Nhỏ hơn cả Quark , giới hạn tối thiểu của vũ trụ: 10⁻³⁵ m (P.2)
Liệu hạt nào nhỏ hơn cả Quark ? P.2 đi vào thế giới lượng tử
Trong phần 1 của series này chúng ta đã đi gần nửa chặng đường khi đang ở mốc phóng đại 1.000.000x lần. Và lần này chúng ta sẽ đi tới mức 10.000.000 lần trở lên. Và trước tiên khi đi vào thế giới của nguyên tử, chúng ta sẽ phải cần có các loại kính hiển vi điện tử siêu cấp vip pro như sau
- Để quan sát các vật liệu rắn như sắt: cần có TEM, STM, hoặc STEM để quan sát mạng tinh thể, nguyên tử sắt, và liên kết kim loại.
- Để quan sát các tế bào sinh học cần sử dụng TEM hoặc AFM ( kính hiển vi lực nguyên tử) để quan sát cấu trúc phân tử như DNA, protein, và màng tế bào.
Những vật thể được quan sát ở mức phóng đại 10.000.000 - 100.000.000 lần
Bắt đầu ở mức phóng đại 10 triệu lần. Lúc này, chúng ta có thể phân biệt rõ ràng từng nguyên tử Fe. Các nguyên tử sẽ xuất hiện như các điểm sáng hoặc bóng tối (tùy vào kỹ thuật), thường sắp xếp theo cấu trúc tinh thể nếu chúng thuộc vật liệu rắn, như nguyên tử sắt trong mạng tinh thể BCC. Và kể cả các liên kết hóa học. Tuy không thể quan sát trực tiếp nhưng có thể suy ra từ khoảng cách và mật độ electron giữa các nguyên tử. Các liên kết hóa học có thể "thấy" là
+Liên kết kim loại: Khoảng cách cố định giữa các nguyên tử trong sắt.
+Liên kết cộng hóa trị: liên kết được tạo nên giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron chung
Bạn còn có thể theo dõi sự hình thành và phá vỡ liên kết hóa học giữa các nguyên tử, đặc biệt trong các phản ứng hóa học được thực hiện trên bề mặt kim loại hoặc vật liệu rắn, nếu quan sát bằng kính hiển vi quét xuyên hầm (STM)
Thế còn ở các bào quan trong tế bào thì sao?. Ở mức phóng đại này, bạn có thể thấy rõ ràng cấu trúc phân tử và nguyên tử, bao gồm DNA, protein, enzyme, và các tương tác phân tử phức tạp.
Giờ tăng lên độ phóng đại 100 triệu lần nhé, ở độ phóng đại này vẫn chưa thể nhìn thấy được hạt nhân nguyên tử vì khả năng của kính hiển vi điện tử không thể làm được điều đó vì hạt nhân nguyên tử rõ ràng, nhưng dựa mật độ electron và cách chúng phân bố xung quanh hạt nhân có thể được suy ra.
Với kỹ thuật phân tích phổ như EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy), bạn có thể hiểu được sự phân bố electron xung quanh các nguyên tử, giúp suy ra kiểu liên kết hóa học và năng lượng của chúng.
Còn ở DNA, bạn có thể thấy cấu trúc xoắn kép DNA sẽ hiện ra chi tiết, từng nguyên tử cacbon, hydro, nitơ, và oxy trong các bazơ A, T, G, C đều có thể được phân biệt.
Ngoài ra các liên kết cộng hóa trị (như liên kết giữa các nguyên tử trong chuỗi phân tử) có thể được suy ra từ khoảng cách nguyên tử. Quan sát cầu nối hydro giữa các chuỗi DNA hoặc trong cấu trúc protein. Và bạn có thể quan sát các phân tử sinh học tương tác với nhau, chẳng hạn như enzyme liên kết với DNA hoặc phản ứng với các phân tử cơ chất.
Các vật thể có thể "nhìn thấy" ở độ phóng đại 1 tỷ ( giới hạn của kính hiển vi điện tử) - 10 tỷ lần
Ở độ phóng đại 1 tỷ lần, thì chúng ta đã gần chạm rất gần đến thế giới hạ nguyên tử. Từng nguyên tử trong mạng tinh thể sắt sẽ được phóng đại, và các chi tiết nhỏ hơn như mật độ electron xung quanh nguyên tử có thể được phân tích. Liên kết hóa học: Khoảng cách giữa các nguyên tử (thường khoảng 0.2 nm) và cách chúng liên kết qua electron được hiển thị rõ ràng.
Ở mức này, bạn có thể thấy không chỉ vị trí của nguyên tử mà còn các dao động lượng tử của chúng (hiện tượng hạt trong lồng).
Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành đám mây electron với hình dạng đặc trưng (orbital s, p, d, f) có thể được quan sát một cách gián tiếp thông qua mô hình dữ liệu.
Có điều hình ảnh trực tiếp của hạt nhân nguyên tử vẫn không thể thấy rõ, vì kích thước của hạt nhân (~10^-15 m) nhỏ hơn nhiều so với giới hạn của kính hiển vi. Tuy nhiên, các hiện tượng liên quan đến mật độ electron và hiệu ứng lượng tử xung quanh hạt nhân có thể được mô hình hóa và quan sát gián tiếp.
Bây giờ mình sẽ chuyển sang độ phóng đại còn chi tiết hơn nữa: 10 tỷ lần, nhưng đây là giới hạn mà kể cả những kính hiển vi điện tử hiện đại nhất cũng không thể chạm tới được.
Vậy làm thế nào để người ta quan sát ở độ phóng đại này đây, câu trả lời là dùng máy gia tốc hạt. Chắc hẳn nhiều bạn thắc mắc là "làm thế quái nào mà máy gia tốc hạt có thể hoạt động như kính hiển vi được?. Nó dùng để gia tốc hạt mà". Câu trả lời là máy gia tốc hạt không trực tiếp "phóng đại" hình ảnh của vật thể như kính hiển vi, mà nó cho phép chúng ta nghiên cứu các hạt nhỏ nhất và tương tác của chúng thông qua các kỹ thuật gián tiếp.( các bạn có thể lên mạng tìm hiểu thêm nhé ).
Khi ở mức phóng đại này, bạn có thể mô phỏng hoặc suy luận hình ảnh của hạt nhân nguyên tử, bao gồm proton và neutron, với kích thước khoảng 1 femtomet (10^-15 m). Lẫn sự sắp xếp và mật độ proton và neutron trong hạt nhân.
Bản chất của lực hạt nhân mạnh (giữ các proton và neutron trong hạt nhân) có thể được nghiên cứu gián tiếp qua sự phân bố năng lượng. Hay là hiện tượng méo mó hạt nhân. Một số nguyên tử nặng có thể hiển thị sự mất đối xứng trong hình dạng hạt nhân, điều này có thể ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.
Lúc này tuy chưa "thấy" được các Quark nhưng bạn có thể quan sát được lực tương tác giữa các quark: Proton và neutron được tạo thành từ quark, và lực tương tác giữa chúng do hạt gluon truyền dẫn. Dù không thể quan sát trực tiếp quark hoặc gluon, các hiện tượng này có thể được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm phân tán năng lượng cao (ở máy gia tốc hạt như LHC - Large Hadron Collider).
Tuy nhiên ở độ phóng đại cực lớn này chúng ta sẽ có một vài hạn chế như sau:
+ Không thể quan sát trực tiếp quark và gluon: kích thước của quark (khoảng 10^-18 m) nhỏ hơn nhiều so với khả năng phóng đại hiện tại. Chúng chỉ có thể được nghiên cứu gián tiếp qua thí nghiệm.
+ Ở quy mô này, các hiện tượng như sự bất định Heisenberg trở nên rõ ràng, khiến việc xác định chính xác vị trí và động lượng của hạt trở nên không khả thi.
Các vật thể được quan sát ở độ phóng đại 100 tỷ lần ( tiến vào thế giới lượng tử )
Ở độ phóng đại siêu siêu siêu lớn này bạn đã chính thức bước vào thế giới nơi mà những định luật vật lý thông thường sẽ trở nên vô dụng, nơi mà các hạt như Quark, Gluon thống trị.
Proton và neutron không phải là các hạt cơ bản mà được tạo thành từ quark. Ở mức độ này, bạn có thể thấy: Các quark (up, down) và cách chúng sắp xếp bên trong proton và neutron. Các gluon (hạt truyền dẫn lực mạnh) giữ các quark với nhau.
Kích thước quark ước tính khoảng 10^-18 m, tức là bạn "phóng đại" quark từ vô cùng nhỏ đến kích cỡ có thể nhìn thấy. Tuy nhiên bạn không thể biết được kích thước chính xác của một hạt Quark. Kích thước quark vẫn chưa được xác định rõ và có thể là điểm (point-like particle). Ngay cả với mức phóng đại này, quark không thể "nhìn thấy" trực tiếp mà chỉ được mô hình hóa. Và cả những hạt gluon và lực lượng tử giữa các quark chỉ có thể nghiên cứu qua dữ liệu va chạm.
Và các lực cơ bản như lực hạt nhân mạnh, yếu, lực điện từ sẽ được mô phỏng một cách rõ ràng. Có khả năng phát hiện các hạt mới hoặc tương tác không xác định, ví dụ như các hạt siêu đối xứng.
+(Hạt siêu đối xứng (SUSY particles hoặc sparticles) là các hạt giả thuyết được dự đoán bởi lý thuyết siêu đối xứng trong vật lý. Đây là một phần của các mô hình mở rộng của Mô hình Chuẩn (Standard Model) nhằm giải quyết các vấn đề chưa được giải thích trong vật lý hạt cơ bản.) Nếu các bạn muốn tìm hiểu rõ hơn thì lên mạng nhé
Và ở mức phóng đại hàng trăm tỷ lần, bạn cũng không thể quan sát trực tiếp Higgs boson do kích thước, tính chất lượng tử, và tuổi thọ ngắn của nó. Tuy nhiên, thông qua các thí nghiệm năng lượng cao, chúng ta có thể suy luận sự tồn tại và tính chất của hạt Higgs từ dấu hiệu mà nó để lại trong các sản phẩm phân rã.
Bạn nghĩ là đã đạt đến giới hạn rồi đúng không?. Nhưng nố nồ. P.3 sẽ hứa hẹn thêm những điều kỳ thú mới khi độ phóng đại sẽ lên đến hàng tỷ tỷ lần. Liệu những gì đang được chờ đón sau lớp màng của vũ trụ đây. Ok nếu thấy hay hãy bấm upvote để mình ra tiếp phần 3 nhé kekeke.
Khoa học - Công nghệ
/khoa-hoc-cong-nghe
Bài viết nổi bật khác
- Hot nhất
- Mới nhất