Vật lý vi mô và vĩ mô
Tóm tắt lý thuyết >> Bài tập cơ bản >> Bài tập ôn luyện >> Bài tập trắc nghiệm >>
I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Vật lý học các hạt cơ bản
Đập vỡ một hạt muối ta có những hạt muối. Ta có thể đập vỡ nó nhỏ đến cỡ nào? Cấu tạo của hạt muối hay các vật thể khác như thế nào?
Chậc chậc, nguyên tử ngon lành thế này sao?!
Để trả lời câu hỏi đó, người ta cho rằng vật chất được cấu tạo từ những thành phần nhỏ nhất, không phân chia được, gọi là nguyên tử.
Khi phát hiện ra các hiện tượng điện, người ta thấy nguyên tử ít nhất cũng phải có hai thành phần: phần mang điện dương và phần mang điện âm. Tôm-sơn đề xuất “mô hình chiếc bánh pho-mat”: nguyên tử như chiếc bánh mà phần pho-mat mang điện tích dương, các hạt mứt găm trên đó mang điện tích âm. Trong mô hình này, điện tích dương được phân bố đều trên toàn bộ nguyên tử.
Tuy nhiên, khi tiến hành thí nghiệm bắn chùm hạt α qua một tấm bia mỏng, Rơ-dơ-pho phát hiện ra hiện tượng tán xạ các hạt này. Từ đó ông cho rằng nguyên tử phải có cấu trúc sao cho điện tích dương tập trung tại một chỗ thì mới có đủ lực điện gây ra sự tán xạ đó. Cấu trúc mới của ông có tên gọi là mẫu hành tinh: các điện tử (electron) bay xung quanh hạt nhân giống như các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời.
Nguyên tử không "ngon ăn" đâu!
Lý thuyết điện từ phát triển và người ta nhận thấy, nếu các electron quay xung quanh hạt nhân theo mô hình của Rơ-dơ-pho như vậy, chúng sẽ phát tán ra các sóng điện từ và mất dần năng lượng dẫn đến tình trạng electron sẽ rơi vào hạt nhân làm sụp đổ chính mô hình đó. Từ mâu thuẫn đó, Bo đã đưa thêm tiên đề về trạng thái dừng nhằm cứu vãn tình thế “mô hình nguyên tử có nguy cơ sụp đổ”.
Các tiên đề của Bo chỉ giải quyết một vấn đề trong phạm vi nhỏ chứ nó không mang tính toàn diện, không giải thích được nhiều mâu thuẫn vẫn còn tồn tại. Tuy nhiên chính ý tưởng của Bo là cầu nối để đưa các nhà vật lý đến với lý thuyết lượng tử, một trong hai cột trụ của vật lý học hiện đại.
Với lý thuyết lượng tử ta quan niệm nguyên tử với một mô hình phức tạp, hỗn độn. Ta không còn xem các điện tử chuyển động một cách trật tự xung quanh hạt nhân nữa mà coi rằng có một “mớ” các điện tử chuyển động hỗn độn trong không gian xung quanh hạt nhân. Khái niệm quỹ đạo của điện tử không được dùng nữa, thay vào đó ta nói xác suất bắt gặp một điện tử trong một không gian nào đó là bao nhiêu.
Mặc dù “mớ” điện tử chuyển động hỗn độn nghe có vẻ khó chấp nhận, như Anhxtanh đã từng nói “Chúa không chơi trò xúc xắc” nhưng càng ngày người ta càng phải công nhận là nó…rất ổn.
Xong việc nguyên tử, bây giờ đến lúc người ta mổ xẻ hạt nhân xem nó cấu tạo như thế nào. Người ta dùng các máy gia tốc các điện tích đến một động năng cực lớn rồi bắn vào các nguyên tử để phá vỡ cả các hạt nhân để tìm hiểu cấu trúc của chúng.
Với mức độ thấp của động năng các hạt đạn, người ta khám phá ra hạt nhân bao gồm các hạt proton và notron, gọi chung là các hạt nuclon. Các hạt proton mang điện tích dương sẽ đẩy nhau với các lực rất lớn vì ở cự li gần tuy nhiên chúng vẫn liên kết được với nhau. Vậy phải có một loại lực mới không phải là lực điện tương tác giữa chúng. Lực này có tên gọi là lực tương tác mạnh, hay thường gọi là lực hạt nhân.
Tiếp tục gia tốc và tiếp tục bắn phá hạt nhân, người ta càng phát hiện cấu trúc vĩ đại của thế giới vi mô. Phải nói rằng máy gia tốc và các kính thiên văn là các “bửu bối” trong vật lý học hiện đại. Nhưng không ngờ công năng của chúng lại làm “phức tạp hóa vấn đề” đến vậy.
Với máy gia tốc, ngày nay người ta phát hiện ra …hàng nghìn loại hạt, nhiều đến nỗi không biết sắp xếp chúng làm sao cho hợp lý. Một trong những cách sắp xếp đó là dựa trên khối lượng của các hạt. Theo cách sắp xếp đó, ta có thể kể ra các nhóm hạt sau đây:
Hạt photon đứng riêng một nhóm vì nó đặc biệt là không có khối lượng
Nhóm Lepton gồm các hạt nhẹ (nhỏ hơn 200 me)
Nhóm Mezon gồm các hạt trung bình (gấp từ 200 đến 900 lần khối lượng electron). Nhóm này lại chia thành hai, gồm mezon π và mezon K.
Nhóm Barion gồm các hạt có khối lượng bằng hoặc lớn hơn proton. Nhóm này cũng chia thành hai là nhóm nuclon và nhóm hiperon.
Vấn đề là người ta lại gọi chung nhóm mezon và nhóm barion là nhóm hadron!!!
Có lẽ đến đây chúng ta đã ngần ngại đặt câu hỏi, các hạt này được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn không, những hạt đó là hạt nào! Tuy nhiên có ít nhất một người không ngần ngại, đó là Ghen-man. Ông cho rằng các hạt hadron được cấu tạo từ các quark. Các quark thì nhỏ và điện tích của chúng cũng không còn là điện tích nguyên tố nữa mà là , . Các hạt barion cấu tạo từ 3 quark. Thuyết quark đã đưa ra dự đoán về hạt – mà sau đó thực nghiệm phát hiện ra với đầy đủ tính chất như dự đoán. Ngày nay lý thuyết quark đã được công nhận rộng rãi.
2. Vật lý vũ trụ
Song song với việc nhìn sâu vào cấu trúc vi mô của vật chất, con người luôn khát khao khám phá sự rộng lớn vĩ đại của Vũ trụ.
Ban đầu, người ta cho rằng Trái Đất là một mặt phẳng. Có một chỗ gọi là “Đằng chân trời” rất xa. Trái Đất là trung tâm Vũ Trụ và Mặt Trời cùng các vì sao quay quanh Trái Đất.
Chúng ta cũng nhớ về nhân vật lịch sử Cô-lôm-bơ đã thám hiểm đến tận vùng Ca-ri-bê hay Ma-gien-lăng đã đi gần như vòng quanh Trái Đất. Từ những sự kiện như thế, con người nhận ra Trái Đất hình cầu.
Tiếp đến ta thấy nên nói rằng không biết Trái Đất quay quanh Mặt Trời hay ngược lại nhưng Trái Đất tự quay quanh mình nó. Một trong những dẫn chứng là con lắc Fu-cô: phương của con lắc thay đổi với chu kì 24h.
Hệ Mặt Trời với 8 hành tinh chuyển động xung quanh Mặt Trời
Và cũng phải nói cho đúng là Trái Đất quay quanh Mặt Trời chứ không phải ngược lại. Mà thực ra thì nói thế nào cũng đúng! Chỉ có điều, nếu lấy Mặt Trời làm mốc thì mọi thứ, các hành tinh từ sao Thủy đến sao Hải Vương đến cả các sao khác đều chuyển động rất có trật tự. Ngược lại, nếu chúng ta cứ cố nói Trái Đất đứng yên, mọi thứ chuyển động thì chúng ta cũng có lý thôi, tuy nhiên, lúc đó các chuyển động sẽ rối như mớ bòng bong.
Vậy nhé, Mặt Trời nằm ở giữa và các hành tinh chuyển động xung quanh nó theo các quỹ đạo elip mà Mặt Trời là một trong hai tiêu điểm. Thực tế là các hành tinh tương tác lên nhau làm ảnh hưởng đến quỹ đạo của chúng ít nhiều, nhưng có thể coi mô hình trên là thuyết phục.
Trong Vũ trụ, hệ như hệ Mặt Trời là phổ biến, nghĩa là có vô số “mặt trời”, ta gọi chúng là các sao, với đặc trưng là chúng có thể tự phát sáng do các phản ứng nhiệt hạch trong lòng các sao này. Tập hợp các sao (hàng nghìn tỉ) làm thành một thiên hà. Trong giới hạn mà con người có thể quan sát, lại có vô số thiên hà. Thiên hà chứa Mặt Trời gọi là Thiên hà của chúng ta.
Làm sao để xác định khoảng cách từ các ngôi sao đến chúng ta? Trước hết bạn hãy xem xét “độ sáng” của một bóng đèn. Rõ ràng độ sáng của nó phụ thuộc vào độ sáng của bản thân bóng đèn và khoảng cách từ nó đến bạn. Trong vật lý, thay cho thuật ngữ nôm na “độ sáng của bóng đèn đối với bạn” là độ chói biểu kiến và “độ sáng của bản thân bóng đèn” là độ trưng. Ngưởi ta sử dụng phương pháp đo độ chói biểu kiến với giả định rằng các ngôi sao đều có cùng độ trưng.
Một điều đáng nói nữa là khi đi qua lăng kính, ánh sáng sẽ bị tách thành các tia sáng màu sắc khác nhau – sự tán sắc. Phân tích thành phần và độ sáng của các ánh sáng thành phần này, người ta xác định được các chất có trong nguồn sáng và tỉ lệ của chúng. Phương pháp này gọi là phương pháp phân tích quang phổ. Áp dụng phương pháp đó cho các ngôi sao, người ta thấy quang phổ của các ngôi sao của các ngôi sao trong các thiên hà khác dịch về phía vạch đỏ. Dựa trên hiệu ứng Đốp-lơ, chúng ta suy ra rằng chúng đang đi xa chúng ta. Điều đáng ngạc nhiên là tất cả các sao đều muốn “tránh xa” chúng ta. Vậy hóa ra Vũ trụ đang “âm thầm” giãn nở. Và chúng ta có cảm giác đang cưới lên lưng hổ. Con hổ ở đây là khoa học về sự giãn nở của Vũ trụ. Nếu nó giãn nở thì ban đầu nó phải bé, vậy nó bé đến mức nào?
Ban đầu Vũ trụ chỉ là một điểm với mật độ vật chất vô cùng lớn. Khi đó không có quy luật vật lý nào đúng cả. Các quy luật vật lý chỉ được vận hành từ thời điểm tp = 10-43 s gọi là thời điểm Plank. Ở thời điểm đó, kích thước Vũ trụ là 10-35 m, nhiệt độ 1032 K và khối lượng riêng 1091 kg/cm3. Rõ ràng là con người đi “cân” cả Vũ trụ!
Ngưởi ta cho rằng Vũ trụ từ khi giãn nở từ kích thước không đến giờ đã trải qua 14 tỉ năm. Nó sẽ giãn nở đến bao giờ, có co lại để “trở về tuổi thơ” hay không? Những câu hỏi này sẽ là thử thách thật thú vị cho loài người chúng ta, cũng là vẻ đẹp vô song của khoa học.
My Blog 