Tìm hiểu các học thuyết về cấu tạo nguyên tử và áp dụng vào giảng dạy chương trình hóa học lớp 10

Nguyên tử là những hạt vật chất tuyệt đối không thể phân chia được, nó vô hạn về số lượng và vô hạn cả về hình thức, là những hạt vô cùng nhỏ, không thể thẩm thấu được không có chất lượn

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề tài “Tìm hiểu các học thuyết về cấu tạo nguyên tử và áp dụng vào giảng dạy chương trình hóa học lớp 10” tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ của các thầy

cô giáo, các bạn sinh viên

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy giáo, cô giáo khoa Hóa học - trường Đại học Sư phạm Hà Nội II, đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô Đăng Thị Thu Huyền - Giảng viên bộ môn Hóa vô cơ - Đại Cương đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đề tài này Tôi xin chân thành cảm ơn tới các bạn sinh viên K33A - Khoa Hóa Học đã cùng tôi trao

đổi, động viên trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi kính mong được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đọc để bài khóa luận tốt nghiệp của tôi hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Dương Thị Bích

LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận của em được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của cô giáo

Đăng Thị Thu Huyền cùng với sự cố gắng của bản thân Trong quá trình

nghiên cứu và thực hiện khóa luận em có tham khảo tài liệu của số một tác giả

(đã nêu trong mục tài liệu tham khảo)

Em xin cam đoan những kết quả trong khóa luận là kết quả nghiên cứu

của bản thân, không trùng với các kết quả của các tác giả khác Nếu sai em

xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Sinh viên

Dương Thị Bích

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Theo các nhà triết học cổ Hy Lạp 3

1.1.1 Lơxip 3

1.1.2 Đemocrit 4

1.2 Theo Dalton 6

1.2.1 Đôi nét về nhà bác học Dalton 6

1.2.2 Nội dung thuyết nguyên tử của Dalton 6

1.2.3 Thành công 8

1.2.4 Hạn chế 8

1.2.5 Sự phóng điện trong khí loãng 9

1.3 Mẫu nguyên tử của Thomson 13

1.3.1 Đôi nét về nhà bác học J.J.Thomson 13

1.3.2 Nội dung 14

1.3.3.Thí nghiệm tán xạ hạt alfa của Rutherford 15

1.4 Mẫu nguyên tử của Rutherford 17

1.4.1 Đôi nét về nhà bác học Rutherford 17

1.4.2 Nội dung 18

1.4.3 Thành công 19

1.4.4 Hạn chế 19

1.4.5 Sự tìm ra proton và notron 20

1.5 Mẫu nguyên tử của Bohr 21

1.5.1 Đôi nét về nhà bác học Niels Bohr 21

1.5.2 Nội dung 22

1.5.3 Thành công 26

1.5.4 Hạn chế 28

1.6 Quan điểm hiện đại (quan điểm cơ học lượng tử 1926) 30

1.6.1 Giới thiệu hàm sóng và phương trình Schrodinger 30

1.6.2 Phương trình schodinger cho nguyên tử có 1e 33

1.6.3 Nguyên tử nhiều electron 38

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.1 Mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu 40

2.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 40

2.3 Phương pháp nghiên cứu 40

2.4 Ý nghĩa khoa học 41

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Chương trình hóa học lớp 10 đã giảng dạy về nguyên tử 42

3.1.1 Thành phần nguyên tử 42

3.1.2 Sự chuyển của electron trong nguyên tử Obitan nguyên tử 42

3.1.3 Lớp và phân lớp electron 42

3.1.4 Năng lượng của các e trong nguyên tử Cấu hình e nguyên tử 42

3.1.5 Cấu hình e nguyên tử 43

3.2 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 43

3.2.1 Khái niệm về obitan nguyên tử 43

3.2.2 Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 53

3.2.3 Các nguyên lý và quy tắc phân bố e trong nguyên tử 55

3.2.4 Cấu hình electron nguyên tử 59

3.2.5 Năng lượng của electron 61

3.3 Tổng kết 62

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hóa học, đúng như tên của nó chỉ ra, là khoa học về sự chuyển hóa và

biến đổi các chất Nhưng hóa học ngày nay không chỉ dừng lại ở việc mô tả,

giải thích và tìm quy luật cho các hiện tượng quan sát được mà đi sâu vào

nghiên cứu bản chất của các tương tác hóa học Các tương tác này do cấu tạo

nguyên tử, phân tử quyết định Có thể nói lý thuyết về cấu tạo chất đóng vai

trò là nền tảng cho sự phát triển của hóa học Để có được cơ sở lý thuyết đó

không phải là điều đơn giản, phải trải qua biết bao thời kì lịch sử, qua biết bao

sự tranh cãi và phải tốn rất nhiều công sức của các nhà bác học mới tìm ra

một lý thuyết hiện đại đã giải quyết được những bế tắc, mâu thuẫn về thế giới

vi mô, nhất là thuyết về nguyên tử

Ngoài ra, hóa học từ trước đến nay đã khẳng định được vị trí và tầm

quan trọng không thể thiếu của nó trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống

Những ứng dụng của hóa học trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, y

dược và rất nhiều ngành nghề khác đã làm cho sức khỏe, chất lượng cuộc

sống của con người được cải thiện và nâng cao Chính vì thế mà thế hệ trẻ

hiện nay cần biết học và tiếp thu những thành tựu, những phát minh của hóa

học áp dụng như thế nào để đưa lĩnh vực khoa học của nước nhà nói chung và

ngành hóa học nói riêng ngày càng phát triển và lớn mạnh

Tuy nhiên, việc học hóa học không phải là điều đơn giản, yêu cầu

ngành giáo dục phải có nhiều phương pháp dạy học tích cực, đổi mới sao cho

phù hợp với trình độ kiến thức của người học giúp cho người học dễ dàng tiếp

cận với những lý thuyết vi mô Đặc biệt khi đối tượng người học là học sinh

phổ thông thì người dạy càng phải cố gắng và linh hoạt hơn nữa trong cách

truyền đạt, nhất là dạy chương nguyên tử của chương trình hóa học lớp 10

Đây quả thật là mảng kiến thức khó nhất, có rất nhiều những khái niệm trừu

tượng, lại nằm ở đầu chương trình hóa học phổ thông đòi hỏi học sinh phải có

khả năng tư duy trừu tượng cao mới tiếp thu tốt Chính việc gặp khó khăn này

nên việc tìm hiểu các học thuyết về nguyên tử áp dụng vào giảng dạy hóa học

phổ thông là rất cần thiết Nhưng việc áp dụng kiến thức nguyên tử ấy vào

chương trình hóa học phổ thông nói chung và SGK 10 nói riêng như thế nào?

Có phù hợp với trình độ, tâm lý lứa tuổi của học sinh hay không là điều mà

ngành giáo dục cần quan tâm Do vấn đề cấp thiết này được đặt ra cùng với sự

yêu thích của bản thân nên tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu các học thuyết về

cấu tạo nguyên tử và áp dụng vào giảng dạy chương trình hoá học lớp 10”

2 Nội dung nghiên cứu

Các học thuyết về nguyên tử:

- Theo các nhà triết học cổ Hi Lạp

- Theo Daltơn

- Mẫu nguyên tử của Thomson

- Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford

- Mẫu nguyên tử của Bohr

- Theo quan điểm hiện đại

- Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

- Cấu hình electron nguyên tử

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỌC THUYẾT VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

1.1 Theo các nhà triết học cổ Hy Lạp

1.1.1 Lơxip (khoảng 500 – 440 TCN)

Sinh ra ở Mile, là người sáng lập ra thuyết nguyên tử

Ông cho rằng khởi nguyên của vật chất không phải là bốn căn nguyên

đất, nước, lửa và không khí mà là vô số những nguyên tử

Nguyên tử là những hạt vật chất tuyệt đối không thể phân chia được, nó

vô hạn về số lượng và vô hạn cả về hình thức, là những hạt vô cùng nhỏ,

không thể thẩm thấu được không có chất lượng, các nguyên tử chỉ khác nhau

về kích thước và hình thức Nguyên tử chính là khởi nguyên của mọi dạng vật

chất, sự vật, hiện tượng vật chất khác nhau không phải là do chất lượng khác

nhau mà chỉ do kết hợp khác nhau về hình thức sắp đặt các nguyên tử Lơxip

cho rằng “không gian rỗng” hay là chân không phân biệt các sự vật, hiện

tượng về mặt kích thước, hình dáng và cũng do có không gian rỗng nên sự vật

mới vận động được, còn khoảng chân không – “không gian rỗng” là không

tồn tại

Lơxip coi vũ trụ được hình thành từ những cơn lốc xoáy tròn của

nguyên tử Ông còn chỉ ra tính tất yếu của quá trình phát sinh, phát triển và

diệt vong của sự vật: “không có sự vật nào phát triển một cách vô cớ, mà tất

cả đều phát sinh trên một căn cứ nào đấy và do tính tất nhiên”

Với thuyết nguyên tử, Lơxip đã đưa triết học duy vật cổ đại lên một

tầm khái quát mới

1.1.2 Đemocrit (khoảng 460 – 370 TCN)

Là học trò giỏi của Lơxip và sau đó phát triển học thuyết của Lơxip lên

trình độ cao hơn, vì thế người ta gọi là thuyết nguyên tử Lơxip – Đemocrit

Đemocrit khẳng định nguyên tử là hạt vật chất cực nhỏ không nhìn thấy

được, không phân chia được không khác nhau về chất, không có mùi vị, âm

thanh, màu sắc và tồn tại vĩnh viễn Nguyên tử không nóng lên, không lạnh

đi, không bị khô, không ẩm ướt, không đen, không trắng; chúng không có một

chất lượng nào mà chỉ khác nhau về hình thức, trật tự và tư thế Tính muôn

màu muôn vẻ của sự vật, hiện tượng được quyết định bởi hình thức cấu tạo,

trật tự kết hợp và tư thế của những nguyên tử được kết hợp Bởi vậy, thực tại

(hay tồn tại) chỉ được phân biệt bởi cấu trúc (hình thức), tính kế tiếp (trật tự)

và sự xoay đặt (tư thế) Những nguyên tử ấy kết hợp với nhau thành sự vật,

hiện tượng Theo ông, tất cả mọi vật đều được cấu thành từ nguyên tử, cũng

giống những danh từ bi kịch, hài kịch được cấu thành từ những chữ cái

Hình thức, trật tự, tư thế và vận động của nguyên tử được Đemocrit cụ

thể hoá và làm rõ thêm Mỗi nguyên tử đều có hình thức nhất định Nguyên tử

này được phân biệt với nguyên tử kia bằng hình thức của chúng cũng như

hình thức chữ A phân biệt với hình thức chữ B Nguyên tử không những vô

hạn về số lượng mà còn vô hạn về hình thức Sự kết hợp các nguyên tử không

phải là sự kết hợp tuỳ tiện, ngẫu nhiên mà là sự kết hợp theo thứ tự cũng

giống như các chữ cái được sắp xếp theo thứ tự để hình thành các từ như ba,

bốn, hài kịch, bi kịch, triết học

Nguyên tử cũng giống như tư thế các chữ cái, nếu N ở tư thế dọc thì là

N (n), nếu ở tư thế ngang thì thành Z (z), nếu M ở tư thế xuôi là M (m), nếu ở

tư thế ngược thì thành W (w)

Như vậy theo Đemocrit, sự vật được hình thành là do sự kết hợp các

nhau là do các nguyên tử được cấu tạo theo những hình thức khác nhau, được

sắp xếp kế tiếp theo những trật tự khác nhau và được xoay đặt ở những tư thế

khác nhau Sự kết hợp các nguyên tử không diễn ra một cách ngẫu nhiên, tuỳ

tiện mà theo tính tất nhiên

Đemocrit khẳng định, sự vận động của nguyên tử là vĩnh viễn, vận

động là cái vốn có trong nguyên tử; nguyên tử là vật chất đang vận động

Nguyên tử vận động trong chân không Chân không là điều kiện, không phải

là nguyên nhân của vận động Nguyên tử vận động theo chiều hướng khác

nhau, cũng giống như những hạt bụi vận động trong tia sáng mặt trời Động

lực của vận động là tự thân nhưng Đemocrit đã không giải thích nguồn gốc

của vận động

Đemocrit đã giải thích sự hình thành các vũ trụ từ những cơn lốc

nguyên tử Trong không gian vô tận của vũ trụ, những nguyên tử tự vận động,

rung chuyển về mọi phía, xô nhau đi, đẩy nhau lại và làm thành những cơn

lốc nguyên tử, đẩy các nguyên tử nặng, to, quy tụ vào tâm, đẩy các nguyên tử

nhẹ và nhỏ hơn ra vùng ngoại biên, nhờ đó, các hành tinh, kể cả trái đất được

tạo nên Sự kết hợp các nguyên tử trong cơn lốc đó giống như những làn sóng

biển đánh vào bờ, làm cho những viên đá có hình thù cùng loại (dài hoặc tròn)

dồn thành từng làn, từng lớp trên bãi biển Do cách vận động đó, các nguyên

tử có cùng một kích thước, cùng một hình thức kết hợp với nhau thành lửa,

đất, nước, không khí Trong thế giới đã được hình thành, mọi vật thể đều luôn

quy tụ về trung tâm, do trọng lượng của nó Đemocrit khẳng định vũ trụ là vô

tận và vĩnh viễn, có vô số thế giới vĩnh viễn phát sinh, phát triển và bị tiêu

diệt

Thuyết nguyên tử - nội dung cơ bản của đường lối triết học Đemocrit là

một đóng góp rất quan trọng và có ý nghĩa phương pháp luận rất lớn đối với

nền triết học cổ đại nói chung và đối với sự phát triển của khoa học đương

thời cũng như các thời đại sau này

1.2 Theo Daltơn

1.2.1 Đôi nét về nhà bác học Dalton

John Dalton là một nhà hóa học, nhà vật lý người Anh Phương pháp

sống của Dalton chịu ảnh hưởng sâu sắc của một tín đồ phái giáo hữu

(Quaker) Một nhà khí tượng học xuất sắc, người đã làm ông quan tâm đến

những vấn đề của toán học và khí tượng học

Ông sinh ra trong một gia đình dệt vải nghèo tại Eaglesfield một vùng

phía Tây Bắc nước Anh Năm 10 tuổi, Ông tới làm cho Elihu, một nhà khoa

học Elihu thấy ông rất thông minh, hiếu học bèn dạy toán cho ông Dalton

học giỏi và chỉ sau 2 năm ông trở thành hiệu trưởng của một trường làng, dạy

cho tất cả các con em trong vùng ở mọi lứa tuổi Sau này, ông được giảng dạy

tại trường Niucolegio ở Manchexto và tiếp tục được mời tới ở học viện Hoàng

Gia Anh

Từ năm 20 tuổi trở đi, ông bắt đầu viết nhật kí khoa học, thường là

những ghi chép ngắn, nêu giả thuyết và giải thích về thời tiết cho đến lúc ông

qua đời thì công trình ấy trở nên đồ sộ, tức có trên 200000 mục ghi chép tỉ mỉ

nghiên cứu về khí tượng

1.2.2 Nội dung thuyết nguyên tử của Dalton

Các nguyên tử và phân tử khác nhau trong mô hình của John Dalton

trong ấn phẩm hệ thống mới của triết học hoá học (A New system of

Chemical xuất bản 1808) Các nghiên cứu cơ bản trước 1800 - 1803 dành cho

vật lý, giai đoạn về sau dành cho hóa học Từ năm 1787, ông thực hiện các

quan sát khí tượng, nghiên cứu màu sắc của bầu trời, bản chất của vật thể,

khúc xạ và phản xạ ánh sáng Kết quả là ông đưa ra được thuyết bốc hơi và

Năm 1794, ông mô tả khuyết tật của thị giác gọi là chứng mù màu Phát

minh 3 định luật làm cơ sở cho thuyết nguyên tử của hỗn hợp khí

Định luật áp suất riêng phần của các khí 1801

Định luật sự phụ thuộc giãn nở khí vào nhiệt độ ở áp suất cố định 1802

Định luật của sự phụ thuộc của độ tan khí vào áp suất riêng phần của

chúng 1803

Vào 1808, Dalton đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của ông để giải thích

định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỉ lệ các chất trong các phản ứng

hóa học Lý thuyết của ông dựa trên 5 giả thuyết:

Giả thuyết thứ 1: Tất cả các vật chất đều được tạo thành từ các nguyên

tử

Giả thuyết thứ 2: Các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng

một cấu trúc và tính chất

Giả thuyết thứ 3: Các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể

được sinh ra hoặc mất đi

Giả thuyết thứ 4: Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp

với nhau để tạo ra các hợp chất

Giả thuyết thứ 5: Trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết

hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại

Như vậy 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, tiên đoán

và phát minh định luật tỉ lệ bội 1803: Nếu hai nguyên tố tạo thành với nhau

một số hợp chất, thì những khối lượng của nguyên tố này kết hợp với cùng

một khối lượng của nguyên tố kia sẽ tỉ lệ bội với nhau như tỉ lệ giữa những số

nguyên đơn giản

Ví dụ: cacbon và oxi tạo thành hai hợp chất có thành phần sau đây:

Cacbon oxit: CO – 3 phần khối lượng cacbon và 4 phần khối lượng oxi

Cacbon đioxit: CO2 – 3 phần khối lượng cacbon và 8 phần khối lượng

oxi

Trong những hợp chất này các phần khối lượng oxi kết hợp với cùng

một phần khối lượng cacbon (3 phần khối lượng) tuân theo tỉ lệ 4:8 hoặc 1:2

1803, thành lập bảng đầu tiên về khối lượng nguyên tử của hidro, nito,

cacbon, lưu huỳnh, photpho, lấy khối hidro làm đơn vị Đề xướng hệ thống kí

hiệu hóa học cho các nguyên tử đơn giản và phức tạp 1804

Hình 1.1 Mô hình nguyên tử của Dalton

1.2.3 Thành công

Lý thuyết nguyên tử của Dalton được thế giới chấp nhận ngay và quan

niệm nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của vật chất tồn tại khá lâu dài

1.2.4 Hạn chế

Cả Democritus và John Dalton đều cho rằng 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 thuyết 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

1.2.5 Sự phóng điện trong khí loãng

1.2.5.1 Sự tìm ra electron

Cuối thế khỉ XIX, nhiều nhà vật lý, đặc biệt là Crookes và Lenard đi

sâu vào nghiên cứu hiện tượng phóng điện trong khí loãng (p nhỏ)

- Chuẩn bị:

Dùng một ống thủy tinh kín, dài khoảng 50cm, trong chứa một chất

khí, 2 đầu có 2 điện cực kim loại, giữa 2 điện cực là một hiệu điện thế lớn

khoảng vài chục KV

- Cách tiến hành:

Dùng bơm hút dần khí trong bình, khi p trong ống < 6 mmHg, sự

phóng điện bắt đầu xảy ra

- Hiện tượng:

P = 6 mmHg thì thấy xuất hiện trong ống một dải sáng chạy từ cực âm

đến cực dương

Nếu tiếp tục giảm p = 1 mmHg thì: Dưới những p khác nhau trong ống

lại xuất hiện những miền tối sáng khác nhau

Khi p = 0,01 mmHg: những miền sáng trông thấy đều biến mất Tuy

nhiên, lúc này trên thành thủy tinh đối diện với âm cực vẫn có vết sáng

Âm cực vẫn còn phát ra một tia đặc biệt không trông thấy nhưng có khả

năng gây ra hiện tượng huỳnh quang ở thành ống đối diện

- Đặc điểm và tính chất của tia đặc biệt:

Là những hạt vật chất xuất phát từ âm cực

Chuyển động thẳng với một vận tốc rất lớn (v= 2.107 m/s)

Làm chuyển động một bánh xe trên đường đi

Bị lệch hướng trong từ trường và điện trường (về phía cực dương)

Tia đặc biệt này được gọi là tia âm cực

Tia âm cực là những hạt vật chất mang điện tích âm (e), có khối lượng

Hình 1.3 Quỹ đạo thẳng của tia âm cực Hình 1.4

Tia âm cực gồm những hạt vật chất

Hình 1.5 Tia âm cực bị lệch hướng

1.2.5.2 Sự phát minh ra tia dương cực

- Thí nghiệm:

Nghiên cứu về hiện tượng phóng điện trong khí loãng

- Hiện tượng:

Trong ống âm, đồng thời với sự xuất hiện các điện tử (tia âm cực) còn

xuất hiện những phần tử đi ngược chiều với điện tử nghĩa là đi từ phía dương

cực (anot) về phía âm cực (catot)

Nếu âm cực có khe hở (rãnh) thì những phần tử này có thể đi thẳng ra

phía sau âm cực

Loại tia này được nhà bác học Đức Goldstein (Gôn-đơ-xtai) tìm ra

1886 và được gọi là tia dương cực hay tia rãnh

- Đặc điểm tia dương cực:

Bị lệch hướng dưới tác dụng của điện trường hay từ trường Vì chiều

lệch của tia dương cực ngược với chiều lệch của tia âm cực nên những phần

tử này phải mang điện tích trái dấu với điện tử, nghĩa là mang điện tích

dương

Kết quả nghiên cứu cho thấy là điện tích này có giá trị bằng bội số

nguyên điện tích của điện tử và khối lượng của các phần tử tạo nên tia dương

cực lớn xấp xỉ bằng khối lượng nguyên tử hay phân tử khí trong ống âm cực

Do những đặc điểm trên, người ta có thể kết luận là tia dương cực gồm

những ion dương Do sự phóng điện trong khí loãng, các nguyên tử hay phân

tử khí trong ống bị ion hóa, các điện tử được giải phóng đi về phía dương cực

tạo thành tia âm cực, còn các ion dương chạy về âm cực và tạo thành tia

dương cực

Hình vẽ:

Hình 1.6 Tia dương cực

1.2.5.3 Sự khám phá ra tia X và hiện tượng phóng xạ

1895, nhà vật lý học Đức w.Rownghen nhận thấy khi cho tia âm cực

đập vào thủy tinh hay kim loại thì từ thủy tinh hay kim loại lại phát ra những

bức xạ mới có năng lượng rất cao và có khả năng đâm xuyên vào vật chất rất

mạnh Rownghen gọi đó là tia X

Ngày nay, chúng ta biết đó là một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất

ngắn được phát ra khi tia âm cực bắn vào nguyên tử kim loại làm cho e ở lớp

bên trong gần hạt nhân bị bật ra và e ở lớp bên ngoài nhảy vào đồng thời giải

phóng năng lượng Tia X là loại tia không nhìn thấy được, không bị lệch

trong từ trường và điện trường nhưng có thể làm đen giấy ảnh và gây ra hiện

tượng huỳnh quang ở nhiều chất

Không lâu sau phát minh của Rơnghen, giáo sư vật lý A.Becquerel ở

trường Đại học Pari khi nghiên cứu hiện tượng phát lân quang đã ngẫu nhiên

phát hiện ra rằng một số hợp chất có chứa Urani tự phát ra những tia không

nhìn thấy được nhưng có khả năng làm đen phim ảnh Một nữ sinh viên của

Pecquerel là Marie Curie đề nghị đặt tên cho hiện tượng này là hiện tượng

phóng xạ các nguyên tố có hiện tượng phóng xạ gọi là nguyên tố phóng xạ

Những công trình nghiên cứu về sau cho thấy các tia phóng xạ gồm ba loại

tia:

Tia α là dòng hạt α có điện tích dương gấp đôi điện tích e và khối lượng

gấp bốn lần khối lượng hạt nhân nguyên tử hidro

Ngày nay, chúng ta biết đó chính là hạt nhân heli, kí hiệu là 4

2 He Tia thứ 2 là tia β là dòng các hạt e mà ta đã biết

Tia thứ 3 là tia γ là bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn và năng lượng

rất cao

Về sau, người ta nhận thấy hiện tượng phóng xạ còn có một kết quả

quan trọng là biến đổi nguyên tố phóng thành một nguyên tố khác

Các phát minh đã nêu còn có các hiện tượng khác, đặc biệt là hiện

tượng phóng xạ đã chứng minh hùng hồn rằng nguyên tử không phải là không

chia nhỏ được, mà gồm những hạt đơn giản

1.3 Mẫu nguyên tử của Thomson

1.3.1 Đôi nét về nhà bác học J.J Thomson

J.J Thomson sinh 1856 tại đồi Cheetham, Manchester, Anh trong một

gia đình gốc Scotland Năm 1870, ông học kỹ sư tại trường Đại học

Manchester (được biết đến là Cao đẳng Owens thời đó), sau đó Thomson

chuyển tới học ở trường Cao đẳng Trinity, Cambridge năm 1876 Năm 1880

ông giành được bằng cử nhân toán và tới năm 1883 thì giành được bằng thạc

sĩ Năm 1884, Thomson trở thành giáo sư vật lý tại đại học Cambridge Một

trong những học trò nổi tiếng của ông là Ernest Rutherford Một trong những

thành tựu lớn nhất của Thomson cho khoa học hiện đại chính là tài năng giảng

dạy thiên tài của ông, bảy người trợ lý nghiên cứu của ông cũng như con trai

ông đều giành được giải Nobel vật lý Con trai của J.J Thomson là George

Paget Thomson giành giải Nobel vật lý năm 1937 vì đã phát hiện ra tính chất

của sóng điện tử

J.J Thomson được phong tước hiệp sĩ năm 1908 và nhận huân chương

danh dự năm 1912 Năm 1914, ông có một bài thuyết trình Romanes tại Đại

học Oxford về thuyết nguyên tử Năm 1918, ông trở thành hiệu trưởng trường

cao đẳng Trinity, Cambridge, ông giữ chức vụ này cho tới lúc mất Ông cũng

từng được bầu làm viện sĩ Xã hội Hoàng gia ngày 12 tháng 6 năm 1884 và trở

thành chủ tịch của hội từ năm 1916 tới năm 1920 Thomson qua đời vào ngày

30 tháng 8 năm 1940 và được chôn tại thánh đường Westminster.

1.3.2 Nội dung

Sáu năm sau khi khám phá ra e, năm 1903 Thomson đưa ra mô hình

đầu tiên về cấu trúc nguyên tử Mô hình này cho rằng các điện tử mang điện

tích âm được trộn lẫn trong vật chất mang điện tích dương, giống như các quả

mận nhỏ được trộn lẫn trong bánh, mô hình này còn được gọi là mô hình bánh

mận Nếu một điện tử bị xê dịch thì nó sẽ bị kéo về vị trí ban đầu Điều này

làm cho nguyên tử trung hòa về điện và ở trạng thái ổn định

Mô hình nguyên tử của Thomson:

Hình 1.7 Mẫu nguyên tử của Thomson

Nhìn hình thức bề ngoài thì mô hình của Thomson có vẻ rất hợp lý

Chính vì vậy mà mô hình này tồn tại trong một thời gian khá dài Muốn kiểm

tra tính đúng đắn của mô hình này người ta phải tiến hành được những thí

nghiệm có khả năng đi sâu vào trong nguyên tử Điều này quả thật không đơn

giản ở thời bấy giờ

1.3.3 Thí nghiệm tán xạ hạt Alfa của Rutherford

1.3.3.1 Thí nghiệm

Năm 1911, Rutherford và các đồng nghiệp đã tiến hành một thí nghiệm

nhằm kiểm tra lại mẫu nguyên tử của Thomsơn

Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trên hình 1.7:

Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm của Rutherford

Dùng chùm hạt α phát ra từ nguồn phóng xạ α (1), sau khi đi qua màn

chắn (2) có chứa khe hẹp để tạo thành chùm tia mảnh, cho bắn vào lá vàng

được dát mỏng (3) Đường đi của chùm hạt α được quan sát trên màn quan sát

(4) có phủ một lớp sunfua kẽm (mỗi khi hạt α đập vào màn thì sẽ tạo ra một

lóe sáng tại điểm đó)

1.3.3.2 Kết quả thí nghiệm

Hầu hết các hạt α bay thẳng qua lá vàng và gây lên những chớp sáng tại

điểm 0 trên màn quan sát 4

Tuy nhiên một số hạt α sau khi đi qua lá vàng thì bị lệch quỹ đạo khỏi

phương ban đầu (ví dụ: gây ra chớp sáng ở M trên màn 4)

Cá biệt có một số hạt α bị bật trở lại mà không xuyên qua được lá vàng

Nếu: căn cứ vào mẫu nguyên tử của Thomson thì có thể cho phép giải

thích được các hạt α xuyên qua tấm kim loại dẫn đến xuyên qua nguyên tử

Nhưng: Nếu dựa trên mẫu nguyên tử của Thomson thì xác suất hạt α

bật trở lại là 10-3500 Trong khi bằng thực nghiệm thì cứ 8000 hạt α tới lại có

một hạt bật trở lại - Một con số không thể bỏ qua

Kết quả này không thể giải thích nổi nếu dựa trên mẫu nguyên tử của

Thomson Theo Thomson thì phần mang điện tích dương trong nguyên tử

được phân bố một cách liên tục trong toàn bộ thể tích nguyên tử nên các hạt α

sẽ dễ dàng đi qua lá vàng mà không bị lệch quỹ đạo

Sau này khi nói về thí nghiệm Rutherford viết “…đây là một sự kiện

bất ngờ nhất xảy ra trong đời tôi Thật không thể nào hiểu nổi hiện tượng này,

y như ta bắn một phát đạn vào tờ giấy mà viên đạn lại bật trở lại phía ta…”

1.3.3.3 Giải thích kết quả thí nghiệm

Trước hết ta cần nhắc lại rằng, hạt α là đồng vị 4

2 He, chúng là những hạt mang điện tích dương +2e và có khối lượng cỡ 4,0015u (1u = 1,66055.10-

27

Kg) Như vậy, hạt α nặng hơn e gần 7500 lần Khi phát ra từ nguồn phóng

xạ, hạt α có vận tốc trong khoảng (1,5 - 2,0).107m/s

Do hạt α có khối lượng rất lớn so với khối lượng của e nên ta có thể bỏ

qua ảnh hưởng của e trong nguyên nhân làm hạt α bị lệch quỹ đạo Như vậy,

nguyên nhân hạt α bị lệch quỹ đạo là do tương tác của hạt α với phần mang

điện tích dương của nguyên tử vàng Điều này cho thấy, điện trường trong

nguyên tử phải là điện trường rất mạnh Nếu cho rằng điện tích dương của

nguyên tử phân bố liên tục trong toàn bộ thể tích nguyên tử như mẫu

Thomson thì sẽ không giải thích được kết quả của thí nghiệm này Từ đó,

Rutherford đi đến kết luận:

Điện tích dương của nguyên tử phải tập trung trong một thể tích rất nhỏ

để phần lớn các hạt α có thể xuyên qua

Phần mang điện tích dương chiếm phần lớn khối lượng của cả nguyên

tử, nó được gọi là hạt nhân nguyên tử để các hạt α bị lệch khi va chạm và có

khi bật trở lại

Hay nguyên tử có cấu tạo rỗng

1.4 Mẫu nguyên tử của Rutherford

1.4.1 Đôi nét về nhà bác học Rutherford

Ernest Rutherford sinh ngày 30 tháng 8 năm 1871 ở Nelson, New

Zealand Ernest Rutherford là con trai của James Rutherford, một nông dân,

và vợ của ông là Martha Thompson, quê quán ở Hornchurch, Essex, Anh

Quốc James là dân nhập cư từ Perth, Scotland, "để nuôi trồng cây đanh và

các con" Ernest sinh ra ở Spring Grove (bây giờ là Brightwater), gần Nelson,

New Zealand Tên gọi của ông bị đánh vần sai thành Earnest khi đi làm giấy

khai sinh Ông học ở trường Havelock School và sau đó là trường Nelson

College rồi giành được học bổng học ở trường Canterbury College,

University of New Zealand nơi ông là chủ tịch hội đồng tranh luận

Rutherford đã nghiên cứu hiện tượng phóng xạ từ đầu thập niên 1900

Ông đã phát hiện ra ba dạng tia phát ra từ các chất phóng xạ Ông (cùng với

Soddy) đã đưa ra thuyết phân rã phóng xạ, đã chứng minh sự tạo thành heli

trong quá trình phóng xạ, đã phát hiện ra hạt nhân nguyên tử và nghiên cứu

mô hình của hạt nhân nguyên tử, đặt cơ sở cho thuyết hiện đại về cấu tạo

nguyên tử

Năm 1907, ông là giáo sư vật lý ở trường Đại học Manchester Năm

1908, ông được tặng giải thưởng Nobel hóa học cho các công trình chứng

minh rằng các nguyên tử bị phân rã trong hiện tượng phóng xạ Từ năm 1919,

ông làm việc ở Cambridge và Luân Đôn Tại đây, ông đã thực hiện sự chuyển

hóa nhân tạo đầu tiên giữa các nguyên tố bền (còn gọi là kỹ thuật kim giả

thuật) Cụ thể là ông đã biến nitơ thành ôxy bằng cách dùng các hạt alpha bắn

phá vào chúng

1.4.2 Nội dung

Nguyên tử được coi như hợp bởi một hạt nhân tích điện dương và xung

quanh hạt nhân có những điện tử quay trên những quỹ đạo khác nhau Mẫu

nguyên tử Rutherford có thể được hình dung như một thái dương hệ nhỏ bé

với những điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân như những hành tinh

quay xung quanh mặt trời

Điện tích của các e được cân bằng bởi điện tích dương của hạt nhân và

về toàn bộ thì nguyên tử vẫn ở trạng thái trung hoà về điện Lực li tâm xuất

hiện do sự quay các e được cân bằng bởi lực hút tĩnh điện giữa các e và hạt

nhân tích điện ngược dấu

Vì lí do này mà mẫu nguyên tử của Rutherford còn được gọi là mô hình

hành tinh nguyên tử

Hình vẽ:

Hình 1.9 Mô hình nguyên tử theo mẫu Rutherford

Mẫu nguyên tử của Rutherford là một bước tiến quan trọng của khoa

học So với mẫu của Thomson, mẫu Rutheford có những phát triển vượt bậc

1.4.3 Thành công

Thí nghiệm về sự tán xạ các hạt α không những cho phép phát hiện sự

tồn tại hạt nhân nguyên tử mà còn xác định được điện tích của nó Đại lượng

điện tích dương của hạt nhân nguyên tử bằng số thứ tự của nguyên tố trong hệ

thống tuần hoàn Do đó, số thứ tự của nguyên tố không đơn thuần ghi vị trí

của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn, mà là hằng số quan trọng nhất của

nguyên tố biểu diễn điện tích dương của hạt nhân nguyên tử của nó Do tính

trung hoà điện của nguyên tử nên có thể rút ra kết luận rằng số lượng e quay

quanh hạt nhân cũng bằng số thứ tự của nguyên tố Đó là ý nghĩa vật lý của số

thứ tự nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn Mendeleep

Mô hình hành tinh, hay mô hình hạt nhân nguyên tử của Rutherford là

một bước tiến lớn trong nhận thức về cấu trúc nguyên tử

1.4.4 Hạn chế

Mô hình hành tinh không thể giải thích tính bền của nguyên tử

Khi quay quanh hạt nhân, e phải phát ra một phần năng lượng của mình

dưới dạng dao động e Điều đó dẫn đến sự phá huỷ cân bằng giữa lực hút tĩnh

điện của e về hạt nhân và lực li tâm gây ra bởi sự quay của e quanh hạt nhân

Để khôi phục lại cân bằng, e phải dịch chuyển đến gần hạt nhân hơn Do đó,

khi bức xạ một cách liên tục năng lượng e, thì dần dần e phải đi đến gần hạt

nhân và cuối cùng rơi vào nó – nguyên tử sẽ không còn tồn tại nữa Trên thực

tế, nguyên tử lại rất bền và có thể tồn tại vô thời hạn

Mô hình Rutherford cũng không thể giải thích được đặc điểm của

quang phổ nguyên tử

Chúng ta biết rằng khi đi qua lăng kính thuỷ tinh thì ánh sáng mặt trời

tạo thành quang phổ - dải màu chứa tất cả các màu của cầu vồng Hiện tượng

này là do ánh sáng mặt trời gồm các sóng e có tần số khác nhau Các sóng có

tần số khác nhau bị khúc xạ bởi lăng kính một cách không đồng đều, dẫn đến

tạo thành quang phổ liên tục Ánh sáng phát ra bởi các chất lỏng và các chất

rắn nung nóng sáng cũng thể hiện tính chất tương tự Quang phổ của các khí

và các hơi được đốt nóng sáng là những vạch màu riêng biệt, cách nhau bởi

những khoảng tối – quang phổ vạch Đồng thời, các nguyên tử của mỗi

nguyên tố cho quang phổ hoàn toàn xác định, khác với quang phổ của nguyên

tố khác

Tính chất vạch quang phổ hidro không phù hợp với thuyết Rutherford,

vì khi phát ra năng lượng e phải đi liên tục gần hạt nhân, và quang phổ của nó

phải là quang phổ liên tục

Do đó, mô hình hành tinh của nguyên tử không thể giải thích được tính

bền của nguyên tử, cũng như không thể giải thích được tính chất vạch đối với

quang phổ của các khí và hơi

1.4.5 Sự tìm ra proton và notron

Sau khi Rutherford đề xuất mô hình nguyên tử có hạt nhân, các công

trình nghiên cứu cấu tạo vật chất tiếp tục phát triển mạnh mẽ Các hạt proton

và notron được khám phá ra

1.4.5.1 Sự tìm ra proton

Năm 1917, Rutherford khi bắn phá hạt nhân nguyên tử nito bằng hạt α

đã quan sát được sự xuất hiện hạt nhân nguyên tử oxi và một loại hạt có khối

lượng 1,6726.10-27 kg, mang một đơn vị điện tích dương (eo hay 1+) Hạt này

là một thành phần cấu tạo của hạt nhân nguyên tử được gọi là proton, được kí

khác trong hạt nhân đóng góp vào khối lượng của nguyên tử Vì nguyên tử

trung hoà về điện nên hạt này phải không mang điện tích

Nhà vật lý người Pháp Irene Joliot – Curie (1897 – 1956) đã tiến hành

một thí nghiệm, bà bắn phá một mẫu Berili bằng chùm hạt alpha và làm ra

một chùm hạt mới có khả năng thấm sâu vào vật chất nhiều hơn hạt alpha

Năm 1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891 – 1974) phát hiện ra

rằng chùm hạt đó được tạo thành từ các hạt có cùng khối lượng với proton

Do điện từ trường không làm lệch hướng chuyển động của hạt này nên nó là

một hạt trung hoà về điện và ông gọi nó là notron

Phương trình:

2He + Be 4  6C + n notron0

Để giải quyết những khó khăn mà mẫu nguyên tử của Rutherford gặp

phải, năm 1913 nhà bác học Đan - Mạch Niels Bohr, một mặt đã sử dụng một

số định luật của cơ học kinh điển và nhiều thành tựu của Rutherford và mặt

khác đưa ra điều kiện lượng tử đối với sự chuyển động của điện tử trên cơ sở

lý thuyết lượng tử Plank và một số tiên đề khác hoàn toàn trái ngược với tinh

thần điện động học kinh điển Dưới đây là nội dung những tiên đề, cơ sở lý

thuyết của Bo về nguyên tử

1.5 Mẫu nguyên tử của Bohr

1.5.1 Đôi nét về nhà bác học Niels Bohr

Niels Bohr sinh 7/10/1885 - mất 18/11/1962, là một nhà vật lý học

người Đan Mạch Niels Bohr là con của nhà sinh học Christian Bohr và bà

Ellen Adeer Niels cũng là anh của nhà toán học Harald Bohr (giáo sư trường

ĐH Copenhagen) Niels Bohr được đào tạo tại trường ĐH Copenhagen Năm

1911, được cấp bằng tiến sĩ với luận án Studierover Metallemes Elektronteori

(nghiên cứu về lý thuyết điện tử của các kim loại), sau đó Bohr sang ĐH

Manchester nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của nhà hóa học nổi tiếng

Rutherford Ông đã nhận giải Nobel vật lý 1922 vì những đóng góp quan

trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử và trong cơ học lượng tử

Ông đã từng tham gia dự án Manhattan Niels được xem như là một trong

những nhà vật lý nổi tiếng nhất thế kỉ 20

1.5.2 Nội dung

Tiên đề 1: Trong nguyên tử, các điện tử không thể chuyển động trên bất kì

quỹ đạo nào mà chỉ được phép chuyển động trên những quỹ đạo xác định với

điều kiện là momen động lượng M của điện tử đối với các quỹ đạo đó bằng

m: khối lượng của electron

Đây là điều kiện lượng tử hoá quỹ đạo hay điều kiện lượng tử hoá

momen động lượng, n được gọi là số lượng tử và ħ = h/2π được gọi là đơn vị

lượng tử của momen động lượng

Hằng số planck hay lượng tử tác dụng h có thứ nguyên là J.s và momen

động lượng hay động lượng quay cũng có thứ nguyên trên Chính vì nhận

thấy momen động lượng có cùng thứ nguyên với hằng số planck nên Bo đã

đưa ra điều kiện lượng tử hoá trên

Tiên đề 2: Khi chuyển động theo những quỹ đạo lượng tử trên, điện tử không

bức xạ, nghĩa là không mất năng lượng (điều này trái với định luật bức xạ của

điện động học kinh điển)

Quỹ đạo hay trạng thái mà năng lượng của điện tử có một giá trị xác

định không đổi gọi là quỹ đạo dừng hay trạng thái dừng

Tiên đề 3: Nguyên tử hay điện tử chỉ phát xạ hay bức xạ khi nguyên tử hay

điện tử chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác

Năng lượng hυ của quang tử được phát ra hay bị hấp thụ bằng hiệu số

năng lượng với trạng thái trên

∆E = Ec – Et = hυ

(Ec : Năng lượng của điện tử ở trạng thái có năng lượng cao, Et : Năng

lượng của điện tử ở trạng thái có năng lượng thấp)

Hình vẽ:

Hình 1.10 Sự xuất hiện quang phổ hấp thụ và phát xạ theo thuyết Bohr

Hình 1.11 Mẫu nguyên tử của Bohr

Theo tiên đề 2 thì electron chuyển động trên cùng một quỹ đạo sẽ

không phát ra năng lượng Trong nguyên tử nằm ở trạng thái cơ bản, e có thể

quay vô thời hạn, có nghĩa nguyên tử như thế là một hệ rất bền Hay tiên đề 2

đã giải thích được tính bền của nguyên tử

Tiên đề 3 cho phép giải thích nguồn gốc của quang phổ phát xạ và hấp

thụ của nguyên tử cũng như cấu tạo vạch của quang phổ nguyên tử

Từ điều kiện lượng tử hoá momen động lượng (tiên đề 1) dẫn đến sự

lượng tử hoá năng lượng: Năng lượng nguyên tử chỉ có thể nhận những giá trị

gián đoạn hay xác định phụ thuộc vào số lượng tử n

Bình thường nguyên tử ở trạng thái có năng lượng thấp nhất (trạng thái

cơ bản) Khi được cung cấp năng lượng (ví dụ do sự va chạm nguyên tử, sự

va chạm điện tử, do sự hấp thụ bức xạ…) nguyên tử chuyển từ trạng thái năng

lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao (trạng thái kích thích)

Trạng thái kích thích là trạng thái không bền vững Nguyên tử có xu

hướng trở về trạng thái cơ bản Nếu giữa hai mức năng lượng trên còn có

những mức năng lượng khả dĩ khác thì trước khi chuyển về trạng thái cơ bản,

nguyên tử có thể chuyển về những trạng thái trung gian Ứng với mỗi bước

nhảy trên, nguyên tử phát ra Ea một quang tử với một tần số xác định, tính

theo hệ thức trên:

Ứng với một quang tử này ta được một vạch trên quang phổ phát xạ

nguyên tử Vì năng lượng nguyên tử được lượng tử hoá nên các tần số của

bức xạ phát ra cũng nhận những giá trị gián đoạn Điều này dẫn đến cấu tạo

vạch của quang phổ phát xạ nguyên tử

Ngược lại, khi chiếu một chùm bức xạ liên tục qua nguyên tử thì

nguyên tử có thể hấp thụ chọn lọc những quang tử khi chuyển từ những trạng

thái năng lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao Tần số bức xạ hấp thụ này

cũng được tính theo hình thức trên:

υ = (Ec – Et)/h

Ứng với tần số này ta được một vạch trên quang phổ hấp thụ nguyên tử

Ngoài ra, tiên đề 3 còn cho phép tính được độ dài sóng λ là bao nhiêu:

Khi e chuyển từ quỹ đạo xa hạt nhân về quỹ đạo gần hạt nhân hơn không phải

liên tục mà theo từng phần – từng lượng tử Giá trị lượng tử năng lượng liên

hệ với tần số của bức xạ υ hoặc độ dài sóng λ theo hệ thức:

E = Ec – Et = hυ = hc/ λ

1.5.2.1 Mô hình nguyên tử hidro của Bohr

Áp dụng giả thuyết thứ 3 của Bohr ta có thể tính được:

Ngoài nguyên tử H, những hệ có 1e và một hạt nhân như các ion

He+, Li2+, Be3+… cũng đã được nghiên cứu theo lý luận của Bo và cho kết quả

phù hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết

1.5.2.2 Thuyết quỹ đạo elip của Sommerfeld

Vào 1916 - 1925 A.Sommerfeld (Đức) và những người khác đã xây

dựng lý thuyết cấu tạo nguyên tử nhiều e Ngoài quỹ đạo tròn, Sommerfeld

còn giả thiết có những quỹ đạo elip (giống như các hình tinh cũng có quỹ đạo

elip) Khi đó kích thước và cách phân bố các quỹ đạo cũng tuân theo quy tắc

lượng tử hóa, nhờ vậy đã giải thích được một số hiện tượng trong quang phổ

(cấu tạo tinh tế, sự tách vạch khi có từ trường, điện trường…)

1.5.3 Thành công của Bohr

Suy rộng thuyết lượng tử năng lượng planck, Bohr đã đưa ra tiền đề về

sự lượng tử hoá momen động lượng trong nguyên tử Từ đó dẫn đến sự lượng

tử hoá bán kính quỹ đạo, vận tốc, tần số, năng lượng của điện tử trong nguyên

tử

Đặc biệt là Bohr đã tìm ra biểu thức tính năng lượng của điện tử trong

nguyên tử H và trong những ion giống H:

En = - (2π2mZ2e4)/n2h2

Biểu thức này hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán của cơ học

lượng tử phi tương đối schroedinger

Để giải thích quang phổ nguyên tử và để giải thích tính chất bền vững

của hệ thống nguyên tử, Bohr đã đưa ra tiên đề về quỹ đạo dừng trong nguyên

tử

Điều này hoàn toàn trái với tinh thần của vật lý học kinh điển Ngược

lại, mặc dù cơ học lượng tử không nói đến quỹ đạo nhưng kết quả của cơ học

lượng tử cũng dẫn đến những trạng thái dừng trong nguyên tử, tức là những

trạng thái mà điện tử có một năng lượng xác định

Đối với H hoặc ion giống H, theo cơ học lượng tử phi tương đối, các

giá trị năng lượng này, chính là những giá trị năng lượng thu được từ biểu

thức trên

Từ những dữ kiện về quang phổ nguyên tử, lí thuyết Bohr đã phát hiện

ra được các số lượng n, l, ml, ms đặc trưng cho những trạng thái của điện tử

trong nguyên tử, phù hợp với kết quả của cơ học lượng tử (đối với các đại

lượng cơ học như momen động lượng, momen spin, momen từ, momen từ

spin) Cơ học lượng tử cho những biểu thức hơi khác với biểu thức rút ra từ

thuyết Bohr – Sommerfeld Riêng đối với hợp phần của đại lượng trên một

phương nào đó thì hai thuyết cho kết quả phù hợp

Kết hợp với tiên đề về spin của Uhlenbeck và Goudsmit lí thuyết Bohr

cũng đã giải thích và xác định được tần số những vạch quang phổ của nguyên

tử H và những ion giống H

Trên cơ sở bốn số lượng tử n, l, ml, ms và trên cơ sở của nguyên lý

Pauli, nguyên lý vững bền, quy tắc Hund, thuyết Bohr – Sommerfeld cũng đã

tính được số điện tử trên những lớp và phân lớp quỹ đạo bão hoà và trên cơ sở

đó, giải thích được sự phân bố các điện tử trong nguyên tử của các nguyên tố

cũng như giải thích được sự phân bố một cách định tính các quy luật về sự

biến đổi các tính chất của các nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn Mendeleev

Lý thuyết nguyên tử Bohr – Sommerfeld cũng được vận dụng trong lý thuyết

về phân tử Các thuyết Lewis, Kossel về liên kết hoá học được xây dựng hoàn

toàn trên cơ sở của lý thuyết nguyên tử Bohr – Sommerfeld

Nhìn chung ta thấy thuyết nguyên tử Bohr – Sommerfeld đã có một

đóng góp khá quan trọng trong quá trình phát triển lí thuyết về cấu tạo nguyên

tử Một mặt, nó chứng minh sự hạn chế của vật lý học kinh điển trong những

hiện tượng nội nguyên tử Và mặt khác, lí thuyết Bohr đã xác minh tính chất

lượng tử trong những hệ thống vi mô, đề xuất ra được nhiều vấn đề và thúc

đẩy sự phát triển lí thuyết về cấu tạo nguyên tử - phân tử nói riêng cũng như lí

thuyết về các hệ vật lý vi mô nói chung

Thuyết Bohr không những chỉ giải thích bản chất vật lý đối với tính

chất vạch của phổ nguyên tử như là kết quả của sự chuyển động e từ quỹ đạo

được phép này về quỹ đạo được phép khác của nguyên tử mà còn cho phép

tính vị trí của vạch trong quang phổ

1.5.4 Hạn chế

Lí thuyết Bohr có nhiều khó khăn hay bế tắc trước hết là sự mâu thuẫn

trong bản thân lí luận của lí thuyết, về lí thuyết Bohr không phải là một lý

thuyết nhất quán Khi thì nó phủ nhận vật lý kinh điển khi thì nó kết hợp lí

thuyết của vật lý kinh điển với lí thuyết lượng tử một cách gò bó Một thuyết

như vậy, không coi là một thuyết hoàn chỉnh được Vì vậy, sau một số thành

tựu ban đầu chính bản thân thuyết nguyên tử Bohr đã phát hiện sự thiếu sót

của bản thân nó Ngay cả đối với trường hợp đơn giản là trường hợp nguyên

áp dụng điện động lực học kinh điển trong cả trường hợp ứng với những số

lượng tử nhỏ

Mọi cố gắng của lí thuyết Bohr để xây dựng lí thuyết về nguyên tử

nhiều điện tử ngay cả đối với nguyên tử trung hoà He đứng sau nguyên tử H

với hai điện tử đều không đi đến thành công: Đối với hệ có 2 điện tử trở lên

(He, Li ) do tương tác giữa các hạt nhân với nhau, vấn đề trở lên phức tạp Lý

thuyết Bohr chỉ cho biết một cách khái quát là trong hệ nhiều điện tử, các điện

tử cũng chuyển động trên những quỹ đạo lượng tử và khi chuyển từ một quỹ

đạo ứng với mức năng lượng cao về một quỹ đạo ứng với mức năng lượng

thấp hơn, nguyên tử sẽ phát ra một bức xạ đơn sắc với E - Ec t

h

 Bản thân những tiên đề Bohr chưa cho biết gì về sự phân bố các điện

tử trên các quỹ đạo Hay nói cách khác, lý thuyết Bohr không cho biết gì về

cường độ bức xạ cũng như không giải thích được sự phân cực của bức xạ

Để khắc phục chỗ yếu này, Bohr cố gắng tìm ra mọi sự liên quan hay

một sự tương ứng nào đó giữa vật lý học kinh điển và vật lý học lượng tử

trong những điều kiện đặc biệt và từ đó suy rộng, tìm cách vận dụng những

định luật kinh điển để giải thích những hiện tượng mà bản thân lý thuyết Bohr

gặp khó khăn

Chính vì những lí do trên mà sự phát triển của thuyết Bohr chỉ có thể

được coi là một giai đoạn quá độ để đi đến cơ học lượng tử, một ngành cơ học

mới, hoàn chỉnh, áp dụng cho mọi hệ vi mô

Nhận xét:

Mặc dù có nhiều hạn chế như vậy nhưng lý thuyết Bohr vẫn được đánh

giá rất cao Trước tiên là về tính tiên phong trong việc thừa nhận những khái

niệm mới, mở đầu cho vật lý hiện đại Có thể nói, lý thuyết Bo là một lý

thuyết bán cổ điển Đã có nhiều nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh lại lý thuyết

Bo, điển hình là Somerfeld, trong đó thay cho quỹ đạo hình tròn của e trong

nguyên tử là các quỹ đạo hình elip, thậm chí thừa nhận sự suy biến của các

trạng thái năng lượng Tuy nhiên, các lý thuyết này vẫn không giải quyết

được triệt để các bài toán về cấu trúc nguyên tử, đặc biệt là các nguyên tử

phức tạp, có nhiều e Điều này cho thấy, muốn giải quyết được đầy đủ các vấn

đề của cấu trúc nguyên tử cần có lý thuyết hiện đại, trong đó các vấn đề lượng

tử hóa được giải quyết triệt để

1.6 Quan điểm hiện đại (quan điểm cơ học lượng tử 1926)

Điện tử không những có tính chất hạt mà còn có tính chất sóng Bản

chất lưỡng tính này của e được thực nghiệm xác nhận 1927 đã buộc các nhà

bác học phải tìm ra thuyết mới về cấu trúc nguyên tử có chú ý đến cả hai tính

chất đó Thuyết hiện đại về cấu trúc nguyên tử dựa trên lý thuyết của cơ học

lượng tử

Cơ học lượng tử không phải là sự kết hợp một các chủ quan cách quan

niệm cổ điển với quy tắc lượng tử hóa, mà là một lý thuyết cân đối dựa trên

một hệ thống khái niệm làm nền tảng, các kết quả thu được của cơ học lượng

tử hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm

1.6.1 Giới thiệu về hàm sóng và phương trình Schrodinger

Cơ học lượng tử được xây dựng từ một số cơ sở (hàm sóng, toán tử,

phương trình hàm riêng trị riêng, nguyên lý chồng chất) đòi hỏi phải có sự

chuẩn bị toán công phu Toàn bộ lý thuyết cơ học lượng tử về nguyên tử quy

về việc giải các phương trình sóng

1.6.1.1 Hàm sóng

Định nghĩa: mỗi trạng thái của một hạt hay một hệ hạt vi mô được đặc

trưng bằng một hàm xác định được gọi là một hàm sóng hay hàm trạng thái

Kí hiệu: q t,  q: tọa độ

Nếu ở trạng thái dừng (là trạng thái mà năng lượng của hệ không phụ

tường minh vào thời gian) thì hàm sóng trở thành  q hay ψ(x,y,z) hay

ψ(r,,φ)

Bình phương của hàm sóng ψ2(r,,φ) hay bình phương môđun của hàm

sóng: │ψ│2 = ψ.ψ* nếu là một hàm phức thì biểu thị xác suất có mặt của hạt

cần xét trong một đơn vị thể tích tại vị trí tương ứng (mật độ xác suất)

ψ2dv: Biểu thị xác suất tìm thấy hạt trong một phần tử thể tích dv tại

tọa độ tương ứng

Điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng: xác suất tìm thấy hạt trong toàn bộ

không gian phải bằng 1 (biến cố chắc chắn)

Hàm ψ có tính đơn trị, tính hữu hạn, tính liên tục

Tiên đề về toán tử tuyến tính Hermit của hệ lượng tử

- Nội dung: tương ứng với mỗi đại lượng vật lý a của một hệ lượng tử ở vào

một trạng thái được mô tả bởi một hàm ψ sẽ tương ứng với toán tử

Giả sử ta có: a, ψ, ˆA

Có hai trường hợp:

ˆAˆA

a a