Đề tài Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa Vật Lý- lớp Lý 3A    Giáo viên hướng dẫn : TSKH. Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Đỗ Thị Thu Hà Vũ Thanh Huy Nguyễn Văn Hùng Hoàng Văn Hưng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................3 TỔNG QUAN .................................................................................................................4 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT ..................................5 I. Các tương tác trong tự nhiện ....................................................................................5 I.1. Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính của vũ trụ "................................................5 I.1.1. Quan điểm Newton...................................................................................5 I.1.2. Quan điểm Einstein (tương đối):...............................................................6 I.1.3. Quan điểm lượng tử:.................................................................................7 I.2. Tương tác điện từ: "Chất keo dính của các nguyên tử" .....................................7 I.2.1. Trường điện từ .........................................................................................7 I.2.2. Cơ học lượng tử: ......................................................................................8 I.3. Tương tác mạnh: " Chất keo dính của các hạt " ................................................8 I.4. Tương tác yếu: .................................................................................................9 II. Sự phát triển các quan điểm tương tác điện từ ..........................................................9 II.1. Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại ...............................................................9 II.1.1. Sự xuất hiện danh từ “điện” ......................................................................9 II.1.2. Sự xuất hiện danh từ “từ” .......................................................................10 II.2. Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ .......................................................11 II.2.1. Tương tác tĩnh điện ................................................................................11 II.2.1.1. Điện tích - Định luật bảo toàn điện tích .................................................11 II.2.1.2. Điện tích và cấu trúc của vật chất..........................................................13 II.2.1.3. Tương tác giữa 2 điện tích điểm - Định luật Coulomb ...........................16 II.2.1.3.1 Thí nghiệm đo lực điện ................................................................16 II.2.1.3.2 Định luật Coulomb:......................................................................18 II.2.2. Điện trường là gì ?..................................................................................19 II.2.2.1. Điện trường và lực điện ........................................................................19 II.2.2.2. Véctơ cường độ điện trường..................................................................20 II.2.2.3. Nguyên lý chồng chất điện trường. .......................................................22 II.2.2.4. Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường. ...................22 II.2.2.5. Năng lượng điện trường ........................................................................25 II.2.3. Tương tác tĩnh từ. ...................................................................................26 II.2.3.1. Từ tích - đơn cực từ : ............................................................................27 II.2.3.2. Định luật Ampere về tương tác giữa hai yếu tố dòng.............................28 II.2.4. Từ trường là gì?......................................................................................29 II.2.4.1. Từ trường và lực từ ...............................................................................29 II.2.4.2. Véctơ từ trường ....................................................................................30 II.2.4.3. Nguyên lý chồng chất từ trường: ...........................................................31 II.2.4.4. Đường cảm ứng từ - định luật Gauss cho từ trường: ..............................32 II.2.4.4.1 Đường cảm ứng từ .......................................................................32 II.2.4.4.2 Định luật Gauss cho từ trường. .....................................................32 II.2.4.5. Năng lượng từ trường ...........................................................................33 II.2.5. Điện từ trường ........................................................................................35 II.2.5.1. Từ trường biến thiên - nguồn sinh ra điện trường ..................................35 II.2.5.1.1 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ: .........................................35 II.2.5.1.2 Luận điểm thứ nhất của Maxwelll ................................................37 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 2 II.2.5.2. Điện trường biến thiên - nguồn sinh ra từ trường..................................39 II.2.5.2.1 Định luật Ampere về lưu thông từ trường: ...................................39 II.2.5.2.2 Khái niệm về dòng điện dịch - luận điểm thứ hai của Maxwell: ....40 II.2.5.3. Trường điện từ - môi trường vật chất ....................................................43 II.2.5.4. Hệ phương trình Maxwell .....................................................................43 II.3. Bộ rung điện Herzt - bằng chứng thực nghiệm cho lý thuyết trường điện từ. ..45 II.3.1. Cấu tạo:..................................................................................................45 II.3.2. Kết quả thí nghiệm .................................................................................46 II.3.3. Phát hiện ra sóng điện từ ........................................................................46 II.3.4. Kết luận..................................................................................................47 II.4. Tương tác điện từ - thuyết trường lượng tử (QED) ........................................48 II.4.1. Thí nghiệm Lamb-Retherfor:..................................................................49 II.4.1.1. Phương án thí nghiệm ...........................................................................49 II.4.1.2. Kết quả thí nghiệm................................................................................50 II.4.1.3. Phân tích kết quả thí nghiệm: ................................................................50 II.4.2. Hạt nhân của thuyết điện động lực học lượng tử (QED)..........................52 II.4.2.1. Khái niệm trường lượng tử....................................................................52 II.4.2.2. Chân không lượng tử ............................................................................53 II.4.2.2.1 Chân không là gì ? .......................................................................53 II.4.2.2.2 Vậy chân không lượng tử là gì?....................................................54 II.4.3. Điện động lực học lượng tử. ...................................................................56 II.4.3.1. Định nghĩa ............................................................................................56 II.4.3.2. “Photon ảo” và tính chất của tương tác điện từ theo QED .....................57 II.4.3.3. Tái chuẩn hóa .......................................................................................58 II.4.4. Thực nghiệm kiểm tra thuyết ..................................................................60 II.4.4.1. Giải thích sự dịch chuyển Lamb............................................................60 II.4.4.2. Moment từ dị thường của electron ........................................................61 II.4.4.3. Hiệu ứng Casisir - lực xuất hiện từ chân không. ....................................61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................65 Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 3 MỞ ĐẦU Tương tác điện từ là một trong những tương tác cơ bản, vô cùng phổ biến và quan trọng trong vũ trụ, tầm ảnh hưởng và ứng dụng của nó ngày càng được mở rộng ra mọi mặt trong cuộc sống. Thế nhưng hệ thống kiến thức về tương tác điện từ vẫn chưa được trình bày một cách có hệ thống, có tính khái quát cao. Một bộ phận không nhỏ sinh viên còn chưa có một hệ thống kiến thức đầy đủ, logic, khoa học về tương tác điện tử. Cũng như nhằm đáp ứng nhu cầu của một bộ phận không nhỏ những người đam mê nghiên cứu về các hiện tượng điện từ. Do đó, với đề tài này nhóm chúng tôi sẽ cung cấp cho độc giả một hệ thống kiến thức phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu hiện nay cũng như cho công việc giảng dạy về sau. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 4 TỔNG QUAN Trên cơ sở phân tích các tài liệu của các tác giả khác, nhóm nhận thấy:  Kiến thức về tương tác điện từ trong các tài liệu được trình bày một cách rời rạc, không có hệ thống liên tục, gây khó khăn cho người sử dụng tài liệu, vì phải sử dụng nhiều tài liệu khác nhau trong quá trình nghiên cứu, học tập.  Đồng thời những kiến thức được nêu ra mang tính chất áp đặt, thiếu những thí nghiệm để dẫn đến các định luật định lý, thiếu các lập luận logic dẫn dắt vẫn đề, làm cho người đọc khó nắm bắt được bản chất của vấn đề. Qua đó, nhóm quyết định xây dựng một bức tranh tổng quát về các quan điểm tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng tử. Nội dung đề tài được xây dựng một cách chặt chẽ, logic. Các định luật, định lý được xây dựng từ các thí nghiệm, sử dụng ngôn ngữ toán học một cách chặt chẽ, dẫn dắt người đọc đi sâu vào vấn đề. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 5 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT I. Các tương tác trong tự nhiện Thế giới xung quanh chúng ta đầy rẫy những phương tiện gây tác động: những chiếc vợt đập vào quả bóng, những vận động viên nhảy cầu có thể tung mình lao xuống từ những cầu nhảy cao, các nam châm lớn nâng những đoàn tàu cao tốc trên đường ray riêng của chúng… Và bản thân chúng ta cũng có thể tác động lên các vật bằng cách kéo, đẩy hoặc lắc chúng, bằng cách ném hoặc bắn các vật khác vào chúng, bằng cách kéo giãn, vặn xoắn hoặc nghiền nát chúng, hoặc bằng cách làm lạnh, đốt nóng, hoặc đốt cháy chúng… Trong suốt thế kỷ XX, các nhà vật lý đã tích lũy được rất nhiều bằng chứng cho thấy tất cả những tương tác đó giữa các vật và các chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn tương tác: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. I.1. Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính của vũ trụ " Là tương tác quen thuộc nhất. Chính lực này đã giữ cho Trái Đất của chúng ta quay quanh Mặt Trời và cũng nhờ nó mà bàn chân chúng ta bám chặt được vào mặt đất. Tương tác hấp dẫn là tương tác giữa các hạt vật chất có khối lượng. Bán kính tác dụng của lực hấp dẫn lớn vô cùng nhưng so với các tương tác khác thì cường độ của tương tác hấp dẫn là rất nhỏ. I.1.1. Quan điểm Newton Lí thuyết mang tính định lượng đầu tiên của lực hấp dẫn xây dựng trên các quan sát do Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 trong cuốn “Principia” của ông. Ông viết rằng lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời và các hành tinh phụ thuộc vào lượng vật chất mà chúng chứa. Nó truyền đi những khoảng cách xa và luôn luôn Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 6 giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công thức viết cho lực F giữa hai vật có khối lượng m1 và m2 cách nhau khoảng r là 1 2 2 m m F G r  trong đó G là hằng số tỉ lệ, hay hằng số hấp dẫn. Newton không hoàn toàn hài lòng với lí thuyết của ông vì nó giả sử một tương tác xuyên khoảng cách. Khó khăn đã bị loại trừ khi khái niệm trường hấp dẫn được nêu ra, một trường thấm đẫm không gian và được truyền đi một cách tức thời. Lí thuyết Newton được áp dụng rất thành công cho cơ học thiên thể trong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19. I.1.2. Quan điểm Einstein (tương đối): Vào năm 1845, Leverrier tính thấy quỹ đạo của Thủy tinh tiến động 35” trên thế kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không. Năm 1915, Einstein mới có thể giải thích được sự không nhất quán này. Einstein đã sửa đổi dạng của định luật vạn vật hấp dẫn để cho phù hợp với các nguyên lý tương đối. Nguyên lý đầu tiên nói rằng khoảng cách x không thể được vượt qua một cách tức thời nhưng lý thuyết Newton lại bảo rằng lực tác dụng tức thời. Do đó Einstein phải tiến hành sửa đổi các định luật Newton lại, những sửa đổi đó phải rất nhỏ. Nội dung của việc sửa đổi như sau: vì ánh sáng có năng lượng do đó sẽ có khối lượng, mà mọi vật có khối lượng đều hút nhau. Einstein chỉ ra rằng trường hấp dẫn là đại lượng hình học vạch rõ cái gọi là thời gian đích thực, đó là khái niệm nhận cùng một giá trị trong mọi hệ tọa độ tương tự như khoảng cách trong không gian thông thường. Ông cũng thành công trong việc xây dựng các phương trình cho trường hấp dẫn được đặt tên là các phương trình Einstein, và với các phương trình này ông đã có thể tính được giá trị đúng cho sự tiến động đối với quỹ đạo của Thủy tinh. Các phương trình đó cũng cho giá trị đo được của sự lệch của các tia sáng truyền qua mặt trời và không còn có sự nghi ngờ nào rằng các phương trình đó cho kết quả chính xác đối với sự hấp dẫn vĩ mô. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 7 I.1.3. Quan điểm lượng tử: Lực hấp dẫn giữa 2 hạt vật chất được mang bởi một hạt, được gọi là hạt graviton. Hạt này có spin bằng 2, không mang điện, không có khối lượng nghỉ và có tầm tác dụng là vô cùng. Các sóng này rất yếu và khó phát hiện do đó chưa quan sát được cụ thể bằng thực nghiệm trên Trái Đất. I.2. Tương tác điện từ: "Chất keo dính của các nguyên tử" Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện như electron, proton … I.2.1. Trường điện từ James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cuối cùng đã thống nhất các khái niệm điện và từ thành một lí thuyết về điện từ. Lực này được trung chuyển bởi trường điện từ. Có 2 loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm. Lực giữa hai điện tích dương cũng như giữa hai điện tích âm đều là lực đẩy, lực giữa một điện tích âm và một điện tích dương là lực hút. Trong thế giới vi mô, ở quy mô nhỏ như các nguyên tử và phân tử, lực điện từ chiếm ưu thế so với lực hấp dẫn. Lực hút điện từ giữa các electron mang điện âm trong nguyên tử và các proton mang điện dương trong hạt nhân nguyên tử làm cho các electron “quay” xung quanh hạt nhân nguyên tử. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 8 I.2.2. Cơ học lượng tử: Trường điện từ có thể hiểu là dòng các hạt nhỏ gọi là photon cấu thành nên trường điện từ. Nếu chúng ta nghĩ lực điện giữa hai điện tích là trường điện từ trung chuyển nó xuyên khoảng cách, thì bây giờ chúng ta có thể có một bức tranh cơ bản hơn dưới dạng một dòng photon gửi ra từ hạt đến chạm vào hạt kia. Tương tác điện từ được hình dung như được gây bởi sự trao đổi một số lớn photon. Các photon được trao đổi khi đó là các hạt “ photon ảo”. I.3. Tương tác mạnh: " Chất keo dính của các hạt " Tương tác mạnh có liên quan đến lực hạt nhân mạnh - là lực tương tác giữa các proton và neutron bên trong hat nhân nguyên tử, giữ cho proton và neutron ở trong hạt nhân. Tương tác mạnh là tương tác giữa các hadron như tương tác giữa các nuclon trong hạt nhân tạo nên lực hạt nhân hay tương tác dẫn đến sự sinh hạt hadron trong các quá trình va chạm giữa các hadron. Ngày nay người ta tin rằng lực hạt nhân được “mang” bởi một hạt gọi là hạt gluon có spin bằng 1 và có “màu sắc”. Hạt gluon chỉ tương tác với chính nó và với các hạt quark. Lực hạt nhân mạnh có một tính chất kì lạ là sự “cầm tù”: nó luôn luôn liên kết các hạt lại thành các tổ hợp “không có màu”. Sự “cầm tù ” không cho phép có mặt một gluôn riêng lẻ tự nó, vì mỗi gluôn đều có “màu sắc”; thay vì thế người ta cần phải có một tổ hợp các gluôn với tổng màu là “trắng”(một tập hợp như thế tạo nên một hạt không bền gọi là “glueball” ). Việc “cầm tù” không cho phép chúng ta quan sát được một gluon cô lập dường như làm cho toàn bộ khái niệm về các gluon trở nên hơi có vẻ siêu hình. Tương tác mạnh cũng là tương tác giữa các pi-mezon và K-mezon và các hiperon với các nuclon và giữa chúng với nhau. Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 9 I.4. Tương tác yếu: Tương tác yếu gây ra sự phóng xạ và chỉ thể hiện ở lực hạt nhân yếu tác dụng lên các hạt có spin 1/2, chứ không tác dụng lên các hạt có spin 0, 1, 2 như photon và graviton. Năm 1967 các nhà bác học A. Salam và S. Weinberg đưa ra giả thuyết ngoài photon còn có 3 hạt có spin bằng 1 khác gọi là các hạt bôzôn- véctơ nặng mang lực hạt nhân yếu. Đó là các hạt W+, W- và Z0 , mỗi hạt có khối lượng tương ứng khoảng gần 200 nghìn me (khoảng 100 tỉ electron- vôn). Ở những năng lượng cao, lớn hơn 100 tỉ electron- vôn nhiều thì ba hạt mới này xử sự một cách hoàn toàn tương tự như photon (có tính cách như hạt photon). Ở những năng lượng thấp hơn thì ba hạt mới này lại có khối lượng lớn làm cho các lực mà chúng mang lại có tầm tác dụng ngắn. Năm 1983, tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu ( CERN) nhờ có máy gia tốc mạnh người ta đã phát hiện được ba hạt này có tính chất và khối lượng đúng như giả thuyết. II. Sự phát triển các quan điểm tương tác điện từ II.1. Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại II.1.1. Sự xuất hiện danh từ “điện” Chuyện xảy ra ở Hy Lạp khoảng 2600 năm về trước. Nhà triết học Thales có một cô con gái. Nàng tuy còn nhỏ tuổi nhưng đã biết dệt rất khéo. Nàng được cha mẹ mua cho một con thoi bằng hổ phách rất đẹp, do một tay thợ khéo xứ Phênixi chuốt. Một hôm, cô bé lỡ tay đánh rơi con thoi xuống nước. Nàng bèn dùng vạt áo len lau con thoi. Khi lau xong, thì nàng thấy con thoi bám đầy tơ len. Ngỡ là thoi còn chưa ráo nàng lại lau mạnh hơn, nhưng lạ thay, tơ len lại càng bám nhiều hơn trước. Kinh ngạc, nàng vôi chạy đi tìm cha để cha giảng giải cho nàng về hiện tượng kì lạ đó. Nghe con gái kể lại đầu đuôi câu chuyện, Thales cũng hết sức ngạc nhiên. Vốn là một triết gia chân chính, ông bèn làm lại và nghiên cứu hiện tượng đó. Quả nhiên, sự việc xảy ra đúng như cô bé kể. Thales bèn dùng dạ xát những Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Trang 10 con thoi bằng hổ phách khác, những vòng tròn và những thanh bằng hổ phách, và ông cũng thu được kết quả y hệt như trước. Hổ phách, trong tiếng Hy Lạp “elektron” vì vậy người ta mới gọi cái lực thần bí dó là “electrictite” có nghĩa là “điện”. Sau này người ta còn thấy có cả thủy tinh, lưu huỳnh, nhựa cây, lụa và nhiều thứ khác cũng có tính chất như hổ phách. II.1.2. Sự xuất hiện danh từ “từ” Mốc sự kiện đầu tiên là vào khoảng 900 năm trước công nguyên, một người chăn cừu tên là Magnus đã phát hiện ra một hiện tượng lạ trong tự nhiên và khiến con người chú ý. Khi anh ta đi ngang qua một khu vực có những phiến đá màu đen, anh đã phát hiện ra là những cái đinh và đầu cây gậy bằng sắt của anh bị những phiến đá này hút một cách kì lạ. Đá nam châm Hiện tượng này đã khiến chàng chăn cừu Magnus vô cùng ngạc nhiên, và cũng từ đó khu vực này đã được con người chú ý đến nhiều hơn. Sau đó, khu vực này đ