BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP.HCM
KHOA VẬT LÝ

Tiểu luận môn
Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học
Tên đề tài:
Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng
Nhóm thực hiện: Nguyễn Công Danh
Võ Thị Hoa
Nguyễn Thị Phương Thảo (29/01)
Lâm Hoàng Minh Tuấn
Nguyễn Thành Trung

Lớp Lý 3 Chính Qui
TPHCM, Tháng 5 Năm 2009
2
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
MỤC LỤC
Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 6
1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879) 6
1.2. Heinrich Hertz (1857-1894) 7
1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931) 8
1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940) 11

4.2. Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa Hydrogen trên bước sóng 21 centimet: 83
4.2.1. Lược sử: 83
4.2.2. Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro: 83
4.2.3. Cơ chế phát xạ: 84
4.3. Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà 86
4.3.1. Lược sử nghiên cứu nguồn bức xạ synchrotron trong Thiên Hà : 86
4.3.2. Mục đích nghiên cứu : 86
4.3.3. Cơ chế bức xạ synchrontron phi nhiệt : 87
4.3.4. Tần số của bức xạ synchrotron : 89
4.3.5. Cường độ bức xạ : 89
4.4. Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ 90
4.4.1. Lược sử nghiên cứu: 90
4
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
4.4.2. Mục đích nghiên cứu: 92
4.4.3. Cơ chế bức xạ maser: Quá trình đảo ngược mật độ phân tử 92
4.4.4. Tần số bức xạ maser: 94
4.4.5. Nguồn bức xạ maser: 94
4.5. Săn tìm acid amin: 97
4.5.1. Lược sử nghiên cứu : 97
4.5.2. Mục đích nghiên cứu : 98
4.5.3. Kết quả nghiên cứu: 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

5
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
LỜI NÓI ĐẦU
Các bạn đang cầm trên tay cuốn tiểu luận “Thiên văn vô tuyến” nhân dịp thực
hành Phương pháp nghiên cứu khoa học của nhóm chúng tôi. Xin có đôi dòng

1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879)
Trong những năm 1860 và 1870 James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết
về năng lượng điện và năng lượng từ, và ông đã tóm tắt trong 4 phương trình nổi
tiếng của mình (hình 1.1). Những phương trình này tóm lược tất cả những khám phá
về điện và từ trong những thí nghiệm đã được làm trước đó vài trăm năm bởi
Faraday, Volta và nhiều người khác.
7
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN

Hình 1.1. Phương trình Maxwell
Họ chỉ ra rằng điện và từ là hai mặt của cùng một năng lượng. Những phương
trình cũng dự báo rằng có một dạng bức xạ mà người ta gọi nó là bức xạ điện từ.
Maxwell nhận ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ.
Những phương trình này dự báo rằng bức xạ điện từ có thể tồn tại ở bất kì
bước sóng nào. Những màu sắc khác nhau của ánh sáng có bước sóng ngắn hơn một
phần ngàn mm.

1.2. Heinrich Hertz (1857-1894)
Năm 1888, Heinrich Hertz đã xây dựng một bộ máy có thể phát và nhận sóng
điện từ ở khoảng cách chừng 5m (hình 1.2). Ông đã sử dụng một cuộn dây điện để
phát ra một tia điện có điện áp cao giữa 2 điện cực đóng vai trò như một vật phát.
Máy dò là một cuộn dây kim loại có một khe hở nhỏ. Một tia điện tại vật phát sản
sinh ra những sóng điện từ đi tới máy dò, tạo ra một tia điện trong khe hở. Ông chỉ
ra rằng những sóng này được làm cho dao động theo một hướng và chúng có thể
cản trở lẫn nhau, giống như lý thuyết đã dự báo trước.
8
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 1.2. Bộ máy thu phát sóng điện từ của của Hertz năm 1888

Hình 1.3. Thư gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly
(Letter reproduced from "The Evolution of Radio Astronomy", by J.S.Hey,
Science History Publications, 1973. See also: C.D.Shane, Pub.Astron. Soc. Pacific
70,303, 1958)

bày trí
c
ủa Edison l
à
ghép trên các cực bao
quanh phần lõi quặng
một cáp gồm 7 dây kim
loại cách điện cẩn thận
với các đầu cáp sẽ được
nối với máy điện thoại
hoặc các dụng cụ thí
nghiệm khác. Sau đó có
khả năng các tạp âm lớn
trong khí quyển Mặt trời
làm nhiễu loạn cả dòng
năng lượng điện từ thông
thường mà chúng ta nhận
lẫn sự phân bố bình
thường của lực từ trên
hành tinh này…

11
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940)
Lodge đã tạo nên rất nhiều sự đổi mới trong buổi đầu của kỹ thuật bức xạ khi

mặt trời. Trong bất cứ trường hợp nào, đã có quá nhiều nguồn bức xạ giao thoa
trong Liverpool để thí nghiệm đi đến thành công.

1.5. Wilsing and Scheiner (1896)
Johannes Wilsing (1856-1943) và Julius Scheiner (1858-1913) là những nhà
thiên văn vật lý học, những người đầu tiên xuất sắc để tường thuật và công bố
những nỗ lực của họ trong việc bắt bức xạ vô tuyến từ mặt trời
(Ann.Phys.Chem.59,782, 1896, ở Đức).

Hình 1.5. Mô hình của Wilsing and Scheiner năm 1896.
Mô hình thí nghiệm của họ ở hình 1.5 là từ “ thiên văn học sóng vô tuyến cổ
điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982. Họ tiến hành thí nghiệm trong 8 ngày và
không thể bắt được bất cứ tín hiệu nào phát ra từ mặt trời. Họ nghĩ rằng nguyên
nhân có lẽ là do sóng vô tuyến bị hấp thụ trong khí quyển ( và họ đã sai).
13
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN

1.6. Charles Nordman (1900)
Charles Nordman, một sinh viên người Pháp, lý giải rằng nếu sóng vô tuyến bị
hấp thụ bởi khí quyển, như Wilsing và Scheiner nghĩ, thì giải pháp là làm thí
nghiệm ở độ cao lớn hơn. Ông đặt một ăngten bằng thanh kim loại dài trên một
dòng sông băng ở Mont Blanc, độ cao khoảng 3100m (khoảng 10,000 ft).

Hình 1.6. Thí nghiệm của Nordman
(Thí nghiệm của Nordman đã được công bố trong Comptes Rendus Acad.Sci.,
vol.134, page 273, 1902. Tái bản tiếng Anh trong “Thiên văn học sóng vô tuyến cổ
điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982).
Bây giờ chúng ta biết rằng nếu được tiến hành đúng cách thì ăngten có thể
nhạy với sự xuất hiện sóng vô tuyến tần số thấp từ mặt trời và có khả năng bắt đựợc
chúng. Những sự xuất hiện này thường xảy ra hầu hết ở những điểm cực viễn thuộc

xạ có thể rất yếu, quá yếu để có thể được dò thấy bởi bất cứ máy dò nào có được ở
năm 1900.
16
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
1.8. Oliver Heaviside (1850-1925)
Heaviside và Kennelly, năm 1902, đã dự báo rằng đáng lẽ phải có một lớp ion
hóa ở tầng trên của khí quyển nơi sẽ phản xạ sóng vô tuyến. Họ lưu ý rằng điều đó
có thể hữu ích cho sự truyền đạt tín hiệu ở khoảng cách lớn, cho phép những tín
hiệu vô tuyến truyền đi trong những phần không gian của trái đất bằng cách bật ra
khỏi đáy của lớp không khí này. Sự tồn tại của lớp không khí, ngày nay được biết
đến như là tầng điện ly, đã được chứng minh vào những năm 1920.
Nếu sóng vô tuyến bật lên khỏi tầng điện ly thì khi đó nó cũng phải bật ra bên
ngoài. Vì thế bất cứ sóng vô tuyến nào bên ngoài trái đất cũng không thể đi xuyên
qua để đến mặt đất, chúng có lẽ bật trở lại vào không gian.
Những dự báo của Heaviside kết hợp với thuyết bức xạ của Planck đã làm
chán nản những cố gắng xa hơn trong việc dò sóng vô tuyến từ mặt trời và những
vật thể khác trên bầu trời. Cho dù vì bất cứ lý do nào, đã không có thêm sự nỗ lực
nào trong suốt 30 năm sau đó cho đến khi có một khám phá tình cờ của Jansky vào
năm 1932.
Sau đó người ta đã hiểu ra rằng sự phản xạ ở tầng điện ly phụ thuộc nhiều vào
tần số (hay bước sóng). Nó phản xạ hầu hết bức xạ nhỏ hơn khoảng 20MHz. Nhưng
tầng điện ly không phải là một rào cản đối với tần số trên 50 MHz. Thiên văn học
sóng vô tuyến phải chờ sự phát triển của những máy dò sóng vô tuyến tần số cao.
17
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937)
Marconi đã cải thiện thiết kế của máy phát và nhận sóng vô tuyến và phát triển
những hệ thống trên thực tế đầu tiên cho việc truyền thông tin trên sóng vô tuyến ở
khoảng cách lớn. Năm 1901, ông là người đầu tiên đã gửi và nhận những tín hiệu

vùng có mật độ xác suất tìm thấy điện tử cao, vùng tối tương ứng với
vùng có mật độ xác suất thấp. Mô men xung lượng và năng lượng bị
lượng tử hóa nên chỉ có các giá trị rời rạc như thấy trong hình 2.1.
Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát
ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng
bền trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu
electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ
cấp. Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào
năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân (hình 2.2)

Hình 2.2. Sự hấp thụ và phát bức xạ

2.1.2. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ:
Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lí chia
rẻ sâu sắc trong nhiều thế kỉ.
20
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Trong lịch sử khoa học, các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng như các
tia truyền thẳng.
Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng là
một dòng các hạt rất nhỏ (trường phái Isaac Newton), một số nhà khoa học khác lại
tin rằng: ánh sáng là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ete
(trường phái Christiaan Huygens).
Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James
Clerk Maxwell năm 1865 khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc
biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học,
cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí nghiệm sau
này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính
chính xác của lý thuyết Maxwell.


Hình 2.4. Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ.
Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng các thuật ngữ bước sóng, băng tần.
Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng gọi là Sóng điện từ có thể được hình dung
như một tổ hợp các trường dao động điện E và một từ trường B vuông góc với
nhau, dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học và chuyển động với vận tốc
không đổi trong môi trường nhất định, truyền đi theo hướng vuông góc với hướng
22
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn
bức xạ đến đích ở xa vô hạn. Biểu đồ hình 2.4 minh họa tính chất sin của các thành
phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian.
Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một
lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím
phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính
chất sóng cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, đều dao động tuần hoàn,
biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng
truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ.
Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong môi trường đồng tính như
không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó
tương tác với môi trường khác, nó đổi hướng qua sự khúc xạ hoặc phản xạ. Cường
độ sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu sóng ánh sáng truyền qua
một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc tán xạ tạo nên hình ảnh
nhiễu xạ đặc trưng. Cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai
lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.

Hình 2.5. Sự khúc xạ của sóng ánh sáng
Khúc xạ của sóng, giải thích theo quan điểm của Huygens

Kính phân cực có cấu trúc phân tử đặc biệt chỉ cho phép ánh sáng có một định
hướng nào đó truyền qua chúng, giống như một loại màn che Venice đặc biệt có các
hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực (hình 2.8).

Hình 2.8. Sóng ánh sáng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc
Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực thứ nhất, chỉ có những tia
sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính. Nếu
đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính
thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính
25
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
thứ hai. Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh
sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định
hướng vuông góc kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào truyền qua kính thứ hai.
Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực dẫn đến khái niệm ánh sáng gồm các
sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành phần
ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại
bởi một loại kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ
lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.

Lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell
Maxwell phát hiện ra tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và
truyền qua chân không với cùng tốc độ 186000 dặm một giây. Lý thuyết điện từ của
ông khẳng định tính chất sóng của ánh sáng.
Sự xuất hiện của sóng điện từ được giải thích như sau: Mọi điện tích khi gia
tốc, hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ. Khi từ
trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ phương
trình Maxwell, các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến
đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng.
Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến đổi