Bài giảng Điện học (Phần6) 1.6 Mô hình bánh bông lan rắc nho của nguyên tử Dựa trên thí nghiệm của ông,Thomsonđề xuất mộtbức tranh của nguyêntử trở nên nổi tiếng là mẫu bánhbônglan rắc nho.Trongnguyên tử trung hòa, l, có4 electronvới điện tích tổng cộng -4e, nằm trong một hìnhcẩu (“bánhbông lan”) có điện tích+4e rải đềuqua nó. Người ta đã biết rằng các phản ứng hóa học không thể biến đổi nguyên tố này thànhnguyêntố khác, nêntrongngữ cảnhcủa Thomson, mỗiquả cầu bánh của nguyên tố có một bán kính,khối lượng, vàđiện tích dương cố địnhvĩnhcửu, khác với quả cầubánh của nguyên tố khác. Tuy nhiên, các electronkhôngphải là đặc điểm cố định củanguyên tử và có thể được nhận thêm hoặc lấybớt để hình thành nên các iontích điện. Ví dụ,mặcdù ngày nay chúng ta biết rằng nguyên tử trung hòacó bốn electronlà nguyên tố beryllium, nhưng các nhà khoahọcthời đó không biết cóbao nhiêu electroncó trongnhững nguyên tử trung hòakhác nhau. l/ Mô hình bánh bông lanrắc nhocủa nguyên tử với bốn đơn vị điện tích, ngày nay chúng ta biết đây là beryllium. Mô hình nàyrõ ràng làkhác với mô hình mà bạn đã học ở trường phổ thông hoặc quanền văn hóa cộngđồng củabạn, theo đó điện tíchdươngtập trungtại hạt nhânnhỏ xíu nằm ở chính giữa nguyên tử. Một thayđổi không kém phần quan trọng trong ý tưởng về nguyên tử là sự nhận thức rằng nguyên tử và nhữnghạt hạ nguyêntử thành phần củanó xử sự hoàn toàn khácvới các vật có kích thước hàng ngày. Chẳng hạn,chúngta sẽ thấy trongphầnsau rằngmột electroncó thể ở nhiều hơnmột nơi tại một thờiđiểm.Mô hình bánh bông lanrắc nho là mộtphần của truyền thống lâu dài cố gắng tạo ra mô hìnhcơ giới của các hiện tượng,và Thomsoncùngnhững người đươngthời của ông chưabao giờ đặt vấn đề sự thích đáng của việcxây dựngmột môhình nguyên tử như mộtcỗ máy với nhữngbộ phận nhỏ bêntrong nó.Ngày nay,môhình cơ giới của nguyên tử vẫn được sử dụng(ví dụ như bộ lắp ráp mô hình phân tử kiểu đồ chơi mà Watsonvà Crick đã sử dụng để tìm hiểu cấu trúcxoắn kép củaDNA), nhưng các nhà khoahọc nhận thấyrằng các đối tượng vật chất chỉ là sự trợ giúp choquá trìnhxử lí hình ảnh và biểutượng của não nghĩ về các nguyên tử. Mặcdù khôngcó bằngchứngthực nghiệm rõràng nào cho nhiều chi tiết của mô hình bánh bông lanrắc nho,nhưng các nhà vật lí vẫntiến lên và bắtđầu nghiên cứu những hàm ý của nó. Vídụ, giả sử bạn có một nguyêntử 4 electron.Cả 4 electronsẽ đẩy lẫn nhau, nhưngchúng cũngđều bị hút về phíatâm củaquả cầu “bánh”. Kếtquả sẽ là mộtsố dạngsắp xếp đối xứng, ổnđịnh, trong đó tất cả các lực triệt tiêulẫn nhau.Những người đủ khéo léo với toán học sớm thấy rằngcác electrontrongmột nguyên tử 4 electron sẽ bố trí ở các đỉnh của một hình chóp theo kiểu kimtự tháp Ai Cập thu nhỏ, tức làmột tứ diện đều. Suy luận này hóa ra sai lầm, vì nó dựa trênnhững đặcđiểm không chính xác của mô hình đó,nhưng mô hình cũng cóthành côngnhất định,một vài thànhcông trong số đó chúng ta sẽ nói tới ngaybây giờ. Ví dụ 3. Dòng điện tích trong dây dẫn Một trong nhữnghọc trò của tôi là con trai củamộtngười thợ điện, và chính anh ta cũng trở thànhmột người thợ điện.Anh ta kể với tôi làmsao màcha anhta cả đời mình vẫn từ chối tin rằng cácelectronthật sự chảy qua dâydẫn. Nếu chúng chảynhư vậy, ông giải thích, kimloại đó sẽ dần dầnbị phá hủy, cuối cùng thì vỡ vụn ra thànhbụi. Quan điểm củaông không phải khôngcó lí dựa trên thực tế là các electronlà những hạt vậtchất, và vật chất bìnhthường không thể truyền xuyên quavật chất mà không tạo ra một lỗ trốngtrong đó.Các nhà vậtlí thế kỉ thứ 19 sẽ chia sẻ quan điểm nàyvới ôngphảnđối mô hình hạt tích điện của dòngđiện tích.Tuy nhiên, trong mô hình bánh bônglan rắc nho,cácelectron cókhối lượng rất thấp, và dođó có lẽ cũng có kích thước rất nhỏ. Khôngcó gì ngạc nhiên khichúng có thể chạy qua giữacác nguyên tử mà khônglàm pháhủy chúng. Ví dụ 4. Dòng điện tích băng qua màng tế bào Hệ thần kinhcủa bạnhoạt độngtrên cơ sở các tínhiệu mangbởi điện tích đi từ tế bào thần kinh này tới tế bào thần kinhkhác. Cơ thể củabạn về cơ bản đều ở thể lỏng, và các nguyên tử trong mộtchấtlỏng thì luôn linhđộng. Điều này có nghĩa là, khônggiống như trạng thái điện tích chạy trong dây dẫn rắn, toàn bộ các nguyêntử tích điện có thể chạy trong hệ thần kinh của bạn. Ví dụ 5. Sự phát xạ electron trong ống tia catôt Tại sao các electrontự bứt ra khỏi catôt củaống chân không? Tấtnhiên, chúng đượckhuyến khích làm như thế bởi lực đẩy của điệntích âm đặt trên catôt và lựchút từ phía lưới điện tích dươngcủa anôt, nhưng những lựcnày không đủ mạnhđể bứt các electron rakhỏi nguyên tử bằng lựcchính– nếuchúng làmđược, thì toàn bộ cơ cấu sẽ bốc hơi ngay tức thì vì mỗinguyêntử đồng thời cũngbị xé toạc ra! Mô hình bánh bông lanrắc nhođưa tới mộtlời giải thích đơngiản.Chúng ta biểt rằng nhiệtlà năng lượng của chuyển động ngẫu nhiêncủa các nguyên tử.Do đó, cácnguyêntử trong bấtkì vật nào cũngxô đẩy nhau một cách dữ dội mọi lúc, và mộtvài trong số những vachạmđó đủ mạnhđể đánhbật electron rakhỏi nguyêntử. Nếu như điều này xảy raở gần bề mặt của một vậtrắn, thìelectron cólẽ có thể bị thất thoát.Tuy nhiên, bình thườngthì sự thất thoát electronnàylà một quá trìnhtự hạn chế;sự mất electron để lại cho vật mộtđiện tích tổng thể dương, nó sẽ hút chúcừu nonđi lạc kiatrở lại với gia đình. (Đối với các vật nằm trong khôngkhí chứ không phải trong chân không, cũng sẽ có một sự trao đổi cân bằng của cácelectrongiữa không khí và vật). Cách hiểu này giải thích sự ấm lên và lóe sángmàu vàng thân thiện của ống chân không của chiếc radio cổ. Để khuyến khích sự phát xạ electrontừ catôt của ống chân không, catôt đượccố ýlàm nóng lên bằng cuộn dây cấp nhiệt. Câu hỏi thảo luận A. Ngày nay,nhiều người địnhnghĩa ion là một nguyên tử (hay phân tử) bị mấtelectron hoặc nhận thêmelectron. Hỏi làm thế nào người ta cóthể địnhnghĩa từ “ion” trước khi khám phá raelectron? B. Vì nguyêntử trunghòa về điện được biếtlà tồn tại, nênphải có một chất liệu hạ nguyên tử tích điện dương để triệttiêu với các electrontích điện âmtrong nguyêntử. Dựa trênnền tảngkiến thứcvừa mới biết sau những thí nghiệm của Millikanvà Thomson,liệu cóthể nào chấtliệu tích điện dương đó có một lượng điện tíchkhôngbị lượng tử hóa haykhông? Nó có thể đượclượng tử hóa bằng đơn vị +e haykhông? Hay bằng đơn vị +2e ? Bằng đơn vị +5/7e ? Tóm tắt Mọilực mà chúngta gặp trongcuộcsống hàng ngày rút lại có hailoại cơ bản: lực hấpdẫn vàlực điện.Mộtlực như lực ma sát hay “lực nhớt” phát sinhtừ lực điện giữa từngnguyên tử với nhau. Giống như việc chúngta sử dụng từ “khối lượng” để mô tả mức độ mạnh mà một vật tham gia vào lực hấp dẫn, chúngta dùngtừ “điệntích” chocường độ lực điện củanó. Có hai loại điện tích. Hai điện tích cùngloại đẩy nhau ra,nhưngnhững vật có điện tíchkhác nhau thì hút nhau lại.Điện tích đượcđo bằng đơn vị coulomb (C). Mô hình hạtmang điện linh động:Rất nhiềuhiện tượng cóthể hiểu dễ dàng nếu chúngta tưởngtượng vật chất gồm hai loạihạt tíchđiện, ít nhất thì chúng cũng có phần nào đó chuyển động raxung quanh. Điện tích dương và điện tích âm: Những vật bìnhthườngkhôngbị làm cho nhiễmđiện cócả hai loại điện tích trải đều đặntrong chúngvới số lượng bằng nhau. Khi đó, vật khôngcó xuhướng tác dụng lựcđiện lênbất kì vật nàokhác, vì bất kì lực hút nào do một loại điện tích sẽ cân bằngvới lựcđẩy từ loại điện tích kia. (Chúngta nói “có xu hướngkhông”bởi vì mang vật đó đến gần mộtvật cólượng điện tíchkhôngcân bằng có thể làm cho điệntích của nó táchra xa nhau và lực sẽ khôngcòn triệt tiêu dokhoảngcách không bằng nhau). Dođó, người ta môtả hai loại điện tích bằng kí hiệu dươngvà âm, chonên một vậtkhông nhiễm điện sẽ có điện tíchtoàn phần bằngkhông. Địnhluật Coulomb phát biểu rằng độ lớn củalực điện giữa haihạt mangđiện được chobởi biểu thức |F| = k |q 1 ||q 2 |/r 2 . Bảo toàn điệntích: Một lí do còn cơ bản hơn nữa choviệcsử dụng kí hiệu dươngvà âm chođiệntích là với địnhnghĩa này, điệntích toàn phần của một hệ cô lập làmột đại lượng được bảo toàn. Lượngtử hóa điện tích: Thí nghiệm giọt dầucủa Millikan cho thấy điện tích toànphần của một vậtchỉ có thể là bội số nguyên củamộtđơn vị cơ bản củađiện tích (e). Kếtquả này củng cố choý tưởng cho rằng“dòng”điện tích là chuyểnđộng của nhữnghạtnhỏ xíu chứ không phải chuyển độngcủa một số loại chấtlỏng điện bí ẩn. Phân tích của Einstein về chuyển động Brownlà bằng chứng dứt khoátđầu tiên cho sự tồn tại của nguyên tử. Thí nghiệmcủa Thomson với ốngchân không chứng minhsự tồn tại của mộtloại hạt vi mômớicó tỉ số khối lượngtrênđiện tích rất nhỏ. Thomson nhận thứcmột cách đúng đắn đây là nhữngviêngạch cấu trúc của vật chấtcòn nhỏ hơn cả nguyêntử: đó là khám phá đầu tiênra một hạt hạ nguyêntử. Những hạt này đượcgọilà electron. Bằng chứng thực nghiệm trên đây đã đưa tới mô hìnhhữu ích đầu tiên của cấu trúcbêntrong của nguyêntử, gọi là mô hìnhbánhbônglan rắc nho.Theo mô hình bánhbônglan rắcnho,quả cầu tích điện dương có mộtsố nhất địnhcác electrontích điện âmấn vào nó. . Bài giảng Điện học (Phần6 ) 1.6 Mô hình bánh bông lan rắc nho của nguyên tử Dựa trên thí nghiệm của ông,Thomsonđề. dẫn, chúngta dùngtừ “điệntích” chocường độ lực điện củanó. Có hai loại điện tích. Hai điện tích cùngloại đẩy nhau ra,nhưngnhững vật có điện tíchkhác nhau thì hút nhau lại .Điện tích đượcđo bằng. môtả hai loại điện tích bằng kí hiệu dươngvà âm, chonên một vậtkhông nhiễm điện sẽ có điện tíchtoàn phần bằngkhông. Địnhluật Coulomb phát biểu rằng độ lớn củalực điện giữa haihạt mangđiện được chobởi