PHÁT HIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI, VÔ TẬN CỦA TƯƠNG LAI Vũ Huy Toàn Công ty cổ phần CONINCO Máy xây dựng và Công trình công nghệp 4 Tôn Thất Tùng, Hà Nộ. Emal: vuhuytoan@conncom.vn TÓM TẮT Thế gớ ñang ñứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát trển bền vững trong tương la kh các nguồn năng lượng ñang dần cạn kệt vào cuố thế kỷ này. Năng lượng Mặt trờ ñược co là một trong các dạng năng lượng tá tạo ñược lựa chọn. Tuy nhên, hểu bết về ánh sáng cho ñến nay vẫn chỉ mớ dừng lạ ở kến thức của vật lý học ñầu thế kỷ trước, kh cho rằng ánh sáng là tập hợp các hạt photon có năng lượng ñược tính theo công thức của Plank: E = hv. Xuất phát từ vệc chứng mnh photon là một hạt có cấu trúc từ hạt cơ bản là electron và postron, tác gả ñã thực hện vệc tính toán cụ thể và cân ñố lạ phương trình năng lượng của photon và phát hện ra rằng năng lượng tính theo công thức trên chỉ là một phần nhỏ trong năng lượng toàn phần của nó bao gồm cả nộ năng nữa: ph = 4m e c. Ý tưởng thu ñược nguồn năng lượng khổng lồ này là dựa trên cơ chế tách rờ hạt electron và postron cấu tạo nên photon nhờ những tến bộ của khoa học và công nghệ của ñầu thế kỷ XXI này. Do ñó, vấn ñề tận dụng nộ năng của photon ñã có cơ hộ trở thành hện thực: thay thế hầu như toàn bộ nguồn nhên lệu hoá thạch gây ô nhễm mô trường. Từ khoá: Năng lượng Mặt trờ, năng lượng bức xạ, photon ABSTRACT The world s facng wth a dffcult choce for sustanable development n the future when energy sources are gradually depleted. Solar energy s consdered as one of forms of renewable energy selected. However, understandng about the source of solar energy so far has just stopped n physcal knowledge at the early of the last century. It s sad that the lght s a collecton of photons contanng energy whch s calculated accordng to the Plank s formula: E = hv. Startng on the provableness that s: the photon was a partcle structured from two basc partcles namely electron and postron, the author realzed concrete calculaton and balanced agan energy equaton of photon. In result, that was dscovered s: the energy calculated accordng to the formula above s only the small part of total energy of photon, whch nclude the nternal energy: ph = 4m e c. The dea to obtan that huge source of energy s based on the mechansm to separate electron and postron n structure of photon, thanks to the scentfc and technologcal advances of the early XXI century. And so, there s a chance to take advantage of the nternal energy of photon: to place almost the most pollutng fossl energy. Keywords: Solar energy, energy of radaton, photon 1. ðặt VẤN ðề Theo số lệu (năm 1999) của MITI Bộ Thương mạ và Công nghệp Nhật Bản, dầu mỏ sẽ cạn kệt sau khoảng 50 năm nữa, tương ứng là khí ñốt 60 năm; than ñá 30 năm; Uranum 70 năm. Theo Edwn Cartldge (Physcs orld 7/007), hàng năm, nhân loạ têu dùng tổng các nguồn năng lượng vào cỡ 14x10 16 kh, trong ñó tỷ trọng sử dụng năng lượng 1
hoá thạch (than ñá, dầu mỏ và khí tự nhên) chếm 90% các nguồn năng lượng ñược sử dụng. ðây là nguồn năng lượng gây ô nhễm nhất, khến Trá ñất nóng lên do hệu ứng nhà kính. Năng lượng hạt nhân cũng không phả là lựa chọn lâu dà vì không chỉ do sự cạn kết vào cuố thế kỷ này mà còn do tính thếu an toàn vớ sự cố phóng xạ như ñã từng xẩy ra ở Chernobyl (Lên xô cũ) và Fukushma (Nhật bản), vì vậy, tỷ trọng ñện hạt nhân sẽ gảm từ 7,3% như hện nay xuống mức 4,6% vào năm 030. Năng lượng thuỷ ñện cũng làm bến ñổ v khí hậu và mô trường khu vực. Trọng tâm hướng về năng lượng tá tạo như ñện gó, ñện Mặt trờ, ñện thuỷ trều, năng lượng snh học v.v.. ñang là ñề tà ñược bàn luận trong vòng một và thập kỷ gần ñây. Tuy nhên, bà toán về năng lượng thay thế nguồn năng lượng hoá thạch vẫn còn bỏ ngỏ. Mất an nnh năng lượng ñang thách thức không chỉ ñố vớ sự phát trển knh tế bền vững toàn cầu, mà còn tềm ẩn nguy cơ gây các cuộc xung ñột khu vực như vùng Vịnh, bển ðông Năng lượng Mặt trờ ñược co là một trong các dạng năng lượng tá tạo ñược lựa chọn. Mỗ mét vuông bề mặt Trá ñất ñược ánh nắng Mặt trờ chếu thẳng vào lúc quang mây có thể cung cấp ~1k công suất ánh sáng, tức là ~4.000 kh/năm. Hệu suất thu nhận năng lượng của các pn Mặt trờ phổ bến ở mức 5%, nên cần phả có 4 m dện tích ñể phát ra ñược công suất 1 k. Vì vậy, ñể cung cấp năng lượng cho cả thế gớ trong 1 năm, cần một dện tích khoảng 100 trệu km tương ñương vớ tổng dện tích của cả ñạ lục Á-Âu và châu Mỹ, hay /3 tổng dện tích các châu lục ñây là một ñều không tưởng! Chính vì vậy, theo bảng cân ñố năng lượng toàn cầu trong tương la, năng lượng Mặt trờ cùng vớ ñện gó, nhên lệu snh khố chỉ chếm một tỷ trọng khêm tốn: ~10%. Tuy nhên, hểu bết về nguồn năng lượng Mặt trờ cho ñến nay vẫn chỉ mớ dừng lạ ở kến thức của vật lý ñầu thế kỷ trước, kh cho rằng ánh sáng là tập hợp các lượng tử năng lượng (photon) ñược tính theo công thức của Plank [1]: ` E = hv, (1) ở ñây h 6,63x10-34 Js; v là tần số của photon. Mớ ñây trong [3], tác gả ñã chứng mnh ñược photon là hạt có cấu trúc từ hạt cơ bản là electron và postron ở dạng dpol quay (DQ) như ñược mô tả trên Hình 1a; trong chân không (chỉ có trường hấp dẫn thuần tuý), photon bay vớ tốc ñộ ánh sáng c như ñược chỉ ra trên Hình 1b, và ñều này gúp chúng ta có ñược một cách nhìn khác hẳn về thế gớ v mô. Hình 1. Photon là hạt có cấu trúc từ hạt cơ bản là electron và postron Vấn ñề ñược ñặt ra là nếu quả thực photon ñược cấu tạo nên từ ha hạt cơ bản như thế thì năng lượng toàn phần của nó sẽ như thế nào? Tạ sao gá trị năng lượng của ánh sáng ño ñược cũng phù hợp vớ công thức Plank (1)? Và làm cách nào ñể gả toả ñược nguồn năng lượng chưa ñược bộc lộ ra do cấu trúc mớ ñược phát hện ñó? ðó chính là những nộ dung mà báo cáo này sẽ trình bầy.. NHỮNG HẠN CHẾ HIỂU BIẾT VỀ BỨC XẠ Vào thờ gan ñầu kh nghên cứu về bức xạ, ngườ ta còn chưa bết nó cũng thuộc phổ ñện từ của Maxwell, mà cho rằng nó chỉ là một cá gì ñó ñược các vật thể phát ra khác vớ các dạng vật chất thông thường. Cá gì ñó ấy ñược ñồng nhất vớ năng lượng (của chẳng
cá gì cả) và ñược Plank gắn cho cá tên là lượng tử năng lượng []. Gá trị tính ñược theo công thức (1) ñược cho là toàn bộ năng lượng của cá gì ñó ấy. Sau này, kh Ensten phát mnh ra công thức: E = mc, () ngườ ta cho rằng ñó chính là bểu thức mô tả quá trình vật lý bến ñổ vật chất (có khố lượng m) thành năng lượng E và vì vậy, bức xạ nhệt nó rêng, và các loạ bức xạ ñện từ nó chung ñược ñồng nhhất vớ lượng tử năng lượng (của cá gọ là trường ñện từ ). Tuy nhên, theo các phân tích trong [3, 4], tác gả ñã cho thấy sự sa lầm của quan nệm sêu hình này và khẳng ñịnh tính vật chất của mọ dạng bức xạ ñó là các hạt gống như mọ dạng vật chất khác và các hạt ñó cũng mang năng lượng và cũng tuân theo các quy luật trao ñổ năng lượng thông thường; chúng không hề bị bến mất ñ mà chỉ thay ñổ trạng thá năng lượng trong tương tác vớ các dạng vật chất khác. Những hạt ấy ta vẫn gọ là photon. Ta sẽ chứng mnh rằng năng lượng ñược tính theo bểu thức (1) chỉ là một phần năng lượng của photon chứ không phả là toàn bộ năng lượng của nó như cho ñến nay ngườ ta vẫn nghĩ. Thứ nhất, phả thấy ngay rằng từ thực tế cuộc sống chúng ta bết rằng mọ vật thể kh tương tác vớ nhau chỉ trao ñ, ñổ lạ một phần rất nhỏ năng lượng của chúng (có thể gọ là ngoạ năng), còn phần lớn năng lượng vẫn tồn tạ bên trong chúng (có thể gọ là nộ năng) ñược xác ñịnh theo (). Ví dụ một cá búa ñóng ñnh chỉ gả toả ñộng năng của nó thành công cơ học làm cho ñnh cắm sâu vào gỗ, nhưng phần năng lượng này rất nhỏ nên hầu như không làm thay ñổ chếc búa là bao nhêu và hệ quả là sau kh thực hện xong vệc trao ñổ năng lượng ñó, chếc búa vẫn còn là chếc búa hầu như nguyên vẹn. Trong trường hợp của photon, chỉ vì cho rằng nó không phả là vật chất mà chỉ là cục năng lượng xác ñịnh theo (1) như ñã nó ở trên, nên mớ cho rằng nó không có khố lượng (nghỉ), và do ñó không áp dụng ñược công thức () như ñố vớ các dạng vật chất thông thường có khố lượng khác 0. Song như chúng ta vừa nó ở trên, photon cũng là một hạt vật chất, nên năng lượng mà nó trao ñổ theo (1) ñương nhên cũng chỉ là một phần rất nhỏ trong tổng năng lượng hàm chứa trong nó. Thứ ha, kh nghên cứu bức xạ của vật ñen tuyệt ñố bằng thực nghệm, mà kết quả ño ñược cho rằng phù hợp vớ công thức (1), ngườ ta phả sử dụng các thết bị ño ñộ trưng năng lượng vốn ñược cấu tạo từ các bộ cảm bến bức xạ và máy ño như ñược chỉ ra trên Hình a. 100 photon vào L d >L Cảm bến a) Theo lý thuyết cổ ñển 0 photon ra 100 photon vào có λ 1 λ λ 100 < d 0 Máy ño b) Theo tác gả k photon ra có d >λ 1 λ k > L Hình. nghên cứu bức xạ của vật ñen tuyệt ñố bằng thực nghệm Theo lý thuyết về bức xạ nhệt, vật ñen tuyệt ñố là vật có hệ số hấp thụ ñơn sắc bằng 1, tức là có khả năng hấp thụ tất cả bức xạ ñập tớ bề mặt của nó [, 8]. Ở ñây, khá nệm hấp thụ ñược hểu là vật thể nhận toàn bộ năng lượng photon ñập tớ nó, và kết quả là photon ñó không còn tồn tạ nữa. Nhưng cá ñược gọ là hểu này lạ không phù hợp vớ bản chất của bất kể một phép ño nào. Vì sao vậy? Ta sẽ làm rõ ñểm này. Trước hết, nên bết rằng các thết bị ño trong thí nghệm luôn chỉ có một dả tần công tác xác ñịnh; những photon nằm ngoà dả tần ñó không thể tương tác ñược vớ chúng. Sau nữa, bản thân cá gọ là vật ñen tuyệt ñố ñược sử dụng trong thí nghệm chỉ có kích thước 3
hữu hạn; nó không thể hấp thụ ñược các photon có bước sóng lớn hơn lần kích thước của nó (d), cũng như các photon có bước sóng nhỏ dướ kích thước phân tử cấu tạo nên vật ñen ñó. Thết bị ño không gh nhận ñược bức xạ từ cá gọ là vật ñen tuyệt ñố ấy không ñồng nghĩa vớ vệc không còn photon nào bức xạ ra ñược từ vật ñen ñó ñể rồ cho rằng chúng ñã bị hấp thụ hết. Ví dụ có 100 photon vớ bước sóng λ 1,, λ 100 < d có thể chu qua lỗ của vật ñen có phổ năng lượng tương ứng vớ nhệt ñộ T nào ñó. Nhưng sau kh va ñập vớ thành bên trong của nó, vẫn có k photon bị phản xạ trở lạ qua chính các lỗ ñó, chứ không phả là ñã bị vật ñen hấp thụ hoàn toàn (xem Hình b), nhưng năng lượng của chúng lạ ở dướ mức ngưỡng ñộ nhậy của thết bị ño thì thết bị ño sẽ chỉ bằng 0. tức là bước sóng của k photon phản xạ trở lạ ñều dà hơn lần kích thước bộ cảm bến của chính thết bị ño ñã dùng ñể ño 100 photon ñó trước kh cho chúng va ñập vào vật ñen. Nó cách khác, thết bị ño không gh nhận ñược không có nghĩa là không còn bức xạ nào thoát ra khỏ vật ñen, mà chỉ ñơn gản là không còn bức xạ nào còn ñủ mức năng lượng ñể kích hoạt bộ cảm bến của thết bị ño nữa. Nếu ta sử dụng các thết bị ño có dả tần ñủ rộng, ñộ nhậy ñủ cao thì chắc chắn sẽ gh nhận ñược. ðó là chưa kể trong số các photon ñ vào, còn (100 k) photon có bước sóng λ k λ 100 > d không thể thoát ra khỏ lỗ ñược, nhưng chúng vẫn tồn tạ, tức là về số lượng, chúng vẫn còn nguyên vẹn như trước kh va ñập xẩy ra, chỉ có ñều là chúng bị gam gữ bên trong vật ñen ñó mà thô. Nếu như tăng nhệt ñộ của vật ñen lên T > T, thì trong số chúng sẽ có những photon thu ñược năng lượng ñủ ñể thoả mãn ñều kện bước sóng λ < d và nhờ ñó chúng có thể lạ thoát ñược ra ngoà. Tức là sau kh trao ñổ một phần năng lượng của mình cho mọ vật nó chung và cảm bến của thết bị ño nó rêng, photon phản xạ trở lạ không gan vớ tần số thấp hơn, hoặc cao hơn, tuỳ thuộc vào dạng trao ñổ năng lượng ñã xẩy ra: cho ñ, hoặc nhận thêm năng lượng từ vật thể. Dạng trao ñổ cho-nhận này phụ thuộc vào nhệt ñộ của vật thể mà photon tương tác. Nếu một photon có bước sóng λ lên tếp phản xạ ñ, phản xạ lạ từ mặt trong một vật thể có nhệt ñộ T nào ñó, thì sau một số lần phản xạ nhất ñịnh, nó sẽ duy trì bước sóng trong dả tương ứng vớ trạng thá cân bằng nhệt ñộng của vật thể ñó theo quy luật phân bố mật ñộ phổ ñộ trưng năng lượng phụ thuộc vào bước sóng. Chính vì vậy, mọ thí nghệm lên quan tớ mô hình vật ñen tuyệt ñố như ở Hình a cần phả ñược nhìn nhận lạ cho ñúng vớ bản chất của sự vệc. Bên cạnh ñó, còn một ñều không thể không nhắc ñến ñó là trong tất cả các thí nghệm, photon tương tác vớ cảm bến của thết bị ño bở chính tương tác ñện gữa nó vớ các phân tử, nguyên tử của cảm bến, tức là gữa chúng chỉ xẩy ra quá trình trao ñổ năng lượng ñện thuần tuý. Vì thế, bểu thức (1) về thực chất chỉ là xác ñịnh năng lượng ñện của photon. Trong kh ñó, do photon không thay ñổ tốc ñộ sau mỗ va chạm, nên có thể nó năng lượng của nó trong trường hấp dẫn hầu như không thay ñổ. ðây chính là phần ngoạ năng hấp dẫn của photon ñược nó tớ trong [6, 7]; nó có gá trị gần như không ñổ trong ñều kện phòng thí nghệm và bằng: ngh mec, (3) ở ñây m e 9,1x10-31 kg là khố lượng của electron; c 3x10 8 m/s là tốc ñộ ánh sáng trong chân không. Thay số vào (3) ta ñược: ngh 8,x10-14 J. Vấn ñề là ở chỗ vệc bỏ qua năng lượng của các photon ñã nó ở trên gần như không ảnh hưởng gì ñến kết quả xác ñịnh ñường cong mật ñộ phổ ñộ trưng năng lượng phụ thuộc vào bước sóng, nhưng nếu cho rằng có sự bến mất hoàn toàn 100 photon này lạ là một chuyện khác hẳn. Vật chất không tự nhên snh ra, không tự nhên mất ñ ñó là quan ñểm bất d, bất dịch của chủ nghĩa duy vật bện chứng. Như sau này ta sẽ thấy vệc bỏ qua tưởng chừng vô hạ ñó và thêm vào nữa, chính cá ñược gọ là bằng chứng thực nghệm ấy ñã khến trong suốt một thờ gan dà, chúng ta không thể nhận thức ñúng ñắn ñược về bản chất của photon cũng như nguồn năng lượng tềm ẩn bên trong chính các photon vô hạ ñó. 4
3. TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA PHOTON Từ sơ ñồ cấu trúc của dpol DQ trên Hình 1a, ta có thể thấy nếu không có năng lượng từ bên ngoà hệ hạt electron và postron ñể tạo nên lực ly tâm cân bằng vớ lực hướng tâm ñện tĩnh thì chúng sẽ phả rơ tự do lên nhau. Vì vậy, muốn duy trì ñược quỹ ñạo thứ quay quanh tâm quán tính, năng lượng ñược cấp thêm cho mỗ hạt này sẽ phả ñủ ñể cân bằng vớ thế năng của mỗ hạt trên quỹ ñạo thứ ñó (tương ứng vớ khoảng cách gữa hạt là R ), ñồng thờ còn phả ñủ ñể mỗ hạt trên quỹ ñạo thứ ñó chuyển ñộng vớ tốc ñộ V tức là bằng ñộng năng quỹ ñạo tương ứng. Nó cách khác, năng lượng ñược cấp thêm cho mỗ hạt phả bằng tổng thế năng và ñộng năng của nó: = K + U R ), (4) m V ( k q e c e = +. (5) R ở ñây q e 1,6x10-19 C là ñện tích của electron; k c 9x10 9 N.m /C. Mặt khác, Trong hệ quy chếu (HQC) có gốc ñặt tạ tâm quán tính (tâm quay) của hạt, ta có các bểu thức quen thuộc cho cặp electron-postron quay tròn xung quanh tâm quán tính chung: qe F d = kc, (6) R F ly 4 mev =. (7) R Từ ñều kện cân bằng lực hướng tâm F d (6) vớ lực ly tâm F ly (7), ta có: k q R =. (8) c e 4meV Tính ñến (8) có thể rút gọn (4) ở ha dạng tương ñương nhau: m V k q e c e = 5 = 5. (9) 8R Bên cạnh ñó, ta có ñều kện lượng tử hoá mô men ñộng lượng quỹ ñạo của cả hạt electron và postron L [5]: h L = mev R = = h ( = 1,, 3, ) (10) π Thay (8) vào (10), ta ñược: kc qe = h. (11) V Từ ñây rút ra ñược tốc ñộ thẳng trong chuyển ñộng quay của electron và postron: V k q h c e 1 1 = = V1, (1) ở ñây: k q c e V 1=. (13) h 9 10 1,6 10 1,055 10 9 38 6 V 1 1,09 10 (m/s). 34 5
Thay (1) vào (9) rồ gản ước ñ, ta ñược: m V e 1 = 5 (14) Mặt khác, ta lạ ñược bết năng lượng toàn phần của mỗ hạt trước kh lên kết thành dpol DQ có dạng [4]: = e mec. (15) Vì vậy, tổng năng lượng của cả hạt trước kh kết hợp vớ nhau bằng: = = Σ e 4mec. (16) Nhưng như trong [4] ñã chỉ ra một thực thể vật lý kh tếp nhận thêm năng lượng thì phần năng lượng ñược nhận thêm ñó luôn phân bổ ñều cho cả nộ năng lẫn ngoạ năng của nó do có sự lên hệ bện chứng gữa nộ năng và ngoạ năng của cùng một thực thể vật lý thống nhất. Chính vì vậy, cần phả tính ñến năng lượng bổ sung theo (4) ở cả nộ năng lẫn ngoạ năng của mỗ hạt trong dpol DQ. Vì vậy, năng lượng toàn phần của hạt electron và postron cùng vớ tổng năng lượng bổ sung cho cả nộ năng và ngoạ năng ñể duy trì dpol DQ bằng: = 4m c + 4. (17) DQ Hoặc có thể bểu dễn qua V nhờ (9): = m c + 10m V. (18) DQ e 4 e e Mặt khác, theo ñịnh luật bảo toàn năng lượng, năng lượng của dpol DQ trước và sau kh trở thành photon là như nhau, chỉ có sự chuyển hoá từ ngoạ năng ñện của dpol thành nộ năng của nó (vì photon không còn tương tác vớ các ñện tích nữa) và ngoạ năng hấp dẫn của photon mà thô. Tức là (18) cũng là bểu thức xác ñịnh năng lượng toàn phần của photon. Từ (18) có thể thấy năng lượng toàn phần của photon gồm thành phần: một thành phần cố ñịnh, như nhau ñố vớ mọ photon và một thành phần khác phụ thuộc vào tốc ñộ quay của photon, ñố vớ các quỹ ñạo R khác nhau sẽ khác nhau, tức là trực tếp lên quan tớ công thức (1) và cũng là phần năng lượng mà các thết bị ño gh nhận ñược. Thay các gá trị tương ứng vào (18) ta ñược: 14 17 DQ 3,64 10 + 1,08 10 (J). (19) Từ ñây có thể thấy năng lượng toàn phần của dpol DQ tuy có phụ thuộc vào chỉ số lượng tử quỹ ñạo, nhưng sự phụ thuộc này là rất nhỏ. Ngay cả vớ quỹ ñạo = 1, sự ảnh hưởng cũng chỉ là ở con số thứ 4 sau dấu phẩy: 10 mev V 1 1 10 4 δ = =,5 0,33 DQ. (0) 4m c c e ðố vớ các quỹ ñạo khác >> 1, như ñố vớ vùng ánh sáng khả kến, tỷ số (0) chỉ cỡ một phần trệu (10-6 ). Chính vì thế qua (0) có thể nó năng lượng của photon hện ñang ñược tính ñến và ño ñạc ñược chỉ chếm một phần rất nhỏ bé trong năng lượng toàn phần (19) của nó. Nó cách khác, cá mà thết bị ño gh nhận ñược trong các thí nghệm về bức xạ của vật ñen thuyệt ñố ñược thực hện bở các nhà bác học của những thế kỷ trước không phả là năng lượng toàn phần của photon mà ñơn gản chỉ là những lượng tử năng lượng một phần rất nhỏ năng lượng toàn phần của nó. ðều này khến ta nhớ lạ trước kh Ensten phát mnh ra công thức E = mc, ngườ ta cho rằng năng lượng của mọ vật chỉ bằng ñộng năng và thế năng (thực chất là ngoạ năng) mà không bao gồm nộ năng của chúng. Nhưng thực tế ñã chứng mnh nộ năng của vật lớn như thế nào và nhờ kha thác nó ñã mở ra kỷ nguyên năng của lượng nguyên tử. Tuy nhên, vệc kha thác nguồn năng lượng này cũng chỉ tận dụng ñược cỡ 6
phần nghìn trong tổng năng lượng hàm chứa trong công thức E = mc mà thô. Nếu có thể tận dụng cỡ ấy ñố vớ năng lượng của photon theo (16) thì khả năng thu về một nguồn năng lượng vô cùng lớn là không có gì phả ngh ngờ, mễn sao có cơ chế ñể thực hện ý tưởng ñó. 4. Ý TƯỞNG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG PHOTON Như ñã bết, bức xạ ñện từ của Mặt trờ có bước sóng khá rộng từ bức xạ gamma ñến sóng vô tuyến vớ năng lượng cực ñạ ở vùng quang phổ khả kến. Kh qua khí quyển Trá ñất, các bức xạ sóng ngắn gần như bị tầng ozone hấp thụ hoàn toàn như ñược mô tả trên Hình 3. Toàn bộ Trá ðất nhận ñược từ Mặt Trờ,4x10 18 cal/phút (tương ñương 1,67x10 17 J/s) gồm: 7% ta cực tím (λ < 0,4 µm), 48% năng lượng thuộc dả phổ ánh sáng khả kến (λ = 0,4-0,76 µm) và 45% thuộc dả phổ hồng ngoạ và sóng vô tuyến (λ > 0,76 µm). Hình 3. Phổ năng lượng Mặt trờ Tính ra, mỗ mét vuông bề mặt Trá ñất (ở mực nước bển) có thể ñược cung cấp ~1k (1000 J/s) công suất ánh sáng Mặt trờ [9]. Ta có thể dựa vào số lệu này ñể ước tính số lệu photon trong bức xạ Mặt trờ. Gả sử tính quy ñổ toàn bộ năng lượng bức xạ Mặt trờ về năng lượng của photon ở bước sóng λ = 1x10-6 m, ta có: 8 c 3 10 14 Tần số photon : v = = = 3 10 (Hz); 6 λ 10 Năng lượng của một photon : E = hv 6,63x10-34.3x10 14 x10-19 (J); Số lượng photon trên 1 m 1000 1 : n = 5 10 ; 19 10 Như ta ñã bết, năng lượng toàn phần của photon theo (17) là bao gồm cả nộ năng lẫn ngoạ năng của nó. Mà ngoạ năng của photon bao gồm cả ngoạ năng ñện lẫn ngoạ năng hấp dẫn. Phần ngoạ năng hấp dẫn của photon có thể ñược tính theo (3) cho tất cả n photon: 5 10 8, 10 4 10 1 14 8 nghσ nngh = (J). (1) Nếu so sánh vớ 1000 J năng lượng bức xạ hện nay nhận ñược trên 1 m thì ñây quả là con số khổng lồ. Vấn ñề chỉ còn là cơ chế nào thu ñược nguồn năng lượng to lớn này? Ý tưởng thật ra rất ñơn gản: phả tách rờ hạt electron và posstron cấu tạo nên photon. Tự nhên ñã thực hện ñược vệc ñó ñố vớ hạt γ (một dạng photon), kh nó bay sát hạt nhân nguyên tử chính là phản ứng snh hạt như ñã bết [8]. Tuy nhên, do hạt γ có kích thước xấp xỉ vớ kích thước hạt nhân (cỡ 10-15 m), nên tác ñộng của hạt nhân mớ có tác dụng. Trong kh ñó, ñố vớ các photon khác, trong tự nhên không có cơ chế nào có thể tách ra ñược các hạt cấu thành nên chúng cả, một phần vì kích thước của photon tương ứng vớ chúng quá lớn so vớ hạt nhân nguyên tử, một phần khác, do khả năng tếp cận tớ hạt nhân nguyên tử rất khó khăn vớ hàng rào các ñện tử vây quanh. Tuy nhên, nhờ những tến bộ của khoa học và công nghệ của ñầu thế kỷ XXI này, sự tách rờ các hạt electron và postron ra khỏ nhau ñã có thể thực hện ñược về nguyên tắc. 7
Ở ñây, nên nhớ là nhờ quá trình tách rờ photon thành ha hạt electron và postron vốn là những hạt chỉ có tương tác ñện thuần tuý, nên tương tác hấp dẫn không còn nữa. Vì vậy, ngoạ năng hấp dẫn của photon sẽ ñược gả phóng hoàn toàn dướ dạng ñện năng và nhệt năng. Có thể tính lượng ñện tích trong bức xạ Mặt trờ ñược gả phóng trong 1gây: Q = nq e = x5x10 1 x1,6x10-19 1.600 (C). Tức là trong mỗ gây, nếu gả phóng ñược thì bức xạ Mặt trờ có thể cung cấp trung bình 1.600 C ñện tích, tương ñương vớ dòng ñện: I = Q/t = 1.600 A. Gả sử ñện áp có thể ñạt 100 V, thì sẽ có ñược công suất P = UI = 160 k. Phần còn lạ của (1) ñược gả phóng dướ dạng nhệt năng. Từ ñây có thể hy vọng mỗ mét vuông bề mặt Trá ñất, thay vì chỉ có thể ñược cung cấp ~1k công suất ánh sáng Mặt trờ, thì sẽ là cả hàng ngàn k. 5. KẾT LUẬN 1. Do có cấu trúc từ ha hạt electron và postron, nên photon hàm chứa một nguồn năng lượng lớn hơn hàng trệu lần so vớ năng lượng tương tác của photon ñã gh nhận ñược bằng thực nghệm ñó thực chất chỉ là phần năng lượng ñện của photon trong tương tác ñện vớ các thực thể vật lý khác. Kh ñó, ñể cung cấp ñủ năng lượng cho toàn thế gớ chỉ cần dện tích bằng 1/30 lần dện tích sa mạc Sahara là một ñều kện hoàn toàn khả th. ðây là nguồn năng lượng sạch, hoàn toàn thân thện vớ mô trường.. Vấn ñề tận dụng năng lượng của photon ñã có cơ hộ ñể trở thành hện thực, kh ñều kện về công nghệ của những năm ñầu của thế kỷ XXI này ñã cho phép tách rờ ha hạt electron và postron ra khỏ cấu trúc của photon. 3. Do không sử dụng năng lượng tương tác ñện của photon ở dạng năng lượng bức xạ thông thường ñã bết, nên các yếu tố thờ tết, vị trí knh tuyến, vị trí của Mặt trờ v.v.. hầu như không ảnh hưởng, vì những yếu tố này chỉ làm thay ñổ tần số của photon là chính. Cũng chính vì thế, phạm v áp dụng sẽ ñược mở rộng hơn nhều so vớ cách sử dụng năng lượng Mặt trờ thông thường từ trước cho tớ nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Davd Halday Robert Pensnck Jearl alker. Cơ sở vật lý, tập 6, Quang học và vật lý lượng tử. Dịch từ tếng Anh. NXB Gáo dục, Hà nộ, 00.. N.I. Ka-r-an-kn, K.N. Bư-xtrov, P.X. K-rê-ev. (Phạm Quang Khang dịch). Sách tra cứu tóm tắt về vật lý. NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà nộ, 004. 3. Vũ Huy Toàn. Cấu trúc của photon. Báo cáo tạ Hộ nghị Khoa học Quang học và Quang phổ toàn quốc lần thứ VI, 010 tạ Hà nộ. Tuyển tập: Advances n Optcs, Photoncs, Spectroscopy & Applcatons VI, 011. 4. Vũ Huy Toàn. Con ñường mớ của vật lý học, NXB Khoa học & Công nghệ, Hà nộ, 007. 5. Vu Huy Toan. Least acton Prncple and quantum Mechancs, Proceedngs of IMFP- 005 Internatonal Meetng on Fronters of Physcs, Kuala Lumpur, 005. 6. Vu Huy Toan. Năng lượng của photon trong tương tác hấp dẫn. 01. http://vuhuytoan.fles.wordpress.com/01/09/_nang-luong-hap-dan-cua-photon.pdf 7. Vu Huy Toan. Lượng tử khố lượng hấp dẫn. 01. http://vuhuytoan.fles.wordpress.com/01/06/1_luong-tu-kho-luong-hap-dan3.pdf 8
8. Б. М. Яворский А. А. Детлаф. Спровочник по физике. Физматлит. Наука, Москва, 1996. 9. kpeda. Sunlght. http://en.wkpeda.org/wk/sunlght 9