Tiểu luận Lịch sử hình thành cấu trúc nguyên tử

ạp cổ đại Democrite. Nội dung của thuyết nguyên tử luận của Democrite: Không có cái gì phát sinh ra từ cái không có gì. Không có cái gì đang tồn tại lại có thể bị hủy diệt. Mọi sự đều do các bộ phận hợp lại với nhau và tách khỏi nhau. Không có cái gì ngẫu nhiên xảy ra, cái gì xảy ra cũng có nguyên nhân và là tất yếu. Chỉ nguyên tử và không gian trống rỗng là có thật, mọi cái khác điều do tưởng tượng ra. Các nguyên tử nhiều vô hạn và có vô số hình dạng, rơi vĩnh viễn trong không gian vô tận. Những hạt to rơi nhanh hơn, va đập vào những hạt nhỏ gây ra những chuyển động xiên và xoáy tạo thành các thế giới. Có vô số thế giới luôn luôn sinh ra hoặc mất đi. Các nguyên tử hoàn toàn giống nhau về chất lượng, chúng tác động lên nhau bằng sức nén và va chạm. Các vật khác nhau vì được tạo thành bởi những nguyên tử có số lượng, độ lớn hình dạng và cách sắp xếp khác nhau. Không có gì phi vật chất, tâm hồn và các thần linh cũng được tạo thành từ những nguyên tử tinh tế, nhẵn nhụi, tròn trịa linh hoạt nhất. Chúng chuyển động, xuyên thấu vào cơ thể, và tạo ra mọi hiện tượng của sự sống. Trong học thuyết của Democrit, nguyên lý bảo toàn có vai trò rất quan trọng. Chân không là một khái niệm mới, chưa có trong các thuyết trước đó, và các nguyên tử tự mình chuyển động trong chân không, không cần một thần linh hay trí tuệ nào khác, tạo ra mọi hiện tượng trong thế giới. Theo nguyên tử luận, vật chất và chuyển động là cơ sở của tồn tại. Democriet LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 5 Tóm lại, theo Democrite thì vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và chân không. Như vậy, nguyên tử luận của Democrite nhằm giải quyết vấn đề vật chất cấu tạo như thế nào của khoa học. 2. Thuyết bốn nguyên tố của Aristote Nhà triết học vĩ đại Aristote đã hoàn toàn phủ nhận nguyên tử luận vì theo ông, chân không là một cái gì không thể chấp nhận được mà nguyên tử luận của Democrite cần phải có chân không. Aristote chủ trương rằng thế giới vật chất do bốn nguyên tố tạo thành: Đất, nước, không khí và lửa. Các nguyên tố đó có thể chuyển cái nọ thành cái kia. Bốn nguyên tố mang bốn tính chất nguyên thủy là khô, ẩm, nóng, lạnh phân bố như sau:  Đất thì khô và lạnh.  Nước thì lạnh và ẩm.  Không khí thì ẩm và nóng.  Lửa thì nóng và khô. Bốn tính chất nguyên thủy luôn luôn đấu tranh với nhau tạo ra sự chuyển hóa các nguyên tố và mọi sự biến đổi trong tự nhiên. Ta thấy rằng, thuyết bốn nguyên tố của Aristote về cơ bản rất giống thuyết Ngũ hành của Trung Quốc. Uy tín to lớn của Aristote đã làm chậm sự phát triển về quan điểm nguyên tử trong nhiều thế kỷ. Mặc dù bị chống đối nhưng với nội dung tiến bộ của nó, thuyết nguyên tử sơ khai của Democrite đã trở thành cơ sở của khoa học hiện đại và tiếp tục được một số nhà khoa học ở giai đoạn sau phát triển thêm. Ở thời kỳ Hy Lạp hóa cuối thế kỷ thứ IX trước công nguyên, nguyên tử luận của Democrite sau một thời kỳ bị lãng quên đã được phát triển và bổ sung thêm bởi Epicure và Lucrece. Hai ông đã vạch ra mô hình chuyển động của các nguyên tử bằng cách so sánh với chuyển động của hạt bụi trong một tia nắng rọi vào căn phòng tối. Các ông còn cho rằng các nguyên tử có trọng lượng, có mật độ và có khả năng lệch khỏi chuyển động. Thuyết nguyên tử của Democrite sau một thời gian dài bị lãng quên đã được nhắc trở lại trong các tác phẩm của nhà triết học, nhà toán học, vật lý học và thiên văn học người Pháp Paerre Gasendi (1592-1655). Thế rồi các giáo điều của Aristote đã ngự trị cho tới thời Phục Hưng. Một trong các nhà trí thức đầu tiên đã phản đối những thành kiến dị đoan cũ là Francis Bacon. Bacon là luật gia kiêm chính trị gia dưới triều đại Nữ Hoàng Elizabeth và Vua James I, đã tố cáo Aristote là đã pha thêm màu sắc và làm sai lệch triết học tự nhiên bằng những thành kiến của mình. Qua tác phẩm Novum Organum, Bacon đã tán thành ý tưởng của Democrite về tính chất của sự vật. Kế tiếp là ý tưởng của Bacon là Rober Boyle. Để cắt nghĩa sự nén được và bành trướng được của các chất khí, Boyle đã cho rằng chất khí được cấu tạo do các hạt (corpuscles) rất nhỏ nằm giữa các khoảng trống và các hạt này phải ở trong trạng thái luôn luôn dao động. Sự khác biệt về 3 trạng thái vật lý hay 3 thể rắn, lỏng và hơi là do các hạt đó ở trong tình trạng bị giam hãm hay tự do. Cùng với Boyle đã chấp nhận giả thuyết nguyên tử vào năm 1679, còn có Isaac Newton. Newton xem thành phần cấu tạo mọi vật chất là những hạt nhỏ, cứng chắc và là một vật thể không hủy. Các hạt luôn có khối lượng và hình dạng không thay đổi. Do đó vật chất luôn được bảo toàn. Newton gắn thêm một lực tác động giữa các hạt với nhau. Lực này LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 6 phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách giữa chúng. Đó là trọng lực hay lực hút lẫn nhau của các khối lượng và gắn chặt với vật thể. Như vậy vào cuối thế kỷ 17, lý thuyết của Democrite đã được làm sống lại hoàn toàn bởi ba nhà khoa học người Anh: Bacon, Boyle và Newton. II. THUYẾT NGUYÊN TỬ Ở THẾ KỶ XVIII Nguyên tử phlogiston Thuyết phlogiston thế kỷ 17 (có nguồn gốc từ tiếng Hi Lạp cổ Phlogios, có nghĩa là "sự cháy") là một lý thuyết khoa học đã lỗi thời, được Johann Joachim Becher đưa ra lần đầu tiên vào năm 1667, cho rằng ngoài những nguyên tố cổ điển của người Hi Lạp, có một nguyên tố bổ sung tương tự như lửa có tên là "yếu tố cháy" (Phlogiston). Yếu tố này tồn tại trong các vật thể có khả năng bốc cháy, và được giải phóng ra ngoài với một mức độ thay đổi được trong sự cháy. Học thuyết cho rằng tất cả những vật chất có thể cháy được đều chứa Phlogiston, một dạng vật chất không có màu, mùi, vị, hay khối lượng, và được giải phóng trong sự cháy. Một khi được đốt, những vật chất đã mất hết chất phlogiston sẽ thể hiện dạng nguyên thuỷ của nó, gọi là Calx. Vào năm 1774, Joseph Priestley, nhà thần học kiêm khoa học người Anh, đã dùng một thấu kính 30 cm để hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một thứ đất đỏ (oxít thủy ngân) và đã thấy rằng nhiệt lượng đã làm bay ra một thứ khí và để lại một kim loại lỏng: Thủy ngân. Priestley đã hứng lấy thứ khí này để nghiên cứu đặc tính và thấy rằng bên trong khí này, một cây nến cháy sáng hơn và mạnh hơn là trong không khí. Thực ra, thứ khí này là “Oxygen” nhưng Priestley đã bỏ lỡ một cơ hội khám phá vô cùng quan trọng cũng vì ông tin tưởng vào lý thuyết Phlogiston. Antoine Lavoisier (1743-1794 ) thấy rằng vật chất không được tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp với nhau để tạo nên các chất mới. Điều này đã đưa Lavoisier đến sự phân biệt giữa hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giản hơn. Pierre Marcellin Berthelot ( 1827 – 1907 ) chính trị gia và hóa học gia, bác học người Pháp đã nghiên cứu cùng Lavoisier. Theo Berthelot, các đơn chất phối hợp với nhau theo các tỉ lệ không hạn định và vì tỉ lệ của Hydrogen và Oxygen để tạo thành nước khác nhau nên nước của dòng sông Nile khác hẳn với nước của dòng sông Seine. Ý tưởng này của Berthelot bị Joseph Louis Proust cho là vô nghĩa. Các cuộc tranh luận đó chỉ chấm dứt khi xuất hiện tác phẩm của một nhà khoa học người Anh là John Dalton. III. LÝ THUYẾT NGUYÊN TỬ Ở THẾ KỶ XIX 1. Lý thuyết nguyên tử của Dalton Nôi dung thuyết nguyên tử của Dalton Dựa trên định luật về bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất t rong các phản ứng hóa học vào năm 1808, John Dalton (1766-1844) đã đư a ra lý thuyết nguyên tử của mình để giải thích các định luật trên. Lý thuyết của ông dựa trên 5 giả thuyết. John Dalton LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 7  Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử.  Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất.  Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi.  Giả thuyết thứ tư là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất.  Giả thuyết thứ năm là trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại. 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. Nôị dung chính:  Mọi chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được gọi là nguyên tử.  Nguyên tử là những hòn bi nhỏ, giữa chúng có lực hút và lự c đẩy  Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Khối lượng của các nguyên tử được so sánh với khối lượng nguyên tử Hiđro chọn làm khối lượng đơn vị (đó là khối lượng tương đối mà sau này chúng ta gọi là nguyên tử lượng).  Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau Như vậy: Chúng ta thấy cả Democrite 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. 2. Lý thuyết nguyên tử của Avogađro Bá tước Ameđeo Avogađro sinh năm 1776 tại Turin (nước Ý). Avogađrô đã giả định là ngay cả những chất khí đơn giản như nitơ, oxi, hiđro đều tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử như Dalton và sau này Becxeliut (I. Berzelius) đã giả định. Khắc phục được khó khăn còn tồn tại trong lý thuyết của Dalton, Avogađro đã đưa lý thuyết nguyên tử - phân tử đi vào đúng quỹ đạo phát triển của nó. Đây là cơ sở tiến đến quan điểm có thể đếm số phân tử chứa trong một lượng chất nhất định. Số phân tử đó là một hằng số nếu lượng chất trong cùng điều kiện về nhiệt độ, áp suất và cùng thể tích. Còn chất khí đó là gì thì không cần biết. Tuy vậy, chúng ta sẽ xuất phát từ một khối lượng nhất định như thế nào để không cần phải nói đến điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Đó là phân tử gam hay còn gọi là mol. Với sự đóng góp của Jôdep Losmit (1821-1895) người Áo, Jôhan Diderich Van Dec Van (1837-1923) nhà vật lý Hà Lan, Relây (1842-1919), Huân tước Kenvin (1824-1907), Lbriluanh, Peranh (1870-1942) người Pháp…đã xác định được giá trị của số Avogađro bằng 6,022169.1023/mol. Avogađro LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 8 Biết được giá trị số Avogađro, chúng ta đã biết thế giới vi mô một cách định lượng. Nó là cầu nối thế giới của chúng ta với thế giới vô cùng nhỏ. Nhờ sự phát triển của khoa học từ sau thời kỳ phục hưng cho đến cuối thế kỷ 19, con người đã hiểu biết về cấu tạo của vật chất như thế nào? Người ta biết rằng trong thiên nhiên có hai loại vật chất: đơn chất như oxy, hidro, clo, sắt,đồng, urani… và các hợp chất như muối, nước, rượu… nếu ta đem một hạt muối biển phân chia mãi cho đến khi không thể phân chia được nữa mà vẫn giữ các tính chất của muối thì phân tử nhỏ nhất ấy được gọi là một phân tử muối. Phân tử lại do các nguyên tử cấu tạo nên. Ví dụ một phân tử muối cấu tạo bằng một nguyên tử clo và một nguyên tử natri. Một phân tử nước gồm hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy. Bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ sự tồn tại của nguyên tử: Cho tới những năm đầu thế kỷ XX, khi lý thuyết nguyên tử do Dalton sáng lập đã được một thế kỷ với rất nhiều bước tiến quan trọng, nhưng vẫn còn nhiều nhà bác học không tin vào sự tồn tại của nguyên tử. Vì vậy, nhiệm vụ to lớn được đặt ra cho các nhà bác học ở thế kỷ XX là chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của các nguyên tử. Đầu tiên với sự đóng góp của nhà bác học Einstein. Khi Einstein công bố bài báo về thuyết tương đối hẹp và hiệu ứng quang điện của ông vào năm 1905 thì ông cũng đang viết về thống kê của chuyển động Brao, chỉ rõ va chạm của các nguyên tử có thể liên quan đến những nhiễu loạn thấy được rất nhỏ của các hạt lơ lửng như thế nào. Tiếp theo là Perrin từ năm 1908-1909, ông chứng minh sự tồn tại của các phân tử đồng thời xác định được số Avogađro với độ chính xác cao bằng nhiều thí nghiệm khác nhau nhưng tất cả đều dựa trên một hiện tượng là chuyển động Brao. Tiếp theo đó là công trình của A.V Crewe, nhà bác học người Mỹ và các cộng tác viên của ông. Họ đã lần đầu tiên thu được những bức ảnh về các nguyên tử Uran và Thori riêng biệt bằng kính hiển vi điện tử có khả năng phân biệt được chi tiết tới 5A0. Lý thuyết nguyên tử của các nhà bác học ở thế kỷ XIX mới chỉ cho phép ta biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử. Câu hỏi tiếp theo cho các nhà khoa học là nguyên tử được cấu tạo như thế nào? Câu trả lời vấn đề này sẽ được tiếp tục giải quyết ở thế kỷ XX. IV. LÝ THUYẾT NGUYÊN TỬ THẾ KỶ XX 1. Mẫu nguyên tử của Thomson Nội dung của nguyên tử Thomson Dựa trên cơ sở của sự khám phá ra electron và hiện tượng phóng xạ, năm 1902, Thomson đã đề xuất ra mô hình cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm có những electron nằm trong môi trường tích điện tích dương, phân bố đều đặn trong một thể tích hình cầu. Các electron có thể đứng yên hay chuyển động. Ở trạng thái ổn định chúng tạo thành nhiều lớp đồng tâm, mỗi lớp chứa một số electron nhất định. Albert Einstein LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 9 Cùng khoảng thời gian đó, một nhà vật lý người Nhật bản là Hantaro Nagoaka đưa ra mô hình Sao Thổ của ông vào năm 1904. Mô hình này cho rằng vật chất mang điện tích dương của nguyên tử giống như sao Thổ, còn các điện tử mang điện tích âm thì chuyển động giống như các vòng đai của sao Thổ. Mô hình này sẽ không bền vì điện tử sẽ mất năng lượng và rơi vào tâm của nguyên tử. Bánh quả mận và chocolate là những món ăn hiện đại và là hình dạng của nguyên tử của Thomson Mô hình của Thomson được thừa nhận hơn mô hình của Nagoaka nhưng nó cũng chỉ đứng vững được vài năm cho đến khi nhà vật lý người New Zealand là Ernest Rutherford (1871-1937) đưa ra mô hình nguyên tử của ông. 2. Mẫu nguyên tử Rutherford Mẫu nguyên tử của Rutherford Mẫu nguyên tử Rutherford được xác định dựa trên sự tương tự giữa hệ thống nguyên tử và hệ thống Mặt Trời. Mô hình nguyên tử gồm: một hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ, có khối lượng gần bằng khối lượng của cả nguyên tử, xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động, tổng điện tích âm của các electron bằng điện tích dương của hạt nhân. So sánh kết quả thực nghiệm với lí thuyết, người ta phát hiện thấy một điều đặc sắc số electron trong nguyên tử đúng bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Vậy mẫu nguyên tử Rutherford hoàn toàn khác so với mẫu nguyên tử Thomson. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 10 3. Mẫu nguyên tử bán cổ điển Bohr Nội dung của thuyết nguyên tử Bohr: Năm 1913, nhà vật lý lý thuyết người Đan Mạch (1885- 1962) đưa ra mô hình bán cổ điển về nguyên tử hay còn gọi là mô hình nguyên tử của Bohr. N ội dung của thuyết nguyên tử Bohr được xây dựng trên hai định đề và một điều kiện về lượng tử hóa mômen động lượng quỹ đạo. Những định đề này được đưa ra dựa trên cơ sở vận dụng khái niệm lượng tử năng lượng của Planck và khái niệm photon ánh sáng của Einstein kết hợp với những nội dung của lý thuyết Rutherford và tính quy luật của quang phổ nguyên tử hiđro. Các tiên đề của Bohr: Tiên đề thứ nhất về các quĩ đạo dừng (trạng thái dừng của nguyên tử). Electron trong nguyên tử chuyển động theo các quĩ đạo tròn có năng lượng hoàn toàn xác định gọi là các quĩ đạo dừng. Khi chuyển động trên các quĩ đạo dừng trong nguyên tử electron không bức xạ năng lượng điện từ. Tiên đề thứ hai về cơ chế bức xạ Electron có thể chuyển từ quĩ đạo dừng này sang quĩ đạo dừng khác. Chỉ trong trường hợp này nó mới hấp thụ hay phát ra 1 bức xạ điện từ đơn sắc có tần số hoàn toàn xác định và mang một năng lượng là hν: hν = Em - En h:là hằng số Planck Em , En : năng lượng của electron ở trên hai quỹ đạo m, n. ν: tần số của bức xạ điện từ mà nguyên tử phát ra. 4. Mẫu nguyên tử có quĩ đạo elip của Sommorfold Để khắc phục những khó khăn của mẫu nguyên tử Bohr trong việc giải thích quang phổ của kim loại kiềm (sự xuất hiện những vạch đôi) năm 1915, Sommorfold (1868-1951) người Đức phát triển thêm mẫu nguyên tử Bohr như sau: ngoài các quĩ đạo tròn, ta phải xét đến các quĩ đạo elip. Ứng với một giá trị năng lượng En có thể có nhiều quỹ đạo elip khác nhau và mômen quỹ đạo (mômen động lượng của các electron trên các quĩ đạo đó cũng khác nhau). Kết quả là: Năng lượng của electron vẫn được tính như trên, nhưng qui luật lượng tử hóa mômen quĩ đạo đã khác: Niels Bohr LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 11  1 .L l l   Với l = 0, 1, 2, 3,… gọi là lượng tử số mômen động lượng quỹ đạo. V. CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1. Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô Vào thế kỷ 19, nhà khoa học người Hà lan Christiaan Huygens và một số nhà khoa học khác tập trung bàn về ánh sáng có tính chất sóng. Còn ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác. Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon có năng lượng ε = hf ), và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Lenard. Năm 1905, Einstien viết phương trình cơ bản cho hiện tượng quang điện, cũng là phương trình cơ bản của thuyết: 2 2 mvhf A  , trong đó A là công thoát electron ra khỏi bề mặt kim loại. Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau. Năm 1924, De Broglie (1892-1987) nhà vật lý người Pháp do chú ý đến sự phát triển kỳ lạ trong lịch sử các quan niệm về bản chất của ánh sáng, từ Huyghen, Newton, Young, cho đến Einstien, từ hạt đến sóng, rồi lại từ sóng trở về hạt Cũng vào thời gian đó. De Broglie cho rằng tính hai mặt sóng - hạt không phải là tính chất riêng của photon, mà là đặc tính chung của tất cả các hạt vi mô, cụ thể là của electron trong tình hình vật lý lúc bấy giờ. Do đó ông cho rằng nếu sóng ánh sáng có tính chất hạt (tính lượng tử) thì hạt vật chất cũng phải có tính sóng. Vì thế khi một hạt chuyển động thì cũng có một quá trình sóng nào đó gắn vào. Sóng có tần số và bước sóng xác định bởi hệ thức sau: h mv   E = h ν LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 12 Vì sóng này không phải là sóng điện từ, vì vậy ông gọi sóng này là “sóng ảo” (tức sau này gọi là sóng De Broglie). Khi đưa các giá trị xung lượng vectơ P và năng lượng E của hạt vào phương trình sóng, De Broglie tìm được hàm sóng ứng với hạt đã cho: ( , ) .exp ( )ir t a p r Et        De Broglie cũng nêu lên rằng khi cho chùm electron đi qua một khe hẹp, ta có thể quan sát được sự nhiễu xạ của electron, tức là sự thể hiện tính chất sóng của electron. Ba năm sau, quan niệm về bản chất sóng của electron đã được Đevixon và Giecmo chứng minh bằng thực nghiệm. Khi chiếu chùm electron qua bản tinh thể mỏng của kim loại, hai ông nhận thấy có hiện tượng nhiễu xạ electron giống như khi chiếu tia Rơnghen qua tinh thể. Vậy electron cũng có bản chất sóng – hạt như photon. Tính chất hai mặt đó được thấy rõ hơn qua nguyên lý bất định do nhà vật lý người Đức là Heisenberg đề ra năm 1927. 2. Phương trình Schrodinger Năm 1926 trên cơ sở hàm sóng của De Broglie, Schrodinger (1887 – 1961) nhà bác học người Áo, đã thành lập được phương trình chuyển động của hạt vi mô có năng lượng E chuyển động trong trường thế U. Schrodinger đã xuất phát từ phương trình cơ bản của cơ học Newton và viết lại phương trình sóng đối với hàm sóng, sau này được gọi là phương trình Schrodinger. nghiệm của phương trình sóng của trạng thái lượng tử thứ n trong hộp kín với 0<x<L với x L Ý nghĩa của nghiệm này ở chỗ là xác suất tìm thấy hạt tại vị trí x được cho bởi bình phương của (x). 3. Nguyên lý bất định Heisenberg Năm 1927 để mô tả hiện tượng vi mô một cách đầy đủ, Heisenberg (1901 -1976) nhà bác học người Đức, đã công bố một nguyên lý mới gọi là “Nguyên lý bất định”. Theo nguyên lý này, ta không thể xác định đồng thời toạ độ và xung lượng của các hạt vi mô cũng như năng lượng và thời gian sống của chúng. Về mặt toán học, hạn chế đó được biểu hiện bằng bất đẳng thức: ( ).( ) 4x hx p     Trong công thức trên, x là sai số của phép đo vị trí, xp là sai số của phép đo động lượng và h là hằng số Planck. Điều này chứng tỏ các hạt vi mô khác với các vật vĩ mô thông thường. Các hạt vi mô vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt, đó là một thực tế khách quan đặc trưng của hạt Schrodinger LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 13 vi mô. Mỗi hạt vi mô vừa mang tính sóng, vừa mang tính hạt. Hai tính chất này mâu thuẫn nhau, nhưng dựa vào nhau mà tồn tại song song trong cùng một hạt. Việc không đo được chính xác đồng thời cả tọa độ và xung lượng của hạt là do bản chất của sự việc chứ không phải do trí tuệ của con người bị hạn chế. Năm 1928, Dirac (1902-1984) nhà bác học người Anh, nêu lên nhận xét về một số thiếu xót trong phương trình Schrodinger, cụ thể là nó phù hợp với lý thuyết tương đối. Ông đã xây dựng nên những phương trình cơ học lượng tử tương đối tính. Theo thuyết của Dirac, ngoài việc quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân, electron còn tự quay quanh trục của nó. Như vậy, cơ học lượng tử đã cho ta một hình ảnh chính xác về cấu trúc của một nguyên tử. Nguyên tử là một hệ thống gồm có hạt nhân là trung tâm và các electron phân bố quanh hạt nhân theo các quy luật xác suất thống kê lượng tử, chứ chúng không chuyển động theo quỹ đạo nào cả. Về mặt hình thức có thể hình dung electron bao quanh hạt nhân như một “đám mây xác suất” – nơi nào sự có mặt của electron thường xuyên hơn thì nơi đó xác suất tìm thấy electron lớn hơn các nơi khác. Nơi nào không có electron thì xác suất tìm thấy nó phải bằng không. VI. MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ HIỆN ĐẠI Với sự ra đời của vật lý hiện đại, quan niệm cơ học hoàn toàn sụp đổ cùng với bức tranh vât lý cổ điển và 1 bức tranh vật lý mới ra đời: Bức tranh tương đối – lượng tử, lấy theo tên gọi của 2 lý thuyết quan trọng nhất đầu thế kỉ XX là thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Người ta vạch ra được các yếu tố cơ bản cấu tạo nên vũ trụ, từ những hạt nhỏ nhất và các lực liên kết chúng lại, tóm tắt trong “mô hình chuẩn” gồm có: - 12 hạt cơ bản, với nghĩa là với trình độ khoa học ngày nay người ta chưa tìm thấy cấu trúc bên trong của các hạt này, là 6 hạt họ Lepton và 6 hạt Quack. - 4 trường tương tác là trường hấp dẫn, trường điện từ, trường tương tác yếu và trường tương tác mạnh. Một trong những bước đột phá về thành tựu của Vật lý hiện đại là sự phá vỡ quan niệm về cấu trúc nguyên tử của thuyết cổ điển và bán cổ điển để hình thành nên thuyết hiện đại hay thuyết lượng tử. 1. Nguyên tử theo quan điểm hiện đại Mô hình nguyên tử được chấp nhận ngày nay như sau: Nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tử và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh nó. Mô hình nguyên tử hiện đại là mô hình nguyên tử dựa trên cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử được phát triển dựa trên sự đóng góp của nhiều người: Arthur Compton (1892- LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 14 1962) tạo thí nghiệm nhiễu xạ tia X, Louis-Victor de Broglie (1892-1987) khai triển lý thuyết lưỡng tính sóng hạt, Erwin Schrödinger (1887-1961) đưa ra phương trình sóng, Werner Heisenberg (1901-1976) đưa ra nguyên lý bất định. Dựa trên cơ học lượng tử, người ta thay đổi mô hình nguyên tử của Bohr để xây dựng lên mô hình hiện đại