Kiến thức Từ Vi mô đến Vĩ mô – Vật Lý 12
Từ vi mô đến vĩ mô là một chuyên đề ít có câu hỏi trong kỳ thi Tốt nghiệp THPT môn Vật Lý. Điểm nổi bật của chuyên đề này nằm ở mức độ lý thuyết, hơn là tập trung vào việc giải các bài tập cụ thể. Nội dung của chuyên đề này bao gồm hai phần quan trọng: hạt cơ bản và cấu trúc của vũ trụ. giasuhanoi.edu.vn đã tổng hợp tất cả kiến thức liên quan đến chuyên đề này để giúp các bạn ôn tập một cách hiệu quả và tiết kiệm thời gian trong quá trình chuẩn bị cho kỳ thi.
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
Hạt sơ cấp là những hạt với kích thước và khối lượng rất nhỏ. Ví dụ, các hạt sơ cấp bao gồm electron, proton, neutron, mezon, muyon và pion.
1.2 Đặc trưng của các hạt sơ cấp
- Khối lượng nghỉ m0: Hạt photon có khối lượng nghỉ bằng không, và trong tự nhiên, còn có một số hạt khác có khối lượng nghỉ bằng 0 như neutrino và graviton.
- Điện tích của các hạt sơ cấp: Tất cả các hạt sơ cấp đều mang điện tích, được biểu thị bằng số lượng tử điện tích Q, với giá trị có thể là +1, -1 hoặc 0. Điều này ám chỉ rằng ngay cả các hạt sơ cấp như electron cũng mang điện tích.
- Spin s: Mỗi hạt sơ cấp có một momen động lượng riêng s và momen từ riêng, ngay cả khi chúng đứng yên. Động lượng riêng được tính bằng công thức:
Momen của các hạt sơ cấp bị chi phối bởi đặc trưng được gọi là số lượng tử spin.
- Proton: s=1/2
- Photon: s=1
- Pion: s=0
Các hạt sơ cấp được phân thành hai nhóm chính dựa trên số lượng tử spin, bao gồm số lượng tử spin nguyên và bán nguyên.
Thời gian sống trung bình T: Trong số các loại hạt sơ cấp, chỉ có bốn loại hạt không phân rã thành các loại hạt khác. Chúng được gọi là các hạt ổn định và bao gồm proton, electron, photon và neutrino. Các loại hạt khác đều trải qua quá trình phân rã thành các loại hạt khác sau một thời gian nhất định.
1.3 Phản hạt
Hầu hết các hạt sơ cấp tồn tại dưới dạng cặp, với mỗi cặp bao gồm hai hạt có cùng khối lượng nghỉ m0 và số lượng tử spin s. Tuy nhiên, để tạo ra một cặp, chúng phải có điện tích Q có độ lớn bằng nhau và đối diện về pháp. Mỗi cặp gồm một hạt và một hạt chói của nó.
1.4 Phân loại các loại hạt sơ cấp
- Hạt Photon (mà bạn thường thấy trong lĩnh vực lượng tử ánh sáng) có khối lượng nghỉ m0 = 0.
- Hạt Lepton bao gồm các loại hạt nhẹ như electron, muyon (µ+, µ-), và các hạt tau (τ+, τ–).
- Hạt Mezon bao gồm các loại hạt có khối lượng trung bình nằm trong khoảng từ 200 đến 900 mạ đơn vị. Các loại Mezon được phân thành hai nhóm chính: Mezon π và Mezon K.
- Hạt Barion bao gồm các hạt nặng có khối lượng bằng hoặc lớn hơn khối lượng của hạt proton. Các loại Barion được chia thành hai nhóm chính là nuclon và hiperon, cùng với các hạt phản của chúng.
Cho đến năm 1964, các nhà khoa học đã phát hiện một loại hạt hiperon mới, được gọi là hạt Omega trừ. Tổng hợp các loại Mezon và các Barion này được gọi chung là các hadron.
1.5 Các tương tác của các hạt sơ cấp
- Tương tác hấp dẫn: Đây là tương tác mà các hạt vật chất có khối lượng tương tác với nhau thông qua sự hấp dẫn.
- Tương tác điện từ: Là sự tương tác giữa các hạt mang điện, dẫn đến hiện tượng như lực ma sát khi các vật tiếp xúc với nhau.
- Tương tác yếu: Được xem là tương tác chính gây ra hiện tượng phân rã của các hạt với nhau.
- Tương tác mạnh: Là loại tương tác mà các hadron tương tác với nhau.
1.6 Hạt quac (quark)
- Tất cả các hadron cơ bản đều được hình thành từ các hạt nhỏ hơn, được gọi chung là quark (tiếng Anh: quark).
- Có sáu hạt quark phổ biến nhất, được ký hiệu là u, d, s, c, b, và t.
- Tương tự, như sáu loại quark, chúng ta cũng có sáu loại hạt phản quark với điện tích có trái dấu. Đặc điểm đặc biệt là điện tích của các hạt quark có giá trị ±e/3 và ±2e/3. Hiện tại, các nhà khoa học chưa tìm thấy quark tự do, mà chúng thường được quan sát dưới dạng kết hợp.
- Các barion là tổ hợp của ba quark.
2. Cấu tạo vũ trụ
Hiện tại, vũ trụ vẫn là một bí ẩn lớn đối với con người do sự bao la của nó. Chính vì vậy, trong chuyên đề này, chúng ta tập trung vào việc tìm hiểu về kiến thức liên quan đến hệ Mặt Trời – hệ thống gần gũi nhất với loài người hiện nay.
2.1 Cấu tạo hệ mặt trời
Mặt trời đặt ở trung tâm của Hệ Mặt Trời. Hệ Mặt Trời bao gồm tám hành tinh lớn, sắp xếp từ gần đến xa mặt trời theo thứ tự sau: Sao Thủy (Thủy tinh), Sao Kim (Kim Tinh), Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Thiên Vương tinh, và Hải Vương tinh. Hiện nay, Diêm Vương tinh thường được bỏ qua trong nghiên cứu vì kích thước nhỏ và quỹ đạo không ổn định nằm ngoài mặt phẳng của các hành tinh khác.
Ngoài các hành tinh lớn, trong Hệ Mặt Trời còn tồn tại các hành tinh nhỏ hơn, được gọi là tiểu hành tinh hoặc sao chổi.
- Tiểu hành tinh: Bên cạnh các hành tinh lớn đã nêu trên, trong Hệ Mặt Trời còn tồn tại các hành tinh nhỏ, có bán kính từ vài km đến vài trăm km, di chuyển trên quỹ đạo có bán kính từ 2,2 đến 3,6 đơn vị thiên văn học. Đơn vị thiên văn học là đơn vị được sử dụng để đo khoảng cách giữa mặt trời và các hành tinh, tiểu hành tinh, với 1 đơn vị thiên văn học (đvtv) tương đương với 150,000,000 km.
Khi xếp các hành tinh theo thứ tự giảm dần về bán kính, chúng được sắp xếp như sau: Mộc, Thổ, Thiên Vương, Hải Vương, Trái Đất, Kim Tinh, Hỏa, Sao Thủy, và Diêm Vương.
2.2 Chiều quay của các hành tinh trong hệ mặt trời
Tất cả các hành tinh trong Hệ Mặt Trời di chuyển quanh Mặt Trời theo một hướng nhất định (chiều thuận), và hầu hết chúng quay quanh Mặt Trời trên cùng một mặt phẳng. Cả Mặt Trời và các hành tinh đều tự xoay quanh trục của chúng và theo chiều thuận (trừ Kim Tinh).
Khối lượng của Mặt Trời lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của Trái Đất (khoảng 333,000 lần), tức là Mặt Trời có khối lượng xấp xỉ 2×10^30 kg.
2.3 Mặt trời
a) Cấu trúc của Mặt trời
- Khái niệm quang cầu: Từ Trái Đất, Mặt Trời thường có hình dạng như một đĩa sáng hình tròn. Phần của Mặt Trời này được gọi là quang cầu, với mật độ khối lượng trung bình khoảng 1400 kg/m3.
- Nhiệt độ hiệu dụng: Nhiệt độ hiệu dụng của quang cầu là khoảng 6000 K.
- Khí quyển của quang cầu: Mặt Trời có một khí quyển bao quanh, chủ yếu bao gồm các nguyên tố hóa học như hiđrô và heli. Khí quyển này có thể chia thành hai phần rõ rệt.
- Sắc cầu: Sắc cầu là lớp khí nằm trên bề mặt quang cầu với độ dày lên tới 10,000 km và có nhiệt độ khoảng 4500 K.
- Nhật hoa: Nhật hoa xuất hiện khi Mặt Trời ở trạng thái ion hóa mạnh, với nhiệt độ lên đến 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 liên tục phát ra năng lượng vào không gian xung quanh. Công suất tổng cộng của năng lượng phát ra từ Mặt Trời là P = 3,9×10^26W.
Khả năng của Mặt Trời duy trì việc phát ra năng lượng này là kết quả của sự diễn ra của các phản ứng hạt nhân nhiệt hạch trong lõi của Mặt Trời.
c) Sự hoạt động của Mặt trời
Mặt Trời có hai thành phần chính:
- Quang cầu.
- Khí quyển.
Khí quyển của Mặt Trời có thể được chia thành hai lớp riêng biệt: sắc cầu và nhật hoa.
Quang cầu của Mặt Trời không sáng đều. Nó có một cấu trúc dạng hạt, với các hạt sáng biến đổi trên nền tối.
Theo từng giai đoạn khác nhau, các nhà khoa học quan sát Mặt Trời có nhiều đặc điểm khác nhau, bao gồm các vết đen, bùng sáng và tai lửa.
- Vết đen xuất hiện với màu sắc tối đen và có nhiệt độ khoảng 4000 K.
- Bùng sáng thường xuất hiện ở các khu vực có vết đen, tạo ra sự sáng lên.
- Tai lửa là những cột lửa cao phun lên từ bề mặt của sắc cầu.
Mặt Trời hoạt động mạnh nhất trong những năm có nhiều vết đen xuất hiện, được gọi là “Năm Mặt Trời hoạt động.” Trong khi đó, những năm có ít vết đen xuất hiện được gọi là “Năm Mặt Trời tĩnh.”
d) Những ảnh hưởng của Trái Đất từ sự hoạt động của Mặt trời
- Hoạt động của Mặt Trời tạo ra sóng vô tuyến ngắn, gây nhiễu loạn trong việc truyền thông thông tin.
- Mặt Trời ảnh hưởng đến cảm quan thời tiết trên Trái Đất, gây ra hiện tượng bão từ (do sự biến đổi của từ trường Trái Đất).
- Hoạt động của Mặt Trời cũng có tác động trực tiếp đến trạng thái thời tiết của Trái Đất, ảnh hưởng đến quá trình phát triển của sinh vật và tình trạng sức khỏe của con người.
2.4 Trái đất
a) Cấu tạo của vỏ Trái Đất
- Trái Đất có hình dạng giống một cầu lớn, với bán kính tại xích đạo dài 6378 km và bán kính tại hai cực dài 6357 km. Khối lượng riêng trung bình của Trái Đất là 5520 kg/m3.
- Lõi của Trái Đất có bán kính vào khoảng 3000 km và chủ yếu được hình thành bởi các nguyên tố như sắt và niken.
- Vỏ Trái Đất có độ dày khoảng 35 km và chủ yếu bao gồm đá granit. Vật chất bên trong vỏ có khối lượng riêng khoảng 3300 kg/m3.
- Trái Đất xoay quanh trục của nó, hợp với mặt phẳng quỹ đạo với một góc nghiêng là 23 độ 27 phút.
b) Từ trường của Trái Đất, vành đai phóng xạ:
Từ trường của Trái Đất có tính chất tương tự như từ trường của một nam châm, với trục từ của nam châm này nghiêng 11 độ 5 so với trục ở địa cực Bắc – Nam. Tuy nhiên, góc nghiêng này không ổn định và thay đổi theo thời gian. Từ trường của Trái Đất tác động lên các dòng hạt mang điện tích được phát ra từ Mặt Trời và không gian, dẫn đến sự “tập trung” của chúng vào các vùng cố định cách mặt đất ở độ cao nhất định, tạo thành hai vòng đai quanh Trái Đất. Hai vòng đai này được gọi là “vành đai phóng xạ”.
c) Mặt trăng – vệ tinh của Trái Đất
Mặt Trăng nằm cách Trái Đất khoảng 384,000 km và có bán kính là 1738 km, với khối lượng là 7,35×10^22 kg.
Gia tốc trọng trường trên Mặt Trăng khi ở trên nó là 1,63 m/s2. Mặt Trăng di chuyển xung quanh Trái Đất với chu kỳ 27,32 ngày. Trong quá trình quay quanh Trái Đất, Mặt Trăng cũng xoay quanh trục của mình với chu kỳ bằng chu kỳ quay quanh Trái Đất. Sự tự quay này cùng chiều với sự quay quanh Trái Đất, vì vậy Mặt Trăng luôn hướng một phần cố định về Trái Đất.
Không có khí quyển trên Mặt Trăng, và bề mặt của nó được bao phủ bởi một lớp vật liệu xốp. Bề mặt của Mặt Trăng có nhiều dãy núi cao và nhiều hố đất tại đỉnh núi. Ngoài ra, cũng có các khu vực bằng phẳng trên bề mặt Mặt Trăng.
Nhiệt độ trên Mặt Trăng biến đổi lớn giữa ngày và đêm. Ở vùng xích đạo của Mặt Trăng, nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 100 độ C vào ban ngày, nhưng giảm xuống -150 độ C vào lúc nửa đêm.
Mặt Trăng đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng thủy triển trên Trái Đất.
2.5 Sao chổi
Sao chổi là các tiểu hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời theo các quỹ đạo elip rất phẳng. Chúng có khối lượng và kích thước nhỏ, và thường bao gồm các hợp chất dễ bay hơi như tinh thể băng, ammoniac, và khí metan.
Sao chổi được xem là các thể không ổn định trong hệ Mặt Trời.
Chu kỳ quay quanh Mặt Trời của các sao chổi có thể kéo dài lên đến khoảng 150 năm.
Khi sao chổi tiến gần Mặt Trời, các hợp chất trên bề mặt thường bay hơi hoặc cháy, tạo ra một đuôi sáng với hướng ngược với Mặt Trời.
2.6 Thiên Thạch
- Thiên thạch là thuật ngữ tổng quát để mô tả các khối đá hoặc khoảng khoáng chất liệu di chuyển xung quanh Mặt Trời với tốc độ hàng chục km/s, di chuyển theo các quỹ đạo không xác định và đa dạng.
- Sao băng, còn được gọi là sao băng, là các thiên thạch khi bay vào khí quyển của Trái Đất bị hiện tượng ma sát với không khí trong tầng khí quyển, dẫn đến việc chúng bốc cháy hoặc bay hơi.
2.7 Các sao
Sao là các khối vật thể nóng, có cấu trúc tương tự với Mặt Trời, và nằm ở khoảng cách rất xa so với Trái Đất.
Một số loại sao đặc biệt:
- Sao biến quang là các sao có màu sắc biến đổi. Có hai loại sao biến quang: sao biến quang do che khuất, bao gồm sao chính và vệ tinh (sao đôi), và sao biến quang do nén dãn, mà năng lượng của chúng giảm từ từ.
- Pulsar, còn được gọi là Punxa, là các sao bức xạ năng lượng ở dạng xung sóng điện từ rất mạch.
- Sao nơtrơn là các sao được tạo thành bởi các notron với mật độ notron rất cao, lên đến 10^14g/cm3.
- Lỗ đen là một dạng thiên thể được dự đoán dựa trên lý thuyết, chúng được tạo thành từ các notron và có trường hấp dẫn rất mạnh, dẫn đến khả năng hút ánh sáng vào bên trong chúng.
- Tinh vân là những cụm mây sáng được tạo thành từ các đám bụi khổng lồ, chúng thường được chiếu sáng bởi các ngôi sao gần đó hoặc do các đám khí bị ion hóa từ các sao mới hoặc sao siêu mới.
- Nhiệt độ bề mặt và màu sắc của các sao có sự biến đổi.
| 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 tuổi thọ xấp xỉ khoảng 100 triệu năm. Sau khi đạt độ tuổi này, chúng sẽ trải qua quá trình giảm nhiệt dần và sau đó trở thành sao kềnh đỏ. Tiếp theo, sau giai đoạn kềnh đỏ, chúng có thể tiến hóa thành sao Nơtrôn hoặc trở thành lỗ đen, tùy thuộc vào khối lượng và cấu trúc nội dung của chúng.
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):
II. CÁC DẠNG CÂU HỎI THƯỜNG GẶP CHUYÊN ĐỀ TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ
