Bài tập chuyên đề Vật lí 10 Bài 2: Giới thiệu một số lĩnh vực nghiên cứu trong vật lí có đáp án

Trả lời:

Trong thế kỷ XXI này các nhà vật lí tập trung nghiên cứu:

- Vật lí hạt nhân: nghiên cứu các hiện tượng phóng xạ, quá trình giải phóng năng lượng thông qua phản ứng hạt nhân (phân hạch, nhiệt hạch), cấu trúc hạt nhân, tương tác giữa các hạt nucleon cấu tạo nên hạt nhân.

Trong y học, những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Tuy nhiên thiết bị xạ trị này hiện nay chỉ được sử dụng tại các nước phát triển do những yêu cầu cao trong quá trình vận hành cũng như chi phí điều trị rất cao.

- Vật lí nano nghiên cứu vật chất hay các thiết bị có kích thước từ 1 tới 100 nm.

Vật lí nano được chia thành hai ngành nhỏ hơn là khoa học nano và công nghệ nano. Khoa học nano nghiên cứu các tính chất vật lí, hóa học đặc biệt của các loại vật liệu ở cấp độ nm. Trong khi đó công nghệ nano tập trung triển khai những thành tựu của khoa học nano vào thực tế.

Các thành tựu của vật lí nano đã góp phần không nhỏ trong sự phát triển kinh tế xã hội. Các công nghệ nano có thể giúp giảm kích thước các linh kiện điện tử hay thiết bị lưu trữ thông tin của máy tính, các thiết bị giải trí đồng thời tăng hiệu suất sử dụng năng lượng… Sự phát triển mạnh mẽ của vật lí nano nói riêng và công nghệ nano nói chung đang đòi hỏi nguồn nhân lực lớn. Nhân lực của ngành vật liệu nano không chỉ có thể làm trong các phòng thí nghiệm mà còn có thể tham gia vào rất nhiều lĩnh vực nghề nghiệp khác như công nghệ vật liệu, công nghệ vi sinh, công nghệ sản xuất hàng tiêu dùng (thực phẩm, mỹ phẩm, đồ gia dụng…).

- Vật lí laser có đối tượng nghiên cứu rất phong phú và đa dạng nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử phân tử thông qua các hiệu ứng quang phi tuyến, nghiên cứu để quan sát sự hình thành các liên kết hóa học trong thời gian rất ngắn bằng cách sử dụng những xung laser cực ngắn nhằm tạo ra độ phân giải thời gian của hợp chất, nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang học, quang - điện tử mới có những tính năng vượt trội, nghiên cứu chế tạo công cụ thiết bị để bẫy nguyên tử hay các hạt có kích thước từ micrômet đến nanomet, nghiên cứu phát triển công nghệ chụp ảnh cấu trúc vật liệu mà không phá hủy mẫu vật, nghiên cứu phát triển các công nghệ mới để chẩn đoán và điều trị bệnh trong lĩnh vực y học.

Trong lĩnh vực y học laser đã và đang được sử dụng để phát triển các công nghệ chụp ảnh, chẩn đoán như chẩn đoán u sắc tố, chụp ảnh và chẩn đoán các bệnh liên quan đến da và các cơ quan khác như mắt, não…

- Vật lí tính toán lượng tử nghiên cứu các thuật toán và xây dựng các thư viện lập trình tính toán cho máy tính lượng tử, nghiên cứu chế tạo mạch lượng tử các cổng logic lượng tử, bộ nhớ lượng tử, bit lượng tử và các bộ mô phỏng lượng tử để xây dựng máy tính lượng tử.

Trả lời:

Một số ví dụ về ứng dụng của vật lí hạt nhân

- Khai thác năng lượng của quá trình phân rã hạt nhân trong các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện.

- Trong y học những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chuẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Ví dụ hiệu ứng Hủy cặp electron - positron được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp phát xạ positron” (PET); hiện tượng phân rã gamma được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp bằng bức xạ đơn photon” (SPECT) như (Hình 2.2).

- Sử dụng các loại tia phóng xạ trong trị xạ ung thư được sử dụng chùm beta (electron) hoặc tia X bức xạ hãm trong máy gia tốc tuyến tính để điều trị ung thư tại các bệnh viện ở Việt Nam (Hình 2.3).

 - Hiện nay kĩ thuật tiên tiến nhất trong xạ trị ung thư có thể tiêu diệt được các tế bào ung thư tại những vị trí khó như não mà ít để lại biến chứng nhất là máy xạ trị proton (Hình 2.4).

- Trong nông nghiệp chiếu xạ hạt giống để cải tạo giống cây trồng.

- Trong công nghiệp sử dụng chiếu xạ hạt nhân để kiểm định chất lượng sản phẩm, kiểm tra mối hàn, đo mật độ mà không phá hủy mẫu vật.

- Trong thực phẩm: Chiếu xạ để diệt vi sinh vật, phá hủy cấu trúc DNA (Deoxyribo Nucleic Acid) giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện thường.

Trả lời:

Những lợi ích, tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.

Lợi ích:

- Thứ nhất, góp phần thúc đẩy tăng trưởng kinh tế và hạn chế tình trạng khai thác quá mức các nguồn tài nguyên gây tổn hại "các dịch vụ tự nhiên" như đa dạng sinh học, nguồn nước ngọt, không khí sạch và đất canh tác cũng như đe dọa sự phát triển bền vững. IAEA đã phát triển phương pháp mới, cho phép phân tích đồng thời và đồng bộ các tương tác phức tạp giữa thời tiết, sử dụng đất, các chiến lược năng lượng và nước..., nhằm tạo điều kiện thuận lợi giúp các nước dễ thích nghi hơn với các tình huống mới.

- Thứ hai, giúp xác định và xây dựng bản đồ các nguồn nước ngầm khả thi và nhanh hơn so với các công nghệ khác, từ đó nhân loại có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn nước sạch và an toàn. Công nghệ hạt nhân cũng cải thiện hiệu quả các hệ thống thủy lợi hiện đang sử dụng tới 70% nguồn nước ngọt của thế giới. 

- Thứ ba, giúp các nước sử dụng năng lượng hạt nhân an toàn và bền vững hơn, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và tác động của biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh nhu cầu điện của thế giới được dự báo tăng từ 60-100% vào năm 2030, năng lượng hạt nhân với sự giám sát trực tiếp của IAEA sẽ góp phần tăng cường hòa bình và an ninh trên thế giới. 

- Thứ tư, góp phần tăng sản lượng lương thực, đánh giá để bảo tồn và nâng cao độ phì nhiêu của các nguồn đất và quản lý nguồn nước trong bối cảnh an ninh lương thực vẫn là thách thức lớn của toàn cầu trong thập kỷ tới. 

- Thứ năm, giúp nhận thức và bảo vệ tốt hơn các đại dương của thế giới thông qua giám sát quá trình axit hóa trong các đại dương. Công nghệ hạt nhân cũng là công cụ để phát triển bức tranh tổng thể về các đại dương.

- Thứ sáu, cung cấp các chẩn đoán chính xác và quan trọng giúp phát hiện và điều trị các bệnh lây nhiễm và không lây nhiễm. Hàng triệu người trên thế giới hàng ngày đang phụ thuộc vào các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh từ ứng dụng của công nghệ hạt nhân như dược phẩm phóng xạ... Sử dụng an toàn và phối hợp tốt công nghệ hạt nhân trong điều trị bệnh đang góp phần tích cực nâng cao sức khỏe và ổn định xã hội trên thế giới.

Tác hại:

- Kể từ khi quân đội Mỹ ném hai quả bom nguyên tử xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) trong Thế chiến thứ II, cướp đi sinh mạng của hàng vạn người, nhân loại luôn đứng trước nguy cơ chiến tranh hạt nhân có thể hủy diệt sự sống trên trái đất. Bên cạnh đó, nguy cơ khủng bố phát tán chất phóng xạ; sự cố do các nhà máy điện hạt nhân, phương tiện sử dụng năng lượng hạt nhân,… gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng, kéo theo những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, môi trường và sức khỏe con người, v.v. Nhận thức sâu sắc vấn đề đó, cộng đồng quốc tế đã ra sức đấu tranh nhằm cấm việc phát triển, thử nghiệm, sản xuất, tàng trữ, chuyển giao, sử dụng và đe doạ sử dụng vũ khí hạt nhân, tiến tới thủ tiêu loại vũ khí nguy hiểm này. Tuy nhiên, đến nay, số quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân không những không giảm mà còn tăng thêm. Nguy hiểm hơn là, một số quốc gia lợi dụng thành tựu của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đẩy nhanh nghiên cứu, phát triển, hiện đại hóa kho vũ khí hạt nhân, làm cho chúng “thông minh” hơn, sức hủy diệt cao hơn và có thể lẩn tránh được sự giám sát của luật pháp quốc tế. Mặt khác, một số quốc gia, trong đó có các nước trong khu vực đã xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân; nguy cơ rò rỉ, phát tán phóng xạ do sự cố như ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản, năm 2011 là một ví dụ, làm gia tăng nguy cơ sự cố bức xạ, hạt nhân, v.v. Tình hình trên đặt ra yêu cầu bức thiết, đòi hỏi chúng ta phải tích cực xây dựng, củng cố tiềm lực mọi mặt, nâng cao khả năng phòng, chống vũ khí hạt nhân và ứng phó có hiệu quả sự cố bức xạ và hạt nhân, làm giảm thiệt hại tới mức thấp nhất về người và tài sản, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc trong tình hình mới.

Trả lời:

Một số ví dụ khác về ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống.

- Ứng dụng trong ngành sản xuất điện tử

Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực sản xuất điện tử. Đặc biệt là đối với công nghệ năng lượng. Pin nano trong tương lai sẽ được cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ làm cho các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần. Để từ đó giúp nó lưu trữ được thêm nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước của những viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.

- Ứng dụng trong lĩnh vực may mặc

Việc áp dụng công nghệ nano đối với một số loại vải đặc biệt được coi là một kế hoạch phát triển tốt. Để sản xuất ra loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khi được áp dụng các hạt nano bạc. Ngoài ứng dụng trong khử mùi, nano trong ngành may còn được sử dụng biến chiếc áo bạn đang mặc trở thành một trạm phát điện di động. Sử dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng mặt trời kết hợp với công nghệ nano bạn sẽ có thể sạc điện cho chiếc điện thoại thông minh của mình mọi lúc mọi nơi.

- Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Công nghệ nano cũng sẽ giúp hỗ trợ các công việc lưu trữ thực phẩm được lâu hơn rất nhiều lần. Bằng cách tạo ra những vật liệu chứa đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn. Hơn nữa, ngày nay chúng ta còn có rất nhiều loại máy có thể khử độc rau củ bằng công nghệ nano thông minh. Ngoài ra, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy nhiều loại tủ lạnh hiện nay đều sẽ được phủ một lớp nano bạc bên trong để thực hiện tác dụng tiêu diệt vi khuẩn. Thậm chí một số loại hộp thực phẩm cao cấp cũng sẽ được phủ một lớp bạc nano bên trong.

- Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Nano trong y học đang rất phổ biến nhất. Ví dụ như trong việc hỗ trợ điều trị bệnh ung thư, kết hợp với nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm nhằm có thể hạn chế các khối u phát triển và giúp tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Một nghiên cứu đã đưa ra kết quả khả quan khi dùng các hạt nano vàng chống lại nhiều loại ung thư. Các phân tử nano sẽ được đưa vào cơ thể, đi đến các khối u. Tiếp đó chúng được điều chỉnh tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể làm tiêu diệt các khối u.

Trả lời:

Ứng dụng của công nghệ nano trong chế tạo pin và thiết bị lưu trữ năng lượng.

- Thiết bị quang điện: các pin mặt trời được tối ưu hóa bằng vật liệu và cấu trúc nano (polymer, chất nhuộm, chấm lượng tử, màng mỏng, cấu trúc đa chuyển tiếp, các lớp chống phản xạ).

- Pin nhiên liệu: các màng và điện cực được tối ưu hóa bằng nano, sử dụng cho các pin nhiên liệu hiệu suất cao, ứng dụng trong các thiết bị điện tử di động và trong xe hơi.

- Công nghệ nano trong thiết bị lưu trữ

+ Pin: các pin Li-ion được tối ưu hóa dựa trên các điện cực cấu trúc nano và màng phân tách điện tích mềm dẻo sử dụng vật liệu gốm, ứng dụng trong các thiết bị điện tử di động, ô tô, quản lý tải linh hoạt trong lưới điện.

+ Siêu tụ: các vật liệu nano sử dụng cho các điện cực (carbon-aerogels, ống nano các-bon, các ô-xít kim loại và chất điện phân sử dụng trong các hệ trữ năng lượng mật độ cao).