BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNGĐẠI ĐẠIHỌC HỌCVINH VINH TRƯỜNG KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TRẦN HỮU ĐẠO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU VẬT LÍ THIÊN VĂN MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LÍ THIÊN VĂN Người thực : Trần Hữu Đạo LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành : Quang Học - Khóa 18 Người hướng dẫn : TS Đinh Phan Khôi VINH, 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Vinh, tháng 09 năm 2012 TRẦN HỮU ĐẠO MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LÍ THIÊN VĂN Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS ĐINH PHAN KHÔI Vinh, 2012 Lời cảm ơn! Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Đinh Phan Khơi giúp đỡ thầy gần năm qua để tơi hồn thành đề tài luận văn tốt nghiệp! Thầy định hướng, giúp đỡ chọn đề tài dẫn cho bước cần thiết để hoàn thiện đề tài Xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo chủ nhiệm chuyên ngành quang học TS Nguyễn Huy Bằng, thầy cô khoa vật lý, khoa sau đại học tận tình giảng dạy, giúp đỡ học viên cao học 18 chun ngành quang học chúng tơi hồn thành tốt khóa học! Xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp cao học 18 – Quang học, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ năm học vừa qua! Vinh, tháng 09 năm 2012 Tác giả: Trần Hữu Đạo MỤC LỤC Mở đầu…………………………………………………………………………… Chương I: Một số kiến thức sở maser……………………………………… Giới thiệu……………………………………………………………………… 1.1 Maser gián đoạn……………………………………………………………… 1.1.1 Maser chưa bão hòa maser bão hòa…………………………………… 10 1.1.2 Phổ maser .12 1.1.3 Điều kiện phát xạ maser .13 1.1.4 Các chế bơm maser 15 1.1.5 So sánh phát xạ maser với laser 17 1.2 Maser liên tục 18 1.2.1 Các chế phát maser liên tục .18 1.2.2 Các nguồn phát maser liên tục vũ trụ 25 Chương II: Một số ứng dụng maser nghiên cứu Vật lí thiên văn 28 2.1 Quan sát maser gián đoạn Vật lí thiên văn 28 2.1.1 Các 30 2.1.2 Các thiên hà 36 2.2 Quan sát maser liên tục Vật lí thiên văn 45 2.2.1 Từ hành tinh 45 2.2.2 Pulsar 46 2.2.3 Triển vọng ngành thiên văn 49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Mở đầu Vật lí thiên văn lĩnh vực nhiều nhà khoa học quan tâm Ngày 04/10/2011, Ủy ban Nobel Stockholm định trao giải Nobel Vật lý cho hai nhà vật lý thiên văn người Mỹ Saul Perlmutter Adam Riess, với nhà khoa học Brian Schmidt, mang hai quốc tịch Mỹ-Úc Ba người có cơng "phát giãn nở với tốc độ tăng nhanh vũ trụ" Bản thông báo Ủy ban Nobel ghi nhận : "Các nhà khoa học nghiên cứu hàng chục vụ nổ gọi siêu (supernova), phát vũ trụ giãn với tốc độ gia tăng thường trực" Để có thành tựu vậy, nhà khoa học phải thu thập xử lí nhiều thơng tin từ vũ trụ Vũ trụ phịng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho nhà khoa học số liệu liên quan đến nhiều tượng lý hóa, từ mức vĩ mơ đến mức vi mơ Trong đó, maser laser mang nhiều thông tin từ vũ trụ đến cho Bên cạnh laser maser ứng dụng nhiều để thu thập thơng tin từ vũ trụ Vậy tính chất laser maser đóng vai trị vơ quan trọng nghiên cứu Vật lí thiên văn mà nhà khoa học quan tâm! Lí thuyết “phát xạ kích thích” Einstein xây dựng vào năm 1915 Năm 1952, Basov Prokhorov mô tả nguyên lí hoạt động maser Maser Townes, Gordon Zeiger tạo phịng thí nghiệm vào năm 1953 Năm 1960, Maiman tạo laser Năm 1965, Weaver phát nguồn maser có nguồn gốc tự nhiên Maser laser có chế hoạt động giống nhau, khác maser hoạt động với tần số photon vùng vi sóng cịn laser hoạt động phổ cực tím, ánh sáng hay hồng ngoại Hình 1: Cơ chế phát xạ photon nguyên tử Townes, Gordon Zeiger tạo maser phịng thí nghiệm cách sau: - Nung nóng khí ammonia, làm cho phân tử bị kích thích - Các phân tử bị kích thích bị tách buồng cộng hưởng - Các photon phát xạ tự phát tương tác với phân tử bị kích thích, gây phát xạ kích thích, tiếp phát xạ khuếch đại - Chùm maser truyền qua lại nhiều lần buồng cộng hưởng khuếch đại mạnh Theo quan niệm Planck, vật chất bị lượng tử hoá coi hạt dao động điều hoà (harmonic oscillator) để phát xạ Năng lượng hạt lượng tử hoá mức cách Bohr nhận định mức lượng hệ nguyên tử không thiết phải cách Sau nhà vật lý xác định khoảng cách mức lượng phân tử không phân bố thang lượng Einstein dựa giả thuyết vật chất bị lượng tử hố Planck, mà cịn cho xạ hạt lượng tử có lượng hv Những tinh vân vũ trụ đám khí nguyên tử thay đổi lượng để phát xạ Khi đám khí trạng thái cân nhiệt, nguyên tử phân bố thang lượng theo định luật Boltzmann Ở mức lượng E cao mật độ nguyên tử n thưa thớt, chúng giảm theo định luật hàm mũ: n ~ exp (-E/kT) Theo Einstein, xạ có tần số thích hợp chiếu vào ngun tử ngun tử hấp thụ photon xạ để nhảy từ mức lượng thấp l lên mức lượng cao m Cường độ xạ mạnh xác suất tượng hấp thụ cao tỷ lệ với số gọi Blm Ngược lại, nguyên tử phát photon chuyển từ mức lượng cao m xuống mức lượng thấp l Trong trường hợp này, Einstein đề xuất hai chế phát xạ khác Cơ chế thứ nguyên tử có khả chuyển hồn tồn ngẫu nhiên từ mức lượng cao m xuống mức lượng thấp l với xác suất Aml mà khơng cần có nguồn xạ chiếu vào Quá trình gọi trình phát xạ tự phát (spontaneous emission) Cơ chế thứ hai có xạ có tần số v thích ứng với hiệu số lượng mức m l (Em – El = hv), chiếu vào đám khí ngun tử phát “bức xạ cảm ứng” (stimulated emission) Số photon phát tỷ lệ với cường độ xạ theo hệ số Bml tương ứng với hai mức m l Bức xạ tự phát xạ cảm ứng phát dạng vạch phổ có tần số tương ứng với chuyển mức mức m mức l Những hệ số Aml , Blm Bml gọi hệ số Einstein, số phổ biến mà tùy thuộc vào mức lượng l, m vào đặc điểm nguyên tử Trong đám khí nguyên tử trạng thái cân nhiệt, số nguyên tử chuyển lên mức phải số nguyên tử chuyển xuống mức Einstein dựa giả thuyết đồng thời áp dụng công thức Planck để tìm thấy hệ thức hệ số Aml , Blm Bml Muốn tính giá trị hệ số Einstein tương ứng với vạch phổ, nhà vật lý phải dùng thêm định luật vật lý nguyên tử Những hệ số Einstein dùng phương trình cân thống kê để tính phổ xạ nguyên tử phân tử Trong vũ trụ đám khí tinh vân thường trạng thái cân nhiệt Các nhà thiên văn quan sát vạch phổ nguyên tử phân tử để xác định điều kiện lý hóa thiên thể nhiệt độ mật độ Hydro trung hoà nguyên tố phổ biến vũ trụ Nguyên tử hydro phát vạch phổ bước sóng vơ tuyến 21 centimet Xác suất tự phát Aml nguyên tử hydro thấp (Aml ~ 3.10-15/giây) nên nguyên tử tồn mức lượng cao m thời gian tml dài tới 11 triệu năm (tml ~ 1/Aml) Có nghĩa 11 triệu năm có photon vơ tuyến nguyên tử hydro tự nhiên phát bước sóng 21 centimet ! Nhờ có va chạm với electron làm nguyên tử chuyển mức lượng nhanh hơn, nên chu kỳ phát photon giảm xuống 400 năm, dài Tuy nhiên xạ 21 centimet nguyên tử trung hoà hydro xạ mạnh vũ trụ, hydro thành phần vật chất phổ biến nhất, có mật độ cao Vạch phổ 21 centimet hydro dùng để phát cấu trúc xoắn ốc Ngân hà để quan sát thiên hà xa xôi Cơ chế phát xạ cảm ứng mà Einstein đề xuất dẫn đến áp dụng để sản xuất máy laser maser cơng nghiệp Cơng trình Einstein tỏ cần thiết công việc nghiên cứu tượng laser maser vũ trụ Thông thường đám khí tồn trạng thái cân nhiệt nguyên tử tập trung chủ yếu mức lượng thấp theo định luật Boltzmann Tuy nhiên đám khí chuyển sang trạng thái khơng cân nhiệt có chế bơm nguyên tử lên mức lượng cao Khi phân bố ngun tử khơng cịn tn theo định luật Boltzmann Thậm chí sau bơm, mật độ nguyên tử mức lượng cao có khả vượt hẳn mật độ nguyên tử ở̉ mức lượng thấp Hiện tượng “đảo ngược mật độ” tạo tình trạng có nhiều ngun tử tập trung mức lượng cao, chẳng hạn mức m Khi xạ có tần số v = (Em – El)/h chiếu vào khơng cịn nhiều nguyên tử mức lượng thấp l để hấp thụ xạ Trái lại, xạ khởi động trình tương tự loại “phản ứng dây chuyền”, làm nguyên tử tập trung mức lượng cao m đổ xô xuống mức lượng l phát xạ Quá trình tạo laser mạnh Các nhà vật lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm nguyên tử lên mức lượng cao Chẳng hạn họ dùng chùm xạ có cơng suất lớn lượng cao để bơm nguyên tử lên mức lượng cao Từ nguyên tử tự rơi xuống mức lượng thấp qua chế xạ tự phát tạm dừng lại mức lượng m bền vững Khi cần xạ có tần số thích hợp chiếu vào nguyên tử đổ xuống mức lượng thấp tạo xạ laser Vậy Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) phát tia xạ lĩnh vực sóng khả kiến, tử ngoại (ultraviolet) hồng ngoại (infrared) Còn maser (Microwave amplification by stimulated emission of radiation) hoạt động theo nguyên tắc laser miền sóng vi ba (vơ tuyến) Sau tìm hiểu maser ứng dụng ngành vật lý thiên văn Chương I: Một số kiến thức sở maser Giới thiệu Mặc dù laser quen thuộc chúng ta, nghiên cứu tính chất ứng dụng tuyệt vời chúng vấn đề nhiều người quan tâm Vì vậy, từ ban đầu, diện laser tự nhiên làm ngạc nhiên, chúng phát sáu hành tinh Hệ Mặt trời, nhiều sao, thiên hà mơi trường Vậy laser thiên nhiên tạo nào? Chúng đến từ đâu chúng mang thơng tin q trình hình thành tiến hóa vũ trụ ? Nghiên cứu laser thiên nhiên giúp khám phá vũ trụ mà sống? Sau tìm hiểu chế tạo thành, tính chất laser thiên nhiên (hay gọi maser) ứng dụng chúng Vật lý thiên văn Không lâu sau phịng thí nghiệm maser xây dựng, với độ phân giải cao cung cấp VLBI (hệ thống giao thoa kế có đường sở dài) cho thấy số nguồn vô tuyến vùng hình thành có nhiệt độ chói sáng cao Các nhà khoa học cho nguồn maser vật lý thiên văn Khi tiếp tục nghiên cứu sâu, chúng khẳng định gần chắn maser Vì chúng mở hướng nghiên cứu cho nhà khoa học, họ cho tồn kỳ lạ maser phải chứa thông tin quan trọng môi trường thiên văn Điều thúc đẩy cách mạnh mẽ nhiều nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu Kết cho thấy tồn phổ biến maser vũ trụ (mặc dù laser vũ trụ cịn hiếm), chủ yếu vũ trụ mật độ vật chất thấp nên cho phép trạng thái plasma tự nhiên tồn khác xa trạng thái cân nhiệt động lực học Để biết maser mang đến cho 10 ... Vinh, tháng 09 năm 2012 TRẦN HỮU ĐẠO MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LÍ THIÊN VĂN Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS ĐINH... phát maser liên tục vũ trụ 25 Chương II: Một số ứng dụng maser nghiên cứu Vật lí thiên văn 28 2.1 Quan sát maser gián đoạn Vật lí thiên văn 28 2.1.1 Các 30 2.1.2 Các thiên. .. đáng kể vật lý maser phịng thí nghiệm với maser quan sát vật lý thiên văn Sau sử dụng thuật ngữ maser chung cho laser maser 1.1 Maser gián đoạn Maser vật lý thiên văn phát sinh từ hiệu ứng chuyển