Phan tich chuong Tu vi mo den vi mo

Độ trưng lớn có nghĩa rằng các ngôi sao có khối lượng lớn tiêu thụ năng lượng hạt nhân của chúng rất nhanh và có cuộc đời ngắn hơn nhiều so với Mặt Trời. Trong thực tế, các quá trình diễ[r]

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ -  -

NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 4

PHẦN NỘI DUNG 5

1 Đặc điểm của chương 5

2 Nhiệm vụ của chương 5

3 Cấu trúc của chương 5

3.2 Mặt trời Hệ mặt trời 5

3.3 Sao Thiên hà 5

3.4 Thuyết Big bag 5

4 Chuẩn kiến thức 5

5 Phân tích kiến thức của chương 5

5.1 Các khái niệm 5

5.1.1 Các hạt sơ cấp 5

5.1.2 Những đặc trưng của các hạt sơ cấp 6

5.1.3 Phân loại các loại hạt sơ cấp 11

5.1.4 Tương tác của các hạt sơ cấp 12

5.1.5 Các hạt Quark 15

5.1.6 Các leptôn 16

5.1.7 Sự thống nhất vĩ đại của các tương tác 17

5.2 Vũ trụ 19

5.3 Mặt trời 19

5.3.1 Khái niệm 19

5.3.2 Cấu trúc của Mặt Trời 20

5.3.3 Hoạt động của Mặt Trời 21

5.3.4 Năng lượng của Mặt Trời 22

5.3.5 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 23

5.3.6 Hiện tượng Nhật thực, Nguyệt thực 27

5.4 Hệ mặt trời 28

5.4.1 Định nghĩa 28

5.4.2 Sự hình thành hệ Mặt Trời 29

5.4.3 Gió Mặt Trời 30

5.4.4 Một số hành tinh trong hệ Mặt Trời 31

5.4.5 Hố đen 32

5.4.6 Trái Đất 35

5.4.7 Mặt Trăng - Vệ tinh của Trái Đất 37

5.5 Sao 43

5.5.1 Định nghĩa 43

5.5.2 Phân loại sao 43

5.5.3 Sự tiến hóa của các sao 46

5.5.4 Tuổi của các sao 47

5.6 Thiên Hà 48

5.6.1 Khái niệm 48

5.6.3 Sự tạo thành các thiên hà 49

5.6.4 Nhóm thiên hà 50

5.6.5 Tương tác giữa các thiên hà 51

5.6.6 Thiên hà của chúng ta 51

5.7 Thuyết Big bang (Vụ nổ lớn) 54

5.7.1 Lược sử thuyết vụ nổ lớn 55

5.7.2 Cơ sở lý thuyết 56

5.7.3 Bằng chứng thực nghiệm 57

5.7.4 Tương lai của thuyết Vụ nổ lớn 60

PHẦN KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã được biên soạnlại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy và học, đáp ứng yêu cầu đổimới giáo dục theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà Vì vậy việc nghiên cứucấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách thể hiện nội dung kiến thức trong sáchgiáo khoa vật lí là cần thiết, đặc biệt đối với những học viên cao học thuộc chuyênngành Phương pháp dạy học Vật lý Đây cũng là nhiệm vụ chính của học phần “Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông”

Trong vật lý các nghiên cứu thế giới vật chất xung quanh được hình thành tựnhiên theo hai xu hướng tưởng là trái ngược nhau: Thế giới ngày càng bé như nguyên

tử, hạt nhân và electron, proton, nơtron, quark được gọi là thế giới vi mô và thế giới vôcùng lớn như trái đất, mặt trăng, mặt trời, các vì sao, thiên hà và vũ trụ học được gọi làthế giới vĩ mô Giữa các hướng nghiên cứu này có sự liên hệ với nhau giúp ta khámphá và mô tả thế giới vật chất thống nhất và vô tận SGK 12 và SGK 12 nâng cao hiệnhành đã có một bước tiến mới là đưa thêm một chương "Từ vi mô đến vĩ mô" vớinhững nội dung kiến thức mới vào chương

Phạm vi nghiên cứu của tiểu luận này là chương “từ vi mô đến vĩ mô” trong sáchgiáo khoa Vật lí 12- nâng cao Trong đó chủ yếu tập trung đi sâu phân tích nội dungmột số kiến thức cơ bản được đưa ra trong hai bộ sách giáo khoa Vật lý

PHẦN NỘI DUNG

1 Đặc điểm của chương

Theo chương trình sách giáo khoa Vật lí 12- nâng cao, chương “từ vi mô đến vĩ mô” được đưa vào cuối chương trình Toàn chương gồm có 6 tiết trong đó 5 tiết lí

thuyết, 1 tiết bài tập

2 Nhiệm vụ của chương

Chương này giới thiệu một số nét khái quát về thế giới vô cùng bé (các hạt sơ

cấp, hạt quart), về thế giới vô cùng lớn (hệ mặt trời, thiên hà, vũ trụ) và thuyết Big

bang (vụ nổ lớn) nhằm giải đáp phần nào cho học sinh các câu hỏi có liên quan đến

các hiện tượng xảy ra trong thế giới đó

3 Cấu trúc của chương

Kiến trức trong chương được trình bày theo hệ thống dưới đây:

3.1 Các hạt sơ cấp

- Khái niệm hạt sơ cấp, một số đặc trưng của hạt sơ cấp

- Sự phân loại các hạt sơ cấp Tên một số hạt sơ cấp

- Khái niệm phản hạt, hạt quac và tương tác cơ bản giữa các hạt sơ cấp

3.2 Mặt trời Hệ mặt trời

- Cấu tạo hệ Mặt Trời, các thành phần cấu tạo hệ Mặt Trời

- Các đặc điểm chính của hệ Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng

3.3 Sao Thiên hà

- Phân biệt sao, hành tinh, thiên hà, nhóm thiên hà

- Sơ bộ phân biệt các loại thiên hà

- Một vài đặc điểm của Thiên Hà của chúng ta

- Một số nét khái quát về sự tiến hóa của các sao

3.4 Thuyết Big bag

- Các sự kiện dẫn đến sự ra đời của thuyết Big Bang

- Những nội dung chính của thuyết Big Bang

4 Chuẩn kiến thức

- Nêu được khái niệm hạt sơ cấp, các đặc trưng cơ bản

- Nêu tên một số hạt sơ cấp, phân loại

- Nêu được khái niệm phản hạt

- Nêu được sơ lược về cấu tạo hệ Mặt trời

- Nêu được khái niệm về sao, thiên hà

- Nêu được những nét sơ lượt về thuyết Big-Bang

5 Phân tích kiến thức của chương

được gọi là các hạt sơ cấp Nói chung các hạt sơ cấp có kích thước và khối lượng nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử [3].

5.1.2 Những đặc trưng của các hạt sơ cấp

Các hạt sơ cấp đều có khối lượng tĩnh khác không, trừ phôtôn (γ) có khối lượngtĩnh bằng không và nitrơno (ν) có khối lượng tĩnh coi như bằng không (khi nói khốilượng của một hạt ta hiểu là khối lượng tĩnh) - khối lượng các hạt sơ cấp thường tính

ra đơn vị bằng khối lượng êlectrôn (me) hay tính ra MeV/c2 Ví dụ :

Khối lượng mêdôn

π0 = (264,2 ± 0,1)me = (135,01 ± 0,05)MeV/c2

Khối lượng prôtôn

p = (1836,09 ± 0,01)me = (928,256 ± 0,005)MeV/c2

1 Thời gian sống và thời gian phản ứng phân rã

Cho đến nay trong số các hạt sơ cấp, người ta chỉ thấy có một số ít hạt bền là:phôtôn γ, nitrơno ν, e+, e-, proton p (bền nghĩa là thời gian sống rất lớn, có thể coi như

vô cùng) còn các hạt sơ cấp khác chỉ sống một thời gian rồi phân rã thành những hạtkhác Ví dụ : nơtrôn (n) có thời gian sống : (1013 ± 26)s và phân rã theo phản ứng :

4 Đối hạt

Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng mỗi hạt sơ cấp đều có đối hạt tươngứng Đối hạt có cùng khối lượng, thời gian sống, spin, nhưng có điện tích, mômen từngược dấu với hạt

Ví dụ : đối hạt của e- là e+ có cùng khối lượng, thời gian sống, spin như e- nhưng cóđiện tích ngược dấu, đối hạt của p là p, của n là n, của π+ là π- Đặc biệt có hai hạttrùng với đối hạt của chúng là phôtôn và medôn π0

hypêrôn Y có khối lượng lớn hơn nuclôn : lămđa (Λ0), xígma (Σ+, Σ0, Σ-), ômêga (Ω-).Người ta gọi chúng là các hạt lạ vì chúng có hai đặc điểm sau đây:

a Chúng sinh ra trong những quá trình rất nhanh (thời gian xảy ra quá trình ≈ 10-23s)

và phân rã trong những quá trình chậm (≈ 10-8s)

b Bao giờ cũng sinh ra đồng thời hai ba hạt lạ nhưng không giờ chỉ sinh lẻ loi một hạt

lạ hay vài hạt lạ cùng loại Ví dụ có thể xảy ra các phản ứng

định luật sau đây gọi là định luật bảo toàn số lạ: Trong các quá trình sinh hạt lạ, tổng

(đại số) số lạ của hệ được bảo toàn (ΔS = 0) Dễ dàng thấy tổng số lạ :

Ở hai vế của (*) là :

0 = -1 + 1 ; (ΔS = 0)

Ở hai vế của (**) là :

0 = -1 + 1 ; (ΔS = 0)

Nhờ định luật bảo toàn số lạ, ta giải thích được tại sao không xảy ra các quá trình ('),(").

Ví dụ: p + p →p + Σ+ + K0

Λ0 → p + π-

π- + p → K0 + Λ0

Để mô tả quá trình bariôn tham gia người ta đưa ra một số lượng tử mới gọi là

số bariôn B: số bariôn B của các hạt bariôn (ρ, n, Λ, Σ) đều bằng 1, các đối hạt củachúng đều bằng -1 Và các qui trình trên được giải thích bằng định luật sau đây gọi là

định luật bảo toàn số bariôn Trong các quá trình biến đổi , tổng số (đại số) bariôn của hệ không đổi (ΔB = 0) [1].

7 Spin đồng vị

Ta biết rằng tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân có một đặc tính là khôngphụ thuộc vào điện tích Cụ thể tương tác giữa p - p, n - n, p - n là như nhau Nói cáchkhác, trong tương tác hạt nhân hai hạt p và n không khác gì nhau người ta cho rằng

khối lượng của p khác khối lượng của n là do p có mang điện tích (nghĩa là do tươngtác điện từ) Như vậy trong tương tác hạt nhân, người ta có thể coi p và n là hai trạngthái của cùng một hạt, tức là hạt nuclôn (N) Nếu không để ý đến tương tác điện từ thìhai trạng thái đó tương ứng với cùng một khối lượng, do đó tương ứng với hai mứcnăng lượng gần nhau Ta có thể so sánh tính chất này với tính chất của êlectrôn trongnguyên tử Nếu không để ý đến spin thì mỗi trạng thái êlectrôn trong nguyên tử tươngứng với cùng một mức năng lượng, nếu để ý đến spin thì mức năng lượng đó táchthành hai mức gần nhau, tương ứng với hai trạng thái của êlectrôn khác nhau về sự

Thành thử khái niệm spin đồng vị cho phép ta mô tả các trạng thái điện khácnhau của cùng một hạt Ví dụ : nuclôn có hai trạng thái điện nghĩa : 2I+1 = 2, do đóI=1/2; p và n là hai trạng thái của nuclôn khác nhau về hình chiếu Iz của spin đồng vị,

và Iz ngược dấu so với hạt

5.1.3 Phân loại các loại hạt sơ cấp

Hiện nay các hạt sơ cấp đã biết được phân thành bốn loại như sau:

a Phôtôn (γ): lượng tử ánh sáng, khối lượng tĩnh bằng không.

b Léptôn: các hạt nhẹ gồm có nơtrinô (ν), êlectrôn (e-) và mêdôn μ- cùng các đối hạtcủa chúng Gần đây người ta lại phát hiện ra có hai loại nơtrino: một loại luôn điđôi với êlectrôn (νe) và một loại luôn đi đôi với mêdôn μ (νμ)

Một điều đặc biệt trong các phản ứng biến đổi bao giờ cũng sinh cặp leptôn cùng

họ hoặc nếu một leptôn mất đi thì lại xuất hiện một leptôn khác cùng họ Ví dụ :

K+ → μ+ + νμ

μ- → e- + νe + νμ

Để mô tả tính chất đó của leptôn người ta đưa ra một số lượng tử mới gọi là số

leptôn l Các leptôn e-, μ-, νe, νμ có l = 1.Đối hạt có số leptôn ngược dấu so với hạt Các

quá trình trên được giải thích bằng định luật gọi là định luật bảo toàn số leptôn

(êlectrôn hay mêdôn) : Trong các quá trình biến đổi, tổng (đại số) số leptôn của hệ

bảo toàn.

c Mêdôn : các hạt trung bình có khối lượng trong khoảng 200÷900 lần khối lượng

êlectrôn Có hai nhóm mêdôn là mêdôn π (π-, π0π+) và mêdôn K (K+, K0)

d Bariôn: Các hạt nặng có khối lượng bằng hay lớn hơn khối lượng prôtôn Có hai

nhóm prôtôn là : nuclôn (p, n) hay hypêrôn (Λ, Σ) Năm 1964 người ta tìm ra mộthypêrôn mới là ômêga (Ω-), khối lượng (3278 ±6)me

e Các mêdôn π, K và các bariôn có tên chung là ađrôn.

Công thức Gellman và Nishijima

Đối với các ađrôn, Gellman - Nishijima đã đưa ra công thức sau đây, liên hệgiữa điện tích Q, hình chiếu spin đồng vị Iz , số lạ S và số bariôn B của mỗi hạt:

1 1 0 0

Q    ;đối với ômêga (Ω-)

0 1 ( 3) 1

2

Q    

5.1.4 Tương tác của các hạt sơ cấp

Các hạt sơ cấp luôn luôn biến đổi; trong các quá trình biến đổi ấy chúng ta cóthể kể ra: quá trình tán xạ của hạt này lên hạt khác, quá trình sinh một hạt, quá trìnhhủy một hạt, Nói chung giữa các hạt sơ cấp có tương tác Ngày nay người ta biết cóbốn loại tương tác giữa các hạt sơ cấp:

1 Tương tác mạnh: là tương tác giữa các ađrôn trừ các quá trình phân rã của chúng.

Ví dụ tương tác giữa các nuclôn (quá trình lukoa) là một loại tương tác mạnh:

Nói chung một hạt tương tác với một đối hạt sẽ cho hai phôtôn.

3.Tương tác yếu: bao gồm các quá trình phân rã các ađrôn, hấp thụ mêdôn bởi các chất

4 Tương tác hấp dẫn: là tương tác phổ biến giữa các vật có khối lượng.

Khi khảo sát các hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác này vì nó nhỏ quákhông dáng kể Nếu so sánh độ mạnh tương đối giữa bốn loại tương tác trên, ta cóbảng sau:

Các tương tác đó tuy bản chất khác nhau, nhưng tuân theo một số quy luậtchung, đặc biệt là các định luật bảo toàn Các qui trình tương tác đều tuân theo cácđịnh luật bảo toàn sau:

- Bảo toàn năng lượng

- Bảo toàn động lượng

- Bảo toàn mômen động lượng

- Bảo toàn điện tích

- Bảo toàn số bariôn

- Bảo toàn số leptôn êlectrôn

- Bảo toàn số leptôn mêdôn

Ngoài ra có những định luật bảo toàn chỉ đúng trong một số loại tương tác Vídụ: trong tương tác mạnh có các định luật bảo toàn số lạ S, bảo toàn spin đồng vị I vàbảo toàn hình chiếu spin đồng vị Iz ;trong tương tác các điện từ có các định luật bảotoàn số lạ S và bảo toàn hình chiếu spin đồng vị Iz ; trong tương tác yếu có hạt lạ thamgia, số lạ và hình chiếu spin đồng vị biến đổi theo quy tắc lựa chọn :

Thành thử số hạt sơ cấp phát hiện được ngày càng nhiều Chúng có thể sinh, hủy

và biến đổi tương hổ Trong quá trình biến đổi, các hạt sơ cấp đều tuân theo các địnhluật bảo toàn tuyệt đối : năng lượng, xung lượng, điện tích Tùy theo tính chất các hạttương tác, quá trình biến đổi hạt sơ cấp còn tuân theo một số định luật trong các định

luật bảo toàn khác như định luật bảo toàn số leptôn êlectrôn, số leptôn mêdôn, sốbariôn, số lạ, spin đồng vị, chẵn lẻ [1].

là những "viên gạch" cuối cùng tạo nên các chất

Ngay từ những năm 1963 - 1964 Gelman - ZWeig đã giả thuyết rằng các hạtađrôn được cấu tạo bởi ba hạt "cơ bản" hơn gọi chung là các hạt Quark tên cụ thể là u,

d và s Các hạt Quark đều có spin J=1/2 và đặc biệt chúng có điện tích bằng phân sốcủa điện tích nguyên tố e

Bảng sau đây cho biết giá trị của spin J, điện tích Q (tính theo đơn vị bằng e), sốbariôn B và số lạ S của ba hạt quark u, d, s cùng với các đối hạt của chúng

2

23

13

0

2

13

13

2

13

13

Giả thuyết về cấu tạo quark của các ađrôn đã giải thích được nhiều kết quả kháphù hợp với thực nghiệm; đặc biệt nó tiên đoán sự tồn tại của hạt Ω- ; hạt này đượcthực nghiệm tìm ra sau đó mấy năm với những đặc trưng vật lý khá phù hợp với nhữngtính toán lý thuyết.

Năm 1969 xuất hiện giả thuyết cho rằng phải tồn tại hạt quark thứ tư, kí hiệu là

c : hạt này mang một tính chất vật lý mới đặc trưng bằng một lượng tử gọi là số

13

Giả thuyết về sự tồn tại hạt quark b đã được chứng minh khi người ta tìm đượchạt sơ cấp γ (upsilon), hạt này có cấu tạo bb Hiện nay các nhà vật lý đều thừa nhận sựtồn tại một hạt quark thứ sáu, hạt t (top) tương ứng với 6 hạt leptôn nói trong mục sau.Năm 1994 một số nhà vật lý ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu đã thông báotìm thấy hạt quark t (trong máy gia tốc Tevatron: mt ≈ 1746eV/c2) [1]

5.1.6 Các leptôn

Trong những năm 30 của thế kỉ XX người ta mới biết có 3 hạt leptôn

Êlectrôn e- ; mêdôn μ- ; nơtrinô ν

Sau đó phát hiện sự tồn tại hai hạt nơtrinô khác nhau là νe tương ứng với hạtêlectrôn e- và νμ tương ứng hạt mêdôn μ-

Vào khoảng những năm 80, người ta tìm được một hạt leptôn nặng, hạt τ-, khốilượng bằng 17 lần khối lượng hạt mêdôn μ- Và người ta thừa nhận phải tồn tại hạtnơtrinô thứ ba ντ tương ứng với hạt τ-

Như vậy có 6 hạt leptôn xếp thành cặp tương ứng

e- νe

μ- νμ

τ- ντ

5.1.7 Sự thống nhất vĩ đại của các tương tác

Trong số 4 tương tác giữa các hạt sơ cấp (mạnh, điện từ, yếu, hấp dẫn), tươngtác điện từ được nghiên cứu từ rất lâu và đến nay hình thành một lý thuyết khá hoànchỉnh phù hợp với thực nghiệm một cách tuyệt vời Ví dụ khi tính toán mômen từ dịthường của êlectrôn, điện động lực học lượng tử (lý thuyết về tương tác điện từ) tìm rakết quả:

Những tính toán lý thuyết và sự kiện thực nghiệm chứng tỏ rằng trong nhiềutrường hợp, bốn tương tác nói trên có những thể hiện giống nhau Đặc biệt người tachứng minh được rằng ở giới hạn năng lượng rất cao bốn tương tác nói trên tiến đếncùng một giới hạn

Về mặt lý thuyết có thể diễn tả bốn tương tác nói trên trong cùng một hệ hìnhthức - lý thuyết trường chuẩn của Yang-Mill Nói cách khác có thể thống nhất bốn loại

tương tác trên voái nhau: sự thống nhất này gọi là sự thống nhất vĩ đại.

Theo lý thuyết này, mọi tương tác đều là tương tác không trực tiếp - đều có hạttrường tương ứng; những hạt trường này đều là các boson

Tương tác hấp dẫn có hạt trường là gravition

Tương tác mạnh có hạt trường là gluôn

Tương tác yếu có hạt trường là W+ , W- , Z0;

Nhà vật lý người Italia Carlo Rubbia cùng với 148 cộng sự, sau 5 năm cải tiến máy gia tốc tại CERN đạt tới năng lượng 540GeV, đến năm 1983 đã thông báo tìm ra các boson trung gian W+ W- Z0.

Theo tính toán lý thuyết thì khối lượng của W± vào cỡ 78GeV/c2, của Z0 vào cỡ

89 GeV/c2 ; thực nghiệm cho kết quả (81±5)GeV/c2

Việc tìm ra các boson trung gian là một thắng lợi rực rỡ của lí thuyết thống nhất

vĩ đại Và với việc tăng không ngừng năng lượng trong các máy gia tốc hạt, người ta

hy vọng tiếp tục tìm được những chứng minh thực nghiệm của lý thuyết đó

Để kết thúc, có thể tóm tắt sơ đồ cấu tạo của vũ trụ như sau: vật chất tồn tại dưới

hai dạng : hạt và trường ; với dạng hạt có các hạt cơ bản, với dạng trường có các hạt

truyền tương tác

Hạt cơ bản

Trường (tương tác)

trườnghạt m( )W2

và vũ trụ học lí thuyết Các nhà vũ trụ học thực nghiệm đã gần như từ bỏ hy vọng quansát toàn bộ vũ trụ Trong khi đó, các nhà vũ trụ học lí thuyết vẫn phát triển các mô hình cho toàn bộ vũ trụ, bất chấp các khả năng lí thuyết này sẽ không có đủ bằng chứng thực nghiệm để kiểm chứng [6].

5.3 Mặt trời

5.3.1 Khái niệm

Mặt Trời (đôi khi còn gọi là Thái Dương) là một ngôi sao ở trung tâm của hệ MặtTrời Trong khoa học, các ngôi sao sơ cấp mà các vật thể khác quay xung quanh nóđược gọi là mặt trời, và các ngôi sao trong một hệ nhiều sao cũng được nói đến như làcác mặt trời của các thiên thể trong hệ thống đó

Mặt Trời là một ngôi sao thuộc chuỗi chính

của biểu đồ Hertzsprung-Russell, với cấp quang phổ

G2, có nghĩa là nó trong một mức độ nào đó nặng

và nóng hơn các ngôi sao trung bình nhưng nhỏ hơn

rất nhiều so với các sao xanh khổng lồ Các sao G2

là nằm trên chuỗi chính và có tuổi thọ khoảng 10 tỷ

năm (10 Ga), và Mặt Trời đã hình thành cách đây

khoảng 5 Ga (5 tỷ năm) trước theo như kết quả tính

toán của ngành niên đại vũ trụ học Mặt Trời quay

xung quanh tâm của Ngân Hà ở khoảng cách khoảng 25.000 đến 28.000 năm ánh sángtính từ tâm thiên hà này, nó hoàn thành một chu kỳ quay vào khoảng 226 Ma (226triệu năm) Vận tốc quỹ đạo là

217 km/s, có nghĩa là 1 năm ánh

sáng bằng 1.400 năm và 1 đơn

vị thiên văn (AU) bằng 8 ngày

di chuyển của nó [6]

5.3.2 Cấu trúc của Mặt Trời

Mặt Trời hoàn toàn là một

khối khí Khoảng 75% ( của mỗi

kg khí) là hiđrô, 23% là hêli, các

khí còn lại chỉ chiếm 2% Nếu

chúng ta tưởng tượng thực hiện

một cuộc hành trình từ tâm Mặt Trời đi ra ngoài, qua các hành tinh, thì mật độ khí luônluôn giảm xuống Mật độ khí giảm cỡ 10 lần Đầu óc của con người nghĩ ra những26

con số này không phải rất dễ dang Bởi vậy, để tìm hiểu về Mặt Trời, chúng ta chiaMặt Trời ra các lớp khác nhau một cách thuận tiện Nhân ở tâm của Mặt Trời rất nóng( T ~ 1,6.107K) Ở đó, nhiệt năng được tạo bởi những phản ứng hạt nhân Bức xạ rấtmạnh ở tâm Từ đó, bức xạ khuyết tán từ từ ra phía ngoài, mang năng lượng tới nhữngvùng ít nóng hơn Ở ngoài xa hơn nữa, năng lượng được mang tới bởi sự đối lưu hơn

là bức xạ Cuối cùng, khi nhiệt độ giảm tới 6.103K, mật độ thấp đến nỗi dường như tất

cả bức xạ có thể thoát ra vào vũ trụ Đó chính là lớp mà chúng ta quan sát thấy như là

bề mặt của Mặt Trời - quang quyển Khi chúng ta đi ra ngoài xa hơn nữa, nhiệt độ độtngột tăng lên tới khoảng 2.106K Các khí nóng này, vành nhật hoa của Mặt Trời, cóthể được nhìn thấy, ví dụ trong suốt một nhật thực toàn phần, chẳng hạn một nhật thực

toàn phần xảy ra ở Việt Nam vào năm 1995 Các lớp phía ngoài của Mặt Trời, kể cảquang quyển và vành nhật hoa được gọi là khí quyển của Mặt Trời Khi chúng ta đi rangoài xa hơn nữa, các khí của Mặt Trời chuyển động ra xa Mặt Trời Đó là gió MặtTrời Nó thổi qua các hành tinh và gặp các khí giữa các sao ở cách Mặt Trời khoảng

150 đơn vị thiên văn (đ.v.t.v) [5]

Bề mặt của Mặt Trời là lớp khí mà từ đó ánh sáng tới chúng ta, lớp mà chúng ta

có thể chụp ảnh được Lớp này - được gọi là quang quyển, hiện ra những nét sắc cạnhcủa Mặt Trời vì độ dày của nó, khoảng 3.102km, là nhỏ so với những chi tiết nhỏ nhất

mà chúng ta có thể nhận ra (thậm chí với các kính thiên văn) khi chúng ta nhìn vàoMặt Trời qua khí quyển Trái Đất Bán kính Mặt Trời được xác định như là khoảngcách của quang quyển tính từ tâm Mặt Trời, R = 7.105km Màu sắc và cường độ củaánh sáng Mặt Trời (được xác định tương ứng theo định luật dịch chuyển Wien và địnhluật Stefan-Boltzman) đều cho nhiệt độ bề mặt vào khoảng 5,8.103K

Khí quyển của Mặt Trời được chia ra làm hai lớp có tính chất Vật lý khác nhau là sắccầu và nhật hoa Sắc cầu là lớp khí nằm sát mặt quang cầu có độ dạy là 10 000km và

có nhiệt độ khoảng 4500K Phía ngoài sắc cầu là Nhật hoa Nhật hoa có mật độ hạtkhoảng 1011 hạt/m³, và quang quyển có mật độ hạt khoảng 1023 hạt/m³ [5]

5.3.3 Hoạt động của Mặt Trời

- Sự mất các vệ tinh quay quanh Trái Đất

Nhật hoa của Mặt Trời phát xạ chủ yếu tia X Một số tia X này chạm vào khí quyểncủa Trái Đất Khi tia X bị dừng lại bởi các nguyên tử và phân tử trong khí quyển TráiĐất, khí quyển Trái Đất bị nung nóng Khi khí quyển Trái Đất bị nung nóng, nó nở ra

Nó chỉ có thể nở ra về phía trên Vào những năm có rất nhiều vết đen Mặt Trời, nhậthoa phat ra nhiều tia X và khí quyển của Trái Đất nở ra ở độ cao lớn hơn Khi khíquyển của Trái Đất nở tới độ cao nơi có quỹ đạo của các vệ tinh, khí quyển Trái Đấttác dụng lực ma sát lên các vệ tinh Ma sát này làm các vệ tinh mất độ cao, chuyểnđộng vào khí quyển đậm đặc hơn, ở đó ma sát lớn hơn, quá trình cứ thế tiếp diễn chođến khi vệ tinh bốc cháy và bay hơi trong khí quyển Trái Đất

- Chớp lửa Mặt Trời

Thỉnh thoảng, bề mặt Mặt Trời bùng sáng trong vài phút, có khi trong một giờ Nếu tia

X của Mặt Trời được đo ở thời điểm của một chớp lửa, chúng ta thấy rằng các khítrong chớp lửa được nung nóng tới khoảng 2.107K, nghĩa là 10 lần nhiệt độ bình

thường của nhật hoa Một chớp lửa thực sự là một vụ nổ khổng lồ trong nhật hoa.Nguyên nhân của nó là gì? Một bằng chứng: Chớp lửa diễn ra trên một nhóm các vếtđen Mặt Trời với một hình ảnh phức tạp như là một nhóm lớn các vết đen

- Khí trong nhật hoa phóng ra và sự nguy hiểm đối với cơ sở hạ tầng kĩ thuậtThỉnh thoảng, một số vành khí

nóng trong nhật hoa đột ngột dâng

lên phía trên Mặt Trời và dịch

chuyển ra xa ngoài vũ trụ Rõ ràng

là chúng bật ra vì chúng đã trở nên

quá lớn, đạt tới độ cao quá cao ở

phía trên Mặt Trời đến mức lực hấp

dẫn của Mặt Trời bé hơn đáng kể so

với lực hấp dẫn ở bề mặt Mặt Trời

Khí này đạt tới tốc độ từ 500 đến

1000 km/s, nhanh hơn tốc độ thoát

ra từ Mặt Trời ở những độ cao này Hằng số Mặt Trời thay đổiVì vết đen Mặt Trời làkhá tối nên chúng ta dự đoán rằng trong suốt một cực tiểu của vết đen Mặt Trời có ítánh sáng Mặt Trời và ít năng lượng tới Trái Đất Có lẻ điều này ảnh hưởng đến khí hậucủa Trái Đất chăng? Việc đo một cách chính xác thông lượng của năng lượng MặtTrời tới Trái Đất phải được tiến hành từ một vệ tinh và là rất khó khăn, xét về mặt kĩthuật Từ khoảng năm 1980, các vệ tinh đã đo được thông lượng của năng lượng MặtTrời với một độ chính xác tốt hơn 0,1% Kết quả: thực ra thông lượng của năng lượngcủa Mặt Trời ở khoảng cách 1 đơn vị thiên văn thay đổi Hằng số Mặt Trời không phải

là một hằng số

5.3.4 Năng lượng của Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ MặtTrời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhântrên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Năng lượng bức xạ điện từ củaMặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giảiphóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 Joule

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời đượcxem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng mặt trời được tínhbằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt TráiĐất; nó bằng khoảng 1370 Watt trên một mét vuông Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụmột phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt TráiĐất, gần 1000 Watt/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quangđãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trìnhquang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợpchất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng nănglượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời Nănglượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời đượcchuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ.

5.3.5 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm,nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉthực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời,những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và

1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiênphong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụng NLMT phổ biến hiệnnay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổiquang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặttrời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát

triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứngdụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một

hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền độngcho máy phát điện

Hình 3: Tháp năng lượng Mặt trời Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 1500 o C

Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy các sảnphẩm như ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sảnphẩm Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loạivật liệu như gỗ

c Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các nước ở Châu Phi

Hình 3 Triển khai bếp nấu cơm bằng NLMT.

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến.Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học ĐàNẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30 000 USD) đưabếp năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng nông thôn củatỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảonhân dân ủng hộ Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Hình 4: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMTThiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn

Hình 5: Động cơ Stirling dùng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời [6].

Hình 6: Bơm nước chạy bằng NLMT

5.3.6 Hiện tượng Nhật thực, Nguyệt thực

a Hiện tượng Nhật thực

Nhật thực xảy ra khi Mặt Trăng đi qua giữa Trái Đất và Mặt Trời và che khuấthoàn toàn hay một phần Mặt Trời khi quan sát từ Trái Đất Điều này chỉ có thể xảy ratại thời điểm sóc trăng non được quan sát thấy từ Trái Đất, khi Mặt Trời và Mặt Trănggiao hội Nhật thực toàn phần được nhiều người coi là một hiện tượng thiên nhiên đặcbiệt nhất mà người đó có thể quan sát được Dĩ nhiên, nhật thực chỉ có thể quan sátthấy tại các vùng trên Trái Đất đang là ban ngày.

Hiện tượng Nhật thực Hiện tượngNguyệt Thực

b Hiện tượng Nguyệt thực

Nguyệt thực là hiện tượng thiên văn khi Mặt Trăng đi vào hình chóp bóng củaTrái Đất, đối diện với Mặt Trời Trên tất cả các điểm nằm ở bán cầu quay về MặtTrăng đều có thể nhìn thấy nguyệt thực Nguyệt thực bán phần khó nhìn thấy bằng mắtthường do ánh chói của Mặt Trời giảm thiểu

Khi nguyệt thực toàn phần diễn ra, tia Mặt Trời trước khi đến được Mặt Trăng đãchiếu vào chóp bóng của Trái Đất và bị khí quyển Trái Đất khúc xạ Các tia sáng bướcsóng ngắn đã bị cản lại hết, chỉ còn các tia có bước sóng dài (đỏ, cam) xuyên qua, do

đó, Mặt Trăng thường hiện ra dưới màu đỏ nhạt

Thời gian tối đa của nguyệt thực toàn phần: 104 phút (trường hợp thường hay tái diễn); nguyệt thực từng phần: 6 giờ [7]

5.4 Hệ mặt trời

5.4.1 Định nghĩa

Hệ Mặt Trời (cũng được gọi là Thái Dương Hệ) là một hệ hành tinh có Mặt Trời

ở trung tâm và các thiên thể nằm trong phạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời, gồm 8 hànhtinh chính quay xung quanh, 7 trong số các hành tinh này có vệ tinh riêng của chúng,cùng một lượng lớn các vật thể khác gồm các hành tinh lùn (như Diêm Vương Tinh),tiểu hành tinh, sao chổi, bụi và plasma

Từ trong ra ngoài, Hệ Mặt Trời gồm:

 Ngoài cùng là Vòng đai Kuiper và Đám Oort

Xen kẽ giữa các hành tinh có các thiên thạch và bụi cùng các sao chổi Ngoài racòn có nhật quyển (heliosphere), cấu trúc lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, được tạo thành

từ ảnh hưởng của từ trường quay của Mặt Trời trên plasma, gọi là gió Mặt Trời, choánđầy không gian trong hệ Mặt Trời Nó hình dạng hình cầu với giới hạn ngoài cũngchính là giới hạn của Hệ Mặt Trời [6]

5.4.2 Sự hình thành hệ Mặt Trời

Sự hình thành Mặt Trời và hệ Mặt Trời, khoảng 4,6.109 năm về trước, bắt đầukhi chuyển động của các khí giữa các sao vốn có từ trước quy tụ tạo nên một đám mâykhí lớn (bán kính ~ 103 đ.v.t.v) Thành phần chủ yếu của khí đó là hiđrô và hêli,nhưng có trộn lẫn khoảng 2% theo trọng lượng các nguyên tố khác, trong đó một số ở

dạng các hạt bụi và băng Do một số nguyên nhân chưa được biết, đám mây trở nên đủđậm đặc để có lực hấp dẫn đủ mạnh để nó bắt đầu co lại dưới tác dụng của lực hấpdẫn Những phần ở bên trong cùng của đám mây co thành quả cầu khí và sau vài triệunăm đã trở thành Mặt Trời Phần ngoài của đám mây cũng co lại nhưng không phải chỉ

do lực hấp dẫn Lúc đầu, khí bên ngoài quay rất chậm, nhưng khi nó co lại, nó bắt đầuquay nhanh hơn (bảo toàn mô-men xung lượng) Khi khí quay đủ nhanh, lực li tâm cânbằng với lực hấp dẫn Sự co dừng lại Toàn bộ khí dồn lại trong một đĩa bao quanhMặt Trời tương lai Tưng mẫu khí quay quanh Mặt Trời tuân theo gần đúng định luật 3Keple Các hành tinh hình thành từ khí này Như vậy, chúng ta đã giải thích tại sao cáchành tinh ở trong cùng một mặt phẳng và quay cùng chiều xung quanh Mặt Trời.Nhưng vì sao các hành tinh hình thành? Có lẽ sự kiện sau đây đã xảy ra trong suốthàng triệu năm đầu tiên của hệ Mặt Trời đang còn trẻ [5]

Khí chứa các hạt bụi và hạt băng Thoạt đầu các hạt có kích thước vi mô Thờigian trôi qua, thỉnh thoảng các hạt va chạm vào nhau và dần dần chúng kết thànhnhững hòn đá được trộn lẫn với băng rồi chúng tiếp tục kết dính thành những tảng đálớn hơn Khi những tảng đá đủ lớn, lực hấp dẫn của chúng hút tiếp các hạt bụi và cáchòn đá Dần dần, những thiên thể có kích thước cỡ hành tinh hình thành Vì đại bộphận các tảng đá đều rơi vào các thiên thể cỡ hành tinh với tốc độ lớn, giải phóngnhiều nhiệt năng, nên các thiên thể cỡ hành tinh nóng lên và nhiều phần của chúngnóng chảy Nhiệt cho phép các nguyên tố nặng hơn, đặt biệt là sắt (Fe) dồn về gần tâmcủa các thiên thể kiểu hành tinh Nhiệt cũng làm băng bốc hơi và thoát khỏi thiên thể.Sau một thời gian, khi không còn các tảng đá rời vào các thiên thể nữa, phần ngoài củacác thiên thể có kích thước hành tinh này nguội và rắn lại Các hành tinh kiểu Trái Đất

đã hình thành như vậy Trái Đất hiện vẫn còn có một nhân được tạo chủ yếu bởi sắtnóng chảy

Một hiện tượng bổ sung đã xảy ra đối với các hành tinh kiểu Mộc tinh: ở rất xaMặt Trời, các khí, chủ yếu là hiđrô và hêli, rất lạnh Chúng dễ bị hút bởi lực hấp dẫncủa các thiên thể có kích thước cỡ hành tinh Thật vậy, các hành tinh kiểu Mộc Tinh đãtích lũy thêm rất nhiều khối lượng ở dạng khí so với các khối lượng của các thiên thể

có kích cỡ hành tinh ban đầu Bởi vậy, hiện nay, các hành tinh kiểu Mộc Tinh chứa

chủ yếu là hiđrô và hêli với một lõi vật chất ở dạng đá rắn tương đối nhỏ nằm ở gầntâm.

Cuối cùng, khi Mặt Trời trở nên nóng và phát sáng, toàn bộ các khí, bụi, hạtbăng còn lại đều bị thổi ra khỏi hệ Mặt Trời và hệ Mặt Trời trở thành có dạng đại thểnhư chúng ta biết nó ngày hôm nay [5]

5.4.3 Gió Mặt Trời

Mặt Trời phát ra một nguồn tia liên tục gồm các hạt có khối lượng, ở dạng plasma được biết đến như gió Mặt Trời Nó tạo thành một vùng có áp suất thấp thâm nhập vàokhông gian giữa các hành tinh ở mọi hướng, vươn tới khoảng cách ít nhất là mười tỷ dặm tính từ Mặt Trời Các lượng nhỏ gồm bụi cũng có mặt trong không gian giữa các hành tinh và gây ra hiện tượng ánh sáng hoàng đạo Một số bụi có lẽ đến từ bên ngoài

Hệ Mặt Trời Sự ảnh hưởng của từ trường quay của Mặt Trời đối với không gian giữa các hành tinh tạo nên kết cấu lớn nhất trong Hệ Mặt Trời

Gió Mặt Trời tiếp xúc với từ quyển của Trái Đất

5.4.4 Một số hành tinh trong hệ Mặt Trời

Các hành tinh kiểu Mộc Tinh: Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải

Vương Tinh

Các hành tinh kiểu Mộc Tinh đều quay quanh Mặt Trời trong cùng một mặtphẳng ( mặt phẳng hoàng đạo) và cùng chiều với chiều quanh của các hành tinh kiểuTrái Đất, nhưng với tốc độ quay chậm hơn rất nhiều Nên nếu chúng ta quan sát MộcTinh trong nhiều đêm liền, chúng ta sẽ thấy nó di chuyển chậm chạp giữa các ngôi sao.Cần khoảng 12 năm để Mộc Tinh chuyển động một vòng giữa các ngôi sao và trở vềđúng vị trí của chòm sao ban đầu, nếu nhìn từ Trái Đất Như vậy chu kỳ quỹ đạo xungquanh Mặt Trời của Mộc Tinh là 12 năm Từ định luật 3 Keple, chúng ta suy rakhoảng cách từ Mộc Tinh tới Mặt Trời vào khoảng 5,2 đ.v.t.v Nếu nhìn từ khoảngcách Mộc Tinh, Trái Đất hiện lên như một chấm màu xanh lam mờ, rất khó nhận ra vì

nó ở gần Mặt Trời chói sáng

Chúng ta biết được khối lượng các hành tinh kiểu Mộc Tinh vì mỗi hành tinhđều có vệ tinh quay xung quanh Các hành tinh kiểu Mộc tinh có khối lượng lớn hơnrất nhiều so với các hành tinh kiểu Trái Đất Các hành tinh kiểu Mộc Tinh lớn hơn cáchành tinh kiểu Trái Đất đến mức các hành tinh kiểu Mộc Tinh có tỷ trọng trung bình