(Trang 13)
Vật lí học thế kỉ XIX có những đóng góp quan trọng trong sự tiến bộ của khoa học và công nghệ nhờ sự phát triển của các lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí. Các lĩnh vực nghiên cứu của Vật lí học là gì? Các nhà khoa học trong các lĩnh vực vật lí nghiên cứu như thế nào?
I. VẬT LÍ THIÊN VĂN VÀ VŨ TRỤ HỌC
| Thiên văn học đã có lịch sử hàng ngàn năm với số lượng lớn những vì sao, những thiên hà đã được quan sát, cho phép con người nghiên cứu về các hiện tượng phát triển trong vũ trụ và nhận dạng các mối quan hệ trong những tiến trình đó. Thời cổ đại, con người đã quan sát bầu trời và xây dựng nên những mô hình đầu tiên của vũ trụ. Từ thế kỉ XVI, việc sáng chế ra kính thiên văn, nổi bật là sáng chế kính thiên văn phản xạ của Newton (Hình 2.2) cùng với nghiên cứu phân tích ánh sáng thành một chuỗi các vạch quang phổ của ông đã mở nên một kỉ nguyên trong vật lí học, một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các thiên thể. Ngày nay, thiên văn học là một phần của vật lí học. Mục tiêu của nó là tìm hiểu quá trình hình thành và phát triển của vũ trụ. Bằng lí thuyết và thực nghiệm, các nhà khoa học sẽ cung cấp những thông tin quan trọng nhất về sự hình thành nền vũ trụ của chúng ta. Lí thuyết Vụ nổ lớn (Vụ nổ nguyên thuỷ) là một trong các lí thuyết của vật lí hiện đại về giai đoạn sơ khai của sự hình thành vũ trụ. Theo lí thuyết này thì vũ trụ của chúng ta khởi thuỷ nhỏ, đặc và nóng. Vụ nổ lớn xảy ra, vũ trụ không ngừng giãn nở. Căn cứ vào các số đo về vận tốc bay của các thiên hà và các chuẩn tinh, có thể suy ra là vũ trụ đã hình thành cách đây khoảng 14 tỉ năm. |  |
Hình 2.1. Máy Antikythera được thiết kể để tính toán vị trí của các vật thể thiên văn (từ năm 150 TCN đến năm 100 TCN)
Hình 2.2. Kính thiên văn phản xạ của Newton năm 1668
(Trang 14)
| Trong mấy thập kỉ gần đây đã có rất nhiều phát kiến lớn nhờ sử dụng các kính viễn vọng đặt trên mặt đất hoặc trong không gian (Hình 2.3). Chúng ta có thể quan sát được khoảng cách xa từ 12 tỉ đến 13 tỉ năm ánh sáng, bao phủ đến 90% vũ trụ và thu được các sóng ở vùng vô tuyến, các tia vũ trụ để nghiên cứu được các thời kì sao bốc cháy, hay sự hình thành của những vì sao mới,... Không chỉ dừng lại ở việc quan sát vũ trụ từ Trái Đất, con người còn chế tạo các con tàu vũ trụ để thám hiểm không gian. Ngày 12/4/1961, tàu vũ trụ Vostok (Vô-xtốc) (Hình 2.5) chở theo nhà du hành Gagarin (Ga-ga-rin, 1934 – 1968) cất phóng từ sân bay vũ trụ Baikonour ở Kazakstan (thuộc Liên Xô trước đây) đã mở đầu kỉ nguyên chinh phục không gian.
Từ lâu con người đã đặt câu hỏi: Liệu có khả năng tồn tại sự sống ở bên ngoài Trái Đất không? Những khám phá vũ trụ gần đây như ảnh chụp cận cảnh Hoả tinh từ kính viễn vọng không gian cho thấy vết tích bao mòn của nước, tức là có thể đã từng có sự sống, thế nhưng khảo sát các mẫu đất thu thập từ máy dò của Mỹ đỗ bộ xuống Hoả tinh thì chưa thấy dấu vết gì của sự sống. Vẫn có nhiều luận điểm cho rằng tồn tại sự sống ở đâu đó. Với số lượng lớn các vì sao trong vũ trụ (khoảng 1022 sao) cho phép chúng ta hoàn toàn hi vọng là trên bề mặt rất nhiều hành tinh có thể có điều kiện cho cuộc sống hữu cơ nào đó. Thiên văn vô tuyến đã từng xác minh lẽ trong không gian giữa các vì sao có số lượng khổng lồ các chất hữu cơ. Ngay trên Trái Đắt ở những chỗ như miệng núi lửa hay sâu dưới biền, vẫn có những dạng sự sống kì lạ. |
Hình 2.3. Kính viễn vọng không gian Hubble được phóng lên vũ trụ năm 1990
Hình 2.4. Kính thiên văn vô tuyến đặt tại New Mexico, Mĩ
Hình 2.5. Tàu vũ trụ Vostok |
(Trang 15)
| Vật lí thiên văn và vũ trụ học nghiên cứu trên phạm vi rộng lớn, các hướng nghiên cứu chủ yếu như sau:
II. VẬT LÍ HẠT CƠ BẢN VÀ NĂNG LƯỢNG CAOÝ tưởng về vật chất được tạo bởi các hạt nhỏ bé không phân chia được, đã được đưa ra từ thế kỉ VI trước công nguyên, cho đến năm 1810 Dalton (Đan-tơn, 1766 – 1844) mới đưa ra luận điểm chứng minh được "mọi vật đều được cấu tạo bởi các hạt cực nhỏ, gọi là các nguyên tử". Vào những năm 1930, các nhà khoa học đã khám phá và chứng minh được rằng: có hai loại hạt, hạt cơ bản hay còn gọi là hạt sơ cấp là những hạt không thể chia nhỏ hơn được nữa và hạt tổ hợp là những hạt được cấu tạo bởi các hạt nhỏ hơn như proton và neutron, được cấu thành từ các hạt quark. Các nghiên cứu trong vật lí hạt hiện đại tập trung vào các hạt có cấu trúc nhỏ hơn nguyên tử. |
Hình 2.6. Robot thám hiểm Hoả tinh 2020 Mars của NASA
|
(Trang 16)
Vật lí nghiên cứu về hạt sơ cấp của vật chất và những tương tác giữa chúng. Nhiều hạt cơ bản không xuất hiện ở trong điều kiện môi trường tự nhiên. Các nhà khoa học sử dụng máy gia tốc để tăng tốc các electron với động năng cực lớn và sau đó sử dụng electron này bắn phá hạt nhân để tách ra các hạt quark, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chúng. Nền vật lí hạt còn được gọi là vật lí năng lượng cao.
Song hành với thực nghiệm, các nhà khoa học còn phát triển mô hình lí thuyết, với công cụ là toán học để dự đoán và giải thích các kết quả của thí nghiệm.
Từ các thí nghiệm, các nhà khoa học xây dựng mô hình về cấu trúc và tương tác giữa các hạt gọi là mô hình chuẩn.
Mô hình chuẩn đưa ra sự phân loại các hạt cơ bản đồng thời cũng mô tả các lực cơ bản của tự nhiên như lực tương tác mạnh, lực tương tác yếu và lực điện từ. Mô hình chuẩn còn cho phép dự đoán về sự tồn tại của một loại hạt khác có tên là Higgs boson.
Thế kỉ XX có sự đột phá trong nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về phân hạch hạt nhân đã tạo ra sự phát triển của ngành vật lí hạt nhân.
Các ứng dụng phổ biến nhất được biết đến của vật lí hạt nhân là sự tạo năng lượng hạt nhân và đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện, chụp hình ảnh cộng hưởng điện từ, cấy ion trong kĩ thuật vật liệu, bức xạ carbon xác định tuổi trong địa chất học và khảo cổ học.
Kĩ sư ngành kĩ thuật hạt nhân hoạt động trên phạm vi rộng. Họ có thể thực hiện nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên quan đến bức xạ hạt nhân, thực hiện các công việc liên quan đến thiết kế, chế tạo, vận hành, bảo trì bảo dưỡng các thiết bị, hệ thống ứng dụng bức xạ hạt nhân trong y tế, công nghiệp, nông nghiệp.
| ?
| EM CÓ BIẾT? Có bốn loại tương tác cơ bản:
|
III. VẬT LIỆU NANO
Vật liệu nano có cấu trúc các hạt, các sợi, ống, hay các tấm mỏng,... có kích thước rất nhỏ khoảng từ 1 – 100 nanomet (nm). Ở kích cỡ nano, vật liệu có tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hoá học khác hẳn với tính chất của vật liệu cùng loại các kích cỡ lớn hơn.
(Trang 17)
| Vật lí nano được phát triển từ những năm đầu thế kỉ XX, nghiên cứu về các hiện tượng và tác động vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử. Nhiều loại các thiết bị, phân tích như kính hiển vi điện tử có khả năng quan sát đến kích thước cỡ nguyên tử hay phân tử và phát hiện ra sự có mặt của các hạt có kích thước nanomet trong các vật liệu giúp xác định tính chất của vật liệu nano. Bằng thực nghiệm cho thấy sự thay đổi tính chất của vật liệu nano. Ví dụ điện trở của kim loại ở điều kiện bình thường tuân theo định luật Ohm, tuy nhiên nếu giảm kích thước của vật liệu xuống (khoảng vài trăm nm) thì điện trở của vật liệu sẽ không tuân theo định luật Ohm nữa.
Bên cạnh thực nghiệm, việc nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano có thể được thực hiện bằng cách sử dụng lí thuyết và mô phỏng trên máy tính. Thành tựu của vật lí nano thúc đẩy phát triển công nghệ nano liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và sử dụng vật liệu ở kích cỡ nano, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giúp giảm kích thước và tăng chức năng mới cho các thiết bị, ứng dụng trong mọi lĩnh vực đặc biệt là sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự,... và tác động đến toàn xã hội. Trong y – sinh học, các hoá chất và dược phẩm kích thước cỡ nano khi đưa vào cơ thể, giúp can thiệp ở quy mô phân tử hay tế bào dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư,... Trong sản xuất năng lượng, sử dụng các vật liệu nano chế tạo các loại pin, tụ điện làm tăng tính hiệu quả dự trữ điện năng hoặc tạo ra vật liệu siêu dẫn. | Hình 2.8. Kính hiển vi quét đầu dò thấy được từng nguyên tử trên bề mặt
Hình 2.9. Chiếc cốc La Mã cổ từ thế kỉ IV |
(Trang 18)
| Với công nghệ nano giúp chế tạo các linh kiện điện tử với tốc độ xử lí rất nhanh, các thiết bị lưu trữ thông tin cực nhỏ, sử dụng để chế tạo ra các thế hệ máy tính nano, màn hình máy tính, điện thoại. Các vật liệu nano giúp tạo ra vật liệu siêu nhẹ, siêu bền được sử dụng để sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ,... Trong đời sống hằng ngày, công nghệ nano có nhiều ứng dụng như sử dụng các hạt nano bạc trong sản xuất vải có khả năng tiêu diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo, chế tạo các màng lọc có cấu tạo lỗ rỗng và kích thước siêu nhỏ dùng lọc nước nhằm loại bỏ các tạp chất, vi khuẩn và bụi bẩn trong nước,... Kĩ sư công nghệ nano có khả năng làm việc trong nhiều lĩnh vực, họ có thể làm việc ở các cơ sở y tế, cơ sở sản xuất, kiểm tra chất lượng sản phẩm, nghiên cứu và phát triển sản phẩm,... | Năm 1980, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét mẫu thuỷ tinh từ chiếc cốc thuỷ tinh thời La Mã để phát hiện có các hạt nano kim loại với kích thước vô cùng nhỏ, chỉ khoảng 15 – 100 nm.
Hình 2.10. Ảnh chụp các hạt có kích thước nano bên trong mẫu thuỷ tinh từ chiếc cốc thuỷ tinh thời La Mã
|
IV. VẬT LÍ LASER
| Laser là từ viết tắt tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng), là nguồn ánh sáng thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt các phân tử của một môi trường vật chất. |
|
Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt, cho phép tập trung năng lượng rất lớn, đồng thời nó có tính đơn sắc và định hướng cao nên có thể chiếu rất xa mà không bị tán xạ hay phản xạ khi truyền qua mặt phẳng cách giữa các môi trường.
Laser đầu tiên được phát minh năm 1960 bởi Theodore Maiman (1927 – 2007) từ hồng ngọc. Hiện nay, có nhiều loại laser khác nhau được nghiên cứu và chế tạo từ hỗn hợp khí (ví dụ He-Ne, CO2,...), chất lỏng hoặc tạo bởi các liên kết bán dẫn. Laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:
- Trong công nghiệp chế tạo, laser được sử dụng để cắt kim loại.
Hình 2.11. Dao mổ bằng laser
Hình 2.12. Truyền thông tin qua vệ tinh bằng laser
(Trang 19)
Kĩ sư chuyên ngành vật lí laser có cơ hội làm việc tại các trường đại học, viện nghiên cứu chuyên về vật lí laser, tại các công ty chuyên về lĩnh vực quang học, trong các cơ sở y tế viễn thông, các cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị và linh kiện quang học.
|
Hình 2.13. Nghiên cứu thiên văn băng laser
|
V. VẬT LÍ BÁN DẪN
| Theo tính chất dẫn điện, các chất có thể chia thành ba loại: chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn. Vật lí bán dẫn là lĩnh vực nghiên cứu những tính chất và cơ chế vật lí xảy ra trong các chất bán dẫn. Thiết bị bán dẫn có lịch sử khá lâu đời, vào năm 1874, Rraun đã khám phá ra bản chất của sự dẫn điện giữa các tiếp điềm kim loại và chất bán dẫn. Đến năm 1935, bộ chỉnh lưu và diode tiếp xúc điểm silicon đã được sử dụng cho các thiết bị điện tử. Vật lí bán dẫn trở thành vật liệu chủ yếu trong kĩ thuật điện tử hiện đại. Do vật liệu bán dẫn có thể chế tạo các linh kiện rất nhỏ, vì vậy người ta đã dùng vật liệu này để chế tạo ra các mạch tổ hợp (mạch IC) hoặc các mạch IC siêu lớn. Trên mỗi mạch IC siêu lớn có hàng vạn linh kiện bán dẫn nhỏ, giúp thiết kế các máy tính, điện thoại nhỏ gọn hơn. Nhờ đặc tính nhạy sáng và nhiệt độ của vật liệu bán dẫn, người ta có thể chế tạo các thiết bị cảm biến hình ảnh và các hệ thống điều khiển tự động. |
Hình 2.14. Bóng bán dẫn đầu tiên được sáng chể bởi nhà vật lí người Đức Oscar Hail vào năm 1934
Hình 2.15. Mạch 1C
|
(Trang 20)
Những thành tựu của vật lí bán dẫn đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghiệp điện tử cũng như nhiều ngành khoa học, kĩ thuật và công nghiệp khác.
| ? Hãy kể tên một số ứng dụng của vật lí bán dẫn trong đời sống và khoa học, kĩ thuật. |
| Hãy tìm hiểu trên internet và thảo luận về các công nghệ hiện tại cũng như sự phát triền các công nghệ mới trong vật lí bán dẫn. |
VI. VẬT LÍ Y SINH
Vật lí y sinh là môn khoa học liên ngành, ứng dụng lí thuyết và phương pháp của khoa học vật lí vào sinh học, y học. Nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong các tổ chức và cơ thể sống dựa trên những thành tựu của Vật lí.
Nội dung nghiên cứu của vật lí y sinh rất rộng, như cơ chế sinh bệnh và tác dụng của các yếu tố môi trường và các yếu tố vật lí, các kĩ thuật chẩn đoán và điều trị bệnh hiện đại. Những năm gần đây, vật lí y sinh còn nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ trợ, phục hồi chức năng vận động và thiết bị nano để điều hoà chức năng sinh học.
Cùng với sự phát triển của máy vi tính, vật lí y sinh còn nghiên cứu các kĩ thuật thí nghiệm và chẩn đoán bệnh liên quan đến cơ thể quan sát, liên kết tiếp hợp mô hình hoá cấu trúc và tương tác của từng phần tử hay nhiều phân tử.
Ví dụ: các kĩ thuật như khuếch đại PCR có thể dùng để xem xét kết quả thí nghiệm bằng mắt thường hoặc với thiết bị phòng đại quang học. Bằng các kĩ thuật này, giúp nghiên cứu hệ thống tương tác phức tạp trong các tiến trình tạo ra sự sống.
Các ngành đào tạo về vật lí y sinh chuẩn bị cho sinh viên một nghề nghiệp như một nhà vật lí trong y học và sinh học. Kĩ sư vật lí y sinh có thể đảm nhận tốt công việc chuyên môn tại các bệnh viện, viện nghiên cứu, trường đại học, các công ty về thiết bị y tế, các trung tâm kiểm tra chất lượng thiết bị y tế, cơ quan quản lí nhà nước về an toàn bức xạ,...
| Hãy tìm hiểu trên internet và thảo luận về các công nghệ hiện tại cũng như phát triển các công nghệ mới trong vật lí y sinh. |
| EM CÓ BIẾT? PCR được viết tắt từ polymerase Chain Reaction, mang nghĩa là chuỗi phản ứng polymerase hay phản ứng khuếch đại gen. Hệ thống PCR tự động được thiết kế đề tách chiết acid nucleic cũng như khuếch đại tự động và phát hiện các acid nucleic (Hình 2.16). Kĩ thuật PCR cũng có thể được sử dụng để xác định các mối quan hệ tiến hoá giữa các sinh vật, từ đó có thể phát hiện các bệnh dịch truyền, phân tích DNA từ các hoá thạch của các sinh vật từ hàng ngàn năm trước. |
Hình 2.16. Hệ thống PCR |
(Trang 21)
| Người bị nhiễm virus cũng có thể được phát hiện bằng phương pháp PCR thông qua khuếch đại DNA của virus. Phân tích này có thể phát hiện ra người nhiễm virus trước khi có các triệu chứng từ vài ngày đến vài tháng. |
EM ĐÃ HỌC
|
| EM CÓ THỂ Tìm hiểu được qua sách báo và internet về một số lí thuyết khoa học và các công nghệ mới trong vật lí thiên văn và vũ trụ, vật lí hạt cơ bản và năng lượng cao, vật lí nano, vật lí laser, vật lí bán dẫn và vật lí y sinh. |
| EM CÓ BIẾT? Công nghệ in 3D tích hợp công nghệ tiên tiến vào y tế. Với máy in 3D, các chuyên gia y tế có thể in ra thuốc, xương, răng, mô tế bào, cơ quan sống,... dùng trong nghiên cứu và điều trị. Sử dụng công nghệ in 3D là một trong những bước tiến vượt bậc giúp cho việc tạo ra các bộ phận giả của con người nhanh chóng và đảm bảo hơn. Các bác sĩ có thể phẫu thuật và thấy thế các bộ phận bị hỏng bằng các bộ phận được "in" từ máy in 3D (Hình 2.17). Điều này giúp rút ngắn thời gian điều trị, cũng như tiết kiệm được rất nhiều chi phí chữa bệnh cho bệnh nhân.
Hình 2.17 |
