Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Phát xạ sóng hài thông tin cấu trúc phân tử HCN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TSKH Lê Văn Hoàng Sinh viên thực hiện: Đặng Hoàng Thủy Tiên Khóa học 31 (2005 -2009) Tháng 04/2009,Thành phố Hồ Chí Minh Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được khóa học và luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ cha mẹ, gia đình, thầy cô, nhà trường, người thân và bạn bè. Thông qua luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người. Tôi gửi lời cảm tạ chân thành đến Cha Mẹ tôi, những người đã luôn bên tôi đem lại nguồn sức mạnh giúp tôi luôn nỗ lực. Tôi xin đồng gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến thầy Lê Văn Hoàng – giáo viên hướng dẫn trực tiếp- người thầy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn chỉnh luận văn và thầy Nguyễn Ngọc Ty - giảng viên khoa Vật Lý Đại học Sư Phạm TP. HCM – người thầy luôn chỉ dẫn và giúp tôi giải quyết những khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn. Cùng các bạn đồng khóa, xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô thuộc khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP.HCM trong suốt khóa học đã truyền đạt những kiến thức, dạy chúng tôi những bài học làm người, làm thầy trong tương lai. Xin cám ơn những bạn bè đã cùng tôi trải qua những khó khăn, hạnh phúc trong quãng thời gian đại học này. Sau cùng xin gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc đến gia đình, thầy cô, bạn bè. Xin cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 04 năm 2009 Đặng Hoàng Thủy Tiên SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng LỜI MỞ ĐẦU hoa học kỹ thuật phát triển, con người ngày càng cần tìm hiểu những quá trình xảy ra cực kỳ nhanh chóng trong tự nhiên, ví dụ như chuyển động của electron quanh hạt nhân, thời gian sống của các hạt cơ bản, các phản ứng hóa học, sinh học trong khoảng thời gian femto giây hoặc nhỏ hơn… Từ đó nảy sinh nhu cầu nghiên cứu giải đáp những bí ẩn. LASER [1] là loại tia sáng đặc biệt. Dựa trên những đặc tính của LASER: các photon phát ra mang cùng một năng lượng  , ánh sáng đơn sắc; các photon này đều đồng pha tạo ra chùm ánh sáng kết hợp, giúp cho LASER có thể gây ra những tác dụng rất mạnh; ngoài ra, LASER còn có tác dụng định hướng rất tốt, các nhà khoa học đã thấy được triển vọng cho hướng nghiên cứu mới này. Yêu cầu đặt ra là làm sao tạo được những xung LASER có cường độ cao. Việc nghiên cứu tạo ra những xung LASER siêu ngắn có cường độ cao, vào những năm cuối của thế kỷ 20 đã hình thành nên một lý thuyết mới “Lý thuyết về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao” (Theory of High-order Harmonic) [10]. Thành tựu này đã mở đường cho một loạt các ứng dụng kỳ diệu mà trước nay chưa từng đạt được, trong đó có việc chụp ảnh phân tử bằng LASER siêu ngắn, quan sát các quá trình trong phân tử ở cấp độ thời gian femto giây. Sử dụng một xung LASER siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích sự phát sóng hài bậc cao của phân tử, các nhà khoa học có thể thu được những thông tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân tử. Bằng cách đó, các nhà khoa học đã chụp ảnh được các orbital phân tử khi chúng biến đổi trong các phản ứng hóa học, điều mà trước nay chưa từng thực hiện được [11]. Việc thu được thông tin cấu trúc của phân tử có ý nghĩa rất SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng quan trọng, từ chỗ con người chưa biết, đến ước mơ có thể điều chỉnh, can thiệp vào các quá trình trung gian trong các phản ứng hóa học và nay điều đó cơ bản đã thành hiện thực với thành tựu của những nghiên cứu bước đầu được công bố vào năm 2004 [11], nghiên cứu của giáo sư Cokum–Canada. Với mong muốn được nghiên cứu những lĩnh vực vật lý mới và tìm hiểu ứng dụng thực tế, tác giả chọn đề tài “PHÁT XẠ SÓNG HÀI VÀ THÔNG TIN CẤU TRÚC PHÂN TỬ HCN” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp. Luận văn nhằm kiểm chứng nhận dịnh sóng hài có chứa thông tin phân tử, và tìm hiểu thông tin cấu trúc HCN thông qua sóng hài thu được. Trong quá trình thực hiện luận văn tác giả đã nhận ra nhiều điều bổ ích thông qua việc tìm hiểu một kiến thức mới, học hỏi không bao giờ là đủ và việc tìm tòi bắt kịp những phát triển của thời đại là một nhu cầu. Chính vì thế, thông qua luận văn tốt nghiệp này tác giả mong muốn đó sẽ là một “món quà” gửi đến bạn đọc yêu thích Vật lý nói chung và các sinh viên khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TPHCM nói riêng những hiểu biết sơ khởi một lĩnh vực mới mẻ, hấp dẫn và đầy triển vọng của Vật lý học. Hướng đến mục tiêu đó tác giả chủ trương trình bày nội dung luận văn một cách xúc tích, đơn giản sao cho những bạn đọc có kiến thức vật lý đại cương có thể hiểu được. Mục tiêu này đòi hỏi tác giả phải viết bằng ngôn ngữ phổ thông, dễ hiểu, hạn chế dùng công thức toán học khi chưa thật sự cần thiết, tăng cường minh họa bằng hình ảnh. Luận văn được tác giả trình bày thành 3 phần với mục tiêu rõ rệt ở mỗi chương, giúp người đọc có thể nắm được nội dung chính của chương: Mục I: Lược sử LASER. Cơ chế phát xạ sóng hài. Mục II: GAUSSIAN và cấu trúc năng lượng HCN. Mục III: Phát xạ sóng hài nghiên cứu động học phân tử HCN/ HNC. Để thuận tiện cho việc theo dõi luận văn, tác giả sẽ tóm lược nội dung chính. Mục I: “LASER” một thuật ngữ ngày nay đã rất quen thuộc đối với nhiều người, bởi lẽ LASER đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Các ứng dụng của LASER có thể dễ dàng được tìm thấy trong đời sống hàng ngày, máy đọc SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng đĩa CD, máy quét mã vạch ở siêu thị, máy in LASER trong các văn phòng… đến phẫu thuật bằng LASER trong y khoa hoặc những ứng dụng trong thông tin liên lạc, quân sự và nghiên cứu khoa học... Tuy nhiên, chúng ta lâu nay vẫn quen với việc sử dụng các ứng dụng khoa học công nghệ được đưa vào thực tế hơn là tìm hiểu về chúng. Trong phần thứ nhất của mục này tác giả dành đôi trang giới thiệu những nét cơ bản nhất về LASER bao gồm lịch sử phát minh ra LASER, các bộ phận cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LASER giúp người đọc có thể hiểu thêm về thành tựu khoa học này. Phát minh LASER là một phát minh tình cờ khi hai nhà khoa học Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow tìm cách chế tạo một công cụ để giúp họ nghiên cứu cấu trúc phân tử, không ai nghĩ rằng sẽ chế tạo được một thiết bị đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực trong đời sống, từ công nghệ thông tin đến y khoa, từ dân sự đến quân sự… Việc phát minh ra LASER là công trình của nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên, trong phần lịch sử, tác giả tóm tắt quá trình phát minh LASER thông qua hoạt động của hai nhà khoa học Townes và Schawlow, hai người được coi như cha đẻ của LASER (mặc dù người chế tạo LASER đầu tiên là Theodore Harold Maiman) và giới thiệu tiểu sử vắn tắt của hai nhà khoa học này. Để người đọc có cái nhìn tổng quát trước khi nghiên cứu chi tiết về LASER, tác giả trình bày sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LASER. Nguyên tắc hoạt động của LASER khá đơn giản, nhưng để nghiên cứu chi tiết hơn về LASER thì cần phải có những khái niệm cơ bản dùng cho LASER. Trong đó, quan trọng nhất là hai khái niệm sự bức xạ cưỡng bức và sự nghịch đảo nồng độ. Các khái niệm này được trình bày ở mục I.2. Tiếp theo, tác giả lần lượt trình bày chi tiết về ba bộ phận chính của LASER, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của chúng. Trong phần này tác giả không đi sâu vì những thông tin này được biết nhiều qua các tài liệu, tác giả chỉ giới thiệu những điều cơ bản cần thiết nhất để bắt đầu nghiên cứu về vấn đề được đặt ra trong luận văn. Nhìn chung, nội dung này sẽ trang bị cho người đọc những kiến thức sơ bộ về LASER mà không đi sâu nghiên cứu chi tiết, bởi vì mục tiêu của luận văn này là Lý thuyết phát xạ sóng hài và ứng dụng tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử HCN. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên ... - tailieumienphi.vn