Bài giảng Điện học (Phần3) 1.3 Nguyên tử Tôi đi tới chỗ xem nguyên tử là người bạn xinh đẹp, khó tính, có màu xám hoặc màu đỏ tùy theo cảm nhận. Rutherford Thuyết nguyên tử NgườiHi Lạp chịu rất nhiều ápbức tronghai thiên niên kỉ qua: bị người La Mã thống trị,bị ức hiếp trongcuộcthập tự chinh bởi nhữngkẻ thánh chiến đi đến và đến từ Miền đất hứa,và bị người Thổ Nhĩ Kì chiếm đóng mãi cho đếngần đây. Không có gìngạc nhiênkhimà họ thích nhớ tới những ngày thánglộn xộn đó, vào lúc những nhà tư tưởng lỗi lạc nhấtcủa họ đã tiến rất gần tới cácquan niệm như nền dân chủ và thuyếtnguyêntử. Hi Lạp trở lạidân chủ sau mộtgiai đoạn độc tài quân sự,và hìnhnguyên tử được inmột cách hãnhdiện trênmột trong những đồngtiền củahọ. Đó là lí do vì sao khiến tôixúc động phải nói rằnggiả thuyết Hi Lạp cổ đại rằng vật chất cấu thành từ các nguyêntử làmột côngtrình dự đoán thuần túy. Không cóbằng chứng thựcnghiệm thực tế nào cho các nguyên tử, và sự hồi sinhkhái niệm nguyên tử vào thế kỉ thứ 18 bởi Dalton có íttínhchất Hi Lạp hơntên gọi, có nghĩalà “khôngthể chia tách”. Thậmchí tiếng tăm Hi Lạp còn bị sứt mẻ nhiều khi tên gọiđó được chỉ rõ là khôngthích hợp vào năm 1899,lúc nhà vật lí J.J. Thomsonchứngminh bằngthực nghiệm cho thấy các nguyên tử có những thứ còn nhỏ hơn nữa bên trong chúng,tức là chúng có thể chia tách ra được(Thomson gọi chúng là “electron”). Sau cùngthì “khôngthể phân tách” là cóthể phân tách được. Nhưng hãy tiếp tục câu chuyện của chúng ta. Điều gìđã xảy ra với khái niệm nguyêntử trong hai ngàn năm ở giữa ? Nhữngngười có họcthức tiếp tụcbàn luận ý tưởng đó,và nhữngngười yêu thíchnó có thể thường sử dụng nó để manglại những lời giải thíchhợp lí cho nhiều sự việc vàhiệntượng khác nhau.Một thực tế được giải thích dễ dàng là sự bảo toàn khối lượng.Ví dụ, nếu bạn trộn 1kg nước với 1kg bụi đất, bạn sẽ có chínhxác 2kgbùn, không hơn không kém.Điều tương tự đúngcho nhiềuquá trìnhnhư sự đôngđặc của nước, lên menbia, hoặc nghiền sa thạch. Nếubạn tin vào các nguyên tử, thì sự bảo toàn khối lượngmanglại sự cảm nhận đầy đủ, vì tất cả những quátrình này có thể xemlàsự trộn lẫn hoặcbố trí lại các nguyên tử,chứ không làmthay đổitổngsố nguyên tử.Tuy nhiên, đây vẫn chẳng phải là bằngchứng chothấy nguyên tử tồn tại. Nếu cácnguyêntử thật sự tồn tại, thì có những loại nguyên tử gì, và cái gì phân biệt rõnhững loại khác nhau đó ? Chúng có kích thước, hình dạng, trọng lượng và một số đại lượng khác không ? Hố ngăncáchgiữa thuyết nguyên tử cổ đại và hiện đại trở nên hiển hiệnkhi chúngta xétđến những nghiên cứusơ khai đã có về vấn đề này cho đếnthế kỉ hiện nay.Nhữngngười cổ đại quyết định có bốn loại nguyêntử, đất, nước, không khí và lửa; quanđiểm phổ biến nhất chorằngchúng phân biệt nhauở hình dạngcủa chúng.Các nguyên tử nước có hìnhcầu, nên nước có khả năng chảy mộtcách êm đềm.Các nguyên tử lửa có nhữngđiểm sắc nhọn, đó là lí do vì sao lửa làm đaukhinó chạm vàoda mộtngười nào đó (Khôngcó khái niệmnhiệt độ mãi cho đến haingànnăm saunày). Cáchhiểu hiện đại khác một cách cơ bản về cấu trúc của nguyên tử thu được trong giai đoạn cách mạng 10năm từ 1895 đến 1905. Mục tiêu chính của chương nàylà mô tả nhữngthí nghiệm trọng yếu đó. Bạn có bao giờ nghe nói tới thuyết nguyên tử chưa ? “Bạn làthứ bạn ăn”. Câu nói hiện đại lém lĩnhđó ít nhiều mang cáchhiểu nguyêntử về sự tiêu hóa.Xét chocùng thì sự tiêu hóa là một bí ẩn thú vị vào thời cổ đại,và các nền văn hóa tiền hiện đại thường tinrằngsự ăn cho phépbạn giải phóngmột số dạng “lực sự sống” khỏi thực phẩm. Chuyện thần thoại đầydãy những nănglực trừu tượngnhư sự canđảm hoặcsự ô uế lễ nghi có thể đivào cơ thể bạn thôngqua thựcphẩmmàbạn ăn.Trái với nhữngquan điểm siêu nhiên này, những nhà nguyên tử luận cổ đại cómột cách hiểu hoàn toànmang tính tự nhiên về sự tiêu hóa. Thức ăn cấutạo từ các nguyên tử,và khibạn tiêu hóa nó, bạnđã đơn giản là phóngthích một số nguyên tử ra khỏi nó và sắp xếp chúngvào những hợp chất cần thiết chocác môcơ thể của bạn. Các nhàkhoa học xaxưa tiến bộ hơn và các nhà khoahọc thời phụchưngyêu thích loại giải thíchnày. Họ nónglòng cởi trói cho mối ràng buộclên trungtâm của nềnvật lí Aristotle(vàphiên bản thân nhà thờ, thêm mắm dặm muối của nó, tức triết họckinh viện),theo quan điểm của họ nền vật líđó cóquá nhiều tínhchấthuyền bí và “mục tiêu” cho các vật.Ví dụ, trường pháiAristotlegiải thích nguyên nhânhòn đá rơi trở lại đấtlà vì đó là “bản chất” hay“mụctiêu” của nó phải đến nằmnghỉ trên mặt đất. Tuy nhiên, nỗ lực có vẻ ngây thơ nhằm giải thíchsự tiêu hóa một cách tự nhiêncuối cùng khiếncác nhànguyên tử luận gặp rắcrối tovới Giáohội. Vấn đề là ở chỗ thánhlễ quan trọng nhất của nhà thờ gồm ănbánh mìvà rượu và nhờ đó mà nhậnđược tác động siêu nhiêncủa sự thathứ cho tội lỗi. Đề cập đến nghi lễ này, học thuyết hóathể khẳng địnhrằng phúc lànhcủa bánh mìvà rượu thánhthể đúng là chuyển hóa thành máu vàthịt củaChúa. Thuyếtnguyêntử được nhận thức là mâu thuẫn với thuyếthóathể, vì thuyết nguyên tử phủ nhận phúc lànhcó thể làm thayđổi bản chất của các nguyên tử. Mặc dù thôngtin lịchsử cung cấp trong đasố sách giáo khoakhoahọc nói về galileo miêu tả sự bất đồng của ôngvới Tòa án dị giáo là khơi mào cuộc tranhluận xem Trái Đất có chuyển động haykhông,nhưng một số nhà sử học tin rằng sự bị trừng phạt của ôngcó nhiều thứ để tìm hiểu hơn là sự biện hộ của ôngcho thuyết nguyên tử làm lật đổ thuyết hóathể. (Nhữngvấn đề khác ở trong trạngthái phứctạp làphong cách đối đầucủa galileo,vấnđề vũ trangcủa Tòathánh,và tin đồn cho rằng nhân vật xuẩn ngốc trong tác phẩm của Galileo là ám chỉ đức giáohoàng)Trong mộtthời gian dài, niềm tin vào thuyết nguyêntử đóng vai tròlà biểu hiện của sự khôngtheo lề thói đối với các nhà khoa học, mộtcáchkhẳng định sở thích hiểu hiện tượng theolẽ tự nhiên chứ khôngphải siêu nhiên. Sự tán thành thuyết nguyêntử của Galileovà Newton là một hoạt động nổi loạn, giốngnhư sự chấp nhận của các thế hệ sau này về học thuyết Darwin và Marxism. Một mâu thuẫn khác giữa triết họckinh viện và thuyết nguyêntử đếntừ cái nằm giữa cácnguyêntử. Nếubạn hỏi một người hiện đại câu hỏi này, họ sẽ có thể trả lời “khôngcó gì cả” hoặc “không giantrốngrỗng”. Nhưng Aristotle và những người kế tục sự nghiệp của ôngtinrằng khôngthể nào cókhônggian trống rỗng, tức chân không, như thế được. Đó không phải làmột quan điểm vô lí, vì không khí có xuhướngtràn vàobất kìkhônggian nào mà bạnmở ra,và câu hỏi đó tồn tại mãi chotớithời kì phục hưng khingười ta chỉ ra được cách tạo ra chânkhông. Nguyên tử, ánh sáng, và mọi thứ khác Mặcdù tôi có khuynh hướnggiễu cợtcácnhà triếthọc HiLạp cổ đại như Aristotle,nhưnghãy dành ra mộtchút để tán dương ôngvề một số điều. Nếu bạn đọc các tác phẩmcủa Aristotle về vật lí (hoặcchỉ xem lướtqua chúng,giống như tôi đã làm), thì điều thu hút sự chúý nhấtlà mức độ cẩn thậnkhiông phân loại hiện tượngvà phântích mối quan hệ giữa cáchiện tượng. Não người hình như tự nhiênthực hiệnđược sự phânbiệt giữahailoại hiện tượng vật lí: các vật và chuyển động của các vật. Khi một hiện tượng xảy ra tự nó không tức thời là một trong những loại này, thì có một xuhướng mạnh mẽ là quan niệmhóa nó là loại này hoặc loạikia, hoặcthậmchí bỏ qua sự tồn tạicủa nó hoàn toàn.Chẳnghạn,các thầygiáo vậtlí hay rùngmìnhtrướcphátbiểu củahọc sinh rằng “thuốc nổ phátnổ, và lựcgiải phóng khỏi nó theo mọi hướng”. Trong nhữngví dụ này, khái niệm phi vật chất củalực đượcphân loại ngầmnhư thể nó là một chất vật lí. Phát biểu “lên dây cót chiếc đồng hồ làm lưu trữ chuyển động tronglò xo” là mộtsự thiếu phân loại củanănglượng điện dưới dạng chuyểnđộng. Một ví dụ bỏ qua sự tồn tại của hiện tượnghoàn toàn có thể gợi ra bằng cách hỏi mọi ngườitại saochúng ta cần đến bóngđèn.Câu trả lời thường là“đèn rọi sángcăn phòngđể cho chúngta có thể nhìn thấy mọi thứ”,không chú ýtới vaitròthiết yếu của ánh sáng đivào mắt chúng ta đến từ nhữngthứ được rọi sáng. Nếu bạn yêu cầu một ai đó nói cho bạn biết ngắngọn về các nguyên tử, câu trả lời có khả năng là “mọithứ cấu thànhtừ các nguyên tử”, nhưngbây giờ chúng ta thấy hiển nhiên là từ “mọi thứ” trong phátbiểunày không còn thích hợp nữa. Đối với các nhà khoa học của những năm đầu thập niên 1900, nhữngngười đang cố gắngkhảo sát nguyên tử, đây không phải là một địnhnghĩa tầm thường. Đã có một dụng cụ mới gọi tên là ống chânkhông,giống như ống phónghình trong ti vi ngày nay. Tóm lại, những người thợ hàn điệnđã phát hiện ra toàn bộ nhóm hiện tượng xảy rabêntrong và xungquanh ống chân không, vàđặt chochúng những cái tên hoa mĩ như “tia X”, “tia catôt”, “sóngHertz”, và “tia N”. Đây là những loại quan sát cuốicùng cho chúngta biết chúng ta biếtgì về vật chất, nhưng sauđó cũng phát sinh những cuộc tranhluận nảylửa xemchínhnhững đốitượng này có phải là những dạng vật chấthay không. Chúng tahãy xemmứcphân loại các hiện tượng do các nhà vật lí củanăm 1900 sử dụng. Họ ghi nhận ba loại: Vậtchất có khối lượng, có thể có động năng, và có thể chuyển độngtrong chân không,mang theokhối lượng củanó vàđộng năng theonó. Vật chất đượcbảo toàn,cả bảo toàn khối lượngvà bảo toàn số nguyêntử của từng nguyên tố. Các nguyêntử không thể chiếm cùng khoảng khônggian như các nguyêntử khác, nên cách thuận tiệnkhảosát cái gìđó không phải làvật chấtlà chỉ ra nó có thể truyền qua một chất rắn,trong đó các nguyên tử nhồi nhétrất gầnnhau. Ánh sáng không có khối lượng,luôn luôn cónăng lượng, và cóthể truyền qua chân không,mang theonăng lượng cùng với nó.Haichùm tia sáng cóthể xuyênqua nhau và hiện ra khỏi chỗ vachạmmà không bị suy yếu, lệch hướng, hoặc bấtkì ảnhhưởngnàokhác. Ánh sáng có thể đi xuyênqua những loại chất nhất định,ví dụ như thủy tinh. Loại thứ ba là mọi thứ không phù hợp với địnhnghĩa ánhsánghoặc vật chất. Ví dụ thuộc loại này có thời gian,vận tốc, nhiệt, và lực. Nguyên tố hóa học Làm thế nào người ta khámphá đượccó baonhiêu loại nguyên tử gì ?Ngày nay, việc tiếnhành mộtchương trình thực nghiệm nhằm phân loạicác loại nguyên tử không phải là việcgì quá khó. Đối với từngloạinguyên tử,phải cómột nguyên tố tươngứng,tức là một chất tinhkhiếtcấu tạo từ không gì hơn ngoài loại nguyên tử đó. Các nguyên tử được cho là không thể chiatách được, nên mộtchất như sữa chẳng hạn không có khả năng là cơ bản, vìkhuấy mạnh nó sẽ làm nó tách thànhhai chất khác nhau: bơ và nước sữa. Tương tự, gỉ sét không thể là một nguyên tố, vì nó có thể được tạo ra bằng sự kết hợp haichất: sắt và ôxi.Bất chấp tính hợp lí hiển nhiêncủa nó, không cóchương trìnhnào như thế được thựchiện mãi cho đến thế kỉ thứ 18. Người cổ đại cólẽ không làmthế vì quan sátkhôngđượcchấp nhận rộng rãi làphương pháp đúng đắn để trả lời câu hỏi tự nhiên, và cũng vìhọ khôngcó trong tay những kĩ thuật cần thiết hoặc những kĩ thuật đó thuộcvề lĩnh vực lao độngcó địa vị xã hội thấp, ví dụ như thợ rèn và thợ mỏ. Cácnhà giả kimthuật bị ngăn cảnbởitiếng tăm của thuyết nguyêntử lật đổ và bởi xuhướng nghiêng về chủ nghĩa thầnbí vàhuyễn hoặc. (Thách thức nổi tiếngnhất mà các nhà giả kim thuật đối mặt là biến chì thành vàng, ngày naychúng ta biết điều đó là khôngthể được, vì chìvà vàng đềulà các nguyên tố). Tuy nhiên, vào năm 1900, các nhà hóa học đã thực hiện đượcmột việc hợp lí khámphá xemnguyên tố là cái gì. Họ cũng xác địnhđược tỉ số khối lượngcủa các nguyêntử khác nhaumột cách khá chính xác.Phươngpháp tiêubiểu là đo bao nhiêu gamnatri (Na)kết hợp với một gam chlorine(Cl) tạora muối(NaCl). (Đấy là đã giả sử bạn đã biết dựa trênmột bằng chứng khác rằngmuối cấu tạo gồmsố nguyêntử Na và Cl bằng nhau) Khối lượng củatừngnguyêntử, khisosánh với tỉ số khối lượng,được biết chỉ trong vài bậc độ lớn dựatrên bằng chứnggián tiếp, và nhiều nhà vậtlí và hóa học phủ nhận rằng từng nguyên tử chẳnglà cái gìkhác hơn ngoài những kí hiệucho tiện lợi. d/ Khối lượngmột số nguyêntử so với khốilượng nguyên tử hydro.Chú ý là một số giá trị rất gần với số nguyên, nhưng không hoàn toàn là số nguyên. Ý nghĩa của các nguyên tố Khi thông tin chất đống, tháchthức là tìm một cách thức hệ thốnghóa nó; óc thẩmmĩ củacác nhà khoahọc hiệnđại không ưa những thứ lộn xộn. Sự hỗn tạp này củacác nguyên tố là mộtsự lúng túng.Một nhàquansát đương thời, William Crookes,đã mô tả các nguyên tố mở ra“trướcchúng ta rộng như Đại TâyDương trải ratrướccon mắt đăm chiêu của Columbus,chế giễu, châm chọc, và thì thầm những điều lạ lùng, và từ trước đến naykhôngai cóthể giải quyết được”. Không bao lâusau, người ta bắt đầu nhận thấy rằng nhiều khối lượngnguyên tử rấtgần với bội số nguyên của khối lượngnguyên tử hydro, nguyêntố nhẹ nhất. Một vài người dễ kích động bắt đầu chorằnghydro là viên gạch cấu trúc cơ bản,và những nguyêntố nặnghơn cấu thànhtừ nhiều cụm hydro. Tuy nhiên,không bao lâu sau thì những phépđo chính xáchơn đã bác bỏ luận điệu đó của họ, chúngcho thấy khôngphải tấtcả các nguyêntố đều cókhối lượng nguyên tử gần vớibội số nguyêncủa khối lượnghydro,và những trườnghợp gầnvới bội số nguyêncủa hydro cũng bị sai lệch một phần trăm hoặc ngần ấy. e/ Bảng tuần hoànhóa họchiện đại. Các nguyên tố trong cùngmột cột có tính chất hóa học giống nhau. Số nguyêntử hiện đại,sẽ nói tới trong phần 2.3, không được biết tới vào thời của Mendeleev,vì bảngcó thể lật theonhững cách khác nhau. Giáo sư hóa học DmitriMendeleev, trongkhi soạn bài giảng của ôngvào năm 1869, muốn tìm một số cách tổ chức kiến thức của ôngcho sinh viêncó thể dễ hiểu hơn. Ông viết tên của tất cả các nguyên tố lên những tấm thẻ vàbắt đầu sắpxếp chúng theonhững cách khácnhau trên bànlàm việc của ông,thử tìm mộtsắp xếp dễ nhớ. Sự sắp xếp hàng-cộtông nêu ra về cơ bản là bảng tuần hoàn hóahọc hiện đại của chúng ta.Các cột của phiênbản hiệnđại biểu diễncác nguyên tố có tính chất hóahọctươngtự nhau, vàmỗi hàng phíadướithìnặnghơnhàngphía trên nó. Ngang quatừng hàng,hầu như luôn luôn đặtcác nguyên tử trong chuỗi khối lượng tăng dần. Cái gì khiếncho hệ thống có giá trị tuần hoàn của nó. Có ba chỗ Mendeleev phảibỏ trống trong bảngsắp xếp của ôngđể giữ các nguyên tố giống nhau về mặt hóa họcnằm trongcùng mộtcột. Ông tiên đoán sẽ tồn tại những nguyêntố lấp đầy những chỗ trống này, và ngoại suy hoặcnội suytừ những nguyêntố khác trongcùng cột đó,dự đoán những tính chất dạng số củanó, ví dụ như khối lượng, điểm nóng chảy, và tỉ trọng. Tiếngtăm của Mendeleevtrở nên lẫy lừng khibanguyên tố của ông (saunày đượcđặt tênlà gallium,scandium,và germanium) được tìmthấy và có tínhchất rất gần với tínhchất ông dự đoán. Một điều mà bảng tuần hoànMendeleev làmsáng tỏ là khối lượng không phải là đặc trưng cơ bản phânbiệt các nguyên tử thuộc nhữngnguyên tố khác nhau. Để thiết lập công trìnhbảng tuần hoàn của mình, ông đã phải đi xakhỏi việc sắp xếpcó trật tự các nguyêntố hoàn toàn theo khối lượng. Chẳnghạn, nguyên tử iodinenhẹ hơn tellurium,nhưngMendeleevphải đặt iodine sau telluriumsao cho nó nằmchung cột với các nguyên tố có tính chất hóa học tương tự. Bằng chứng trực tiếp cho thấy nguyên tử tồn tại Thànhcông của lí thuyết độnglực học củanhiệt đã manglại bằngchứng mạnhmẽ cho thấy, ngoài chuyển độngcủa vật nói chung, còn có mộtloại chuyển độngkhôngnhìn thấy ở khắp nơi xungquanhchúng ta:chuyển động ngẫu nhiên của cácnguyêntử bên trongmỗi vật. Nhưng nhiều kẻ bảothủ không bị thuyết phục rằng cácnguyêntử thật sự tồn tại. Xétcho cùngthìchưa aitừng nhìn thấy một nguyên tử cả. Mãi chođến khithuyết nhiệt động lựchọc được phát triển chứng minhthuyết phục rằngcác nguyên tử thật sự tồn tại và chúng thamgia vào những chuyểnđộng liên tụckhôngbao giờ ngưngnghỉ. Phát đạnchứng minh nguyên tử một cách trừu tượng hơn về mặt toán học phátnổ khimột số quan sátcũ kĩ, mờ mịt được xemxét lại bởi một viên thư kí khôngtiếngtăm gì ở phòngđăng kí phát minh ThụySĩ tên là AlbertEinstein. Nhà thực vật học Brown, sử dụng một chiếc kínhhiển vilúc nócòn là mộtsản phẩm nghệ thuật vàonăm 1827, quansát nhữnghạt phấn hoa nhỏ xíu trong một giọt nước nằm trên bàn soi hiểnvi và nhận thấy chúng nhảy nhót một cách ngẫu nhiên khôngvì lí do gì rõràngcả. Banđầu,nghi ngờ rằng phấn hoa mà ôngcho là đã chết thật sự còn sống,ôngthử quan sát các hạt bồ hóng, và nhận thấy các hạt bồ hóng cũng chuyểnđộng lộn xộn.Kết quả tương tự xảy ravới bấtkì hạtnhỏ nào khác lơ lửng bên trong chất lỏng. Hiện tượng đó được gọi là chuyển độngBrown, vàsự tồn tại của nóđược nhiều thế hệ xemlà mộtsự kìquặcvà là mộtthựctế hoàn toàn khôngquan trọng, chỉ là một điều phiềntoái cho cácnhà hiểnvi học. Mãi chotớinăm 1906,Einsteinmớitìm ra được lờigiải thíchđúngđắn cho quan sát của Brown:các phân tử nước ở trạng thái chuyểnđộng ngẫu nhiên liên tục, và vachạmvới hạt phấn hoa ở mọi lúc, sút nó đi theo mọi hướng.Saucả một thiên niên kỉ nghiên cứu về nguyêntử, cuối cùngđã có mộtbằng chứng chắc chắn. Tính toán của Einstein xuatanmọi nghingờ,vì ông có thể đưa ra những tiên đoán chínhxác về những thứ như quãng đườngtrung bình mộthạt đi đượctrong một khoảng thời giannhấtđịnh. (Einsteinnhận giải thưởng Nobelkhông cholí thuyết tương đối của ông màcho những bài báocủa ông về chuyển độngBrown vàhiệu ứng quangđiện). Câu hỏi thảo luận A. Làm thế nào từ sự hiểu biết kích thước của một nguyên tử nhôm cóthể suy ra ước tính khối lượngcủa nó, vàngượclại? B. Làmthế nào người tacó thể kiểm tra cáchgiải thích củaEinsteincho chuyển động Brownbằng cách quansát nó ở những nhiệt độ khác nhau? . Bài giảng Điện học (Phần3 ) 1.3 Nguyên tử Tôi đi tới chỗ xem nguyên tử là người bạn xinh đẹp, khó tính, có màu. vào thời của Mendeleev,vì bảngcó thể lật theonhững cách khác nhau. Giáo sư hóa học DmitriMendeleev, trongkhi soạn bài giảng của ôngvào năm 1869, muốn tìm một số cách tổ chức kiến thức của ôngcho. đasố sách giáo khoakhoahọc nói về galileo miêu tả sự bất đồng của ôngvới Tòa án dị giáo là khơi mào cuộc tranhluận xem Trái Đất có chuyển động haykhông,nhưng một số nhà sử học tin rằng sự bị trừng