Đang tải... (xem toàn văn)
Kiến thức vật lý học & ứng dụng trong đời sống - Phạm Thị Hồng Nhung
PHẠM THỊ HỒNG NHUNG KIẾN THỨC VẬT LÝ HỌC & ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG Phạm Thị Hồng Nhung (sưu tầm) TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Ma sát lốp xe Những cầu Năng lượng người Đo huyết áp .7 Trái Đất, Mặt Trăng thuỷ triều Sức căng bề mặt phổi .10 Động xăng 12 Máy bay bay nào? 14 Đi chạy 15 Tai người việc nghe 17 Lưỡng cực lị vi sóng 18 Máy ghi điện tâm đồ .19 Điện giật 20 Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 21 Nghịch lí anh em sinh đôi .23 Photon sức nhìn 24 Kính hiển vi điện tử .25 Màn hình tinh thể lỏng 26 Lưu lượng giao thông vào cao điểm .27 Cơ học động tác quay vũ đạo 29 Vật Lí khơng trọng lượng 33 Vật Lí thể thao khí động lực học vật ném 37 Sức cản khí động lực học 38 Âm học phòng hòa nhạc: khoa học hay nghệ thuật? 43 Sự hoàn chỉnh hiệu cho phòng Hòa Nhạc 44 Sự sôi hiệu ứng Leidenfrost .48 Phải tạo thành lớp CO2 làm ấm khí hậu 52 Bay từ 57 Từ học đời sống 62 Vật Lí đồ chơi 66 Thơng tin sóng sáng dùng sợi quang học 69 Phép chụp ảnh toàn ký 73 Ứng dụng laser .78 Y học hạt nhân 84 TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Ma sát lốp xe Các lốp xe ảnh hưởng đến an toàn bạn đến mức bạn lái xe xa lộ? Yếu tố ngăn cho xe khỏi bị trượt cho phép bạn kiểm soát xe bạn cua xe hay dừng lại? Ma sát làm đây? Bề mặt lốp xe đóng vai trị chủ yếu việc tạo ma sát hay chống trượt Trong điều kiện khô ráo, lốp xe nhẵn tạo lực đẩy lớn diện tích tiếp xúc lớn làm tăng lực ma sát Vì vậy, lốp xe dùng cho xe đua đường đua có bề mặt nhẵn khơng có khía (Hình P.101) Rủi thay, lốp xe nhẵn tạo ma sát đường ướt ma sát bị giảm đáng kể có lớp nước mỏng bơi trơn mặt đường lốp xe Lốp xe có bề mặt nhiều khía tạo nên rãnh cho nước bị ép thoát cho phép lốp xe tiếp xúc trực tiếp với mặt đường Một lốp xe có khía có hệ số ma sát khô ướt khoảng 0,7 0,4 Giá trị nằm khoảng giá trị lớn khô (0,9) nhỏ ướt (0,1) lốp xe nhẵn Lý thuyết ma sát cổ điển cần sửa đổi cho lốp xe cấu trúc mềm dẻo chúng độ dãn cao su Thay phụ thuộc hệ số ma sát bề mặt đường lốp xe (hệ số định chất mặt đường cao su lốp xe) Khả dừng tối đa cịn phụ thc vào độ bền lốp xe với lực xé rách xe thắng gấp Khi xe thắng gấp đường khô, lực ma sát tạo lớn sức bền bề mặt lốp xe Kết thay bị trượt đường, cao su bị xé rách Rõ ràng độ bền chống lại xé rách phụ thuộc vào lớp bố hình dạng khía Trọng lượng xe phân bố không diện tích tiếp xúc với mặt đường, tạo vùng áp suất cao thấp khác (giống bạn dép mỏng sỏi) Độ bền chống xé rách lớn vùng có áp suất cao Hơn nữa, kích thước diện tích tiếp xúc quan trọng lực đẩy động tĩnh tức thay đổi bánh xe lăn Diện tích tiếp xúc lớn, lực đẩy lớn Do đó, với tải bề mặt khơ, lốp xe rộng có lực đẩy tốt hơn, làm xe có khả dừng tốt Khi bạn mua lốp xe, suy nghĩ điều kiện thời tiết chất lượng mặt đường, vận tốc bạn lái xe Nếu bạn lái xe đường tốt, bạn cần lốp xe có khía vừa phải Nếu bạn lái xe đường bùn hay tuyết, bạn cần lốp xe thiết kế cho điều kiện TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Xe đua chạy đường siêu tốc trang bị lốp rộng, nhẵn gọi “lốp tăng tốc” Lốp xe đua đường khơ có bề mặt tiếp xúc nhẵn Lốp có khía dùng phổ biến để tạo rãnh cho nước chạy đường ướt (Hình P.102) Bởi khơng có khía, lốp xe đua khơng thể chạy đường ướt Những cầu Làm để qua sơng? Có lẽ câu trả lời làm cầu Người ta xây dựng cầu nhiều kỷ, ngày tiếp tục thiết kế xây dựng cầu dài hơn, đẹp Những cầu thân hay đá gác lên hai bờ Khoảng cách phụ thuộc vào chiều dài sức bền vật liệu Sự phát triển giàn cầu, tổ hợp xà nối với cho chia phần trọng lượng cầu, làm tăng tỉ số sức bền trọng lượng Thành phần giàn cầu thẳng nối với thành loạt tam giác Cấu trúc tạo thành nhẹ cứng đơn chịu tải khoảng cách lớn Trong thuật ngữ đại thiết kế giàn cầu cần kiến thức cân sức bền vật liệu Hình P.201 - Cầu Mỹ Thuận thuộc tỉnh Vĩnh Long - Việt Nam cầu treo chống đỡ tải trọng cách truyền lực căng dọc theo cáp treo tới trụ chính, trụ truyền lực nén xuống đất Những cầu giàn làm gỗ Những giàn sau gia cố sắt hay làm toàn sắt Vào cuối kỷ 19, vật liệu phổ biến để làm giàn cầu thép Hầu hết cầu xa lộ Mỹ từ khoảng năm 1890 đến kỷ 20 cầu giàn thép, đặc biệt nhịp từ 200 đến 400m Các khoảng cách dài đạt cầu vịng cung Thiết kế cầu vịng cung hồn thiện từ nhiều kỷ trước người La Mã Bí mật cầu vịng cung trọng lượng tải lực nén, điều cho phép dùng đá làm vật liệu xây dựng Một vài cầu đá làm từ thời La Mã đến đứng vững Thiết kế vòng cung tạo lực hướng xuống mép đáy vòng cung Một cầu vịng cung xây dựng đắn có thề dài hàng trăm mét Ví dụ, cầu vịng cung thép băng qua vịnh Sydney (Úc) dài 503m cầu sông Gorger Đông Virginia (Mỹ) dài 518m Cả hai cầu TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG thép dùng giàn thép gia cố vòng cung Nhịp cầu lớn cho cầu vòng cung thép ước tính vào khoảng 900m Hình P.202 - Một cầu vịng cung chống đỡ tải cách truyền lực nén tới trụ chống Cầu quốc lộ California tựa vào vách đá Những nhịp cầu dài đạt với cầu treo, treo dây cáp thép trụ cao Đầu dây cáp neo bờ bên chỗ neo bêtơng cứng Nhờ có tỉ số sức bền trọng lượng lớn, cầu treo làm dài loại cầu khác Cầu Askashi-Kaikyo Nhật cầu có nhịp dài giới, với khoảng cách 170m trụ Các cầu treo ngày dựa nhiều vào nhà thiết kế cầu Brooklyn, John Roebling trai Washington Roebling Vào năm 1866 Roebling Bố, người tiên phong việc xoắn dây từ đầu neo đến neo qua đỉnh cột, nhận nhiệm vụ thiết kế xây dựng cầu nối Brooklyn Mahattan Ba năm sau, việc thiết kế hoàn thành, John Roebling chết bệnh uốn ván tai nạn chỗ làm cầu Con trai ông tiếp tục nhiệm vụ giám sát việc xây dựng cách dùng buồng kín nước gọi buồng khí nén, để đến vùng áp suất cao móng cầu Trong làm việc buồng khí nén, Washington Roebling bị bệnh khí ép buồng bị khí đột ngột Ông bị liệt phần, giám sát phần lại công việc từ giường bệnh qua cửa sổ, vợ Ơng Emily thực lệnh ơng đạo thợ Khi cầu khánh thành vào tháng năm 1883 cầu treo dài giới thời với nhịp dài 486m Hình P.203 - Cầu giàn truyền tải trọng tới trụ tổ hợp lực nén (các vector hướng vào nhau) lực căng (các vector hướng xa nhau) Cầu Mystic Tobin băng qua sông Mystic Boston, Massachusetts, ví dụ cầu giàn Hình P.204 - Cầu Pont du Gard gần Nỵmes, miền Nam nước Pháp Cầu hệ thống ống dẫn nước xây người Roman vào đầu kỷ thứ TCN Cấu trúc vững chãi đứng vững để chứng thực cho kỹ siêu việt người kỹ sư Roman TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Năng lượng người Định luật bảo tồn lượng có áp dụng cho thể bạn không? Câu trả lời có Thực phẩm bạn ăn nhiên liệu cung cấp lượng cho bạn tồn làm việc Các chất xúc tác, gọi enzyme, cho phép đốt cháy nhiên liệu nhiệt độ thể, biến đổi lượng hoá học thành nhiệt lượng khác Nếu bạn nạp vào nhiều nhiên liệu, phần lượng lưu trữ khối lượng thể bạn tăng cân Nếu bạn nạp vào lượng, bạn giảm cân Do đó, bạn muốn trì cân nặng, lượng bạn nạp vào phải lượng thể bạn sử dụng Sự cân lượng gọi lượng đủ sống Ở nơi giới, lượng đo Jun Calori đơn vị dùng phổ biến để đo lượng thưc phẩm Khơng có ngạc nhiên lượng đủ sống phụ thuộc vào trọng lượng thể mức độ hoạt động Hình B 3.1 trình bày lượng đủ sống phụ thuộc vào khối lượng thể Đường biên ứng với người hoạt động Đường biên ứng với người hoạt động Ở Mỹ hầu hết người nạp vào khoảng 2000 đến 3000 Calori ngày Hầu hết lượng thực phẩm đưa vào để làm thể tồn giữ ấm Khi bạn nằm yên giường, thể bạn dùng lượng nhất, lượng trung bình dùng điều kiện đó, gọi tốc độ trao đổi chất bản, khoảng 1400 Calori ngày cho phụ nữ 1600 Calori cho đàn ông Tốc độ ứng với cơng suất trung bình khoảng 75W Hầu hết lượng nạp vào dùng để taí tạo tế bào Năng lượng tiêu phí nhả dạng nhiêt để trì nhiệt độ thể Khi bạn tăng cường hoạt động, nhu cầu lượng bạn tăng lên Ví dụ, hình B 3.2 tốc độ sử dụng lượng tăng lên tăng tốc độ Tốc độ tiêu thụ lượng tăng lên nhanh có nghĩa bạn nhấc chân tay, lượng cần dùng để thắng ma sát bên thể Hơn nữa, bắp thịt hiệu việc chuyển lượng hoá học thành Chỉ khoảng phần năm hoá dùng bắp thịt chuyển thành năng; phần lại tiêu tán dạng nhiệt; điều giải thích bạn nóng chạy Mức tiêu thụ lượng TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG trung bình người đàn ông không hoạt động vào khoảng 2800 Calori, cho phụ nữ không hoạt động khảng 2000 Calori Những người làm việc nặng nhọc cần nhiều lượng Ví dụ lực sĩ cần khoảng 8000 Calori ngày Bạn dùng lượng thể thao hoạt động khác? Bảng B6.1 cung cấp giá trị tiêu biểu cho người nặng 70 kg Để tìm giá trị cho bạn, nhân số bảng với khối lượng bạn chia cho 70 Bảng cho lượng trung bình Khi bạn nhảy, ném hay cử tạ, lượng bạn cần cao Số Calori dùng người nặng 70kg 10 phút Hoạt động Năng lượng sử dụng (Calori) (Jun) Bóng chuyền 34 142,000 Đi (5km/h) 40 167,000 Đi (7km/h) 58 242,000 Chạy chậm (7 phút - 1km) 91 380,000 Chạy (5 phút –1km) 141 590,000 Đi xe đạp (10km/h) 47 197,000 Đi xe đạp (18km/h) 81 339,000 Bơi (ếch) 72 301,000 Bơi (sấp) 87 364,000 Thể dục mềm dẻo 49 205,000 Tennis 68 285,000 Bóng ném 95 398,000 Trượt tuyết (xuống dốc) 95 398,000 Trượt tuyết (đường bằng) 108 452,000 Trượt băng (vừa phải) 54 226,000 Chèo xuồng 70 293,000 Leo núi 100 420,000 Golf 54 226,000 Đo huyết áp Hầu bạn kiểm tra sức khỏe, người ta đo huyết áp bạn Đó việc làm thơng dụng ngành y Người ta quấn băng quanh tay bạn, bơm căng, lắng nghe qua ống nghe đặt vào tai nhả từ từ Chuyện xảy người ta đo huyết áp? Trái tim bắp thịt lớn, chịu trách nhiệm bơm máu khắp thể Máu từ thể quay qua tĩnh mạch ngăn bên phải tim Tim bơm máu qua phổi Phổi lấy khí dioxit cacbon khỏi máu cấp oxy vào máu Ngăn bên trái tim nhận máu giàu oxy từ phổi bơm khắp thể qua động mạch Máu chảy từ động mạch đến tĩnh mạch qua mao mạch Y học quan tâm đến áp suất hai hoạt động tim: huyết áp Tâm Thu, trái tim co lại; huyết áp Tâm Trương, tim nghỉ hai nhịp đập Hoạt động bình thường trái tim làm cho huyết áp dao động hai giá trị Giá trị TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG cao hay thấp bất thường huyết áp tình trạng bệnh tật vơí mức độ nghiêm trọng khác Cách trực tiếp để đo huyết áp nhét ống đầy chất lỏng vào động mạch nối tơí máy đo áp suất Mặc dù điều làm, bất tiện Phương pháp thường dùng dùng máy đo huyết áp Một băng khơng đàn hồi có ruột thổi phồng lên được đặt vào cánh tay, độ cao vào cỡ độ cao tim Băng nối trực tiếp tơí áp kế(Hình P.401) Khi băng bơm phồng; đủ áp suất, máu chảy qua động mạch tay dừng lại Nêú băng đủ dài bó sát vào cánh tay, áp suất mô cánh tay áp suát băng áp suất động mạch Thực tế nguyên lý Pascal áp dụng cho hệ thống gồm băng, cánh tay động mạch Sau dòng máu chảy bị ngưng, áp suất băng giảm cách nhả bớt Sự giảm áp suất tương đương vơí đường chấm chấm hình P.401 Tại điểm mà áp suất động mạch vượt qua áp suất băng, máu chảy qua Sự tăng tốc máu qua mạch tạo tiếng kêu nhận biết nhờ ống nghe Khi có tiếng kêu này, áp kế áp suất cực đại hay tâm thu Khi áp suất băng tiếp tục giảm, có tiếng kêu khác, ứng vơí áp suất tâm trương Số đọc hình P.401 ứng vơí hai áp suất thường đọc “110 80” giá trị bình thường cho người khoẻ mạnh Số đo thực kỹ thuật thăng giáng tuỳ theo cách quấn băng việc ước lượng điểm âm thay đổi Tình trạng áp kế, kích thước tay tốc độ băng bơm nhả có ảnh hưởng Hình P.402 so sánh áp huyết đo trực tiếp từ động mạch vơí áp huyết đo gián tiếp máy đo huyết áp Hình P.401 Đo huyết áp maý đo huyết áp Âm nghe cánh tay xảy áp suất băng giảm xuống dươí áp suất tâm thu áp suất tâm trương TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG MỘT SỐ TỪ TRONG TIẾNG ANH VỀ TIM MẠCH HUYẾT ÁP Sphygmomameter cuff băng máy đo huyết áp Inflation bulb bóng bơm artery động mạch Diastolic pressure áp huyết tâm trương systolic pressure áp huyết tâm thu cuff pressure áp suất băng Arterial pressure pulses xung áp suất động mạch Intraarterial pressure áp huyết động mạch cuff pressure áp huyết băng ventricle tâm thất auricle tâm nhĩ mitral valve van hai tricuspid van ba aorta động mạch chủ pulmonary veins tĩnh mạch phổi pulmonary artery động mạch phổi Trái Đất, Mặt Trăng thuỷ triều Thủy triều quen thuộc với sống gần bờ biển Ngoài biển khơi thủy triều lên cao khoảng nửa mét Khi thủy triều tiến gần bờ, địa hình bờ thường làm nước dâng cao hơn, thường vào khoảng ba mét Thủy triều thay đổi theo nơi Trong vài vùng thủy triều thấp hơn, số vùng khác thủy triều cao Ở vịnh Fundy Canada (Hình P.501) thuỷ triều lên cao tới 15m Con người mơ ước biến chuyển động thủy triều thành điện Tuy nhiên, khả làm điều bị hạn chế tới số vùng nơi thủy triều thay đổi đủ lớn nơi xây đập ngang qua kênh Hiện nay, chi phí để xây dựng đắt so với phương pháp sản xuất điện khác Thủy triều chủ yếu gây sức hút Mặt Trăng Ngoài thủy triều đại dương, Mặt Trăng gây điạ triều mặt đất, điạ triều khó quan sát Khi Mặt Trăng chuyển động quỹ đạo nó, Trái Đất chuyển động, hai chuyển động quanh khối tâm hệ Mặt Trăng-Quả Đất Bởi lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, phần nước phía Trái Đất gần Mặt Trăng bị hút Mặt Trăng với lực lớn lực trung bình, phần nước phiá xa Mặt Trăng bị hút với lực nhỏ lực trung bình Hơn chuyển động Trái Đất quanh khối tâm làm tăng chổ phồng thuỷ triều phía TRANG PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Mặt Trăng Kết xuất hai chỗ phồng lên đại dương hai phía đối Trái Đất Bởi Trái Đất quay quanh trục nhanh Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất, ma sát nước biển đáy biển, Trái Đất kéo cực đại thủy triều trước vị trí tính tốn cực đại (Hình P.502) Vị trí bất đối xứng cực đại so với đường nối tâm Trái Đất Mặt Trăng tạo moment lực tác dụng lên Mặt Trăng Moment lực làm tăng moment xung lượng Mặt Trăng Theo định luật III Newton, moment lực với độ lớn tác động lên Trái Đất làm quay chậm lại Mặc dù tổng moment xung lượng hệ Mặt Trăng - Trái Đất bảo toàn, moment xung lượng truyền từ Trái Đất sang Mặt Trăng Cơ toàn phần giảm kết ma sát thủy triều Hệ ngày dài Trái Đất quay chậm lại, tuần trăng ngắn lại Mặt Trăng quay nhanh lên Do tăng vận tốc, lượng, khoảng cách Mặt Trăng Trái Đất tăng lên Các hiệu ứng đo: độ dài ngày tăng dần với tốc độ 20ms năm, Mặt Trăng xa khoảng 3cm năm Các tính tốn Mặt Trăng tiếp tục xa Trái Đất đạt khoảng cách khoảng 75 lần bán kính Trái Đất Khi độ dài ngày Trái Đất tuần trăng, Trái Đất Mặt Trăng quay tốc độ Khi Trái Đất ln ln quay mặt phía Mặt Trăng, giống Mặt Trăng luôn hướng mặt Trái Đất Hình P.502 - Cực đại thuỷ triều xảy trước đường nối tâm Trái Đất Mặt Trăng quay Trái Đất Hình nhìn từ cực xuống (kích thước thuỷ triều phóng đại cho dễ nhìn.) Sức căng bề mặt phổi Hãy hít vào dài Bạn có lẽ khơng ngờ rằng, phổi có tượng vật lí lý thú xảy bạn thở Nó ln ln xảy mà bạn khơng biết, tượng thật kỳ diệu Khơng khí vào hai cuống phổi chia nhánh nhỏ tận túi nhỏ, gọi phế nang (Hình P.601) Ở xảy trao đổi chất khí với máu Phổi người lớn có khoảng 600 triệu phế nang Sức căng bề mặt chất phủ mặt phế nang điều khiển nhiều chức quan TRANG 10 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Để thực ảnh toàn cảnh, phần ánh sáng khỏi laser thấu kính hay gương cong mở rộng chùm tia hướng lên kính ảnh Đó chùm tựa R (quy chiếu) Phần lại ánh sáng dọi lên vật ba chiều mà ảnh ghi lại Ánh sáng tán xạ từ vật hướng kính ảnh gọi chùm vật (0) Do ánh sáng hai chùm xuất phát từ laser nên chúng kết hợp với tạo nên ảnh giao thoa rõ nét Sau đó, dọi chùm tựa R, ảnh toàn cảnh tác dụng cách tử nhiễu xạ phức tạp Ảnh nhiễu xạ phục hồi lại cách xác mặt đầu sóng bắt nguồn từ vật ban đầu Để hiểu rõ trình ấy, sét trường hợp dùng vật đơn giản nhất, điểm khơng gian Hình 1a cho thấy hai chùm tia từ xa đến kính ảnh giao thoa với góc 900 Ảnh giao thoa giống hệt ảnh giao thoa qua hai khe Young với khoảng cách hai khe rộng Kết có tập hợp vân mịn với khoảng cách không đổi hai cực đại Kính ảnh, sau phơi sáng hình, trở thành cách tử nhiễu xạ có độ tán sắc cao Câu hỏi Tìm khoảng cách cực đại theo bước sóng ánh sáng Biết phim chụp ảnh thơng thường ghi 200 vạch 1mm, hỏi phim để dùng để ghi tồn cảnh khơng ? Câu hỏi Hãy tìm suất phân giải cách tử nói trên, biết cách có kích thước 10 X 10 cm2 Hình P.3401b cho thấy làm để hồi phục mặt sóng chùm vật O Ánh sáng laser từ chùm tựa R dọi lên ảnh toàn cảnh Toàn ánh sáng nhiễu xạ tạo thành ảnh ảo vật O Nếu nhìn qua ảnh tồn cảnh theo hướng tới O thấy chấm sáng không gian ba chiều Chú ý mảnh nhỏ ảnh tồn cảnh hồi phục ảnh thật ảnh ảo Như ảnh toàn cảnh tác dụng đồng thời thấu kính hội tụ phân kì, cách tử nhiễu xạ TRANG 74 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Nếu thay đổi điểm O vật ba chiều dọi ánh sáng laser, chùm vật O gồm tập hợp nhiều nguồn điểm, đại diện cho tâm tán xạ vật Ảnh ghi kính ảnh chồng chất nhiều cách tử Khi người ta dọi ảnh ghi chùm R (hay R’ ) nguời ta quan sát ảnh ảo hay ảnh thật vật Ảnh ghi gọi ảnh toàn cảnh dùng tia laser truyền qua Ảnh tính chất đáng ý phần nhỏ hồi phục tồn tranh vật Tuy nhiên ảnh toàn cảnh lớn độ phân giải ảnh cao, nghĩa chứa đựng nhiều thơng tin Hình P.3402 biểu diễn ảnh giao thoa tổng quát chùm tựa R chùm vật O mặt chứa nguồn Các đường biểu diễn vĩ trí cực đại giao thoa, đường cực tiểu : Một hình ảnh tương tự dùng sóng nước tạo nên thùng nước gợn sóng Đường trung trực đọan R O đường giao thoa bậc khơng, quỹ tích điểm có lộ trình từ R O Trong khơng gian ba chiều, ảnh nhiễu xạ hình trịn xoay trục RO Đó họ mặt hypecboloit trịn xoay có tiêu điểm R O Tại vùng A cách R O đủ xa, ảnh hồn tồn giống ảnh có giao thoa hai khe young xét trước Vùng B gồm sóng chuyển động ngược chiều tạo thành sóng đứng Những bụng (antinode) dọc theo đường thẳng nối R O cách khoảng bước sóng Vùng C biểu diễn vân đạc thù vân giao thoa kế Michelson Nói chung khoảng cách R O vài nghìn bước sóng ánh sáng cịn ảnh nhiễu xạ nhỏ Để đơn giản hình P.3402 trường hợp đặc biệt R O cách số nhỏ bước sóng Câu hỏi Để ghi lại ảnh giao thoa vùng B dùng ánh sáng từ laser He – Ne có bước sóng 633nm, hỏi độ phân giải nhỏ nhầt cần thiết cho nhũ tương kính ảnh tính theo vạch/mm ? Nếu ảnh tồn cảnh tạo nên đặt kính ảnh vùng B, song song với đường giao thoa bậc không hình P.3402, kính ảnh ghi hình ảnh sóng đứng dạng mặt hypecboloit Nhũ tương mặt kính ảnh nói chung có độ dày khoảng mm ; kính ảnh ghi khảng 20 mặt ảnh tồn phần “khối” nên có tác dụng giống tinh thể tia X với nhiều mặt nguyên tử thể nhiễu xạ Bragg TRANG 75 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Ảnh tòan cảnh “phản xạ ánh sáng trắng” dáng ý nhìn thấy dùng nguồn điểm ánh sáng đèn dây tóc “đốt nóng” từ R Ảnh thật hay ảnh ảo tạo nên có màu sắc ánh sáng laser dùng Bằng cách làm cho nhũ tương phình hay co lại, người ta thu màu khác Loại ảnh toàn cảnh dùng phổ biến kính lọc giao thoa Câu hỏi Dùng lớp nhũ tưong đủ dày để ghi lại ảnh tồn cảnh truyền qua, bạn hồi phục lại ảnh ánh sáng đèn đốt nóng khơng ? Chụp ảnh tồn cảnh Hình cho thấy hệ đơn giản để chụp ảnh toàn cảnh phản xạ ánh sáng trắng Chùm ánh sáng từ lối laser He – Ne công suất – mW mở rộng gương lõm Một số tia thẳng đến kính ảnh làm nhiệm vụ chùm tựa, R tiêu điểm gương Ánh sáng xuyên qua kính ảnh dọi sáng vật bị tán xạ ngược lại phía kính ảnh làm nhiệm vụ chùm vật Kính ảnh vật đặt mặt ống cao su bơm căng (như săm ôtô chẳng hạn), để hấp thụ dao động học từ phía Tồn chi tiết giữ chặt nam châm hay keo dán Điều cần thiết thời gian chụp lâu đến nhiều giây, chuyển động tương đối vật kính ảnh làm nhòe ảnh giao thoa đưa đến thất bại … Chú ý ảnh toàn cảnh ghi vùng B hình ; ảnh giao thoa gồm mặt suốt bề dày nhũ tương Sự nhiễu xạ Bragg cho phép hồi phục lại ảnh dùng nguồn điểm ánh sáng trắng Như nói trên, màu ảnh xác định co lại hay giãn củ nhũ tương kết thúc Có lẽ dùng laser He – Ne,người ta tạo màu cho ảnh kĩ thuật hóa học Các nghệ sĩ tạo nên ảnh nhiều màu cách chụp nhiều lần, cá`c lần chụp phải cho nhũ tương phình cách hợp lí Lí thuyết để giải thích ảnh màu ghi nhũ tương khơng có màu hiểu xem lại vấn đề liên quan đến tượng giao thoa bong bóng xà phịng hay mỏng khác Ảnh tịan cảnh có nhiều màu thật thu cách tổ hợp ánh sáng từ laser có ba màu : đỏ, He – Ne, xanh argon, xanh da trời krypton Chùm ánh sáng “trắng” thay cho chùm đỏ tía hình Hình cho thấy dùng phân tử quang học ảnh toàn cảnh (HOE holographic optical element) để tổ hợp ánh sáng từ ba laser Phân tử chế tạo cách sử dụng cấu hình hình 1a Nói chung cấu hình phức tạp nhiều cần thiết nhằm dọi sáng quang cảnh rộng cho nghệ thuật hay hiệu Thông thường phận tách chùm tia, gương bán mạ, dùng để phân chia chùm tia thành hai chùm riêng biệt : chùm tựa chùm vật hai chùm tia đến kính ảnh từ phía, có ảnh tịan cảnh truyền qua TRANG 76 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG ( ảnh Leith ) Khi chúng đến kính ảnh từ hai phía khác nhau, cho thấy hình 3, có ảnh tồn cảnh phản xạ (ảnh Denisyuk ) dùng laser hồng ngoại hay laser YAG có tần số gấp đôi, với lượng jun thời gian nhỏ s,người ta chụp ảnh tồn cảnh người hoạt động vật chuyển động Hình cho thấy cảnh với độ sâu mét ghi lại laser hồng học Nó cho thấy tịan cảnh phịng thí nghiệm với tác giả Một người nhìn vào ảnh tịan cảnh truyền qua có cảm giác có cửa sổ cho phép nhìn tồn cảnh với góc khối stêradian Hiện ảnh tịan cảnh thường thấy nhất, ảnh màu rực rỡ in bìa tạp chí chụp sinh vật chuyển động, phát triển lai tạo nhằm hi sinh tượng thị sai dọc Sự phát triển chụp ảnh toàn cảnh cho phép ghi trăm người họat động ảnh màu Tuy nhiên ghi ba chiều phần nhiều áp dụng hấp dẫn chụp ảnh toàn cảnh Những ứng dụng khoa học kĩ thuật HOE Các phân tử quang học ảnh toàn cảnh tạo quang học hay máy tính, lĩnh vực quang học nhiễu xạ dùng đầu phát (HUD) máy bay , thấu kính tiếp xúc hai trịng, máy quét quang phổ kế có xuất phân giải cao Như tổ hợp kính lọc khơng gian phận hồn chỉnh xử lí tín hiệu quang học Các thành phần máy tính quang học Các ảnh tồn cảnh ghi tinh thể khúc xạ quang xóa được, đại diện cho hệ lưu trữ hồi phục số liệu máy tính Sự truyền thơng tin từ chíp sang chíp khác hoàn thành tốt nhờ HOE kết hợp với quang sợi tích phân Dùng kĩ thuật “trộn bốn sóng” thơng qua “sự kết hợp pha” ảnh toàn cảnh thực tinh thể gửi ngược lại phía vật nhiều ánh sáng nhận, tạo nên “gương nghịch đảo thời gian” có khếch đại Các phép đo y sinh kĩ thuật Phép đo giao thoa ảnh toàn cảnh so sánh hai trạng thái vật cho thấy thay đổi với độ xác cao Bằng cách cho ánh sáng từ ảnh toàn cảnh giao thoa với ánh sáng từ mẫu, thay đổi “thời gian thực” quan sát trực tiếp Hình cho thấy quan phức tạp (một nấm) phát triển với chuyển động vật không biến dạng “được trừ đi” phía trái cách di chuyển chùm vật qua sợi quang Các phép đo xác với tốc độ nhanh Trong ps ánh sáng 1/1000 Như xung ps từ laser qua thấu kính phân kì truyền dải ánh sáng định xứ Các ảnh toàn cảnh “ánh sáng bay” tạo thành tiến triển mặt đầu sóng ánh sáng qua không gian bắt giữ lại Bằng cách TRANG 77 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG tạo ảnh qua môi trường mờ, thịt người để phát ung thư vú điều thực Do ảnh tồn cảnh truyền qua có độ sâu trường thực tế khơng có giới hạn nên kiện thoảng qua khơng gian rộng lớn ghi lại sau đem nghiên cứu Thí dụ vết hạt có thời gian sống khoảng vài picogiây ghi lại buồng bọt Phòng thí nghiệm quốc gia Enrico Fermi Ảnh tồn cảnh thú vui Giống chụp ảnh thường, chụp ảnh tồn cảnh dễ dàng cho sinh viên với lứa tuổi khuynh hướng học Cùng với vui thích bổ ích bạn tự nhiên bị quyến rũ để học tất tư tưởng giành giải Nobel Ứng dụng laser Elsa Garmire giáo sư kĩ thuật điện vật lí Hiện bà giám đốc Trung tâm nghiên cứu laser thuộc trường Đại học Tổng hợp Nam California, Garmire tốt nghiệp khoa vật lí Đại học Harvard năm 1961, bảo vệ luận án tiến sĩ Viện kĩ thuật Massachussette năm 1965 quang học phi tuyến hướng dẫn nhà vật lí giải thưởng Nobel C.H Townes Bà tác giả 160 báo sáng chế phát minh, nhà nghiên cứu lĩnh vực điện tử học lượng tử dụng cụ quang học tuyến tính phi tuyến suốt 25 năm qua Bà thành viên Viện hàn lâm kĩ thuật quốc gia, thành viên Hội quang học Mĩ chủ tịch Hội từ năm 1993 Laser – Chiến tranh – Những máy ánh sáng thần kì từ gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho nhà khoa học kĩ sư Mấy năm sau phát minh laser năm 1958, laser gọi “giải pháp tìm kiếm tốn” Bây sau 35 năm, laser thực giải nhiều tốn Trong tiểu luận chúng tơi muốn trình bày số hàng ngàn ứng dụng laser Các laser xạ ánh sáng đặc biệt, ánh sáng kết hợp (tiết 40-5) Ánh sáng laser phát sóng điện từ có tần số pha hồn tồn xác định Tính kết hợp đạt kết lối chuẩn trực đơn sắc Những ứng dụng laser liên quan mật thiết đến tính chất kết hợp này.Thí dụ ánh sáng có số pha hồn tồn xác định chuẩn trực qua kính viễn vọng để áp dụng chẳng hạn việc quan sát liểm tra hội tụ lại điểm nhỏ cường độ đạt cao Hơn khả đo pha ánh sáng với cường độ cung cấp thơng tin Phần lớn ứng dụng mô tả tiểu luận sử dụng đặc trưng Những ứng dụng có tính chất đặc thù phụ thuộc vào đặc tính laser sử dụng mà ta mộ tả sơ lược Các loại laser TRANG 78 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Để phát ánh sáng kết hợp, laser cần phải có môi trường khếch đại gương để cung cấp lượng phản xạ ngược lại (tiết 35-7) Bằng mô tả số nhiều laser dùng rộng rãi Các chất khí, chất lỏng (các dung dịch thuốc nhuộm) ; tinh thể (YAG - grơnát ittri alumin), thủy tinh chất bán dẫn GaAs dùng laser Ngay excimer (các phân tử gồm khí halogen ArF) khí ngồi vũ trụ chứng minh thể tính chất laser Vùng bước sóng laser kéo dài từ vùng cực tím xa ( 200 mm) Các laser hoạt động với lối bước sóng liên tục xung nhờ kỹ thuật chuyển mạch “chuyển mạch Q” (QS), “khố mod” (ML) hay “phóng điện điện trường ngang khí quyển” (TEA) Cơng suất xạ laser rẻ tiền (như He - Ne, GaAs) vài miliốt mW, lúc cơng suất cực đại laser xung có th6ẻ đến hàng gigaóat GW Các đặc tính khác tính hiệu bền vững bền vững số ứng dụng cụ thể Để tạo khuyếch đại, thực kích thích phóng điện (chất khí) tiêm dòng (chất bán dẫn), đèn xung (chất rắn), laser khác (laser màu) phản ứng hóa học Các hình 1-4 cho thấy sơ đồ số loại laser Những đặc trưng laser khác nhau: giá từ vài đô la đến vài triệu đô la; công suất từ microốt mW đến gigaốt GW; kích thước từ vài phần mười milimét đến hàng chục mét; độ rộng vạch từ 10-1 đến 10-15; độ dài xung từ 10-14 giây đến liên tục Chỉ số laser có thị trường bn bán Cho tới laser He-Ne loại laser vùng khả kiến rẻ tiền Bây thay loại laser bán dẫn vùng khả kiến (hàng triệu dùng máy in laser) Sở dĩ laser bán dẫn nhỏ rẻ tiền, có hiệu suất cao biến điệu được, hàng triệu dùng dàn CD thông tin cáp quang Laservùng hồng ngoại xa khí CO loại laser có hiệu suất cao hiệu nhất, dùng để cắt đốt nóng Các laser Ar, excimer Nd: YAG dùng tong y tế Cắt, phẫu thuật xử lý vật liệu Sự kết hợp pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành điểm nhỏ có đường kính khoảng bước sóng (10 -4 cm) Như laser oát hội tự để có cường độ 108 W/cm2 Khi sinh viên cao học năm 1963, sau phát minh laser hồng ngọc (cơng suất đỉnh 10 ốt (W)) hội tụ để có cường độ đỉnh 1016 W/cm2 khoan lổ dao cạo râu ion hóa khơng khí Độ sáng cao (cường độ) laser làm cho chúng trở nên nguy hiểm Một laser He-Ne cơng suất miliốt chưa hội tụ có cường độ độ sáng Mặt Trời vào ngày nắng (0,1xW/cm 2) nguy hiểm nhìn thẳng vào chùm laser Các tia laser có cơng suất mạnh gây tổn thương nhanh Bằng kinh nghiệm cay đắng tơi biết đích xác laser Argon ốt chưa hội tụ có cường độ 100xW/cm làm cháy lổ áo Các sinh viên trung tâm nghiên cứu laser yêu cầu phải tuân thủ qui tắc an toàn laser Cường độ mạnh tia laser ứng dụng loạt yêu cấu y tế Laser dùng rộng rãi để hàn lại võng mạc bị bong mắt bệnh nhân Các nhà phẫu thuật chuộng laser để mổ ánh sáng khơng khơng làm nhiểm trùng vết thương mà cịn chống cầm máu Dùng sợi quang để dẫn ánh sáng vảo dày thầy thuốc đốt vết loét laser TRANG 79 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Laser dùng để tẩy vết chàm loại ung thư da Như rõ ràng laser cứu nhiều sinh mạng Các laser CO2 điều tiêu dùng để cung cấp nhiệt cho nhiều ứng dụng Thí dụ hàn quai vào nồi Ở quan trọng laser chỗ đồng nồi dẫn nhiệt tốt, để phân bố nhiệt cách nhanh chóng thức ăn chín thép khơng gỉ quai lại có độ dẫn nhiệt Cách hàn thơng thường gặp khó khăn lớn hàn kim loại có độ dẫn nhiệt khác Nhiệt độ cao laser cho phép hàn thời gian ngắn nên độ dẫn nhiệt khác khơng cịn tác dụng Các laser phối hợp với máy tính cho phép tự động hóa sản xuất, chẳng hạn cắt quần áo tự động Kích thước quần áo lập chương trình máy tính để điều khiển gương di động tập trung tia laser lên lớp vải cần cắt Laser cung cấp nhiệt điểm định để xử lí mặt việc tơi số phận trục cam tơ Nếu tồn trục cam nung nóng để tơi khơng tránh khỏi làm trục bị vênh làm xác Ngược lại laser tập trung nhiệt mặt cam cần trục cam nên giữ độ xác cao Chùm tia laser hội tụ xác điểm nhỏ dùng nhiều công việc sản xuất màng mỏng bán dẫn Sự cắt xén laser điện trở, loại bỏ vật liệu thừa làm cho điện trở tăng Một chíp mạch tổ hợp loại nối tiếp điểm kim loại chùm laser Nd : YAG TRANG 80 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ LASER TIÊU BIỂU CƠNG MƠI SUẤT TRƯỜNG ĐỈNH KHẾCH ĐẠI Khí Hene Argon CO2 CO2 TEA Bán dẫn GaAs AIGaAs GalnAsP Chất rắn Hồng ngọc Nđ : YAG Nđ : YAG Nđ : YAG Nđ : thủy tinh Chất màu (thuốc nhuộm) Chất màu Chạy vịng Rh6G Hố học ĐỘ XUNG DÀI 1nW 10nW 210W 200W 5MW liên liên liên 20ns 5mW 50mW 20mW liên tục biến điệu biến điệu 100mW 50W 50MW 2KW 100TW 10ns liên tục 20ns 60ps 11ps 100mW 10 10kW 50mW 10 10fs 10MW 50KW CƠNG DỤNG SĨNG 633nm 633nm 488nm Máy quét mã vạch dùng siêu Tiêu khiển, y 10,6 m Cắt 10,6 m Xử lí nhiệt tiếp tục tục tục tục 840nm 760nm 1,3 m 1,06 694nm 1,06 m 1,06 m 1,06 m m Thay đổi 600nm Đĩa In Truyền tin sợi quang La La Ảnh tồn cảnh sống Gia cơng bán Áp dụng y Nghiên cứu xung Nấu chảy Laser đ d Quang Nghiên cứu khoa học 50ns Hf Excimes ArF XeCL BƯỚC 20ns 10ns Vũ khí m 193nm 375nm Gia công Áp dụng y học Các hùm laser mạnh hạ tên lửa Mĩ dự định nghiên cứu tên gọi SDI (Sáng kiến phòng thủ chiến lược) Yêu cầu đặt kế hoạch chế tạo laser đặt vệ tinh hướng chúng xác để hạ tên lửa trước tên lửa bay đến đích Ý tưởng hấp dẫn ánh sáng chuyển động nhanh tên lửa, tyu nhiên thách thức kĩ thuật làm cho chương trình bị nhiềungười hoài nghi Photon học Laser tác động mạnh đến công nghệ thông tin Laser trở thành quan trọng thông tin liên lạc, lưu trữ, thu nhận xử lí thơng tin, có tên cho loại cơng nghệ – phơtơn học (như điện tử học trước - ND) Ánh sáng laser để truyền thơng tin Một ví dụ loại máy quét (scaner) laser siêu thị Trong máy mã số vạch hàng hoá được quét tia laser He-Ne Ánh sáng phản xạ thu TRANG 81 vật n PHẠM THỊ HỒNG NHUNG nhận tín hiệu ánh sáng biến điệu thay đổi với thời gian theo hình mã vạch Máy thu biến đổi tín hiệu ánh sáng biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Việc đọc thông tin ánh sáng áp dụng quan trọng laser Thơng tin gốc in ra, giống mã số vạch máy quét laser siêu thị, khắc thành lỗ nhỏ đĩa đĩa laser Hệ thống điều khiển gia đình dùng đĩa laser để cung cấp tín hiệu số cho tiếng hay hình Thơng tin lưu giữ đĩa cách dùi loạt lỗ nhỏ bề mặt phản xạ chùm laser mạnh biến điệu Đầu phát laser bán dẫn dọi ánh sáng lên đĩa, từ ánh sáng phản xạ lên đến máy thu, trừ trường hợp có lỗ lớp phản xạ Khi đĩa quay, hình ảnh lỗ chuyển động thành tín hiệu số chứa đựng thơng tin âm mã hóa Từ lúc chùm tia laser điều tiêu cất giữ thơng tin vết sáng có kích thước cỡ bước sóng ánh sáng, việc lưu trữ thơng tin đọng (compact) trở thành khả thi nhớ quang học Trên thực tế số sách thơng thường chứa khoảng Mêgabít, đĩa 12 inch lí thuyết chứa nội dung 10.000 sách Đầu tiên micorophim, sau đĩa từ đến đĩa quang thu gọn ghê gớm thể tích lưu trữ thơng tin Thơng tin đặt dấu ấn lên chùm sáng cách biến điệu laser Trong máy in laser hệ máy tính người ta dùng laser bán dẫn biến điệu vế ngun lí in xêrơ Ánh sáng laser hội tụ vả quét khoảng trống xêlen, cá điện tích tạo thành chiều sáng Các điện tích có tác dụng giữ hạt cacbon mực in Người ta lăn giấy in trống Dười tác dụng nhiệt mực in dính lên giấy tao nên in Thách thức ứng dụng phải tạo laser bán dẫn có cơng suất đủ lớn vùng ánh sáng đỏ, vùng mà xêlen bắt nhạy Các laser loại rẻ dùng làm mũi dị để đọc thơng tin Trong hệ thông thông tin quang học, laser biến điệu phát chùm ánh sáng mang thơng tin đến máy thu cách xa nhiều số Trong hệ quang sợi, lối laser bán dẫn biến điện cách thay đổi dịng điện ni hội tụ sợi quang (xem tiểu luận 12) Để liên lạc đến vệ tinh hay ngược lại từ vệ tinh, hệ thống quang học “đường ngắm” quan trọng Trong áp dụng người ta dùng laser Nd : YAG với máy biến điệu bên cấu tạo thể LiNbO (Lithium niobate) hoạt động cửa trập máy ảnh Sự biến thiên bên ngồi với hiệu suất cao hoạt động ánh sáng hạn chế ống dẫn sóng quang học gọi quang học tổ hợp Mơ ước cuối quang học tổ hợp thay hệ quang học rời rạc phức tạp “chíp” bán dẫn chứa đựng tất dụng cụ quang học cần thiết cho hệ ánh sáng biến điệu, tổ hợp, xử lí thu nhận Chúng ta đứng ngưỡng cửa phát triển mạch quang học tổ hợp cạnh tranh với mạch điện tử tổ hợp Thuật ngữ “quang – điện tử” dùng cho mạch tổ hợp thành phần điện tử quang học “chíp” Laser : phương tiện tốt TRANG 82 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Tính kết hợp laser làm cho chúng trở thành lí tưởng cho nhiều phép đo phép đo giao thoa quang phổ học Giám sát chuyển động nhỏ đất động đất theo dõi nhờ giao thoa kế laser Rađa laser (liđar) cung cấp số đo xác khoảng cách dến Mặt Trăng đến vệ tinh Người lên Mặt Trăng đặt gương chế tạo đặc biệt để phản xạ ánh sáng ngược lại mà không phụ thuộc vào phương Một chùm laser xung hồng ngọc chuẩn trực nhờ kính viễn vọng Texas hướng lên gương Mặt Trăng, từ phản xạ lại kính viễn vọng Thời gian trễ tín hiệu trở xác định khoảng cách đến Mặt Trăng với sai số cỡ vài centimet Một kĩ thuật độc đáo laser đem đến cho khoa học đo lường hôlô graphi (chụp ảnh nổi) Đo giao thoa ánh sáng phản xạ từ vật chùm tia, cường độ pha tương đối hai ghi lại cho phép tạo hình ảnh ba chiều Các quảng cáo nghệ thuật thương mại hình ảnh Trái Đất bìa chí National Geographic (Địa lí quốc gia) tháng 12 năm 1998, dấu in thẻ tín dụng, cho phép nhiều người thường nhìn thấy hình ảnh nổi.Trong khoa học thuật hơ – lô graphi đuợc dùng dể biến dạng vật Nếu cần vật di chuyển phần bước sóng đủ dể phát cách chụp ảnh hai lần phơi sáng trước sau di chuyển, kết thể dải vân giao thoa thu ảnh Sự đơn sắc tia laser dã cho phép làm cách mạng quang phổ học nhằm hấp thụ xạ ánh sáng môi trường nguyên tử phân tử Bằng cách xác định cẩn thận bước sóng đặc trưng bị hấp thụ hay xạ nhà quang phổ thu thông tin quan trọng trang thái nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay xạ ánh sáng Quang phổ học cần thiết cho nhiều lĩnh vực khoa học hóa học, vật lí, sinh học thiên văn học Những cách mạng thật nhận thức khả tia laser mang lại làm hẹp độ rộng vạch đo đến thừa số 10 10 ! Một phương pháp đo lường dùng sợi quang để phát biến đổi đại lượng vật lí Sợi quang cung cấp phương tiện để phân bố ánh sáng đến vị trí xa thân yếu tố cảm biến (một xenxơ) Loại thứ xenxơ nhiệt độ đáy giếng sâu mà ánh sáng theo sợi quang truyền đến Xenxơ gắn với đầu sợi quang miếng vật liệu bán dẫn có độ truyền qua phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, sau gương Luợng ánh sáng phản xạ qua phụ thuộc vào nhiệt độ nên dùng để đo nhiệt độ từ xa Nguyên tắc áp dụng cho loạt ứng dụng khác đo huyết áp, vị trí (phát động đất) vật gây nhiễm Bản thân sợi quang dùng xenxơ gài chúng vào nhánh giao thoa kế để tăng độ nhạy dùng cuộn dài Thí dụ phịng thí nghiệm chúng tơi, chúng tơi nhận thấy cuộn dây sợi quang phát nhiệt tay cách xa 10cm Hai loại (cảm biến) xenxơ cuộn sợi quang thực tiễn dùng rộng rãi xenxơ âm xenxơ quay quán tính Những tiến đáng kể thực cho loại cảm biến quang sợi dùng cho y tế, thương mại quân TRANG 83 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Một hướng phát triển hấp dẫn đo đạc laser dùng tính chất làm vi phạm độ đơn sắc vốn nhiều người gán cho laser Đó khả thực laser màu hoạt động vùng tần số rộng sau tạo nên xung ánh sáng cực ngắn khoảng 10 -14 giây Trong lúc thời gian phản ứng điện tử điển hình nano giây xung ánh sáng cực ngắn thăm dị vật chất nhanh nhiều Chúng ta gọi chế độ 10 -15 – 10-13 giây chế độ femto giây Các xung cực ngắn tạo nên từ laser phương pháp “khoá mod” (mode lockinh), tức dùng laser có nhiều mod tạo điều kiện để khố đồng thời mod với pha thời điểm cho trước Đo mod dao động với tần số khác nên chúng nhanh chóng khơng cịn đồng pha thực tế bị triệt tiêu khoảng thời gian nghịch đảo hiệu tần số chúng, để tạo nên xung cực ngắn Xung ngắn theo thời gian độ rộng giải tần mà laser yêu cầu phải rộng nhiêu Các xung ngắn có dùng laser màu có giải tần rộng bao trùm gần hết toàn vùng khả biến, vật lí, hố học q trình điện tử xảy femto Kết luận Các áp dụng laser xã hội công dụng phát gần hàng ngày : chúng tơi nói đến số ứng dụng quan trọng Việc nghiên cứu mạnh mẽ cần thiết để đem lại kết hoàn toàn cho ý nghĩa phát nhiều áp dụng Laser chiếm vị trí điện tử cuối năm 1950 Ai hình dung ứng dụng chúng kỷ 21 ? Y học hạt nhân Russel K Hobbie giáo sư vật lí trường Đại học Tổng hợp Minnesota Ơng tốt nghiệp đại học Viện Công nghệ Massachussette (M.I.T) bảo vệ luận án tiến sĩ Đại học Havard Các lĩnh vực nghiên cứu ông bao gồm : y học phóng xạ chuẩn đốn, tạo ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, tâm đồ kí, tin học chuẩn đốn bệnh…Ơng tác giả sách giáo khoa “Vật lí dùng y học sinh học” xuất năm 1988 Richard L Morin phó giáo sư thuộc Khoa y học phóng xạ trường Đại học Tổng hợp Emory bảo vệ luận án tiến sĩ y học phóng xạ trường Đại học tổng hợp Oklahoma Lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu ông ứng dụng máy tính y học phóng xạ y học hạt nhân Y học hạt nhân xử dụng lượng nhỏ chất phóng xạ dựa vào thể người dụng cụ chẩn đốn Các hình ảnh tạo cho thấy phân bố chất phóng xạ phận khác thể Độ phân giải không gian ảnh tạo y học hạt nhân thường cỡ vài milimét Ảnh tia X cho thông tin cấu trúc – tức giải phẫu vùng Trong đó, ảnh y học hạt nhân lại cho thông tin sinh lý học – lượng dược phẩm phóng xạ thụ lại quan mà ta quan tâm Bằng cách đo độ phóng xạ vùng hàm số thời gian, ta kiểm tra q trình sinh lý TRANG 84 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Có nhiều hạt nhân phóng xạ dùng nghiên cứu chẩn đốn Tuy nhiên, đa số điều khơng có hiệu Vì độ phóng xạ điều đo đêtectơ đặt thể, nên hạt nhân phát hạt chúng điều vô dụng hạt khơng xa được, hầu hết điều bị hãm dừng lại trước thoát khỏi thể Nhiều hạt nhân lại phát hạt phôtôn – tia gamma - kèm theo hạt Vì có lượng thích hợp phơtơn ngồi thể nên chúng phát Nửa thời gian sống hạt nhân củng quan trọng Nó cần phải sống đủ dài để tạo được, đưa vào thể bệnh nhân đo đạc Mặt khác, (giả sử tất hạt nhân điều có thể) lại muốn hạt nhân phải phân rã mạnh, hạt nhân phân rã q trình đo cho thơng tin hữu ích ; hạt nhân phân rã muộn chẳng có ích lợi gì, cịn tăng liều lượng phóng xạ mà thể bệnh nhân nhận Hai đồng vị thường sử dụng nhiều nhất, 131 I (“Iot – 131”) 99m Tc (“Tecneti – 99 – m”) Tecneti có thời gian sống phát tia gamma có lượng 140 KeV (Khoảng 10%năng lượng phân rã giải phóng dạng xạ khác khơng ngối thể ) Như tên gợi ý (“technical – có nghĩa kĩ thuật”), tecnơti khơng có tự nhiên Nó tạo thành từ phân rả 99Mo, sản phảm phân hạch (xem chương 48 ) tạo lò phản ứng hạt nhân 99Mo, có thời gian sống 67 hàng tuần, đến hai lần, chở tới bệnh viện khắp đất nước Mỗi ngày bệnh viện điều tiến hành tách lấy 99Tc tạo thành dùng cho khám bệnh ngày hôm Vị trí thể mà tecnơti sẻ tới điều khiển cách gắn vào hóa chất có tính chất mong muốn Ví dụ, với phơtpho hữu để giúp cho việc khám xương, gắn với hạt lưu huỳnh dạng keo để giúp khám gan Đồng vị 131I nhóm dược phẩm phóng xạ tuyệt vời để nghiên cứu tuyến giáp Tuyến giáp có vị trí cổ Nó tiết hai loại hoocmôn để điều chỉnh tốc độ trao đổi chất thể Cả hai hóomơn điều chứa Iơt – 131 phân rã tổ hợp xạ với thời gian sống ngày Đa số tia diều có lượng 364 keV Đồng vị Iôt củng tạo sản phẩm phân hạch lò phản ứng hạt nhân Đêtectơ dùng nhiều tính đếm nhấp nháy Một số chất nhấp nháy, tức phát ánh sáng thấy được, có hạt , phô tôn đập vào Một ống nhân quang nhạy dùng hiệu ứng quang điện (chương 43 ) để phát ánh sáng Hình P.3601 cho thấy ống nhân quang ngắm thẳng vào khối chất nhấp nháy Chất nhấp nháy bảo vệ ống chuẩn trực chì để đảm bảo cho phôtôn tới từ hướng xác định đập vào chất TRANG 85 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG nhấp nháy Tồn đtectơ đựơc đặt để quan sát thận độ phóng xạ thận kiểm tra sau người bệnh uống phẩm phóng xạ chuyển tới thận Loại đêtectơ dùng rộng rãi giai đoạn đầu y học hạt nhân Nhưng khơng thật hiệu quả, phạm vi quan sát nhỏ so với kích thước nhiều quan thể nên có nhiều phân rã xảy mà khơng phát hiện, kết việc khám bệnh nhiều thời gian bệnh nhân phải uống liều lượng cao Camera nhấp nháy hoạt động theo nguyên tắc Nhưng hiệu nhiều Một khối chất nhấp nháy lớn, thường có đường kính từ 0,25 đến 0,4m, chắn phía ống chuẩn trực có nhiều lỗ Phía ngắm thẳng hệ thống gồm 19 34 ống nhân quang, vẽ hình P.3602 Các ống nhân quang nối với dụng cụ điện tử cho phép xác định vị trí chớp sáng tương tác phôtôn với chất nhấp nháy cách so sánh có ánh sáng tới từ nhân quang khác Khi thiết bị điện tử ghi lại số đếm vào nhớ máy tính Sau khám song, phân bố khơng gian độ phóng xạ hiển thị hình Một camera nhấp nháy cho hình Sau dược phẩm phóng xạ tiêm vào, chất phóng xạ thường di chuyển đến số quan tùy thuộc vào dược tính chất phóng xạ Trong số trường hợp, dược phẩm phóng xạ hấp thụ chỗ thương tổn nhanh so với mô xung quanh Điều dẫn tới “điểm nóng” hình chụp Một ví dụ bệnh xương, có quay vịng phơtpho lớn bình thường Một ảnh qt xương cho hình Các điểm nóng nhìn rõ hai rẻ sườn phía trước Cũng có chất phóng xạ ruột thận, điều nhìn rõ từ phía trước phía sau, tương ứng Trong đa số trường hợp, chỗ tổn thương hấp thụ chất phóng xạ mơ xung quanh, điều dẫn tới “điểm lạnh” Hình cho thấy ảnh quét tuyến giáp bình thường hấp thụ 131I Ảnh cổ phóng đại lên nhiều so với ảnh qt tồn thân Hình cho thấy điểm lạnh phía tuyến giáp bệnh nhân (tức bên trái phía hình vẽ) điểm nóng phía thùy phải Điểm lạnh xuất hạch tuyến giáp khơng tạo hcmơn tuyếngiáp ung thư phát triển nhanh tới mức vượt cung cấp máu Hình cho thấy phân bố máu phổi bình thường Chất phóng xạ phổi bệnh nhân bị chắn phần camera tim người làm che khuất phía phổi trái Một ví dụ khác điểm lạnh cho hình mà ta cần so với phổi bình thường cho hình Bệnh nhân hình có số cục (làm) tắt mạch (cục nghẽn) Một số cục vỡ từ cục nghẽn lớn tĩnh mạch chân bệnh nhân Những cục qua tĩnh mạch TRANG 86 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG ngày lớn vào phía phải tim bơm vào phổi Trong phổi, qua động mạch ngày nhỏ bị tắc lại động mạch có kích thước trung bình hồn tồn làm nghẽn nó, khơng cho máu chảy tới vùng phổi Các hình quét thực cách gắn 99mTc vào tiểu cầu anbumin có đường kính lớn mao mạch Các tiểu cầu tiêm vào tĩnh mạch cánh tay, qua tim “cư trú” mao mạch phổi (Có đủ tiểu cầu để chặn khí phần nhỏ mao mạch) Bình thường phổi phóng xạ Nếu có vùng phổi bị nghẽn mạch, tiểu cầu tới vùng phổi xuất điểm lạnh Khi dược phẩm phóng xạ tiêm vào, thường qua quan khác hay “các ngăn” thể Ví dụ, hình cho thấy điều xảy chất phóng xạ tiêm vào tĩnh mạch bệnh nhân Chỉ sau phút, chất phóng xạ trộn vào máu người Khi chất qua thận, phần máu giảm phần thận tăng Sau chất qua thận xuống ruột Phần chất phóng xạ ba quan : máu, thận ruột biểu diễn đồ thị theo thời gian cho hình P.3603 (Ở gần cuối thời gian cho hình, ruột rỗng) Từ hình vẽ ta thấy khám thận thời điểm t 1và ruột thời điểm t2 tốt Tất xạ ion phá hủy mơ, việc sử dụng tia X vào y học hạt nhân tùy tiện Tuy nhiên, chúng cung cấp cho ta thông tin bản, lại cách tương đối an toàn thuận tiện Các liều lượng liên quan đến chuẩn đoán y học hạt nhân cỡ 10-4 lần liều lượng dùng để chữa trị ung thư xạ TRANG 87 ... P.701 - Chu kỳ hoạt động động bốn Pít-tơng xuống lên hai lần chu kỳ Hình P.702 - Giản đồ cho: (a) - Động xăng thực (b) - Chu trình Otto lý tưởng hoá TRANG 13 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG MỘT SỐ TỪ TRONG. .. TRANG 35 PHẠM THỊ HỒNG NHUNG Con người học cách ứng xử với định luật tác dụng phản tác dụng Trái Đất, đó, họ bị neo chặt vào mặt đất Bất kì người đó, kéo để mở ngăn kéo, tác dụng cách vô thức, lực... nghệm vật lí, hóa học sinh lí học, điều kiện thí nghiệm Vật Lí thể thao khí động lực học vật ném Peter J Brancazio giáo sư vật lí Học viện Brooklyn, Trường Đại học tổng hợp City New York Ơng có học