Issuu

BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN HÓA HỌC

vectorstock.com/20554239

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection DẠY KÈM QUY NHƠN CHEMISTRY PHÁT TRIỂN NỘI DUNG

TÌM HIỂU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ HỌC PHẦN CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Sinh viên thực hiện: Tống Ngọc Trâm Anh WORD VERSION | 2020 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM

Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

-H óa

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC *****

BÀI TẬP LỚN

An h

HỌC PHẦN: CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

Đề tài: TÌM HIỂU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH

N gọ

âm

CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ

Tố n

Giảng viên hướng dẫn: Hoàng Văn Đức

Sinh viên thực hiện: Tống Ngọc Trâm Anh Lớp: Hóa 3B MSV: 16S2011001

Huế, tháng 05/2019

MỤC LỤC A. MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 4 Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 4

Mục đích và mục tiêu nghiên cứu............................................................................... 4

Đối tượng và khách thể nguyên cứu. .......................................................................... 4

Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................... 4

Nhiệm vụ nghiên cứu. ................................................................................................ 4

Phương pháp nghiên cứu. .......................................................................................... 4

-H óa

B. NỘI DUNG .................................................................................................................... 5 Thời cổ Hy Lạp .......................................................................................................... 5 1.1.

An h

Thuyết nguyên tử luận của Democritus............................................................... 6

âm

1.2. Thuyết bốn nguyên tố của Aristotle ........................................................................ 7 1.3. Thuyết nguyên tố hóa học của Robert Boyle .......................................................... 8 Thuyết nguyên tử ở thế kỉ XVIII ............................................................................ 8

II.

Lý thuyết Phlogiston của Georg Ernst Stahl ....................................................... 8

2.2.

Lý thuyết của Joseph Priestley ............................................................................ 9

2.3.

Lý thuyết của Henry Cavendish .......................................................................... 9

2.4.

Lý thuyết của Lavoisier ....................................................................................... 9

Tố n

N gọ

2.1.

III.

Lý thuyết nguyên tử vào thế kỷ XIX..................................................................... 10

3.1.

Lý Thuyết Nguyên Tử của John Dalton ............................................................ 10

3.2.

Lý Thuyết Nguyên Tử Amedeo Avogadro ......................................................... 12

3.3.

Bảng hệ thống tuần hoàn hóa học của Mendeleev ............................................. 14

3.4.

Sự phát hiện ra tia X ......................................................................................... 15

IV.

Lý thuyết nguyên tử vào thế kỷ XX ...................................................................... 15

4.1.

Mẫu nguyên tử của Thomson ............................................................................ 15

4.2.

Mẫu nguyên tử của Rutherfor........................................................................... 16

4.3.

Thuyết lượng tử Planck ..................................................................................... 17

4.4.

Mẫu nguyên tử bán cổ điển của Bohr................................................................ 17

4.5.

Mẫu nguyên tử của Sommorfold ....................................................................... 18

V. Cấu trúc nguyên tử theo cơ học lượng tử ................................................................. 19

-H óa

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 22 I.

TÀI LIỆU TRONG NƯỚC ...................................................................................... 22

Tố n

N gọ

âm

An h

II. TÀI LIỆU WEBSITE............................................................................................... 22

A. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài

An h

-H óa

Khái niệm về vật chất là tổ hợp của những đơn vị rời rạc và không thể chia nhỏ hơn đã xuất hiện từ nhiều thiên niên kỷ, nhưng những khái niệm này thường là những lập luận triết học và trừu tượng hơn là dựa trên những quan sát thực nghiệm. Chúng ta đang ở vào thời đại Nguyên Tử. Câu chuyện về những phân tử cực nhỏ, không hủy diệt được và là nền tảng của tất cả vật chất, đã được bắt đầu 25 thế kỷ trước. Bản chất của nguyên tử trong triết học thay đổi theo thời gian giữa nhiều nền văn minh và trường phái cổ đại, đa số có yếu tố tinh thần siêu hình học. Tuy vậy, khái niệm cơ bản về nguyên tử được các nhà khoa học hàng nghìn năm sau chấp nhận bởi vì nó giải thích một cách đơn giản một số khám phá mới trong lĩnh vực Hóa học. Để tìm hiểu kĩ hơn về lịch sử hình thành nên cấu trúc nguyên tử qua các thời kì và hiểu sâu hơn các kiến thức về mẫu nguyên tử cổ điển, lý thuyết cơ học lượng tử, quan điểm hiện đại về cấu trúc nguyên tử… em xin chọn đề tài “TÌM HIỂU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ”. 2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu.

âm

Tìm hiểu tổng quan về sự hình thành các thuyết cấu tạo nguyên tử qua các thời kì cũng như cấu tạo nguyên tử lúc bấy giờ.

3. Đối tượng và khách thể nguyên cứu.

Nguyên tử

N gọ

4. Phạm vi nghiên cứu.

Tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về nguyên tử như lịch sử phát triển, cấu trúc nguyên tử qua các giai đoạn và mô hình cấu trúc nguyên tử hiện đại.

5. Nhiệm vụ nghiên cứu.

Tố n

Lịch sử hình thành các thuyết cấu tạo nguyên tử. Cấu trúc nguyên tử.

6. Phương pháp nghiên cứu. Tìm hiểu các vấn đề lý thuyết thông qua các giáo trình cấu tạo chất và cơ học lượng tử, báo, Internet và tài liệu liên quan.

B. NỘI DUNG I. Thời cổ Hy Lạp Câu chuyện về những phân tử cực nhỏ, không hủy diệt được và là nền tảng của tất cả vật chất, đã được bắt đầu 25 thế kỷ trước và đã được các nhà triết học Cổ Hy Lạp đề cập tới. Khái niện nguyên tử thực ra đã được nói đến từ thế kỉ thứ V trước công nguyên trong những giả thuyết giải thích về vũ trụ và vật chất.

An h

-H óa

Bắt đầu vào khoảng năm 600 trước Công nguyên (TCN), nhiều nhà triết học Hi Lạp đã nỗ lực tìm hiểu bản chất của vật chất. Một số người cho rằng vạn vật cấu tạo từ nước, chúng có ba dạng (băng ở thể rắn, nước lỏng và hơi nước). Một số người khác thì tin rằng vật chất cấu tạo hoàn toàn từ lửa ở dạng biến đổi không ngừng. Tuy nhiên, những người khác thì tin rằng cho dù vật chất cấu tạo từ cái gì thì nó phải là cái gì đó không thể bị phá hủy mà chỉ kết hợp lại thành những dạng thức mới.

âm

500 năm TCN, Anaxagoras đã suy nghĩ về vạn vật và đi đến kết luận rằng nếu lấy một vật rồi chia làm hai, phân nửa lấy được lại chia làm hai và cứ tiếp tục việc chia đôi đó, người ta sẽ không bao giờ đi tới cùng được, nghĩa là còn có thể tiếp tục công việc chia đôi cho tới ngày tận thế. Như vậy Anaxagoras đã quan niệm vật chất được cấu tạo nên không phải do những thành phần rất nhỏ xác định khiến cho việc phân đôi không bao giờ ngừng.

Tố n

N gọ

Trong thời cổ Hy Lạp, đối lập với những học thuyết duy tâm thần bí, giải thích vũ trụ bằng những lực lượng siêu tự nhiên, phi vật chất, một số nhà triết học đã cố gắng đi từ cơ sở vật chất để giải thích vũ trụ lấy bản thân giới tự nhiên để giải thích tự nhiên. Một số nhà triết học này chủ trương thuyết nguyên thể vật chất. Theo quan niệm của những nhà triết học này thì mọi biến đổi trong vũ trụ đều giải thích bằng sự vận động vĩnh viễn, sự biến hóa vô cùng tận của những nguyên thể vật chất. Những nguyên thể vật chất này là cơ sở của mọi vật trong vũ trụ. Theo Thales (TK VI TCN) thì nguyên thể vật chất đó là nước, theo Anaxième thì là không khí và theo Héraclite thì vũ trụ phát triển một cách hợp quy luật đo sự bùng cháy và tắt đi của lửa. Sang thế kỉ sau Empédocle lại đưa ra thuyết 4 yếu tố. Theo Empédocle thì cơ sở vật chất không phải là một mà là sự tổng hợp của 4 yếu tố đầu tiên khác nhau là: Đất, nước, lửa và không khí. Cũng trong thời đại này, về phía Á- Đông cũng có những điểm tương tự.

-H óa

Ở Ấn Độ, phái Cha-vơ-rắc cũng chủ trương thuyết bốn yếu tố: Đất, nước, lửa và không khí. Ở Trung Quốc theo Vương Song thì nguyên thế đầu tiên là những vật chất cực nhỏ mà ông gọi là “khí” tồn tại trong tự nhiên dưới dạng ngũ hành: Kim, mộc, thủy, hỏa, thổ. Khác với những nhà triết học trên, quan niệm rằng những hiện tượng muôn màu muôn vẻ của tự nhiên đều là sự thay đổi dạng của một hay một số nguyên thể nào đó, Leucippe (TK V TCN) đã đưa ra thuyết nguyên tử để giải thích vũ trụ. Học thuyết này được Descocrite phát triển thêm và được xây dựng thành một hệ thống triết học duy vật nguyên tử luận cổ Hy Lạp. 1.1. Thuyết nguyên tử luận của Democritus

Tố n

N gọ

âm

An h

Tư tưởng duy vật của phái Thales về một vật chất ban đầu không làm thỏa mãn được các nhà triết học Hy Lạp cổ đại. Vì vậy họ đã đi tìm những lý thuyết khác để giải thích cấu trúc của vũ trụ và những biến đổi trong tự nhiên. Trong số các nhà triết học và khoa học thời xưa bàn về cấu tạo của vật chất, người phát biểu đúng đắn hơn cả là nhà bác học thời Hy Lạp cổ đại Democritus. Trái với lý thuyết của Anaxagoras kể trên. Lucretius, một môn đệ của Democritus, đã thuật lại rằng Democritus tin tưởng không có một sức mạnh nào trên thế gian có thể phá hủy được nguyên tử. Nếu họ có thể nhìn thấy những cái đủ nhỏ, họ sẽ thấy những “viên gạch cấu trúc” của chúng. Ông tưởng tượng bắt đầu với một mẩu lớn vật chất và dần dần chia cắt nó thành những mẩu mỗi lúc một nhỏ hơn, cuối cùng thì đạt tới mẩu nhỏ nhất. Viên gạch cấu trúc nhỏ nhất không thể chia cắt được nữa này được gọi là atomos, tiếng Hi Lạp có nghĩa “không thể chia cắt”. Từ atomos bước sang thời kì hiện đại đã biến đổi thành atom (nguyên tử). Trong lí thuyết của ông, những vật khác nhau trông khác nhau vì cách các nguyên tử sắp xếp. Nguyên tử của các chất khác nhau có kích thước, hình dạng và sự sắp xếp khác nhau, thí dụ nguyên tử sắt thì cứng chắc và có những móc để móc vào nhau, nguyên tử nước thì mềm và dễ trượt, nguyên tử muối thì nhọn và chọc được vào lữoi. Ta thấy học thuyết này hoàn toàn có tính chất thuần lý, không xây dựng trên các dữ kiện thực nghiệm nên còn mang nặng tính chất phác thô sơ. Tuy vậy, đối với thời đại đó, học thuyết này có thể coi là một phỏng đoán thiên tài về vật chất. • Nội dung thuyết nguyên tử luận Democritus:

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

- Không có cái gì phát minh ra từ cái không có gì. Không có cái gì đang tồn tại lại có thể bị hủy diệt. Mọi sự đều do các bộ phận hợp lại với nhau và tách khỏi nhau. - Không có cái gì ngẫu nhiên xảy ra, cái gì xảy ra cũng có nguyên nhân và là tất yếu. - Chỉ nguyên tử và không gian trống rỗng là có thật, mọi cái khác đều do tưởng tượng ra. - Các nguyên tử nhiều vô hạn và có vô số hình dạng, rơi vĩnh viễn trong không gian vô tận. Những hạt to rơi nhanh hơn, va đập vào những hạt nhỏ gây ra những chuyển động xiên và xoáy tạo thành các thế giới. Có vô số thế giới luôn luôn sinh ra hoặc mất đi. - Các nguyên tử hoàn toàn giống nhau về chất lượng, chúng tác động lên nhau bằng sức nén và va chạm. Các vật khác nhau vì được tạo thành bởi những nguyên tử có số lượng, độ lớn hình dạng và cách sắp xếp khác nhau. - Không có gì phi vật chất, tâm hồn và các thần linh cũng được tạo thành bởi những nguyên tử tinh tế, nhẵn nhụi, tròn trịa và linh hoạt nhất. Chúng chuyển động xuyên thấu vào cơ thể, tạo ra mọi hiện tượng của sự sống. Trong học thuyết này nguyên lý bảo toàn có vai trò quan trọng, Chân không là một khái niệm mới, chưa có trong các thuyết trước đó và các nguyên tử tự mình chuyển động trong chân không, không cần một thần linh hay trí tuệ nào khác tạo ra mọi hiện tượng trong thế giới. Tóm lại theo Democritus thì vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và chân không. Như vậy, nguyên tử luận của Democritus nhằm giải quyết vấn đề vật chất cấu tạo như thế nào của khoa học. 1.2. Thuyết bốn nguyên tố của Aristotle Lý thuyết của Democritus lại không được các nhà triết học khác chấp nhận. Aristotle, nhà đại hiền triết mà lý thuyết đã ngự trị trong 2,000 năm trên kiến thức của Nhân Loại, đã không chấp nhận nguyên tử. Aristotle cho rằng trong vũ trụ chỉ có 4 thành phần chính là lửa, nước, không khí và đất. Bốn nguyên tố mang bốn tính chất nguyên thủy là khô, ẩm, nóng, lạnh phân bố như sau: + Đất thì khô và lạnh. + Nước thì lạnh và ẩm. + Không khí thì ẩm và nóng. + Lửa thì nóng và khô. Các chất này được kết hợp với linh khí (hyle) để xác định tính chất của sự vật. Con người là một sự kết hợp siêu đẳng của mọi thành phần. Chính vì hai quan

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

niệm sai nhầm sau đây của Aristotle mà kiến thức của Nhân Loại đã bị thiệt hại nặng nề: Sự xác định không có trạng thái nguyên tử nơi vật chất và sự kết hợp 4 thành phần với linh khí. Uy tín to lớn của Aristotle đã làm chậm sự phát triển về quan điểm nguyên tử trong nhiều thế kỷ. 1.3. Thuyết nguyên tố hóa học của Robert Boyle Thế rồi các giáo điều của Aristotle đã ngự trị cho tới thời Phục Hưng. Một trong các nhà trí thức đầu tiên đã phản đối những thành kiến dị đoan cũ là Francis Bacon. Bacon là luật gia kiêm chính trị gia dưới triều đại Nữ Hoàng Elizabeth và Vua James I, đã tố cáo Aristotle là đã pha thêm màu sắc và làm sai lệch triết học tự nhiên bằng những thành kiến của mình. Qua tác phẩm Novum Organum, Bacon đã tán thành ý tưởng của Democritus về tính chất của sự vật. Mặc dù Bacon không phải là một nhà thực nghiệm, nhưng các nguyên tắc luận lý do ông đặt ra đã ảnh hưởng sâu rộng đến các nhà khoa học sau thời đại của ông. Kế tiếp ý tưởng của Bacon là tư tưởng của Robert Boyle. Để xây dựng lý thuyết về nguyên tố hóa học, Robert Boyle đã đi từ quan niệm về nguyên tử của thuyết nguyên tử trên. Theo Robert Boyle mỗi nguyên tố hóa học bao gồm những hạt có độ lớn, hình dạng và chuyển động xác định. Những hạt này hay những nguyên tử của các nguyên tố hóa học có khả năng kết hợp lại thành những tập hợp lớn hơn mà ông gọi đó là những hạt thứ cấp. Boyle đã khám phá ra rằng thể tích của một chất khí phụ thuộc vào áp suất của chất khí đó. Boyle đã cho rằng chất khí được cấu tạo do các hạt rất nhỏ nằm giữa các khoảng trống và các hạt này phải ở trong trạng thái luôn luôn dao động. Sự khác biệt về 3 trạng thái vật lý hay 3 thể rắn, lỏng và hơi là do các hạt đó ở trong tình trạng bị giam hãm hay tự do. Cùng với Boyle đã chấp nhận giả thuyết nguyên tử vào năm 1679, còn có Isaac Newton và như vậy vào cuối thế kỷ 17, làm sống lại lý thuyết của Democritus là ba nhà khoa học người Anh Bacon, Boyle và Newton. II. Thuyết nguyên tử ở thế kỉ XVIII 2.1. Lý thuyết Phlogiston của Georg Ernst Stahl Tới đầu thế kỷ XVIII, nhiều nhà khoa học còn “tiếc rẻ” lý thuyết của Aristotle và do đó, nhiều điều bổ túc đã được phát minh để cứu vãn lý lẽ về các thành phần của Aristotle. Năm 1729, Georg Ernst Stahl, y sĩ của Vua Phổ và cũng là nhà hóa học “tài tử”, đã phát minh ra một thứ “vô vật chất” mới gọi tên là “phlogiston” để cắt nghĩa sự cháy và oxít hóa. Stahl đã cho phlogiston các đặc tính sau đây: Không màu, không mùi, không vị và không trọng lượng. Theo Stahl, phlogiston là căn

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

nguyên của sự cháy. Có thứ vật chất chứa phlogiston, có thứ không. Khi một vật cháy, phlogiston bốc ra từ nơi “có” sang nơi “không có” và vật nào có nhiều phlogiston sẽ cháy bừng bừng trong không khí, trong khi không khí là nơi không có chút phlogiston nào.Khi phlogiston thoát ra từ một vật chất, nó để lại “tro” mà theo như Aristotle thời trước, đó là thành phần “đất”. Để giải đáp tại sao một thứ kim khí khi mất phlogiston, tức là rỉ sét, lại nặng hơn, các người ủng hộ lý thuyết phlogiston đã trả lời rằng “vì phlogiston có trọng lượng âm và làm vật nhẹ hơn khi có nó “. Lý thuyết về phlogiston của Stahl đã là giải pháp cuối cùng để cứu vãn tư tưởng chìm dần dần của Aristotle. Nếu trước kia giáo điều Aristotle đã làm lý thuyết nguyên tử bị bỏ quên 2,000 năm thì phlogiston cũng làm sai lệch sự diễn tả về vật chất của nhiều nhà khoa học. 2.2. Lý thuyết của Joseph Priestley Vào năm 1774, Joseph Priestley, nhà thần học kiêm khoa học người Anh, đã dùng một thấu kính 30 cm để hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một thứ đất đỏ (oxít thủy ngân) và đã thấy rằng nhiệt lượng đã làm bay ra một thứ khí và để lại một kim loại lỏng: Thủy ngân. Priestley đã hứng lấy thứ khí này để nghiên cứu đặc tính và thấy rằng bên trong khí này, một cây nến cháy sáng hơn và mạnh hơn là trong không khí. Thực ra, thứ khí này là “Oxygen” nhưng Priestley đã bỏ lỡ một cơ hội khám phá vô cùng quan trọng cũng vì ông tin tưởng vào lý thuyết phlogiston. Priestley cho rằng chất khí bay ra đó (Oxygen) vì thiếu hụt phlogiston, nên nó đã chiếm lấy một cách mạnh mẽ phlogiston của cây nến, vì vậy ông gọi thứ khí bay ra đó là “không khí thiếu phlogiston”. Priestley quan niệm rằng trong không khí còn một chút phlogiston và chỉ có thứ khí kể trên là hoàn toàn không còn chút phlogiston nào. 2.3. Lý thuyết của Henry Cavendish Lý thuyết phlogiston còn làm sai nhầm một nhà bác học lừng danh khác, là Henry Cavendish. Vào năm 1766, Cavendish đã khám phá ra khí “Hydrogen” và khi pha trộn khí này với “không khí thiếu phlogiston” của Priestley rồi bật một tia lửa điện, Cavendish đã lấy được nước. Nhưng Cavendish đã cắt nghĩa hiện tượng đó sai nhầm hẳn, bằng cách cho rằng Hydrogen là “nước dư phlogiston” trong khi Oxygen là “nước thiếu phlogiston”. 2.4. Lý thuyết của Lavoisier Lavoisier đã thực hiện lại thí nghiệm của Priestley bằng cách đun thủy ngân trong một bình kín và đã thấy rằng trọng lượng tăng thêm của thủy ngân bằng

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

trọng lượng mất đi của không khí và khi đun thêm oxit thủy ngân, ông lại được thứ khí có trọng lượng bằng với trọng lượng không khí đã mất ban đầu. Tin tưởng vào sự cân đúng, Lavoisier thấy rằng vật chất không được tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp với nhau để tạo nên các chất mới. Ông tìm ra hai yếu tố quan trọng: (1) những chất đơn giản nhất, cái ông gọi là nguyên tố, không thể bị phân tách thành chất khác nữa. (2) những nguyên tố này luôn phản ứng với nhau theo những tỉ lệ giống nhau. Những chất phức tạp hơn mà giống nhau đó ông gọi là hợp chất. Thí dụ, hai thể tích hydrogen phản ứng chính xác với một thể tích oxygen để tạo ra nước. Nước có thể bị phân tách luôn cho chính xác hai thể tích hydrogen và một thể tích oxygen. Lavoisier không có sự giải thích nào cho những kết quả nhất quán bất ngờ này.Điều này đã đưa Lavoisier đến sự phân biệt giữa hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giản hơn. Lý thuyết của Lavoisier vào thời đó cũng chưa được chấp nhận ngay. Có nhà khoa học nói rằng nếu có các đơn chất chưa được phối hợp để tạo ra hợp chất thì lại không có gì chứng tỏ tỉ lệ các đơn chất phối hợp đó luôn luôn không thay đổi mà trái lại, tỉ lệ đó còn thay đổi với thời gian và không gian. Hầu Tước Berthelot cũng có ý tưởng này. Pierre Marcellin Berthelot đã nghiên cứu cùng Lavoisier và đã được Napoléon chọn làm cố vấn về Khoa Học trong chuyến viễn chinh Ai Cập vào năm 1789. Theo Berthelot, các đơn chất phối hợp với nhau theo các tỉ lệ không hạn định và vì tỉ lệ của Hydrogen và Oxygen để tạo thành nước khác nhau nên nước của dòng sông Nile khác hẳn với nước của dòng sông Seine. Ý tưởng này của Berthelot bị Joseph Louis Proust cho là vô nghĩa. Proust cho rằng nước có cùng cách cấu tạo mặc dù căn nguyên của nó và cuộc tranh luận giữa hai nhà khoa học Pháp đã kéo dài trong 6 năm trường, và chỉ chấm dứt khi vô số những phép đo thận trọng của Lavoisier đã cung cấp manh mối cho một nhà hóa học khác tên là John Dalton xuất hiện. III. Lý thuyết nguyên tử vào thế kỷ XIX 3.1. Lý Thuyết Nguyên Tử của John Dalton 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.

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

Dalton công bố sự giải thích của ông vào năm 1803. 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? Vào năm 1808, John Dalton cho xuất bản cuốn sách “Lý Thuyết Nguyên Tử”. Dalton đã xác định rằng tất cả vật chất đều do nguyên tử tạo thành và không thể phân chia nguyên tử ra thứ nhỏ hơn được. Ngoài ra Dalton còn đọc Định Luật Tỉ Lệ Không Đổi và Định Luật Bội Số Tỉ Lệ/ Lý thuyết Nguyên Tử của Dalton được thế giới khoa học chấp nhận ngay. Nhưng Dalton đã nhầm lẫn khi nói về “các nguyên tử của hợp chất” mà không đề cập đến phân tử, nên đã tìm ra trọng lượng nguyên tử của Oxygen là 8 và công thức của nước là H2O cũng như công thức của Ammoniac là NH3 khiến cho trọng lượng nguyên tử của Nitrogen chỉ bằng 1/3 trọng lượng chính thức. • Nội dung thuyết nguyên tử của Dalton: - Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ cấu tạo nguyên tử. - Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất. - Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi. - Giả thuyết thứ tư là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất. - Giả thuyết thứ năm là trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại. Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này. • Nội dung chính: - Mọi chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được gọi là nguyên tử. - Nguyên tử là những hòn bi nhỏ, giữa chúng có lực hút và lực đẩy. - Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Khối lượng của các nguyên tử được so sánh với khối lượng nguyên tử Hydrogen chọn làm khối

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

lượng đơn vị ( đó là khối lượng tương đói mà sau này chúng ta gọi là nguyên tử lượng). - Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hết nhau, còn hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau. Như vậy chúng ta thấy cả Democrite và John Dalton đều cho rằng những nguyên tử không có cấu trúc, tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì thế người ta thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử. Cùng với sự phát triển của khoa học, các giả thiết của John Dalton được xem xét lại và người ta thấy rằng không phải nguyên tử là hạt không có cấu trúc mà ngay cả nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng có thể có tính chất khác nhau. 3.2. Lý Thuyết Nguyên Tử Amedeo Avogadro Một năm sau ngày Dalton phổ biến lý thuyết Nguyên Tử, Gay-Lussac đề cập đến lý thuyết về thể tích của các khí tác dụng. Cả hai lý thuyết của Dalton và GayLussac đã được Amedeo Avogadro sử dụng cùng với lý thuyết nguyên tử của chính ông để tính ra số phân tử và thể tích của các chất khí. Bá tước Amedeo Avogadro sinh năm 1776 tại Turin (nước Ý). Avogadro đã giả định là ngay cả những chất khí đơn giản như nitrogen, oxygen, hydrogen đều tồn tạo ở dạng phân tử hai nguyên tử như Dalton và sau này Becxeliut đã giả định. Khắc phục được khó khăn còn tồn tại trong lý thuyết của Dalton, Avogadro đã đưa lý thuyết nguyên tử - phân tử đi vào đúng quỹ đạo phát triển của nó. Đây là cơ sở tiến đến quan điểm có thể đếm số phân tử chứa trong một lượng chất nhất định. Số phân tử đó là một hằng số nếu lượng chất trong cùng một diều kiện về nhiệt độ, áp suất và cùng thể tích, còn chất khí đó là gì thì không cần biết. Tuy vậy, chúng ta sẽ xuất phát từ một khối lượng nhất định như thế nào để không cần phải nói đến điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Đó là phân tử gam hay còn gọi là mol. Cùng với sự đóng góp của Jodep Losmit (1821-1895) người Áo, Johan Đireich Van Dec Van (1837-1923) nhà vật lý người Hà Lan, Relay (1842-1919), Huân tước Kenvin (1824-1907). Lbriluanh, Peranh (1870-1942) người Pháp … đã xác định được giá trị của số Avogadro bằng 6,022169.1023/mol. Biết được giá trị số Avogadro, chúng ta đã biết thế giới vi mô một cách định lượng. Nó là cầu nối thế giới của chúng ta với thế giới vô cùng nhỏ. Nhờ sự phát triển của khoa học từ sau thời kỳ phục hưng cho đến cuối TK XIX, con người đã hiểu biết về cấu tạo của vật chất như oxygen, hydrogen, clo, sắt, đồng, urani,… và các hợp chất như muối, nước, rượu,.. nếu ta đem một hạt muối biển phân chia mãi cho đến khi không thể phân chia được nữa mà vẫn giữ các tính

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

chất của muối thì phân tử nhỏ nhất ấy được gọi là một phân tử muối. Phân tử lại do các nguyên tử cấu tạo nên. Ví dụ một phân tử muối cấu tạo bằng một nguyên tử clo và một nguyên tử natri. Một phân tử nước gồm hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen. Vào năm 1814, André Marie Ampère đã làm nhiều thí nghiệm và xác nhận kết quả của Avogadro nhưng thế giới khoa học thời bấy giờ đã làm ngơ trước lời loan báo của nhà khoa học người Pháp này. Năm 1818 khi chưa đến 40 tuổi, Joans Jakob Berzelius đã phổ biến một bảng gồm hơn 2,000 đơn chất và hợp chất, và đã kiểm soát lại một cách thực nghiệm các định luật của Dalton. Ông 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. Ông đã sử dụng quan điểm này để so sánh trọng lượng của các chất khí đang phản ứng. Thí dụ, ông có thể xác định rằng nguyên tử oxygen nặng gấp 16 lần nguyên tử hydrogen. Do thấy rằng nhiều chất kết hợp với Oxygen hơn, Berzelius đề nghị dùng Oxygen làm chất căn bản trong việc so sánh trọng lượng nguyên tử. Đây là một tiến triển đáng kể và thế giới khoa học chấp nhận liền ý tưởng này. Ông đã lập danh sách những trọng lượng nguyên tử tương đối này cho nhiều nguyên tố mà ông biết. Ông đã nghĩ ra kí hiệu cho các nguyên tố bằng cách sử dụng kí tự thứ nhất hoặc hai kí tự đầu tiên trong tên gọi Latin của chúng, hệ thống kí hiệu đó vẫn được sử dụng ngày nay. Kí hiệu cho hydrogen là H, cho oxygen là O, cho natrium là Na,... 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 H2O. 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 O2. Tới năm 1860, khi các nhà hóa học họp hội nghị tại Karlsruhe để tìm cách giải quyết các ngõ bí về phân tích hóa học thì Julius Lothar Meyer (1830 - 1895) , một trong các nhà hóa học hữu hạng, nhận được một bản thảo do Cannizzaro gửi đến. Stanislao Cannizzaro, giáo sư hóa học tại Đại Học Đường Gênes, đã viết ra tập “Phác họa về một Đường Lối Triết Lý Hóa Học”. Đây là các bài ghi lại những gì ông đã dạy cho các sinh viên hóa học tại Gênes từ năm 1854. Cannizzaro đã xác nhận lại lý thuyết của Avogadro hơn 40 năm về trước theo đó, ở cùng một nhiệt độ và dưới cùng một áp suất, các thể tích bằng nhau của nhiều chất khí có cùng một số phân tử.

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

Trước kia thế giới khoa học không quan tâm tới nhận thức của Avogadro nhưng đến nay, lời xác nhận lại của Cannizzaro lại được mọi người tán thành vì giới khoa học đang đi vào ngõ bí trong việc khảo sát nguyên tử và các phản ứng hóa học, vì sự ủng hộ của nhà hóa học nhiều uy tín Lothar Meyer và nhất là vì Cannizzaro đã đề cập tới một phương pháp cải biến từ tiêu chuẩn của Avogadro trong việc đo tỉ trọng của các chất khí. Avogadro trước kia đã dùng phân tử của Hydrogen làm đơn vị trong khi Cannizzaro lại đề nghị dùng phân nửa của phân tử tức là nguyên tử. Ý tưởng này đã khiến cho các nhà hóa học nhận thức được sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử, và lại biết rằng dù cho phần lớn các phân tử của nhiều đơn chất ở thể khí do hai nguyên tử tạo thành, nhưng chỉ có một nửa phân tử, tức là nguyên tử, tác dụng trong các phản ứng hóa học. Nhờ các định luật của Avogadro-Cannizzaro về chất khí, trọng lượng nguyên tử của nhiều đơn chất được tìm thấy và điều này khiến cho các nhà khoa học nghĩ đến việc xếp hạng các đơn chất theo trọng lượng nguyên tử. 3.3. Bảng hệ thống tuần hoàn hóa học của Mendeleev Khi người ta khám phá ra ngày một nhiều nguyên tố hơn, cái tiện lợi là nên bắt đầu lập danh sách chúng ở dạng kí hiệu trong một biểu đồ. 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. Do sự lặp lại hay tuần hoàn của kiểu phân bố này, nên biểu đồ của Mendeleev được người ta gọi là “Bảng tuần hoàn hóa học”. Thật ra, bảng tuần hoàn đó không đều lắm, vì có những “chỗ trống” trong bảng. Mendeleev dự đoán rằng cuối cùng người ta sẽ khám phá ra nguyên tố lấp đầy chỗ trống đó. 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. Trong các năm 1875, 1879 và 1886, 3 đơn chất mới được tìm thấy và các chất này được điền đúng vào 3 chỗ trống trong bảng, đó là các chất Gallium, Scandium và Germanium. Như vậy vào năm 1895 tức là sau 2500 năm, nguyên tử mới chính thức trở thành sự thật và các nhà khoa học đều công nhận lý thuyết của Democritus là đúng.

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

Lý thuyết nguyên tử của các nhà bác học ở thế kỉ XIX mới chỉ cho phép ta biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử. Câu hỏi tiếp theo cho các nhà khoa học là nguyên tử được cấu tạo như thế nào? Câu trả lời vấn đề này sẽ được tiếp tục giải quyết ở TK XX. 3.4. Sự phát hiện ra tia X Cuối TK XIX nhiều nhà Vật lý học đặc biệt là Crookes và Lenard đi sâu vào việc nghiên cứu hiện tượng phóng xạ trong không khí loãng. Năm 1895, Wilhelm Roentgen để ý thấy những tấm kính ảnh để gần một ống Crookes sẽ trở nên mờ đi do một số tia chưa biết, không nhìn thấy nào đó gây ra. Roentgen gọi những tia này là “tia X”, với chữ “x” là biến chưa biết trong toán học. Roentgen còn chứng minh việc sử dụng các tấm kính ảnh là một phương pháp chụp ảnh của những tia bí ẩn đó. Ông nhận thấy khi dùng tay của ông chặn tia X lại, chẳng hạn, xương trong bàn tay chặn được tia X nhưng da và các mô thì không. Các bác sĩ vẫn sử dụng tia X của Roentgen để chụp ảnh cơ thể con người. Kính ảnh trở thành thiết bị chuẩn đối với các nhà khoa học thuộc thời đại của Roentgen. 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. Khi ông mang kính ảnh ra, ông nhận thấy chúng bị mờ đi. Vì chẳng có cái gì khác ở trong ngăn kéo nữa, cho nên ông kết luận rằng uranium phải giải phóng một loại tia nào đó. Becquerel chỉ ra rằng bức xạ này không có tính đâm xuyên như tia X vì nó có thể bị giấy chặn lại. Chính nguyên tố uranium tự sinh ra bức xạ, một tính chất gọi là sự phóng xạ. Phần lớn qua nghiên cứu của Pierre và Marie Curie, người ta tìm ra thêm nhiều chất phóng xạ khác. 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. IV. Lý thuyết nguyên tử vào thế kỷ XX 4.1. Mẫu nguyên tử của Thomson • Nội dung của nguyên của Thomson Năm 1897, J.J. 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.

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

Năm 1902 Thomson đã đề xuất ra mô hình cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm có những electron nằm trong môi trường tích điện dương, phân bố đều đặn trong một thể tích hình cầu. Các electron có thể đứng yên hay chuyển động. Ở trạng thái ổn định chúng tạo thành nhiều lớp đồng tâm, mỗi lớp chứa một electron nhất định. Điện tích dương của môi trường và điện tích âm của các electron bằng nhau để đảm bảo tính trung hoà về điện của nguyên tử. 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. Cùng thời gian đó, một nhà vật lý người Nhật Bản là Hantaro Nagoaka đưa ra mô hình Sao Thổ của ông vào năm 1904. Mô hình này cho rằng vật chất mang điện tích dương của nguyên tử giống như Sao thổ, còn các điện tử mang điện tích âm thì chuyển động giống như các vòng đai của Sao Thổ. Mô hình này sẽ khồng bền vì điện tử sẽ mất năng lượng và rơi vào râm của nguyên tử Mô hình của Thomson được thừa nhận hơn mô hình của Nagoaka nhưng nó cũng chỉ đứng vững được vài năm cho đến khi nhà Vật lý người New Zealand là Ernest Rutherford (1871-1937) đưa ra mô hình nguyên tử của ông. 4.2. Mẫu nguyên tử của Rutherfor Năm 1896, Ernest Rutherford, một sinh viên của J.J. Thomson, bắt đầu nghiên cứu sự phóng xạ. Khi kiểm tra những nguyên tố khác nhau và xác định xem những loại chất liệu nào có thể chặn được bức xạ đi đến kính ảnh, Rutherford kết luận rằng có hai loại phóng xạ phát ra từ các nguyên tố. Ông đặt tên cho chúng bằng hai kí tự đầu tiên của bảng chữ cái Hi Lạp, alpha và beta. Bức xạ alpha gồm những hạt tích điện dương nặng gấp bốn lần nguyên tử hydrogen. Bức xạ beta gồm những hạt tích điện âm dường như giống hệt như các electron. Rutherford quyết định thử một thí nghiệm sử dụng hạt alpha. Ông bố trí một lá vàng mỏng với những tấm kính ảnh đặt xung quanh nó. Sau đó, ông cho các hạt alpha đi tới lá vàng. Phần lớn các hạt alpha đi thẳng qua lá vàng. Nhưng một vài hạt alpha không đi như vậy. Một vài hạt alpha bị lệch khỏi quỹ đạo thẳng của chúng. Rutherford viết rằng thật bất ngờ vì điều đó tương tự như bắn một viên đạn vào một mảnh giấy mà viên đạn bị dội ngược trở lại. 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.

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

Để giải thích hiện tường khuếch tán của mình, năm 1911, Rutherford đề ra mô hình nguyên tử có hạt nhân. Mẫu nguyên tử của Rutherford được xác định dựa trên sự tương tự giữa hệ thống nguyên tử và hệ thống Mặt Trời nên còn được gọi là mô hình nguyên tử hành tinh. Mô hình nguyên tử gồm: một hạt nhân mang điện tích dương có kích thước rất nhỏ, có khối lượng gần bằng khối lượng của cả nguyên tử, xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động trên những quỹ đạo khác nhau, tổng điện tích âm của các electron bằng điện tích dương của hạt nhân. So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết người ta phát hiện thấy một điều đặc sắc số hạt electron trong nguyên tử đúng bằng số thứ tự của nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Vậy mẫu nguyên tử Rutherford hoàn toàn khác so với mẫu nguyên tử Thomson. Sự thành công của Rutherford là xác minh được sự tồn tại của hạt nhân trong nguyên tử. Tuy nhiên với sự mô tả chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân, sự ứng dụng vật lí học kinh điển gặp những bế tắc và mâu thuẫn. Sự bế tắc này nói lên sự hạn chế của vật lý học kinh điển trong lĩnh vực nguyên tử. 4.3. Thuyết lượng tử Planck Năm 1900, nhà vật lí Max Planck đang nghiên cứu các quá trình ánh sáng và nhiệt, đặc biệt tìm hiểu bức xạ ánh sáng phát ra bởi một “vật đen”, một hộp lí tưởng có những thành phản xạ hoàn hảo. Người ta tưởng tượng những hộp này chứa những vật gọi là dao động tử hấp thụ và phát xạ ánh sáng và nhiệt. Cho đủ thời gian thì bức xạ phát ra từ một vật đen như vậy sẽ tạo ra một sự phân bố ánh sáng nhiều màu sắc gọi là quang phổ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật đen chứ không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó. Nhiều nhà khoa học đã nỗ lực đi tìm một mối liên hệ toán học dự đoán những dao động tử của một vật đen có thể tạo ra một sự phân bố phổ đặc biệt như thế nào. Max Planck đã tìm ra mối liên hệ toán học chính xác đó. Ông giả định rằng năng lượng hấp thụ hoặc phát ra bởi các dao động tử luôn luôn là bội số của một số “gói năng lượng” cơ bản mà ông gọi là một lượng tử. Các vật phát xạ hay hấp thụ năng lượng thành từng phần rời rạc, gọi là các lượng tử. 4.4. Mẫu nguyên tử bán cổ điển của Bohr Vào thời gian này, có một nhà vật lí đang nghiên cứu với Thomson và Rutherford tên gọi là Niels Bohr. Bohr nhận thấy rằng quan điểm lượng tử năng lượng có thể giải thích các electron trong nguyên tử sắp xếp như thế nào. Ông mô tả các electron đang “ở trên quỹ đạo” xung quanh hạt nhân giống hệt như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Vào tháng 7 năm 1913, Bohr công bố những ý

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

tưởng mới về nguyên tử và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân”. Bohr đi tới kết luận như sau: ông công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng ông đặt giả thuyết rằng các điện tử xoay với vận tốc đều trên các quỹ đạo cố định chung quanh nhân, nhưng không phát ra ánh sáng và vì vậy, không bị kéo về phía nhân. Tại các quỹ đạo này, các điện tử ở trong trạng thái ổn định nghĩa là năng lượng của chúng không bị thay đổi. Tuy nhiên vì các sự hỗn loạn do bên ngoài gây nên, chẳng hạn như sự đụng chạm hay bức xạ, các điện tử sẽ bị dời chỗ tạm thời để rồi trở về quỹ đạo cũ bằng cách nhẩy vọt và mỗi lần nhẩy vọt từ quỹ đạo ngoài vào quỹ đạo trong kế cận sẽ phát ra một quang tử (quantum) và quang tử này tiêu biểu cho sự khác biệt về năng lượng giữa quỹ đạo bên ngoài vừa từ bỏ và quỹ đạo bên trong vừa chấp nhận. Như vậy ánh sáng chỉ được phát ra trong trường hợp này mà thôi. 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. • Các tiên đề của Bohr: - Tiên đề 1: Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong trạng thái dừng các nguyên tử không bức xạ năng lượng điện từ. - Tiên đề 2: Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân trên các quĩ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng. Chỉ trong trường hợp này nó mới hấp thụ hay phát ra 1 bức xạ điện từ đơn sắc có tần số hoàn toàn xác định và mang một năng lượng là hν: hν = Em - En h: Là hằng số Planck Em, En : Năng lượng của electron ở trên hai quỹ đạo m, n. ν: Tần số của bức xạ điện từ mà nguyên tử phát ra. Ở trạng thái cơ bản: nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và các electron chuyển động gần hạt nhân nhất. Ở trạng thái kích thích: các nguyên tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài sẽ chuyển lên các trạng thái dừng có mức năng lượng cao hơn và các electron chuyển động trên các quỹ đạo xa hạt nhân hơn. 4.5. Mẫu nguyên tử của Sommorfold Để khắc phục những khó khăn của mẫu nguyên tử Borh trong việc giải thích quang phổ của kim loại kiềm (sự xuất hiện những vạch đôi) năm 1915, Sommorfold (1868-1951) người Đức phát triển thêm mẫu nguyên tử Bohr như sau:

N gọ

âm

An h

-H óa

Ngoài các quỹ đạo tròn, ta phải xét đến các quỹ đạo elip. Ứng với một giá trị năng lượng En có thể có nhiều quỹ đạo elip khác nhau hay momen quỹ đạo (momen động lượng của các electron trên các quỹ đạo đó cũng khác nhau). Kết quả là năng lượng của electron vẫn được tính như trên, nhưng quy luật lượng tử hóa momen quỹ đạo đã khác.

Tố n

Sự phát triển của thuyết nguyên tử V. Cấu trúc nguyên tử theo cơ học lượng tử 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. Bước sang năm 1920, với nghiên cứu của Louis de Broglie, thì bức tranh này đã thay đổi hẳn. De Broglie chứng minh rằng những hạt như electron thỉnh thoảng có tính chất sóng. Chẳng hạn, nếu như sóng nước được tạo ra bởi hai nguồn, thí dụ thả rơi hai hòn sỏi xuống một hồ nước, thì những con sóng có thể giao thoa với nhau. Điều này có nghĩa là những đỉnh sóng cao cộng lại tạo thành những đỉnh sóng cao hơn. Những chỗ lõm cộng lại tạo ra những vùng lõm hơn. Khi cho các electron đi qua một khe đôi, với một số electron đi qua một khe và một số electron đi qua khe kia, thì chúng tạo hai nguồn. Các electron thể hiện sự giao thoa này, tạo ra một hệ vân trên màn ảnh hứng. Khả năng của electron và những hạt khác thỉnh thoảng thể

Tố n

N gọ

âm

An h

-H óa

hiện tính chất hạt và thỉnh thoảng thể hiện tính chất sóng được gọi là lưỡng tính sóng hạt. 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. Các electron có những mức năng lượng rời rạc khác nhau, nhưng chúng không tuân theo những quỹ đạo tròn. Năm 1925, Werner Heisenberg đã phát biểu rằng tốc độ và vị trí chính xác của một electron là không thể biết đồng thời. “Nguyên lí bất định Heisenberg” này đã kích thích Erwin Schrödinger nghĩ ra một phương trình tính xem một electron với một năng lượng nhất định chuyển động như thế nào. 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. Vùng xác suất này được gọi là orbital. Các electron chuyển động quá nhanh bên trong những orbital này cho nên chúng ta có thể hình dung chúng bị mờ đi thành một đám mây electron. Các electron di chuyển từ orbital này sang orbital khác bằng cách hấp thụ hoặc phát xạ một lượng tử năng lượng, giống như Bohr đã giải thích. Quỹ đạo xác định trong mô hình Bohr được thay bằng một quỹ đạo xác suất, trên đó điện tử có thể được tìm thấy với một xác suất nhất định. Quỹ đạo khả dĩ hay là trạng thái khả dĩ của điện tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử. Sự sắp xếp của các điện tử trong nguyên tử tuân theo nguyên lý Aufbau, tức là các điện tử sẽ chiếm các trạng thái có năng lượng thấp nhất. Nhưng chúng phải thỏa mãn nguyên lý loại trừ Pauli nói rằng không thể có nhiều hơn hai điện tử trong nguyên tử ở các trạng thái năng lượng có bốn số lượng tử giống nhau. Sau đó chúng phải thỏa mãn quy tắc Hund phát biểu rằng các điện tử sẽ chiếm quỹ đạo sao cho có số quỹ đạo nhiều nhất đối với một điện tử. Quy tắc Hund được Friedrich Hund (1896-1997) đưa ra khi tính đến lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tử trên một quỹ đạo. Năm 1928, Dirac (1902-1984) nhà bác học người Anh, nêu lên nhận xét về một số thiếu xót trong phương trình Schrodinger, cụ thể là nó phù hợp với lý thuyết tương đối. Ông đã xây dựng nên những phương trình cơ học lượng tử tương đối tính. Theo thuyết của Dirac, ngoài việc quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân, electron còn tự quay quanh trục của nó. Các chuyển động của điện tử đã được hiểu rõ nhưng nhân nguyên tử còn trong vòng bí ẩn. Từ năm 1902, các nhà khoa học đã biết đến dương điện tử (protons) và vào năm 1914, Rutherford cho rằng nhân nguyên tử có chứa loại dương điện tử này. Năm 1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick đã khám phá ra bên trong nhân có các hạt điện tử không mang điện tích, được gọi là trung hòa tử (neutrons) rồi vào thập niên 1930, các máy gia tốc hạt

nguyên tử (particle accelerators) được chế tạo để khảo sát về nhân nguyên tử, với chiếc máy đầu tiên cyclotron do nhà vật lý người Hoa Kỳ là Ernest O. Lawrence. Như vậy, cơ học lượng tử đã cho ta một hình ảnh chính xác về cấu trúc của một nguyên tử. Nguyên tử là một hệ thống gồm có hạt nhân là trung tâm và các electron phân bố quanh hạt nhân theo các quy luật xác suất thống kê lượng tử, chứ chúng không chuyển động theo quỹ đạo nào cả. Về mặt hình thức có thể hình dung electron bao quanh hạt nhân như một “đám mây xác suất” – nơi nào sự có mặt của electron thường xuyên hơn thì nơi đó xác suất tìm thấy electron lớn hơn các nơi khác. Nơi nào không có electron thì xác suất tìm thấy nó phải bằng không.

-H óa

KẾT LUẬN

âm

An h

Quá trình phát triển của cấu trúc nguyên tử diễn ra trong sự đấu tranh dai dẳng giữa những tư tưởng duy vật và duy tâm. Tư tưởng duy vật và duy tâm đã từng có lúc có vai trò tích cực thúc đẩy sự phát triển của khoa học. Nhưng chúng chỉ phản ánh một khía cạnh nào đó của hiện thực khách quan, tới một lúc nào đó thì vai trò tích cực của chúng không còn, chúng trở thành trở ngại đối với khoa học. Chỉ có chủ nghĩa duy vật biện chứng mới tạo ra được một cơ sở của tư tưởng và phương pháp đúng đắn để cho khoa học phát triển một cách vững chắc và mạnh mẽ.

N gọ

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.

Tố n

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 của những đám mây electron. 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.

TÀI LIỆU THAM KHẢO I. TÀI LIỆU TRONG NƯỚC

1. Đào Đình Thức, Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tập 1, NXB Giáo dục Việt Nam.

2. Thái Khắc Định – Tạ Hưng Quý, Vật lý nguyên tử và hạt nhân, NXB ĐHSP TP.HCM (2001).

-H óa

3. Đào Văn Thúc, Lịch sử vật lý, NXB Giáo dục (2003). II. TÀI LIỆU WEBSITE

https://vi.wikipedia.org/wiki/Nguyên_tử

http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/nguyen-tu-hat-nhan/1470-thuyet-nguyen-tu-phan-1

http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/nguyen-tu-hat-nhan/1470-thuyet-nguyen-tu-phan-2

https://www.maxreading.com/sach-hay/lich-su-cac-phat-minh/lich-su-nguyen-tu-2500.html

Tố n

N gọ

âm

An h