Bµi tiÓu luËn: “T¬ng t¸c gi÷a c¸c h¹t c¬ b¶n vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn”
- 1 -
DANH SÁCH SINH VIÊN THỰC HIỆN BÀI TIỂU LUẬN
STT HỌ VÀ TÊN GHI CHÚ
1 Vũ Thị Cảnh
2 Nguyễn Mạnh Duy
3 Đào Đông Dương
4 Nguyễn Trung Đoàn
5 Ngô Thị Giang
6 Nguyễn Thị Hạnh
7 Nguyễn Thị Hiền
8 Nguyễn Viết Hiếu Nhóm trưởng
9 Nguyễn Linh Hiệp
10 Nguyễn Đức Huỳnh
11 Lữ Thị Phương Lan
12 Nguyễn Thành Luân
13 Lê Thị Mậu
14 Nông Văn Thành
15 Nguyễn Thị Thuỷ
16 Nguyễn Thị Yến
17 Đoàn Thị Vui
18 Trần Thị Thu Trang
19 Lê Mạnh Tưởng
Bµi tiÓu luËn: “T¬ng t¸c gi÷a c¸c h¹t c¬ b¶n vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn”
- 2 -
PHẦN MỘT : TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT CƠ BẢN
Các hạt cơ bản luôn biến đổi và tương tác lẫn nhau. Ngày nay người ta biết có bốn loại
tương tác cơ bản trong tự nhiên. Bảng sau đây liệt kê bốn loại lực cơ bản đó theo thứ tự giảm
dần của cường độ và phạm vi ứng dụng:
Bảng các loại lực tương tác trong tự nhiên
Tên tương
tác
Độ mạnh
tương đối Nguồn Hằng số liên
kết
Phạm vi tác
dụng
Hạt truyền
tương tác
Tương tác
mạnh 1 Tích màu
a
~ 1 với r lớn,
< 1 với r nhỏ
10-15m Mezon/gluon
Tương tác
điện từ 10-2 Điện tích
a
= e2/
c =
1/137
Photon
Tương tác
yếu 10-5 Tích yếu
(Mc/
)2G/ c=
1,02.105
10-18 m
Các boson
trung gian
W±, Z0
Tương tác
hấp dẫn 10-39 Khối lượng GNM2/c=
0,53.10-38
Graviton
Trong đó : M : khối lượng nuclôn ; GN hằng số hấp dẫn
I. TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ :
Đây là tương tác giữa các hạt mang điện như các electron và các hạt quark, chứ không
phải những hạt không mang điện như graviton. Lực này lớn hơn lực hấp dẫn rất nhiều: lực điện
từ giữa hai electron khoảng triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu (1 với bốn mươi hai số không
tiếp sau) lần lực hấp dẫn giữa chúng. Tuy nhiên, có hai loại diện tích , điện tích âm và điện tích
dương. Lực giữa hai điện tích dương cũng như hai điện tích âm đều là lực đẩy, trong khi lực giữa
một điện tích dương với một điện tích âm lại là lực hút. Một vật thể lớn như Trái Đất và Mặt
Trời chứa các điện tích dương và các điện tích âm với số lượng gần bằng nhau. Vì vậy lực hút và
lực đẩy giữa các hạt cá thể gần như triệt tiêu nhau, lực điện từ tổng cộng còn lại gần như rất nhỏ.
Tuy nhiên ở quy mô như các hạt nguyên tử và phân tử thì lực điện từ lại chiếm ưu thế. Lực điện
từ giữa các electron mang điện âm và các proton mang điện dương trong hạt nhân làm cho các
electron quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử, hệt như lực hấp dẫn làm cho trái đất quay
xung quanh mặt trời. Lực điện từ được hình dung như được gây bởi sự trao đổi một số lớn các
Bµi tiÓu luËn: “T¬ng t¸c gi÷a c¸c h¹t c¬ b¶n vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn”
- 3 -
hạt không khối lượng, có spin 1 gọi là các proton thực . Các proton được trao đổi gọi là các hạt
ảo.
Tuy nhiên khi electron chuyển dộng từ quỹ đạo được phép sang một quỹ đạo được phép
khác gần hạt nhân hơn, năng lượng sẽ được giải phóng và một photon thực sự được phát ra
photon này có thể được quan sát bằng mắt người nếu có bước sóng ứng với ánh sáng nhìn thấy
hoặc bởi một màng như phim ảnh chẳng hạn. Cũng như vậy nếu một photon thực sự va chạm với
một nguyên tử nó có thể làm cho electron chuyển từ quỹ đạo gần hạt nhân hơn sang quỹ đạo
khác xa hơn. Quá trình này sử dụng hết năng lượng của photon, vì vậy nó đã bị hấp thụ.
1.Tương tác điện từ ( TTĐT) – Các quá trình điện từ điển hình :
TTĐT là tương tác giữa các hạt tích điện với trường điện từ. Sự nhất thiết có trường điện
từ tham gia là nét đặc trưng của TTĐT. Theo quan điểm lượng tử các hạt tích điện hoặc là thực
sự hấp thụ ( bức xạ ) photon hoặc là trao đổi photon cho nhau. Do kể cả các quá trình ảo trong
TTĐT có thể có các hạt trung hoà tham gia.
Các đặc trưng của tương tác điện từ là: bán kính tác dụng R =
( ứng với khối lượng
của photon bằng không), thời gian đặc trưng
10-20 sec, hằng số tương tác
1
137
do bán
kính tác dụng và cường độ tương tác lớn TTĐT xuất hiện ở mọi khoảng cách : vi mô, vĩ mô và
vũ trụ. TTĐT giữa hạt nhân nguyên tử và lớp điện tử tạo nên các nguyên tử và phân tử. TTĐT
cũng là bản chất của các lực thông thường trừ lực hấp dẫn: Lực đàn hồi, lực ma sát, lực căng mặt
ngoài… TTĐT có mặt trong hầu hết các hiện tượng quanh ta: Các hiện tượng vật lí, hoá học,
sinh học…
ở đây ta quan tâm đến các hiện tượng vi mô, các quá trình điển hình của tương tác điện từ
đó là:
a)
e e e e
;
e e
e e 2
; e e
trong đó chỉ có các lepton và photon tham gia.
b)
e p e p
;
2
c
;0 0
Bµi tiÓu luËn: “T¬ng t¸c gi÷a c¸c h¹t c¬ b¶n vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn”
- 4 -
e p e
các hadron ;e e
các hadron, đặc trưng bởi các hadron tham gia. ở
đây có cả tương tác mạnh và tính đến cấu trúc quark của các hạt.
2. Cơ chế của tương tác điện từ – giản đồ Feynman:
Mọi quá trình điện từ đều có thể tổng hợp từ quá trình cơ bản, giản đồ Feynman cho phép ta biểu
diễn quá trình điện từ từ quá trình cơ bản này và từ đó cho thấy rõ được cơ chế của quá trình.
Quá trình cơ bản của tương tác điện từ là quá trình một hạt tích điện phóng ra hay hấp
thụ một photon ở đây hạt tích điện là eletron hay pozitron, giản đồ Feynman của quá trình này
biểu diễn trên hình:
Đường liền nét biểu diễn electron ( pozitron ) ban đầu và cuối quá trình. Đường lượn
sóng biểu diễn photon. các hạt này là các hạt thực nên đường biểu diễn có một đầu ra xa vô hạn.
tuỳ theo trục thời gian hướng như thế nào mà mũi tên trên đường liền nét chỉ electron hay
pozitron. Ví dụ : trục thời gian hướng từ dưới lên trên. Khi đó mũi tên trên hai đường liền nét
cùng chiều vơí trục thời gian. Chúng chỉ các electron. Nếu trục thời gian hướng từ trái sang phải,
đường liền nét phía trên chỉ pozitron ( mũi tên ngược chiều với thời gian ), đường liền nét dưới
chỉ electron ( mũi tên cùng chiều với thời gian) … Ta có quy tắc sau : nếu mũi tên cùng hướng
với chiều thời gian thì đường liền nét chỉ hạt ( electron ). Đối với photon không cần mũi tên vì
hạt và phản hạt photon là một. Giản đồ này biểu diễn 6 quá trình khác nhau tuỳ theo chiều của
trục thời gian : quá trình electron hấp thụ hoặc bức xạ photon ( t1 ); qua trình pozitron hấp thụ
hoặc bức xạ photon ( t2) quá trình huỷ cặp e- - e+ ( t3) ; quá trình sinh cặp e- - e + ( t4)
Giản đồ đơn giản nhất của TTĐT gọi là giản đồ đỉnh và 3 đường xuất phát từ đỉnh đồ. Từ
giản đồ đỉnh ta xây dựng được giản đồ khác có nhiều đỉnh hơn diễn tả các quá trình phức tạp
hơn. Thí dụ giản đồ dưới đây :
t
3
t
1
t2
t
4
(1)
(4)
e
+
e
-
(6)
t
Bµi tiÓu luËn: “T¬ng t¸c gi÷a c¸c h¹t c¬ b¶n vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn”
- 5 -
Tất cả các quá trình đều ứng với trục thời gian từ trái sang phải. ở đây không vẽ chiều
mũi tên trên các đường liền nét : nếu lấy theo một chiều nào đó để diễn tả một quá trình thì với
chiều ngược lại, ta có quá trình khác bằng cách thay toàn bộ các hạt của quá trình trên bằng phản
hạt của chúng. Chỉ cần chú ý một điều : ở mỗi đỉnh phải có một mũi tên đi vào và một mũi tên đi
ra. Các đường cong nối hai đỉnh biểu diễn hạt ảo. Quá trình ( 1) và (2) là tán xạ Compton lên
electron ( hoặc pozitron ) . ở đây trường lực được mô tả bởi một electron ảo. Quá trình ( 3) là tán
xạ electron lên electron, trường lực được mô tả bằng một photon ảo. Có thể nói, ở dây cơ chế
TTĐT là trao đổi photon ảo. Tương tự như vậy ta có các quá trình huỷ cặp e-e+ hay sinh cặp ( 4
và 5 ), sinh cặp
do tương tác
e e
( 6).
Các giản đồ trên gọi là giản đồ cây. Trong giản đồ cây, giá trị xung năng lượng của các
hạt ảo được hoàn toàn xác định bởi xung lượng của các hạt thực. Các giản đồ này vô số tối thiểu
hạt ảo đối với một quá trình nhất định. Theo ngôn ngữ giản đồ Feynman, đó là bậc thấp nhất của
lí thuyết nhiễu loạn theo TTĐT. Bậc cao hơn của các nhiễu loạn được biểu diễn trong các giản
đồ vòng . Thí dụ giản đồ ( 7) ở phần trong, cặp e-e+ sinh ra bởi một photon ảo , rồi lại tự huỷ
thành một photon ảo khác. Chú ý là số đỉnh gấp đôi số đỉnh ở giản đồ ( 3) . Bậc nhiễu loạn của
giản đồ bằng số đỉnh của nó. Ví dụ ở giản đồ ( 3) , bậc nhiễu loạn ứng với e2 , còn ở (7) là e4 ,
cũng là nhiễu loạn bậc hai của quá trình tương tác cặp e-e+
Tương tự ta có giản đồ ( 8) diễn tả sự lan truyền photon trong chân không . ở đây cũng
có sự sinh và huỷ cặp e-e+ ảo ( tạo thành đường vòng kín ) : Hiện tượng này gọi là cực chân
không .
3. Phân cực chân không
Theo ĐĐLH lượng tử ( Quantum electrodynamics – QED ), hiện tượng phân cực chân
không dẫn tới sự che khuất điện tích của electron bởi pozitron ảo : electron khi phân cực chân
không hút về mình những pozitron ảo và đẩy những electron ảo ra xa. Do đó khi quan sát
electron từ khoảng cách xa, điện tích của nó hình như bị che phủ một phần . Đi sâu vào trong “
đám mây “ các cặp ảo, màn che giảm dần và diện tích quan sát được tăng lên. Thành thử điện
tích của e- là hàm của toạ độ e = e (r ) Điều đó có nghĩa là hằng số nhiễu loạn
=
(r ) . Vì