Ý tưởng cho rằng vật chất được cấu tạo từ các hạt nhỏ gọi là nguyên tử đã có ít nhất 25 thế kỷ. Tuy nhiên, phải đến thế kỷ 20, các nhà khoa học mới phát minh ra các dụng cụ cho phép họ thăm dò bên trong một nguyên tử và phát hiện ra rằng nó không đến nỗi cứng và không thể phân chia được như chúng ta vẫn thường nghĩ. Thay vào đó, nguyên tử là một cấu trúc phức tạp bao gồm các hạt còn nhỏ hơn nữa.
Thăm dò nguyên tử
Hạt đầu tiên trong số những hạt nhỏ hơn này được phát hiện bởi nhà vật lý người Anh James (J. J.) Thomson vào năm 1897. Được đặt tên là electron (điện tử), hạt này mang điện tích âm. (Chính dòng chuyển động của các hạt này tạo ra dòng điện, cho dù trong tia chớp hay trong dây dẫn đến bóng đèn của bạn.) Bởi vì một nguyên tử ở trạng thái bình thường là trung hòa về điện, mỗi electron trong nguyên tử phải được cân bằng bằng với cùng lượng điện tích dương.
Bước tiếp theo là xác định vị trí của các điện tích âm và dương trong nguyên tử. Năm 1911, nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford đã nghĩ ra một thí nghiệm cung cấp một phần câu trả lời cho câu hỏi này. Ông đã bắn phá một mảnh lá vàng cực kỳ mỏng, chỉ dày khoảng 400 nguyên tử, bằng một chùm hạt alpha (Hình 5.14). Hạt alpha (hạt α) là nguyên tử heli bị mất electron và do đó mang điện tích dương. Hầu hết các hạt này đi qua lá vàng giống như thể nó và các nguyên tử trong đó gần như là không gian trống. Tuy nhiên, khoảng 1 trong số 8000 hạt alpha đã hoàn toàn đảo ngược hướng và bật ngược ra khỏi lớp giấy bạc. Rutherford viết, “Đó là sự kiện đáng kinh ngạc nhất từng xảy ra với tôi trong đời. Nó gần như không thể tin được như thể bạn bắn một quả đạn pháo 15 inch vào một mảnh giấy ăn và nó quay trở lại và trúng bạn. ”
Hình 5.14 Thí nghiệm của Rutherford.(a) Khi Rutherford cho phép các hạt α từ nguồn phóng xạ đập vào mục tiêu là lá vàng, ông nhận thấy rằng, mặc dù hầu hết chúng đi thẳng qua, nhưng một số lại bật trở lại theo hướng mà chúng tới.(b) Từ thí nghiệm này, ông kết luận rằng nguyên tử phải được cấu tạo giống như một hệ mặt trời thu nhỏ, với điện tích dương tập trung trong hạt nhân và điện tích âm quay quanh một khối lượng lớn xung quanh hạt nhân. Lưu ý rằng bản vẽ này không chia theo đúng tỷ lệ; quỹ đạo của electron lớn hơn nhiều so với kích thước của hạt nhân.
Cách duy nhất để giải thích các hạt đổi hướng khi chúng va vào lá vàng là giả định rằng gần như toàn bộ khối lượng, cũng như tất cả điện tích dương trong mỗi nguyên tử vàng riêng lẻ, đều tập trung ở một tâm hoặc hạt nhân nhỏ. Khi một hạt alpha mang điện tích dương va chạm vào một hạt nhân, nó sẽ đổi hướng, giống như một quả bóng bi-a sẽ đổi hướng khi nó va vào một quả bóng bi-a khác. Mô hình của Rutherford đã đặt loại điện tích còn lại — các electron âm — vào quỹ đạo xung quanh hạt nhân này.
Mô hình của Rutherford yêu cầu rằng các electron phải chuyển động. Các điện tích âm và dương hút nhau, do đó các electron đứng yên sẽ rơi vào hạt nhân dương. Ngoài ra, bởi vì cả electron và hạt nhân đều cực kỳ nhỏ, nên hầu hết nguyên tử đều trống, đó là lý do tại sao gần như tất cả các hạt của Rutherford đều có thể đi xuyên qua lá vàng mà không va chạm với bất cứ thứ gì. Mô hình của Rutherford là một giải thích rất thành công về các thí nghiệm mà ông đã tiến hành, mặc dù cuối cùng về sau các nhà khoa học phát hiện ra rằng ngay cả bản thân hạt nhân cũng có cấu trúc của riêng nó.
Hạt nhân nguyên tử
Nguyên tử đơn giản nhất (và là nguyên tử phổ biến nhất trong Mặt Trời và các ngôi sao) là khinh khí (hydrogen). Hạt nhân của hydrogen thông thường chứa một proton. Chuyển động xung quanh proton này là một electron đơn lẻ. Khối lượng của một electron nhỏ hơn gần 2000 lần khối lượng của một proton; electron mang một lượng điện tích đúng bằng điện tích của proton nhưng ngược dấu (Hình 5.15). Các điện tích trái dấu hút nhau, do đó lực điện từ giữ proton và electron lại với nhau, cũng giống như lực hấp dẫn là lực giữ các hành tinh quay quanh Mặt trời.
Có nhiều loại nguyên tử khác trong tự nhiên. Ví dụ, Helium là nguyên tố phong phú thứ hai trong Mặt Trời. Helium có hai proton trong hạt nhân của nó thay vì một proton duy nhất đặc trưng cho hydrogen. Ngoài ra, hạt nhân helium có chứa hai neutron, những hạt có khối lượng tương đương với khối lượng của proton nhưng không mang điện. Chuyển động quanh hạt nhân này là hai electron nên tổng điện tích thuần của nguyên tử helium cũng bằng không (Hình 5.16).
Hình 5.15 Nguyên tử hydrogen. Đây là một giản đồ nguyên tử hydrogen ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó, còn được gọi là trạng thái cơ bản. Proton và electron có điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, tác dụng lực điện từ liên kết nguyên tử hydrogen với nhau. Trong hình minh họa, kích thước của các hạt được phóng đại để bạn có thể nhìn thấy chúng, nên kích thước hình không theo đúng tỷ lệ. Chúng cũng được hiển thị gần hơn nhiều so với thực tế vì nó sẽ mất hơn toàn bộ trang để hiển thị khoảng cách thực tế của chúng theo đúng tỷ lệ.
Hình 5.16 Nguyên tử Helium. Ở đây chúng ta thấy một giản đồ nguyên tử helium ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó. Hai proton có trong hạt nhân của tất cả các nguyên tử helium. Trong loại helium phổ biến nhất, hạt nhân cũng chứa hai neutron, có khối lượng gần bằng proton nhưng không mang điện tích. Hai electron quay quanh hạt nhân.
Từ mô tả này về hydrogen và helium, có lẽ bạn đã đoán được mô hình cấu tạo nên tất cả các nguyên tố (là các loại nguyên tử khác nhau) mà chúng ta tìm thấy trong vũ trụ. Loại nguyên tố được xác định bởi số proton trong hạt nhân của nguyên tử. Ví dụ, bất kỳ nguyên tử nào có sáu proton là nguyên tố carbon, với tám proton là oxygen, với 26 là sắt và với 92 là uranium. Trên Trái Đất, một nguyên tử điển hình có cùng số electron với proton, và những electron này tuân theo các mô hình quỹ đạo phức tạp xung quanh hạt nhân. Tuy nhiên, ở sâu bên trong các ngôi sao lại nóng đến mức các electron rời khỏi hạt nhân và (như chúng ta sẽ thấy) mang lại cuộc sống riêng biệt nhưng hữu ích.
Tỷ lệ neutron trên proton tăng lên khi số lượng proton tăng lên, nhưng mỗi nguyên tố là duy nhất. Số lượng neutron không nhất thiết phải giống nhau đối với tất cả các nguyên tử của một nguyên tố nhất định. Ví dụ, hầu hết các nguyên tử hydrogen hoàn toàn không chứa neutron. Tuy nhiên, có những nguyên tử hydrogen chứa một proton và một neutron, và những nguyên tử khác chứa một proton và hai neutron. Các loại hạt nhân hydrogen với số lượng neutron khác nhau được gọi là đồng vị của hydrogen (Hình 5.17), và tất cả các nguyên tố khác cũng có đồng vị. Bạn có thể coi các đồng vị là anh chị em trong cùng một “gia đình” nguyên tố—có quan hệ mật thiết với nhau nhưng có các đặc điểm và hành vi khác nhau.
Hình 5.17 Các đồng vị của Hydrogen. Một proton trong hạt nhân xác định nguyên tử là hydrogen, nhưng có thể có không, một hoặc hai neutron. Đồng vị phổ biến nhất của hydrogen là đồng vị chỉ có một proton duy nhất và không có neutron.
Link tham khảo
Để khám phá cấu trúc của nguyên tử, hãy truy cập trang web PhET Build an Atom, nơi bạn có thể thêm proton, neutron hoặc electron vào một mô hình và tên của nguyên tố bạn đã tạo sẽ xuất hiện. Bạn cũng có thể xem điện tích thực, số khối lượng, nó ổn định hay không ổn định, và nó là một ion hay một nguyên tử trung tính.
Nguyên tử Bohr
Mô hình của Rutherford cho nguyên tử có một vấn đề nghiêm trọng. Thuyết bức xạ điện từ của Maxwell nói rằng khi các electron thay đổi tốc độ hoặc hướng chuyển động, chúng phải phát ra năng lượng. Các electron quay quanh quỹ đạo liên tục thay đổi hướng chuyển động, vì vậy chúng nên phát ra một dòng năng lượng không đổi. Áp dụng lý thuyết của Maxwell vào mô hình của Rutherford, tất cả các electron sẽ xoắn vào hạt nhân của nguyên tử khi chúng mất năng lượng và sự sụp đổ này sẽ xảy ra rất nhanh - trong khoảng 10–16 giây.
Chính nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr (1885–1962) là người đã giải đáp được bí ẩn về cách thức các electron duy trì trên quỹ đạo. Ông đang cố gắng phát triển một mô hình nguyên tử cũng sẽ giải thích một số quy luật nhất định được quan sát thấy trong quang phổ của hydro. Ông gợi ý rằng quang phổ của hydrogen có thể được hiểu nếu chúng ta giả định rằng các quỹ đạo chỉ có kích thước nhất định là khả thi đối với electron. Bohr tiếp tục giả định rằng miễn là electron chỉ chuyển động theo một trong những quỹ đạo cho phép này, nó sẽ không tỏa ra năng lượng: năng lượng của nó sẽ chỉ thay đổi nếu nó chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác.
Theo lời của nhà sử học khoa học Abraham Pais, gợi ý này là “một trong những giả thuyết táo bạo nhất từng được đưa ra trong vật lý.” Nếu điều tương tự xảy ra ở thế giới thực, bạn có thể thấy rằng khi bạn đi dạo sau giờ học môn thiên văn học, thiên nhiên chỉ cho phép bạn đi bộ với các quy định: hai bước mỗi phút, năm bước mỗi phút và 12 bước mỗi phút, nhưng không có tốc độ ở giữa. Bất kể bạn đã cố gắng di chuyển chân như thế nào, chỉ cho phép một số tốc độ đi bộ nhất định. Để làm cho mọi thứ trở nên kỳ lạ hơn, bạn sẽ không cần phải nỗ lực để đi bộ với bất kỳ tốc độ nào cho phép, nhưng sẽ rất khó để thay đổi từ tốc độ này sang tốc độ khác. May mắn thay, không có quy tắc nào như vậy áp dụng ở cấp độ hành vi của con người. Nhưng ở cấp độ vi mô của nguyên tử, hết thí nghiệm này đến thí nghiệm khác đã xác nhận tính đúng đắn của ý tưởng kỳ lạ của Bohr. Những gợi ý của Bohr đã trở thành một trong những nền tảng của mô hình mới (và phức tạp hơn nhiều) của thế giới hạ nguyên tử được gọi là cơ học lượng tử.
Trong mô hình của Bohr, nếu electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác gần hạt nhân nguyên tử hơn, nó phải nhường một số năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ. Tuy nhiên, nếu electron đi từ quỹ đạo bên trong đến quỹ đạo xa hạt nhân hơn thì nó cần thêm một số năng lượng. Một cách để có được năng lượng cần thiết là hấp thụ bức xạ điện từ có thể truyền qua nguyên tử từ một nguồn bên ngoài.
Đặc điểm chính của mô hình Bohr là mỗi quỹ đạo điện tử được phép quay quanh một nguyên tử nhất định có một giá trị năng lượng nhất định; do đó chúng ta có thể coi mỗi quỹ đạo là một mức năng lượng. Để chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác (có giá trị năng lượng cụ thể của riêng nó) đòi hỏi sự thay đổi năng lượng của electron — một sự thay đổi được xác định bởi sự khác biệt giữa hai giá trị năng lượng. Nếu electron đi xuống mức thấp hơn, sự chênh lệch năng lượng sẽ được giải phóng; nếu electron lên mức cao hơn, sự chênh lệch năng lượng phải được lấy từ một nơi khác. Mỗi bước nhảy (hoặc quá trình chuyển đổi) đến một mức khác nhau có một sự thay đổi năng lượng cố định và xác định đi kèm với nó.
Một so sánh tương tự cho tình huống này có thể là cuộc sống trong một tòa tháp căn hộ cao cấp, nơi mà giá thuê được xác định bởi chất lượng của hướng nhìn. Một tòa nhà như vậy có các tầng hoặc các tầng được đánh số nhất định, xác định mà các căn hộ nằm trên đó. Không ai có thể sống ở tầng 5.37 hoặc 22.5. Ngoài ra, tiền thuê sẽ cao hơn khi bạn lên các tầng cao hơn. Nếu bạn muốn đổi một căn hộ trên tầng 20 lấy một căn hộ ở tầng hai, bạn sẽ không phải trả nhiều tiền thuê. Tuy nhiên, nếu bạn muốn chuyển từ tầng ba lên tầng hai mươi lăm, giá thuê của bạn sẽ tăng lên. Trong nguyên tử cũng vậy, nơi “rẻ nhất” để một electron sống là mức thấp nhất có thể, và năng lượng là thứ cần thiết để chuyển lên mức cao hơn.
Ở đây chúng ta có một trong những tình huống dễ dàng để xem bức xạ điện từ là hạt (photon) hơn là sóng: Khi các electron di chuyển từ mức này sang mức khác, chúng tỏa ra hoặc hấp thụ các gói năng lượng nhỏ. Khi một điện tử di chuyển lên một mức cao hơn, nó sẽ hấp thụ một photon có năng lượng thích hợp (với điều kiện là có sẵn một photon). Khi di chuyển xuống mức thấp hơn, nó phát ra một photon với lượng năng lượng chính xác mà nó không còn cần nữa trong “tình trạng chi phí sinh hoạt thấp hơn”.
Phối cảnh của photon và dạng sóng phải tương đương nhau: ánh sáng là ánh sáng, bất kể chúng ta nhìn nó như thế nào. Do đó, mỗi photon mang một lượng năng lượng nhất định tỷ lệ với tần số (f) của sóng mà nó biểu diễn. Giá trị năng lượng của nó (E) được cho bởi công thức
E = hf
trong đó hằng số tỷ lệ, h, được gọi là hằng số Planck.
Hằng số được đặt tên theo nhà vật lý người Đức Max Planck, một trong những người khởi xướng lý thuyết lượng tử (Hình 5.18). Nếu sử dụng đơn vị hệ mét (nghĩa là nếu năng lượng được đo bằng joule và tần số tính bằng hertz) thì hằng số Planck có giá trị h = 6,626 × 10–34 joule-giây (J-s). Các photon năng lượng cao hơn tương ứng với các sóng tần số cao hơn (có bước sóng ngắn hơn); các photon năng lượng thấp hơn là sóng có tần số thấp hơn.
Hình 5.18 Niels Bohr (1885–1962) và Max Planck (1858–1947). (a) Bohr, đang ngồi tại bàn làm việc của mình trong bức ảnh chụp năm 1935 này, và (b) Planck đã giúp chúng ta hiểu hành vi năng lượng của các photon.
Để lấy một ví dụ cụ thể, hãy xem xét một nguyên tử calcium bên trong bầu khí quyển của Mặt Trời, trong đó một điện tử nhảy từ tầng thấp hơn lên tầng cao hơn. Để làm được điều này, nó cần năng lượng khoảng 5 × 10–19 joule, thứ mà nó có thể thu được một cách thuận tiện bằng cách hấp thụ một photon đi qua có năng lượng đó đến từ sâu hơn bên trong Mặt Trời. photon này tương đương với một sóng ánh sáng có tần số khoảng 7,5 × 1014 hertz và có bước sóng khoảng 3,9 × 10–7 mét (393 nanomet), trong phần màu tím sâu của quang phổ ánh sáng nhìn thấy. Mặc dù thoạt đầu có vẻ kỳ lạ khi chuyển từ hình dung ánh sáng như một photon (hoặc gói năng lượng) sang hình dung nó như một sóng, việc chuyển đổi như vậy đã trở thành bản chất thứ hai đối với các nhà thiên văn học và có thể là một công cụ hữu ích để thực hiện các phép tính về quang phổ.
VÍ DỤ 5.4.1 Năng lượng của một photon
Bây giờ chúng ta đã biết cách tính bước sóng và tần số của một photon, chúng ta có thể sử dụng thông tin này, cùng với hằng số Planck, để xác định lượng năng lượng mà mỗi photon mang theo. Năng lượng của một photon màu đỏ có bước sóng 630nm là bao nhiêu?
Đáp án
Đầu tiên, như chúng ta đã học trước đó, chúng ta có thể tìm tần số của photon:
Tiếp theo, chúng ta có thể sử dụng hằng số Planck để xác định năng lượng (hãy nhớ rằng Hz giống với 1/s):
VÍ DỤ 5.4.2. Năng lượng của một photon
Năng lượng của một photon màu vàng có tần số 5,5 × 1014 Hz là bao nhiêu?
Đáp án
(Còn tiếp...)
Tham khảo
- Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University, Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)
