LUẬN văn sư PHẠM vật lý hạt cơ bản

Năm 1919 Ông đã chứng tỏ được rằng các nguyên tử vật chất có cấu trúc bên trong: chúng tạo bởi một hạt nhân cực kỳ nhỏ mang điện dương và các electron quay quanh hạt nhân.. Vì năng lượng

KHOA SƯ PHẠM -    -

Giáo viên hướng dẫn:

Hoàng Xuân Dinh

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Phần A: PHẦN MỞ ĐẦU 3

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊM CỨU 3

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

Phần B: PHẦN NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM BAN ĐẦU VỀ HẠT CƠ BẢN 4

1.1 Những ký hiệu thường được sử dụng 4

1.2 Lịch sử hình thành hạt cơ bản 4

1.3 Khái niệm ban đầu về hạt cơ bản 6

1.4 Sản xuất hạt cơ bản 7

1.4.1 Bia đứng yên 7

1.4.2 Bia chuyển động 8

1.5 Các định luật vật lý được áp dụng 9

1.5.1 Phương trình Schrodinger 9

1.5.2 Hệ thức bất định Heisenberg 9

1.5.3 Định luật bảo toàn năng lượng 9

1.5.4 Định luật bảo toàn monment xung lựơng 10

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT CƠ BẢN 11

2.1 Kích thước 11

2.2 Khối lượng 11

2.3 Thời gian sống 12

2.4 Điện tích 12

2.5 Spin 13

2.6 Monmen từ 14

2.7 Phản hạt 14

2.8 Số barion- barion tích (B) 15

2.9 Số lepton-lepton tích (L) 16

2.10 Spin đồng vị và hình chiếu spin đồng vị 18

2.11 Số lạ (S) 20

2.12 Công thức Gell-Man và Nishijima 22

CHƯƠNG 3 PHÂN LOẠI HẠT CƠ BẢN 23

3.1 Phân loại theo khối lượng và năng lượng nghỉ 23

3.1.1 Photon 23

3.1.2 Lepton 23

3.1.3 Các Meson 24

3.1.3.1 Meson pi ,0, 24

3.1.3.2 Các meson muy ( ) 24

3.1.3.3 Meson Kaon (K) 25

3.1.4 Các barion 25

3.2 Phân loại theo tương tác 28

3.2.1 Hạt “ chất” và hạt “trường” .28

3.2.2 Tương tác hấp dẫn 29

3.2.3 Tương tác điện từ 30

3.2.4 Tương tác mạnh 31

3.2.5 Tương tác yếu 31

3.3 Phân loại theo số spin 32

CHƯƠNG 4 MẪU QUARK 33

4.1 Quark đầu tiên- đặc trưng của quark 33

4.1.1 Điện tích 33

4.1.2 Số barion-barion tích 33

4.1.3 Spin 33

4.1.4 Số lạ 33

4.1.5 Lepton tích 34

4.2 Cấu trúc của các hadron theo quark 35

4.2.1 Cấu trúc Barion theo quark 35

4.2.1.1 Cấu trúc của proton theo quark 35

4.2.1.2 Cấu trúc của neutron và phản neutron 35

4.2.1.3 Cấu trúc hạt lamda không  0  theo quark 36

4.2.2 Cấu trúc của quark trong quá trình phân rã  36

4.2.3 Cấu tạo của các meson theo quark 36

4.2.3.1 Cấu tạo của meson pi  theo quark 36

4.2.3.2 Cấu trúc của meson K và các hạt lạ 37

4.3 Số lượng tử màu 38

4.4 Màu của quark-sắc động lực học 38

4.4.1 Màu của Quark 38

4.4.2 Tương tác mạnh giữa các Quark - Sắc động lực học 39

4.5 Giả Thuyết “Cầm Tù” Của Quark 40

4.6 Tương tác yếu trong hạt quark 41

4.7 Ba quark tiếp theo được tìm thấy 42

CHƯƠNG 5 BÀI TẬP ÁP DỤNG 45

PHẦN C: KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Phần A: PHẦN MỞ ĐẦU



1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Có bao giờ bạn tự hỏi thế giới vật chất của chúng ta được cấu tạo từ những thứ gì

không? Nếu có một người nào đó hỏi bạn như vậy thì bạn sẽ trả lời như thế nào? Và sẽ

có rất nhiều câu trả lời cho câu hỏi trên Ví dụ như thế giới vật chất của chúng ta được cấu

tạo bởi electron, proton, neutron…Câu trả lời đó là hoàn toàn chính xác trong những năm

đầu của thế kỷ XX Nhưng trong thời điểm hiện tại thì nó còn đúng hay không? Liệu bên

trong của các proton, neutron được cấu tạo từ những hạt nào nữa không? Nếu bên trong

của pronton và neutron còn được cấu tạo từ những hạt khác nữa thì nguyên tử của chúng

ta được cấu tạo từ hạt nào Để giúp mội người trả lời câu hỏi trên Đó cũng chính là lý do

mà em chọn đề tài “ Hạt Cơ Bản” làm luận văn tốt nghiệp của chính mình

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊM CỨU

Mục đích của đề tài là nhằm đi nghiên cứu tổng quát vật lý hạt cơ bản như là:

Tìm hiểu được sự hình thành và phát triển của hạt cơ bản

Khảo sát được những định luật vật lý mà hạt cơ bản tuân theo từ đó đi tìm hiểu các

đặc trưng của hạt, phép phân loại hạt và cấu trúc của một số hạt cơ bản

Vận dụng những định luật vật lý, các đặc trưng và phép phân loại của hạt cơ bản

để giải một số bài tập có liên quan đến xác định một số đặc trưng của hạt cơ bản

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết bằng cách thu thập những thông tin có liên quan trên sách,

báo, tạp chí khoa học và mạng Internet

Tổng hợp và trích lọc những thông tin thật sự cần thiết cho đề tài Và bắt tay vào

việc viết đề tài

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu là hạt cơ bản, cấu trúc và cấu tạo của một số hạt Do đó

người viết chỉ tập trung tìm hiểu những đặc trưng, phép phân loại và cấu trúc của hạt cơ

bản

Phạm vi nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức thông báo những đặc trưng, phép phân

loại và các cấu trúc của hạt cơ bản

Phần B: PHẦN NỘI DUNG



CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM BAN ĐẦU VỀ HẠT CƠ BẢN

1.1 Những ký hiệu thường được sử dụng

Aristotle tin rằng toàn bộ vật chất trong vũ trụ được tạo thành từ bốn yếu tố cơ bản:

đất, không khí, nước và lửa Các yếu tố này được tác động bởi hai lực: Lực hấp dẫn có xu

hướng làm chìm xuống đối với đất và nước Là lực nâng có xu hướng làm nâng lên đối

với không khí và lửa Sự phân chia nội dung của vũ trụ thành vật chất và các lực như thế

vẫn còn được dùng cho đến ngày nay

Aristotle cũng tin rằng vật chất là liên tục, tức là người ta có thể phân chia một mẩu

vật chất ngày càng nhỏ mà không có một giới hạn nào: người ta không bao giờ đi tới một

hạt vật chất mà không thể phân chia được nữa Tuy nhiên, một số ít người Hy Lạp chẳng

hạn như Democritus lại cho rằng vật chất vốn có dạng hạt và vạn vật được tạo thành từ

một số lớn các loại nguyên tử khác nhau (theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là “không thể phân

chia được nữa”)

Cuộc tranh cãi kéo dài hàng thế kỷ mà không bên nào có một bằng chứng thực tế nào

Mãi tới năm 1830, John Dalton - nhà vật lý và hóa học người Anh - đã chỉ ra rằng việc

các hợp chất hóa học luôn luôn được hóa hợp theo những tỷ lệ nhất định có thể được giải

thích là do các nguyên tử đã cụm lại với nhau tạo nên những đơn nguyên gọi là phân tử

Tuy nhiên, cho tới tận những năm đầu thế kỷ XIX, cuộc tranh luận giữa hai trường

phái tư tưởng mới gục ngã với phần thắng thuộc về những người theo nguyên tử luận

Einstein là người đã đưa ra được một bằng chứng vật lý quan trọng Trong một bài báo

viết năm 1905, chỉ ít tuần trước bài báo nổi tiếng về thuyết tương đối hẹp, Einstein đã chỉ

ra rằng cái được gọi là chuyển động Brown - tức là chuyển động không đều đặn, ngẫu

nhiên của các hạt bụi lơ lửng trong một chất lỏng - có thể được giải thích như là kết quả

của sự va chạm của các nguyên tử chất lỏng với các hạt bụi

Năm 1897 Thomson đã tìm ra hạt cơ bản đầu tiên đó là electron (e) sau khi nghiên

cứu tính chất của tia âm cực Ông đã dùng một dụng cụ khá giống với bóng đèn hình của

máy thu hình (CRT) ngày nay và 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 của chúng hướng

tới một màn phủ photpho Khi các hạt này đập vào màn, chúng sẽ gây ra những chớp

sáng

Năm 1900 Planck khi nghiên cứu bức xạ của vật đen tuyệt đối ông đã đưa ra khái

niệm lượng tử ánh sáng mà sau này gọi là photon   Sau đó, 1905 Einsten đã vận dụng

khái niệm và giải thích thành công hiệu ứng quang điện Thí nghiệm đã trực tiếp sự tồn tại

của photon được tiến hành bởi Millikan 1912-1915 và hiệu ứng Compton vào năm 1922

Năm 1911 khi nghiên cứu về electron Rutherford đã khám phá ra hạt nhân nguyên tử

Năm 1919 Ông đã chứng tỏ được rằng các nguyên tử vật chất có cấu trúc bên trong:

chúng tạo bởi một hạt nhân cực kỳ nhỏ mang điện dương và các electron quay quanh hạt

nhân Ông rút ra điều này từ việc phân tích sự lệch hướng của các hạt alpha - hạt mang

điện dương do các nguyên tử phóng xạ phát ra - khi va chạm với các nguyên tử Và ông

đã đưa ra một hạt mới đó là pronton (p)

Đầu tiên người ta cứ tưởng rằng hạt nhân nguyên tử chỉ được cấu tạo từ electron (e)

mang điện âm và proton (p) mang điện dương Ít lâu sau đó vào năm 1922-1932 một đồng

nghiệp của Rutherford ở Cambridge là James Chadwick đã dựa trên lý thuyết của

Heisenberg và Ivanenko Chadwick đã phát hiện ra rằng hạt nhân còn chứa một hạt khác

gọi là neutron (n) Hạt neutron có khối lượng gần bằng hạt proton nhưng lại không mang

điện Sau khi phát hiện ra hạt neutron các nhà vật lý đã hoàn thành việc khám phá thành

phần cấu tạo của nguyên tử trong thời gian này

Khi đi vào nghiên cứu hiện tượng phân rã  Pauli đã nhận thấy có một phần năng

lượng bị mất đi Lúc này các nhà vật lý bắt đầu nghi ngờ định luật bảo toàn năng lượng

Để giải quyết vấn đề khó khăn trên năm 1930 Pauli đã giả thuyết sự tồn tại của hạt

neutrino   Đúng như lời tiên đoán của Pauli cho đến năm 1953 hạt này mới được tìm

thấy bởi (Reines và Cowan)

Trong những năm 1928-1931 để giải quyết nghiệm âm của phương trình Einstein,

Dirac đã đưa ra giả thuyết sự tồn tại của hạt positron ( 

e ) là phản hạt của electron Năm

1932 khi nghiên cứu về thành phần của tia vũ trụ Anderson đã phát hiện ra hạt positron

( 

e ) và đây là phản hạt đầu tiên được tìm thấy trong thực nghiệm

Năm 1936, Anderson và Neddermayer đã tìm thấy hạt muy trừ () và muy cộng

() trong các tia vũ trụ Hạt này rất giống với hạt electron và phản electron Năm 1947,

cũng trong tia vũ trụ nhóm nghiên cứu Powell đã phát hiện ra các meson Pi   Hạt này

có vai trò rất quan trọng trong tương tác giữa các nucleon (p-n) trong hạt nhân nguyên tử

đã được Yukawa khẳng định bằng lý thuyết vào năm 1935

Trong những năm 1940-1950 là giai đoạn tìm ra các hạt lạ Hạt lạ đầu tiên được tìm

thấy trong tia vũ trụ là hạt (meson 

 và hạt 0

 ) Từ khi con người chế tạo ra máy gia tốc thì những hạt lạ tiếp theo đã được tìm thấy bằng việc tăng tốc những hạt mang điện

trái dấu Khi các hạt mang điện trái dấu được tăng tốc nhờ máy gia tốc thì kết quả con

người đã thu được rất nhiều phản hạt nặng, chẳng hạn phản proton  p được tìm thấy vào

năm 1955, phản neutron  n cũng được tìm thấy vào năm 1956…

Năm 1964 người ta đã phát hiện ra một hạt nặng nhất đó là hạt Omega trừ  

 Năm

1962 các nhà vật lý đã phát hiện ra 2 hạt neutrino khác nhau đó là: Hạt đi kèm với

electron (e) là neutrino electron  e và hạt đi kèm với hạt muy () là neutrino muy ( )

Năm 1975, người ta đã tìm thấy hạt tau ( ) Về tính chất hạt này rất giống với hạt

electron và muy nhưng có khối lượng lớn hơn Và ít lâu sau đó, người ta đã tìm thấy một

neutrino thứ ba đó là neutrino tau ( )

Tại phòng thí nghiệm CERN châu âu năm 1983 người ta đã tìm thấy được các hạt

Boson trung gian (W và Z ) Cho đến ngày nay thì các nhà vật lý luôn luôn săn bắt được

những hạt cơ bản mới

1.3 Khái niệm ban đầu về hạt cơ bản

Hạt cơ bản (hay còn gọi là hạt sơ cấp) là những hạt nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất Và

tên gọi này chỉ mang tính quy ước vì hiện nay người ta chưa biết cấu trúc bên trong của

tất cả các hạt cơ bản Và có thể bên trong của các hạt cơ bản có thể có những hạt nhỏ hơn

nữa Cũng giống như việc khám phá ra nguyên tử, thì lúc đó cứ tưởng nguyên tử là thành

phần nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất nhưng sau đó khi tìm hiểu cấu tạo của nguyên tử thì

người ta lại phát hiện bên trong nguyên tử có ba hạt electron, proton và neutron

Khi nghiên cứu về hạt cơ bản ngày càng đi sâu vào lĩnh vực năng lượng cao Bởi vì

khi các hạt cơ bản va chạm với nhau ở năng lượng cao thì sẽ sinh ra nhiều hạt mới Nếu

động năng ban đầu lớn thì việc sinh ra hạt mới sẽ rất phong phú

Trước những năm 50 của thế kỷ XX khi nghiên cứu hạt cơ bản phải gắn liền với các

tia vũ trụ Vì trong tia vũ trụ là nguồn tự nhiên có năng lượng cao, đây là nguồn năng

lượng lý tưởng để các nhà vật lý tìm ra được các hạt mới Tuy nhiên cường độ tia vũ trụ

rất bé nên khả năng gây ra phản ứng rất kém Do đó việc nghiên cứu hạt cơ bản gặp rất

nhiều khó khăn trong các tia vũ trụ

Sau những năm 50 của thế kỷ XX khi con người đã chế tạo thành công máy gia tốc

Thì việc nghiên cứu các hạt cơ bản gắn liền với máy gia tốc năng lượng cao và cường độ

chùm hạt lớn đã tạo điều kiện cho việc nghiên cứu các hạt cơ bản phát triển một cách

chóng mặt Và nhờ máy gia tốc năng lượng cao người ta đã tìm được tất cả các hạt cơ bản

mà chúng ta được biết ngày nay Và hiện máy gia tốc lớn nhất thế giới đó là máy gia tốc

LHC tại châu âu

1.4 Sản xuất hạt cơ bản

Đa số các hạt cơ bản mà chúng ta được biết hiện nay đều không có mặt trong các vật

chất thông thường Vì vậy muốn khảo sát được chúng thì đầu tiên chúng ta phải tạo ra

được chúng

Thông thường người ta có hai cách để tạo ra hạt cơ bản đó là: Bia đứng yên và bia

chuyển động

1.4.1 Bia đứng yên

Người ta bắn một chùm hạt proton (p) nhờ máy gia tốc, các hạt này được tăng tốc đến

một năng lượng cao vào một bia cố định (Hình 1.4.1) Bia thường được làm bằng kim

loại Tuy nhiên muốn sản xuất ra được hạt cơ bản theo ý muốn sử dụng thì chúng ta phải

Vì năng lượng chùm hạt proton bay tới mang năng lượng rất lớn, do đó xem năng

lượng liên kết giữa các nucleon trong hạt nhân là không đáng kể so với năng lượng bay

tới của các proton (p)

lk

E 

Vì vậy các proton bay tới hoàn toàn va chạm vào các nucleon tự do bên trong bia

nghĩa là hoàn toàn va chạm với các proton và neutron bên trong bia

Ví dụ: Nếu có 2 quả cầu được nói với nhau bằng một sợi dây mảnh Nếu ta cung cấp

vận tốc cho một trong hai quả cầu nói trên thì quả cầu được cung cấp vận tốc sẽ chuyển

động và kéo theo quả cầu kia sẽ chuyển động theo, cả 2 quả cầu sẽ chuyển động theo một

hệ hai chất điểm Còn nếu ta cung cấp một vận tốc rất lớn thì quả cầu được cung cấp vận

tốc sẽ bay đi và làm đứt sợi dây còn quả cầu kia sẽ ở lại

Vậy khi hạt proton (p) mang năng lượng cao bay đến va chạm vào một nucleon (p-n)

trong hạt nhân nguyên tử thì các nucleon này sẽ bay ra khỏi hạt nhân cùng với proton tới

Trong thực nghiệm thì sau khi ra khỏi bia thì các proton tới này bị lệch đi một hướng

nào đó

Nếu bia đủ dầy thì các proton (p) trong chùm hạt tới sẽ hoàn toàn va chạm vào các

nucleon bên trong hạt nhân của bia

Khi năng lượng của proton tới rất lớn thì sẽ xuất hiện một hiện tượng mới đó là việc

sinh ra các hạt mới không sẳn có trong chùm hạt tới

Quá trình sinh ra hạt mới, một phần động năng của hạt ban đầu đã chuyển hóa thành

năng lượng nghỉ của các hạt mới sinh ra

Ngoài bia đứng yên người ta còn sử dụng bia chuyển động để tạo ra hạt mới

1.4.2 Bia chuyển động

Người ta sử dụng máy gia tốc hai chùm tia (máy gia tốc tròn)

Trong máy gia tốc này người ta tăng tốc hai chùm hạt chuyển động ngược chiều nhau

và phải có điện tích trái dấu

Ví dụ: electrion ( 

e ) và positron ( 

Khi hai chùm tia đạt đến giá trị năng lượng mong muốn thì chúng ta cho hai chùm này

bắn vào nhau hay cho va chạm vào nhau thì chúng ta sẽ thu được hạt mới

Bằng hai cách làm trên thì chúng ta đã thu được rất nhiều hạt mới không sẳn có trong

tự nhiên Bên cạnh đó cũng có một số ưu khuyết điểm của hai cách làm

Ưu điểm: Năng lượng đạt gấp đôi so với bia đứng yên

Khuyết điểm: mật độ bia thấp hơn so với bia đứng yên

1.5 Các định luật vật lý được áp dụng

1.5.1 Phương trình Schrodinger

Theo quan điểm của cơ học lượng tử thì cá hạt vi mô mang tính chất sóng rõ rệt Do

đó phương trình chuyển động của hạt cũng phải tuân theo phương trình schrodinger

 

2 2

là hàm sóng mô tả trạng thái của hạt

1.5.2 Hệ thức bất định Heisenberg

Nếu có hai toán tử Lˆ và toán tử Mˆ lần lượt được biểu diễn cho hai biến số động lực L

và M Nếu hai toán tử này giao hoán được với nhauL Mˆ ˆ,   0 thì đo được chính xác đồng

thời hai biến số động lực L và M Nếu hai toán tử đó không giao hoán được với nhau

Nếu muốn đo được chính xác đồng thời hai biến số động lực L và M thì sai số của

phép đo sẽ tuân theo hệ bất định

2

c M

1.5.3 Định luật bảo toàn năng lượng

Trong một hệ cô lập năng lượng toàn phần của một hệ luôn luôn không đổi Năng

lượng chỉ biến từ dạng này sang dạng khác ( động năng biến thành thế năng, cơ năng biến

thành nhiệt năng ) Nếu lấy tổng cộng các năng lượng của hệ lại thì tại mội thời điểm ta

luôn luôn thu được một giá trị xác định

Khi sử dụng định luật bảo toàn năng lượng ta cần chú ý đến năng lượng tĩnh của nó

2

0 mc

E 

Vậy năng lượng toàn phần của hệ các hạt tước tương tác đúng bằng năng lượng toàn

phần của các hạt sau tương tác

1.5.4 Định luật bảo toàn monment xung lựơng

Mọi hạt cơ bản đều chuyển động rất nhanh, gần bằng với vận tốc của ánh sáng

Vì hạt chuyển động gần bằng với vận tốc của ánh sáng Theo thuyết tương đối của

Einstein thì khối lượng của hạt là:

2 0

m m

Xung lượng của hạt trong hệ quy chiếu đứng yên sẽ là: 0

 

  

 

Định luật bảo toàn động lượng phải được hiểu thêm là monment xung lượng toàn phần

của hạt tức là monment quỹ đạo và spin của hạt

Công thức liên hệ giữa xung lượng và năng lượng 2 2  2

0

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT CƠ BẢN

2.1 Kích thước

Các hạt cơ bản nhỏ đến một mức kì lạ mà chúng ta không thể tưởng tượng nỏi Bằng

phương pháp thực nghiệm người ta đã tìm thấy đường kính của proton vào khoảng

)(

Mỗi một hạt đều có một khối lượng nghỉ m0 xác định Trừ hạt photon ( )có khối

lượng nghỉ bằng không m  0 Ngay cả các hạt neutrino cũng có khối lượng nghỉ khác

A

c N

MeV kg

2

0c m

Ngoài ra, để tính khối lượng của các hạt cơ bản khác nặng hơn electron người ta

thường lấy khối lượng của electron làm đơn vị

Ví dụ: m p  1840m e

2.3 Thời gian sống

Thời gian sống trung bình ( )được tính bằng (s) dùng để đo độ bền của hạt cơ bản

Trong tự nhiên có những hạt sống rất lâu có thể xem như thời gian sống của chúng là

mãi mãi ( ) ví dụ như các hạt: e,p, và các hạt neutrino

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng thời gian sống của electron và proton là:

Qua sự nghiên cứu của các nhà khoa học thì tuổi mặt trời là vào khoảng 1010 năm, vì

vậy thời gian sống của hạt proton không gây ra mối nguy hiểm nghĩa là mặt trời sẽ vỡ tan

khi các proton không còn nữa (vì thời gian sống của proton lâu hơn tuổi thọ của mặt trời)

Hạt neutron (n) theo số liệu của các nhà khoa học nghiên cứu trong những năm (1986)

cho thấy thời gian sống của chúng là vào khoảng  n (89816 (s)và phân rã theo phản

ứng

e

e p

n   

Bên cạnh các hạt có thời gian sống rất lâu còn tồn tại các hạt có thời gian sống cực

ngắn, thời gian sống của chúng vào khoảng  1023(s)nghĩa là chúng vừa cất tiếng khóc

chào đời thì lại cất tiếng khóc từ biệt bố mẹ mà ra đi Người ta gọi các hạt có thời gian

sống cực ngắn là các hạt cộng hưởng

Hạt cộng hưởng được tạo thành từ hai hạt mang năng lượng cao va chạm vào nhau,

kết hợp với nhau trong một thời gian rất ngắn rồi sau đó phân rã thành các hạt khác

Các hạt có thời gian sống lâu hơn 22

10



 năm được gọi là các hạt bền

Các hạt ở trạng thái tự do thì có thời gian sống hạn hẹp nhưng trong hạt nhân thì

chúng có thời gian sống không thua kém vì với proton và neutron

2.4 Điện tích

Điện tích (Q) của hạt đặc trưng cho khả năng của hạt tham gia và tương tác điện từ

Điện tích của tất cả các hạt cơ bản đều được biểu diễn thông qua đơn vị điện tích

nguyên tố electron 19 

1, 6 10

e    C

Trong hạt cơ bản có những hạt không mang điện ví dụ: Hạt n,,0 người ta gọi đó

Ngoài ra các hạt quark cũng mang điện, là phân số của điện tích nguyên tố

Để thuận tiện cho tính toán người ta lấy điện tích của electron làm chuẩn cho các điện

tích của các hạt khác Và người ta gán cho điện tích của electron là -1 Vậy điện tích của

positron là +1 Các hạt cơ bản khác cũng tương tự

Ví dụ: Q e  1 ; Q    1 ; Q   1 ;Q p  1 ;





2.5 Spin

Spin là một đại lượng thuần lượng tử nó không có sự tương tự như cổ điển

Mỗi một hạt đều tồn tại một chuyển động nội tại được đặc trưng bởi một lượng tử số s,

xác định bởi monmen động lượng riêng của hạt Ký hiệu S

S s s(  1) 

Với s là số lượng tử spin, S có thể là số nguyên hay bán nguyên

Hình chiếu của S lên phương z bất kỳ có giá trị: S z m z

Trong đó m z là số lượng tử hình chiếu của spin

Với m z    s, s 1, , 0, s1,s

Như vậy sẽ có tất cả 2s+1 giá trị khác nhau của m z

Giá trị s của hạt được xác định theo loại thống kê mà chúng tuân theo

Các hạt có số spin nguyên được gọi là các boson chúng tuân theo thống kê

2.6 Monmen từ

Về mặt điện từ học của các hạt cơ bản nó tồn tại một monmen từ quỹ đạo l

và monmen từ riêng s

là những monmen chuyển động cơ và chuyển động nội tại của hạt

Monmen từ quỹ đạo l

e

e e

e

e e

e S

Cho đến nay người ta chỉ nói đến các hạt cơ bản Tuy nhiên mỗi hạt đều có một phản

hạt riêng của nó Chúng được ký hiệu cùng một ký hiệu nhưng có thêm một dấu gạch

ngang ở trên đầu hoặc hạt A+ phản hạt A- trong đó A là tên hạt

Để giải quyết nghiệm âm của phương trình Eisntein:

4 2 0 2 2 4

2 0 2 2 2

c m p c E c m p c

Năm 1930 Dirac đã đưa ra tiên đoán sự tồn tại của hạt positron ( 

e ) là phản hạt của electron (e) Đây là phản hạt đầu tiên được tiên đoán Và bắt đầu từ đó người ta bắt đầu

đi vào tìm kiếm các phản hạt còn lại

Hạt và phản hạt có cùng một khối lượng, thời gian sống, số spin nhưng lại ngược dấu

về các đặc trưng: điện tích và monmen từ

Ví dụ: Electron  e có phản hạt positron  e , proton  p có phản proton  p ,

neutron  n có phản neutron  n

Bên cạnh đó cũng có những hạt đồng nhất với phản hạt của nó Đối với tất cả các hạt

này thì điện tích của chúng đều bằng không Q=0 Do đó chúng ta gọi chúng là các hạt

trung hòa

;  



Những hạt trung hòa không mang điện nên các phản hạt chỉ ngược dấu về momen từ

Ví dụ: như ở hạt neutron

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hạt và phản hạt khi va chạm vào nhau thì chúng sẽ hủy

diệt nhau và đồng thời sinh ra hai photon

Ví dụ:

2 ; 2        p p e e Cho đến ngày nay nhờ máy gia tốc năng lượng cao thì hầu như người ta đã tìm thấy tất cả các phản hạt của chúng 2.8 Số barion- barion tích (B) Barion là các hạt cơ bản nặng, chúng có khối lượng bằng hoặc lớn hơn khối lượng của proton (m Barion m p) Các barion gồm có các nucleon và các hyperon Trong các phản ứng nếu có các barion tham gia thì nhận thấy rằng: Mỗi khi có một barion mất đi thì có một barion mới xuất hiện Ví dụ: 0 0 0 0

p











    

  

   

Để mô tả tính chất trên người ta đưa ra một số lượng tử mới được gọi là số barion (B)

Các barion p n   , , , , có số barion bằng một (B=1)

Còn các barion p n   , , , , có số barion bằng trừ một (B=-1)

Vậy tất cả các hạt trong nhóm barion đều có số barion bằng một hay có barion tích

bằng một (B=1) Còn đối với các phản hạt thì có barion tích bằng trừ một (B=-1), đối với

các hạt không thuộc nhóm barion thì có số barion bằng không (B=0)

Trong tương tác giữa các hạt với nhau thì số barion phải được bảo toàn Nghĩa là tổng

số barion trước phản ứng phải bằng tổng số barion sau phản ứng

Nếu có một lepton mất đi thì sẽ có một lepton khác xuất hiện cùng một cập

Để mô tả tính chất trên các nhà vật lý đã đưa ra một số lượng tử mới mang tên số

Vậy các lepton thì có số lepton bằng một (L=1) hay lepton tích bằng 1 (L=1) còn đối

với các phản lepton thì có lepton tích bằng trừ một (L=-1) Các hạt không thuộc nhóm

lepton thì có số lepton tích bằng 0

Một số quá trình phân rã lepton

, , ,

Quá trình có các hạt nặng tham gia

Phân rã này có hai loại là phân rã toàn bộ lepton và nữa lepton

Ra toàn bộ lepton: Meson  Lepton

,,,,

,

,,

,

e e

e e

Trong quá trình tương tác thì số lepton cũng được bảo toàn Nghĩa là hiệu số của

lepton ở trạng thái đầu Li và trạng thái cuối Lf bằng 0

Nếu gán cho electron  e và neutrino electron  v e có số lepton là L e 1, còn các

phản hạt positron  e và phản neutrino electron  v e là L e 1 Còn các lepton khác

;;;;v ;v ;v ;v  thì có số lepton L e 0

Các lepton L  e,, được gọi là các lepton thế hệ Thực nghiệm cũng đã chứng

tỏ được rằng các lepton thế hệ cũng được bảo toàn

L  

Ví dụ

0110:0

110:

1001:1

001:

L L

v v v

v e

e

e

Hệ quả của các lepton thế hệ:

Các quá trình vi phạm số lepton xảy ra với xác suất rất nhỏ

Ví dụ: Hạt lepton muy chủ yếu là quá trình phân rã thuần túy

Phân biệt các loại neutrino qua sự bảo toàn các lepton thế hệ Vì các hạt neutrino

 e; ;  là những hạt có số spin bán nguyên, không mang điện và có khối lượng rất nhỏ

Do đó để phân biệt được hạt neutrino phải sử dụng quy tắc bảo toàn lepton thế hệ

Trong đó X và Y là các hạt thử, ví dụ neutron và proton Nếu ở trạng thái cuối người

thu được lepton 

Thời gian sống (s)

0,51

*



Muy trừ

105,7

*

6

102,

2  

Tau

1784

*

6

1005,

3  



Bảng 2.9 Những đặc trưng cơ bản của lepton

2.10 Spin đồng vị và hình chiếu spin đồng vị

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, lực tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân không

phụ thuộc vào điện tích Cụ thể là các nucleon ở những trạng thái giống nhau, thì tương

tác giữa (p-p), (n-n), (p-n) là như nhau Tính chất đó được gọi là tính độc lập điện tích

Nếu không xét đến khối lượng thì 2 hạt (p-n) là như nhau Sự khác biệt về điện tích được

thể hiện ở tương tác điện từ

Trong cơ học lượng tử khi xét đến số spin để mô tả trạng thái lượng tử khác nhau của

cùng một hạt Người ta dùng sự mô tả năng lượng của electron phụ thuộc vào số spin

Electron có spin bán nguyên

21



s thì mỗi trạng thái khi không xét đến spin thì mỗi trạng thái electron trong nguyên tử tương ứng với một mức năng lượng Còn nếu xét đến

spin thì mức năng lượng sẽ được tách thành hai mức năng lượng gần nhau tương tác với 2

trạng thái của electron khác nhau

 ) 1 ( 

 s s S

Mỗi trạng thái ứng với hình chiếu S z: S  z m z

Do đó đã xuất hiện nên định nghĩa spin đồng vị

Đồng vị của hạt cơ bản là những hạt có những đặc trưng gần giống nhau như: Khối

lượng, spin…nhưng chúng chỉ khác nhau về điện tích và thời gian sống

Vì vậy Heisenberg đã đưa ra khái niệm spin đồng vị I, như vậy hệ sẽ có 2I+1 trạng

thái khác nhau với hình chiếu Iz lên trục z nào đó Được xác định bởi

N

I  

Cũng giống như số lượng tử m được xác định bằng giá trị hình chiếu của monmen

động lượng lên trục oz thì hình chiếu của spin đồng vị cũng có giá trị bằng

I I I

I

I z  , 1 0 1,Vậy có tất cả 2I+1 giá trị Iz

Ví dụ: Proton và neutron lập lại thành một lưỡng tuyến có N=2

  hợp lại thành một tam tuyến có N=3

  là các hạt tham gia vào tương tác mạnh, hạt 

Từ khi máy gia tốc ra đời người ta đã tìm thấy được rất nhiều hạt, trong đó có một số

hạt có những biểu hiện hết sức lạ thường Nó sinh ra trong một thời gian rất nhanh

s

23

10



 nhưng phân rã trong một thời gian tương đối chậm  1010s108s

Trong quá trình sinh ra hạt mới không thể nào sinh ra hai hay ba loại hạt khác nhau

nhưng không bao giờ sinh ra lẻ loi ( không bị cô đơn) hay hai ba hạt cùng loại

Từ những hiện tượng bất thường không giống ai ở trên người ta gọi nó là hạt lạ

Ví dụ: K,K0,0,0,,

Vậy đối với các hadron người ta đưa ra một đặc trưng mới nữa đó là số lạ (S) Nếu là

hạt lạ thì có số lạ khác không (S 0), còn hạt không lạ thì có số lạ bằng không (S 0)

Số lạ được tính theo công thức sau: S  2Q B

Q: là điện tích trung bình trong tuyến của spin đồng vị

B: là số barion của hạt trong tuyến đó

Ví dụ 1: Xét trong lưỡng tuyến (p-n)

Mặt khác số barion trong tuyến là: B=1

Vậy số lạ S trong tuyến là: 1 0

2

1 2

,, 0

Bằng cách tính tương tự ta sẽ tìm được tất cả các số lạ của hạt lạ

Chú ý: Trong quá trình tương tác giữa các hạt cơ bản thì số lạ  S phải được bảo

toàn Trong tương tác mạnh và tương tác điện từ còn trong những tương tác khác thì số lạ

S không nhất thiết phải được bảo toàn

Ví dụ:

0 0

Phản ứng chứng tỏ số lạ không được bảo toàn trong những tương tác khác

2.12 Công thức Gell-Man và Nishijima

Đối với các hadron Gell-Man và Nishijima đã tìm ra được công thức liên hệ giữa điện

tích Q, số lạ S, số Barion và hình chiếu của spin đồng vị Iz được xác định bởi công thức

CHƯƠNG 3 PHÂN LOẠI HẠT CƠ BẢN

3.1 Phân loại theo khối lượng và năng lượng nghỉ

Muốn phân loại được chúng thì ta phải dựa vào khối lượng nghỉ và những tính chất

đặc trưng của chúng thì ta mới phân loại chúng được Dựa vào những đặc trưng vừa mới

trình bài ở trên thì ta chia phạt cơ bản ra làm 4 loại: photon, lepton, meson và barion

3.1.1 Photon

Photon là phần tử cơ bản của tương tác điện từ giữa các hạt mang điện với nhau, bản

thân photon không có khối lượng nghỉ m   0 nhưng nó lại mang năng lượng E  hf

Hạt photon có số spin nguyên s 1do đó nó là một boson, photon chỉ có thể tồn tại

dưới vận tốc ánh sáng c 8 m s

10.3

 , hạt photon lúc nào cũng chuyển động, không thể nào dừng photon lại được, photon không thể dùng làm gốc hệ quy chiếu

Khi tương tác các photon có thể đàn hồi hoặc không đàn hồi, các photon không tồn tại

trong dưới dạng có sẳn trong hạt nhân, các photon được sinh ra trong lúc xây dựng cấu

trúc nguyên tử, phân tử hay hạt nhân

Tuy hạt photon không có khối lượng nghỉ nhưng nó lại có khối lượng trung gian theo

công thức năng lượng của Einstein E  hf

Photon là hạt không có khối lượng hay khối lượng nghỉ bằng không (m   0) , bản

thân photon không mang điện (Q   0) nhưng nó là phần tử cơ bản mang tương tác điện

từ giữa các hạt cơ bản mang điện khác

c

h c

hf c

E m c m E

Các lepton có thời gian sống khá lâu so với thời gian sống của hạt nhân, thời gian sống

trung bình của lepton là vào khoảng 23s

tương tác yếu

Ứng với 6 lepton thì sẽ có 6 phản lepton và cũng được chia là 3 nhóm:

e; e , ;  , ; ; Nhóm lepton có một số lượng tử đó là số lepton

3.1.3.1 Meson pi ,0,

Các meson pi lần đầu tiên được quan sát trong các tia vũ trụ và sau đó được bắn phá

các bia bằng chùm hạt proton trong các máy gia tốc và người ta đã quan sát và thấy được

được hạt meson pi mang điện và meson pi trung hòa

Các meson pi có số spin bằng không s 0 là các lượng tử của trường lực hạt nhân,

chúng là các hạt truyền tương tác mạnh giữa các nucleon trong hạt nhân, chúng có khối

lượng m m 273, 6m e 139,568MeV 2; m 0 267, 7m e 135MeV 2

Nó là sản phẩm của quá trình phân rã hạt meson Pi hay tự sinh ra trong các quá trình

tương tác giữa các hạt cơ bản khác Hạt muy có khối lượng vào khoảng

2

658 , 105

c

MeV m

và có thời gian sống trung bình là 6

2,197 10 s  Trong quá trình tương tác hạt meson muy phân rã thành những hạt mang điện khác nhẹ hơn nó và cập neutrino – phản neutrino

MeV m

m K  K  , thời gian sóng là  K  1 , 2 108(s), điện tích là

e Q

e

Q K  ; K  và chúng được phân rã theo phản ứng:

0 0

0 0

0 0 0

0

0 0

v v

e

v K

v K

Các hạt meson K0 và K0có cùng khối lượng nhưng khác nhau về thời gian sống

m

K

K   và thời gian sóng là 0 10 10(s); 0 3.10 8 10 6(s)

K K

0

0 0

0 0

v e K

v e K

K

e e

3.1.4 Các barion

Các barion là các hạt nặng, chúng có khối lượng ít nhất là bằng khối lượng của proton

(m Barion m p) và có số spin nguyên, được chia làm hai nhóm

Nhóm nucleon: gồm hai hạt đó là pronton và neutron (p-n)

Hạt proton hay còn gọi là hạt nhân nguyên tử, proton là hạt mang điện tích dương,

khối lượng 1839 , 8 938 , 3 2

c MeV m

m p  e  , proton là một fecmion

21



s và có monmen

từ là  p  2 , 79  hn trong đó  hnlà monmen từ của hạt nhân

c m

e

p hn

2





Hạt proton là một hạt bền, nó là một trong những thành phần cơ bản cấu tạo nên hạt

nhân nguyên tử Các hạt proton phân rã thành hạt neutron với sự phát ra một positron và

neutrino tương ứng

e

v e n

p  

Phản proton: Theo lý thuyết của Dirac thì hạt proton củng có một phản proton và hạt

này phải có khối lượng âm Để tạo thành một cập proton- phản proton p  p thì cần ít

nhất một năng lượng E 2m p  2 938 , 3  1876 , 6MeV Đây cũng chính là năng lượng cần

thiết để hủy cập p  p với điều kiện là hai hạt này phải chuyển động ngược chiều nhau

Nếu dùng một hạt proton bắn phá một bia có chứa các nucleon thì năng lượng của hạt

proton tới phải lớn hơn giá trị E1876,6MeV

Phản proton cũng được phân rã và theo phản ứng sau: pne v e

Hạt neutron là hạt trung hòa không mang điện có spin bán nguyên

21



s Tuy là hạt không mang điện nhưng nó lại có monment từ khác không  n 1,83. hn và có khối

lượng là 1843 , 4 939 , 6 2

c

MeV m

m n  e  Neutron là hạt có khối lượng lớn nhất trong hạt

nhân nguyên tử n pev e

Phản neutron cũng là hạt trung hòa không mang điện, có khối lượng bằng với khối

lượng của neutron nhưng có monment từ ngược dấu

Phản neutron cũng có tính chất phóng xạ và bị phân rã thành phản proton đi kèm theo

là positron, neutrino tương ứng

Các phản neutron được quan sát bằng thực nghiệm bằng sự trao đổi điện tích của phản

proton trong phân rã pne v e, n pev e

Nhóm: Hyperon    , , ,

Sau này người ta còn đưa thêm số lượng tử mới đó là số lượng tử duyên và đẹp nên

có các barion duyên và barion đẹp

Các Barion tham gia vào tương tác mạnh

Vậy hadron bao gồm các barion và các meson

3.2 Phân loại theo tương tác

3.2.1 Hạt “ chất” và hạt “trường”

Vật chất có hai dạng là chất ( các hạt) và trường (sóng) Trong thế giới vi mô, spin của

photon mà người ta quy ước chọn bằng một s 1 Người ta dựa vào thuộc tính của spin

để phân chia hạt cơ bản ra thành 2 loại

Hạt có spin nguyên được gọi là hạt chất như (electron, proton,…là các Fermion),

chúng tương tác với nhau thông qua trường lực sóng

Các hạt có spin bán nguyên còn gọi là hạt trường, là “lượng tử” của các trường lực

tương tác giữa các hạt chất như (photon và meson là các photon)

Các electron và photon tương tác với nhau thông qua trường điện từ (từ trường và điện

trường) mà lượng tử của nó là photon

Photon là hạt của hạt trường điện từ

Hai electron đẫy nhau bằng cách liên tục trao đổi (phát ra hay thu vào) các photon

Trong cơ học lượng tử người ta cho rằng các lực hay sự tương tác giữa các vật chất

(hạt chất) được truyền bởi các hạt có số spin nguyên

Một hạt phát ra một “ hạt truyền tương tác”, sự giật lùi do việc này luôn luôn làm thay

đổi vận tốc ( năng lượng) của hạt vật chất đó Sau đó “hạt truyền tương tác” sẽ va chạm

với một hạt vật chất khác và bị hạt này hấp thụ Kết quả là vận tốc (năng lượng) của hạt

thứ hai bị thay đổi một cách nhanh chống, giống hệt như lực tác dụng giữa hai hạt vật chất

đó

Tính chất của hạt truyền tương tác là chúng không tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli

Đều này có nghĩa là có một số không hạn chế các hạt, như vậy đã được trao đổi vật chất

giữa các hạt Vì vậy có thể làm cho lực trở nên rất mạnh Tuy nhiên hạt truyền tương tác

lại có khối lượng lớn (năng lượng lớn) thì chúng sẽ khó được tạo ra và khoảng cách trao

đổi lớn Do đó lực do các hạt truyền tương tác sẽ có bán kính tác dụng rất ngắn

Nếu hạt truyền tương tác không có khối lượng hoặc có khối lượng không đáng kể thì

sẽ có tầm tác dụng xa ( Ví dụ như tương tác hấp dẫn)

Các hạt truyền tương tác sẽ được trao đổi giữa các hạt vật chất, thường được gọi là các

hạt ảo Bởi vì nó không giống với các hạt thực, chúng không được phát hiện bằng các

máy dò hạt

Vì vậy các hạt “truyền tương tác” nói trên sẽ được chia làm 4 loại Tùy theo cường độ

của lực mà ta mang theo và các vật chất mà chúng tương tác

Các nhà vật lý đã chia ra làm 4 loại tương tác:Tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ,

tương tác mạnh, tương tác yếu

F  , trong đó G là hằng số hấp dẫn

2 11

Tương tác hấp dẫn có tác dụng rất lớn đối với những vật chất có khối lượng lớn Còn

trong các hạt cơ bản thì sao? Vì khối lượng của các hạt cơ bản rất nhỏ và bé nên tương tác

hấp dẫn rất bé Vì vậy trong hạt cơ bản tương tác hấp dẫn thường được bỏ qua Bán kính

tác dụng của tương tác hấp dẫn là rất lớn có thể xem bán kính tác dụng là vô cùng Hạt

truyền tương tác là gaviton 00G có số spin (s=2)

Ví dụ: Tương tác giữa trái đất và mặt trăng là do sự trao đổi các hạt graviton ảo Các

hạt này gây ra một một hiệu ứng đo được và làm cho mặt trăng quay xung quanh trái đất

Hạt graviton vẫn còn nằm trong lý thuyết và chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm

3.2.3 Tương tác điện từ

Đầu tiên thì người ta mới biết đến tương tác điện Tương tác điện là tương tác giữa các

hạt mang điện proton, electron…) với nhau đó là cơ sở của lực Culong 122

r

q q k

F  trong

đó k là hằng số điện 2

2 9

10.9

C

Nm

k 

Về sau khi con người đã tìm ra được tương tác từ ( tương tác giữa nam châm với nam

châm, giữa dòng điện với dòng điện và giữa dòng điệ với nam châm)

Khi đi xét các điện tích chuyển động trong từ trường và điện trường thì người ta đã cố

gắng thống nhất tương tác điện với tương tác từ thành một tương tác duy nhất Kết quả là

thuyết điện động lực học lượng tử ra đời thì con người đã thống nhất tương tác điện với

tương tác từ thành một gọi chung là tương tác điện từ Tương tác điện từ lớn hơn tương

tác hấp dẫn rất nhiều lần

Tương tác điện từ rất giống với tương tác hấp dẫn chỉ khác ở chỗ tương tác hấp dẫn

luôn luôn là lực hút còn trong tương tác điện từ thì có hút nhau và có đẩy nhau tùy vào

điện tích của chúng mang trên người Bán kính tác dụng của tương tác điện từ giống với

tương tác hấp dẫn Đều có bán kính tác dụng là vô cùng

Để so sánh độ lớn của tương tác lực hấp dẫn và tương tác điện từ giữa

electron-electron (e-e) đứng yên, cùng một khoảng cách

r r

71 2

2 31

11 9,1.10 5,31.1010

.68,6

28 2

2 19

9 1,6.10 2,304.1010

.9

F

Đây là một tỷ số rất lớn

Tương tác điện từ thường xảy ra ở các quá trình sau:

Quá trình sinh và hủy cập electron và positron  X X ee

Trong đó X thường là hạt nhân nguyên tử , phản ứng muốn xảy ra được phải cần ít