 |
| Ngưng tụ Bose-Einstein (nguồn: http://www.physx.u-szeged.hu) |
Trạng thái plasma
Thử đặt câu hỏi "Ngọn lửa mà chúng ta vẫn thấy là ở rắn hay lỏng hay khí? Là vật chất hay năng lượng?" - Câu trả lời trạng thái đó là plasma. Khi các nguyên tử bị oxi hóa rất mạnh tạo thành các ion thì trạng thái vật chất mà chứa các ion đó gọi là trạng thái plasma. Ví dụ trên Mặt trời là nơi diễn ra các phản ứng nhiệt hạch rất mạnh mẽ, năng lượng nhiệt cực lớn, các nguyên tử không thể tồn tại ở trạng thái cơ bản được mà luôn tồn tại ở dạng ion, đó chính là plasma.
Hai trạng thái tiếp theo cảnh báo trước là rất khó hiểu vì nó tồn tại phổ biến trong thế giới vi mô (nhỏ cỡ hạt nguyên tử, cỡ electron, cỡ ... tầm tầm đó) nhưng không phổ biến trong thế giới vĩ mô. Đọc tiếp dễ bị "tẩu hỏa nhập ma" nên ai dũng cảm tò mò thì đọc nhé.
Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein
Để dễ hiểu hơn, hãy nhớ lại SGK Hóa học nói về cấu tạo:
- Vật chất được tạo bởi các nguyên tử hoặc phân tử (phân tử được tạo bởi các nguyên tử)
- Nguyên tử được cấu tạo bởi lớp vỏ (chỉ gồm electron) và hạt nhân (gồm proton và notron)
- Proton, notron được cấu tạo bởi các hạt quark
- Electron và quark là các hạt nhỏ nhất, không thể chia nhỏ hơn (tạm thời hiểu như vậy chứ thế giới vi mô có rất nhiều loại hạt khác nữa, ai muốn hiểu hơn vào Wikipedia đọc) thì gọi là hạt sơ cấp. Những hạt được cấu tạo bởi các hạt sơ cấp thì gọi là hạt tổ hợp (ví dụ proton cấu tạo bởi 3 hạt quark).
Nếu còn nhớ về viết cấu hình electron của nguyên tử mọi người sẽ nhớ lại khái niệm spin. Có những hạt có spin bán nguyên (±1/2, ±3/2,...) như là electron, có những hạt có spin nguyên (0, ±1, ±2,...) như là proton.
Trong thế giới vi mô người ta chia ra làm 2 nhóm hạt, tất cả các hạt dù sơ cấp đều thuộc 1 trong 2 loại này thôi (cái này SGK không nói tới):
- Hạt có spin bán nguyên thì gọi là fermion (tuân theo Nguyên lý loại trừ Pauli)
- Hạt có spin nguyên thì gọi là boson (không tuân theo Nguyên lý loại trừ Pauli)
Ví dụ: electron là hạt cơ bản có spin là ±1/2 nên là fermion, proton cấu tạo bởi 3 hạt quark có tổng spin là ±1/2 nên cũng là fermion, notron cũng cấu tạo tương tự proton có spin cũng là ±1/2 nên cũng là fermion. Hạt nhân là 1 loại hạt tổ hợp được cấu tạo bởi proton và notron, mà 2 fermion ghép chung với nhau nên hạt nhân sẽ có spin nguyên. Vậy hạt nhân là boson.
Nói lại về Nguyên lý loại trừ Pauli: "Không tồn tại 2 fermion có cùng các trạng thái lượng tử". Nhớ lại lúc viết cấu hình electron và điền electron vào các ô lượng tử cho dễ hình dung. Electron đầu tiên sẽ viết vào vị trí ô lượng tử có năng lượng thấp nhất (mũi tên viết hướng lên trên). Electron thứ hai cũng sẽ nằm chung ô lượng tử đó, nhưng vì có 1 electron đã nằm đó rồi nên để năng lượng là thấp nhất, mũi tên thứ 2 phải viết cắm xuống (ngược chiều với mũi tên đầu tiên) chứ không thể viết 2 mũi tên cùng hướng lên trên trong cùng 1 ô. Tiếp tục các electron tiếp theo được điền dần vào các ô khác.
Nhưng Nguyên lý loại trừ Pauli đó chỉ đúng với các hạt fermion thôi, còn các hạt boson thì không tuân theo Nguyên lý này, tức là chúng có thể nằm cùng 1 trạng thái cơ bản bao nhiêu cũng được.
Nếu tạo ra được 1 điều kiện vật lý thích hợp đối với tập hợp các hạt boson này (ví dụ hạ nhiệt độ xuống cực thấp), tất cả các boson đều ở trạng thái năng lượng thấp nhất như nhau thì trạng thái này giống như 1 sự ngưng tụ và đó được gọi là Ngưng tụ Bose-Einstein, trạng thái thứ 5 của vật chất.
Trạng thái ngưng tụ Fermion
Ngưng tụ Bose-Einstein là trạng thái ngưng tụ của các hạt boson khi đưa nhiệt độ xuống cực thấp thì Ngưng tụ Fermion là trạng thái ngưng tụ của các hạt fermion khi nhiệt độ xuống thấp hơn cả nhiệt độ để đạt được ngưng tụ Bose-Einstein.
