Hãy vẽ sơ đồ tư duy mô tả các nhánh nghiên cứu của vật lí hiện đại

Vật lý hiện đại dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối và nghiên cứu về: Quang học lượng tử, Vật lí vật chất nguyên tử. Bài viết dưới đây là sơ đồ tư duy mô tả các nhánh nghiên cứu của vật lí hiện đại giúp các bạn học sinh hiểu rõ hơn về vật lý hiện đại trong Chuyên đề Vật lí 10.

01. Vật lí hiện đại là gì?

Thuật ngữ vật lý hiện đại ám chỉ những khái niệm vật lý hậu Newton. Vật lý Newton không thể giải thích được nhiều hiện tượng trong tự nhiên từ cấp độ vi mô đến vĩ mô, và do vậy sự ra đời của vật lý hiện đại nhằm giải thích một số hiện tượng mà vật lý cổ điển chưa làm được đồng thời vật lý hiện đại đã mang lại một cái nhìn sâu sắc của con người về tự nhiên, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ của loài người.

Vật lý hiện đại dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối. Các hiệu ứng lượng tử xảy ra ở cấp độ nguyên tử (gần 10−9 m), trong khi các hiệu ứng tương đối tính xảy ra khi vận tốc của vật đạt xấp xỉ tốc độ ánh sáng (gần 108 m/s). Cơ học cổ điển cũng như vật lý cổ điển nghiên cứu các hiện tượng với vận tốc nhỏ và khoảng cách tương đối lớn.

02. Sơ đồ tư duy mô tả các nhánh nghiên cứu của vật lí hiện đại

Mẫu số 1

Mẫu số 2

Mẫu 3

Mẫu 4

03. Giải thích 1 số nhánh nghiên cứu của vật lí hiện đại

Quang học lượng tử

Quang học lượng tử là một lĩnh vực vật lý lượng tử giao dịch đặc biệt với sự tương tác của các photon với vật chất. Việc nghiên cứu các photon riêng lẻ là rất quan trọng để hiểu được hành vi của sóng điện từ nói chung.

Từ "quang học", trong vật lý, đề cập đến nghiên cứu về ánh sáng. Photon là các hạt ánh sáng nhỏ nhất (mặc dù điều quan trọng là phải biết rằng các photon có thể hoạt động như cả hạt và sóng).

Vật lí nguyên tử

Vật lý nguyên tử (tiếng Anh: atomic physics) là lĩnh vực vật lý học nghiên cứu các nguyên tử như một hệ cô lập của các electron và một hạt nhân nguyên tử. Nó chủ yếu quan tâm đến cấu hình electron xung quan nhân  và các quá trình làm những cấu hình này thay đổi. Điều nay bao gồm các ion cũng như các nguyên tử trung hòa và, trừ khi có quy định khác, giả định rằng từ nguyên tử bao gồm các ion.

Nguyên tử gồm:

Hạt nhân mang điện dương. 

Electron mang điện âm chuyển động xung quanh hạt nhân

Số electron chuyển động quanh hạt nhân là Z

Điện tích của Z electron là: -Ze

Điện tích của hạt nhận là : +Ze

Do đó nguyên tử trung hòa về điện

Vật lí plasma

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (ngoài các trạng thái rắn, lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử, nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các e chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân.

Plasma không phổ biến trên Trái Đất nhưng trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, bởi vậy trong bốn trạng thái vật chất, plasma được coi như là trạng thái đầu tiên trong vũ trụ. 

Vật lí nano

Được hình thành vào thế kỉ XX, đây là lĩnh vực nghiên cứu liên ngành trong Vật lí. Vật lí nano nghiên cứu vật chất, các thiết bị có kích thước từ 1 tới 100 nm. Bởi kích thước này, nguyên tắc vật lí, hóa học đã biết và không thể áp dụng để giải thích các hiện tượng một cách chính xác.

Vật lí nano chia thành hai ngành nhỏ hơn: Khoa học nano và công nghệ nano. 

Vật lí laser

Cùng với sự phát triển của các ngành khác trong Vật lí hiện đại, Vật lí laser có các đối tượng nghiên cứu rất phong phú và đa dạng:

- Nghiên cứu về cấu trúc của nguyên tử, phân tử thông qua các hiệu ứng quang phi tuyến.

- Nghiên cứu, quan sát sự hình thành các liên kết hoá học trong thời gian rất ngắn bằng phương pháp sử dụng những xung laser cực ngắn để tạo ra độ phân giải thời gian phù hợp.

- Nghiên cứu với mục đích chế tạo các thiết bị quang học, quang – điện tử mới có những tính năng vượt trội.

- Nghiên cứu để chế tạo ra các công cụ, thiết bị để bẫy nguyên tử hay các hạt có kích thước từ micrômét đến nanômét.

- Nghiên cứu phát triển công nghệ chụp ảnh cấu trúc vật liệu mà không phá huỷ mất mẫu vật.

- Nghiên cứu phát triển các công nghệ mới với mục đích chẩn đoán và điều trị bệnh trong lĩnh vực y học.

Vật lí hạt

Nhánh vật lí hạt nghiên cứu về các hạt sơ cấp có trong vật chất và những tương tác giữa chúng. Nhiều hạt cơ bản chúng không xuất hiện ở trong điều kiện môi trường tự nhiên. Các nhà khoa học phải sử dụng máy gia tốc để tăng tốc các electron với động năng cực lớn, sau đó sử dụng các electron bắn phá hạt nhân để tách ra các hạt quark, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chúng.

Vật lí vật chất ngưng tụ

- Nghiên cứu hiệu ứng ngưng tụ Bose-Einstein nhằm mục đích chế tạo bit lượng tử (qubit) và laser nguyên tử (atom laser) từ các hệ nguyên tử siêu lạnh để phục vụ cho các nghiên cứu về máy tính lượng tử cùng với công nghệ đo lường chính xác cao.

- Nghiên cứu liên ngành hoá học, công nghệ nano,... về các tính chất điện, từ của các loại vật liệu, cấu trúc mạng tinh thể để phục vụ chế tạo những vật liệu mới có những tính chất ưu việt như ống nano carbon, graphene,...

- Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn phục vụ ngành điện – điện tử, ngành công nghiệp về bán dẫn: chế tạo vi xử lí trung tâm của máy tính, vi mạch điện tử,...

Vật lí bán dẫn

Theo tính chất dẫn điện, các chất có thể chia thành ba loại đó là: chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn. 

Vật lí bán dẫn là lĩnh vực nghiên cứu về những tính chất và cơ chế vật lí xảy ra trong các chất bán dẫn. Vật liệu bán dẫn trở thành vật liệu chủ yếu trong kĩ thuật điện tử hiện đại