Thuyết nguyên tử - Phần 2 Rutherford, cùngvới Frederick Soddy, tiếp tụcnghiên cứu với các nguyên tố phóngxạ. Đặc biệt, Soddyđể ý thấy khihạtalpha vàhạt beta phát ra khỏi nguyên tử, các nguyêntử đó biến đổi theo một trong haikiểu: (1) nguyên tố đó trở thành một nguyên tố khác hoàn toànvới những phản ứng hóa họchoàntoàn mới, hoặc (2) nguyên tố đó vẫn duytrì những phản ứnghóa họcnhư cũ và quangphổ nguyên tử như cũ nhưng chỉ thay đổi trọng lượng nguyên tử. Ông gọicác nguyên tử thuộc nhóm thứ hai vừa nói là các đồng vị, những nguyêntử thuộc cùngmộtnguyêntố với trọnglượng 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 màBerzelius tínhđượcthật ra là giá trị trung bình của mọi trọnglượng đồngvị thuộc nguyên tố đó. Đâylà nguyên domộtsố nguyêntố không rơivào trật tự đúng trênbảng tuần hoàn Mendeleev – trọng lượng nguyên tử trung bìnhphụ thuộc vào mỗi loại đồngvị có mặt baonhiêu. Soddyđề xuất đặt các nguyên tố vàobảng tuần hoàn dựa trên sự tương đồngphản ứng hóa học và sauđó đánh số thứ tự chúng. Con số gán cho mỗi nguyên tố theo kiểu này được gọi là số nguyêntử. Số nguyên tử là phương pháp tiện lợi để chỉ các nguyêntố. Các đồng vị của hydrogen: hydrogen, deuterium và tritium. Trongkhi đó,Thomsontiếp tục nghiên cứu củaôngvới ống Crookes. Ông nhậnthấy, không nhữngtia cathode gồmnhững electronđược sinhra, mà còn gồm những hạtmang điện dương. Sau nhiều nghiên cứu thậntrọng, ông đã có thể tách linhiều loại hạt dươngkhác nhau bằng trọnglượng. Dựa trên những phép đo này, ôngđã có thể xác định một hạtcơ bản, hạt mang điện dươngnhỏ nhất được tạo ra, gọi là proton. Vì nhữnghạtnày được sinh rabởinhững nguyên tử của cathodevàvì Rutherfordđã chứng minh rằng hạt nhân mang điệndương,nên Thomsonnhận thấy hạt nhân nguyên tử phải chứa proton. Một nhà khoahọctrẻ tên làHenry Moseley đã làm thínghiệmbắnphá nguyên tử thuộc những nguyên tố khác nhau bằngtia X. Giống như trong quang phổ nguyên tử, trong đó nhiệt cấp cho các electron thêm năng lượng, tiaX truyền thêm năng lượngcho các proton trong hạt nhân. Và giốngnhư các electrongiải phóng ánh sáng thuộcnhững năng lượng nhất định khichúngnguội đi, hạtnhân phát ra tiaX thuộcmộtnăng lượng nhất địnhkhinó “thôi kích thích”. Moseley phát hiện thấy năng lượng của tiaX phátra đối với mỗi nguyên tố tuân theomột mối liên hệ toán học đơn giản.Năng lượng đó phụ thuộcvào số nguyên tử của nguyên tố đó, vàsố nguyên tử tươngứng với số điện tích dương trong hạtnhân. Chonên trật tự đúng của bảng tuầnhoàn hóa học là sắp theosố proton tăng dầntrong hạtnhân nguyên tử. Trong một nguyêntử trung hòa,số lượng proton bằng số electron.Các electron là nguyên nhângây racác phảnứng hóa học. Các nguyên tố thuộccùngmột cột của bảng tuần hoàn có sự sắp xếp electronthuộcmức năng lượng cao nhất giống nhau, và đây là nguyên do phản ứng hóa học của chúng giống nhau. Chỉ còn lại mộttrở ngại nữa. Electron có trọnglượng rất nhỏ, bằng 1/1836 trọng lượng củamột proton. Nhưng các proton không lí giải nổi toàn bộ trọng lượng nguyên tử của một nguyên tử. Mãi đến năm 1932thì James Chadwick mới pháthiện ra sự tồntại của một hạttrong hạtnhânkhông mangđiện tích nhưng có khối lượng hơi nhỉnh hơn protonmột chút.Ông đặt tên chohạt này là neutron. Neutrongiải thích cho sự tồn tại của các đồng vị. Hainguyên tử thuộc cùngmột nguyêntố sẽ có số proton và electron như nhau, nhưngchúng có thể cósố neutron khác nhau, và vì thế nêntrọng lượng nguyên tử khác nhau. Các đồngvị được đặt tên theo tên củanguyên tố vàtheo sau đó là số proton cộngvới số neutron có trong hạt nhân. Tổngsố proton và neutron đượcgọi làsố khối. Thí dụ, uranium- 235 có 235protonvà neutron.Chúng ta có thể nhìn vào bảng tuần hoànhóa học để tìm số nguyên tử của uranium(92), số nguyên tử chochúng ta biết proton.Sau đó, làmtoán trừ, chúng ta biết đồngvị này có 143neutron. Cómột đồng vị khác của uranium, 238 U, với 92 proton và 146 neutron. Một số kết hợp của protonvà neutron thì kémbền hơn những kết hợpkhác. Hãy hình dungbạnđang cố giữ 10 quả bóngbowlingtrongtay.Sẽ cómột số sắpxếp bạncóthể làm chủ được như vậy. Nhưng giờ hãy thử giữ 11hoặc 9 quả thôi. Có thể sẽ không còn một sắp xếp bềnvà bạn sẽ làm rơi các quả bóng. Điều tươngtự xảy ra với các proton và neutron. Những sắp xếp không bền sẽ tự động phân rã, giải phóng cáchạt, cho đến khiđạt tới mộtcấu trúc bền. Đây là cách thức những hạt phóngxạ như hạtalphađược sinh ra. Hạt alphagồmhai proton và haineutrongiảiphóng ratừ một hạt nhân khôngbền. Hydrogen có ba đồng vị: hydrogen, 2 H (deuterium)và 3 H (tritium). Trọnglượng nguyên tử của nhữngnguyên tố khácban đầuđượcso sánhvới hydrogen mà không nói rõ là đồng vị nào. Cũng thật khó có được đơn nguyên tử hydrogen vì nóthường phản ứng vớinhững nguyên tử khác để tạo thành những phân tử như H 2 hoặc H 2 O. Chonên, người ta đã chọn một đồng vị của nguyên tố khác để so sánh.Trọng lượngnguyêntử ngày nay đượcxây dựng trên 12 C (carbon- 12). Đồngvị này có 6 protonvà 6neutrontronghạt nhân của nó. Carbon-12được định nghĩa là bằng 12 đơn vị khối lượng nguyêntử. (Đơnvị khối lượngnguyên tử, viết tắt là u, làđơn vị dùng để so sánh trọnglượng tương đối củacác nguyên tử. Một u nhỏ hơn 2000 phầntỉ tỉ tỉ của mộtgam). Mỗi đồngvị thuộc mỗi nguyên tố khác đượcsosánh với đơn vị này. Khi đó, trọng lượng của các đồng vị thuộc một nguyêntố cho trướcđược tính trungbình để cho trọng lượng nguyên tử sắp xếp vào bảng tuần hoàn hóahọc. Cho đến đây, trongcâu chuyện nguyên tử, thì mọi hạt cấu thành nên nguyên tử được người tahình dung lànhững quả cầurắn,đồng nhất.Bước sangnăm 1920, với nghiên cứu của Louis deBroglie,thìbức tranhnày đã thay đổi hẳn. De Broglie chứng minhrằngnhững hạt như electronthỉnh thoảng cótính chất sóng. Chẳng hạn, nếunhư sóng nước được tạo ra bởi hainguồn, thí dụ thả rơi hai hòn sỏi xuống một hồ nước, thì nhữngcon sóng có thể giao thoa với nhau. Điều này có nghĩa là những đỉnh sóngcao cộnglại tạo thành những đỉnh sóng cao hơn. Những chỗ lõm cộng lại tạo ra những vùnglõm hơn.Khi cho các electron đi quamộtkheđôi, với một số electronđi quamộtkhe và một số electronđi quakhe kia, thì chúngtạo hai nguồn.Các electron thể hiện sự giaothoa này, tạo ra một hệ vân trên màn ảnh hứng.Khả năng của electron và những hạt khác thỉnhthoảng thể hiện tínhchấthạt và thỉnh thoảng thể hiện tínhchất sóng được gọi là lưỡngtính sónghạt. Sự bổ sung này chobảnchất của electroncó nghĩa là quan điểm hành tinh nguyên tử của Bohr là không chính xáccholắm. Các electroncó những mức năng lượngrời rạc khác nhau, nhưng chúng không tuântheo những quỹ đạo tròn. Năm 1925, Werner Heisenberg đã phát biểurằng tốc độ và vị trí chính xác củamột electron làkhông thể biết đồngthời. “Nguyên líbất địnhHeisenberg” này đã kích thích Erwin Schrödinger nghĩ ra một phươngtrình tínhxemmột electron với mộtnăng lượng nhất địnhchuyển độngnhư thế nào. Phươngtrình Schrödingermô tả những vùng trong một nguyên tử trong đó một electronvới năng lượng nhất địnhcó khả năng ở đó nhưng khôngbiết chính xác nó ở chỗ nào. Vùngxác suất này được gọi là orbital.Các electron chuyển độngquá nhanhbên trong những orbitalnày chonên chúng ta có thể hình dungchúngbị mờ đi thành một đám mâyelectron. Các electrondi chuyển từ orbitalnày sangorbital khác bằngcách hấp thụ hoặc phát xạ một lượngtử nănglượng, giống như Bohr đã giải thích. Ứng dụng của thuyết nguyên tử Những nghiên cứubuổi đầu về phóng xạ cho thấynhững hạt nhânnguyên tử nhất địnhcótính phóngxạ tự nhiên. Một số nhà khoa học nêu vấn đề rằng nếu có những hạt giải phóng khỏi nguyêntử thì ngườita cóthể đưa các hạtvào bên trong nguyêntử hay không?Năm 1932,Cockcroft và Waltonđã thànhcông trongviệc xây dựng một máy gia tốchạt, một dụng cụ có thể làm chonhững dònghạt tích điện chuyển động mỗi lúc một nhanh thêm. Nhữnghạtchuyển động nhanhnày, thí dụ như proton, sau đó được nhắm vào một bản mỏng thuộc một nguyên tố nhẹ như lithium(Li). Nếu một hạt nhân nguyên tử lithium “bắt giữ” một proton,thì hạt nhânđó trở nên không bền và nó bị vỡ ra thành haihạt alpha.Kĩ thuậtkích thích phóngxạ bằng cáchbắn phávới những hạtgia tốc như thế này vẫn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trongnghiên cứucấutrúc hạt nhân vàcác hạthạ nguyên tử. Ngày nay, các máy giatốc chocác hạtchạy đua hết tốclựctrong những đường thẳng,hoặc để tiết kiệm khônggian, trong nhữngquỹ đạo vòng tròn đường kính hàng dặm đường. Sự sắp xếp lại tự phát của hạt nhân nguyên tử luôn luôn manglại sự giải phóngnăng lượng dưới dạng động năng của các neutron đangchuyểnđộng nhanh. Khi một hạt nhân lớn vỡ ra để tạo thành những nguyên tử nhỏ hơn,quá trìnhđó được gọi là phânhạch. 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 nhiệthạch. Trong mỗi trường hợp đều có neutronnhanhđượcgiải phóng. Những neutronnày cóthể truyền độngnăngcủachúngcho môi trườngxungquanh,làm môi trườngnóng lên. Nhiệt lượng này có thể dùng để đun sôi nước, tạo radòng hơi làm quaytuabin chạymáy phát điện. Nhiệthạch là quá trìnhxảy ra trong lõi của Mặttrời và những ngôi saokhác. Quá nhiều năng lượng đượcgiải phóng trongthời gian ngắn nên quá trìnhđó còn đượcsử dụng để chế tạo bom khinh khí. Tuynhiên, cho đếnnay người ta vẫn chưalàm chủ phản ứng nhiệt hạch để chạy nhà máy điện. Nghiên cứu đang tiếp tục tìmkiếm những phương pháp sử dụng năng lượng nhiệt hạch có điều khiển. Mặtkhác,phản ứng phân hạch còn đượcngười tasử dụngđể chế tạo những loại vũ khí rất mạnh. Quả bom nguyên tử đầu tiên đã phát nổ vào năm1945.Tuy nhiên,kể từ đó, năng lượng phân hạch cũng đã được kiểmsoát để chạy nhiềunhà máy điện hạt nhân trên khắp thế giới. Trongkhi nguyên tử là thànhphần nhỏ nhất của mộtnguyên tố khinó vẫn còn là nguyên tố đó, thì các nguyên tử không phải là những hạt nhỏ nhất tồntại. Thậmchí, ngườita cũngtinrằngcác proton và neutrontronghạtnhân nguyên tử được cấu tạo từ nhữnghạt còn nhỏ hơn nữa gọi là hạt quark. Nghiên cứu hiện nay trong ngành vậtlí nguyên tử tập trung vào việc môtả cấu trúc bên trongcủa nguyêntử. Bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt,các nhàkhoahọc đangcố gắng mô tả đặc trưng các quarkcóthể kết hợp theomột số cách để tạo ra những hạthạ nguyêntử khác. Không aitừngnhìn thấy một nguyên tử đơn lẻ, thậm chí vớinhững kính hiển vi quanghọc tốt nhất. Những loại kính hiển vi đặc biệt gọi là kính hiển vi quétchui hầm vàkính hiển vi lựcnguyên tử khai thác các lực do các electronsinh ra để thu được hìnhảnh của những đám mây electron.Những đám mây này chobiết các nguyêntử được sắp xếp như thế nào, mặc dù chúng ta không thể “nhìn” xuyên qua đám mây đó vào trong hạt nhân. Dogiới 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 suyluậnra từ những thínghiệm quy mô lớn. Kết quả là sự mô tả nguyên tử như trên vẫnđược gọi là một líthuyết. Tuy nhiên, lí thuyết này giải thích các thí nghiệmnguyên tử quá tốt nênchúngta thườngnghĩ sự tồn tại của nguyêntử là một thựctế. . quangphổ nguyên tử như cũ nhưng chỉ thay đổi trọng lượng nguyên tử. Ông gọicác nguyên tử thuộc nhóm thứ hai vừa nói là các đồng vị, những nguyêntử thuộc cùngmộtnguyêntố với trọnglượng nguyên tử khác. Thuyết nguyên tử - Phần 2 Rutherford, cùngvới Frederick Soddy, tiếp tụcnghiên cứu với các nguyên tố phóngxạ. Đặc biệt, Soddyđể ý thấy khihạtalpha vàhạt beta phát ra khỏi nguyên tử, các nguyêntử. vớinhững nguyên tử khác để tạo thành những phân tử như H 2 hoặc H 2 O. Chonên, người ta đã chọn một đồng vị của nguyên tố khác để so sánh.Trọng lượngnguyêntử ngày nay đượcxây dựng trên 12 C (carbon- 12) .