Bài 2:

Giới thiệu một số lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí

Khởi động
Trong thế kỉ 21, các nhà vật lý tập trung nghiên cứu những đối tượng nào?
Thành tựu của vật lí đã được vận dụng vào thực tế nhằm cải tiến công
nghệ hiện tại và phát triển công nghệ tương lai như thế nào?

I

Vật lí hạt nhân
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí hạt nhân

Nghiên cứu các hiện tượng phóng xạ, quá trình giải phóng năng lượng
thông qua phản ứng hạt nhân (phân hạch, nhiệt hạch), cấu trúc hạt nhân,
tương tác giữa các hạt nucleon cấu tạo nên hạt nhân.

𝐴 𝐴 − 4𝑌
𝑍 −2
𝑍

𝑋

4
2

𝐻𝑒

Hiện tượng phóng xạ vào năm 1896 bởi nhà vật lí người pháp H. Becquerel
Sau đó Pierre Curie và Marie Curie đã nghiên cứu tinh chế và tổng hợp những
nguyên tố phóng xạ nhân tạo đầu tiên  sự ra đời của ngành Vật lí hạt nhân.

I

Vật lí hạt nhân
Một số ứng dụng của Vật lí hạt nhân

Ứng dụng phổ biến nhất của Vật lí hạt nhân là khai thác năng lượng của quá
trình phân rã hạt nhân trong các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện.

I

Vật lí hạt nhân
Một số ứng dụng của Vật lí hạt nhân

Trong y học, Vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ
chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư.

Ví dụ: Hiện tượng phân rã gamma
được ứng dụng trong máy chụp cắt lớp
bằng bức xạ đơn photon” (SPECT)

sử dụng các loại tia phóng
xạ trong xạ trị ung thư

I

Vật lí hạt nhân
Một số ứng dụng của Vật lí hạt nhân

Trong y học, Vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong công
nghệ chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư.

Sử dụng chùm tia beta (electron)
hoặc tia X bức xạ hãm trong máy gia
tốc tuyến tính để điều trị ung thư

Hiện nay, máy xạ trị proton có thể tiêu diệt
được các tế bào ung thư tại những vị trí
khó như não mà ít để lại biến chứng nhất,

I

Vật lí hạt nhân
Một số ứng dụng của Vật lí hạt nhân

Ngoài ra, công nghệ hạt nhân còn có một số ứng dụng thực tiễn sau:

Nông nghiệp: Chiếu
xạ hạt giống để cải
tạo giống cây trống.

Công nghiệp: chiếu xạ hạt nhân
để kiểm định chất lượng sản
phẩm, kiểm tra mối hàn, đo mật
độ mà không phá huỷ mẫu vật.

Thực phẩm: Chiếu xạ để
diệt vi sinh vật giúp trái cây
được bảo quản lâu hơn ở
điều kiện bình thường.

II

Vật lí nano
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí nano

Nghiên cứu vật chất hay các thiết bị có kích thước từ 1 - 100 nm*.
 Khoa học nano: nghiên cứu các tính chất vật lí, hoá học đặc biệt của
các loại vật liệu ở cấp độ nanômét.
 Công nghệ nano: tập trung nghiên cứu ứng dụng vào thực tế

Ví dụ: Vật liệu Graphene:
Tấm carbon siêu mỏng
(dày 1 nguyên tử) trông
như 1 sợi dây phân tử nhỏ

II

Vật lí nano
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí nano

Ở kích cỡ nano, vật liệu có tính chất điện, tính chất từ, tính chất
quang và các tính chất hóa học khác hẳn với tính chất của chúng
tại kích cỡ lớn hơn
Ví dụ, ống nano carbon có độ
cứng hơn thép khoảng 100 lần
nhưng lại rất nhẹ và có tính
chất dẫn điện tốt. Nó được tạo
thành bằng việc uốn cong một
lớp vật liệu graphene (một lớp
các nguyên tử 12C )

II

Vật lí nano
Một số ứng dụng của Vật lí nano

Các công nghệ nano có thể giúp giảm kích thước các linh kiện điện tử
hay thiết bị lưu trữ thông tin của máy tính, các thiết bị giải trí, đồng thời
tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.

Hiện nay kích thước các transistor được tích hợp trên các chip máy tính đã được thu nhỏ
cỡ vài chục nanomet (ví dụ năm 2015 là 16nm) và đang tiếp tục được giảm xuống

II

Vật lí nano
Một số ứng dụng của Vật lí nano

Trong y tế, các robot được chế tạo với kích thước nano với mục đích mang
thuốc tiêu diệt chính xác tế bào ung thư hoặc tác nhân gây bệnh, hạn chế
những ảnh hưởng tiêu cực đến các tế bào khoẻ mạnh ở xung quanh.

Trong tương lai gần các
Robot có kích thước nano
có thể được chế tạo*

*Theo nghiên cứu của Viện Kỹ thuật Sinh
học và Di truyền tại Trường Y Harvard

III

Vật lí Laser
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí Laser
Năm 1960, H. Maiman
đã thành công trong việc
chế tạo bộ phát laser đầu
tiên trên thế giới khi sử
dụng hồng ngọc làm môi
trường hoạt tính.

- Hiện nay, tia laser có thể được tạo ra từ nhiều môi trường hoạt tính khác
nhau như laser khí He-Ne , CO2,..., laser tinh thể chất rắn: Ti-Sapphire ,
Rubidium, và laser chất bán dẫn,...
- Laser có nhiều tính chất ưu việt: tính đơn sắc cao, tính kết hợp cao, tính
định hướng cao và có cường độ cao

III

Vật lí Laser
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí Laser

- Cấu trúc của nguyên tử, phân tử thông qua các hiệu ứng quang phi tuyến
- Sự hình thành các liên kết hoá học trong thời gian rất ngắn bằng cách sử
dụng những xung laser cực ngắn
- Chế tạo các thiết bị quang học, quang-điện tử mới có tính năng vượt trội.
- Nghiên cứu chế tạo công cụ, thiết bị để bẫy nguyên tử hay và dịch
chuyển các hạt có kích thước các hạt có kích thước từ m – nm
Nhíp quang học (optical tweezer)
dùng tia laser có độ hội tụ cao để
bẫy và dịch chuyển các hạt có kích
thước từ m – nm

Thảo luận
Quan sát Hình , tìm hiểu và trình bày sơ lược những hiểu biết của em
về sự phát triển của một trong những công nghệ được giới thiệu.

III

Vật lí Laser
Một số ứng dụng của Vật lí Laser

Trong y học
- Laser được sử dụng để chụp ảnh, chẩn đoán u sắc tố, các bệnh liên quan
đến da và các cơ quan khác như mắt, não.
- Công nghệ LASIK* được dung để điều trị tật khúc xạ
- Dao phẫu thuật laser có độ chính xác cao dùng trong phẫu thuật thẩm mĩ
như xoá nốt ruồi, xoá hình xăm,...

* LASIK: Laser-Assisted in situ Keratomileusis

III

Vật lí Laser
Một số ứng dụng của Vật lí Laser

Trong viễn thông
- Laser dùng để truyền tín hiệu trong công nghệ cáp quang (fiber)  tín
hiệu truyền đi với lưu lượng lớn, tốc độ nhanh, hạn chế mất mát, nhiễu…
- Tia laser được sử dụng trong việc xác định vị trí của các vật thể trong vũ
trụ và theo dõi, điều khiển, liên lạc với các tàu vũ trụ,...

III

Vật lí Laser
Một số ứng dụng của Vật lí Laser

Trong công nghiệp
- Với khả năng tập trung năng lượng lớn trong một tiết diện nhỏ, tia laser
cường độ cao đã được sử dụng để phát triển công nghệ cắt, khắc vật liệu
thép và các kim loại cứng với độ chính xác cao trong các máy CNC*

*CNC: Computer Numerical Control

Thảo luận
Trình bày sơ lược một số ứng dụng khác của laser trong đời sống

Trình chiếu

Đo đạc

Thí nghiệm quang học

IV

Vật lí tính toán lượng tử
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí tính toán lượng tử

- Sự ra đời của cơ học lượng tử đã
giải quyết những hạn chế của Vật lí
cổ điển ở thang cấp độ vi mô  tạo
nền tảng lí thuyết tốt hơn để giải
quyết những hạn chế của máy tính
và lí thuyết thông tin hiện tại.
- Ngày nay, Vật lí tính toán lượng tử
là một lĩnh vực nghiên cứu quan
trọng và có nhiều tiềm năng ứng
dụng vào thực tế của Vật lí hiện
đại.

Vi xử lí được tạo bởi 53 qubits
trong máy tính lượng tử được phát
triển bởi Google vào nám 2019

IV

Vật lí tính toán lượng tử
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí tính toán lượng tử

- Các thuật toán và xây dựng thư
viện lập trình tính toán cho máy
tính lượng tử.
- Chế tạo các mạch lượng tử, cổng
logic lượng tử, bộ nhớ lượng tử,
bit lượng tử (qubit-quantum bit),
các bộ mô phỏng lượng tử để
xây dựng máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử do Google tuyên
bố đã chế tạo thành công năm 2019

IV

Vật lí tính toán lượng tử
Một số ứng dụng của Vật lí tính toán lượng tử

Công nghệ cảm biến:
Độ nhạy của trạng thái lượng tử có thể được khai thác để phát triển các
công nghệ cảm biến mới dựa vào khả năng phát hiện ánh sáng, điện
từ, trọng lực và từ trường.
- Các nhà quan trắc có thể dự đoán được mối nguy từ lòng đất bằng
cách đo trọng lực
- Xe hơi có thể cảm nhận được các vật thể nằm tại những góc khuất
hoặc bị che bởi sương mù
- Có thể sử dụng để chẩn đoán những dấu hiệu của bệnh tim với độ
chính xác cao hơn rất nhiều phương pháp điện tâm đồ hiện nay..

IV

Vật lí tính toán lượng tử
Một số ứng dụng của Vật lí tính toán lượng tử

Lĩnh vực đo lường:
 Giúp hoàn chỉnh hệ thống đo lường khi
đưa ra khái niệm mới về kilôgam tiêu
chuẩn theo hằng số Planck khi dựa
vào mối liên hệ cơ bản giữa khối lượng
và năng lượng.
 Đóng góp trong việc phát minh ra
những thiết bị như máy vi tính, điện
thoại thông minh, các thiết bị bán dẫn,
laser, công nghệ chụp cộng hưởng từ
(MRI), hay công nghệ vật liệu, quang
học lượng tử,...

1 kg tiêu chuẩn trước ngày 20/5/2019

V

Vật lí vật chất ngưng tụ
Đối tượng nghiên cứu của Vật lí vật chất ngưng tụ

- Hiệu ứng ngưng tụ Bose-Einstein để chế tạo
bit lượng tử (qubit) và laser nguyên tử (atom
laser) từ các hệ nguyên tử siêu lạnh phục vụ
cho các nghiên cứu về máy tính lượng tử và
các công nghệ đo lường chính xác cao.
- Các tính chất điện và từ của các loại vật
liệu, cấu trúc của mạng tinh thể để chế tạo
những vật liệu mới với những tính chất ưu
việt như ống nano carbon, graphene,...
- Vật liệu bán dẫn phục vụ ngành điện - điện
tử và ngành công nghiệp về bán dẫn như
chế tạo vi xử lí trung tâm của máy tính

Mô tả phân bố vận tốc của các
nguyên tử khí 87Rb trong thí nghiệm
xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng
ngưng tụ Bose Einstein (BEC)

V

Vật lí vật chất ngưng tụ
Một số ứng dụng của Vật lí ngưng tụ Bose - Einstein

- Đo lường: Trạng thái BEC là cơ sở quan trọng để phát triển công nghệ
laser nguyên tử siêu lạnh  phục vụ công nghệ đo đạc chính xác cao.
- Thông tin và máy tính lượng tử: công nghệ giam giữ và điều khiển nguyên
tử siêu lạnh, điển hình là mạng quang học  có thể kiểm soát và trích
xuất tính chất lượng tử của từng nguyên tử.

Mạng quang học

Ảnh chụp các nguyên tử bị giam trong mạng quang học