Định luật II Newton
Senior Member
Vừa xem xong bộ Thiên thần và Ác quỷ, trong đó đề cập đến một loại vũ khí huyền thoại là vũ khí Phản vật chất. Vậy bao nhiêu điều về nó là thật? Bài này mình soạn dựa trên kiến thức đã học và tham khảo thêm từ các tài liệu internet, do đó sẽ có sai sót, mong các bạn bổ sung thêm.
...............
Trước hết cần khẳng định Antimatter (phản vật chất-pvc) không phải là một huyền thoại khoa học viễn tưởng mà là một thực tế hiện hữu. Rất có thể trong cuộc sống chúng ta đã gặp phải nó chỉ là ta không biết mà thôi.
1. Cơ sở lý thuyết.
Phản hạt được định nghĩa là một hạt giống hệt hạt đối của nó, nhưng có một số tính chất trái ngược nhau và bằng nhau về độ lớn. Chẳng hạn, electron và positron giống nhau về độ lớn khối lượng, spin, nhưng có điện tích trái dấu (electron mang -1e và positron mang +1e).
Hầu hết các hạt đều đi kèm nó một phản hạt. Tuy nhiên một số hạt trung tính như photon lại có phản hạt là chính nó.
Khi một phản electron kết hợp với một phản proton, ta sẽ có một phản-hydro.
Mô phỏng quỹ đạo của electron và positron trong từ trường.
2. Năng lượng giải phóng trong quá trình hủy hạt.
Giả sử ta có 1mg positron (KH: e+) tương tác hủy hạt với electron (KH: e-), thì ta cần tối thiểu 1mg electron. (Lưu ý rằng bỏ qua động năng ban đầu của các hạt).
Khi đó ta có phương trình sau:
(e+) + (e-) ------> 2 gamma (cho ra 2 tia gamma mang năng lượng).
Giả sử toàn bộ khối lượng các hạt trên đều biến thành năng lượng:
E = mc^2 => E = (m positron + m eclectron).c^2 => E= (2.10^-6). (2,998.10^8)^2= 1,798.10^11 J
Vậy nếu ta có một quả bom phản vật chất khối lượng 1mg thì năng lượng giải phóng được khi bom nổ là 1,798.10^11 Jun
3. So sánh với năng lượng bom hạt nhân
Theo đơn vị kiloton thì năng lượng này sẽ là E=0,043 kt. Nếu so với năng lượng của Fat Man ( E=21kt, thả xuống Nagasaki) thì E=0,215% năng lượng của Fat Man và bằng 0,331% so với Little Boy (E=13kt, thả xuống Hiroshima).
Tức là chưa được 1% năng lượng của hai quả bom nguyên tử thả xuống Nhật.
Giờ có thể các bạn sẽ thắc mắc, là chỉ có 1mg thôi thì nhiêu đó là đúng rồi, muốn nổ lớn hơn thì chỉ cần tăng khối lượng phản vật chất lên thôi. Đúng là như vậy thật, tuy nhiên điều này là không khả thi, do chi phí sản xuất phản vật chất rất lớn.
4. Chi phí sản xuất Phản vật chất.
Theo bài báo đăng trên Nasa (năm 1999), thì chi phí cần thiết để tạo ra là rất rất đắt. Vào khoảng 62 nghìn tỷ đô la để tạo ra khoảng 1gram phản vật chất.
Có nghĩa là cần 62 tỷ đô để tạo ra một quả bomb phản vật chất cho năng lượng nổ chưa bằng 1% bom nguyên tử Little Boy. Quá tốn kém!
Tuy nhiên hy vọng rằng trong tương lai, với sự phát triển công nghệ thì sẽ giảm được chi phí sản xuất xuống. Nếu có thể thì đây sẽ là một nguồn năng lượng hữu ích cho các tàu vũ trụ hay chế tạo vũ khí.
5. Bảo quản Phản vật chất.
Do tính hủy lẫn nhau của pvc và vật chất cho nên không thể lưu giữ pvc như bình thường được. Thông thường pvc sẽ được lưu trữ trong một thiết bị gọi là Bẫy Penning (Penning Trap). Penning Trap là một thiết bị tạo ra từ trường và điện trường, các hạt pvc mang điện khi đặt trong Penning trap dưới tác dụng của điện-từ trường sẽ xoay vòng vòng trong chân không (để không va chạm với vật chất). Tuy nhiên do hạn chế của công nghệ cho nên thời gian lưu trữ có một giới hạn nhất định.
Mô hình bẫy Penning
https://en.wikipedia.org/wiki/Penning_trap
https://groups.nscl.msu.edu/lebit/lebitfacility/penningtraps/index.html
6. Phản vật chất trong đời sống
Thường gặp nhất là positron, Positron được dùng trong kĩ thuật chụp PET CT ở các bệnh viện lớn.
https://yhoccongdong.com/thongtin/chup-positron-cat-lop/
p/s: Thêm một video về sản xuất pvc ở cern
------------
Kết luận: Như vậy vũ khí phản vật chất không phải là khoa học viễn tưởng mà nó là sự thật. Tuy nhiên chi phí sản xuất của nó là quá lớn, do đó hiện nay phản vật chất chỉ được dùng chủ yếu trong nghiên cứu khoa học và y học hạt nhân.
...............
Trước hết cần khẳng định Antimatter (phản vật chất-pvc) không phải là một huyền thoại khoa học viễn tưởng mà là một thực tế hiện hữu. Rất có thể trong cuộc sống chúng ta đã gặp phải nó chỉ là ta không biết mà thôi.
1. Cơ sở lý thuyết.
- Ý tưởng về pvc đến từ Paul Dirac, trong một bài báo về cơ lượng tử, Dirac đã mô tả về một trạng thái electron mang năng lượng "âm". Đây là cơ sở đầu tiên cho khám phá pvc. Dựa trên lý thuyết của Dirac mà các nhà Vật lý đi đến kết luận rằng, không phải electron mang năng lượng "âm" mà là tồn tại một hạt phản-electron.
Phản hạt được định nghĩa là một hạt giống hệt hạt đối của nó, nhưng có một số tính chất trái ngược nhau và bằng nhau về độ lớn. Chẳng hạn, electron và positron giống nhau về độ lớn khối lượng, spin, nhưng có điện tích trái dấu (electron mang -1e và positron mang +1e).
Hầu hết các hạt đều đi kèm nó một phản hạt. Tuy nhiên một số hạt trung tính như photon lại có phản hạt là chính nó.
Khi một phản electron kết hợp với một phản proton, ta sẽ có một phản-hydro.
- Theo lý thuyết khi phản hạt gặp hạt sẽ sinh ra sự hủy hạt. Quá trình hủy hạt này kèm theo việc giải phóng năng lượng. Năng lượng giải phóng ra tuân theo hệ thức E=mc2.
Mô phỏng quỹ đạo của electron và positron trong từ trường.
2. Năng lượng giải phóng trong quá trình hủy hạt.
Giả sử ta có 1mg positron (KH: e+) tương tác hủy hạt với electron (KH: e-), thì ta cần tối thiểu 1mg electron. (Lưu ý rằng bỏ qua động năng ban đầu của các hạt).
Khi đó ta có phương trình sau:
(e+) + (e-) ------> 2 gamma (cho ra 2 tia gamma mang năng lượng).
Giả sử toàn bộ khối lượng các hạt trên đều biến thành năng lượng:
E = mc^2 => E = (m positron + m eclectron).c^2 => E= (2.10^-6). (2,998.10^8)^2= 1,798.10^11 J
Vậy nếu ta có một quả bom phản vật chất khối lượng 1mg thì năng lượng giải phóng được khi bom nổ là 1,798.10^11 Jun
3. So sánh với năng lượng bom hạt nhân
Theo đơn vị kiloton thì năng lượng này sẽ là E=0,043 kt. Nếu so với năng lượng của Fat Man ( E=21kt, thả xuống Nagasaki) thì E=0,215% năng lượng của Fat Man và bằng 0,331% so với Little Boy (E=13kt, thả xuống Hiroshima).
Tức là chưa được 1% năng lượng của hai quả bom nguyên tử thả xuống Nhật.
Giờ có thể các bạn sẽ thắc mắc, là chỉ có 1mg thôi thì nhiêu đó là đúng rồi, muốn nổ lớn hơn thì chỉ cần tăng khối lượng phản vật chất lên thôi. Đúng là như vậy thật, tuy nhiên điều này là không khả thi, do chi phí sản xuất phản vật chất rất lớn.
4. Chi phí sản xuất Phản vật chất.
Theo bài báo đăng trên Nasa (năm 1999), thì chi phí cần thiết để tạo ra là rất rất đắt. Vào khoảng 62 nghìn tỷ đô la để tạo ra khoảng 1gram phản vật chất.
Có nghĩa là cần 62 tỷ đô để tạo ra một quả bomb phản vật chất cho năng lượng nổ chưa bằng 1% bom nguyên tử Little Boy. Quá tốn kém!
Tuy nhiên hy vọng rằng trong tương lai, với sự phát triển công nghệ thì sẽ giảm được chi phí sản xuất xuống. Nếu có thể thì đây sẽ là một nguồn năng lượng hữu ích cho các tàu vũ trụ hay chế tạo vũ khí.
Scientists claim that antimatter is the costliest material to make.[75] In 2006, Gerald Smith estimated $250 million could produce 10 milligrams of positrons[76] (equivalent to $25 billion per gram); in 1999, NASA gave a figure of $62.5 trillion per gram of antihydrogen.[75] This is because production is difficult (only very few antiprotons are produced in reactions in particle accelerators) and because there is higher demand for other uses of particle accelerators. According to CERN, it has cost a few hundred million Swiss francs to produce about 1 billionth of a gram (the amount used so far for particle/antiparticle collisions).[77] In comparison, to produce the first atomic weapon, the cost of the Manhattan Project was estimated at $23 billion with inflation during 2007.[78]
Several studies funded by the NASA Institute for Advanced Concepts are exploring whether it might be possible to use magnetic scoops to collect the antimatter that occurs naturally in the Van Allen belt of the Earth, and ultimately, the belts of gas giants, like Jupiter, hopefully at a lower cost per gram.[79]
https://en.wikipedia.org/wiki/Antimatter#:~:text=for further experimentation.-,Cost,trillion per gram of antihydrogen.
https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/prop12apr99_1
Several studies funded by the NASA Institute for Advanced Concepts are exploring whether it might be possible to use magnetic scoops to collect the antimatter that occurs naturally in the Van Allen belt of the Earth, and ultimately, the belts of gas giants, like Jupiter, hopefully at a lower cost per gram.[79]
https://en.wikipedia.org/wiki/Antimatter#:~:text=for further experimentation.-,Cost,trillion per gram of antihydrogen.
https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/prop12apr99_1
Do tính hủy lẫn nhau của pvc và vật chất cho nên không thể lưu giữ pvc như bình thường được. Thông thường pvc sẽ được lưu trữ trong một thiết bị gọi là Bẫy Penning (Penning Trap). Penning Trap là một thiết bị tạo ra từ trường và điện trường, các hạt pvc mang điện khi đặt trong Penning trap dưới tác dụng của điện-từ trường sẽ xoay vòng vòng trong chân không (để không va chạm với vật chất). Tuy nhiên do hạn chế của công nghệ cho nên thời gian lưu trữ có một giới hạn nhất định.
Mô hình bẫy Penning
https://en.wikipedia.org/wiki/Penning_trap
https://groups.nscl.msu.edu/lebit/lebitfacility/penningtraps/index.html
6. Phản vật chất trong đời sống
Thường gặp nhất là positron, Positron được dùng trong kĩ thuật chụp PET CT ở các bệnh viện lớn.
https://yhoccongdong.com/thongtin/chup-positron-cat-lop/
p/s: Thêm một video về sản xuất pvc ở cern
Kết luận: Như vậy vũ khí phản vật chất không phải là khoa học viễn tưởng mà nó là sự thật. Tuy nhiên chi phí sản xuất của nó là quá lớn, do đó hiện nay phản vật chất chỉ được dùng chủ yếu trong nghiên cứu khoa học và y học hạt nhân.
Sửa lần cuối:
