Đề tài nghiên cứu Lý thuết các hình mẫu nguyên tử

Các Hình Mẫu Ngun Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Lời Nói Đầu  Đối với việc thực đề tài vấn đề tương đối mẽ, nên nội dung hình thức đề tài khơng tránh khỏi thiếu xót Do mong thầy, bạn đọc thơng cảm Và có ý kiến đóng góp quý báo, để rút kinh nghiệm việc thực Luận văn tốt nghiệp sau hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Quyên, Thầy Bùi Đức Thắng, tận tình hướng dẫn, xem xét đánh giá suốt trình em thực đề tài Người thực Nguyễn Vĩnh Khánh Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Phần: NỘI DUNG ****** Chương I: CÁC HỌC THUYẾT SƠ KHAI VỀ NGUYÊN TỬ I Thuyết nguyên tử Đêmôcrit : Ngay từ thời cổ đại, người ta có hình dung bước đầu giới vật chất Nó đâu mà có? Những tạo nó? Và cấu tạo nào? Đây suy nghĩ mang tính vật ( khác với quan điểm tam cho giới vật chất muôn màu, muôn vẽ tay thượng đế tạo ) Aristôt (384-322 TCN)- nhà triết học vĩ đại người Hy Lạp, sách “ Vũ Trụ”, Ơng nói : “ Có chất ngun sinh: Lửa, khơng khí, đất , nước: Kết hợp với tạo thành vật chất Đất nặng cùng, nước, không khí, lửa khơng” Tuy nhiên, quan niệm sơ khai cấu tạo vật chất Chưa mang tính khoa học thực Sau thời cổ Hy lạp, triết gia Lơkíp đưa khái niệm “nguyên tử” ; hạt vật chất bé nhỏ, phân chia gọi “Atomos” ; từ Hy lạp, ghép từ “a” có nghĩa “khơng” với từ “temos” có nghĩa “chia, cắt” Ý kiến Lơkíp Đêmơcrit (460-370 TCN), phát triển thành luận thuyết gọi “ Ngun tử luận” Ơng nói : “ Các mơi trường vật chất hạt “ nguyên tử” tạo thành Ngồi “chân khơng” Các ngun tử chuyển động không ngừng chân không; chúng cấu tạo từ chất sở khác kích thước hình dạng Chúng tồn vĩnh viễn; phân chia, phân huỷ…” Nhưng thuyết lại khơng Aristơt đồng tình Vì theo Đêmơcrit phải có “chân khơng” Aristơt khơng thể chấp nhận “chân khơng”; mơi trường khơng gian có liên tục nguyên tử tương tác với Khơng thể có tác dụng cành bắc hay tác dụng từ xa mà khơng có vật trung gian Ý kiến thực Vật lý học phát tồn “trường”, làm nhiệm vụ truyền tương tác Ngược lại “ Nguyên tử luận” Đêmơcrit Êpicua Lucrexó tán thưởng Suốt 20 kỉ, thời “phục hưng”, ln có tranh luận hai khái niệm “liên tục” “gián đoạn” Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Dù “Nguyên tử luận” Đêmôcrit, bao hàm nhiều ý kiến đắn, phù hợp với Vật lý học nguyên tử sau này, sau quan niệm “thuần tuý triết học”; chưa thí nghiệm chứng minh Mãi đến 1808, John Dalton (1766 – 1844) đưa lý “thuyết nguyên tử” để giải thích định luật bảo toàn khối lượng, định luật tỉ lệ chất phản ứng hoá học; phát triển Ngun tử luận Đêmơcrit, biến thành luận điểm khoa học Lý thuyết ông dựa giả thuyết: - Thứ nhất, tất vật chất điều tạo thành từ “nguyên tử” - Thứ hai, nguyên tử nguyên tố có cấu trúc tính chất - Thứ ba, nguyên tử bị phân chia; sinh - Thứ tư, nguyên tử nguyên tố khác nhau, kết hợp với để tạo “hợp chất” - Thứ năm, phản ứng hoá học, nguyên tử kết hợp, phân tách tái xếp lại Lý thuyết Dalton khơng giải thích định luật mà sở để xây dựng lý thuyết khác nguyên tử sau Cả Đêmôcrit John Dalton cho “nguyên tử” khơng có cấu trúc; tức ngun tử khơng tạo thành từ phần tử nhỏ hơn; mà người ta thường gọi mơ hình mơ hình sơ khai “ngun tử” Cùng với phát triển khoa học, giả thuyết Dalton xem xét lại Và người ta thấy rằng: khơng phải ngun tử hạt khơng có cấu trúc mà nguyên tử nguyên tố có tính chất khác Vào đầu kỉ XX, nhà khoa học phát nguyên tử tạo thành từ ba loại hạt “hạ nguyên tử” gọi proton, neutron điện tử ( electron ) Vấn đề trình bày cụ thể phần sau II Việc tìm điện tử (electron): Điện tử ( electron ) hạt hạ nguyên tử tìm dựa vào tính chất điện vật chất Vào cuối thập kỉ kỉ XIX, người ta nghiên cứu ống chùm catốt ( tiếng Anh : cathode ray tube) Ống chùm catốt ống thuỷ tinh, bên có chứa khí có áp suất thấp, đầu ống cực dương; đầu cực âm.Hai cực đước nói với nguồn có điện khác nhau, nguồn tạo dòng hạt qua khí bên ống Người ta giả thuyết có chùm hạt phát từ cực dương phía cực âm làm cho ống phát sáng Chùm gọi “chùm catôt” Khi đặt vật chướng ngại nhẹ ống vật bị di chuyển từ cực dương cực âm Người ta kết luận hạt có khối lượng Khi đặt từ trường vào dòng hạt bị dịch chuyển; người ta kết luận hạt có “điện tích” Năm 1897, nhà Vật lý người Anh Joseph John Thosom (1856 – 1940) kiểm chứng tượng nhiều thí nghiệm khác Ông đo tỷ số khối lượng hạt điện tích độ lệch hướng chùm tia từ trường điện trường khác Thomson dùng nhiều kim loại khác Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh làm cực dương cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí ống Ơng thấy độ lệch chùm tia tiên đốn cơng thức tốn học Thomson tìm thấy tỉ số điện tích/ khối lượng (e/m) số khơng phụ thuộc vào việc ơng chọn vật liệu Ông kết luận tất chùm catôt tạo thành từ loại hạt mà nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên “electron”, vào năm 1891 Năm 1909, nhà vật lý người Mỹ Robert Milikan (1868- 1953) tìm khối lượng (m) điện tử phần ngàn khối lượng ngun tử Hyđrơ cách dung thí nghiệm “giọt dầu” ( tiếng Anh : oil drop) Ông dùng tia X làm cho giọt dầu có điện tích âm, sau ơng phun giọt dầu vào dụng cụ cho giọt dầu rơi vào khoảng khơng hai tích điện Ơng thay đổi điện tích tích điện xác định việc ảnh hưởng thay đổi đến q trình rơi giọt dầu Nhờ ông thấy điện tích giọt dầu số nguyên lần điện tích đại lượng mà ơng cho điện tích điện tử Nhờ vào tỷ số điện tích/khối lượng (e/m) Thomson mà ông xác định khối lượng điện tử Ông lý luận chùm ca-tốt bị lệch chất khí dùng thí nghiệm, nên ơng cho điện tử có mặt tất nguyên tố Do nguyên tử trung hoà điện , mà điện tử lại có điện tích âm; nên cần phải có điện tích dương, tồn nguyên tử Hơn nữa, khối lượng điện tử nhỏ so với khối lượng nguyên tử nên cần phải có thực thể chịu trách nhiệm cho khối lượng lớn nguyên tử Đây lần kết thực nghiệm cho thấy nguyên tử bị phân chia sở cho “mơ hình nguyên tử” Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Chương II: CÁC MẪU NGUYÊN TỬ THEO LÝ THUYẾT CỔ ĐIỂN Sự phát kiến tìm hiểu hạt mang tên Electron khiến quan niệm cho nguyên tử đơn vị cuối vật chất, phân chia ( Đêmơcrit Dalton ) hồn tồn sụp đổ Người ta khẳng định : Nguyên tử chứa lòng phần tử điện tích bé theo cấu trúc Vấn đề cần giải : Nguyên tử cấu tạo từ cấu trúc nào? Để giải vấn đề này, nhà khoa học đưa hình mẫu nguyên tử; dùng lý thuyết thực nghiệm để xác hố dần I Mẫu ngun tử Thomson: Các electron Mơi trường đồng chất tích điện dương - - - Hình 1.1 Năm 1902, Thomson cho rằng, để có ngun tử vốn trung hồ điện, ngun tử có electron mang điện tích e < phải có điện tích dương Trong ngun tử khơng có nơi chân khơng mà “vật chất chiếm đầy” Có thể xem khối hồ tích điện dương; e gắn nơi khác xem nguyên tử khối chất lỏng mang điện tích dương (hình 1.1); đó, có hạt e nguyên tử dao động mang lượng dao động nhiệt phát tiết ngồi, dạng sóng điện từ ( ánh sáng ) Mẫu nguyên tử Thomson hợp lý tồn thời gian tương đối dài (8 năm ) chưa có thí nghiệm xem xét bên nguyên tử Về sau người ta biết mẫu chưa giải thành phần cấu tạo cấu trúc nguyên tử II Mẫu nguyên tử thái dương hệ Rơdơpho: Mẫu nguyên tử Rơdơpho Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Lúc người ta phát phóng xạ tia α, với nhận định tia α hạt điện tích dương: q = +2/e/, bay với vận tốc lớn Ernestơ Rơdơpho, học trò Thomson không thoả mãn với ý kiến thầy hình mẫu nguyên tử, nên nghĩ : cần thăm dò cấu trúc bên nguyên tử, cách dùng hạt đạn, tia α, bắn vào nguyên tử để thăm dò, Rơdơpho thực thí nghiệm 1905 Nguyên tử chọn để thăm dò Au (vàng) dát cực mỏng, dùng làm bia, phía sau bia quỳnh quang Hạt α xuyên qua bia đập vào gây đốm sáng, quan sát vị trí đếm nhờ kính nhìn Nếu ngun tử có cấu trúc mẫu Thomson theo dự đốn hạt α xuyên thẳng qua vàng Vì điện tích dương phân bố nguyên tử nên hạt α chịu tác dụng điện trường yếu; lực đẩy Culông (Coulomb) gần không ảnh hưởng đến phương chuyển động ban đầu hạt α Kết thí nghiệm Rơdơpho lại hồn tồn trái ngược với dự đốn trên: + Đa số hạt α xuyên qua vàng đến đập vào quỳnh quang + Các hạt α bị lệch hướng nhiều sau qua vàng: hạt α bị “tán xạ”; góc tán xạ tuỳ thuộc vào khoảng nhằm (p) + Một số hạt α chí bị phản xạ trở lại Để giải thích kết này, Rơdơpho đốn nhận: bên nguyên tử phải có điện trường cực mạnh, sinh điện tích dương, tập trung thể tích nhỏ có khối lượng lớn làm cho số hạt α bị lệch với góc lớn Rơdơpho cho điện tích dương phải nằm tâm nguyên tử; ông gọi “hạt nhân nguyên tử” Như vậy, Rơdơpho hình dung ngun tử có hạt nhân nằm giữa, electron xung quanh hạt nhân giải thích tượng tán xạ hạt α sau: Vì kích thước hạt nhân nhỏ kích thước nguyên tử hàng nghìn lần nên đa số hạt α xuyên qua khoảng không nguyên tử thẳng, hạt sát hạt nhân chịu lực đẩy tĩnh điện mạnh làm cho bay lệch hướng với góc đáng kể ( khoảng nhằm pbé) Bằng nhiều thí nghiệm nghiên cứu tán xạ hạt α kim loại khác nhau, Rơdơpho khẳng định tồn hạt nhân nguyên tử Từ Ơng xây dựng mẫu ngun tử sau: + Nguyên tử gồm hạt nhân nằm giữa, có kích thước cực nhỏ, mang điện tích dương có khối lượng gần khối lượng nguyên tử + Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân + Tổng điện tích âm electron điện tích dương hạt nhân nên nguyên tử trung hoà điện + Nếu số electron nguyên tử Z đương nhiên điện tích hạt nhân +Ze + Người ta cho electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo elíp ( trường hợp đặc biệt tròn ) giống chuyển động hành tinh xung quanh Mặt Trời “thái dương hệ” Vì thế, mẫu nguyên tử Rơdơpho gọi “mẫu hành tinh nguyên tử” Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Nhận xét hình mẫu nguyên tử Rơdơpho ta thấy: hình ảnh cụ thể “đẹp”; trước chưa hình dung Nên ưa chuộng Nhưng nghiên cứu kỹ, lại nẩy sinh mâu thuẫn sau đây: Thứ nhất: theo điện động lực học cổ điển electron chuyển động xung quanh hạt nhận có gia tốc ( hướng tâm ) Nó xạ liên tục sóng điện từ ( có tần số tần số quay quanh hạt nhân ) Như vậy, phổ phát xạ nguyên tử phải phổ liên tục Nhưng thực nghiệm lại thu phổ vạch ( gián đoạn ) Thứ hai: electron quay xung quanh hạt nhân, bực xạ điện từ liên tục lượng giảm liên tục Do bán kính quỹ đạo giảm liên tục, electron vạch đường xốy trơn ốc cuối rơi vào hạt nhân Như nguyên tử bị phá huỷ Theo tính tốn, q trình xảy khoảng 10 -8 giây Nhưng thực tế nguyên tử tồn bền vững Những mâu thuẫn đòi hỏi lý thuyết đời để giải thích Một phương pháp quan trọng hữu hiệu để tìm hiểu cấu trúc nguyên tử nghiên cứu quang phổ nguyên tử phát xạ Để đơn giản, ta bắt đầu quang phổ nguyên tử Hyđrô * Quy luật quang phổ nguyên tử Hyđrô: Cuối kỉ XIX, nghiên cứu quang phổ học người ta thấy bước sóng quang phổ nguyên tử hợp thành dãy vạch xác định gọi dãy quang phổ Năm 1885, Banme thiết lập cơng thức xác định xác tất bước sóng dãy quang phổ thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy phổ phát xạ nguyên tử Hyđrô là: 1 = R( 2 - )( với n = 3,4,5,…)  n R = 1,096776.107m-1 gọi số Ritbec Dãy gọi dãy Banme Ngoài dãy Banme người ta tìm thấy dãy khác vùng hồng ngoại tử ngoại: dãy Laiman, Pasen, Bracket, Phun Tất bước sóng dãy thống xác định công thức chung gọi công thức Banme tổng quát : 1 = R( - ) ni nk  ( với ni < nk ) Giữ nguyên ni thay đổi nk ta có vạch dãy Sự tồn quy luật quang phổ nguyên tử Hyđrô trật tự tương tự tương tự quang phổ nhiều nguyên tử phức tạp khác chứng khẳng định phải có lý thuyết định cấu trúc nguyên tử Điều trái ngược hoàn toàn với kết luận Rơdơpho ( quang phổ nguyên tử quang phổ liên tục ) III Mơ hình ngun tử Bohr: Trang Các Hình Mẫu Nguyên Tử Nguyễn Vĩnh Khánh Mẫu nguyên tử Bohr Mẫu nguyên tử Rơdơpho mặt cấu trúc hợp lý, giải vấn đề “nguyên tử cấu tạo từ gì?”( từ hạt nhân electron ) đề cập đến vấn đề “cấu tạo nào?”( hạt nhân nằm electron chuyển động xung quanh hạt nhân ) Tuy nhiên, mặt động lực học tồn nhược điểm nêu Để khắc phục nhược điểm bất ổn này, năm 1913 dựa vào giả thuyết lượng tử lượng Plăng ( Planek) Anhstanh (Einstein) nhà vật lý người Đan Mạch Bohr (1885-1962) đưa lý thuyết cấu trúc nguyên tử Thuyết Bohr gồm hai định đề sau : + Định đề thứ : (định đề trạng thái dừng nguyên tử ) Nguyên tử tồn trạng thai dừng có lượng xác định gián đoạn hợp thành chuỗi giá trị E1,E2,E3, ,En Trong trạng thái dừng, electron không xạ lượng chuyển động quỹ đạo tròn gọi quỹ đạo lượng tử có bán kính thoả mãn điều kiện sau ( gọi điều kiện lượng tử hoá Bo) giá trị mômen động lượng: L= mvr = n  Trong đó:  = h = 1,05.10-34Js số Plăng rút gọn, n số nguyên 2 (n = 1,2,3…) + Định đề thứ hai: (Định đề chế hấp thự phát xạ nguyên tử ) Nguyên tử hấp thụ hay phát xạ lượng dạng xạ điện từ chuyển từ trạng thái dừng sang trạng thái dừng khác ( tức ứng với chuyển electron từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác ) Tần số xạ điện từ mà nguyên tử hấp thụ phát xạ xác định biểu thức:  = Ei  E k h Ei Ek lượng trạng thái đầu cuối nguyên tử Ei >Ek : trình phát xạ Ei