Tài liệu độc » Tài liệu kỹ thuật

TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT CƠ BẢN VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN - 47 trang

MỤC LỤC
PHẦN MỘT : TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT CƠ BẢN
I. Tương tác điện từ
1. Tương tác điện từ – Các quá trình điển hình    3
2. Cơ chế của tương tác điện từ    3
3. Phân cực chân không    5
II. Tương tác hấp dẫn
1. Định luật vạn vật hấp dẫn    6
2. Biểu thức gia tốc rơi tự do    7
3. Trường hấp dẫn, trường trọng lực    7
III. Tương tác mạnh
1. Hadron và mẫu quark    9
2. Spin đồng vị và đối xứng Unitan    10
3. Các hạt lạ và đối xứng SU(3)    11
4. Các quark    14
5. “Hương vị” và “màu sắc”    15
IV. Tương tác yếu
1. Các quá trình tương tác yếu ( TTY )    16
2. Cơ chế trao đổi tương tác yếu    19
V. Sự thống nhất vĩ đại của các loại tương tác    20
PHẦN HAI: CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
I. Định luật bảo toàn số Lepton    21
II. Định luật bảo toàn số Baryon    22
III. Định luật bảo toàn số lạ    23
IV. Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ tổ hợp CP
1. Những điều phiền phức với tính chẵn lẻ    24
2. Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ tổ hợp CP    25
V. Định luật bảo toàn Spin đồng vị
1. Spin đồng vị    26
2. Định luật bảo toàn Spin đồng vị    27
VI. Định luật bảo toàn năng lượng
1. Tổng quan về năng lượng    27
2. Định luật bảo toàn cơ năng trong trường lực thế    28
3. Bảo toàn năng lượng    30
4. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần trong phản ứng hạt nhân    31
VII. Định luật bảo toàn điện tích
1. Điện tích    33
2. Định luật bảo toàn điện tích    34
3. Định luật bảo toàn điện tích trong phản ứng hạt nhân    35
4. Điều gì sẽ xảy ra nếu định luật bảo toàn điện tích không nghiệm đúng?    36
VIII. Định luật bảo toàn số nucleon( Bảo toàn số A)    37
IX. Định luật bảo toàn động lượng
1. Động lượng của một hệ cô lập, định luật bảo toàn động lượng    37
2. Bảo toàn động lượng theo phương    39
3. ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng    40
4. Định luật bảo toàn động lượng trong phản ứng hạt nhân    42
X. Định luật bảo toàn mômen động lượng
1. Mômen động lượng của một chất điểm    43
2. Mômen động lượng của một vật rắn    44
3. Định luật bảo toàn mômen động lượng    45
4. Một số ví dụ về sự bảo toàn mômen động lượng    45
. 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 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  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) ;
 ; 
    trong đó chỉ có các lepton và photon tham gia.
b) ; ;
các hadron ; 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 :
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 ( 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 ee+ 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 ee+
    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 ee+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 nguyên nhân này  gọi là hằng số “ chạy” . ở khoảng cách bé , r    q, q là xung lượng truyền lớn, người ta thường nói  là hàm của q. Hằng số  = 1/137 nói trên chỉ tương ứng với khoảng cách lớn đáng kể và xung lượng bé q  mec khi   . giá trị của  tăng theo hàm lôgarít của q. Các hằng số tương tác của tương tác yếu và mạnh cũng là hằng số chạy nhưng ngược lại chúng giảm khi q tăng. Ngoại suy “ bước chạy” này, có thể tìm thấy ở một xung lượng đủ lớn, các “ hằng” của cả ba tương tác này trở nên như nhau. Đó là cơ sở để xây dựng mẫu thống nhất vĩ đại, các tương tác điện từ, mạnh và yếu.
II. TƯƠNG TÁC HẤP DẪN:
Nhiều hiện tượng trong tự nhiên chứng tỏ rằng các vật có khối lượng luôn luôn tác dụng lên nhau những lực hút. Trọng lực là lực hút của Trái Đất lên các vật xung quanh. Trái Đất quay xunh quanh Mặt Trời là do lực hút của Mặt Trời, Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất là do lực hút của Trái Đất.  Giữa các vì sao trong vũ trụ cũng có lực hút lẫn nhau…. Các lực đó gọi là lực hấp dẫn vũ trụ Trong số bốn lực thì lực hấp dẫn lầ yếu nhất, yếu tới mức chúng ta không thể nhận thấy nó, nếu nó không có hai tính chất đặc biệt sau: nó có thể tác dụng trên khoảng cách lớn và luôn là lực hút. Điều này có nghĩa là những lực hấp dẫn rất yếu  giữa các hạt cá thể thuộc hai vật thể lớn,  chẳng hạn như Trái Đất và Mặt Trời, có thể cộng gộp lại để tạo nên một lực cực lớn. Ba loại lực còn lại, hoặc có tâm tác dụng ngắn, hoặc đôi  khi là lực hút, đôi khi là lực đẩy, vì vậy chúng có xu huớng triệt tiêu nhau. Theo cách nhìn nhận của cơ học lượng tử đối với lực hấp dẫn thì giữa hai hạt vật chất đựoc mang bởi một hạt có spin 2,  gọi là hạt graviton. Hạt này không có khối lượng riêng nên có tầm tác dụng dài. Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời chính là do trao đổi các graviton giữa các hạt tạo nên hai vật thể đó, mặc dù các hạt trao đổi là ảo, nhưng điều chắc chắn là chúng tạo ra một hiệu ứng đo được, đó là làm cho Trái Đất quay quanh mặt trời. Các graviton tạo nên cái mà các nhà vật lí cổ điển gọi là sóng hấp dẫn, chúng đều rất yếu và khó phát hiện tới mức  cho đến nay vẫn chưa thể quan sát được.
1. Định  luật vạn vật hấp dẫn:
Cuối thế kỉ XVII, trên cơ sở nghiên cứu sự rơi của các vật cũng như chuyển động của Mặt Trăng quanh Trái Đất và của các hành tinh quanh Mặt Trời, Newton đi tới nhận định : Mọi vật trong tự nhiên đều hút nhau với một lực gọi là lực hấp dẫn .Với nhưng vật có thể coi là chất điểm, lực này tuân theo định luật sau đây, gọi là định luật vạn  vật hấp dẫn:
“Lực hấp dẫn giữa hai vật (coi như chất điểm ) tỷ lệ cới tích của hai khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng”.
                                      
Trong đó m,m là khối lượng của hai vật, r là khoảng cách giữa chúng.
Hệ số tỷ lệ G là một hằng số chung cho mọi vật gọi là hằng số hấp dẫn.Vào năm 1798, nhà bác học người Anh Ca-van-di đã dùng một cân xoắn rất nhạy để đo lực hấp dẫn giữa hai quả cầu , từ đó xác định được G. Giá trị của G ta thương dùng là: G = 6,67.10N.m/kg
Do G rất nhỏ nên F chỉ đáng kể khi ít nhất một trong hai vật có khối lượng đáng kể (vào cỡ một thiên thể). Với các vật thông thường phải dùng những dụng cụ thí  nghiệm rất nhạy mới phát hiện được lực hấp dẫn giữa chúng (ví dụ như trong thí nghiệm Ca-ven-đi –xơ chẳng hạn).
Chú ý : Công thức  chỉ áp dụng cho trường hợp những chất điểm. Muốn tính lực hấp dẫn vũ trụ giữa các vật có kích thước lớn ta phải dùng phương pháp tích phân.
    Người ta chứng minh được rằng vì lý do đối xứng công thức này cũng được áp dụng cho trường hợp hai quả cầu đồng chất trong đó r là khoảng cách giữa hai tâm của hai quả cầu đó.

 

Tags:

Thuộc loại: Tài liệu kỹ thuật
Loại tài liệu:  Microsoft Word (.doc)
Gửi bởi: Guest Kích cỡ: *******
Mức phí: 20.000 vnd Lần tải: *******
Mã tài liệu: TLD13388 Ngày gửi: 22-01-2013

Hỗ trợ qua Email và Yahoo Chát

Nạp tiền bằng thẻ cào vui lòng click vào đây (Nhấn vào đây)

Email: info@tailieudoc.net  Yahoo:

Tải tài liệu này về máy chỉ với thẻ cào 20.000 VND. Vui lòng nạp thẻ tại đây

Tài liệu khác thuộc Tài liệu kỹ thuật