Tai lieu 12- laze-spin

Những người hâm mộ của bộ phim khoa học giả tưởng nổi tiếng Star Trek "Đường đến các vì sao", đã biết đến một loại phản vật chất được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao để đ

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Laser He-Ne

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích"

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy

từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein Bước sóng

(do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức

Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn

Lịch sử

Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H Townes và sinh viên tốt nghiệp J.P Gordon và H.J Zeiger vào năm 1953 Maser đầu tiên đó không tạo ra

tia sóng một cách liên tục Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng Hệ thống

đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường,

vì thế vẫn giữ tần suất Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr

Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật

lýTheodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California

Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra

Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối

 Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó l m à c ột chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm v o ho à c ạt chất n y thì kéo theo à c đó là c

1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ to n à c phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại l m cho các h à c ạt photon va chạm liên tục v o ho à c ạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc

v o ho à c ạt chất đó, do đó người ta căn cứ v o ho à c ạt chất để phân loại laser

Cơ chế

Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh

 Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh

di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ của electron

 Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là c photon

 Các hạt photon n y s à c ẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên

tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử

n y r à c ơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng t ầ n s ố , cùng pha v à c cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuyếch đại dòng ánh sáng

 Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng

 Một số photon ra ngo i nh à c ờ có g ươ ng bán m ạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi ra chính l tia laser à c

gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 10000Hz

1000- Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất l tinh th à c ể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

 Bán dẫn: loại thông dụng nhất l diot Gallium Arsen có b à c ước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần

Laser chất khí

 He-Ne: hoạt chất l khí Heli v Neon, có b à c à c ước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến

v i ch à c ục mW

 Argon: hoạt chất l kh à c í argon, bước sóng 488 v 514,5nm à c

 CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát

xạ có thể tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng l m dao m à c ổ

LASER chất lỏng

Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu

Tính chất

 Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như l chùm song song do à c

đó khả năng chiếu xa h ng nghìn km m không b à c à c ị phân tán

 Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một m u (hay m à c ột bước sóng) duy nhất Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây l tính à c chất đặc biệt nhất m không ngu à c ồn sáng n o có à c

 Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser

 Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian

Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

 Ph ươ ng pháp chuy ể n m ạ ch Q (Q-switching)

 Ph ươ ng pháp ki ể u khoá (modelocking)

 Ph ươ ng pháp b ơ m xung (pulsed pumping)

An toàn

Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, cũng có thể nguy hiểm với mắt người Tại bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt, nhờ tính đồng nhất và sựđịnh hướng cao của laser, một công suấtnăng lượng lớn có thể tập trung vào một điểm cực nhỏ trên võng mắt Kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt vĩnh viễn trong vài giây, thậm chí có thể nhanh hơn Độ an toàn của laser được xếp từ I đến

IV Với độ I, tia laser tương đối an toàn Với độ IV, thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làmhỏng mắt hay bỏng da Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng như máy chơi CD và bút laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III (Xem thêm an toàn laser)

Ứng dụng của laser

Laser ứng dụng trong điều trị bệnh da li ễ u .

Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm

có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanômét đối với laser dùng ánh sáng Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabytethông tin

trên các rãnh của DVD Cũng là điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tiasáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một cm vuông Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàncủa tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó Xem thêm ứng dụng của laser để thêm chitiết

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác Tia từ laser thường

có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng Một tia laser được tạo từ laser He-Ne, nếu chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng, sẽ tạo nên một hình trònđường kính khoảng 1 dặm (1,6 kilômét) Một vài laser, đặc biệt là với laserbán dẫn, có với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao Tuy nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi về tia chuẩn trục bằng các thấu kính hội tụ Trái lại, ánh sáng không phải từ laser không thể làm cho chuẩn trực bằng các thiết bị

quang học dễ dàng, vì chiều dài đồng pha ngắn hơn rất nhiều tia laser Định luật nhiễu xạ không áp dụng khi laser được truyền trong các thiết bị dẫn sóng như sợi thủy tinh Laser cường độ cao cũng tạo nên các hiệu ứng thú vị trong quang học phi tuyến tính.

Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ vào tán xạ Rayleigh hay

tán xạ Raman Với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí cóthể bị nung lên đến trạng thái plasma, do đó laser có thể được thấy nhờ bức xạ từ plasma này Tuy nhiên sự tăng áp suất đột ngột khi không khí bị nóng nhanh có thể tạo ra tiếng

nổ lớn, và tạo ra sự phản hồi của tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế của laser)

Trong phim khoa học viễn tưởng, các hiệu ứng đặc biệt thường miêu tả các vũ khí laser truyền đi vài mét trong một giây, trái với thực tế là tia laser di chuyển với vận tốc ánh sáng, nhanh đến mức không thể thấy sự di chuyển của tia laser

Một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ, có thể được vô hiệu hóa bởi các nhân vật bằng việc là sử dụng gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng vào không khí Thực tế thì hệ thống an toàn có thể dùng tia laser hồng ngoại hơn là tia laser thấy được

Cấu trúc hệ thống laser

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Cấu trúc hệ thống laser phần lớn gồm 3 phần:

 Nguồn năng lượng (thường gọi l ngu à c ồn bơm);

 Môi trường kích thích, hay môi trường laser;

 Gương hay hệ thống gương, tạo nên hệ thống khuyếch đại quang học

Nguồn bơm là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser Ví dụ bao gồm cực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào

để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường kích thích là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường Laser He-Ne dùng cực phóng điện trong hỗn hợp khí HêliNeon Laser Nd:YAG dùng ánh sáng hội tụ từ đènnháy Xenon Laser từ đôi nguyên tử có Heli dùng phản ứng hóa học để nạp năng lượng

Môi trường kích thích là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tính chất khác của tia laser Có hàng trăm môi trường kích thích có thể làm được Môi trường kích thích bị kíchthích bằng nguồn bơm tạo ra sự kích thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho sự

phát xạ kích thích các hạt photon, dẫn đến hiện tượng khuyếch đại ánh sáng Ví dụ về cácloại laser:

 Dạng lỏng, như laser sử dụng chất nhuộm Sử dụng các dung môi như metan, etan,, thêm v o ch à c ất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và c florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser

 Dạng khí, dùng argon, CO2, kryton, v h à c ổn hợp Heli-Neon các loại

n y s à c ử dụng nguồn bơm l à c ắc quy

 Dạng rắn, như tinh thể v g à c ương Chất rắn chủ đạo pha thêm các tạp chất như crôm, neodymium hay titan Chất rắn chính thường l à c YAG(Ytri, nhôm và c Garnet)YLF(Ytri, Liti, flo), sapphia(oxit nhôm), gương silica) Ví dụ : Nd:YAG, Ti:sapphia, Cr:sapphia(gọi l hông à c ngọc), Cr:LiSAF, Er:YLF v Nd: glass S à c ử dụng đèn nhát hay ánh sáng từ laser khác l m ngu à c ồn kích thích

 Laser bán dẫn, trong đó sự chuyển động của hạt electron giữa vật chất với tầng điện tích khác nhau tạo ra hiệu ứng laser Laser bán dẫn thường l g à c ọn nhẹ, l m các thi à c ết bị dùng cho đĩa hát Xem thêm laser diod

Các máy khuyếch tán ánh sáng, có 2 gương song song đặt xung quang gương Ánh sáng

từ trong môi trường, tạo ra từ sự kích thích, phản xạ bởi gương trở lại trong môi trường,

vì thế các photon này tích tụ càng nhiều đến khi hàng trăm lần trước khi thoát ra ngoài Trong các laser phức tạp, có từ 4 trở lên gương được tạo nên Thiết kế và sắp xếp của gương là quyết định bước sóng và các ảnh hưởng khác đến hệ thống laser

Danh sách các loại laser

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Sau đây là danh sách các loại laser, bước sóng và ứng dụng:

μm , 1.52 m, μm 3.3913 m) μm

Cực phóng điện

Giao thoa k ế , holograph , quang ph ổ h ọ c , đọc mã v

ạ ch , cân chỉnh, miêu tả quang học.

Laser khí

ion Argon

488.0 nm, 514.5

nm, (351 nm, 465.8 nm, 472.7

nm, 528.7 nm)

Cực phóng điện

Chữa trị võng m ạ c bằng ánh sáng (cho người b ệ nh ti

ể u đườ ng ), in th ạ ch b ả n ,

l ngu à c ồn kích thích các laser khác.

Laser khí

Ion Kryton

416 nm, 530.9

nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4

nm, 752.5 nm, 799.3 nm

Cực phóng điện

Nghiên cứu khoa học, trình diễn ánh sáng.

Laser khí

ion Xenon

Nhiều vạch từ

c ự c tím đến h

L ngu à c ồn kích thích cho laser m u, à c đo độ ô nhiễm, nghiên cứu khoa học, Laser nitơ có khả năng hoạt động ở cường độ yếu.

F 3

Dùng cho nghiên cứu vũ khí laser, dùng sóng phát

ra liên tục v có tính công à c phá lớn.

Phóng điện ngang (công suất cao) hay dọc (công suất thấp)

Gia công vật liệu ( c ắ t ,

Quang th ạ ch b ả n c ự c tím cho chế tạo link kiện bán d

ẫ n , ẫ ph u thu ậ t laser, LASIK

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Silic là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Si và số nguyên tử bằng 14

Nó là nguyên tố phổ biến sau ôxy trong vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4

i ể m nóng ch ả y 1.687 K (2.577 °F F ) Đ

i ể m sôi 3.173 K (5.252 F) °F Tr

ạ ng thái tr ậ t t ự t ừ không từ tính

Th

ể tích phân t ử 12,06 × 10-6 m /mol ³, 6,5 Nhi ệ t bay h ơ i 384,22 kJ/mol

Nhi ệ t nóng ch ả y 50,55 kJ/mol

Áp su ấ t h ơ i 4,77 Pa tại 1.683 K V

ậ n t ố c âm thanh ? m/s tại ? K

Chất đồng vị ổn định nhất

Bài chính: Đồng vị silic

Silic hoạt động hóa học kém hơn cacbon là nguyên tố tương tự nó về mặt hóa học Nó có trong đất sét, fenspat, granit, thạch anh và cát, chủ yếu trong dạng điôxít silic (hay silica)

và các silicat (Các hợp chất chứa silic, ôxy và kim loại trong dạng R-SiO3)

Vì silic là nguyên tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn và công nghệ cao, nên khu vực công nghệ cao ở California được đặt tên là Silicon Valley (Thung lũng Silicon), tức đặt

tên theo nguyên tố này

và động vật Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào Các ứng dụng khác có:

 G ố m /men s ứ - L v à c ật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất các vật liệu chịu lửa v các silicat c à c ủa nó được sử dụng trong sản xuất men

sứ v à c đồ gốm

 Thép - Silic l th nh ph à c à c ần quan trọng trong một số loại thép

 Đồ ng thau - Phần lớn đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim của đồ ng với silic

 Th ủ y tinh - Silica từ cát l th nh ph à c à c ần cơ bản của thủy tinh Thủy tinh có thể sản xuất th nh nhi à c ều chủng loại đồ vật với những thuộc tính lý học khác nhau Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), v s à c ứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác

 Gi ấ y nhám - Cacbua silic l m à c ột trong những vật liệu m i mòn quan à c trọng nhất

 Vật liệu bán d ẫ n - Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm asen, bo, gali hay ph ố tpho sđể l m silic d à c ẫn điện tốt hơn trong các transistor, pin m

ặ t tr ờ i hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử v các à c ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác

 Trong các photonic - Silic được sử dụng trong các laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm

 Vật liệu y tế - Silicon l h à c ợp chất dẻo chứa các liên kết silic-ôxy và c silic-cacbon; chúng được sử dụng trong các ứng dụng như nâng ngực nhân tạo và c lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng)

 LCD v pin m à c ặt trời - Silic ngậm nước vô định hình có hứa hẹn trong các ứng dụng như điện tử chẳng hạn chế tạo m n hình tinh à c thể lỏng (LCD) với giá th nh à c thấp v m n r à c à c ộng Nó cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời

 Xây dựng - Silica l th nh ph à c à c ần quan trọng nhất trong gạch vì tính hoạt hóa thấp của nó

Sự phổ biến

Silic là thành phần cơ bản của các loại aerolit là một loại của các thiên thạch và của các

tektit là dạng tự nhiên của thủy tinh

Theo khối lượng, silic chiếm 29,5% vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ hai sau ôxy Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên Nó thường xuất hiện trong các ôxít và silicat Cát, amêtít, mã não (agate), thạch anh, đá tinh thể, đá lửa, jatpe, và opan là những

dạng tự nhiên của silic dưới dạng ôxít Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hoócblen, mica là những dạng khoáng chất silicat.

Sản xuất

Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng silica siêu sạch trong lò luyện bằng

hồ quang với các điện cực cacbon Ở nhiệt độ trên 1900 °C, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng

SiO2 + C → Si + CO2

Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic loại luyện kim và nó ít nhất đạt 99% tinh khiết Năm 2000, silicloại này có giá khoảng $ 0,56 trên một pao ($1,23/kg) [1]

Làm tinh khiết

Việc sử dụng silic trong các thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao hơn so với sản xuất bằng phương pháp trên Có một số phương pháp làm tinh khiết silic được sử dụng để sản xuất silic có độ tinh khiết cao

Phương pháp vật lý

Các kỹ thuật làm tinh khiết silic đầu tiên dựa trên cơ sở thực tế là nếu silic nóng chảy và sau đó đông đặc lại thì những phần cuối khi đông đặc bao giờ cũng chứa nhiều tạp chất Các phương pháp sớm nhất để làm tinh khiết silic, lần đầu tiên được miêu tả năm 1919 và

sử dụng trong một số hữu hạn nền tảng để sản xuất các thành phần của rađa trong Đại chiến thế giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silic phẩm chất công nghiệp và hòa tan từng phần bột silic trong axít Khi bị đập vỡ, silic bị làm vỡ để những khu vực có nhiều tạp chất yếu hơn sẽ nằm ra phía ngoài của các hạt silic được tạo ra, chúng sẽ bị axít hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết hơn

Trong khu vực nung chảy, phương pháp đầu tiên làm tinh khiết silic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các thỏi silic phẩm cấp công nghiệp được nung nóng tại một đầu Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động rất chậm dọc theo chiều dài của thỏi, giữ cho chỉ một đoạn ngắn của thỏi nóng chảy và silic được làm nguội và tái đông đặc ở phía sau nó Vì phần lớn các tạp chất có xu hướng nằm trong phần nóng chảy hơn là trong phần tái đông đặc, nên khi quá trình này kết thúc, phần lớn tạp chất của thỏi sẽ chuyển về đầu nóng chảy sau cùng Đầu này sau đó bị cắt bỏ, và quy trình này được lặp lại nếu muốn có silic với phẩm cấp cao hơn

Phương pháp hóa học

Ngày nay, silic được làm sạch bằng cách chuyển nó thành các hợp chất silic để dễ dàng làm tinh khiết hơn là làm tinh khiết trực tiếp silic, và sau đó chuyển hợp chất của nó trở

lại thành silic nguyên chất Triclorosilan là hợp chất của silic được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầu tetraclorua silic và silan cũng được sử dụng Khi các khí này được thổi qua silic ở nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo ra silic có độ tinh khiết cao.

Trong công nghệ Siemens, các thỏi silic có độ tinh khiết cao được đưa vào triclorosilan ở nhiệt độ 1150 °C Khí triclorosilan phân hủy và lắng đọng silic bổ sung trên thỏi, làm to

nó theo phản ứng sau:

2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4

Silic sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi là silic đa tinh thể Silic

đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức 1 phần tỷ hoặc thấp hơn

Cùng thời gian đó, DuPont đã sản xuất silic siêu sạch bằng cách cho tetrachorua silic

phản ứng với hơi kẽm nguyên chất ở nhiệt độ 950 °C, theo phản ứng:

SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2

Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn như sản phẩm phụ

clorua kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens

Tinh thể hóa

Công nghệ Czochralski thông thường được sử dụng để sản xuất các tinh thể silic đơn có

độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng silic ở trạng thái rắn

Đồng vị

Silic có chín đồng vị, với số Z từ 25 đến 33 Si28 (đồng vị phổ biến nhất, 92,23%), Si29

(4,67%) và Si30 (3,1%) là ổn định; Si32 là đồng vị phóng xạ sản xuất bằng phân rã agon Chu kỳ bán rã của nó, được xác định là khoảng 276 năm, và nó phân rã bằng bức xạ beta thành P32 (có chu kỳ bán rã 14,28 năm) và sau đó thành S32

Cảnh báo

Các bệnh nghiêm trọng về phổi được biết đến như bệnh nhiễm silic (silicosis) thường gặp

ở những người thợ mỏ, cắt đá và những người phải làm việc trong môi trường nhiều bụi silic

Gecmani

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Tính chất nguyên tử

Kh

ố i l ượ ng nguyên t ử 72,64(1) đ .v Bán kính nguyên t ử (calc.) 125 (125) pm Bán kính c ộ ng hoá tr ị 122 pm

Bán kính van der Waals pm

C

ấ u hình electron [Ar]3 d104 s24 p2

e trên - m ứ c n ă ng l ượ ng 2, 8, 18, 4

i ể m sôi 3.106 K (5.131 F) °F Tr

ạ ng thái tr ậ t t ự t ừ nghịch từ

Th

ể tích phân t ử 13,63 × 10-6 m /mol ³, 6,5 Nhi ệ t bay h ơ i 334 kJ/mol

Ge 27,66% Ổn định có 40 nơtron

Ge73 7,73% Ổn định có 41 nơtron

Ge74 35,94% Ổn định có 42 nơtron

Ge76 7,44% 1,78×1021 năm β- β - - Se76

Gecmani là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Ge và số nguyên tử

32 Nó là một á kim màu trắng bạc, cứng, bóng, về mặt hóa học là tương tự như thiếc Gecmani tạo ra một lượng lớn các hợp chất hữu cơ kim loại và là vật liệu bán dẫn quan trọng được sử dụng để sản xuất transistor Nó được đặt tên theo tên gọi của Đức trong

tiếng La tinh là Germania

Các đặc trưng

Gecmani là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là gecmani là chất bán dẫn, với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện Ở trạng thái nguyên chất, á kim này là chất kết tinh, giòn và duy trì độ bóng trong không khí ở nhiệt độ phòng Các kỹ thuật tinh chế khu vực đã dẫn tới việc sản xuất gecmani kết tinh cho ngành công nghiệp bán dẫn với hàm lượng tạp chất chỉ ở cấp độ 10-10 Cùng với gali,

bitmut, antimoan và nước, nó là một trong các chất giãn nở ra khi đóng băng Dạng ôxít,

điôxít gecmani, cũng có tính chất bất thường như có chiết suất cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại là trong suốt với ánh sáng hồng ngoại

Lịch sử

Năm 1871, gecmani (tiếng La tinh germania để chỉ Đức) là một trong các nguyên tố mà

Dmitri Ivanovich Mendeleevdự báo là tồn tại như là nguyên tố tương tự nhưng còn thiếu của nhóm silic (Mendeleev gọi nó là "eka-silicon") Sự tồn tại của nguyên tố này được

Clemens Winkler chứng minh năm 1886 Sự phát hiện này là sự khẳng định quan trọng cho ý tưởng về tính tuần hoàn nguyên tố của Mendeleev

Sự phát triển của các transistor bằng gecmani đã mở ra vô vàn ứng dụng của điện tử học

trạng thái rắn Từ năm 1950 cho tới đầu thập niên 1970, lĩnh vực này đã tạo ra một thị trường ngày càng tăng cho gecmani, nhưng sau đó silic độ tinh khiết cao đã bắt đầu thay thế gecmani trong các loại transistor, đi ốt và chỉnh lưu Silic có các tính chất điện học tốthơn, nhưng đòi hỏi độ tinh khiết cao hơn—một độ tinh khiết mà con người không thể đạt được ở quy mô thương mại trong giai đoạn đầu Trong khi đó, nhu cầu về gecmani trong các mạng liên lạc viễn thông bằng cáp quang, các hệ thống quan sát ban đêm bằng hồng ngoại và các xúc tác polyme hóa đã gia tăng một cách mạnh mẽ Các ứng dụng này chiếmtới 85% nhu cầu tiêu thụ gecmani toàn thế giới vào năm 2000 Gecmani khác với silic ở chỗ việc cung cấp silic bị hạn chế bởi năng lực sản xuất trong khi việc cung cấp gecmani

bị hạn chế bởi sự hạn chế các nguồn có thể khai thác

Ứng dụng

Không giống như phần lớn các chất bán dẫn khác, gecmani có vùng cấm nhỏ, cho phép

nó phản ứng rất hiệu quả với ánh sáng hồng ngoại Vì thế nó được sử dụng trong các kínhquang phổ hồng ngoại và các thiết bị quang học khác trong đó đòi hỏi các thiết bị phát hiện cực kỳ nhạy với tia hồng ngoại Chiết suất của ôxít gecmani và thuộc tính tán sắc của nó làm cho gecmani là hữu ích trong các thấu kính camera góc rộng và trong kính vậtcủa các kính hiển vi

Các transistor từ gecmani vẫn còn được sử dụng trong một số hộp dậm chân của các nhạccông muốn tái tạo các đặc trưng âm khác biệt cho âm "fuzz" từ thời kỳ ban đầu của rock and roll, đáng chú ý có Fuzz Face của Dallas Arbiter

Gecmani là vật liệu quang học hồng ngoại có tầm quan trọng cao và có thể dễ dàng cắt, đánh bóng thành các thấu kính hay cửa sổ Cụ thể, nó được sử dụng như là thấu kính vật trong các camera nhiệt làm việc trong khoảng bước sóng 8-14 micron chụp hình nhiệt thụđộng và cho hot-spot detection in military and fire fighting applications Vật liệu này có

chiết suất rất cao (4,0) và vì thế cần được bọc lót chống phản xạ Cụ thể, lớp bọc lót chống phản xạ đặc biệt rất cứng như cacbon tựa kim cương (DLC) (chiết suất 2,0) là phù hợp tốt nhất và sản sinh ra bề mặt cứng như kim cương có thể chống chịu được các tác động môi trường khác nhau

Hợp kim gecmanua silic (hay "silic-gecmani", SiGe) rất nhanh chóng trở thành vật liệu bán dẫn quan trọng, dùng trong các mạch IC tốc độ cao Các mạch IC dùng các tính chất của kết nối Si-SiGe có thể nhanh hơn nhiều so với các mạch chỉ dùng silic

Một chiếc bát l m t à c ừ gecmani

Ứng dụng khác:

 Tác nhân trong sản xuất h ợ p kim

 Phosphor trong các đ èn hu ỳ nh quang

 Ch ấ t xúc tác

 Các thiết bị phát hiện dùng một tinh thể gecmani độ tinh khiết cao có thể nhận dạng chính xác nguồn bức xạ (ví dụ trong an ninh h ng à c không)

 Các đĩ a bán d ẫ n với nền là c gecmani cho các tế b o quang à c điện hiệu suất cao đa kết nối trong các ứng dụng cho t u v à c ũ trụ

Một vài hợp chất của gecmani có độc tính thấp đối với động vật có vú, nhưng lại có độc tính cao đối với một vài loại vi khuẩn nào đó Tính chất này làm cho chúng trở thành có ích như là các tác nhân chữa trị bằng hóa chất

Các tinh thể gecmani độ tinh khiết cao được dùng trong các máy dò cho kính quang phổ gamma

Nghiên cứu của FDA đưa ra kết luận rằng gecmani, khi sử đụng như là chất bổ sung dinh dưỡng, "thể hiện một số nguy hiểm tiềm tàng cho sức khỏe con người".[1]

Trong những năm gần đây gecmani được gia tăng sử dụng trong các hợp kim của các kimloại quý Ví dụ, trong hợp kim bạc sterling, nó được thêm vào để giảm vết bẩn màu, tăng chống xỉn màu, và làm tăng phản ứng của hợp kim đối với xơ cứng kết tủa

Phổ biến

Nguyên tố này được tìm thấy trong argyrodit (sulfua của gecmani và bạc); than đá;

germanit; quặng kẽm; và một số khoáng vật khác Xem thêm Khoáng vật gecmani

Ở quy mô thương mại, gecmani thu được từ quặng kẽm nhờ xử lý bụi quặng nóng chảy cũng như từ các phụ phẩm sau cháy của một vài dạng than đá Vì thế nguồn dự trữ lớn của gecmani chính là các nguồn than đá

Á kim này có thể tách ra từ các kim loại khác bằng cách chưng cất phân đoạn tetraclorua

dễ bay hơi của nó Kỹ thuật này cho phép sản xuất gecmani cực kỳ tinh khiết

Giá cả

Năm 1998 giá thành của gecmani vào khoảng 1,70$/gam Tuy nhiên, giá thành này liên tục giảm kể từ đó[2][3][4][5][6]:

hay tetraetyl gecmani, (Ge(C2H5)4) Hợp chất hữu cơ mới của gecmani gần đây

(isobutylgecman ((CH3)2CHCH2GeH3), đã được thông báo là chất lỏng ít nguy hại hơn đểthay thế cho khí gecman độc hại trong các ứng dụng bán dẫn

Gecmani nguyên chất được biết đến với việc sinh ra một cách tự phát các biến vị xoắn rất

dài, còn gọi là râu gecmani Sự phát triển của các râu này là một trong các nguyên nhân

chính trong các hỏnh hóc của các điốt và transistor cũ sản xuất từ gecmani, do phụ thuộc vào việc chúng kết thúc chạm vào đâu mà điều đó có thể dẫn tới đoản mạch

Tham khảo

Phản vật chất

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Lịch sử hình thành khái niệm

Giả thiết giả tưởng

Phản vật chất bắt đầu từ trí tưởng tượng của con người ở những năm 1930 Những người hâm mộ của bộ phim khoa học giả tưởng nổi tiếng Star Trek ("Đường đến các vì sao"),

đã biết đến một loại phản vật chất được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao

để đẩy những chiếc tàu không gian đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng Loại phi thuyền không gian này dường như không thể thiết kế được, nhưng các nhà lý thuyết đã có khả năng biến dạng nhiên liệu tưởng tượng ấy thành hiện thực Ý tưởng trong truyện tiểu thuyết đã trở thành hiện thực bằng việc khám phá ra sự tồn tại của phản vật chất, ở những

thiên hà khoảng cách xa và ở thời nguyên sinh của vũ trụ

Giả thiết khoa học

Điều thú vị nhất đó là từ trong trí tưởng tượng, phản vật chất trở thành hiện thực, và mang tính thuyết phục Năm 1928, nhà vật lý người AnhPaul Dirac đã đặt ra một vấn đề:làm sao để kết hợp các định luật trong thuyết lượng tử vào trong thuyết tương đối đặc biệt

của Albert Einstein Thông qua các bước tính toán phức tạp, Dirac đã vạch định ra hướng

để tổng quát hóa hai thuyết hoàn toàn riêng rẽ này Ông đã giải thích việc làm sao mọi vậtcàng nhỏ thì vận tốc càng lớn; trong trường hợp đó, các electron có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng Đó là một thành công đáng kể, nhưng Dirac không chỉ dừng lại ở đó, ông nhận ra rằng các bước tính toán của ông vẫn hợp lệ nếu electron vừa có thể có điện tích

âm, vừa có thể có điện tích dương - đây là một kết quả ngoài tầm mong đợi

Dirac biện luận rằng, kết quả khác thường này chỉ ra sự tồn tại của một "đối hạt", hay

"phản hạt" của electron, chúng hình thành nên một "cặp ma quỷ" Trên thực tế, ông quả quyết rằng mọi hạt đều có "đối hạt" của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ

có sự đối lập về mặt điện tích Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, phản electron (còn được gọi là positron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một vũ trụ ảo tạo bởi các phản vật chất này

Và dự đoán của ông đã được kiểm chứng trong thí nghiệm của Carl Anderson vào năm

1932, cả hai ông đều được giải Nobel cho thành tựu ấy

Các nhà vật lý đã học được nhiều hơn về phản vật chất so với thời điểm của Anderson

khám phá ra nó Một trong những hiểu biết mang tính kịch bản đó là vật chất và phản vật chất kết hợp lại sẽ tạo ra một vụ nổ lớn Giống như những cặp tình nhân gặp nhau trong ngày sau cùng vậy, vật chất và phản vật chất ngay lập tức hút nhau do có điện tích ngược nhau, và tự phá hủy nhau Do sự tự huỷ tạo ra bức xạ, các nhà khoa học có thể sử dụng các thiết bị để đo "tàn dư" của những vụ va chạm này Chưa có một thí nghiệm nào có khả năng dò ra được các phản thiên hà và sự trải rộng của phản vật chất trong vũ trụ như trong tưởng tượng của Dirac Các nhà khoa học vẫn gửi các tín hiệu thăm dò để quan sát xem có tồn tại các phản thiên hà này hay không

Nhưng câu hỏi vẫn làm bối rối các nhà vật lý cũng như những người có trí tưởng tượng cao đó là: phải chăng vật chất và phản vật chất tự hủy khi chúng tiếp xúc nhau Tất cả cácthuyết vật lý đều nói rằng khi vụ nổ lớn (Big Bang), đánh dấu sự hình thành ở 13,5 tỉ nămtrước, vật chất và phản vật chất có số lượng bằng nhau Vật chất và phản vật chất kết hợp lại, và tự hủy nhiều lần, cuối cùng chuyển sang năng lượng, được biết như dạng bức xạ phông vũ trụ Các định luật của tự nhiên đòi hỏi vật chất và phản vật chất phải được tạo dưới dạng cặp Nhưng một vài phần triệu giây sau vụ Nổ Lớn Big Bang, vật chất dường như nhiều hơn so với phản vật chất một chút, do đó cứ mỗi tỉ phản hạt thì lại có một tỉ +

1 hạt vật chất Trong giây đầu hình thành vũ trụ, tất cả các phản vật chất bị phá hủy, để lại sau đó là dạng hạt vật chất Hiện tại, các nhà vật lý vẫn chưa thể tạo ra được một cơ chế chính xác để mô tả quá trình "bất đối xứng" hay khác nhau giữa vật chất và phản vật chất để giải thích tại sao tất cả các vật chất lại đã không bị phá hủy

Bằng chứng về phản vật chất

Cloud chamber photograph by C.D Anderson of the first positron ever identified A 6 mm lead plate separates the upper half of the chamber from the lower half The positron must have come from below since the upper track is bent more strongly in the magnetic field indicating a lower energy

Một số bằng chứng về sự tồn tại của phản vật chất đã được đưa ra Quan trọng nhất là việc quan sát các phi đạo của các hạt sơ cấp trong buồng bọt (bubble chamber).

Thí nghiệm được tiến hành bởi Carl Anderson vào năm 1932 Ông đã chụp hình được một số cặp phi đạo bị biến mất ngay khi gặp nhau Dữ liệu này đã làm tăng sự tin tưởng rằng có tồn tại các hạt phản vật chất mà khi một hạt tương tác với chính phản hạt cùng loại sẽ triệt tiêu nhau và sinh năng lượng

Năm 1996, Phòng thí nghiệm Fermi, (Chicago, Mỹ) đã tạo ra 7 phản nguyên tử hydro

trong một máy gia tốc hạt Có điều các hạt này tồn tại trong thời gian quá ngắn ngủi, lại chuyển động với tốc độ sát gần ánh sáng, nên không thể lưu giữ để nghiên cứu

Phản Hydro

Tháng 10 năm 2002, Phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu (European Organization for Nuclear Research-CERN) thông báo kết quả thí nghiệm ATRAP, tiếp nối thí nghiệm ATHENA tháng 9, tạo ra phản nguyên tử Hydro từ phản proton và positron Kết quả đo mức năng lượng của các phản hạt trong phản nguyên tử hydro cho thấy, positron chuyển

động trên quỹ đạo khá xa tâm phản proton, dẫn đến hệ thống này tồn tại hết sức kém bền vững Để có được các phản nguyên tử (anti-atom) bền vững, toàn bộ thí nghiệm cần đặt trong môi trường nhiệt độ sát điểm 0 tuyệt đối (-273 độ C), vì ở nhiệt độ cao, các phản nguyên tử sẽ kết hợp với các nguyên tử của môi trường và biến mất ngay lập tức

Vì sao chúng ta có thể sống sót?

Một ngày, bạn có thể đột ngột biến mất khỏi cõi đời này mà chưa kịp hiểu gì cả Nguyên nhân là bạn đã gặp phải “phản vật chất” của mình Sau 37 năm nghiên cứu, các nhà khoa học vừa tìm ra ra một bằng chứng cực kỳ quan trọng giải thích khả năng sống sót của bạn: vật chất có tính ổn định cao hơn phản vật chất.

Đây là kết quả nghiên cứu của hơn 600 nhà khoa học thuộc 75 học viện khác nhau trên thế giới (Canada, Trung Quốc, Pháp, Đức, Anh, Italia, Na Uy, Nga

và Mỹ) Với sự giúp đỡ của một máy dò hạt (detector) tên là Babar, nặng 1.200 tấn ở

Stanford, California, họ đã chứng minh được rằng: hạt B meson (gồm một cặp quark và antiquark) có tính ổn định cao hơn phản hạt của nó.

Vật chất và phản vật chất

Trước vụ nổ Big Bang, vũ trụ của chúng ta chỉ là một điểm vô cùng nhỏ với một nguồn năng lượng vô cùng lớn Chưa có không gian, thời gian, vật chất Sau vụ nổ, năng lượng bung ra, hình thành các hạt (tạo nên vật chất) và các phản hạt (tạo nên phản vật chất) Theo lý thuyết thì:

 Lượng vật chất v ph à c ản vật chất bằng nhau

 Vật chất v ph à c ản vật chất (dưới dạng các hạt) biến động không ngừng Chúng có thể xuất hiện hoặc biến mất liên tục Xác suất để một hạt hay phản hạt tồn tại trong một thời gian nhất định gọi là c

tính ổn định

 Nếu một hạt vật chất gặp phản hạt của nó, m c à c ả hai cùng có tính

ổn định ngang nhau, chúng sẽ biến mất

Vì 3 lý do trên nên vật chất phải có tính ổn định cao hơn phản vật chất một chút, nếu không toàn bộ vũ trụ sẽ biến mất Năm 1964, lần đầu tiên nhà vật lý thiên tài người Nga Andrei Sakhrov chứng minh được sự tồn tại của một hạt mà phản hạt của nó kém bền

vững hơn: đó là hạt K meson Sau đó ông đã đưa vào ngành vật lý một khái niệm mới để miêu tả hiện tượng này: hiện tượng vi phạm CP (charge-parity violation: vi phạm trạng

thái cân bằng giữa vật chất và phản vật chất)

37 năm liền, các nhà khoa học đã tìm mọi cách để chứng minh rằng hiện tượng vi phạm

CP cũng xuất hiện ở các hạt khác nữa, mà trước tiên là ở hạt B meson, song đều không

thu được kết quả

Máy dò hạt Babar.

Các vấn đề còn lại

Với việc tìm ra bằng chứng “vi phạm CP” ở hạt B meson, các nhà vật lý đã tìm ra hai

loại hạt có độ ổn định lớn hơn phản hạt, góp phần chứng minh rõ hơn quá trình hình thành vật chất sau vụ nổ Big Bang Tuy nhiên, lượng vật chất tồn tại trong vũ trụ hiện nay

vẫn lớn hơn lượng phản vật chất rất nhiều Có thể, “trong vũ trụ còn tồn tại một thứ gì đấy mà chúng ta chưa biết”, Steward Smith, phát ngôn viên của nhóm khoa học, nói

"Hoặc là trong vũ trụ còn tồn tại một số loại hạt khác, có thể quá nặng nên các máy gia tốc (dùng để sản xuất các hạt) không tạo ra được, hoặc trong vũ trụ đang ngự trị những hiện tượng vật lý mà chúng ta còn chưa chưa biết đến", Smith nói

Dùng phản vật chất làm nhiên liệu cho tên lửa?

Để bay đến những hành tinh xa xôi, người ta cần năng lượng và tốc độ Đó là hai yêu cầu mà tàu thăm dò chạy bằng nhiên liệu hóa học hiện nay không thỏa mãn được Khắc phục điểm yếu này, các nhà khoa học Mỹ tính đến khả năng dùng phản vật chất làm nhiên liệu

Ông George Schmidt, tại Trung tâm bay của NASA ở Huntville (Mỹ), cho biết, một lượng rất nhỏ phản vật chất (khoảng 1 gam) cũng đủ để thay thế toàn bộ số nhiên liệu hóa học dùng cho tàu con thoi hiện nay Và hệ thống đẩy dùng phản vật chất có thể giúp tàu thăm dò rút ngắn thời gian khứ hồi tới sao Hỏa, từ hai năm xuống còn vài tuần

Vật chất - phản vật chất

Vật chất là những gì tràn ngập trong vũ trụ, chúng ta có thể nhìn thấy hoặc đo đạc được Chúng được tạo thành từ các hạt như nguyên tử, proton, neutron, electron Theo các nhàvật lý, với mỗi hạt vật chất, đều có một hạt trái ngược với nó - phản hạt

Phản hạt là cái rất giống hạt, nhưng ngược lại với hạt Ví dụ antiproton có khối lượng và kích cỡ giống hệt proton, nhưng lại mang điện tích trái dấu với nó Khi một hạt gặp phản hạt của nó, chúng sẽ tự hủy lẫn nhau và giải phóng một năng lượng lớn "Năng lượng thu được từ phản ứng hạt - phản hạt lớn gấp 10 tỷ lần năng lượng từ một phản ứng cháy hóa học của hai hạt có khối lượng tương đương", Schmidt nói

Mô hình động cơ phản hạt

của các kỹ sư Mỹ.

Quá trình sản xuất phản hạt rất khó khăn và tốn kém Trung tâm phản hạt lớn nhất thế giới - Phòng thí nghiệm Fermi ở Illinois (Mỹ) - chỉ sản xuất được một phần tỷ gam phản hạt mỗi năm, với giá 80 triệu USD Có nghĩa là, người ta cần 1 triệu năm và 80.000 tỷ USD để sản xuất ra 1 gam phản hạt Có điều, để bay đến ngôi sao gần nhất, một tàu thăm

dò sẽ cần đến vài cân phản hạt!

Ông Stephen Holmes, giám đốc Phòng thí nghiệm Fermi, nói: "Ý tưởng dùng phản hạt còn ở giai đoạn manh nha Mới chỉ là những nguyên tắc lý thuyết Nó không phải là côngnghệ có thể thực thi trong 20-30 năm nữa mà là công nghệ của tương lai xa"

Tạo được phản vật chất

Lần đầu tiên các nhà khoa học Mỹ đã tạo được phản vật chất dưới dạng các phản nguyên tử hydro Các phản hạt này - đến nay mới chỉ tồn tại trên lý thuyết - là những dạng thức cơ bản cấu thành phản vũ trụ.

Theo mô hình được chấp nhận rộng rãi của vật lý hạt, thì tất cả các hạt đều có phản hạt Phản hạt nhìn giống hệt hạt, có cùng cùng khối lượng với hạt, nhưng ngược về dấu (điện, từ) Nếu hạt gặp phản hạt, cả hai sẽ biến mất và giải phóng năng lượng theo phương trình của Einstein:

E = mc 2

trong đó: m là tổng khối lượng của hạt và phản hạt, c là tốc độ ánh sáng.

Từ lâu, các nhà khoa học đã luôn tìm cách khống chế năng lượng khổng lồ này Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất vẫn là làm thế nào để tạo ra và lưu giữ phản hạt Năm 1996, tại Phòng thí nghiệm Fermi, Chicago (Mỹ), người ta đã tạo ra 7 phản nguyên tử hydro trong một máy gia tốc hạt Có điều các hạt này tồn tại trong thời gian quá ngắn ngủi, lại chuyểnđộng với tốc độ sát gần ánh sáng, nên không thể lưu giữ để nghiên cứu

Nay, nhóm khoa học ở Phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu (CERN) thông báo rằng họ

đã tạo ra và lưu giữ được hàng nghìn phản nguyên tử trong một hộp giữ hạt (particle trap)

Nhóm khoa học đã tạo ra các antiproton bằng cách bắn phá các hạt trong máy gia tốc Sau đó, họ dùng một từ trường mạnh để giữ các hạt này Tiếp theo, nhóm khoa học bắn vào máy gia tốc một chùm antielectron Dưới tác dụng của một điện trường, antiproton đãkết hợp với antielectron để tạo thành các phản nguyên tử hydro trung tính

Hiện nhóm khoa học chưa xác định được chính xác tổng số phản nguyên tử hydro trong máy gia tốc Theo phỏng đoán, con số này có lẽ cũng chỉ là vài nghìn, và nếu chúng gặp các nguyên tử hydro rồi giải phóng năng lượng, thì năng lượng này cũng không đủ để hâm nóng một ly cà phê Tuy nhiên, đây vẫn là một thành tựu quan trọng, tạo tiền đề cho việc sản xuất phản hạt ở quy mô lớn hơn

Mô phỏng ranh giới của các

vũ trụ và phản vũ trụ.

Thực hiện được thí nghiệm đầu tiên với phản vật chất

Phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu (CERN) thông báo, họ mới tạo được các phản nguyên tử hydro ở số lượng lớn và thực hiện được các

đo đạc đầu tiên với loại phản hạt này Đây là bước tiến lớn trong việc tìm hiểu phản vật chất, nhằm giải thích "mặt thứ hai của thế giới"

Từ lâu các nhà khoa học đã biết rằng, vũ trụ có vật chất và phản vật chất Ở cấp độ nguyên tử, mỗi loại hạt đều có các phản hạt: proton - antiproton, neutron - antineutron, electron - antielectron (hay còn gọi là positron) Chúng ta có thể tưởng tượng, hạt và phản hạt là hai thứ giống hệt nhau về hình dạng và khối lượng, nhưng lại ngược nhau về dấu (điện trường hoặc từ trường) Khi một hạt gặp phản hạt của nó, thì cả hai sẽ biến mất

Theo lý thuyết, sau Big Bang, vũ trụ phải được sinh ra cùng với vật chất và phản vật chất

Vì thế, lâu nay các nhà khoa học không giải thích được tại sao chúng ta chỉ thấy vật chất chứ không tìm thấy phản vật chất trong tự nhiên Phải chăng, ngay từ đầu vũ trụ đã được sinh ra với nhiều vật chất hơn hẳn phản vật chất, nên sau đó, tất cả phản vật chất đã bị triệt tiêu để chỉ còn lại vật chất mà thôi?

Nay, lần đầu tiên CERN đã tạo ra được một lượng lớn các phản nguyên tử hydro trong máy gia tốc Ở môi trường nhiệt độ cực thấp (gần sát điểm 0 tuyệt đối), các nhà vật lý đã kết hợp các antiproton với các positron (phản electron) để tạo ra những phản nguyên tử hydro

Sau đó, các phản nguyên tử này được dẫn qua một điện trường cực mạnh Điện trường này đã phân tách chúng ngược trở lại thành antiproton và positron Nhờ một máy đếm cáchạt antiproton (tích điện âm), người ta xác định được chính xác số lượng các phản

nguyên tử hydro đã được tạo ra trước đó

Thí nghiệm lần này có tên là ATRAP Nó là bước tiếp nối của thí nghiệm ATHENA (được thực hiện tháng 9 vừa qua) Lần đó, các nhà vật lý đã tạo ra được 50.000 phản nguyên tử hydro Tuy nhiên, họ không thực hiện được các phép đo với chúng Thí

nghiệm cũng có những đột phá lớn, vì người ta đã đo được mức năng lượng của

antiproton và positron trong phản nguyên tử hydro

Kết quả của các phép đo ấy là: Positron chuyển động trên quỹ đạo khá xa tâm antiproton,

và toàn bộ hệ thống này tồn tại hết sức không bền vững Các trạng thái tương tự cũng có thể tìm thấy ở các nguyên tử hydro tại khí quyển của các ngôi sao mới

Trong thời gian tới, CERN dự định sẽ tạo ra các thiết bị cho phép giữ các phản hạt ở nhiệt độ thấp hơn nữa (có lẽ chỉ vài phần tỷ độ trên mức 0 tuyệt đối), để các positron có thể gắn kết bền vững hơn với antiproton Chỉ có cách này, người ta mới hy vọng sẽ tiến hành được những phép đo chính xác hơn nữa, nhằm giải đáp được bí mật của phản vật chất

Nếu hiểu bản chất của

phản hạt, người ta có thể

hiểu được trạng thái ban

đầu của Big Bang.

Lực cơ bản

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Lực cơ bản là các loại lực của tự nhiên mà tất cả mọi lực, khi xét chi tiết, đều quy về các loại lực này

Trong cơ học cổ điển, lực cơ bản là các lực không bao giờ biến mất dưới phép biến đổi hệquy chiếu Trong cơ học cổ điển cũng tồn tại lực quán tính không thể quy về các lực cơ bản Tuy nhiên loại lực này được coi là "lực ảo", do luôn tìm được hệ quy chiếu mà lực này biến mất (gọi là hệ quy chiếu quán tính)

Mô hình vật lý hiện đại cho thấy có bốn loại lực cơ bản trong tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu

Trong cuộc sống hằng ngày, các lực mà chúng ta hay bắt gặp đều chủ yếu có nguồn gốc

từ lực điện từ; ngoại trừ lực hấp dẫn từ Trái Đất Ví dụ như các lực khi có va chạm cơ họcgiữa các vật thể thông dụng đều quy về lực tương tác giữa các phân tử hay nguyên tử, cụ thể là lực điện từ giữa hạt nhân và electron của chúng Lực cơ học này bao gồm phản lực

giữa các vật rắn, lực đẩy Acsimét trong các chất lỏng và chất khí, lực ma sát giữa các bề mặt, lực nâng cánh máy bay trong khí động lực học, sức căng bề mặt hay các lực điện từ thể hiện ở mức độ phân tử Các phản ứng hóa học cũng được điều khiển bởi lực điện từ, như khi chúng tạo ra lực đẩy trong động cơ đốt trong Các đồ điện, như động cơ điện, hiển nhiên sử dụng theo phương thức trực tiếp lực điện từ



Lực hấp dẫn

B i chi ti ài chi ti ết: ự L c h ấ p d ẫ n

Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, hình thành ở thang đo lớn,hay thang thiên văn học Lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng là m1 và m2, có kích

thước rất nhỏ so với khoảng cách, r, giữa chúng, được tính theo định luật vạn vật hấp dẫnNewton:

với G ≈ 6,67 x 10-11Nm2 kg2 và được gọi là hằng số hấp dẫn

Lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút và xảy ra ở đường nối tâm của 2 vật với nhau Lực hấp dẫn của hai vật có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng nhau, tuân theo đúng định luật thứ 3 của Newton Theo các nhà vật lý hạt thì có một hạt mang tên là graviton, hay hạt truyền tương tác của lực hấp dẫn.

Lực hấp dẫn có dạng gần giống với lực Coulomb áp dụng cho các điện tích, vì chúng đều tuân theo luật nghịch đảo bình phương khoảng cách Điều này đã gợi ra cho Albert Einstein những ý tưởng đầu tiên về việc thống nhất lực hấp dẫn và lực điện từ; tuy nhiên kết quả đã không thành công Về sau, ở thập niên 1960, người ta đã thống nhất được 3 lực còn lại, được biểu diễn ở trong điện-yếu thống nhất (electroweak unification), đây là

sự kết hợp của lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu vào làm một

Ngày nay, các nhà vật lý nhận thấy rằng lực hấp dẫn và lực điện từ có một điểm chung và

cả hai đều xuất hiện bởi sự có mặt của các hạt truyền tương tác với khối lượng bằng 0 Điều này mở những hướng nghiên cứu mới để thống nhất 4 lực của tự nhiên vào một dạng duy nhất

Lực điện từ

B i chi ti ài chi ti ết: ự L c đ i ệ n t ừ

Lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên Nó cũng là sự kết hợp của lực điện

(còn gọi là lực Coulomb với các điện tích điểm đứng yên) và lực từ (sinh ra bởi các hạt mang điện tích khi di chuyển) Về cơ bản, cả lực điện và lực từ đều được miêu tả dưới dạng một lực truyền với sự có mặt của hạt truyền tương tác là quang tử

Quá trình lượng tử hóa lực điện từ được miêu tả trong thuyết điện động lực học lượng tử, hay còn gọi là thuyết QED Lực điện từ là một lực có biên độ vô hạn, nó tuân thủ theo luật nghịch đảo bình phương khoảng cách giống như lực hấp dẫn

Lực điện từ tồn tại giữa các hạt mang điện tích như electron hay quark, và có độ lớn khoảng 1042 lần so với lực hấp dẫn Có hai loại điện tích là điện tích âm và điện tích dương, hai hạt cùng điện tích sẽ đẩy nhau và ngược điện tích sẽ hút nhau Trái đất, mặt trời, các hành tinh chứa cùng một lượng hạt điện tích âm và điện tích dương, do đó chúng trung hoà và không có lực điện từ

Lực điện từ giữa electron và proton là lý do để cho electron nằm trên quỹ đạo của hạt nhân

Lực tương tác mạnh

Bài chính: Lực tương tác mạnh

Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên Lực này giữ các thành phần của hạt nhân của nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton

Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon, cũng như các boson truyền tương tác của chúng Thành phần cơ bản giữ các quark lại với nhau để hình thành các

hadron như proton và neutron Thành phần dư giữ các hadron lại trong hạt nhân của một

nguyên tử Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson.Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lơ" Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên

hệ gì với màu thực tế Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lơ" Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau Lực hút giữa hạt màu và hạt đối màu của nó là rấtmạnh Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thểhoặc được kết hợp với đối đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon, proton và neutron, hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu (như hạt meson)

Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon

Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai quark là hai vận động viên Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0 Có 8 loại gluon khác nhau, mỗi loại mang một màu điện tích và một đối màu điện tích (có 3 loại màu, nhưng do có sự trung hòa giống như đỏ + xanh + vàng = trắng ngoài tự nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa chúng)

Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn Nếu một quark đỏ bị hút bởi một quark xanh lam trong một baryon, một gluon mang đối xanh lam và đỏ được giải phóng từ quark đỏ và hấp thụ bởi quark xanh lam, và kết quả, quark đầu tiên chuyển sang quark xanh lam và quark thứ hai chuyển sang quark đỏ (tổng màu điện tích vẫn là xanh lam + đỏ) Nếu một quark xanh

lơ và một đối xanh lơ quark tuơng tác với nhau trong một meson, một gulon mang, ví dụ như đối đỏ và xanh lơ sẽ được giải phóng bởi quark xanh lơ và hấp thụ bởi một đối xanh

lơ quark, và kết quả, quark xanh lơ chuyển sang màu đỏ và đối xanh lơ đối quark chuyển sang màu đỏ (tổng màu điện tích vẫn là 0) Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi một gluon mang điện tích màu xanh lam và đối xanh lam, các quark vẫn dữ nguyên điện tích màu xanh lam

Hiện tượng không thể tách rời các quark xa nhau gọi là hiện tượng giam hãm

(confinement) Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không tồn tại lực tương tác mạnh và trỏ thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự do tiệm cận và có thể được giải thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như trên

[Lực tương tác yếu

Bài chính: Lực tương tác yếu

Lực tương tác yếu xảy ra ở mọi hạt cơ bản trừ các hạt proton và gluons, ở đó có sự trao

đổi của các hạt truyền tương tác là vector W boson và Z boson

Lực tương tác yếu xảy ra ở một biên độ rất ngắn, bởi vì khối lượng của những hạt W boson và Z boson vào khoảng 80 GeV, nguyên lý bất định bức chế chúng trong một khoảng không là 10 − 18 m, kích thước này chỉ nhỏ bằng 0,1% so với đường kính của

proton Trong điều kiện bình thường, các hiệu ứng của chúng là rất nhỏ Có một số định luật bảo toàn hợp lệ với lực tương tác mạnh và lực điện từ, nhưng lại bị phá vỡ bởi lực tương tác yếu Mặc dầu có biên độ và hiệu xuất thấp, nhưng lực tương tác yếu lại có một vai trò quan trọng trong việc hợp thành thế giới mà trong ta quan sát

Lực tương tác yếu chuyển đổi một hương quark sang một hương khác Nó có vị trí quan trọng trong cấu trúc vũ trụ của chúng ta, bởi vì:

 Mặt trời sẽ không chiếu sáng nếu không có lực tương tác yếu bởi

vì sự chuyển đổi từ proton sang neutron, ở đó deuterium, nguyên tố đồng vị của hidro được tạo ra v t à c ạo ra phản ứng hidro, với nguồn năng lượng giải phóng cực lớn

 L c à c ần thiết cho việc tạo nên khối lượng rất lớn của hạt nhân

Việc khám phá ra vector boson W và Z vào năm 1983 đã là một bằng chứng xác thực ủng

hộ lý thuyết gộp lực tương tác yếu và lực điện từ vào một thể là điện - yếu thống nhất

Lý thuyết tương đối

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Phương trình nổi tiếng của Einstein

Lý thuyết tương đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng Các lý thuyết này được hình thành khi người ta quan sát thấy bức xạ điện từ chuyển động với vận tốc không đổi trong chân không (vận tốc ánh sáng) trong mọi hệ quy chiếu, không tuân theo các quy luật trong cơ học cổ điển của

Isaac Newton Ý tưởng cơ bản trong hai lý thuyết để giải thích hiện tượng trên là: khi hai người chuyển động tương đối với nhau, họ sẽ đo được những khoảng thời gian và khoảngcách khác nhau giữa cùng những sự kiện, tuy nhiên các định luật vật lý vẫn hiện ra giống nhau đối với cả hai người

Thuyết tương đối hẹp

E = mc2

Xin xem thêm b i ài chi ti thuy ế t t ươ ng đố i h ẹ p

Bài báo của Einstein vào năm 1905, Zur Elektrodynamik bewegter Körper ("Về điện động lực học của các vật thể chuyển động"), đã giới thiệu thuyết tương đối hẹp Thuyết tương đối hẹp dựa trên một tiên đề duy nhất: "mọi định luật vật lý là giống nhau trong mọi hệ quy chiếuquán tính (tức là những hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc không đổi so với nhau)" Do các định luật vật lý giống nhau, mọi người nằm trong một hệ quy chiếu quán tính không thể làm bất cứ thí nghiệm vật lý nào để xác định trạng thái chuyển động của mình

Phát biểu ban đầu, Einstein còn đề cập "tiên đề thứ hai" được phát biểu là: "ánh sáng luônchuyển động trong chân không với vận tốc không đổi" Tuy nhiên, đây chỉ là hệ quả của tiên đề phát biểu ở trên khi công nhận lý thuyết điện từ Theo tiên đề trên, lý thuyết điện

từ, một lý thuyết đưa ra công thức tính vận tốc ánh sáng từ các hằng số (xem bài vận tốc ánh sáng), là không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính Vậy hiển nhiên vận tốc ánh sáng, kết quả của lý thuyết điện từ, cũng không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính

Thuyết tương đối rộng

Xin xem thêm b i ài chi ti thuy ế t t ươ ng đố i r ộ ng

Thuyết tương đối rộng được Einstein công bố vào năm 1916 (trước đó đã nằm trong loạt bài giảng tại Viện Khoa học Phổ 25 tháng 11 năm 1915) Tuy nhiên, nhà toán họcngười ĐứcDavid Hilbert đã viết và công bố các phương trình hiệp biến trước Einstein Có nhiều lý do cả Einstein và Hilbert được xem như đồng phát minh ra thuyết tương đối rộng Lý thuyết này giới thiệu các phương trình thay cho định luật vạn vật hấp dẫn của Newton Nó sử dụng hình học vi phân và tenxo để mô tả trọng trường

Lý thuyết này cũng dựa trên một tiên đề duy nhất: "mọi định luật vật lý là giống nhau trong mọi hệ quy chiếu (gồm cả những hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc thay đổi so

với nhau)" Trong lý thuyết này, trọng lực không tồn tại như lực riêng (như theo quan niệm của Newton), mà chẳng qua là lực quán tính, hay khái quát hơn là hệ quả của độ cong trong không-thời gian Về mặt trực quan, cảm giác về lực hấp dẫn khi ngồi trên mặt đất giống cảm giác lúc trong thang máy đi lên (hoặc tương tự trong xe khi đang tăng tốc/giảm tốc) Lý thuyết tương đối rộng đã dẫn đến một kết quả là mọi vật chất (hay khối lượng hay năng lượng) đều làm cong không-thời gian, và độ cong này tác động đến

đường rơi tự do của các vật chất khác (kể cả đường đi của ánh sáng)

Hiện tượng vật chất bẻ cong đường đi ánh sáng đã được kiểm chứng lần đầu tiên đối với

Mặt Trời (nơi tập trung nhiều vật chất nhất trong Hệ Mặt Trời) Trong vũ trụ, đã quan sát thấy có nơi (ví dụ ở gần trung tâm các thiên hà) tập trung nhiều vật chất đến mức ánh sáng đến gần bị hút vào và không ra được nữa, gọi là các lỗ đen vì chúng không phát ra ánh sáng (hay không cho phép ánh sáng thoát ra)

Hố đen

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

(đổi hướng từ L ỗ đ en )

Bước tới: menu, tìm ki ế m

Hình minh họa một hố đen cùng với bạn đồng h nh c à c ủa nó chuyển động gần nhau đến mức khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn gi ớ i h ạ n Roche Vật chất của ngôi sao gần đó bị hố đen nuốt tạo nên một vòng cung vật chất, một lượng vật chất năng lượng cao được phóng ra ở hai cực.

Hình dung một hố đen phía trước Ngân H , n à c ặng khoảng 10 lần Mặt Trời, nhìn từ cách 600 năm ánh sáng

chuẩn tinh nằm ở hố đen.

Hố đen, hay lỗ đen, là một vùng trong không gian có trường hấp dẫn lớn đến mức lực hấp dẫn của nó không để cho bất cứ một dạng vật chất nào, kể cả ánh sáng thoát ra khỏi mặt biên của nó (chân trời sự kiện), trừ khả năng thất thoát vật chất khỏi lỗ đen nhờ hiệu ứng đường hầm lượng tử Vật chất muốn thoát khỏi lỗ đen phải có vận tốc thoát lớn hơn

vận tốc ánh sáng trong chân không, mà điều đó không thể xảy ra trong khuôn khổ của lý thuyết tương đối, ở đó vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc giới hạn lớn nhất có thể đạt được của mọi dạng vật chất

Khái niệm lỗ "đen" trở thành thông dụng vì từ đó ánh sáng không lọt được ra ngoài, nhưng thực ra lí thuyết về hố đen không nói về một loại "hố" nào mà nghiên cứu về những vùng mà không có gì có thể lọt ra được Hố đen không biểu hiện như những ngôi

sao sáng bình thường, mà chúng chỉ được quan sát gián tiếp qua sự tương tác trường hấp dẫn của hố đen đối với không gian xung quanh.

Lý thuyết về hố đen là một trong những lý thuyết vật lí hiếm hoi, bao trùm mọi thang đo

khoảng cách, từ kích thước cực nhỏ (thang Planck) đến các khoảng cách vũ trụ rất lớn, nhờ đó nó có thể kiểm chứng cùng lúc cả thuyết lượng tử lẫn thuyết tương đối Sự tồn tại của hố đen được dự đoán bởi lý thuyết tương đối rộng Theo mô hình thuyết tương đối rộng cổ điển, không một vật chất hay thông tin nào có thể thoát ra khỏi hố đen để tới tầm quan sát bên ngoài được Tuy nhiên, các hiệu ứng của cơ học lượng tử, không có trong thuyết tương đối rộng cổ điển, có thể cho phép vật chất và năng lượngbức xạ ra khỏi hố đen Một số lý thuyết cho rằng bản chất tự nhiên của bức xạ không phụ thuộc vào những thứ đã rơi vào trong hố đen trong quá khứ, nói cách khác hố đen xóa sạch mọi thông tin quá khứ, hiện tượng này được gọi là nghịch lý thông tin hố đen Nghịch lý này dần bị các

lý thuyết mới đây loại bỏ và cho rằng thông tin vẫn được bảo toàn trong hố đen

Từ năm 1964, khi ngôi sao "tàng hình" Cygnus X-1 của một hệ sao đôi nằm cách Trái Đất 8.000 ly trong chòm sao Thiên Nga được coi là ứng cử viên đầu tiên, chứng minh cho sự tồn tại của hố đen, các hố đen khác không chỉ được phát hiện trong Ngân Hà mà còn ở nhiều thiên thể khác Hố đen không chỉ là những "xác chết" của những sao có khối lượng lớn hơn 1,4 M , khi chúng bùng nổ thành các siêu tân tinh trong phạm vi các

thiên hà, mà hiện nay nhiều ý kiến cho rằng, tất cả các thiên hà đều chứa một hố đen siêu lớn trong vùng nhân

Lịch sử

Khái niệm một vật thể nặng đến độ ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi vật đó đãđược một nhà khoa họcngười AnhJohn Michell đưa ra vào năm 1783 trên một bài báo khoa học đăng trên tạp chí của Viện hàn lâm Hoàng gia Anh Quốc Lúc bấy giờ, lý thuyết

cơ học cổ điển của Isaac Newton về hấp dẫn và khái niệm vận tốc thoát đã được biết Michell đã tính rằng, một vật thể có bán kính gấp 500 lần Mặt Trời và có mật độ bằng mật độ Mặt Trời thì vận tốc thoát ở bề mặt của nó bằng vận tốc ánh sáng, và do đó không

ai có thể nhìn thấy nó

Mặc dù ông nghĩ rằng điều đó rất khó xảy ra nhưng vẫn nghiên cứu khả năng rất nhiều các vật thể như thế không thể được quan sát trong vũ trụ.

Năm 1796, một nhà toán họcngười PhápPierre-Simon Laplace cũng đưa ra ý tưởng tương tự trong lần xuất bản thứ nhất và thứ hai của cuốn sách của ông, nhưng trong các lần xuất bản sau thì không đưa vào nữa Trong suốt thế kỷ thứ 19, ý tưởng đó không gây chú ý vì người ta cho rằng ánh sáng là sóng nên không có khối lượng, và do đó không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn

Năm 1915, Einstein đưa ra một lý thuyết hấp dẫn gọi là lý thuyết tương đối rộng Trước

đó ông đã cho thấy ánh sáng bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn Mấy tháng sau, Karl

Schwarzschild đã đưa ra nghiệm cho trường hấp dẫn của một khối lượng điểm và tiên đoán về lý thuyết sự tồn tại của một vật thể mà ngày nay được gọi là hố đen Ngày nay,

bán kính Schwarzschild được coi là bán kính của một hố đen không quay, nhưng vào lúc bấy giờ người ta không hiểu rõ về nó Bản thân Schwarzschild cũng từng nghĩ rằng nó không có ý nghĩa vật lý

Vào những năm 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar đã đưa ra tính toán cho thấy rằng một vật thể không quay có khối lượng lớn hơn một giá trị nhất định mà ngày nay được biết là giới hạn Chandrasekhar, sẽ suy sập dưới lực hấp dẫn của chính nó và không có gì

có thể cản trở quá trình đó diễn ra Tuy nhiên, một nhà vật lý khác là Arthur Eddington

chống lại giả thuyết đó và cho rằng chắc chắn sẽ có cái gì đó xảy ra để không cho vật chất suy sụp đến mật độ vô hạn

Năm 1939, Robert Oppenheimer và H Snyder tiên đoán rằng các ngôi sao nặng sẽ phải chịu quá trình suy sập do hấp dẫn Các hố đen có thể hình thành trong tự nhiên Trong một thời gian, người ta gọi các vật thể như vậy là các "ngôi sao bị đóng băng" vì sự suy sập sẽ bị chậm đi một cách nhanh chóng và ngôi sao sẽ trở nên rất đỏ khi đạt đến gần giớihạn Schwarzschild Tuy vậy, các vật thể nặng như thế không được quan tâm lắm cho đến cuối những năm 1960 Phần lớn các nhà vật lý, vào lúc đó, tin rằng hố đen là một nghiệmđối xứng cao đặc biệt do Schwarzschild tìm ra, và các vật thể bị suy sập trong tự nhiên sẽ không tạo nên các hố đen

Việc nghiên cứu về hố đen trở nên sôi nổi vào năm 1967 do sự tiến bộ của lý thuyết và thực nghiệm Stephen Hawking và Roger Penrose đã chứng minh rằng các hố đen là các nghiệm tổng quát của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, và sự suy sập để tạo nên hố đen, trong một số trường hợp, là không thể tránh được Sự quan tâm đến lĩnh vực này còn được khởi phát từ việc tìm ra sao pulsar Ngay sau đó, nhà vật lý John Wheeler đã sử dụng từ "hố đen" để chỉ các vật thể sau khi bị suy sập đến mật độ vô hạn mặc dù trước đómột thời gian, từ "ngôi sao đen" thỉnh thoảng được sử dụng

Các khái niệm

Nghiên cứu hố đen yêu cầu các kiến thức về lý thuyết tương đối rộng của không-thời gian

cong: tính chất đặc biệt nhất là sự biến dạng của không-thời gian xung quanh các hố đen

Chân trời sự kiện

Nguồn tia X Cygnus X-1 được nhiều người cho rằng nó có thể l m à c ột hố đen có khối lượng bằng 10 lần khối lượng M ặ t Tr ờ i quay xung quanh một ngôi sao k ề nh xanh

"Bề mặt" của hố đen được gọi là chân trời sự kiện, đó là một bề mặt ảo xung quanh hố đen Stephen Hawking đã sử dụng định lý Gauss-Bonnet để chứng minh rằng hình họctô

pô của chân trời sự kiện của một hố đen (bốn chiều) là một hình cầu Tại chân trời sự kiện, vận tốc thoát chính bằng vận tốc ánh sáng Do đó, bất kỳ vật gì, kể cả quang tử

(photon) bên trong chân trời sự kiện đều không thể thoát khỏi chân trời sự kiện đó vì trường hấp dẫn quá mạnh của hố đen Các hạt bị rơi vào hố đen sẽ không thể thoát ra được

Theo lý thuyết tương đối rộng cổ điển, các hố đen có thể hoàn toàn được đặc trưng bởi bathông số: khối lượng, mô men động lượng và điện tích Nguyên lý này đã được John Wheeler tóm tắt trong câu nói "hố đen không có tóc".

Các vật thể chuyển động trong trường hấp dẫn thì thời gian sẽ bị chậm đi được gọi là sự giãn nở của thời gian Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong một thí nghiệm phóng tên lửa do thám vào năm 1976[1], và được tính đến trong Hệ thống định

vị toàn cầu (GPS) Gần chân trời sự kiện, sự giãn nở thời gian xảy ra rất nhanh Đối với một người quan sát từ bên ngoài thì họ sẽ đợi một khoảng thời gian vô tận để quan sát vậtthể khi vật thể đến gần chân trời sự kiện vì ánh sáng từ vật thể bị dịch chuyển vô hạn về phía đỏ

vận tốc ánh sáng, tuy vậy, vẫn còn một xác suất lý thuyết để vật thể có thể thoát ra giống như kéo vật thể ra ngoài bằng một sợi dây Lý thuyết tương đối rộng loại bỏ những kẽ hở

(loophole) như thế này vì vật thể nằm trong chân trời sự kiện thì thời gian tuyến sẽ có một điểm kết cho bản thân thời gian, và không thể có được vũ trụ tuyến khả dĩ mà có thể thoát ra khỏi hố đen được

Người ta tin rằng những tiến triển hoặc khái quát hóa lý thuyết tương đối rộng trong tương lai (đặc biệt là hấp dẫn lượng tử) sẽ làm thay đổi suy nghĩ của chúng ta về phần bên trong của hố đen Phần lớn các nhà lý thuyết đều giải thích điểm kỳ dị về toán học của các phương trình là dấu hiệu cho thấy lý thuyết hiện hành là không hoàn thiện, và rằng các hiện tượng mới sẽ được phát hiện khi ta tiến gần đến điểm kỳ dị Câu hỏi này có thể rất hàn lâm vì giả thuyết giám sát vũ trụ đòi hỏi không thể có mặt các điểm kỳ dị trần trụi trong lý thuyết tương đối rộng: mỗi điểm kỳ dị phải nấp sau chân trời sự kiện và không thể bị khám phá

Một trường phái tư tưởng khác cho rằng chẳng có điểm kỳ dị nào cả, bởi vì, các lực giốngnhư lực gây ra thủy triều sẽ làm giảm mật độ vật chất khi nó đi xuyên qua chân trời sự kiện Nếu một nhà du hành vũ

trụ lỡ để chân của anh ta rơi vào

hố đen thì các lực thủy triều dọc

theo bán kính sẽ kéo đầu và

chân của anh ta theo hai hướng

ngược nhau và do đó, sẽ làm

giảm mật độ (tức là tăng thể

tích) trong khi đó thì lực thủy

triều tại một bán kính không đổi

có xu hướng kéo hai tay anh ta

lại với nhau khi bán kính hội tụ,

làm gia tăng mật độ (giảm thể

tích) Tuy nhiên, tại chân trời sự

kiện, bán kính đó lại song song

với nhau trong giản đồ nhúng

(giản đồ để hình dung nghiệm

Schwarzschild trong không gian

Euclide), không hội tụ, do đó,

mật độ vật chất sẽ giảm và làm

dừng quá trình suy sập hấp dẫn

Đi vào một hố đen

Ảnh hưởng của trường hấp dẫn

của hố đen có thể xác định từ lý

thuyết tương đối Khi một vật

thể tiến lại gần tâm của hố đen

không quay (hố đen Schwarzschild) thì người quan sát từ xa sẽ thấy vật thể đó tiến đến chân trời sự kiện một cách chậm dần vì một quang tử từ vật thể đó phải mất một thời gian

Ở khoảng cách đủ xa, các hạt có thể di chuyển tự do theo mọi hướng.

Gần giới hạn chân trời sự kiện, không-thời gian bị uốn cong, các hạt có xu hướng chuyển động về phía hố đen.

Phía trong chân trời sự kiện, các hạt đều chuyển động v o tâm h à c ố đen, không thể thoát được.[1]