hạt đố đều hoàn toàn bằng nhau và bằng điộn tích nguyên tố Chỉ có một

số hạt cơ bản không mang điện tích (như nơtron): các hạt đó trung hòa về điện Có một điều đáng chú ý là, ứng với một số hạt cơ bản tích đỉệ n dương lại có những hạt trùng với các hạt đó về mọi dấu hiệu

hoặc ngược lại; đó là các phản hạt Nhưng không phải là chỉ các hạt tích điện mới có phản hạt Người ta đa thấy rằng các hạt trung hòa

như nơtron cũng có phản hạt.

của vật, e là vận tốc ánh sáng trong chân không (c=3,108 m/s),

(5) Điện tích nguyên tố rất nhỏ Chẳng hạn, ỏ một bóng đèn điện 100W thông thường có khoảng 10 tỉ tỉ diện tích nguyên tố đi vào và đi ra khỏi bóng đèn

mỗi giây

3 Trạng thái năng lượng của hạt cơ bản cũng là một đặc trưng của nó

Những "cư dân" của thế giới vi mô có năng lượng bao nhiêu? Trong thế giới vi mô, năng lượng được đo bằng đơn vị gọi là electron-vôn kí hiệu là eV Một electron-vôn là động năng của một electron khi nos được gia tốc bởi một hiệu điện thế có giá trị bằng một vôn (1V) và 1 eV = 1,6.10-19 J Nếu chúng ta để ý rằng, công mà người ta phải tiêu tốn để chớp mắt một cái vào cỡ 10-7 J - nghĩa là đã tới khoảng 600 ti eV thì chúng ta sẽ hiểu electron-vôn nhỏ bé như thế nào Muốn cho một electron bay ra khỏi nguyên tử hiđro chỉ cần cung cấp cho nó một năng lượng cỡ 13,6 eV Khi nghiên cứu các vấn

đề có liên quan đến các lớp vỏ electron của các nguyên tử (trong lĩnh vực hóa học) chúng ta đều gặp các năng lượng nhỏ, vào khoảng hàng trăm hay hàng ngàn electron-vôn Nhưng khi các nhà nghiên cứu bắt đầu đột nhập vào miền bí ẩn của hạt nhân nguyên tử thì họ đã gặp phải các năng lượng bằng hàng triệu elcctron-vôn, còn nếu muốn nghiên cứu cấu trúc của các hạt cơ bản, người ta phải tạo ra các máy gia tốc các hạt mang điện, có khả năng đưa năng lượng của chúng tới hàng tỉ electron-vôn Ta có thể hình dung các máy gia tốc đó như những cỗ súng khổng lồ, chúng "nuốt' các hạt cơ bản vào trong "ruột" hình tròn của chúng và làm tăng tốc các hạt đó đến các vận tốc lớn kinh khủng, đôi khi chỉ kém vận tốc ánh sáng chút ít Kết quả là các hạt cơ bản được phóng ra sẽ biến thành những "viên đạn" đặc biệt có sức công phá rất mạnh Chúng "nghiền nát", "phá vỡ" những hạt nhân nguyên tử gặp trên đường đi của chứng Nghiên cứu các "mảnh vỡ" của của hạt nhân nguyên tử, người ta tìm được nhiều hạt cơ bản mới

và các tương tác mới của chúng

Hiện nay người ta biết được khoảng 500 hạt cơ bản, kể cả những hạt gọi là các "cộng hưởng", đó là những "hạt" mà thời gian tồn tại - "đời sống" -của chúng rất ngắn (vào bậc 10-23 s), đến nỗi người

ta không phát hiện dược chúng bằng những biện pháp thông thường

Phần lớn các hạt cơ bản đó đều được khám phá nhờ máy gia tốc, còn một số hạt khác được tìm thấy ở trong các tia đi từ những miền vô tận của Vũ trụ tới Trái Đất (những tia này được gọi là tia vũ trụ).

Vì số loại "cư dân" trong thế giới vi mô nhiều như vậy, nên

trong thực tế tất nhiên nảy ra sự cần thiết phải xếp loại các hạt cơ

bản đã phát hiện được và phân các hạt đó thành nhóm cùng họ dựa

theo quy tắc này hay quy tắc khác

Các nhà vật lí học đã xếp loại các hạt cơ bản dựa theo giá trị của khối lượng nghỉ của chúng; khối lượng nghỉ này được tính theo đơn vị me (khốii lượng nghỉ của elcctron){6) Khi đó ta thu được bốn nhóm:

- Các hạt nhẹ nhất được xếp vào một nhóm và gọi là các

lepton

- Các hạt có khối lượng trung bình được xếp vào nhóm thứ hai

và gọi là các mezon;

- Các hạt nặng xếp vào một nhóm gọi là các nuclon;

- Các hạt siêu nặng xếp vảo nhóm cuối cùng và gọi là các hiperon.

- Hạt photon đứng riêng rẽ, khối lượng nghỉ của nó bằng không; đôi khi người ta xếp nó vào nhóm “không".

Trong nhóm lepton có các hạt: nơtrino, phản nơtrino, electron, pozitron và cả các hạt muy-mezon âm và dương nữa Bốn hạt đầu

’’sống lâu" vô hạn (thời gian tồn tại của chúng dài vô hạn), ít nhất cũng không kém 1020 năm, nếu không có sự tác động của các hạt khác Người ta nói các hạt đó "bền", nghĩa là không bị biến đổi thành các hạt khác khi không có tác động từ bên ngoài Còn các hạt

( 6 ) Hoặc xếp loại dựa theo giá trị của năng lưong nghĩ E 0 của hạt, tính theo công thức Einstein E 0 =m 0 c 2 , với m 0 là khối lượng nghỉ của hạt c là vận tốc ánh sáng trong chân không Năng lượng nghỉ cua hạt dược tính ra MeV (1MeV=l0 6 eV=1,6.10 - 1 9 J).

muy-mezon lại là những hạt không bền, có "thời gian sống" rất nhỏ không đáng kể, chỉ khoảng 2 phần triệu giây, nghĩa là chúng chỉ vừa kịp sinh ra" thì đã lại bị "phân hủy" ngay Chẳng hạn, hạt muy-mezon biến thành hạt electron, nơtrino và phản nơtrino Khối lượng nghỉ của nơtrino và phản nơtrino coi như xấp xỉ bằng 0 (nhỏ hơn 0,0005 me) Pozitron là phản hạt của electron - mang điện tích +e và "nặng" bằng electron Các hạt muy-mezon âm và muy-mezon dương (là phản hat của muy-mezon âm) có khối lượng bằng 206,7 me.

Các hạt thuộc nhóm mezon có số lượng đông đảo Đó là các hạt pi-mezon và phản pi-mezon dương, âm và trung hoà (còn gọi là

các pion); các K-mezon và phản K-mezon dương, âm và trung hòa (còn gọi là các kaon) Tất cả các hạt của các nhóm mezon đều không

"sống lâu" "Thời gian sống" của chúng chỉ vào khoảng từ 4.10-16giây đến 10-8 giây Khối lượng nghỉ của chúng vào khoảng từ 264 međến 968 me

Nhóm nuclon gồm các hạt proton và phản proton, nơtlron và phản nơtron Proton và phản proton được coi là hạt bền, khối lượng của chúng bằng 1836,1me; Còn nơtron và phản nơtron là các hạt

"không bền", nhưng chúng "sống" tương đối lâu, hơn 17 phút ; khối lượng của chúng bằng 1838,6me Các hạt proton và nơtron được gọi là các nuclon vì chúng tham gia cấu tạo hạt nhân, theo tiếng La tinh chữ

"hạt nhân" là "nucleus", còn các hạt khác, ngoài proton và nơtron, đều không tham gia cái) tạo hạt nhân (Một cách tương ứng, phản proton và phản nơtron có thể được gọi là các phản nuclon)

Nhóm các hiperon bắt đầu được phát hiện vào những năm 60 của thế kỉ XX, gồm một nhóm lớn các hạt, mà để gọi tên chúng người

ta đã dùng các chữ Hi Lạp "lăm đa" (λ), "xích ma" (£) , và "kxi"(Ξ) Tất cả các hiperon đều không "sống lâu": thời gian "sống" của chúng chỉ vào khoảng 10-10 - 10-11 giây Khối lượng của các hiperon vào khoảng từ 2183me đến 2585me Đôi khi người ta gộp các hiperon và nuclon vào cùng một họ (nhóm), gọi là barion.

20

V ĐẶC TÍNH "HAI MẶT"

CỦA ÁNH SÁNG

Ánh sáng có một đặc tính "không bình thường", đó là lưỡng

tính sóng - hạt.

1 "Hạt" và "sóng" là hai khái niệm quen thuộc trong thế giới

vĩ mô của chúng ta và trong vật lí học cổ điển.

Chữ "hạt" gợi ra cho ta một nơi tập trung vật chất nhỏ xíu có thể truyền năng lượng, có hình dạng, kích thước và vị trí xác định trong không gian theo thời gian Trong thế giới vĩ mô quanh ta, chúng

ta đã gặp và khảo sát các hạt như hạt cát, hạt bụi, hạt mưa, hạt nước, hạt sương mù, tinh trùng, trứng "Hạt" cũng nói lên tính gián đoạn của cấu trúc vật chất.

Chữ "sóng" lại gợi cho ta cái đối lập với hạt, cụ thể là một sự phân bổ rộng rãi và liên tục của năng lượng, chứa đầy khoảng không gian mà nó đi qua Ta đã quan sát thấy sóng nước trong các khối nước, từ đại dương cho đến một cái bồn tắm Ta cũng đã khẳng định (và nhiều khi "nghe" thấy) có sóng âm thanh trong không khí và trong nước, và sóng địa chấn trong vỏ Trái Đất Tuy không nhìn thây được trực tiếp bằng mắt thường nhưng ai cũng khẳng định được sự tồn tại của sóng điện từ làm cho máy thu thanh và máy thu hình của ta hoạt động Và biết bao sự kiện tương tự như thế về sóng trong thế giới vĩ mô.

Trong thế mới vĩ mô, chuyển động của một hạt có đặc tính như sau: Nếu chúng ta biết vị trí và vận tốc ( hay động lượng mv, m là

khốii lượng của hạt, v là vận tốc của nó) của hạt ở một thời đĩểm thi chúng ta có thể dùng các định luật của cơ học Newton tính được trạng thái của hạt (vị trí, động lượng) ở bất kì thời điểm nào; nói cách khác,

vị trí và vận tốc của hạt chuyển động có giá trị hoàn toàn xác định.

Còn sóng thì được đặc trưng bởi tần số (hay chu kì), bước sóng, vận tốc truyền sóng, năng lượng (hay biên độ) của sóng(7) Mỗi loại sóng mà ta biết (như sóng nước ,sóng âm thanh, sóng vô tuyến điện ) cò tần số, bước sóng và vận tốc truyền sóng khác nhau Chẳng hạn sóng FM của đài Tiếng nói Việt Nam có tần sô 100 MHz (megahéc) tương ứng với bước sóng 3m Quá trình truyền sóng là một dạng chuyển động đặc biệt Tròng quá trình truyền sóng có xảy ra những hiện tượng đặc biệt như phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa Âm thanh bị phản xạ ở một bức tường lớn hay vách núi sẽ tạo nên tiếng vang Nếu sóng gặp vật cản, thì nó có thể vòng qua, đi về phía sau vật (nhiễu xạ); chẳng hạn tai ta có thể nghe được âm thanh phát ra từ một máy thu thanh ở phía bên kia bức tường hay ngôi nhà (vật cách âm) Khi có hai sóng cùng loại gặp nhau trong một miền không gian thì chúng có thể sẽ hợp lại với nhau (giao thoa) tạo nên trong miền đó những chỗ cố định ở đó biên độ sóng là cực đại, và có những chỗ cố định khác ở đó biên độ sóng là cực tiểu thậm chí biên độ sóng bằng không (các chỗ cố định đó được gọi là vân giao thoa)

Hình 2 là ảnh chụp các vân giao thoa của sóng nước, tạo nên

do sự gặp nhau của hai sóng nước (có dạng vòng tròn) truyền đi từ hai nguồn sóng Các vân giao thoa là các vạch· trắng (vân cực đại) và đen (vân cực tiểu) xen kẽ Các hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa là đặc thù của qua trình truyền sóng: ở đâu có xảy ra nhiễu xạ và giao thoa thì ở\

đó có quá trình truyền sóng

(7) Bước sóng là quãng đường mà sóng truyền đi trong một khoảng thời gian bằng chu kì sóng (λ=νΤ) Đối với sóng trên mặt nước chẳng hạn, có thể hình dung bước sóng là khoáng cách giữa hai đĩnh sóng (cho nhô cao nhất) cạnh nhau

Hình 2. Hình ảnh giao thoa của sóng nước

Nhà bác học I.Newton cho rằng, ánh sáng là các dòng hạt,riêng rẽ, đặc biệt bé phát ra từ các vật sáng bay theo đường thẳng.Màu của ánh sáng được xác định bởi kích thước của hạt: hạt màu đỏ(ánh sáng dỏ) có kích thước lớn hơn hạt màu tím (ánh sáng tím)Nhưng các kết quá thực nghiệm đã chứng tỏ rằng quan niệm như trên

là không đúng

Một số nhà bác học khác, như Huyghens, Fresnel, lạicho rằng ánh sáng là sóng đàn hồi truyền trong môi trường đặc biệtgọi là ete, ete thấm vào mọi vật và chiếm đầy khoảng không gian.Thí nghiệm của Young (thực hiện năm 1801 đã cho phép quan sátđược hiện tượng giao thoa anh sáng (Trên hình 3 là ảnh chụp các vângiao thoa ánh sáng, là các vòng tròn, sáng và tối xen kẽ nhau) Chắcbạn cũng đã biết hiện tượng sau đây: trong một căn phòng mà các cửa

đều đóng kín, nếu bạn đứng mộl lúc cho mắt "thích nghi" với bóng tối, bạn trông thấy rất rõ các kẽ hở, hoặc lỗ nhỏ trẽn cánh cửa Dù đứng ở vị trí chếch khá nhiều so với phương truyền thẳng của ánh sáng từ bên ngoài đi qua lỗ, bạn vẫn trông thấy lỗ đó, như một chấm sáng Điều đó chứng tỏ rằng , có những tia sáng đi từ lỗ đó đến mắt bạn Nghĩa là ánh sáng từ bên ngoài đi qua lỗ, đã đi quành ra phía sau mép lỗ, để tới mắt bạn Như vậy là bạn đã quan sát thấy hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng Chiếu một chùm sáng đi qua lỗ nhỏ s thì trên màn quan sát E (có thể đặt tại đó một tấm kính ảnh để chụp) ta sẽ thấy hình ảnh nhiễu xạ (Hình 4.a); sự phân bố các chỗ sáng, tối (vân sáng, vân tối) trên màn E được chỉ rõ trên hình 4.b Hình 4.c là ảnh chụp sự nhiễu xạ ánh sáng bởi đĩa tròn Các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng đã khẳng định ánh súng là sóng Nhiều thí nghiệm tiếp theo, vào những năm 1846-1856 đã chứng minh luận điểm của Maxwell nói rằng ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng ngắn (khác với sóng

vô tuyến điện dùng trong thông tin liên lạc)

Ánh sáng có các "màu sắc" khác nhau (ánh sáng đơn sắc) mà mắt ta cảm nhận được - còn gọi là ánh sáng trông thấy - có bước sóng từ 0,40 μm (ánh sáng tím) đến 0,76 μm (ánh sáng đỏ sẫm) (1 μm

= 0,001 mm) Ánh sáng Mặt Trời, ánh sáng đèn là tập hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu biến thiên liên tục từ màu đỏ đến màu tím

ở ngoài miền ánh sáng trông thấy còn có những loại ánh sáng (bứt xạ) không nhìn thấy được (mắt ta không cảm nhận được), đó là tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X và tia gamma.

Tia hồng ngoại là sóng điện từ có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ và nhỏ hơn bước sóng của sóng vô tuyến điện Mọi vật, dù ở nhiệt độ thấp, đều phát ra tia hồng ngoại Như thân thể chúng ta chẳng hạn (thường ỏ nhiệt độ 37°C) cũng phát ra các tia hồng ngoại trong đó mạnh nhất là các bức xạ có bước sóng cỡ 9μm Mọi vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ nóng lên

Hình 4 Hình ảnh nhiễu xạ qua lỗ tròn và đĩa tròn

Tia tử ngoại là sóng điện từ có bước sóng từ 0,4 μm đến chừng 0,001 μm Những vật liệu được nung nóng đen nhiệt độ cao (trên

thực phẩm và dụng cụ y tế, dùng để chữa bệnh

Tỉa X (còn gọi là tia Roentgen) là sóng điện từ có bước sóng từ

chất không trong suốt đối với ánh sắng như giấy, vải, gỗ, thậm chí cả kim loại nữa, thường được dùng để chiếu điện, chụp bệnh

Tia gamma (γ) là sống điện từ có bước sóng rất ngắn, dưới

10 μm, cỏ trong các tia phát ra từ chất phóng xạ, có khả năng đâm xuycn rât lớn và nguy hiểm đối với con người.

cấp năng lượng cho vật như rọi sáng, đốt nóng v.v Nếu năng lượng

cung cấp cho vật bức xạ là nhiệt năng thì sự bức xạ đó của vật được

gọi là sự bức xạ nhiệt.

Sự bức xạ nhiệt là dạng bức xạ phổ biến nhât Nó xảy ra ở mọi nhiệt độ, trừ nhiệt độ không độ tuyệt đôi ( 0 K ) , nhưng ở nhiệt độ không cao, vật chỉ phát ra bức xạ hồng ngoại là chủ yếu Đặc điểm quan trong nhất của sự bức xạ nhiệt, là ở chỗ, sự bức xạ nhiệt là sự bức xạ cân bằng tức là năng lượng mà vật mất đi do bức xạ bằng năng lượng cung cấp cho vật Với quan niệm ánh sáng là sóng điện từ, việc

27

nghiên cứu sự cân bằng nhiệt giữa bức xạ và vật thê bị nung nóng đã dẫn đến một kết luận có tính chất nghịch lí, đó là năng lượng tập trung trong bức xạ của vật phái lớn vô hạn(!) nghĩa là sự cân bằng thực tế không thể nào thực hiện được, điều đó hoàn toàn trái ngược với thực nghiệm.

Để thoát khỏi bế tắc trên, năm 1900 nhà bác học người Đức Max Planck (Hình 6) đã dũng cảm vứt bỏ quan niệm cũ về sự phát xạ,

đề xuất ra giả thuyết nổi tiếng về tính chất “lượng tử” của quá trình bức xạ để giải thích sự bức xạ của vật đen tuyệt đối đó là vật phát xạ mạnh nhất so với các vật khác ở cùng nhiệt độ Theo vật lí học cổ điển thì quá trình phát xạ và hấp thụ của bức xạ là một quá trình liên tục (vì đó là quá trình sóng), Ngược lại, Planck đã giả thuyết rằng, sự phát xạ và hấp thụ bức xạ không thành từng dòng liên tục mà chỉ tiến hành theo tùng phần gián đoạn mà ông gọi là lượng tử năng lượng Độ lớn E của lượng tử năng lượng ấy, theo giả thuyết của Planck, có liên quan với tần số’ dao động f của nguồn bức xạ bằng hệ thức "đơn giản" sau đây:

E = hf

trong đó h là một hằng số cơ bản do Planck đề ra (sau này được gọi là hằng số Planck), bằng: h=6,625.10-34 J.s

Dựa trên cơ sở giả thuyết ấy, Planck đã tìm ra được một công thức tính năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm và ông đã giải thích được các định luật thực nghiệm về bức xạ nhiệt.

N g à y n a y h ệ t h ứ c t r ê n đ ã t r ở trri

Hình 6 Max Planck

thành một trong những cơ sở của vật lí hiện đại Năm 1913 nhà bác học N.Bohr đã vận đụng thành công thuyết lượng tử của Planck đế giải thích sự bức xạ của nguyên tố đơn giản nhât là hiđro.

Trước đó năm 1887 nhà bác học Hertz lại đã phát hiện ra hiện tượng quang điện (8) : Khi chiếu một chùm ánh sáng thích hợp (có bước sóng ngắn, như tia tử ngoại chẳng hạn) vào mặt tấm kim loại (như đồng, nhôm, bạc, niken ) thì nó làm cho các electron ở mặt kim loại

bị bật ra khỏi tấm kim loại

Từ các kết quả nghiên cứu chi tiết về hiện tượng quang điện các nhà bác học (như Stoletov, Lenard ) đã tìm ra các định luật quang điện Các định luật này không thể giải thích bằng thuyết điện từ về ánh sáng (coi ánh sáng là sóng điện từ) Để giải thích được các định luật quang điện, nhà bác học người Đức A.Einstein (Hình 7), năm

1905, đã phát triển thuyết lượng tử năng lượng của Planck và nêu lên

thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon Einstein khẳng định rằng

bức xạ khống những được phát xạ

và hấp thụ bằng những lượng tử

riêng rẽ, mà đồng thời khi truyền

đi cũng giữ " cấu trúc lượng tử"

của nó Theo thuyết lượng tử ánh

sáng của Einstein, ánh sáng được

phát xạ, hấp thụ và truyền đi dưới

dạng những hạt riêng biệt, gọi là

"lượng tử ánh sáng" hay photon

(hạt ánh sáng)

Hình 7, Albert Einstein

(8) Ngày nay hiện tượng quang điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật như truyền hình, điều khiển tự động, pin quang điện bán dẫn

Mỗi photon của một ánh sáng đơn sắc mang một năng lượng xác định :

số photon phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian Vì mỗi photon

có năng lượng rất nhỏ bé và số photon của chùm sáng rất lớn nên ta

có cảm giác chùm ánh sáng là liên tục (một bóng đèn điện 100W phát

ra mỗi giây khoảng 200 tỉ tỉ photon!!!) Nhờ giả thuyết này Einstein không những đã giải thích được xác định luật về hiện tượng quang điện mà còn giải thích được cả các hiện tượng khác như nhiệt dung của chất rắn, tác dụng hóa học của ánh sáng, áp suất ánh sáng về sau người ta còn giải thích thành công các thí nghiệm của Compton thực hiện năm 1923 - còn gọi là hiệu ứng Compton - về sự tán xạ của tia X có bước sóng ngắn lên các electron tự do của vật chất

Như vậy các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ chứng tỏ ánh

sáng trông thấy, các tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X, tia gamma đều

là các sóng điện từ cỏ bước sóng khác nhau Trên hình 8a là hình ảnh nhiễu xạ của tia X trên tinh thể muối ăn, còn hình 8b là hình ảnh nhiêu xạ của ánh sáng trông thấy qua một tập hợp các lỗ tròn Mặt khác hiện tượng quang điện và một số hiện tượng khác lại cho ta thấy

ánh sáng có tính chất hạt(chùm ánh sáng là chùm các photon) Vậy ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt Người ta nói

rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.

Trở lại hình 4 ta thấy hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng được mố

tả như thế nào nếu coi ánh sáng là photon (các chấm tròn biểu thị các hạt photon: cực đại nhiễu xạ là chỗ số photon tới đập vào nhiều nhất trên màn quan sát E)

Những ánh sáng (sóng điện từ) có bước sóng càng dài (tần số càng nhỏ, như ánh sáng trông thấy) thì photon ứng với chúng có năng lượng càng nhỏ, và thực nghiệm cho ta thấy tính chất hạt của chúng càng khó thể hiện, còn tính chất sóng của chúng lại càng dễ bộc lộ (ở các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ ) Ngược lại những sóng điện từ

có bước sóng càng ngắn (tần số càng lớn, như tia tử ngoại, tia X ) thì photon ứng với chúng có năng lượng càng lớn, và thực nghiệm cho ta thây tính chất hạt của chúng thể hiện càng đậm nét (ở hiện tượng quang điện chẳng hạn), còn tính chat sóng của chúng lại càng ít bộc

lộ ra

Hình 8. Hình ảnh nhiễu xạ của tia X (hình a)

và của ánh sáng trông thấy (hình b)

VI LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT

Sau khi đã phát hiện lưỡng tính sóng - hạt ở ánh sáng người

ta đặt ra câu hỏi; Thế thì, liệu đặc tính "không bình thường" đó có bộc

lộ ở hạt vi mô (như nguyên tử, hạt nhân ) nói chung, và ở hạt cơ bản nói riêng, hay không ?

1· Năm 1925, nhà vật lí học người Pháp Louis de Broglie đã chú ý đến tính chất đối xứng của vật chất Vật chất có hai dạng là

chất (các hạt) và trường (sóng), như sóng điện từ chẳng hạn tồn tại

cả trong chân không (khoảng không gian không có hạt).

Mặc dù trong những điều kiện bình thường tính chất thể hiện

rõ ràng nhất của ánh sáng là tính chất sóng, được đăc trưng bởi bước sóng λ, hoặc tần số

còn có bản chất hạt đó là các photon không có khối lượng nhưng mang năng lượng E = h.f và có động lượng hay xung lượng

Nếu vậy thì chắc là các hạt vi mô tuy là hạt nhưng cũng đồng thời có

cả tính chất sóng Từ đó ông đi đến kết luận -.Trong thế giới vi mô vật chất nói chung có lưỡng tính sóng - hạt, ông cho rằng giữa bước sóng

λ (biểu thị tính chất sóng của hạt) và động lượng p của hạt cũng có mối liên hệ đơn trị Năm 1923 de Broglie đã nêu ra giả thuyết nổi tiếng sau đây được gọi là giả thuyết de Broglie: Một hạt vi mô có động lượng luôn luôn gắn với một sóng có bước sóng lan truyền

nhưng ta cũng biết rằng ánh sáng

theo hướng của (hướng chuyển động của hạt) Hệ thức này kết hợp bước sóng (là đặc trưng của sóng) với động lượng (là đặc trưng của hạt); sự kết hợp này được thực hiện nhờ hằng số Planck h là đặc trưng của thế giới vi mô Bước sóng λ xác định nhờ hệ thức trên gọi là

bước sóng de Broglie. Thế nhưng, lúc đó giả thuyết này chưa được chấp nhận

Năm 1926 hai nhà vật lí học người Mĩ Davisson và Germer

đã rọi một chùm electron vào mặt một tinh thể Ni (Niken) và thu được trên phim ảnh những vết hợp thành ảnh giao thoa giống như ảnh giao thoa của tia X (là sóng điện từ) Một loạt các thí nghiệm khác cho ta hình ảnh nhiễu xạ của chùm electron và của các hạt khác Cho một chùm electron đi qua một khe hẹp (hình 9), thu chùm electron đó trên màn huỳnh quang và dùng kính quan sát hay chụp ảnh, ta sẽ thấy được các vân nhiễu xạ giống như các vân nhiễu xạ của ánh sáng trông thấy (đối chiếu với hình 4) Nếu ta cho từng electron riêng biệt qua khe thì trên màn huỳnh quang sẽ thu được những ảnh rời rạc của electron Tuy nhiên nếu thời gian thí nghiệm khá dài để số electron qua khe đủ lớn thì ta vẫn thu được các vân nhiễu xạ trên màn huỳnh quang Điều đó chứng tỏ mỗi electron riêng rẽ đều có tính chất sóng.

Trên hình 10a là ảnh nhiễu xạ của chùm electron trên lá bạcmỏng

Trên hình 10b là ảnh nhiễu xạ của chùm nơtron trên tinh thể NaCl (đối chiếu với hình 8 )

Trên hình 11 a là sơ đồ thí nghiệm về sự nhiễu xạ trên tấm nhôm (bột nhôm) Khi chùm tia tới là tia X ta có hình ảnh nhiễu xạ trên hình 11b Khi cho chùm electron tới đập vào tấm nhôm ta có ảnh nhiễu xạ trên hình 1 lc (Bạn hãy đối chiếu các hình 10b và 10c)

í 9 ) Ta nhận thây hệ thức này trùng với hệ thức giữa độnglượng và bước sóng của hạt photon.

Hình 9. Nhiễu xạ của chùm electron qua một khe hẹp

electron trên lá bạc mỏng

Hình 10b. Ảnh nhiễu xạ nơtron trên tinh thể NaCl

a)

b)

b c

Hình 11. Hình ảnh nhiễu xạ tạo bởi tia X (b ) và chùm electron

Như vậy tất cả các thí nghiệm đều xác nhận tính chất sóng của hạt cơ bản. Hơn nữa các phép tính chi tiết dựa vào các kết quả thu được từ thí nghiêm đã cho ta giá trị bước sóng của hạt hoàn toàn phù hợp với hệ thức de Broglie; điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giả thuyết de Broglie

Để hình dung cỡ của bước sóng de Broglie, ta xét một hạt electron chuyển động với vận tốc 107 m/s, khi đó bước sóng de Broglie λ= 10-10 m nghĩa là vào cỡ bước sóng tia X; trong khi đó, với một hạt cát có khối lượng cỡ 1 miligam chuyển động với vận tốc lkm/s thì λ=10-31 m bước sóng này quá nhỏ không có một dụng cụ nào có thể phát hiện ra được

2· Quy luật vận động của các hạt cơ bản trong thế giới vi mô khác với quy luật vận động của các hạt trong thế giới vĩ mô Một dấu hiệu thể hiện sự khác biệt đó là hệ thức bât định do nhà vật lí học người Đức Heisenberg tìm ra - gọi là hệ thức bất định Heisenberg Ta

đã biết trong thế giới vĩ mô, về nguyên tắc, baò giờ cũng có thể xác định chính xác đồng thời cả vị trí lẫn vận tôc (hoặc động lượng) của một hạt Nếu độ chính xác chưa cao thì chỉ là do dụng cụ đo chưa hoàn hảo, cải tiến dụng cụ thì sẽ nâng được độ chính xác.

Nhưng trong thế giới vi mô, phép đo bao giờ cũng ảnh hưởng đến đối tựong vi mô, làm biến đổi trạng thái của nó, nên phép đo có những bất định mà về nguyên tắc không thể khử hết được. Người ta cố gắng tìm những giá trị gần đúng cho những độ bất định này Phép đo cho thấy, giữa độ bất định Δx về toạ độ của hạt và độ bất định Δpχ về động lượng của nó có mối liên hệ đơn giản như sau:

(h : hằng số Planck).

Đó là hệ thức bất định Heisenberg(10) Nó chứng tỏ rằng không thể đồng thời đo thật chính xác cả tọa độ (x) lẫn động lượng (p) của hạt vi mô Độ bất định về tọa độ càng nhỏ thì độ bất định về động lượng càng lớn và ngược lại Độ bất định về tọa độ nhỏ có nghĩa là tính chất hạt thể hiện rõ, còn độ bất định về động lương p lớn kéo

chất sóng bị mờ Như vậy tính chât hạt của hạt cơ bản (nói chung là hạt vi mô) càng rõ thì tính chất sóng của nó càng mờ, và ngược lại (ta

đã thấy điều này khi nghiên cứu photon ).

(10) Bằng công cụ của cơ học lượng tử Heisenberg đã tìm ra hệ thức này Ngoài ra còn có hệ thức bât định đối với năng lượng : ΔΕ.Δt >=h (t là thời gian)

Độ bất định nêu trên là do bản chất sóng hạt của hạt vi mô sinh ra, ta không thể cải tiến dụng cụ để đo thật chính xác tọa độ (x)

và động lượng (p) của hạt vi mô được

Hệ thức bất định Heisenberg đóng vai trò quan trọng trong thế giới vi mô, nhưng trong thế giới vĩ mô nó không đóng vai trò gì, vì

sự hạn chế về độ chính xác mà nó đặt ra còn quá xa so với độ chính xác mà các dụng cụ đo lường tinh xảo nhất hiện nay đạt được

Nói chung, trong thế giới vi mô ngoài toạ độ và động lượng là những đại lượng không thể xác định đồng thời còn có nhiều đại lượng khác đặc trưng cho hat vi mô cũng có tính chất tựỢng tự

3 Về vấn đề bản chất của sóng de Broglie gắn với chuyển động của hạt vi mô thì sau nhiều năm tranh luận các bác học cũng nhất trí được với nhau Sóng ánh sáng gắn với photon là sóng thực ,

do điện trường và từ trường biến thiên tuần hoàn (trường điện từ) tạo thành Có thể dùng các thiết bị vô tuyến điện để thu nhận sóng điện

từ Nhưng sóng de Broglie gắn với electron (hạt cơ bản ) thì không thu nhận được, ta chỉ thu được hạt electron nguyên vẹn, nhiều hoặc ít ở các điểm khác nhau của các ảnh nhiễu xạ electron nêu ra ở trên (như hình 9 chẳng hạn)

Tiếp tục nghiên cứu sóng de Broglie các nhà bác học đã thấy rằng không thể miêu tả trạng thái của hạt vi mô bằng tọa độ và vận tốc (hay động lượng) ở mỗi thời điểm được và trạng thái các hạt ấy phải được đặc trưng bằng một đại lượng vật lí phức tạp hơn, đó là hàm sóng ψ/(x y, z, t) - hàm của tọa độ thời gian Hàm sóng không trực tiếp có ý nghĩa vật lí mà chỉ bình phương môđun |ψ|2 mới có ý nghĩa

- đó là xác suất để tìm thấy electron (hoặc hạt vi mô) ở điểm X, y, z vào thời điểm t Chẳng hạn như, nếu hạt vi mô ta xét ở vào một trạng thái mà vị trí của nó bị giới hạn trong một miền không gian rất nhỏ, thì hàm sóng ψứng với một trạng thái của hạt ở ngoài miền ấy sẽ trở nên bằng không

37

Định luật biến thiên eủa hàm sóng ψ theo thời gian và trong

không gian - biểu thị bằng phương trình Schrödinger trong cơ học lượng tử ( môn học nghiên cứu về chuyển động của các hạt vị mô) -

có một vị trí giống như định luật Newton trong cơ học cổ điện Phương trình này về nguyên tắc, cho phép ta tìm được hàm sóng ψ trong bất kì điều kiện bên ngoài nào cho trước Đặc biệt là nhờ đó người ta đã giải thích được hoàn toàn vấn đề về câu tạo và tính bền vững của nguyên tử, về sự bức xạ của nguyên tử và phân tử Khi giải các bài toán về chuyển động của các hạt vi mô để tìm các đại lượng vật lí xác định trạng thái của hạt (như năng lượng, mômen động lượng ) người ta thấy xuất hiện một cách tự nhiên các số nguyên và các số bán nguyên, có nghĩa là các đụi lượng vật lí đặc trưng cho hạt, như năng lượng, động lượng , bị "lượng tử hóa" (chúng không thể có được những giá trị bất kì như trong cơ học cổ điển)

Như vậy các khái niệm quen thuộc của vật lí cổ điển (mà ta

đã sử dụng khi nghiên cứu thế giới vĩ mô) không thể áp dụng nguyên vẹn với thế giới vi mô Electron chẳng hạn không hoàn toàn chỉ là hạt nên nó không có quỹ đạo xác định, khi tính chất sóne của nó nổi bật hơn tính chất hạt Các electron chuyển động quanh hạt nhân không phải trên các đường tròn, mà, vì là sóng, nên ở bất kì điểm nào quanh hạt nhân chúng cũng có thể có mặt với một xác suất nhất đinh tỉ lệ với |ψ|2 (bình phương môđun của hàm sóng) , miền mà electron có mặt với xác suất trên 90% được gọi là obitan Có khi người ta nói rằng xung quanh hạt nhân có đám mây electron Nhưng không nên hiểu rằng electron bị phân chia thành vô số mẩu nhỏ (để tạo thành đám mây đó) Khi dụng cụ phát hiện được electron thì bao giờ cũng phát hiện được nó toàn vẹn, không bao giờ phát hiện được một phần của electron Khi bước sóng de Broglie gắn với hạt là râ't nhỏ so với phạm vi chuyển động của hạt vi mô thì ta vẫn có thể coi nó là hạt cổ điển bình thường, thí dụ electron vẫn có quỹ đạo xác định trong đèn

hình của máy thu hình (nhờ đó mà ta xem được các chương trình truyền hình)(11).

Ngược lại, có thể đặt ra một câu hỏi lí thú: "Liệu ta có thể áp dụng cơ học lượng tử để mô tả sự va chạm của hai chiếc ôtô chẳng hạn hay không ?" Dĩ nhiên không ai làm như thế, vì như vậy chỉ tốn thời giờ vô ích Bởi vì ta cũng

có thể thu được nhữns kết quả như vậy , bằng cách dựa vào các phương trình đơn giản hơn rất nhiều của cơ học Newton Còn các phần hiệu chỉnh thêm của cơ học lượng tử thì bé đến mức hoàn toàn có thể bỏ qua được.

39

VII SPIN VÀ THỐNG KÊ CÁC HẠT CƠ BẢN

Ngoài lưỡng tính sóng - hạt, hạt cơ bản còn có một thuộc tính quan trong "không bình thường" khác nữa, đó là spin

Một cách dễ hình dung về spin, ta hãy tưởng tượng, theo một nghĩa nào đây, các hạt cơ bản giống như các con quay, như thể chúng quay xung quanh các trục của chúng Chúng ta nói "như thể chúng quay" theo "một nghĩa nào đó", vì thực tế điều ấy không có; hơn nữa theo cơ học lượng tử thì các hạt cơ bản không có một trục quay nào thật xác định cả

Trước hết , ta hiểu dạng chuyển động đó là sự quav của các mặt ngoài quanh trục, còn các hạt cơ bản thì, vì không phải là vật

"thông thường", nên không thể có cả "các mặt thông thường"

Hai là, do có chuyển động quay xung quanh trục của nó mà các hạt cơ bản có mômen động lượng riêng (thường gọi là mômen cơ riêng). Thế nhưng, mômen cơ riêng của các hạt lớn đến nỗi nếu chúng ta coi các hạt đó giống như con quay thông thường thì chúng ta

sẽ đi đến một sự vô lí hiển nhiên; chẳng hạn vận tốc ở trên "xích đạo" của electron trong trường hợp này lớn gấp đôi vận tốc ánh sáng (!), trong khi đó ta đã biết (xem mục XIII) vận tốc ánh sáng, về nguyên tắc, là lớn nhất trong tự nhiên !!!

Ba là mọi con quay có mômen quay lượng tử dành riêng cho

nó có thể quay chậm hơn hay nhanh hơn ; còn hạt cơ bản thì như người ta thường nói, nó có mômen quay lượng tử , dành riêng cho

40