Tìm hiểu Nguyên tử là gì: cấu tạo, khám phá và thành phần của một nguyên tử

Nguyên tử là gì?

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất và cấu trúc xác định của các nguyên tố. Thuật ngữ “nguyên tử” xuất phát từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là không thể chia cắt, bởi vì người ta đã từng nghĩ rằng các nguyên tử là những thứ nhỏ nhất trong vũ trụ và không thể phân chia. Bây giờ chúng ta biết rằng các nguyên tử được tạo thành từ ba hạt: proton, neutron và electron – bao gồm các hạt thậm chí nhỏ hơn như quark.

Các nguyên tử được tạo ra sau Vụ nổ lớn Big Bang 13,7 tỷ năm trước. Khi vũ trụ mới nóng, dày đặc được làm mát, các điều kiện trở nên phù hợp để các quark và electron hình thành. Các quark kết hợp với nhau để tạo thành proton và neutron, và các hạt này kết hợp thành hạt nhân. Tất cả điều này diễn ra trong vài phút đầu tiên của sự tồn tại của vũ trụ, theo CERN.

Phải mất 380.000 năm để vũ trụ hạ nhiệt đủ để làm chậm các electron để hạt nhân có thể bắt chúng tạo thành các nguyên tử đầu tiên. Các nguyên tử đầu tiên chủ yếu là hydro và heli, vẫn là những nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Trọng lực cuối cùng đã khiến các đám mây khí kết lại và tạo thành các ngôi sao, và các nguyên tử nặng hơn đã (và vẫn còn) được tạo ra bên trong các ngôi sao và được gửi đi khắp vũ trụ khi ngôi sao phát nổ (siêu tân tinh).

Hạt nguyên tử

Proton và neutron nặng hơn electron và nằm trong hạt nhân ở trung tâm của nguyên tử. Electron cực kỳ nhẹ và tồn tại trong một đám mây quay quanh hạt nhân. Đám mây điện tử có bán kính lớn hơn 10.000 lần so với hạt nhân. Proton và neutron có cùng khối lượng. Tuy nhiên, một proton nặng hơn 1.800 electron. Các nguyên tử luôn có số lượng proton và electron bằng nhau, và số lượng proton và neutron thường cũng giống nhau. Việc thêm một proton vào một nguyên tử tạo ra một nguyên tố mới, trong khi thêm một neutron sẽ tạo ra một đồng vị, hoặc phiên bản nặng hơn của nguyên tử đó.

Hạt nhân nguyên tử

Hạt nhân được phát hiện vào năm 1911 bởi Ernest Rutherford, một nhà vật lý từ New Zealand, người năm 1920 đã đề xuất tên proton cho các hạt tích điện dương của nguyên tử. Rutherford cũng đưa ra giả thuyết rằng cũng có một hạt trung tính trong hạt nhân, mà James Chadwick, một nhà vật lý người Anh và là sinh viên của Rutherford, đã có thể xác nhận vào năm 1932. Hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử nằm trong hạt nhân. Các proton và neutron tạo nên hạt nhân có cùng khối lượng (proton hơi nhỏ hơn) và có cùng động lượng góc, theo Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley.

Hạt nhân được giữ bởi “lực tương tác mạnh”, một trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên. Lực này giữa các proton và neutron vượt qua lực điện đẩy, theo quy luật của điện, sẽ đẩy các proton ra xa nhau. Một số hạt nhân nguyên tử không ổn định vì lực liên kết thay đổi đối với các nguyên tử khác nhau dựa trên kích thước của hạt nhân. Các nguyên tử này sau đó sẽ phân rã thành các nguyên tố khác, chẳng hạn như phân rã carbon-14 thành nitơ-14.

Hạt Proton

Tìm hiểu Nguyên tử là gì: cấu tạo, khám phá và thành phần của một nguyên tử

Proton là các hạt tích điện dương được tìm thấy trong hạt nhân nguyên tử. Rutherford đã phát hiện ra chúng trong các thí nghiệm với các ống tia âm cực được tiến hành từ năm 1911 đến 1919. Proton có khối lượng nhỏ hơn một chút so với neutron có khối lượng tương đối 0,9986 (so với khối lượng của neutron là 1) hoặc khoảng 1,673×10-27 kg.

Số lượng proton trong một nguyên tử xác định nó là nguyên tố gì. Ví dụ, các nguyên tử carbon có sáu proton, nguyên tử hydro có một và nguyên tử oxy có tám. Số lượng proton trong một nguyên tử được gọi là số nguyên tử của nguyên tố đó. Số lượng proton trong một nguyên tử cũng quyết định hành vi hóa học của nguyên tố. Bảng tuần hoàn các nguyên tố sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần số nguyên tử.

Ba quark tạo thành mỗi proton – hai quark “up” (mỗi quark có 2/3 điện tích dương) và một quark “down” (với một điện tích âm 1/3) – và chúng được giữ bởi các hạt hạ nguyên tử khác gọi là gluon không có khối lượng

Xem thêm: Tính chất hạt proton

Hạt Electron

Tìm hiểu Nguyên tử là gì: cấu tạo, khám phá và thành phần của một nguyên tử

Electron nhỏ bé so với proton và neutron, nhỏ hơn 1.800 lần so với proton hoặc neutron. Các electron có khối lượng tương đối là 0,0005439 (so với khối lượng của neutron là 1) hoặc khoảng 9,10×10-31 kg. J.J. Thomson, một nhà vật lý người Anh, đã phát hiện ra electron vào năm 1897. Ban đầu được gọi là “tiểu thể”, các electron có điện tích âm và bị hút bởi các proton tích điện dương. Các electron bao quanh hạt nhân nguyên tử theo các con đường gọi là quỹ đạo, một ý tưởng được đưa ra bởi Erwin Schrödinger, một nhà vật lý người Áo, vào những năm 1920. Ngày nay, mô hình này được gọi là mô hình lượng tử hoặc mô hình đám mây điện tử. Các quỹ đạo bên trong xung quanh nguyên tử là hình cầu nhưng các quỹ đạo bên ngoài phức tạp hơn nhiều.

Cấu hình electron của nguyên tử là mô tả quỹ đạo về vị trí của các electron trong nguyên tử điển hình. Sử dụng cấu hình electron và các nguyên tắc vật lý, các nhà hóa học có thể dự đoán các tính chất của nguyên tử, như tính ổn định, điểm sôi và độ dẫn điện. Thông thường, chỉ có lớp vỏ điện tử ngoài cùng mới quan trọng trong hóa học. Ký hiệu vỏ electron bên trong thường được cắt bớt bằng cách thay thế mô tả quỹ đạo dài bằng ký hiệu cho một loại khí cao quý trong ngoặc. Phương pháp ký hiệu này đơn giản hóa rất nhiều mô tả cho các phân tử lớn.

Ví dụ, cấu hình electron cho berili (Be) là 1s22s2, nhưng nó được viết [He] 2s2. [He] tương đương với tất cả các quỹ đạo của electron trong nguyên tử helium. Các chữ cái, s, p, d và f chỉ định hình dạng của các quỹ đạo và siêu ký tự cho số lượng electron trong quỹ đạo đó. Uranium, như một ví dụ khác, có cấu hình electron là 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24e145d106p67s25f4, có thể được đơn giản hóa thành [RN] 7s25f4.

Xem thêm: Tính chất hạt electron

Hạt Nơtron (neutron)

Tìm hiểu Nguyên tử là gì: cấu tạo, khám phá và thành phần của một nguyên tử

Neutron được sử dụng làm so sánh để tìm khối lượng tương đối của proton và electron (vì vậy nó có khối lượng tương đối là 1) và có khối lượng vật lý là 1.6749×10-27 kg. Sự tồn tại của neutron được lý thuyết hóa bởi Rutherford vào năm 1920 và được Chadwick phát hiện vào năm 1932. Các neutron được tìm thấy trong các thí nghiệm khi các nguyên tử bị bắn vào một tấm beryllium mỏng. Các hạt hạ nguyên tử không có điện tích được giải phóng – neutron.

Các neutron là các hạt không tích điện được tìm thấy trong tất cả các hạt nhân nguyên tử (trừ hydro-1). Khối lượng của neutron lớn hơn một chút so với proton. Giống như các proton, neutron cũng được tạo thành từ các quark – một quark “lên” (với điện tích 2/3 dương) và hai quark “xuống” (mỗi hạt có điện tích 1/3 âm).

Xem thêm: Tính chất hạt neutron

Đồng vị

Số lượng neutron trong một hạt nhân xác định đồng vị của nguyên tố đó. Ví dụ, hydro có ba đồng vị đã biết: protium, deuterium và tritium. Protium, ký hiệu là 1H, chỉ là hydro thông thường; nó có một proton và một electron và không có neutron. Deuterium (D hoặc 2H) có một proton, một electron và một neutron. Tritium (T hoặc 3H) có một proton, một electron và hai neutron.

Lịch sử khám phá nguyên tử

Tìm hiểu Nguyên tử là gì: cấu tạo, khám phá và thành phần của một nguyên tử

Lý thuyết về nguyên tử có niên đại ít nhất là từ 440 B.C. đến thời Democritus, một nhà khoa học và triết gia Hy Lạp. Democritus rất có thể đã xây dựng lý thuyết nguyên tử của mình dựa trên công trình của các nhà triết học trong quá khứ, theo Andrew G. Van Melsen, tác giả của “Từ nguyên tử đến nguyên tử: Lịch sử của nguyên tử khái niệm”. Ví dụ, Parmenides, giáo viên của Democritus, được biết đến với việc đề xuất nguyên tắc nhận dạng. Nguyên tắc này, nói rằng “tất cả những gì cùng nhau tạo thành bản thể” đã dẫn đến các nhà triết học khác, bao gồm cả Democritus, để tiếp tục công việc của mình, cuối cùng dẫn đến lý thuyết nguyên tử.

Lời giải thích của Democritus về nguyên tử bắt đầu bằng một hòn đá. Một hòn đá cắt làm đôi cho hai nửa viên đá giống nhau. Nếu đá phải được cắt liên tục, đến một lúc nào đó sẽ tồn tại một mảnh đá đủ nhỏ để nó không còn có thể cắt được nữa. Thuật ngữ “nguyên tử” xuất phát từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là không thể chia cắt, mà Democritus đã kết luận phải là điểm mà tại đó một thực thể (bất kỳ dạng vật chất nào) không thể được phân chia nữa.

Lời giải thích của ông bao gồm các ý tưởng rằng các nguyên tử tồn tại tách biệt với nhau, rằng có vô số nguyên tử, các nguyên tử có thể di chuyển, chúng có thể kết hợp với nhau để tạo ra vật chất nhưng không hợp nhất để trở thành một nguyên tử mới và chúng không thể được chia. Tuy nhiên, bởi vì hầu hết các nhà triết học thời đó – đặc biệt là Aristotle có ảnh hưởng lớn – tin rằng tất cả vật chất được tạo ra từ trái đất, không khí, lửa và nước, lý thuyết nguyên tử của Democritus đã bị gạt sang một bên.

John Dalton, một nhà hóa học người Anh, đã xây dựng dựa trên ý tưởng của Democritus vào năm 1803 khi ông đưa ra lý thuyết nguyên tử của riêng mình, theo khoa hóa học tại Đại học Purdue. Lý thuyết của Dalton bao gồm một số ý tưởng từ Democritus, chẳng hạn như các nguyên tử là không thể chia cắt và không thể phá hủy và các nguyên tử khác nhau hợp lại để tạo ra tất cả vật chất.

Các bổ sung của Dalton vào lý thuyết bao gồm các ý tưởng rằng tất cả các nguyên tử của một nguyên tố nào đó giống hệt nhau, rằng các nguyên tử của một nguyên tố sẽ có trọng lượng và tính chất khác với các nguyên tử của một nguyên tố khác, rằng các nguyên tử không thể được tạo ra hoặc phá hủy và vật chất đó được hình thành bởi các nguyên tử kết hợp trong số nguyên đơn giản.

J.J Thomson, nhà vật lý người Anh đã phát hiện ra electron vào năm 1897, đã chứng minh rằng các nguyên tử thực sự có thể được phân chia, theo Tổ chức Di sản hóa học. Ông đã có thể xác định sự tồn tại của các hạt tích điện âm bằng cách nghiên cứu tính chất của sự phóng điện trong các ống tia âm cực. Theo bài báo của Thomson, năm 1897, các tia bị lệch trong ống, điều này chứng tỏ rằng có một thứ gì đó được tích điện âm trong ống chân không.

Năm 1899, Thomson đã xuất bản một mô tả về phiên bản nguyên tử của mình, thường được gọi là “mô hình bánh mận”, theo một bài báo năm 2013 của Giora Hon và Bernard R. Goldstein được công bố trên tạp chí Annalen der Physik. Mô hình nguyên tử của Thomson bao gồm một số lượng lớn các điện tử lơ lửng trong một thứ tạo ra điện tích dương tạo cho nguyên tử một điện tích trung tính tổng thể, giống như một món tráng miệng phổ biến của Anh có nho khô lơ lửng trong một quả bóng tròn như bánh.

Nhà khoa học tiếp theo sửa đổi và phát triển mô hình nguyên tử là Rutherford, người đã nghiên cứu theo Thomson, theo khoa hóa học tại Đại học Purdue. Năm 1911, Rutherford đã xuất bản phiên bản nguyên tử của mình, bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương được quay quanh bởi các electron. Mô hình này phát sinh khi Rutherford và các trợ lý của ông bắn các hạt alpha vào các tấm vàng rất mỏng. Một hạt alpha được tạo thành từ hai proton và hai neutron, tất cả được giữ với nhau bởi cùng một lực hạt nhân mạnh liên kết hạt nhân của bất kỳ nguyên tử nào, theo Phòng thí nghiệm Jefferson.

Các nhà khoa học nhận thấy rằng một tỷ lệ nhỏ các hạt alpha nằm rải rác ở các góc rất lớn so với hướng chuyển động ban đầu trong khi phần lớn truyền qua phải hầu như không bị xáo trộn. Rutherford có thể ước chừng kích thước hạt nhân của nguyên tử vàng, thấy nó nhỏ hơn ít nhất 10.000 lần so với kích thước của toàn bộ nguyên tử với phần lớn nguyên tử là không gian trống. Mô hình nguyên tử của Rutherford vẫn là mô hình cơ bản được sử dụng ngày nay, mặc dù có những hạn chế.

Một số nhà khoa học khác đã tiếp tục mô hình nguyên tử, bao gồm Niels Bohr – được xây dựng theo mô hình của Rutherford để bao gồm các tính chất của electron dựa trên phổ hydro, Erwin Schrödinger – đã phát triển mô hình lượng tử của nguyên tử, Werner Heisenberg – tuyên bố rằng người ta không thể biết cả hai vị trí và vận tốc của một electron đồng thời, và Murray Gell-Mann và George Zweig – đã phát triển độc lập lý thuyết rằng các proton và neutron được tạo thành từ các quark.

Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở ngân hàng, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu! Nếu các bạn phát hiện sai sót gì trong bài, có thể liên hệ với anh ấy qua Facebook bên dưới. Hoặc nếu bạn muốn trò chuyện về Khoa học, hãy kết bạn luôn nào <3

Related Articles

Back to top button

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker