Bài giảng điện tử thao giảng vật lý 12 cấu tạo vũ trụ (2)

Hạt Sơ Cấp- Hạt vi mô hay vi hạt là những hạt có kích thước vào ~ hạt nhân trở xuống như: photon, electron, posistron, proton, neutron, neutrino…không xét đến cấu tạo bên trong của chúng

Con Người “Biết Suy Nghĩ’ sẽ nghĩ về

điều gì đầu tiên?

Thế giới vật chất được cấu tạo

bằng gì?

Chúng tương tác với nhau

như thế nào?

Hy Lạp cổ đại: Đất, Nước, Gió, Lửa.

Năm 1800 – Bảng Phân Loại Tuần

Hoàn của Mendeleev

Năm 1897- Thomson tìm ra electron

Năm 1919 - Rutherford tìm ra proton

Năm 1932 - Chadwick tìm ra

neutron

Khám phá hoàn toàn nguyên tử

Năm 1932 được xem là năm vật lý hạt sơ cấp ra đời

Sự mô tả thế giới vật chất bao xung quanh chúng ta hoàn toàn tùy thuộc vào câu hỏi ta đặt ra.

Một lý thuyết vật lý phù hợp để mô tả thế giới vật chất.

Nhưng một lý thuyết khác mô tả thế giới vật chất ở mức độ tinh tế hơn

Và cứ thế…

Hạt Sơ Cấp

- Hạt vi mô hay vi hạt là những hạt có kích thước

vào ~ hạt nhân trở xuống như: photon, electron,

posistron, proton, neutron, neutrino…không xét

đến cấu tạo bên trong của chúng được gọi là các

hạt sơ cấp

- Về năng lượng, ta có năng lượng liên kết trong hạt nhân nguyên tử ~ 8MeV, điều kiện để tiến hành

nghiên cứu hạt sơ cấp năng lượng đòi hỏi phải vào ~

cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao

Hạt sơ cấp được nghiên cứu chủ yếu

- Các máy gia tốc

- Các tia vũ trụ

Tiến trình khám phá ra các hạt sơ cấp

Các đặc trưng chính của hạt sơ cấp:

- Thường được diễn tả qua đơn vị năng lượng

m0.c2 )

- Có khối lượng nghỉ bằng 0 như photon, có

khối lượng nghỉ xem như bằng 0 như các hạt

Điện tích:

Hạt sơ cấp hoặc là không có điện tích, hoặc có điện tích là bội số nguyên của điện tích

lượng tử điện tích, gọi Q là lượng tử điện

- Ngoài các đặc trưng như khối lượng, điện tích,

còn có moment spin đặc trưng cho chuyển

động nội tại của hạt, được xem như moment

động lượng riêng

-Mỗi một hạt sơ cấp có moment spin xác định,

kí hiệu s: ví dụ electron có s = ½ , photon có s

= 1, hạt π có s = 0

Ngoài ra còn có moment từ riêng đặc trưng

cho bản chất của hạt sơ cấp Chính moment

từ riêng này mà ta có thể xác định là các hạt

sơ cấp còn có cấu trúc nội tại

Thời gian sống trung bình:

- Một số ít các hạt sơ cấp là bền, thời gian sống là ~

∞ , cụ thể là 4 hạt p, e, γ, ν Một cách chính xác thì thời gian sống của γ là ∞, của electron là > 4,3.1023

năm, với proton là 1031 -> 5.1032 năm

-Đa số đều không bền, chúng tự hủy và biến thành hạt nhân khác, ví dụ neutron thời gian sống là ~

932s, sau đó phân rã: n -> p + e- + νÕe; n -> π+ + π

Những hạt cộng hưởng bị phân rã do tương tác

mạnh với thời gian sống đặc trưng là 10-23 - > 10-24s

Phản hạt:

- Mỗi hạt sơ cấp có một phản hạt tương ứng

Phản hạt có cùng khối lượng nghỉ, cùng độ lớn điện tích nhưng trái dấu Hạt sơ cấp và phản

hạt của nó tạo thành một cặp Ví dụ như proton và phản proton có cùng khối lượng nghỉ và

cùng spin bằng ½, nhưng có điện tích là ngược nhau, kí hiệu là p, pÕ

Kí hiệu: Hạt X, Phản hạt XÕ

- Khi hạt sơ cấp không mang điện như neutron (điều

kì lạ là neutron vẫn có moment từ ) thì phản neutron có cùng khối lượng, moment từ cùng độ lớn nhưng ngược hướng

- Phản hạt của photon trùng với chính nó

-Tương tác giữa cặp hạt và phản hạt có thể xảy ra hiện tượng hủy cặp tạo thành photon, hoặc sinh ra một cặp hạt và phản hạt của nó từ những tương tác photon, ví dụ cặp electron và positron:

e+ + e- -> γ + γ

+ -> e + e

Giải thích sự sinh và hủy cặp theo Dirac

• 1927 - Paul Dirac đã đề

xuất hình thức luận rất độc

đáo để giải thích về thế giới

vật chất và phản vật chất.

0 +mc 2

- mc 2

Các trạng thái năng

lượng Các phương trình Dirac đã tiên

đoán được các mức năng

lượng electron dương và âm,

nhưng ta chỉ thấy được

electron ở mức năng lượng

dương.

- mc 2

“Biển” Dirac

•Quan điểm của Dirac: mọi

trạng thái năng lượng âm của

electron đều đã lấp đầy Bởi

nguyên lí loại trừ Pauli, ta

không thể quan sát các trạng

thái năng lượng âm của

+mc 2

•Vũ trụ chứa đầy một “biển”

các năng lượng electron âm.

“Lổ” trong “biển” Dirac

•Giả sử có một “lổ” hay một

“bọt” trong biển Dirac năng

lượng âm của electron

0 +mc 2

- mc 2

• lổ hành xử như hạt với:

•* năng lượng dương

•* điện tích dương (do vắng một

điện tích âm trong biển năng

lượng âm)

• phản - electron = positron e +

•Phát hiện bởi Anderson năm 1932

Sự Sinh và Hủy Cặp

•Sinh cặp

Đưa vào một hay nhiều photon

(năng lượng tổng cộng ít nhất

cũng bằng 2 mc 2 ) và tạo thành

một cặp electron và positron.

0 +mc 2

- mc 2

e

-e +

0 +mc 2

- mc 2

e

-e +

• Hủy cặp

Electron and positron gặp

nhau; electron “lấp đầy lổ

trống” và giải phóng năng

lượng (photons).

Hai photons đã được tạo ra

(bảo toàn động lượng).

Sự Sinh và Hủy Cặp

- Vũ trụ ban đầu có sự tồn tại đối xứng của cả vật chất và phản vật chất, nhưng do phá vỡ đối xứng tự phát nên hiện nay ta chỉ thấy toàn là vật chất ( Nobel 2008 Yoichiro Nambu

Makoto, Kobayashi và Toshihide Maskawa)

Phá vỡ đối xứng tự phát

Phân loại hạt sơ cấp:

Cách 1:

Dựa vào khối lượng nghỉ và đặc tính tương tác, các hạt sơ cấp được phân thành các loại sau:

- Photon : có m0 = 0

- Các lepton : hạt nhẹ có khối lượng từ 0 -> 200me: như

electron ( e), electron neutrino ( νe ), muon ( µ ± ), muon

neutrino ( νµ ), tau ( τ ± ), tau neutrino ( ντ ).

- Các hadron : khối lượng > 200me, phân thành ba nhóm con:

* Mezon : (200 -> 900me) nhưng nhỏ hơn khối lượng

nucleon, gồm hai loại pion π , kaon K.

* Nucleon p, n

* Hyperon : m > mnucleon

•Nhóm nucleon và các hyperon còn được gọi là các

Cách 2:

Dựa vào spin ta có thể chia hạt thành hai loại:

- Femion có s = ½; 3/2;5/2… nói chung là có spin bán nguyên Như e - , µ - , ν , p, n,… có s = ½

- Boson có s = 0, 1, 2,… nói chung là nguyên như γ , π … Các fermion là các hạt chất cấu tạo nên thế giới vật chất.

Các boson là các hạt trường truyền tương tác.

Các hạt trường

particle

anti-p n

particle

Các kiểu hạt

All particles

Các kiểu hạt

All particles

Các hạt đã tạo ra lực tương tác như thế nào?

Sự gia tăng mau lẹ các hạt sơ cấp tìm thấy trong các máy gia tốc đặc biệt là các hạt tương tác mạnh, làm cho người ta nghi ngờ tính cơ bản của các hạt sơ cấp, liệu chúng có thực sự cơ bản hay vẫn còn cấu trúc nội tại bên trong?

Từ đó xuất hiện mô hình quark.

Từ năm 1970, nhờ máy gia tốc, người ta tìm ra hàng

trăm hạt hadron.

Các hadron được cấu tạo bởi các vi hạt có kích thước

nhỏ hơn dưới 10 -15 m được gọi là các quark.

M Gell-Mann và G Zweig đề ra giả thuyết về quark:

-Mỗi hadron được cấu tạo bởi một số quark.

-Có 6 quark và 6 phản quark

tương ứng.

-Các quark là các fermion và có điện tích phân số của điện tích

nguyên tố

Charge : ± 1 Spin : 1

Cấu tạo các hadron

Tất cả các hadron được cấu tạo bởi các quarks và phản quarks.

1 baryon = 3 quarks

u u d

proton

u d d

Electrons

Ở một kích thước nhỏ hơn, cấu tạo nguyên tử trở thành

Các quark tương tác với nhau như thế nào?

Các đặc trưng của quark

Trong thực tế không thể

quan sát được quark ở

trạng thái tự do….?

Người ta nói quark bị cầm

tù ( confinement)

Tương tác giữa các quark có một đặc tính là khi các

quark lại gần nhau thì tương tác giữa chúng lại rất yếu

không đáng kể coi như quark ở trạng thái tự do, trái lại khi khoảng cách tăng lên tương tác giữa chúng sẽ trở nên cực mạnh, điều này giải thích ta không thể quan sát các quark ở trạng thái tự do ( Nobel 2004 của D J Gross –

H D Politzer – F Wilczek ).

Thế năng tương tác Quark- quark

Thế năng tương tác giữa quark, ban đầu nhìn

giống như là thế Coulomb

Khi đơn vị bằng 1 = bán kính proton

khi r lớn hơn 1, thế năng (PE) tăng không giới hạn và quark không thể thoát ra

khỏi.

Ta nói quark bị

c m tù! ầ (CONFINEMENT!)

Thế năng tương tác Quark- quark

Ví dụ như khi neutron hấp thụ

photon năng lượng cao quark tự do cũng không thể thoát ra ngoài do bị cầm tù Nếu năng lượng đủ cao,

một cặp phản quark-quark được tạo

ra, và pion với proton là sản phẩm

Quark ở trạng thái tự do là không

thể quan sát, nó chỉ tồn tại trong các hadron Đấy là trạng thái cầm

tù (confinement.)

Cầm tù quark

neutron d −> u + W - proton + W boson

W - −> e - + ν proton + electron + anti-neutrino

Dùng mô hình quark giải thích tương tác yếu của

phân rã beta

Moâ Hình Chuaån

?

Thế giới vi mô có thể được mô tả qua những câu thơ tuyệt

đẹp của William Blake

To see a world in a grain of sand

And a heaven in a wild flower,

Hold infinity in the palm of your hand

And eternity in an hour …

Auguries of Innocence by William Blake (1757 – 1827 )

Nhìn vũ trụ trong một hạt cát

Và thiên đường trong một đóa hoa

Nắm cái vô hạn trong lòng bàn tay

Và vĩnh hằng trong một khắc giây

…

( Tạm dịch )

we teach our physics students in the third or  fourth year of graduate school  It is my task 

to convince you not to turn away because you  don't understand it. You see my physics