intTypePromotion=3

Tiểu luận môn Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học " Đơn cực từ "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

0
243
lượt xem
52
download

Tiểu luận môn Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học " Đơn cực từ "

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo luận văn - đề án 'tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học " đơn cực từ "', luận văn - báo cáo phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận môn Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học " Đơn cực từ "

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Tiểu luận môn: Phương Pháp Nghiên C ứu Khoa Học Tên đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Lê Thanh Nhẫn Nguyễn Thị Phương Thảo Phan Minh Tiến Lưu Đình Trác TPHCM, Tháng 5 Năm 2009
  2. ĐƠN CỰC TỪ MỤC LỤC Tóm tắt ....................................................................................................2 I. Giới thiệu ............................................................................................. 2 II. H ệ phương trình Mắc-xoen ................................ .................................6 1. Định luật Gau-xơ cho từ học ........................................................ 6 2. Các phương trình cơ bản của điện từ học .....................................8 3. Sự bất đối x ứng thứ nhất .............................................................. 8 4. Sự bất đối x ứng thứ hai ................................................................ 9 III. Đơn cực Đi-rắc và sự lượng tử hóa điện tích ................................... 11 1. Đơn cực Đi-rắc .......................................................................... 11 2. Sự lượng tử hóa điện tích ........................................................... 15 IV. Tìm kiếm đơn cực từ ....................................................................... 17 1. Sơ lược về máy gia tốc................................ ............................... 19 2. Tìm kiếm đơn cực từ từ nguồ n tia vũ trụ .................................... 22 V . Kết luận ............................................................................................ 27 Tài liệu tham khảo ................................................................................. 28 1
  3. ĐƠN CỰC TỪ Tóm tắt N ghiên cứu hệ p hương trình Mắc-xoen một cách nghiêm túc cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về điện động lực học. Việc thừa nhận sự tồn tại của đơn cực từ dựa trên sự suy đoán về sự đối xứng của điện trường và từ trường của Đi-rắc, đã làm cho hệ p hương trình Mắc-xoen trở nên đẹp hơn. Nhưng đơn cực từ có thực sự tồn tại hay không vẫn là mộ t bí ẩn. I. Giới thiệu [1] Ai cũng biết các nam châm bao giờ cũng có hai cực, nói rộng hơn là số cực của một nam châm bao giờ cũng là một số chẵn, có những nam châm có bốn cực, sáu cực,…, nhưng không có nam châm nào có một cực, ba cực, năm cực,… Đây là vấn đề người ta đ ã nhận thấy từ lâu nhưng cho đ ến nay vẫn chưa có lời giải thích thỏ a đáng. Trước kia, chưa hiểu rõ nguồ n gốc của các hiện tượng điện và từ, người ta coi rằng trong tự nhiên có chất lỏng điện, chất lỏng từ. Điều ấy không có gì lạ, vào thời ấy các hiện tượng chưa biết rõ hầu như được gắn với mộ t giả thiết là có một chất lỏng tương ứng, chẳng hạn giả thiết về chất lỏng nhiệt để giải thích các hiện tượng nhiệt. N hưng cho đ ến đến cuối thế kỉ XIX, khi Tôm-xơn tìm ra electron và đ ến đầu thế kỉ X X, khi Ru-dơ-fo tìm ra proton thì người ta đi đến kết luận rằng trong tự nhiên không có chất lỏng điện mà có điện tích, và hơn thế nữa người ta còn khẳng định là trong tự nhiên có hai loại điện tích và được gọ i là điện tích dương, điện tích âm. Các hiện tượng điện có liên hệ chặt chẽ với điện tích. Nói tóm lại thực nghiệm đã chứng minh rằng điện tích là cái có thực, tồn tại trong tự nhiên. 2
  4. ĐƠN CỰC TỪ Trong quá khứ x a xưa, điện và từ là hai lĩnh vực độc lập với nhau. N hưng sau thí nghiệm Ơ-xtét, người ta thấy rằng điện và từ là hai lĩnh vực có liên quan chặt chẽ với nhau. Vì vậy người ta thường hay so sánh, đố i chiếu các các hiện tượng trong hai vĩnh vực với nhau. V ề đ iện thì có hai loai điện tích, có những vật chỉ mang điện tích dương, có những vật chỉ mang điện tích âm. Tuy nhiên, cũng có những vật mang cả hai loại điện tích tách biệt nhau, điện tích dương ở mộ t đầu, điện tích âm ở một đầu. Ta gọ i những vật đó là các lưỡng cực điện. Nếu vậy ta có thể coi những vật chỉ mang một loại điện tích là các đơn cực điện. So sánh với lưỡng cực điện, ta có thể coi những nam châm có hai cực là những lưỡng cực từ, hai cực của nam châm chứa hai từ tích khác nhau, tương tự như hai điện tích dương và âm của lưỡng cực điện. Nhưng khác với điện tích, trong thực tế không thấy nam châm nào chỉ có một cực, nghĩa là trong thực tế ta không quan sát thấy đơn cực từ. 3
  5. ĐƠN CỰC TỪ Do đó vấn đề được đặt ra về từ là trong tự nhiên có tồn tại những thực thể tương tự như điện tích trong điện hay không? Nói cách khác trong tự nhiên có từ tích không? Và nếu có thì tại sao chỉ quan sát thấy các lưỡng cực từ, không quan sát thấy đơn cực từ? Mặt khác, lí thuyết và thực nghiệm đều chứng tỏ rằng các đường sức điện thì không khép kín, chúng xuất phát từ các điện tích dương và tận cùng tại các điện tích âm. Còn các đường sức từ thì khép kín; vì khép kín nên không thể nói gì về các điểm xuất phát và các điểm tận cùng của các đường sức từ. Điều đó có thể đoán nhận là trong tự nhiên không có từ tích. Vì không có từ tích nên việc các đường sức từ không có điểm xuất phát, không có điểm tận cùng là điều hiển nhiên. 4
  6. ĐƠN CỰC TỪ N hưng cũng có một dự đoán khác, xem ra không phải là không có lí. Đoán nhận đó là trong tự nhiên có từ tích; từ tích cũng có hai loại là từ tích dương, từ tích âm. Tuy nhiên từ tích khác điện tích ở chổ điện tích dương, điện tích âm có thể tồn tại tách biệt nhau ở các hạt và các vật khác nhau; còn từ tích thì bao giờ từ tích dương và từ tích âm cũng gắn liền với nhau, vì chúng gắn liền với nhau nên hoặc là chúng trung hoà lẫn nhau ở cùng một vật nào đó, trong trường hợp này ta coi như vật không có từ tích; hoặc là chúng tồn tại tách biệt nhau nhưng định x ứ trên cùng một vật, trường hợp này ta có lưỡng cực từ (nam châm). Giữa thế kỉ X IX Mắc-xoen xây dựng thành công lí thuyết về trường điện từ. Sự ra đời lí thuyết trường điện từ của Mắc-xoen là một thắng lợi rực rỡ của vật lí. Cũng nên chú ý rằng lí thuyết Mắc-xoen ra đời trước khi Tôm- xơn tìm ra electron khá lâu. Tuy nhiên trong lí thuyết này cũng có mặt những đại lượng mà sau này được gọi là điện tích. Nhưng trong lí thuyết không có m ặt các đại lượng nào có thể đoán nhận là các từ tích. Điều đó có thể xem là một bằng chứng nghiêng về điều đoán nhận rằng trong tự nhiên không có từ tích. Tuy nhiên không dễ gì bác bỏ đoán nhận thứ hai vừa nói trên đây chỉ bằng những suy đoán đơn giản như vậy. Vấn đề là ở chỗ, trong vật lí có rất nhiều hiện tượng sánh đôi mà người ta vẫn gọi là đối xứng. Nhưng ở đây lại có hiện tượng bất thường. Điện trường do các điện tích gây ra nhưng từ trường lại không có từ tích gây ra. Vậy là trong lĩnh vực điện từ 5
  7. ĐƠN CỰC TỪ hình như có sự thiếu vắng tính đối x ứng. Ta sẽ xem xét kĩ vấn đề nêu trên. II. Hệ phương trình Mắc-xoen [2] 1. Định luật Gau-xơ cho từ họ c Đ ịnh luật Gau-xơ cho từ học một trong những phương trình cơ b ản của điện từ học – là một cách hình thức để ta diễn đạt kết luận rút ra từ những hiện tượng từ mà ta quan sát được, cụ thể là không tồn tại các cực từ cô lập. Phương trình này khẳng định là từ thông toàn phần B qua một mặt Gau-xơ kín phải bằng 0: (p.t 1 ) B   Β.dA  0 (Đ ịnh luật Gau-xơ cho từ học) Ta đối chiếu phương trình này với định luật Gau-xơ cho điện học, đó là (p.t 2 )  0E   0  E.dA  q (Đ ịnh luật Gau-xơ cho từ học) Trong cả hai định luật này, tích phân được lấy theo một mặt Gau-xơ hoàn toàn kín. Việc số không chỉ xuất hiện ở vế phải của p.t. 1 mà không có ở vế phải của p.t. 2 có nghĩa là trong từ học không có “từ tích tự do” tương ứng với điện tích tự do trong điện học. 6
  8. ĐƠN CỰC TỪ H ình 2a cho thấy mặt Gau-xơ được đánh d ấu I, bao một đầu của ống dây ngắn. Như đ ã thấy, ống dây thẳng như vậy tạo ra một từ trường giống trường của một lưỡng cực từ ở khoảng cách xa. Đối với những điểm xa như thế, đầu của ống dây thẳng b ị bao bởi mặt I thể hiện giố ng cực từ bắc. Lưu ý đường sức từ đi vào mặt Gau-xơ ở trong ố ng dây thẳng và đi ra khỏi mặt ở ngoài ống dây thẳng. Không có đường nào được sinh ra hoặc kết thúc ở trong m ặt này, nói cách khác không có nguồn sinh hoặc hủ y B , hay nói cách khác nữa không có các cực từ tự do. Như vậy đối với mặt I ở hình 2a, thông lượng toàn phần B bằng 0, như định luật Gau-xơ cho từ học (p.t. 1 ) đòi hỏi. Ta cũng có B  0 cho mặt II trên hình 2, và cho mọi m ặt kín có thể vẽ trên hình này. Sự việc cũng không thay đổ i nếu ta thay ống dây thẳng 7
  9. ĐƠN CỰC TỪ ngắn bằng một thỏ i nam châm ngắn, như trên hình 2b. Ở đ ây B cũng bằng 0 cho mọi mặt kín mà ta có thể vẽ. H ình 2c cho thấy một sự tương tự tĩnh điện với hai lưỡng cực từ này. Nó gồ m hai đĩa tròn tích điện trái dấu đặt đối diện với nhau. Ở những điểm ở xa điện trường E của hệ đĩa này cũng là điện trường của một lưỡng cực. Tuy nhiên, trong trường hợp này có thông lượng toàn phần (hướng ra ngoài) của đường sức qua mặt Gau-xơ đánh dấu I; có nguồn sinh ở bên trong mặt, cụ thể là mặt I bao quanh điện tích dương (các điện tích âm ở đĩa kia hủy các đường sức điện trường). Dĩ nhiên đối với m ặt Gau-xơ đánh d ấu II ở hình 2 c, ta có E  0 , vì mặt này không bao điện tích gì cả. 2. Các phương trình cơ bản của điện từ học Số Phương Trình Thư Mục Tên  E.dA  q /  0 Định luật Gau-xơ về điện họ c I p .t. 3 Định luật Gau-xơ về từ học  B.dA  0 II p .t. 4 d B Định luật cảm ứng của Fa-ra-đây III p .t. 5  E.dS   dt  B.dS  0i Định luật Am-pe IV p .t. 6 3. Sự bất đối xứng thứ nhất Sự bất đối xứng này gắn liền m ột sự thực là trong tự nhiên tồn tại các tâm tích điện cô lập như electron, proton… nhưng hình như không có các tâm mang từ tích (đơn cực từ). Như vậy ta phải đoán nhận như thế 8
  10. ĐƠN CỰC TỪ nào về việc có đại lượng q ở vế phải của p.t. 3 nhưng lại không có đại lượng từ tương tự ở vế phải của p.t. 4. Tương tự như vậy vế phải của p.t. 6 có số hạng 0i( 0 dq / dt ) nhưng vế phải của p.t. 5 lại không có số hạng tương tự (tức là dòng của các đơn cực từ). “Sự thiếu đối xứng” này, kết hợp với sự tiên đoán chi tiết của vài lí thuyết sơ bộ về bản chất của các hạt sơ cấp và các lực, đã thúc đẩy các nhà vật lí tìm kiếm một cách rất nghiêm túc và bằng nhiều con đường khác nhau các đơn cực từ, song không ai tìm thấy cả. Tuy nhiên cũng có mộ t vài đầu mối, như thể thiên nhiên đang gợi ý và hướng d ẫn các nhà vật lí trên bước đường khám phá của họ. 4. Sự bất đối xứng thứ hai Sự bất đối xứng này nổi cộm lên như một ngón tay đau vậy: ở vế p hải của định luật Fa-ra-đây về cảm ứng (p.t. 5) ta thấy có số hạng dB / dt , và ta đoán nhận định luật này một cách linh ho ạt như sau: N ếu ta thay đổi một từ trường ( dB / dt ) ta sẽ tạo ra một điện trường (  E.dS) Từ nguyên lí đ ối xứng, ta có quyền nghĩ rằng phải có một quan hệ đối xứng với quan hệ trên, cụ thể là: N ếu ta thay đổi một điện trường ( dE / dt ) ta sẽ tạo ra một từ trường (  B.dS ). K ết luận này chỉ dựa trên đơn thuần vào lập luận đối xứng và đã tỏ ra là đúng khi ta kiểm tra b ằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm – Nó cung cấp cho chúng ta số hạng còn thiếu trong p.t 6. 9
  11. ĐƠN CỰC TỪ Thật khó tin rằng ở đây thiên nhiên lại cố tình xoá bỏ đi tính đố i x ứng đẹp đẽ vốn có của mình. Một số nhà vật lí đã nghĩ như vậy. Do đó ngay sau khi lí thuyết Mắc-xoen vừa mới ra đời, người ta cố tìm những bằng chứng chứng tỏ rằng trong tự nhiên có từ tích. Người ta coi lớp từ tích kép (tương tự lớp điện tích kép) là một trong những bằng chứng đó. Một số nhà vật lí có niềm tin vào sự tồn tại của các từ tích rất mãnh liệt. Họ coi định luật tương tác giữa các từ tích cũng giống như định luật tương tác giữa các điện tích, nghĩa là tương tác giữa các từ tích cũng tuân theo định luật Cu-lông. Trong m ột thời gian dài không có mộ t quan sát nào, không có một sự kiện thực nghiệm nào chứng tỏ về sự tồn tại của các từ tích. Vì vậy giả thiết về từ tích, về định luật tương tác giữa các từ tích hầu như không được nhắc đến. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là giả thiết về từ tích đã bị loại bỏ, mà ngược lại, nó còn được khôi phục và phát triển. V iệc khôi phục này bắt đầu từ ý kiến của Đi-rắc, một trong những nhà vật lí lỗi lạc nhất của thời đại chúng ta. N ăm 1931, Đi-rắc đưa thêm vào trong hệ p hương trình Mắc-xoen đại lượng từ tích và dòng từ (nói đúng hơn là mật độ từ tích và mật độ d òng từ) tương tự như điện tích và dòng đ iện.Việc đưa ra các đại lượng đó xuất phát từ lập luận của ông là, không có mộ t định luật vật lí nào cấm khả năng tồn tại các từ tích dương, các từ tích âm một cách tách biệt nhau. Hay nói đúng hơn là cho đến lúc đó chưa tìm thấy một định luật nào như thế. Đi-rắc gọi các từ tích dương, các từ tích âm tồn tại mộ t cách tách biệt là các đ ơn cực từ. Ý tưởng đó như sau: 10
  12. ĐƠN CỰC TỪ III. Đơn cực Đi-rắc và sự H ệ phương trình Maxwell dưới lượng tử hoa điện tích [3] d ạng vi phân e 1. Đ ơn cực Đi-rắc .E  (p.t. 7) 0 Có m ột vấn đề cơ bản trong .B  0 (p.t. 8) việc mô tả đơn cực từ trong  E   Β cơ học lượng tử. Chúng ta (p.t. 9) t chú ý rằng: những đại lượng  B  0 je  E (p.t. 10) t cơ bản trong điện động lực học cổ đ iển là điện trường và Để giữ tính đối ngẫu củ a điện từ chúng ta thừ a nh ận rằng: Nếu đơn cự c từ tồn từ trường. Mặt khác, trong tại (nhưng thực nghiệm chưa tìm ra), cơ học lượng tử điện trường chúng ta có thể viết lại các phương trình trên b ằng cách thêm vào đại lượng mật và từ trường không đủ để mô độ từ tích m và mật độ dòng từ jm . Hệ tả hoàn toàn các hiệu ứng phương trình Maxwell được viết lại: điện từ trường về tính sóng  .E  e (p.t. 11) của các hạt mang điện. Do 0 vậy, những đại lượng cơ b ản .B  m (p.t. 12) trong điện động lực học  E   B  0 jm lượng tử không phải là điện (p.t. 13) t trường và từ trường nữa mà  B  0 je  E (p.t. 14) t thay thế nó là một véctơ trường gọi là véctơ THẾ Nhận xét: các phương trình trên không thay đổ i nếu ta thay: A và một hàm thế vô hướng E  B ; B  E . e ; je  m ; jm Theo giải tích véctơ: A ; m ; jm   e ;  je .( A)  0 (a) 11
  13. ĐƠN CỰC TỪ Do đó, chúng ta có thể viết: B   A (b) K hi đó p.t. 8 sẽ tự nhiên thỏa mãn ( .B  .( A)  0 ) V éctơ A trong phương trình (b) là véctơ thế đóng vai trò cơ bản trong điện độ ng lực học lượng tử. Mặt khác, p.t. 12: .B  m cho thấy không thể viết: B   A  .B  .( A)  m  Mâu thuẫn. Từ đó cho thấy ta không thể sử dụng phương trình (b) với sự có m ặt của véctơ thế A . Chúng ta chú ý rằng: cần có véctơ A trong vật lý lượng tử, với lí do: véctơ A có thể mô tả electron trong từ trường. N hư vậy, chúng ta thừa nhận sự không tồ n tại của đ ơn cực từ để giữ lại véctơ thế A . Tuy vậy, năm 1931, Đi-rắc đã chỉ ra rằng thực sự chúng ta có thể giữ lại cả đơn cực từ và véctơ thế A trong điện động lực họ c lượng tử; kết quả này ông nhận được từ một kết quả khác bất ngờ và thú vị. Trước tiên chúng ta giải thích xem làm thế nào mà ông đ ã giải quyết được mâu thuẫn trên và thừa nhận sự tồn tại của đơn cực từ. Chúng ta nhớ lại định lí Gau-xơ mở rộng cho sự mở rộng của đơn cực từ.  .B dV= g (p.t. 15) V 12
  14. ĐƠN CỰC TỪ V ới: V là mộ t thể tích bất kì bao quanh đơn cực từ. g là độ lớn từ tích của đơn cực từ. N hiệm vụ của chúng ta là tìm véctơ thế A , để trong từ trường B , hai phương trình: B   A  .B dV= g cùng thỏa mãn. V à: V Từ đó, ta có thể viết lại phương trình (b). (p.t. 16) B   A  δ K hi đó:  .B dV=  .( A)dV   δdV V V V =>  .B dV=  δdV= g (vì .( A)  0 ) (p.t. 17) V V  .δ   δ.dS  g Đ ịnh lí Gau-xơ: V V K hi đó m ục đích của chúng ta là viết từ trường B càng gần với   A càng tố t, chúng ta phải cho δ b iến hẳn hết ở mọi nơi để B  .A (nhớ rằng δ không thể b iến m ất ở mọ i nơi vì từ p.t. 17 tích phân của δ trên mặt S không thể bằng 0). Đi-rắc đ ã lí giải rằng: chúng ta có thể x em xét, lựa chọn δ để nó biến mất ở mọi nơi trên mặt S trừ đ iểm P nơi mà nó có giá trị bằng  . δ có giá trị  tại P với lí do sau: giả sử δ=0 ở mọi nơi trên b ề mặt S trừ tại điểm P thì nó hữu hạn, theo toán học có thể 13
  15. ĐƠN CỰC TỪ chứng minh tích phân của một hàm nào đó trên mặt S sẽ bằng 0, trái với p.t 17. Do đó, trên bề m ặt S chúng ta có: 0 (với δ   (p.t. 18) B   A  δ    Bây giờ, chúng ta nhắc lại, thể tích V được chọn tùy ý và p.t. 15 đúng cho mọ i thể tích chứa đơn cực từ, khi đó với lập luận trên, δ phải tiến tới  tại m ột điểm trên mặt kín S bao quanh thể tích V. V ới việc chọn các mặt kín khác nhau dẫn đ ến δ phải bằng  trên một đường thẳng liên kết từ đơn cực đến vô hạn, như hình vẽ, dây đ ặc biệt đó gọ i là dây Đi-rắc (Dirac String). Vì từ trường là m ột đ ại lượng vật lý có thể đo đạc được, nó không thể bằng  tại b ất kì điểm nào. Tính cân đối của p.t. 18 trong từ trường bao gồm các véc tơ thế A phải bằng  hoặc duy nhất trên dây Dirac để hủy bỏ giá trị  của δ . Từ đó sự hiện diện của đơn cực từ và véctơ thế không xác định rõ ở m ọi nơi. Do vậy để diễn tả tích chất vật lý của đơn cực từ chúng ta phải sử dụng hai véctơ thế A1 và A2, liên hệ với nhau bởi sự chuyển đ ổi như hình vẽ b ên (khi véctơ thế duy nhất (kì dị) trên dây Đi-rắc, chúng ta cần hai véc tơ thế A1 và A2 để mô tả electron trong từ trường của đơn cực từ). 14
  16. ĐƠN CỰC TỪ 2. Sự lượng tử hóa Bây giờ chúng ta nói đến một hệ quả đáng chú ý của cấu trúc trên là: Đi- rắc đã chỉ ra rằng sự tồn tại của đơn cực từ đã giải thích được sự lượng tử hóa điện tích của electron. Trong tự nhiên, tất cả các điện tích đ ều bằng số nguyên lần điện tích của electron. N ếu chúng ta gọi điện tích của electron là e, thì tất cả các điện tích trong tự nhiên đều được biểu diễn dưới d ạng ne, với n là số nguyên. Tính chất đặc biệt này của điện tích được biết đến như là sự lượng tử hóa của điện tích. Trước Đi-rắc không có ai giải thích được hiện tượng này. Sử dụng khái niệm đơn cực từ, Đi- rắc bất ngờ đã tìm ra lời giải thích về sự lượng tử hóa của điện tích. Nói đúng hơn, sự lượng tử hóa Đi-rắc cho chúng ta thấy sự tồn tại của từ tích, và trong các phương trình thì tất cả điện tích và từ tích trong tự nhiên, ei và gi phải thỏ a mãn: eigj = (1/2)nij, với nij là một số nguyên. Chúng ta cần nhấn mạnh rằng, sự lượng tử hóa Đi-rắc phải được áp d ụng cho tất cả các điện tích và từ tích trong tự nhiên. Điều này chỉ có thể x ảy ra nếu có sự tồn tại của điện tích và từ tích nguyên tố, e0 và g0. K hi đó điện tích và từ tích sẽ được biểu diễn thông qua: Đ iện tích ei trong tự nhiên, ei = nie0, với ni là một số nguyên. Từ tích gj trong tự nhiên, gj = njg0, với nj là một số nguyên. H ơn nữa, e0 và g0 p hải duy nhất và b ản thân chúng thỏa mãn phương trình lượng tử hóa Đi-rắc. e0g0 = (1/2)n0, n0 là một số nguyên. 15
  17. ĐƠN CỰC TỪ Tạm thời bỏ qua các hạt quark thì chúng ta có thể coi e0 là điện tích của electron, điện tích nguyên tố. K hái niệm đơn cực từ lần đầu được Đi-rắc đưa ra vào năm 1931,và sau này được nhắc đến trong thuyết thống nhất (GUT). Đi-rắc cho rằng cơ chế của lượng tử tương đố i tính d ẫn đến việc lượng tử hóa cả điện tích e lẫn từ tích g của điện tử hay các hạt mang điện. Từ tích của mộ t đơn cực từ có điện tích e sẽ là: g2 = n  c  với n=1,2,3…    2e  khi đó, g = c = 1 chính là hằng số mạng tinh thể. 2 c e2 137 Ý định của Đi-rắc là mong muốn có sự đối xứng hoàn toàn giữa các điện tích và từ tích trong lí thuyết của mình. Ông cho rằng, về điện tích đã có điện tích nguyên tố thì về từ cũng có từ tích nguyên tố . Cũng theo lí thuyết của ông, từ tích nguyên tố lớn gấp 70 lần điện tích nguyên tố. Do đó lực tương tác giữa hai từ tích nguyên tố lớn gấp 5000 lần lực tương tác giữa hai điện tích nguyên tố. Sự chênh lệch quá nhiều giữa điện tích nguyên tố và từ tích nguyên tố là điều b ất lợi cho lí thuyết của Đi-rắc. Mặc dù vậy, sau khi ra đ ời lí thuyết đó được sự ủng hộ của nhiều người, hay ít ra là có nhiều người không phản đối. Có nhiều lí do dẫn đ ến tình hình đó. 16
  18. ĐƠN CỰC TỪ  Trong lịch sử p hát triển của vật lí đã từng có những ý tưởng lúc đầu có sức lôi cuốn rất lớn, nhưng sau đó không ai để ý đ ến nữa. Ý tưởng về việc chế tạo động cơ vĩnh cữu là một ví dụ như thế, bởi vì ý tưởng đó trái với định luật b ảo toàn năng lượng. Nhưng ở đ ây ý tưởng về sự tồn tại các đơn cực từ không thấy có mâu thuẫn gì với những nguyên lí tổng quát của vật lí.  Thứ hai là, sự tồn tại các đơn cực từ có thể giải thích được tại sao điện tích có thể tồn tại dưới d ạng rời rạc (điện tích của một số hạt hay một vật bằng mộ t số nguyên lần điện tích nguyên tố ) mà không phải dưới dạng liên tục.  Thứ b a là, mặc dù giá trị lớn của từ tích nguyên tố có phần nào phá vỡ tính đối xứng giữa từ tích và điện tích, nhưng lúc ấy người ta lại hi vọng rằng giá trị lớn của từ tích có thể giải thích được giá trị lớn của lực hạt nhân và tính bền vững của các hạt sơ cấp. Có mộ t chi tiết khá lí thú là trong khi Đi-rắc đang xây d ựng lí thuyết đơn cực từ thì Tam, một nhà vật lí lỗi lạc người Nga và cũng là bạn của Đi- rắc đến thăm Kem-bơ-rít-giơ, nơi làm việc của Đi-rắc. Trong những buổi trao đổi với Đi-rắc, Tam đã tỏ ra rất lạc quan với kết quả mà Đi-rắc thu được. Chính Tam đã nêu ý định áp d ụng giả thiết lực tương tác giữa các từ tích vào lí thuyết lực hạt nhân. Nhưng chẳng bao lâu sau ông không còn giữ ý đ ịnh đó nữa và đến năm 1934, Tam đã xây dựng lí thuyết lực hạt nhân mà không cần đến các từ tích. IV. Tìm kiếm đơn cực từ Sau khi Đi-rắc công bố lí thuyết của mình thì việc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sôi nổi trong các phòng thí nghiệm. Theo lí thuyết của Đi-rắc thì 17
  19. ĐƠN CỰC TỪ đơn cực từ đứng yên gây ra từ trường, đơn cực từ chuyển động gây ra cả từ trường và điện trường. Vận tốc của các đơn cực từ càng lớn thì đ iện trường do nó gây ra cũng càng lớn. Điện trường của các đơn cực từ tác dụng lên các điện tích của môi trường sẽ gây ra sự ion hoá các nguyên tử của môi trường. Phép tính chi tiết chứng tỏ rằng khả năng ion hoá của các đơn cực từ mạnh hơn khả năng ion hoá của các điện tích khoảng 5000 lần. V ì vậy, để phát hiện các đơn cực từ người ta bắn các hạt nhanh vào lớp nhũ tương hạt nhân. N ếu trong số hạt nhanh có một hạt nào đó mang từ tích thì do khả năng ion hoá mạnh của từ tích nên trong lớp nhũ tương sẽ xuất hiện một vết rất rõ ghi lại đường đi của hạt đó. N goài ra, còn mộ t điểm khác biệt nữa giữa sự ion hoá bởi điện tích và từ tích. Một hạt mang điện tích có vận tốc lớn thì khả năng ion hoá không phụ thuộ c vào vận tốc của hạt. Khi vận tốc giảm đến mộ t giá trị nào đó thì khả năng ion hoá lại tăng lên rất rõ rệt. Còn hạt mang từ tích thì khả năng ion hoá hầu như không đổi trên toàn đoạn đường đi của nó. V ì những điều nói trên nên trong lớp nhũ tương ta có thể p hân biệt được vết của những hạt mang điện tích và của những hạt mang từ tích. V ết của những hạt mang điện tích thường không rõ bằng vết của những hạt mang từ tích. Ngoài ra trên vết của hạt mang điện tích sẽ có độ đậm nhạt khác nhau: đoạn cuối đ ậm hơn đoạn đầu. Còn vết của hạt mang từ tích thì độ đậm nhạt giống nhau từ đầu đến cuối. N guyên tắc của phương pháp tìm kiếm đơn cực từ nói trên đ ã được áp dụng ngay từ những thí nghiệm đầu tiên vào năm 1931, sau khi Đi-rắc công bố công trình của mình. Lúc đó có tin đồ n rằng phương pháp thí 18
  20. ĐƠN CỰC TỪ nghiệm nói trên đã phát hiện được đơn cực từ trong tia vũ trụ. Nhưng chẳng bao lâu sau thì được biết tin đồn đó là sai. K ể từ đó người ta đã bỏ nhiều công sức và trí tuệ vào việc tìm kiếm đơn cực từ. Người ta tìm đơn cực từ trong tia vũ trụ, trong các m ảnh thiên thạch rơi xuố ng Trái Đất, trong các lớp đá trầm tích dưới đáy biển và nhất là trong các máy gia tốc. Có thể nói rằng bất kì máy gia tốc nào trên thế giới được đưa vào hoạt động ở thời đó đều có mộ t nhóm các nhà thực nghiệm thực hiện cuộ c “săn lùng” đơn cực từ trong các máy gia tốc đó. 1. Sơ lược về máy gia tốc [4] Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường đ ể tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc. Vì vậy nguyên lý ho ạt độ ng, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc là khác nhau. Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được sử d ụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp. N gười ta phân biệt hai loại máy gia tốc: máy gia tốc thẳng và máy gia tốc vòng. Máy gia tố c thẳng là loại máy gia tốc cổ. Máy gia tốc thẳng cổ nhất là máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e-ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ đ iện trường. Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV. Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc, người ta thường dùng phố i hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng. Mộ t số máy gia tốc thẳng có thể kể đ ến là chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu tiên được tiến hành vào năm 1959. Máy gia tố c vòng là loại 19

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản