Tài liệu chuyên nghành vật lý - luận văn báo cao 2017

Lêi c¶m ¬n Sau mét thêi gian nghiªn cøu, díi sù híng dÉn tËn t×nh cña T.S NguyÔn ThÞ Hµ Loan, em ®· hoµn thµnh kho¸ luËn tèt nghiÖp víi ®Ò tµi: “CÊu tróc vËt chÊt theo quan ®iÓm t¬ng t¸c”. Em xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c nhÊt tríc tÊm lßng vµ sù chØ b¶o tËn t×nh cña c«. Qua ®©y, cho phÐp em göi lêi c¶m ¬n s©u s¾c tíi c¸c thÇy c« trong khoa còng nh c¸c thÇy c« trong trêng §¹i häc S ph¹m Hµ Néi II ®· gióp ®ì em hoµn thµnh kho¸ luËn nµy. Do thêi gian vµ kinh nghiÖm nghiªn cøu cßn h¹n hÑp cho nªn trong kho¸ luËn nµy ch¾c ch¾n cßn nhiÒu chç thiÕu xãt cha ®îc nh ý muèn. Em rÊt mong nhËn ®îc sù ®ãng gãp, chØ b¶o cña c¸c thÇy c«, c¸c b¹n ®Ó ®Ò tµi cña em ®îc hoµn thiÖn h¬n. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n. Hµ Néi, ngµy 10 th¸ng 6 n¨m 2017. Sinh viªn thùc hiÖn: TrÇn ThÞ H¶i YÕn Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan néi dung kho¸ luËn kh«ng trïng víi c«ng tr×nh nghiªn cøu cña bÊt kú mét t¸c gi¶ nµo tríc. KÕt qu¶ cã ®îc lµ do sù cè g¾ng nç lùc cña b¶n th©n díi sù híng dÉn, chØ b¶o tËn t×nh cña T.S NguyÔn ThÞ Hµ Loan. 1 Sinh viªn thùc hiÖn: TrÇn ThÞ H¶i YÕn Môc lôc Më ®Çu. Néi dung: Ch¬ng 1: C¸c lo¹i lùc t¬ng t¸c trong tù nhiªn. 1. T¬ng t¸c hÊp dÉn. 2. T¬ng t¸c ®iÖn tõ. 3. T¬ng t¸c m¹nh. 4. T¬ng t¸c yÕu. Ch¬ng 2: CÊu tróc vËt chÊt theo quan ®iÓm t¬ng t¸c. 1. CÊu tróc cña h¹t c¬ b¶n. 2. CÊu tróc cña h¹t nh©n nguyªn tö. 2 Trang 4 7 7 7 8 8 9 11 11 15 3. CÊu tróc cña nguyªn tö, ph©n tö. 4. CÊu tróc vËt chÊt vµ c¸c tr¹ng th¸i kh¸c nhau cña vËt chÊt Tæng kÕt. KÕt luËn. Tµi liÖu tham kh¶o. 21 25 29 30 31 Më ®Çu 1.Lý do chän ®Ò tµi: H¹t c¬ b¶n ®îc quan niÖm lµ “viªn g¹ch” ®Çu tiªn x©y dùng nªn thÕ giíi vËt chÊt. §Ó g¾n kÕt c¸c “viªn g¹ch” ®ã víi nhau cÇn ®Õn mét thø “hå keo” chÝnh lµ c¸c lo¹i t¬ng t¸c trong tù nhiªn. Trong giíi h¹n cña khoa häc hiÖn nay, t¬ng t¸c ®îc ph©n chia ra lµm bèn lo¹i: T¬ng t¸c hÊp dÉn, t¬ng t¸c ®iÖn tõ, t¬ng t¸c m¹nh vµ t¬ng t¸c yÕu. Trªn c¬ së nh÷ng hiÓu biÕt cña m×nh vÒ c¸c “h¹t” vµ c¸c lo¹i t¬ng t¸c, c¸c nhµ vËt lý lý thuyÕt ®ang hy väng x©y dùng ®îc mét lý thuyÕt thèng nhÊt vÒ cÊu tróc cña vËt chÊt trªn c¬ së c¸c lo¹i t¬ng t¸c. §©y lµ mét híng nghiªn cøu hÊp dÉn kh«ng chØ thu hót ®îc sù chó ý cña c¸c nhµ vËt lý lý thuyÕt mµ cßn l«i cuèn ®îc tÊt c¶ nh÷ng ai quan t©m tíi bøc tranh cÊu t¹o vËt chÊt cña chóng ta. Lµ mét sinh viªn vËt lý, sau bèn n¨m häc qua c¸c häc phÇn vËt lý ®¹i c¬ng, vËt lý lý thuyÕt ®· cã nh÷ng hiÓu biÕt nhÊt ®Þnh vÒ bøc tranh thÕ giíi vËt chÊt. Tuy nhiªn nh÷ng hiÓu biÕt ®ã cßn rêi r¹c, cha hÖ thèng. Sau ®Ò tµi nµy, em muèn x©u chuçi nh÷ng hiÓu biÕt trªn, bíc ®Çu trang bÞ cho m×nh c¸i nh×n kh¸i qu¸t thèng nhÊt vÒ cÊu tróc cña thÕ giíi vËt chÊt. Víi nh÷ng lý do nh trªn em quyÕt ®Þnh chän cho m×nh ®Ò tµi: “CÊu tróc vËt chÊt theo quan ®iÓm t¬ng t¸c”. §©y lµ mét ®Ò tµi hay, cã nhiÒu triÓn 3 väng. NÕu qu¶ thùc chóng ta x©y dùng ®îc mét lý thuyÕt thèng nhÊt vÒ cÊu tróc cña thÕ giíi vËt chÊt, mét ch©n trêi bao la ®Çy høa hÑn sÏ më ra. Chóng ta sÏ hiÓu ®îc b¶n chÊt cña c¸c hiÖn tîng vËt lý diÔn ra trong tù nhiªn tõ h¹t vi m« cho ®Õn c¸c vËt thÓ vÜ m«. 2.Môc ®Ých nghiªn cøu: Trong ®Ò tµi nµy sÏ ®i nghiªn cøu vÒ c¸c ®Æc ®iÓm, tÝnh chÊt cña c¸c lo¹i t¬ng t¸c trong tù nhiªn, vai trß cña tõng lo¹i t¬ng t¸c ë c¸c cÊp ®é cÊu tróc vËt chÊt. Tõ ®ã ®a ra bøc tranh cÊu tróc vËt chÊt, b¾t ®Çu tõ c¸c h¹t quark liªn kÕt víi nhau t¹o thµnh c¸c h¹t c¬ b¶n, c¸c h¹t nµy l¹i tæ hîp t¹o nªn h¹t nh©n nguyªn tö råi tíi nguyªn tö. Díi t¸c dông cña c¸c lùc liªn kÕt, c¸c nguyªn tö kÕt hîp víi nhau t¹o thµnh ph©n tö – phÇn tö nhá nhÊt cßn mang tÝnh chÊt cña hîp chÊt. C¸c ph©n tö, nguyªn tö s¾p xÕp theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh ®Ó t¹o nªn vËt chÊt ë c¸c tr¹ng th¸i kh¸c nhau. 3.§èi tîng, ph¹m vi nghiªn cøu: §èi tîng nghiªn cøu: vËt chÊt. Ph¹m vi nghiªn cøu: cÊu tróc dùa trªn quan ®iÓm c¸c lo¹i t¬ng t¸c trong tù nhiªn. 4.NhiÖm vô nghiªn cøu: - T×m hiÓu vÒ c¸c lo¹i t¬ng t¸c trong tù nhiªn. - CÊu tróc cña vËt chÊt: + CÊu tróc cña c¸c h¹t c¬ b¶n. + CÊu tróc cña h¹t nh©n nguyªn tö. + CÊu tróc cña nguyªn tö, ph©n tö. + CÊu tróc vËt chÊt vµ c¸c tr¹ng th¸i kh¸c nhau cña vËt chÊt. 5.C¸c ph¬ng ph¸p, ph¬ng tiÖn: - Ph¬ng ph¸p: ®äc, tra cøu tµi liÖu, quan s¸t, tæng kÕt kinh nghiÖm, pháng vÊn. - Ph¬ng tiÖn: Sö dông ph¬ng ph¸p to¸n cho vËt lý: Lý thuyÕt nhãm ®èi xøng SU(n). 4 Néi dung Ch¬ng 1: C¸c lo¹i lùc t¬ng t¸c trong tù nhiªn Theo quan ®iÓm cña vËt lý häc hiÖn nay cã bèn lo¹i t¬ng t¸c trong tù nhiªn. 1.T¬ng t¸c hÊp dÉn: T¬ng t¸c hÊp dÉn lµ lo¹i t¬ng t¸c g¾n liÒn víi “v¹n vËt” vµ kh«ng biÕt ®Õn vËt c¶n lµ g×. Do ®é lín cña lùc hÊp dÉn phô thuéc khèi lîng vµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai vËt nªn víi thÕ giíi vi m« lo¹i t¬ng t¸c nµy kh«ng cã vai trß ®¸ng kÓ. T¬ng t¸c hÊp dÉn lµ lo¹i t¬ng t¸c ®Æc trng cña c¸c vËt thÓ vÜ m« vµ vò trô, b¸n kÝnh t¸c dông cña nã cã thÓ tiÕn tíi v« cïng vµ nã kh«ng hÒ phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña hai vËt tham gia t¬ng t¸c. §¹i lîng ®Æc trng cho t¬ng t¸c hÊp dÉn lµ lùc hÊp dÉn: F = G. M 1M 2 2 R12 Víi G lµ h»ng sè hÊp dÉn cã ®é lín b»ng 6,672 . 10-11 N . m2/kg2. M1,M2 lµ khèi lîng cña c¸c vËt tham gia t¬ng t¸c. R12 lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai vËt . Theo thuyÕt t¬ng ®èi cña Enstein th× t¬ng t¸c hÊp dÉn còng kh«ng ph¶i lµ truyÒn ®i tøc thêi mµ truyÒn víi vËn tèc rÊt lín, lùc hÊp dÉn sÏ bÞ triÖt tiªu trong hÖ chuyÓn ®éng cã gia tèc. Tuy nhiªn theo quan ®iÓm vËn tèc giíi h¹n cña sù lan truyÒn sãng hÊp dÉn cho ®Õn nay vÉn lµ vÊn ®Ò nghiªn cøu cña c¸c nhµ b¸c häc v× vÊn ®Ò ®ã cã liªn quan ®Õn b¶n chÊt cña t¬ng t¸c hÊp dÉn. Theo c¸ch nh×n cña c¬ häc lîng tö ®èi víi lùc hÊp dÉn th× lùc gi÷a hai h¹t vËt chÊt ®îc mang bëi mét h¹t cã Spin b»ng 2 gäi lµ h¹t graviton. H¹t nµy kh«ng cã khèi lîng riªng v× vËy cã tÇm t¸c dông dµi. 2.T¬ng t¸c ®iÖn tõ: HiÓu mét c¸ch ®¬n gi¶n t¬ng t¸c ®iÖn tõ lµ lo¹i t¬ng t¸c gi÷a c¸c thµnh phÇn mang ®iÖn. Thùc ra trong cuéc sèng hµng ngµy chóng ta thêng gÆp nh÷ng biÓu hiÖn kh¸c nhau cña lùc t¬ng t¸c ®iÖn tõ nh tÝnh chÊt ma s¸t, sù ®µn håi, ho¹t ®éng cña c¬ b¾p, ®Æc biÖt thêng xuyªn tiÕp xóc víi t¬ng t¸c ®iÖn tõ ¸nh s¸ng khi nã gióp ta nh×n râ mäi vËt. N¨ng lîng cña t¬ng t¸c ®iÖn tõ trong 5 c¸c trêng hîp nµy ®îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng c¬ häc do lùc ma s¸t, lùc ®µn håi hay c¬ b¾p sinh ra. Theo quan niÖm, nguyªn nh©n g©y ra t¬ng t¸c ®iÖn tõ lµ sù tÝch ®iÖn cña c¸c ph©n tö tham gia t¬ng t¸c. Ta cã mét ®ai lîng ®Æc trng cho lo¹i t¬ng t¸c nµy lµ lùc Coulomb: F = k. q1 q 2 r122 Trong ®ã: k lµ h»ng sè Coulomb: 9.109 N.m2/C2. : q1,q2 lµ ®iÖn tÝch cña c¸c h¹t tham gia t¬ng t¸c. : r12 lµ kho¶ng c¸ch gi÷a chóng. Lùc ®iÖn tõ ®îc h×nh dung nh ®îc g©y bëi sù trao ®æi mét sè lín c¸c h¹t ¶o kh«ng cã khèi lîng tÜnh cã Spin b»ng 1 gäi lµ c¸c ph«t«n. Fara®©y lµ ngêi ®Çu tiªn chØ ra r»ng t¬ng t¸c ®iÖn tõ tån t¹i nhê cã trêng ®iÖn tõ xuÊt hiÖn xung quanh vËt tÝch ®iÖn. M¾c xoen lµ ngêi cã c«ng chØ râ t¬ng t¸c ®iÖn tõ lan truyÒn víi vËn tèc b»ng vËn tèc ¸nh s¸ng. Lùc ®iÖn tõ chi phèi tÝnh chÊt cña ªlectron trong nguyªn tö vµ ph©n tö, chi phèi tíi c¶ liªn kÕt cña c¸c ph©n tö víi nhau ®Ó t¹o thµnh vËt chÊt. Khi ®i s©u vµo thÕ giíi h¹t c¬ b¶n chóng ta sÏ thÊy t¬ng t¸c ®iÖn tõ kh«ng chØ g¾n liÒn víi lùc Coulomb mµ nã cßn biÓu hiÖn ë c¸c qu¸ tr×nh sinh cÆp ®iÖn tö Poditron vµ c¸c qu¸ tr×nh r· cña meron  thµnh cÆp ph«t«n hay sù ph©n r· cña hyperon thµnh hyperon vµ ph«t«n gama. 3.T¬ng t¸c m¹nh: Hay cßn gäi lµ t¬ng t¸c h¹t nh©n. §©y lµ lùc gi÷ cho c¸c h¹t quark ë trong pr«t«n, n¬tron vµ còng gi÷ cho pr«t«n vµ n¬tron trong nguyªn tö. Ngêi ta tin r»ng lùc nµy ®îc mang bëi h¹t cã spin b»ng 1 kh¸c gäi lµ gluon. H¹t gluon chØ t¬ng t¸c víi chÝnh nã vµ c¸c h¹t quark. Lùc h¹t nh©n cã mét tÝnh chÊt rÊt l¹ gäi lµ sù cÇm tï: nã lu«n liªn kÕt c¸c h¹t cã mµu thµnh nh÷ng tæ hîp h¹t kh«ng mµu. Lùc h¹t nh©n cßn cã mét tÝnh chÊt kh¸c n÷a gäi lµ sù tù do tiÖm cËn lµm cho kh¸i niÖm vÒ c¸c h¹t quark vµ gluon trë nªn hoµn toµn x¸c ®Þnh . T¬ng t¸c m¹nh tån t¹i gi÷a c¸c Ha®r«n vµ kh«ng tån t¹i ®èi víi c¸c h¹t LÐpt«n. Së dÜ gäi lµ t¬ng t¸c m¹nh v× nã ph¶i th¾ng ®îc lùc ®Èy Cul«ng ®¸ng lÏ lµm cho h¹t nh©n kh«ng bÒn v÷ng. B¸n kÝnh t¸c dông cña lùc t¬ng t¸c m¹nh vµo cì 10-15m. §¹i lîng ®Æc trng cho t¬ng t¸c m¹nh lµ lùc h¹t nh©n. §Æc tÝnh 6 c¬ b¶n cña t¬ng t¸c m¹nh lµ t¬ng t¸c gÇn, kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn tÝch mµ chØ phô thuéc vµo sù ®Þnh híng cña c¸c h¹t tham gia t¬ng t¸c. Thêi gian sèng cña t¬ng t¸c m¹nh nhá vµo cì 10-24(s). T¬ng t¸c m¹nh cã h»ng sè t¬ng t¸c lín, viÖc ®a vµo c¸c c«ng cô to¸n häc míi ®Ó nghiªn cøu lµ rÊt khã. Ta còng kh«ng thÓ dïng lý thuyÕt nhiÔu lo¹n ®îc v× c«ng cô nµy kh«ng thèng nhÊt cho tÊt c¶ c¸c h¹t. §Ó nghiªn cøu t¬ng t¸c m¹nh ngêi ta dïng lý thuyÕt nhãm ®èi xøng, dùa vµo lý thuyÕt nµy cã thÓ ghÐp c¸c quark l¹i víi nhau thµnh c¸c h¹t c¬ b¶n. 4.T¬ng t¸c yÕu: T¬ng t¸c yÕu lµ lo¹i t¬ng t¸c g¾n liÒn víi qu¸ tr×nh ph©n r· cña c¸c h¹t kh«ng bÒn v÷ng vµ c¸c qu¸ tr×nh phãng x¹ cña c¸c h¹t nh©n nguyªn tö. T¬ng t¸c yÕu chØ t¸c dông lªn c¸c h¹t cã Spin nguyªn nh ph«t«n hay gravit«n. T¬ng t¸c yÕu x¶y ra chËm h¬n so víi t¬ng t¸c m¹nh, thêi gian x¶y ra t¬ng t¸c yÕu vµo cì 10-10 – 10-8(s). B¸n kÝnh t¸c dông cña t¬ng t¸c yÕu còng nhá h¬n t¬ng t¸c m¹nh. Cã ngêi cho r»ng vai trß “con thoi” chuyÓn t¶i t¬ng t¸c yÕu lµ ®iÖn tö vµ ph¶n N¬trin« ( hay P«ditron vµ N¬trin« ). Khi ®i s©u vµo nghiªn cøu kü t¬ng t¸c yÕu ta sÏ lµm quen víi sù vi ph¹m tÝnh ®èi xøng kh«ng gian vµ tÝnh ®èi xøng g¬ng ( mµ ta cßn gäi lµ tÝnh ch½n lÎ ) trong c¸c t¬ng t¸c yÕu. Bèn lo¹i t¬ng t¸c chóng ta liÖt kª ra trªn ®©y tån t¹i víi c¸c ®Æc tÝnh riªng cña chóng. Trong thÕ giíi vi m« nÕu xÕp thø tù theo ®é lín th× ta sÏ cã tû lÖ nh sau: nÕu coi t¬ng t¸c m¹nh lµ 1 th× c¸c lo¹i t¬ng t¸c ®iÖn tõ, t¬ng t¸c yÕu vµ t¬ng t¸c hÊp dÉn sÏ lÇn lît lµ:10-3, 10-24 vµ 10-40. C¸c nhµ b¸c häc cña vËt lý häc hiÖn ®¹i ®ang t×m mèi liªn hÖ gi÷a c¸c lo¹i t¬ng t¸c víi ý ®å thèng nhÊt chóng l¹i víi nhau. 7 Ch¬ng 2: CÊu tróc vËt chÊt theo quan ®iÓm t¬ng t¸c 1.CÊu tróc cña h¹t c¬ b¶n: Nhµ b¸c häc lín cña thÕ giíi E.Eeemi ®· nãi: “ë mçi giai ®o¹n ph¸t triÓn cña khoa häc, chóng ta gäi nh÷ng h¹t mµ chóng ta kh«ng biÕt cÊu tróc mµ ®îc xem nh nh÷ng h¹t ®iÓm lµ nh÷ng h¹t c¬ b¶n”. C¸c nuclªon lµ nh÷ng h¹t c¬ b¶n, nhng ®Õn “giai ®o¹n ph¸t triÓn khoa häc” sau n¨m 1963 vÊn ®Ò cÊu tróc cña c¸c nuclªon ®· trë thµnh vÊn ®Ò ®îc c¸c nhµ b¸c häc thÕ giíi ghi nhËn (nhê nghiªn cøu cÊu tróc ®iÖn tõ cña c¸c nuclªon mµ R.Hotstadter ®· dîc tÆng gi¶i thëng Nobel )ngµy nay vÊn ®Ò cÊu tróc cña c¸c nuclª«n kh«ng cßn lµ vÊn ®Ò bµn c·i nhng do thãi quen chóng ta vÉn gäi chóng lµ nh÷ng h¹t c¬ b¶n. KÕt qu¶ nghiªn cøu cña c¸c nhµ b¸c häc MÜ díi sù chØ ®¹o cña R.Hotstadter vµ cña c¸c nhµ b¸c häc X« viÕt vÒ cÊu tróc cña c¸c nuclªon nhê t¸n x¹ ®µn håi cña c¸c ®iÖn tÝch tö trªn c¸c nuclªon hay cña c¸c  – Mezon lîng lín lªn pr«t«n cã thÓ biÓu thÞ th«ng qua c¸c h×nh vÏ díi ®©y:  4 r r 2 k -13 r(10 cm) -13 r(10 cm) 8 PhÇn lín khèi lîng cña nuclªon tËp trung trong vïng kh«ng gian cì 0,8 . 10-13cm bao quanh lµ mét líp vá Mªz«n xèp mµ ta cã thÓ gäi chóng lµ ®¸m m©y Mªz«n  víi kÝch thíc cì 1,4 . 10-13cm. Cã thÓ t¬ng t¸c m¹ng cña c¸c nuclª«n lµ qu¸ tr×nh “liªn kÕt” ®¸m m©y -Mªz«n nµy vµ trao ®æi Mªz«n cho nhau. Ngoµi Mªz«n - trong qu¸ tr×nh t¬ng t¸c cña c¸c nuclªon ngêi ta nhËn thÊy sù tham gia cña K – Mªz«n vµ Hypezon. B»ng c«ng thøc x¸c ®Þnh kÝch thíc: r= h MC Ngêi ta ®· x¸c ®Þnh ®îc b¸n kÝnh t¸c dông cña c¸c líp cÊu tróc cña nuclªon nh trªn h×nh vÏ. Ngoµi c¸c Lepton cã kÝch thíc bÐ vµ cã thÓ cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n h¬n, c¸c h¹t c¬ b¶n nãi chung ®Òu cã kÝch thíc vµ cÊu t¹o kh¸ phøc t¹p vµ cã thÓ hiÓu c¸c h¹t c¬ b¶n nh mét tæ hîp liªn kÕt cña nh÷ng h¹t kh¸c. Sö dông lý thuyÕt “sîi d©y” ®Ó m« t¶ cÊu tróc vµ t¬ng t¸c cña c¸c h¹t c¬ b¶n ta cã cÊu tróc cña c¸c h¹t nh sau: N¨m 1964 nhµ vËt lý Sweit ®· ®a ra mét gi¶ thuyÕt lµ tÊt c¶ c¸c h¹t c¬ b¶n cã thÓ x©y dùng tõ ba h¹t cã c¸c sè lîng tö ph©n sè mµ «ng gäi chóng lµ nh÷ng h¹t quark ( h¹t ma qu¸i ). Ngêi ta cha ph¸t hiÖn ®îc quark ë tr¹ng th¸i tù do riªng rÏ nhng cã rÊt nhiÒu d÷ kiÖn chøng tá quark ph¶i tån tai. VÊn ®Ò lµ c¸c h¹t ®îc cÊu t¹o tõ quark nh thÕ nµo? Nh ®· nãi trong ch¬ng tríc t¬ng t¸c m¹nh chÝnh lµ lùc gi÷ cho c¸c h¹t quark trong pr«t«n vµ n¬tr«n. Nhê cã tÝnh chÊt “cÇm tï” cña lùc h¹t nh©n mµ c¸c h¹t quark lu«n kÕt hîp ®îc l¹i thµnh nh÷ng tæ hîp kh«ng mµu. Ta kh«ng thÓ cã mét h¹t quark riªng rÏ v× nã sÏ cã mµu ( ®á, xanh hoÆc lôc). Thay v× thÕ, mét quark ®á cÇn ®îc kÕt hîp víi mét quark xanh vµ mét quark lôc b»ng mét d©y c¸c gluon (®á + xanh + lôc = tr¾ng). Mét tam tuyÕn nh thÕ t¹o nªn mét pr«t«n hoÆc mét n¬tron. Mét kh¶ n¨ng kh¸c lµ cÆp t¹o bëi mét quark vµ mét ph¶n quark. C¸c tæ hîp nh vËy t¹o nªn c¸c h¹t ®· biÕt lµ c¸c Mªzon, ®ã lµ c¸c h¹t kh«ng bÒn v× quark vµ ph¶n quark cã thÓ huû nhau t¹o thµnh ªlªctr«n vµ c¸c h¹t kh¸c. T¬ng tù sù cÇm tï còng kh«ng cho phÐp cã mét gluon riªng 9 lÎ, v× c¸c gluon còng cã mµu. Thay v× thÕ, ngêi ta cÇn ph¶i cã mét tËp hîp c¸c gluon víi tæng mµu lµ tr¾ng. Mét tËp hîp nh thÕ t¹o nªn mét h¹t kh«ng bÒn gäi lµ glueball. Sau ®©y chóng ta sÏ sö dông nhãm ®èi xøng SU(3) ®Ó nghiªn cøu sù t¹o thµnh c¸c h¹t c¬ b¶n tõ c¸c h¹t quark. 1 2 §èi víi b¸t tuyÕn : Do B = 1 cho nªn nã ph¶i ®îc t¹o thµnh tõ 3 quark. Khi mét h¹t ®îc t¹o ra tõ 3 quark, ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ to¸n tö trêng ®îc t¹o thµnh tõ 3 Spin¬ SU(3) c¬ së qi (i = 1,3 ). Spin¬ cÊp 3 cã 8 thµnh phÇn ®éc lËp ®îc ®Þnh nghÜa:  i j  k i,j, k = 1,2,3 Vµ cã tÝnh chÊt sau: 1.  i j  k = -  j i  k 2.  i j  k +  j k i +  k i  j =0 8 thµnh phÇn ®éc lËp øng víi 8 h¹t Baryon 1 2 Spin¬ nµy tho¶ m·n hÖ thøc: i' [ M a,  i j  k ]=-  a    2  i ' j  k i  i -  a    2 j' k'  i j j ' k -  a    2 k jk ' §Ó g¸n c¸c hµm trêng nµy cho c¸c h¹t, ta lµm t¬ng tù nh tríc ®©y ch¼ng h¹n: 10 i' [ I3 ,  12 1 ] =-  3    2 -  i '2 1 i  3    2 j' k'  1 j ' 1 j -  3    2 k 12  k ' =- 1  12 1 2 =- 1  12 1 2 Cuèi cïng ta cã kÕt qu¶: P = 2 12 1 ; 2  311 ; ∑+ = + n = 1  12 1 2 3  12  3 ;  0 -= 2 [ds]s  =- 3 [ud]s 1  12 1 2 2 12  2 ∑+ =  2 31 +  =- - 13  2 ; ∑+ = 2  2 3  2 = 2  311 ;  - = 2  23 3 H»ng sè chuÈn ho¸ ®îc x¸c ®Þnh tõ:   i j  k  i j  k = p p + n n +     + … Mçi tr¹ng th¸i tham gia víi träng lîng 1: Tõ trªn ta suy ra: P = 2 [ud]u ; n = 2 [ud]d ;   = 2 [su]u §èi víi 10   i , j ,k  3 2 ; 0= ;  = [su]s ;  0 = [ds]s + [us]d 2 [ds]d 2 hµm trêng m« t¶ c¸c tr¹ng th¸i cña h¹t nh ®· viÕt tríc ®©y . Lóc ®ã N*++ =  111 = uuu N++ = 3  112 = uud §èi víi c¸c meson, do B = 0 nªn chóng ph¶i ®îc t¹o thµnh tõ quark vµ ph¶n quark. Ph¶n quark ®îc m« t¶ bëi Spin¬ c¬ së meson 0 – qk . Do ®ã hµm trêng øng víi lµ Spin¬ h¹ng hai mét lÇn ph¶n bÊt biÕn vµ mét lÇn hiÖp biÕn i j víi tÝnh chÊt biÕn ®æi. 11 i' [ M a,  i j ] = -  a    2  a    2  i 'j +  ii ' i j =- i'  a   2 ,  j i Lóc ®ã: Y = 1, I = 1 2 , K+ = 13 , K0 =  23 1 Y = 0, I = 1, 2   = 1 ,  0 = Y = 0, I = 0,  = K0 = 32 , K- =  31 Y = - 1, I = 1 2 , 1 6 2 ( 11 -  22 ),  _ =  21 ( 11 +  22 - 2 33 ) 2.CÊu tróc cña h¹t nh©n nguyªn tö: H¹t nh©n nguyªn tö ®îc cÊu t¹o tõ c¸c pr«t«n vµ n¬tr«n: Pr«t«n (P): lµ h¹t mang ®iÖn tÝch d¬ng vÒ trÞ sè tuyÖt ®èi b»ng cña ªlªctron: 1,6 . 10-19(C) vµ cã khèi lîng b»ng cña h¹t nh©n nguyªn tö Hy®r«. N¬tr«n(n): Lµ h¹t trung hoµ vÒ ®iÖn cã khèi lîng lín h¬n cña pr«t«n mét chót. H¹t nh©n vµ c¸c thµnh phÇn lµ c¸c h¹t vi m«, tu©n theo quy luËt lîng tö vµ kh«ng ngõng chuyÓn ®éng v× vËy h¹t nh©n kh«ng cã giíi h¹n râ rµng. Víi mét møc ®é gÇn ®óng nµo ®ã cã thÓ coi phÇn lín khèi lîng cña h¹t nh©n tËp trung trong mét thÓ tÝch h×nh cÇu cã b¸n kÝnh R. Trong thùc tÕ nªn hiÓu kÝch thíc cña h¹t nh©n lµ kÝch thíc cña vïng giíi h¹n trong ®ã cã t¸c dông cña lùc h¹t nh©n. Liªn kÕt cña c¸c nuclªon bÞ chi phèi bëi t¬ng t¸c h¹t nh©n chóng chuyÓn ®éng bªn trong h¹t nh©n víi vËn tèc phi t¬ng ®èi tÝnh. Mét ®iÒu cÇn chó ý lµ lùc h¹t nh©n kh«ng chØ ®¬n thuÇn lµ lùc hót khi hai h¹t qu¸ gÇn nhau th× chóng xuÊt hiÖn t¬ng t¸c ®Èy. B¶n chÊt cña lùc h¹t nh©n cho ®Õn nay vÉn cßn lµ vÊn ®Ò cha gi¶ quyÕt triÖt ®Ó, tuy nhiªn c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ lùc h¹t nh©n cho phÐp rót ra mét sè tÝnh chÊt c¬ b¶n cña lùc h¹t nh©n: - Lùc h¹t nh©n cã tÝnh chÊt hót vµ lín vÒ gi¸ trÞ tuyÖt ®èi. N¨ng lîng liªn kÕt do lùc h¹t nh©n t¹o ra cña mçi nuclª«n cì Mev. 12 - Lùc h¹t nh©n cã b¸n kÝnh t¸c dông ng¾n cì 10 -15m. Sù gi¶m nhanh lùc h¹t nh©n khi t¨ng kho¶ng c¸ch vµ khi r >r 0 cã thÓ coi lùc h¹t nh©n kh«ng cßn t¸c dông n÷a. - Lùc h¹t nh©n cã tÝnh chÊt b·o hoµ nghÜa lµ mçi nuclªon trong c¸c h¹t nh©n chØ t¬ng t¸c víi mét sè h÷u h¹n c¸c nuclªon kh¸c cña h¹t nh©n (tÝnh chÊt nµy t¬ng tù tÝnh chÊt liªn kÕt ho¸ trÞ gi÷a c¸c nguyªn tè ho¸ häc). TÝnh chÊt b·o hoµ cña lùc h¹t nh©n cho thÊy mét ®iÒu lµ tÝnh chÊt hót cña nã sÏ bÞ thay ®æi khi hai nuclªon tiÕp cËn víi nhau cì kÝch thíc cña c¸c nuclªon. - Lùc h¹t nh©n kh«ng xuyªn t©m, tÝnh kh«ng xuyªn t©m ( kh«ng hoµn toµn ®èi xøng t©m) cña lùc h¹t nh©n biÓu hiÖn ë sù tån t¹i M«men tø cùc ®iÖn cña h¹t nh©n kh¸c tæng cña M«men tõ cña pr«t«n vµ n¬tron. - Lùc h¹t nh©n phô thuéc vµo Spin cña c¸c nuclª«n. TÝnh to¸n cho thÊy r»ng n¨ng lîng t¬ng t¸c do Spin quü ®¹o g©y ra chiÕm cì 10% toµn bé n¨ng lîng t¬ng t¸c h¹t nh©n. - Lùc h¹t nh©n cã tÝnh chÊt trao ®æi. TÝnh chÊt trao ®æi cña lùc h¹t nh©n biÓu hiÖn ë sù tån t¹i “lìng tö” truyÒn t¬ng t¸c lµ c¸c h¹t  – Mªz«n. - Lùc h¹t nh©n kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn tÝch cña c¸c h¹t tham gia t¬ng t¸c. - Lùc h¹t nh©n bÊt biÕn víi phÐp nghÞch ®¶o kh«ng gian tøc lµ ë t¬ng t¸c h¹t nh©n cã sù b¶o toµn ch½n lÎ. HiÖn nay cha cã lý thuyÕt hoµn chØnh cã thÓ gi¶i thÝch ®îc tÊt c¶ c¸c tÝnh chÊt cña lùc h¹t nh©n vµ gi¶ ®¸p ®îc tÊt c¶ c¸c vÊn ®Ò vÒ cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña c¸c h¹t nh©n nguyªn tö. Ngêi ta cè g¾ng dïng c¸c mÉu h¹t nh©n ®Ó gi¶ thÝch c¸c vÊn ®Ò Êy. C¸c nhµ b¸c häc ®· ®Ò xuÊt kh¸ nhiÒu m·u h¹t nh©n nh : mÉu giät, mÉu líp, mÉu suy réng, mÉu quang häc… Nhng kh«ng mÉu nµo cã thÓ gi¶i thÝch ®Çy ®ñ vÒ h¹t nh©n. Mçi mÉu dùa trªn quan niÖm kh¸c nhau vµ mçi mÉu ®Òu cã thÓ gi¶i thÝch ®îc mét sè kÐt qu¶ cña thùc nghiÖm. Tæng hîp l¹i ta thÊy r»ng víi vai trß bæ xung cho nhau c¸c mÉu ®· ®Ò cËp tíi t¬ng ®èi toµn diÖn c¸c vÊn ®Ò vÒ cÊu tróc h¹t nh©n vµ tÝnh chÊt cña nã. Do ch¬ng tr×nh h¹n chÕ chóng ta chØ xÐt mét sè mÉu:  MÉu giät: Trong tÊt c¶ c¸c mÉu h¹t nh©n, mÉu giät lµ ®¬n gi¶n nhÊt, mÉu giät do N . Bohr ®Ò ra n¨m 1936. MÆc dï ®¬n gi¶n nhng mÉu giät ®îc øng dông cã 13 kÕt qu¶ trong viÖc gi¶i thÝch nhiÒu tÝnh chÊt cña h¹t nh©n vµ ph¶n øng h¹t nh©n. MÉu giät xuÊt ph¸t tõ quan ®iÓm cho r»ng h¹t nh©n cã thÓ xem nh mét giät chÊt láng kh«ng nÐn ®îc cã mËt ®é lín (1014g/cm3). B¶ng sau ®©y sÏ cho chóng ta thÊy vÒ h×nh thøc cã nhiÒu nÐt t¬ng ®ång gi÷a tÝnh chÊt cña mét giät chÊt láng vµ h¹t nh©n . 1. 2. 3. 4. 5. Giät chÊt láng H¹t nh©n H×nh d¹ng: h×nh cÇu. 1. H×nh d¹ng: h×nh cÇu. T¬ng t¸c gÇn: c¸c ph©n tö 2. T¬ng t¸c gÇn vµ còng cã tÝnh trong giät chØ t¬ng t¸c víi c¸c chÊt b·o hoµ. ph©n tö gÇn trong giät vµ mang tÝnh chÊt b·o hoµ. MËt ®é ph©n tö cña mét giät 3. MËt ®é nuclªon kh«ng phô kh«ng phô thuéc vµo kÝch thíc thuéc vµo ®é lín cña h¹t nh©n. cña giät. Tån t¹i søc c¨ng bÒ mÆt. 4. Tån t¹i lùc b¶o toµn d¹ng. Khi t¨ng n¨ng lîng, giät co 5. Khi t¨ng n¨ng lîng , h¹t nh©n gi·n vµ khi nhiÖt ®é lín h¬n dao ®éng m¹nh h¬n vµ khi lín h¬n nhiÖt ®é s«i cña chÊt láng ®ã n¨ng lîng liªn kÕt h¹t nh©n sÏ ph©n giät sÏ bèc h¬i chia. Tuy nhiªn chóng ta còng cÇn lu ý tíi nh÷ng nÐt kh¸c biÖt rÊt c¬ b¶n . VÝ dô: lùc ph©n tö lµ lùc cña t¬ng t¸c ®iÖn tõ cßn lùc h¹t nh©n lµ mét lo¹i lùc ®Æc biÖt. ChuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö trong giät cã thÓ m« t¶ b»ng quan ®iÓm cæ ®iÓn cßn víi c¸c nuclªon mäi tÝnh chÊt g¾n liÒn víi quan ®iÓm lîng tö. Quan niÖm xuÊt ph¸t cña mÉu giät ®· dùa trªn c¸c d÷ kiÖn thùc nghiÖm cã tÝnh chÊt ®Æc trng cña giät chÊt láng lµ sù tû lÖ cña thÓ tÝch h¹t nh©n so víi sè nuclªon. Nh vËy, theo quan niÖm cña mÉu giät h¹t nh©n ph¶i lµ mét hÖ t¬ng t¸c m¹nh. §iÒu nµy lµ ®óng v× thùc tÕ lùc h¹t nh©n cã cêng ®é rÊt lín. Quan niÖm nµy kh¸c c¨n b¶n víi quan niÖm cña mÉu h¹t nh©n ®éc lËp. Mçi nuclªon trªn mÆt h¹t nh©n t¬ng t¸c víi mét sè nuclªon chÞu t¬ng t¸c víi mét sè nuclªon n»m s©u trong h¹t nh©n, v× vËy n¨ng lîng liªn kÕt toµn phÇn gi¶m mét lîng nµo ®ã tØ lÖ víi diÖn tÝch mÆt cña h¹t nh©n. - Thµnh c«ng vµ h¹n chÕ cña mÉu giät: 14 + Thµnh c«ng: ®· gi¶i thÝch ®îc ®óng ®¾n vµ chÝnh x¸c c¸c vÊn ®Ò cã liªn quan ®Õn n¨ng lîng liªn kÕt vµ hiÖn tîng ph©n chia h¹t nh©n. + H¹n chÕ: kh«ng cho gi¸ trÞ ®óng ®¾n cña n¨ng lîng kÝch thÝch. Kh«ng gi¶i thÝch ®îc c¸c cÊu tróc tinh vi néi t¹i trong h¹t nh©n.  MÉu líp: C¸c gi÷ kiÖn thùc nghiÖm cho chóng ta kÕt luËn r»ng, h¹t nh©n còng co cÊu t¹o líp vµ c¸c sè MagÝc øng víi sè nuclªon chiÕm ®Çy c¸c líp vµ t¹o thµnh c¸c h¹t nh©n bÒn v÷ng gièng nh nguyªn tö khÝ tr¬. Ta cÇn kh¼ng ®Þnh r»ng, kh¸i niÖm tån tai c¸c líp nh thÕ hoµn toµn m©u thuÉn víi quan niÖm xem h¹t nh©n lµ giät chÊt láng mµ ta sö dông trong mÉu giät. Nã kh«ng thÓ gi¶ thÝch ®îc hiÖu øng líp (c«ng thøc b¸n thùc nghiÖm kh«ng thÓ gi¶i thÝch ®îc c¸c hiªn tîng biÕn ®æi bÊt thêng cã liªn quan tíi sè MagÝc) trong khi ®ã viÖc m« t¶ c¸c h¹t nh©n nµy b»ng mÉu líp l¹i rÊt thµnh c«ng. §Ó thÊy râ ®iÒu kiÖn ph¸t sinh cña c¸c líp chiÕm ®Çy trong h¹t nh©n ta nh¾c l¹i nh÷ng ®iÒu kiÖn quyÕt ®Þnh sù h×nh thµnh c¸c líp ªlectron trong nguyªn tö. Elªctron t¹o thµnh c¸c líp trong vá nguyªn tö, chÞu t¸c dông cña trêng Cul«ng do h¹t nh©n g©y ra, trêng nµy cã thÓ xem lµ ®èi xøng cÇu. Do tÝnh chÊt ®èi xøng cÇu cña trêng, m«men quü ®¹o cña nã lµ mét tÝch ph©n chuyÓn ®éng, øng víi sè lîng tö quü ®¹o l. Mét møc n¨ng lîng cã thÓ t¬ng øng víi c¸c gi¸ trÞ l kh¸c nhau tøc lµ cã hiÖn tîng suy biÕn. MÆt kh¸c ªlectron tu©n theo thèng kª Fecmi - §ir¾c nªn sè ªlªctron trong mçi møc n¨ng lîng lµ h÷u h¹n vµ x¸c ®Þnh bëi tr¹ng th¸i suy biÕn cña c¸c møc. ChÝnh ®iÒu ®ã ®É dÉn ®Õn cÊu tróc líp. CÇn chó ý sù ph©n lo¹i c¸c ªlectron thµnh líp kÝn theo gi¸ trÞ m«men quü ®¹o l chØ cã thÓ ®îc khi t¬ng t¸c Spin – quü ®¹o nhá. §èi víi h¹t nh©n c¸c nuclªon còng tu©n theo thèng kª Fecmi - §ir¾c gièng nh ªlªctron. Cßn vÒ chuyÓn ®éng quü ®¹o th× cã vÎ v« lý v× tr¸i víi ªlªctron c¸c nuclªon t¬ng t¸c víi nhau rÊt m¹nh, chung kh«ng cã mét t©m lùc chung vµ qu·ng ®êng tù do trung b×nh cña c¸c nuclª«n tÝnh ®îc tõ gi¸ trÞ hiÖu dông rÊt nhá. Tuy nhiªn nh Weisskopf ®· chøng tá, t¬ng t¸c gi÷a c¸c nuclªon rÊt lín nhng va ch¹m gi÷a chóng l¹i rÊt hiÕm v× nÕu cã va ch¹m th× mét trong hai h¹t va ch¹m ph¶i mÊt n¨ng lîng vµ tôt xuèng møc thÊp h¬n. Nhng trong va ch¹m h¹t nh©n b×nh thêng kh«ng bÞ kÝch thÝch, tÊt c¶ c¸c møc n¨ng lîng ®Òu bÞ chiÕm ®Çy theo nguyªn lý Pauli kh«ng thÓ nhËn thªm nuclªon n÷a. Do ®ã qu·ng ®êng tù do trung b×nh cña c¸c nuclªon trë thµnh ®ñ lín so víi kÝch thíc 15 h¹t nh©n vµ ta cã thÓ nãi tíi chuyÓn ®éng x¸c ®Þnh hay quü ®¹o lîng tö cña mét h¹t riªng biÖt. T¬ng t¸c gi÷a hai nuclª«n ®îc m« t¶ b»ng méi hè thÕ s©u vµ hÑp (lùc h¹t nh©n cã cù ly ng¾n), mét nuclª«n chØ t¬ng t¸c víi mét sè nuclª«n kh¸c bªn c¹nh vµ mÆt kh¸c mËt ®é nuclª«n trong hatl nh©n hÇu nh kh«ng ®æi nªn nÕu céng c¸c hè thÕ gÇn nhau l¹i ta ®îc mét hè thÕ trung b×nh diÔn t¶ t¬ng t¸c gi÷a mét nuclª«n víi c¸c nuclª«n kh¸c. Mét trêng nh thÕ gäi lµ trêng tù hîp. ThÕ trung b×nh biÕn ®æi chËm trong lßng h¹t nh©n nhng triÖt tiªu rÊt nhanh trªn biªn, nghÜa lµ mét nuclª«n chØ chÞu t¸c dông cña c¸c nuclª«n kh¸c chñ yÕu khi nã gÇn biªn h¹t nh©n, cßn trong lßng h¹t nh©n nã chuyÓn ®éng t¬ng ®èi tù do.Cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng thÕ trung b×nh cã d¹ng ®èi xøng cÇu;mÆt kh¸c v× lùc h¹t nh©n kh«ng phô thuéc ®iÖn tÝch vµ rÊt lín so víi lùc Cul«nggi÷a c¸c pr«ton nªn cã thÓ xem hè thÕ trung b×nh cho pr«ton vµ n¬tr«n kh«ng kh¸c nhau, do ®ã chóng sÏ cã cïng sè MagÝc. Ta cã b¶ng so s¸nh c¸c ®Æc ®iÓm dÉn ®Õn cÊu t¹o líp ®èi víi nguyªn tö vµ ®èi víi h¹t nh©n : Nguyªn tö H¹t nh©n 1. £lªctron chuyÓn ®éng hÇu nh ®éc 1. Nuclª«n chuyÓn ®éng hÇu nh lËp trong trêng thÕ chung do h¹t nh©n ®éc lËp trong trêng thÕ chung do b¶n vµ b¶n th©n c¸c ªlªctron g©y ra. th©n c¸c nuclª«n g©y ra – hè thÕ ph¼ng vµ biªn t©m g©y ra. 2. H¹t nh©n lµ t©m lùc chung æn 2. Kh«ng cã t©m lùc chung. ThÕ ®èi ®Þnh ho¸ sù ph©n bè ®iÖn tÝch ®èi xøng cÇu chØ trong trêng hîp chiÕm xøng cÇu trong hÖ nªn thÕ ®¼ng híng ®Çy líp, khi ®ã ph©n bè mËt ®é lµ vµ ph©n bè mËt ®é lÊy trung b×nh ®¼ng híng. C¸c nh©n kh¸c nãi chung theo c¸c ph¬ng. kh«ng ®èi xøng cÇu. 3. N¨ng lîng liªn kÕt c¸c ªlectron 3. N¨ng lîng liªn kÕt c¸c nuclªon rÊt kh¸c nhau. kh«ng kh¸c nhau nhiÒu trõ trêng hîp h¹t nh©n nhÑ. 4. Liªn kÕt L – S 4. Liªn kÕt J – J. 5. Sè h¹t øng víi líp ®Çy: 5. Sè h¹t øng víi líp lÊp ®Çy 2,10,18,36,54,86. 2,8,20,50,82,126. 6. T¬ng t¸c gi÷a c¸c ªlªctron: cù ly 6. T¬ng t¸c gi÷a nuclª«n cù ly ng¾n xa vµ ®Èy. Tr¹ng th¸i thuËn tiÖn nhÊt vµ hót. Tr¹ng th¸i thuËn tiÖn nhÊt vÒ 16 vÒ n¨ng lîng cã ®èi xøng kh«ng gian cùc tiÓu. 7 . Tr¹ng th¸i c¬ b¶n Spin cã xu híng nhËn gi¸ trÞ lín nhÊt. n¨ng lîng cã ®èi xøng kh«ng gian cùc tiÓu. 7. Tr¹ng th¸i cña c¸c nh©n ch½n – ch½n I = 0, nh©n A lÎ nhËn I b»ng m«men cña nuclª«n ®¬n lÎ cuèi cïng. KÕt luËn vÒ mÉu líp: - Thµnh c«ng + T×m ®îc sè magÝc. + T×m ®îc J  cña h¹t nh©n: ch½n – ch½n, lÎ – lÎ, cã A lÎ. + M« t¶ ®îc mét sè tr¹ng th¸i kÝch thÝch thÊp. + Gi¶i thÝch ®îc sù tån t¹i vµ ph©n vïng ®îc c¸c tr¹ng th¸i ®ång ph©n. - H¹n chÕ cña mÉu líp: + Cha m« t¶ ®îc ph¶n øng h¹t nh©n. + Cha m« t¶ ®îc c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh ph©n chia h¹t nh©n. + Mét sè d÷ kiÖn thùc nghiÖm cña mét sè th«ng sè ( m«men tõ, tû sè x¸c suÊt dÞch chuyÓn gi÷a ®iÖn vµ tõ) cha trïng khíp víi kÕt qu¶ lý thuyÕt cña mÉu nµy. Ngoµi mÉu giät, mÉu líp c¸c nhµ vËt lý cßn ®a ra c¸c mÉu: mÉu suy réng, mÉu khÝ FÐcmi, mÉu quang häc… 3.CÊu tróc cña ph©n tö vµ nguyªn tö. 3.1.CÊu t¹o cña nguyªn tö. Qua nhiÒu thÝ nghiÖm R¬dopho vµ c¸c häc trß cña m×nh ®· t×m ra mÉu hµnh tinh nguyªn tö. Tuy nhiªn mÉu nµy ®· gÆp ph¶i nh÷ng h¹n chÕ mµ víi lý thuyÕt cña m×nh R¬dopho cha thÓ gi¶i quyÕt ®îc. Dùa trªn nh÷ng thµnh c«ng cña lý thuyÕt Planck vµ Einstein, n¨m1913 nhµ vËt lý Bohr ®· ®Ò ra mét lý thuyÕt míi vÒ cÊu tróc nguyªn tö nh»m kh¾c phôc nh÷ng m©u thuÉn cña mÉu hµnh tinh nguyªn tö. ThuyÕt cña Bo ®îc ph¸t biÓu b»ng hai ®Þnh ®Ò: - §Þnh ®Ò thø nhÊt: nguyªn tö chØ tån t¹i trong nh÷ng tr¹ng th¸i dõng cã n¨ng lîng x¸c ®Þnh vµ gi¸n ®o¹n hîp thµnh mét chuçi c¸c gi¸ trÞ E 1,E2…En. Trong tr¹ng th¸i dõng, c¸c ªlªctr«n kh«ng bøc x¹ n¨ng lîng mµ chØ chuyÓn ®éng trªn c¸c quü ®¹o trßn gäi lµ quü ®¹o lîng tö cã b¸n kÝnh tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: 17 L = mvr = n  - §Þnh ®Ò thø hai: nguyªn tö chØ hÊp thô hay ph¸t x¹ n¨ng lîng díi d¹ng bøc x¹ ®iÖn tõ khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i dõng nµy sang tr¹ng th¸i dõng kh¸c. TÇn sè bøc x¹ ®iÖn tõ tho¶ m·n:  = Ei  E k h Ei vµ Ek lµ n¨ng lîng øng víi tr¹ng th¸i ®Çu vµ tr¹ng th¸i cuèi. Ta thÊy r»ng víi hai ®Þnh ®Ò cña Bo ®îc thõa nhËn sÏ xo¸ bá ngay ®îc m©u thuÉn cña mÉu nguyªn tö R¬d¬pho. Nguyªn tö lu«n lu«n bÒn v÷ng vµ quang phæ cña nã lµ quang phæ v¹ch. CÊu tróc cña nguyªn tö cã thÓ ®îc m« t¶ nh sau: gåm cã hai phÇn lâi h¹t nh©n vµ líp vá ªlªctron. + H¹t nh©n:cã khèi lîng lín vµ ®îc coi lµ ®øng yªn. H¹t nh©n cña nguyªn tè ho¸ häc cã sè thø tù lµ Z trong b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn th× sÏ cã ®iÖn tÝch lµ Ze vµ mang ®iÖn d¬ng. + Líp vá ªlªctron: c¸c ªlªctron chuyÓn ®éng trªn nh÷ng quü ®¹o trßn xung quanh h¹t nh©n. H¹t nh©n cã ®iÖn tÝch lµ +Ze th× líp vá cã Z ªlªctron.Trªn quü ®¹o cña m×nh ªlªctron chÞu t¸c dông cña lùc hót Cul«ng tõ h¹t nh©n ®ãng vai trß lµ lùc híng t©m. B¸n kÝnh quü ®¹o cña ªlªctron t¨ng theo b×nh ph¬ng sè nguyªn vµ trªn quü ®¹o dõng vËn tèc cña ªlªctron lµ kh«ng ®æi. §iÒu nµy ®¶m b¶o cho n¨ng lù¬ng lµ kh«ng ®æi phï hîp víi ®Þnh ®Ò thø nhÊt cña Bo. Chóng ta sÏ xÐt nh÷ng vÝ dô cô thÓ vÒ cÊu tróc cña nguyªn tö Hi®r« lµ nguyªn tö ®¬n gi¶n nhÊt v× chØ cã mét ªlectron duy nhÊt trªn quü ®¹o. H¹t nh©n cã khèi lîng lín ®îc coi lµ ®øng yªn , khi ®ã c¸c ªlectron chuyÓn ®éng trªn c¸c quü ®¹o trßn xung quanh h¹t nh©n chÞu t¸c dông cña lùc hót Cul«ng tõ h¹t nh©n . §Þnh luËt Niut¬n ¸p dông cho chuyÓn ®éng cña ªlectron lµ: ke 2 r2 = mv 2 r N¨ng lîng cña nguyªn tö bao gåm ®éng n¨ng cña ªlectr«n vµ thÕ n¨ng t¬ng t¸c tÜnh ®iÖn cña bé h¹t nh©n – ªlectron. 2 2 E = mv + (- ke ) = - 2 r 18 ke 2 r N¨ng lîng toµn phÇn cã gi¸ trÞ ©m nã thÓ hiÖn ®iÒu kiªn liªn kÕt gi÷a c¸c h¹t nh©n vµ ªlectron ®Ó t¹o thµnh nguyªn tö bÒn v÷ng. Sö dông thªm ®iÒu kiÖn lîng tö cña Bo ta sÏ ®îc : 2 2 rn = n 2 kme B¸n kÝnh c¸c quü ®¹o t¨ng theo b×nh ph¬ng c¸c sè nguyªn chØ nh÷ng quü ®¹o cã b¸n kÝnh tho¶ m·n c«ng thøc trªn míi lµ ®îc phÐp. VËn tèc t¬ng øng cña ªlectron trªn mçi quü ®¹o dõng: vn = ke 2 n VËn tèc nµy tû lÖ víi c¸c sè nguyªn suy ra khi b¸n kÝnh quü ®¹o cµng lín th× vËn tèc cña c¸c ªlectron cµng nhá vµ ngîc l¹i . Víi c¸c ion t¬ng tù Hi®r« tøc lµ c¸c ion cña c¸c nguyªn tè chØ cßn l¹i mét ªlectron nh He+,Li++...cã h¹t nh©n cã ®iÖn tÝch +Ze, ®iÒu nµy dÉn ®Õn kÕt qu¶ b¸n kÝnh quü ®¹o cña ªlectron sÏ nhá h¬n Z lÇn v× nã chÞu lùc hót tõ phÝa h¹t nh©n t¨ng h¬n Z lÇn. Víi c¸c nguyªn tö phøc t¹p cã nhiÒu ªlectron, c¸c ªlectron nµy s¾p xÕp theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh tuú thuéc vµo tr¹ng th¸i cña nguyªn tö. £lectron lµ h¹t cã Spin b¸n nguyªn nªn nã tu©n theo nguyªn lý lo¹i trõ Pauli. 3.2.CÊu tróc cña ph©n tö : Trong phÇn tríc ta ®· nghiªn cøu cÊu t¹o cña h¹t nh©n cña c¸c nguyªn tö. C¸c nguyªn tö ®îc liªn kÕt l¹i thµnh tõng nhãm vµ t¹o nªn c¸c ph©n tö. Nh vËy n¶y ra c©u hái: nh÷ng lùc nµo ®· gi÷ c¸c nguyªn tö l¹i víi nhau trong ph©n tö? Mét c¸ch t¬ng ®èi ta cã thÓ chia c¸c lùc hót gi÷a c¸c nguyªn tö trong ph©n tö thµnh ba nhãm sau ®©y: lùc Van®ecvan, lc liªn kÕt ion (hay liªn kÕt dÞ cùc), liªn kÕt céng ho¸ trÞ (hay lùc liªn kÕt ®ång cùc). Sù ph©n chia nµy chØ lµ ®¹i thÓ víi ý nghÜa kh«ng ph¶i lu«n lu«n ph©n biÖt ba lo¹i lùc trªn víi nhau. C¸c lùc Van®Ðcvan thêng rÊt nhá so víi lùc gi÷a c¸c nguyªn tö trong ph©n tö. C¸c lùc Van®ecvan ®ãng vai trß chñ yÕu ®Ó gi÷ c¸c ph©n tö chÊt láng víi nhau. V× vËy khi nghiªn cøu vÊn ®Ò liªn kÕt c¸c nguyªn tö trong ph©n tö ta kh«ng cÇn chó ý ®Õn lùc nµy. C¸c liªn kÕt ion kh«ng kh¸c g× c¸c lùc hótgi÷a nh÷ng ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. NÕu cã hai i«n vÝ dô Na + vµ Cl- th× chóng hót nhau b»ng c¸c lùc hót tÜnh ®iÖn 19 vµ t¹o thµnh ph©n tö NaCl. Tuy nhiªn dùa vµo liªn kÕt i«n ta kh«ng thÓ gi¶i thÝch ®îc cÊu t¹o cña tÊt c¶ c¸c ph©n tö . VÝ dô nÕu dùa vµo kh¸i niÖm liªn kÕt ion ta kh«ng thÓ hiÓu t¹i sao hai nguyªn tö Hi®r« trung hoµ l¹i liªn kÕt víi nhau t¹o thµnh ph©n tö Hi®r«. §iÒu nµy chØ cã thÓ gi¶i thÝch ®îc b»ng c¸c ®Æc ®iÓm t¬ng t¸c trong c¬ häc lîng tö. Liªn kÕt ®ång cùc lµ lo¹i liªn kÕt trong ph©n tö t¹o thµnh bëi c¸c ªlectron gãp chung cña c¸c nguyªn tö. C¬ häc lîng tö sÏ cho ta c¸ch gi¶i thÝch s©u s¾c b¶n chÊt cña lo¹i t¬ng t¸c nµy. Theo c¬ häc lîng tö b¶n chÊt cña liªn kÕt ®ång cùc nh sau: £lectron trong trêng h¹t nh©n ph©n tö n»m ë mét tr¹ng th¸i lîng tö x¸c ®Þnh. NÕu kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c h¹t nh©n thay ®æi th× tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng cña c¸c ªlectron vµ n¨ng lîng cña nã còng thay ®æi. Gi÷a c¸c h¹t nh©n cã lùc ®Èy v× vËy n¨ng lîng t¬ng t¸c gi÷a chóng t¨ng lªn khi kho¶ng c¸ch gi¶m. Tuy nhiªn khi kho¶ng c¸ch gi¶m nÕu n¨ng lîng ªlectron gi¶m nhanh h¬n ®é t¨ng n¨ng lîng liªn kÕt h¹t nh©n th× n¨ng lîng toµn phÇn gi¶m xuèng khi kho¶ng c¸ch gi¶m. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ hÖ gåm hai h¹t nh©n ®Èy nhau vµ mét ªlectron cã tån t¹i nh÷ng lùc cã xu híng lµm gi¶m kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c h¹t nh©n nghÜa lµ cã nh÷g lùc hót t¸c dông, chÝnh nh÷ng lùc nµy g©y ra liªn kÕt ®ång cùc trong ph©n tö. Chóng xuÊt hiÖn do sù tån t¹i cña c¸c ªlectr«n chung, nghÜa lµ do sù trao ®æi ªlectron gi÷a c¸c h¹t nh©n nªn nh÷ng lùc nµy ®îc gäi lµ nh÷ng lùc trao ®æi lîng tö . §Ó minh ho¹ cô thÓ ta h·y xÐt ph©n tö Hi®r« gåm hai Pr«ton vµ hai ªlectron lµ mét trong nh÷ng ph©n tö ®¬n gi¶n nhÊt. Râ rµng lµ nÕu kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c pr«ton kh«ng qu¸ lín th× c¸c hµm sãng cña c¸c nguyªn tö t¹o thµnh ph©n tö sÏ phñ lªn nhau ®¸ng kÓ. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ mçi ªlectron thuéc vÒ c¶ hai nguyªn tö, nghÜa lµ gi÷a c¸c nguyªn tö cã sù trao ®æi c¸c ªlectron. Nhê cã xuÊt hiÖn lùc trao ®æi g©y ra liªn kÕt ®ång cùc. PhÐp tÝnh chi tiÕt chøng tá r»ng, nÕu c¸c Spin¬ cña hai nguyªn tö lµ ®èi song th× hai nguyªn tö Hi®r« hót nhau vµ t¹o thµnh ph©n tö Hi®r«, cßn trong trêng hîp c¸c Spin¬ cña chóng song song th× ë mäi kho¶ng c¸ch c¸c nguyªn tö ®Òu chÞu t¸c dông cña lùc ®Èy vµ kh«ng t¹o thµnh ph©n tö ®îc. B©y giê ta gi¶ sö cã mét nguyªn tö Hi®r« n÷a tiÕn tíi gÇn ph©n tö Hi®r«. Chóng cã thÓ b¾t ®Çu trao ®æi c¸c ªlectron. Mét c©u hái ®îc ®Æt ra lµ: do sù trao ®æi ®ã lùc g× sÏ xuÊt hiÖn vµ cã t¹o thµnh mét ph©n tö Hi®r« ®îc kh«ng? Nh ®· nãi ë trªn, mét ph©n tö 20