Kiến thức Từ Vi mô đến Vĩ mô – Vật Lý 12

Bởi

01/05/2022

1794

Kiến thức Từ Vi mô đến Vĩ mô - Vật Lý 12

5/5 - (2 bình chọn)

Từ vi mô đến vĩ mô là một chuyên đề ít có câu hỏi trong kỳ thi Tốt nghiệp THPT môn Vật Lý, bên cạnh đó lại chủ yếu về lý thuyết hơn là các dạng bài tập. Chuyên đề bao gồm 2 phần chính là các hạt sơ cấp và cấu tạo vũ trụ. Luyenthidgnl xin được tóm tắt toàn bộ kiến thức về chuyên đề này để giúp các bạn trong quá trình ôn thi một cách hiệu quả và tiết kiệm thời gian.

Mục lục

I. Tổng hợp kiến thức từ vi mô đến vĩ mô – Vật Lý 12

1.Kiến thức các hạt sơ cấp

1.1 Khái niệm

Các hạt sơ cấp là các loại hạt có kích thước và khối lượng rất nhỏ. Ví dụ: Các loại hạt như electron, proton, notron, mezon, muyon, pion là các hạt sơ cấp.

1.2 Đặc trưng của các hạt sơ cấp

+ Khối lượng nghỉ m₀: Các hạt photon có khối lượng nghỉ bằng không. Bên cạnh photon, trong tự nhiên cũng có một số loại hạt khác có khối lượng nghỉ bằng 0 như hạt notrino v_e, hạt graviton.
+ Điện tích của các hạt sơ cấp: Tất cả các hạt sơ cấp đều mang điện tích Q = +1 hoặc Q = -1, hoặc điện tích bằng 0. Đại lượng Q được gọi là số lượng tử điện tích, biểu thị tính gián đoạn độ lớn điện tích các hạt. Như vậy, ngay cả các hạt electron là hạt sơ cấp mang điện tích.
+ Spin s: với mỗi hạt sơ cấp ngay cả khi đứng yên cũng có một momen động lượng riêng s và momen từ riêng. Động lượng riêng được tính theo công thức:

Các momen của các hạt sơ cấp bị ảnh hưởng bởi đặc trưng bằng số lượng tử spin.

Proton: s=1/2
photon: s =1
pion: s=0

Các hạt sơ cấp được chia được chia làm 2 nhóm chính dựa trên có số lượng tử spin nguyên và bán nguyên

+ Thời gian sống trung bình T: Trong số các loại hạt sơ cấp, chỉ có 4 loại hạt không bị phân rã thành các hạt khác – các hạt này được gọi là các hạt bền (bao gồm có: proton, electron, photon, notrino). Còn lại các loại hạt khác đều bị phân rã thành các loại hạt khác trong một thời gian nhất định.

1.3 Phản hạt

Phần lớn đa số các hạt sơ cấp đều tạo và tồn tại theo cặp, mỗi cặp này bao gồm hai hạt có cùng khối lượng nghỉ m₀ và spin s. Tuy nhiên để tạo thành 1 cặp chúng có điện tích Q bằng nhau về độ lớn và trái dấu. Ở mỗi cặp đều có 1 hạt và 1 hạt phản của hạt đó.

1.4 Phân loại các loại hạt sơ cấp

Hạt Photon (Các bạn thấy thường xuyên trong chuyên đề lượng tử ánh sáng) có m₀ = 0
Hạt Lepton bao gồm các loại hạt nhẹ như electron, muyon (µ+, µ-), các hạt tau (τ⁺ ,τ^–)
Hạt Mezon bao gồm các loại hạt có khối lượng trung bình nằm trong khoảng (200:900)m_e . Các loại hạt Mezon được chia làm 2 nhóm chính là: mezon π và mezon K.
Hạt Barion bao gồm các hạt nặng có khối lượng bằng hoặc lớn hơn khối lượng hạt proton. Các hạt Barion được chia làm 2 nhóm chính là nuclon và hiperon, cùng với đó các phản hạt của chúng.

Cho tới năm 1964 các nhà khoa học đã tìm ra một loại hạt hiperon mới. Đó là hạt Omega trừ . Tập hợp các loại mezon và các barion được đặt tên chung là các hadron.

1.5 Các tương tác của các hạt sơ cấp

+ Tương tác hấp dẫn: Là tương tác của các hạt vật chất có khối lượng
+ Tương tác điện từ: Là tương tác giữa các hạt mang điện, giữa các vật tiếp xúc tạo ra lực ma sát…
+ Tương tác yếu: đây là tương tác chính gây ra hiện tượng phân ra của các hạt
+ Tương tác mạnh: là tương tác của các hadro

1.6 Hạt quac (quark)

+ Tất cả các hadron cơ bản đều có cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn. Các loại hạt này có tên gọi chung là quac (Tên tiếng Anh là quark).
+ Có sáu hạt quac phổ biến nhất có kí hiệu là u, d, s, c, b và t.
Tương tự như 6 loại hoạt quac, ta cũng có 6 loại hạt phản quac với điện tích trái dấu. Điểm đặc biệ là điện tích các hạt quac bằng ±e/3 và ±2e/3 hiện nay các nhà khoa học chưa quan sát được hạt quac tự do mà mới chỉ thấy được các quac này ở dạng kết hợp.
+ Các barion là tổ hợp của ba hạt quac.

2. Cấu tạo vũ trụ

Hiện tại vũ trụ còn vấn còn là một ẩn số đối với con người vì sự rộng lớn của nó, chính vì vậy, trong chuyên đề này, ta chủ yếu tìm hiểu về các kiến thức xung hệ mặt trời – nơi gần gũi nhất với loài người hiện nay.

2.1 Cấu tạo hệ mặt trời

Mặt trời ở trung tâm Hệ.
Bao gồm có 8 hành tinh lớn (theo thứ tự từ gần đến xa mặt trời): Thủy tinh (Sao Thủy), Kim Tinh (Sao Kim), Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Thiên Vương tinh, Hải Vương tinh, Diêm Vương tinh.Hiện tại, Diêm Vương tinh do có khích thước nhỏ, chuyển động không theo quỹ đạo ổn định, nằm ngoài mặt phẳng của các hành tinh trên nên ta bỏ qua nó.

Các hành tinh tí hon khác được gọi chung là tiểu hành tinh, sao chổi
+ Các tiểu hành tinh: Bên cạnh các hành tinh lớn đã kể trên, ở trong hệ Mặt Trời còn có các hành tinh nhỏ có bán kính từ vài km đến vài trăm km, chuyển động trên các quỹ đạo có bán kính từ 2,2 đến 3,6 đơn vị thiên văn học
Đơn vị thiên văn là đơn vị được sử dụng để đo khoảng cách giữa mặt trời và các hành tinh, tiểu hành tinh. Trong đó, 1 đvtv = 150,000,000 km
Khi sắp xếp các hành tinh theo thứ tự bán kính giảm dần ta có thứ tự: Mộc, Thổ, Thiên Vương, Hải Vương, Trái Đất, Kim Tinh, Hỏa, Thủy tinh, Diêm Vương

2.2 Chiều quay của các hành tinh trong hệ mặt trời

Tất cả các hành tinh đều chuyển động quanh mặt trời theo cùng một chiều nhất định (chiều thuận) và gần như các hành tinh quay quanh mặt trời trên cùng một mặt phẳng. Mặt trời và các hành tinh đều tự quay quanh mình nó và theo chiều thuận (trừ Kim tinh).

Khối lượng của Mặt trời lớn hơn rất nhiều lần so với khối lượng của Trái Đất (gấp khoảng 333000 lần), tức mặt trời có khối lượng xấp xỉ 2×10^30kg.

2.3 Mặt trời

a) Cấu trúc của Mặt trời
+ Khái niệm quang cầu: Nhìn từ Trái Đất ta nhìn thấy Mặt Trời có dạng một đĩa sáng hình tròn. Khối cấu sáng nói này được gọi là quang cầu. Khối lượng riêng trung bình của quang cầu rơi vào khoảng 1400 kg/m3.

+ Nhiệt độ hiệu dụng: nhiệt độ hiệu dụng của quang cầu rơi vào khoảng 6000 K.

+ Khí quyển của quang cầu: Bao quanh quang cầu có khí quyển mặt trời được cấu tạo chủ yếu từ các nguyên tố hóa học hiđrô, heli… Khí quyển quang cầu phân ra làm 2 phần rõ rệt

+ Sắc cầu: là lớp khí nằm sát bên trên bề mặt quang cầu có độ dày lên tới 10,000 km và có nhiệt độ rơi vào khoảng 4500K.

+ Nhật hoa: Nhật hoa xuất hiện khi mặt trời ở trạng thái ion hóa mạnh, nhiệt độ vào khoảng 1 triệu độ. Nhật hoa không có hình dạng cố định và thay đổi theo thời gian.

b) Năng lượng của Mặt trời:

Mặt Trời luôn trong trạng thái bức xạ năng lượng ra xung quanh. Công suất bức xạ năng lượng của Mặt trời có giá trị P = 3,9×10^26W.

Mặt trời có thể duy trì được năng lượng bức xạ của mình là do trong lõi của Mặt trời các phản ứng nhiệt hạch luôn hoạt động.

c) Sự hoạt động của Mặt trời

Mặt trời bao gồm 2 thành phần:

Quang cầu
Khí quyển.

+ Khí quyển Mặt Trời cũng được phân ra hai lớp tách biệt là: sắc cầu và nhật hoa.
+ Quang cầu sáng không đều. Cấu tạo của quang cầu có dạng hạt: là những hạt sáng biến đổi trên nền tối.
+Theo từng thời kỳ khác nhau, các nhà khoa học quan sát được Mặt trời còn xuất hiện rất nhiều dấu vết khác như: vết đen, bùng sáng, tai lửa.

Vết đen có màu sẫm tối, nhiệt độ của vết đen rơi vào khoảng 4000K
Bùng sáng xuất hiện tại những khu vực có sự xuất hiện của vết đen có kéo theo những bùng sáng.
Tai lửa là những lưỡi lửa phun cao trên bề mặt sắc cầu.
Những năm Mặt trời có nhiều vết đen xuất hiện nhất gọi là Năm Mặt trời hoạt động
Những năm Mặt trời có ít vết đen xuất hiện gọi là Năm Mặt trời tĩnh

d) Những ảnh hưởng của Trái Đất từ sự hoạt động của Mặt trời

+ Sự hoạt động của Mặt trời tạo ra sóng vô tuyến ngắn làm nhiễu loạn thông tin liên lạc
+ Gây ra bão từ (do là từ trường Trái Đất biến thiên)
+ Ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái thời tiết của Trái Đất, tác động tới quá trình phát triển của các sinh vật và tình trạng sức khỏe của con người.

2.4 Trái đất

a) Cấu tạo của vỏ Trái Đất:

Trái đất có có hình dạng phỏng cầu, bán kính ở xích đạo dài 6378 km, bán kính ở hai cực của Trái Đất dài 6357km.
Khối lượng riêng trung bình là 5520 kg/m3
Lõi Trái Đất có bán kính vào khoảng 3000 km, có cấu tạo bởi chủ yếu từ các nguyên tố sắt, niken.
Vỏ Trái Đất có độ dày rới vào khoản 35 km và có cấu tạo chủ yếu bởi từ đá granit. Vật chất ở trong vỏ có khối lượng riêng rơi vào khoảng 3300 kg/m3.
Trái Đất tự quay quanh trục hợp với mặt phẳng quỹ đạo 1 góc 23 độ 27 phút

b) Từ trường của Trái Đất, vành đai phóng xạ:

Từ trường Trái Đất có tính chất tương tự như từ trường của một nam châm, trục từ của nam châm này có góc nghiêng 11 độ 5 so với trục ở địa cực Bắc – Nam. Tuy nhiên, góc nghiêng này không cố định mà thay đổi theo thời gian. Từ trường Trái Đất có tác động lên các dòng hạt có điện tích phát ra từ mặt trời và từ vũ trụ làm cho các hạt này “tập
trung” vào các khu vực ở độ cao nhất định so với mặt đất và tạo thành hai vành đai bao quanh Trái Đất. Vành đai này được gọi là “vành đai phóng xạ”.

c) Mặt trăng – vệ tinh của Trái Đất:

Mặt Trăng cách Trái Đất 384,000 km. Bán kính của Mặt trăng khoản 1738 km, có khối lượng 7,35×10^22 kg.

Gia tốc trọng trường khi ở trên Mặt Trăng là 1,63 m/s2. Mặt Trăng chuyển động có chu kỳ xung quanh Trái Đất (Chu kỳ của Mặt Trăng là 27,32 ngày). Trong quá trình chuyển động quanh Trái Đất, Mặt Trăng còn tự quay quanh trục của nó với chu kì đúng bằng đúng chu kì chuyển động xung quanh Trái Đất. Bên cạnh đó, do chiều tự quay có cùng chiều với chiều quay quanh Trái Đất, nên Mặt Trăng luôn hướng một phần nhất định của nó về phía Trái Đất.

Trên Mặt trăng không có khí quyển. Bề mặt của Mặt Trăng được bao phủ bằng một lớp vật liệu xốp. Bề mặt trên đây có rất nhiều những dãy núi cao và có rất nhiều lỗ ở khu vực đỉnh núi. Bên cạnh đó, trên bề mặt Mặt Trăng cũng có rất nhiều khu vực bằng phẳng

Nhiệt độ trên Mặt Trăng có sự chênh lệch rất lớn ở ngày và đêm. Ở vùng xích đạo của Mặt trăng, thời điểm nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 100 độ C nhưng lúc nửa đêm nhiệt độ lại giảm xuống tới -150 độ C.

Mặt trăng chính là yếu tố chính ảnh hưởng tới hiện tượng thủy triển trên Trái Đất.

2.5 Sao chổi

Sao chổi là các tiểu hành tinh chuyển động xung quanh Mặt trời theo những quỹ đạo elip rất dẹt. Sao chổi có khối lượng và kích thước nhỏ, có cấu tạo thành phần bởi những hợp chất dễ bốc hơi như tinh thể băng, amoniac, khí metan…

Sao chổi được xếp vào luyện thiên thể không bền vững

Chu kỳ quay quanh Mặt Trời của Sao chổi có thể lên tới khoảng 150 năm.

Khi Sao chổi tiến gần Mặt Trời, các hợp chất trên bề mặt có xu hướng bay hơi hoặc cháy, chính vì vậy tạo thành đuôi phát sáng có chiều ngược với hướng Mặt trời.

2.6 Thiên Thạch

Thiên thạch là tên gọi chung của các khối đá chuyển động quanh Mặt Trời với tốc độ hàng chục km/s theo các quỹ đạo không xác định và rất khác nhau
Sao băng là những thiên thạch bay vào khí quyển Trái Đất bị hiện tượng ma sát với không khí trong tầng khí quyển làm bốc cháy hoặc bay hơi.

2.7 Các sao

Sao là những khối vật thể nóng, có cấu tạo tương đối giống với Mặt trời và ở cách rất xa so với Trái Đất

Một số loại sao đặc biệt:

Sao biến quang: là những sao có màu sắc thay đổi
– Sao biến quang do che khuất: gồm sao chính và vệ tinh (sao đôi)
– Sao biến quang do nén dãn đó từ từ giảm
Punxa : là những sao bức xạ năng lượng ở dạng xung sóng điện từ rất mạch.
Sao nơtrơn: là những sao có cấu tạo bởi các notron với mật độ notron rất lớn 10^14g/cm3
Lỗ đen: là một thiên thể được phỏng đoán dựa trên lý thuyết cũng được cấu tạo từ các notron có trường hấp dẫn rất lớn dẫn đến lực hút của lỗ đen rất lớn (có khả năng hút ảnh ánh sáng vào bên trong)
Tinh vân: là những đám mây sáng được cấu tạo từ những đám bụi khổng lồ được chiếu sáng bởi các ngôi sao gần đó hoặc các đám khí bị ion hóa từ những sao mới hoặc sao siêu mới
Nhiệt độ bề mặt và màu sắc của các sao:

Nhiệt độ bề mặt sao	Màu sắc của sao
3000K	Đỏ
6000K	Vàng
10,000K	Trắng
50,000K trở lên	Xanh Lam

Các sao có khối lượng lớn hơn khối lượng Mặt Trời từ 5 lần trở lên thường có khoảng thời gian tồn tại tầm 100 triệu năm. Sau độ nhiệt độ giảm dần sau đó rồi trở thành kềnh đỏ và tiếp tục tiến hóa thành sao Notron hoặc Lỗ đen.

2.8 Thiên hà:

Thiên hà là hệ thống gồm rất nhiều ngôi sao và các tinh vân (số lượng lên tới hàng trăm tỉ).
Các nhà khoa học chia thiên hà thành 3 loại chính:
+ Thiên Hà xoắn ốc
+ Thiên Hà elíp.
+ Thiên Hà không định hình.
Thiên Hà chưa hệ Mặt Trời mà chúng ta đang sinh sống thuộc loại thiên hà xoắn ốc, chứa vài trăm tỉ ngôi sao, có đường kính có thể lên tới 100 nghìn năm ánh sáng, là một hệ phẳng giống như một cái đĩa, khối lượng gấp 150 tỉ khối lượng so với khối lượng Trái Đất.
Đường kính của một Thiên Hà vào khoảng 100,000 năm ánh sáng.
Hệ Mặt trời của chúng ta nằm tại vị trí cách trung tâm Thiên Hà khoảng 30,000 năm ánh sáng (Hệ Mặt Trời nằm trên mặt phẳng qua tâm và vuông góc với trục của Ngân Hà, cách tâm khoảng cách tương đương 2/3 bán kính của nó).

Chú ý : Quaza là thiên thể nằm bên ngoài Thiên Hà của chúng ta có hình ảnh trải rộng ra giống như hình ảnh của một Thiên Hà có dạng gần tròn, làm chúng ta liên tưởng tới các ngôi sao trong thiên hà.

2.9 Thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang)

Theo thuyết Vụ nổ Big Bang, Vũ trụ được tạo ra bởi một vụ nổ “vĩ đại” cách đây khoảng 14 tỉ năm, hiện nay đang đang trong giai đoạn dãn nở và loãn dần

Định luật Hớp-bơn (hay định luật Hubble-Lemaître):