Thuyết nguyên tử

- Thuyết nguyên tử là sự mô tả của các nguyên tử, những đơn vị nhỏ nhất của các nguyên tố.
- Bằng chứng khoa học cho sự tồn tại của các nguyên tử và những thành phần còn nhỏ hơn của nó có quá nhiều, cho nên đa số mọi người ngày nay xem sự tồn tại của nguyên tử là một thực tế, chứ không đơn giản chỉ là một lí thuyết..
- Các nguyên tử mà Democritus hình dung ra chỉ khác nhau về hình dạng và kích cỡ..
- Trong lí thuyết của ông, những vật khác nhau trông khác nhau vì cách các nguyên tử sắp xếp.
- Aristotle nói chỉ có bốn nguyên tố (đất, không khí, lửa, nước) và những nguyên tố này có một số đơn vị nhỏ nhất cấu tạo nên toàn bộ vật chất.
- Sự thuyết giáo của Aristotle chống lại quan điểm nguyên tử của Democritus quá mạnh mẽ nên quan điểm nguyên tử đã bị gạt ra khỏi thế giới triết học trong 2000 năm sau đó..
- Mặc dù thuyết nguyên tử bị bỏ rơi trong khoảng thời gian lâu dài như vậy, nhưng sự thực nghiệm khoa học, đặc biệt là hóa học, đã phát triển.
- Thậm chí, họ còn bắt đầu sử dụng từ nguyên tử trở lại.
- Dalton nhận ra rằng nếu như các nguyên tố cấu tạo gồm những nguyên tử, mỗi nguyên tố khác nhau có một loại nguyên tử riêng, thì thuyết nguyên tử có thể giải thích các kết quả của Lavoisier.
- Nếu hai nguyên tử hydrogen luôn luôn kết hợp với một nguyên tử oxygen, thì tổ hợp nguyên tử thu được, gọi là phân tử, sẽ là nước.
- Năm này được xem là năm ra đời của thuyết nguyên tử hiện đại.
- Các thí nghiệm khoa học sau Dalton đã cố gắng mô tả đặc trưng xem có bao nhiêu nguyên tố, nguyên tử của mỗi nguyên tố trông như thế nào, các nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố giống nhau như thế nào và chúng khác nhau như thế nào và, cuối cùng, liệu có cái gì nhỏ hơn nguyên tử nữa hay không..
- Một trong những thuộc tính đầu tiên của các nguyên tử được mô tả là trọng lượng nguyên tử tương đối.
- Mặc dù một nguyên tử đơn lẻ là quá nhỏ để mà cân, nhưng người ta có thể so sánh các nguyên tử với nhau.
- Nhà hóa học Jons Berzelius giả sử rằng những thể tích khí bằng nhau ở điều kiện nhiệt độ và áp suất như nhau chứa số lượng nguyên tử ngang nhau.
- Thí dụ, ông có thể xác định rằng nguyên tử oxygen nặng gấp 16 lần nguyên tử hydrogen.
- Ông đã lập danh sách những trọng lượng nguyên tử tương đối này cho nhiều nguyên tố mà ông biết.
- Những kí hiệu đó còn tỏ ra hữu ích trong việc mô tả nhiều nguyên tử kết hợp với nhau như thế nào để tạo ra phân tử thuộc một hợp chất nào đó.
- Thí dụ, để thể hiện nước có cấu tạo gồm hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen, kí hiệu cho nước là H 2 O.
- Một nguyên tử oxygen còn có thể kết hợp với một nguyên tử oxygen khác để tạo ra một phân tử oxygen với kí hiệu O 2.
- Sự phát triển của thuyết nguyên tử.
- Năm 1869, Dmitri Mendeleev đã lập danh sách các nguyên tố theo trật tự trọng lượng nguyên tử tăng dần và phân nhóm những nguyên tố dường như có những phản ứng hóa học giống nhau.
- Thí dụ, lithium (Li), natrium (Na), và kalium (K) đều là những nguyên tố kim loại bốc cháy khi chúng bị ẩm..
- Trong biểu đồ của ông, những nguyên tố tương tự nhau được đặt trong cùng một cột.
- Mendeleev bắt đầu nhìn thấy một kiểu phân bố trong số các nguyên tố, trong đó mỗi tám nguyên tố trên danh sách liệt kê trọng lượng nguyên tử sẽ thuộc về cùng một cột.
- Chẳng hạn, có một khoảng trống dành cho một nguyên tố với trọng lượng nguyên tử khoảng 72 (nặng hơn hydrogen 72 lần) nhưng là nguyên tố chưa biết.
- Năm 1886, 15 năm sau sự dự đoán của nó, nguyên tố Germanium (Ge) đã được tách li và người ta thấy nó có trọng lượng nguyên tử 72,3.
- Nhiều nguyên tố khác tiếp tục được dự đoán và tìm ra theo cách như vậy.
- Tuy nhiên, khi có thêm nhiều nguyên tố bổ sung vào bảng tuần hoàn hóa học, người ta thấy nếu một số nguyên tố được đặt trong những cột thích hợp do những phản ứng giống nhau của chúng, thì chúng không tuân theo trật tự đúng của trọng lượng nguyên tử tăng dần.
- Một số đặc trưng nguyên tử khác là cần thiết để sắp xếp có trật tự các nguyên tố.
- Khi các thí nghiệm hóa học tìm kiếm và mô tả đặc trưng được nhiều nguyên tố hơn, những ngành khoa học khác đã và đang thực hiện những khám phá về dòng điện và ánh sáng đã góp phần cho sự phát triển của thuyết nguyên tử.
- Thomson phát hiện thấy những hạt tích điện âm này giải phóng từ nguyên tử ra và phải có mặt trong các nguyên tử kim loại lúc ban đầu.
- Ông gọi những hạt hạ nguyên tử tích điện âm này là “electron”.
- Vì electron mang điện âm, nên phần còn lại của nguyên tử phải mang điện dương.
- Thomson tin rằng các electron phân tán trong nguyên tử giống như những miếng nho rắc trong bánh bông lan vậy.
- Mặc dù mẫu “bánh bông lan rắc nho” của Thomson là không chính xác, nhưng nó là nỗ lực đầu tiên cho thấy các nguyên tử thật ra phức tạp hơn những quả cầu thuần nhất..
- Một trong những nhà khoa học này, Henri Becquerel, đã để một số kính ảnh trong ngăn kéo cùng với uranium, một nguyên tố mới mà ông đang nghiên cứu.
- Chính nguyên tố uranium tự sinh ra bức xạ, một tính chất gọi là sự phóng xạ.
- Những nỗ lực nhằm mô tả những loại phóng xạ khác nhau đã đưa đến chương quan trọng tiếp theo trong sự phát triển của thuyết nguyên tử..
- Bức xạ alpha gồm những hạt tích điện dương nặng gấp bốn lần nguyên tử hydrogen.
- Rutherford kết luận rằng vì đa số hạt alpha đi xuyên qua, cho nên các nguyên tử vàng chủ yếu phải là không gian trống rỗng, chứ không giống như mẫu bánh bông lan đầy kín của Thomson.
- Vì một vài hạt alpha bị chệch hướng, nên phải có một vùng tích điện dương rất đặc trong mỗi nguyên tử gọi là hạt nhân.
- Với toàn bộ điện tích dương ở hạt nhân, câu hỏi tiếp theo là các electron trong nguyên tử sắp xếp như thế nào..
- Bohr nhận thấy rằng quan điểm lượng tử năng lượng có thể giải thích các electron trong nguyên tử sắp xếp như thế nào.
- Giống như các dao động tử trong một vật đen không thể phát ra những lượng năng lượng bất kì, các electron trong nguyên tử không thể có quỹ đạo bất kì.
- Nếu một electron thuộc một nguyên tử nào đó hấp thụ một lượng tử năng lượng chính xác, thì nó có thể chuyển lên một quỹ đạo ở xa hạt nhân hơn.
- Những giá trị năng lượng chính xác đó khác nhau đối với những nguyên tố khác nhau.
- Những giá trị này có thể xác định bằng một quá trình gọi là quang phổ nguyên tử, một kĩ thuật thực nghiệm khảo sát quang phổ ánh sáng do các nguyên tử tạo ra.
- Một nguyên tử được làm nóng đến mức toàn bộ các electron của nó chuyển ra xa hạt nhân hết.
- Mặc dù sau này có tinh chỉnh thêm, nhưng “mô hình hành tinh” nguyên tử của Bohr giải thích được số liệu.
- quang phổ nguyên tử đủ tốt nên các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý của họ trở lại với hạt nhân nguyên tử..
- Rutherford, cùng với Frederick Soddy, tiếp tục nghiên cứu với các nguyên tố phóng xạ.
- Đặc biệt, Soddy để ý thấy khi hạt alpha và hạt beta phát ra khỏi nguyên tử, các nguyên tử đó biến đổi theo một trong hai kiểu: (1) nguyên tố đó trở thành một nguyên tố khác hoàn toàn với những phản ứng hóa học hoàn toàn mới, hoặc (2) nguyên tố đó vẫn duy trì những phản ứng hóa học như cũ và quang phổ nguyên tử như cũ nhưng chỉ thay đổi trọng lượng nguyên tử..
- Ông gọi các nguyên tử thuộc nhóm thứ hai vừa nói là các đồng vị, những nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố với trọng lượng nguyên tử khác nhau.
- Trong bất kì mẫu nguyên tố tự nhiên nào, có thể có vài loại đồng vị.
- Kết quả là trọng lượng nguyên tử của một nguyên tố mà Berzelius tính được thật ra là giá trị trung bình của mọi trọng lượng đồng vị thuộc nguyên tố đó.
- Đây là nguyên do một số nguyên tố không rơi vào trật tự đúng trên bảng tuần hoàn Mendeleev – trọng lượng nguyên tử trung bình phụ thuộc vào mỗi loại đồng vị có mặt bao nhiêu.
- Soddy đề xuất đặt các nguyên tố vào bảng tuần hoàn dựa trên sự tương đồng phản ứng hóa học và sau đó đánh số thứ tự chúng.
- Con số gán cho mỗi nguyên tố theo kiểu này được gọi là số nguyên tử.
- Số nguyên tử là phương pháp tiện lợi để chỉ các nguyên tố..
- Vì những hạt này được sinh ra bởi những nguyên tử của cathode và vì Rutherford đã chứng minh rằng hạt nhân mang điện dương, nên Thomson nhận thấy hạt nhân nguyên tử phải chứa proton.
- Một nhà khoa học trẻ tên là Henry Moseley đã làm thí nghiệm bắn phá nguyên tử thuộc những nguyên tố khác nhau bằng tia X.
- Năng lượng đó phụ thuộc vào số nguyên tử của nguyên tố đó, và số nguyên tử tương ứng với số điện tích dương trong hạt nhân.
- Cho nên trật tự đúng của bảng tuần hoàn hóa học là sắp theo số proton tăng dần trong hạt nhân nguyên tử.
- Trong một nguyên tử trung hòa, số lượng proton bằng số electron.
- Các nguyên tố thuộc cùng một cột của bảng.
- Nhưng các proton không lí giải nổi toàn bộ trọng lượng nguyên tử của một nguyên tử.
- Hai nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố sẽ có số proton và electron như nhau, nhưng chúng có thể có số neutron khác nhau, và vì thế nên trọng lượng nguyên tử khác nhau.
- Các đồng vị được đặt tên theo tên của nguyên tố và theo sau đó là số proton cộng với số neutron có trong hạt nhân.
- Chúng ta có thể nhìn vào bảng tuần hoàn hóa học để tìm số nguyên tử của uranium (92), số nguyên tử cho chúng ta biết proton.
- Trọng lượng nguyên tử của những nguyên tố khác ban đầu được so sánh với hydrogen mà không nói rõ là đồng vị nào.
- Cũng thật khó có được đơn nguyên tử hydrogen vì nó thường phản ứng với những nguyên tử khác để tạo thành những phân tử như H 2 hoặc H 2 O.
- Cho nên, người ta đã chọn một đồng vị của nguyên tố khác để so sánh.
- Trọng lượng nguyên tử ngày nay được xây dựng trên 12 C (carbon-12).
- Carbon-12 được định nghĩa là bằng 12 đơn vị khối lượng nguyên tử.
- (Đơn vị khối lượng nguyên tử, viết tắt là u, là đơn vị dùng để so sánh trọng lượng tương đối của các nguyên tử.
- Mỗi đồng vị thuộc mỗi nguyên tố khác được so sánh với đơn vị này.
- Khi đó, trọng lượng của các đồng vị thuộc một nguyên tố cho trước được tính trung bình để cho trọng lượng nguyên tử sắp xếp vào bảng tuần hoàn hóa học..
- Cho đến đây, trong câu chuyện nguyên tử, thì mọi hạt cấu thành nên nguyên tử được người ta hình dung là những quả cầu rắn, đồng nhất.
- Sự bổ sung này cho bản chất của electron có nghĩa là quan điểm hành tinh nguyên tử của Bohr là không chính xác cho lắm.
- Phương trình Schrödinger mô tả những vùng trong một nguyên tử trong đó một electron với năng lượng nhất định có khả năng ở đó nhưng không biết chính xác nó ở chỗ nào..
- Những nghiên cứu buổi đầu về phóng xạ cho thấy những hạt nhân nguyên tử nhất định có tính phóng xạ tự nhiên.
- Một số nhà khoa học nêu vấn đề rằng nếu có những hạt giải phóng khỏi nguyên tử thì người ta có thể đưa các hạt vào bên trong nguyên tử hay không? Năm 1932, Cockcroft và Walton đã thành công trong việc xây dựng một máy gia tốc hạt, một dụng cụ có thể làm cho những dòng hạt tích điện chuyển động mỗi lúc một nhanh thêm.
- Nếu một hạt nhân nguyên tử lithium “bắt giữ” một proton, thì hạt nhân đó trở nên không bền và nó bị vỡ ra thành hai hạt alpha.
- Kĩ thuật kích thích phóng xạ bằng cách bắn phá với những hạt gia tốc như thế này vẫn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và các hạt hạ nguyên tử.
- Sự sắp xếp lại tự phát của hạt nhân nguyên tử luôn luôn mang lại sự giải phóng năng lượng dưới dạng động năng của các neutron đang chuyển động nhanh.
- Khi một hạt nhân lớn vỡ ra để tạo thành những nguyên tử nhỏ hơn, quá trình đó được gọi là phân hạch..
- Khi những nguyên tử nhẹ bị buộc hợp lại với nhau để tạo thành những nguyên tử nặng hơn, thì quá trình được gọi là nhiệt hạch.
- Quả bom nguyên tử đầu tiên đã phát nổ vào năm 1945.
- Trong khi nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của một nguyên tố khi nó vẫn còn là nguyên tố đó, thì các nguyên tử không phải là những hạt nhỏ nhất tồn tại.
- Thậm chí, người ta cũng tin rằng các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ những hạt còn nhỏ hơn nữa gọi là hạt quark.
- Nghiên cứu hiện nay trong ngành vật lí nguyên tử tập trung vào việc mô tả cấu trúc bên trong của nguyên tử.
- Bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt, các nhà khoa học đang cố gắng mô tả đặc trưng các quark có thể kết hợp theo một số cách để tạo ra những hạt hạ nguyên tử khác..
- Không ai từng nhìn thấy một nguyên tử đơn lẻ, thậm chí với những kính hiển vi quang học tốt nhất.
- Những loại kính hiển vi đặc biệt gọi là kính hiển vi quét chui hầm và kính hiển vi lực nguyên tử khai thác các lực do các electron sinh ra để thu được hình ảnh.
- Những đám mây này cho biết các nguyên tử được sắp xếp như thế nào, mặc dù chúng ta không thể “nhìn” xuyên qua đám mây đó vào trong hạt nhân..
- Do giới hạn về kích cỡ, chúng ta sẽ không bao giờ nhìn thấy nguyên tử với đôi mắt của mình.
- Mọi thứ chúng ta biết về nguyên tử phải được suy luận ra từ những thí nghiệm quy mô lớn.
- Kết quả là sự mô tả nguyên tử như trên vẫn được gọi là một lí thuyết.
- Tuy nhiên, lí thuyết này giải thích các thí nghiệm nguyên tử quá tốt nên chúng ta thường nghĩ sự tồn tại của nguyên tử là một thực tế.