Đầu thế kỷ 20 là một thời gian rất tốt lành cho các ngành khoa học. Ngoài Ernest Rutherford và Niels Bohr cho ra đời Mô hình chuẩn của vật lý hạt, đây cũng là thời kỳ đột phá trong lĩnh vực cơ học lượng tử. Nhờ các nghiên cứu liên tục về hành vi của các điện tử, các nhà khoa học bắt đầu đề xuất các lý thuyết, theo đó các hạt cơ bản này hành xử theo cách thách thức vật lý học cổ điển, Newton.
Một ví dụ như vậy là Mô hình đám mây điện tử được đề xuất bởi Erwin Schrodinger. Nhờ mô hình này, các electron không còn được mô tả là các hạt di chuyển xung quanh một hạt nhân trung tâm trên một quỹ đạo cố định. Thay vào đó, Schrodinger đã đề xuất một mô hình, theo đó các nhà khoa học chỉ có thể đưa ra những phỏng đoán có giáo dục về vị trí của các electron. Do đó, các vị trí của chúng chỉ có thể được mô tả như là một phần của ‘đám mây xung quanh hạt nhân nơi các electron có khả năng được tìm thấy.
Vật lý nguyên tử đến thế kỷ 20:
Những ví dụ sớm nhất được biết đến của lý thuyết nguyên tử đến từ Hy Lạp và Ấn Độ cổ đại, nơi các nhà triết học như Democritus cho rằng tất cả vật chất đều bao gồm các đơn vị nhỏ bé, không thể chia cắt và không thể phá hủy. Thuật ngữ Nguyên tử nghiêm khắc được đặt ra ở Hy Lạp cổ đại và đã phát sinh trường phái tư tưởng được gọi là chủ nghĩa nguyên tử Hồi giáo. Tuy nhiên, lý thuyết này là một khái niệm triết học hơn là một khoa học.
Mãi đến thế kỷ 19, lý thuyết nguyên tử mới được đưa ra như một vấn đề khoa học, với những thí nghiệm dựa trên bằng chứng đầu tiên được tiến hành. Ví dụ, vào đầu năm 1800, nhà khoa học người Anh John Dalton đã sử dụng khái niệm nguyên tử để giải thích tại sao các nguyên tố hóa học phản ứng theo những cách có thể quan sát và dự đoán được. Thông qua một loạt các thí nghiệm liên quan đến khí, Dalton tiếp tục phát triển cái gọi là Lý thuyết nguyên tử Dalton.
Lý thuyết này mở rộng dựa trên các định luật về khối lượng và tỷ lệ xác định và đi xuống năm tiền đề: các nguyên tố, ở trạng thái tinh khiết nhất của chúng, bao gồm các hạt gọi là nguyên tử; các nguyên tử của một nguyên tố cụ thể đều giống nhau, cho đến tận nguyên tử cuối cùng; các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có thể được phân biệt bằng trọng lượng nguyên tử của chúng; nguyên tử của các nguyên tố hợp nhất để tạo thành các hợp chất hóa học; các nguyên tử không thể được tạo ra hoặc phá hủy trong phản ứng hóa học, chỉ có nhóm được thay đổi.
Khám phá về điện tử:
Đến cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học cũng bắt đầu đưa ra giả thuyết rằng nguyên tử được tạo thành từ nhiều hơn một đơn vị cơ bản. Tuy nhiên, hầu hết các nhà khoa học đều mạo hiểm rằng đơn vị này sẽ có kích thước của nguyên tử nhỏ nhất được biết đến - hydro. Đến cuối thế kỷ 19, ông sẽ thay đổi mạnh mẽ, nhờ vào nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học như Ngài Joseph John Thomson.
Thông qua một loạt các thí nghiệm sử dụng ống tia catốt (được gọi là ống Crookes), Thomson quan sát thấy rằng tia catốt có thể bị lệch bởi điện trường và từ trường. Ông kết luận rằng thay vì được cấu tạo từ ánh sáng, chúng được tạo thành từ các hạt tích điện âm nhỏ hơn 1 lần và nhẹ hơn 1800 lần so với hydro.
Điều này đã bác bỏ một cách hiệu quả quan niệm rằng nguyên tử hydro là đơn vị vật chất nhỏ nhất, và Thompson đã đi xa hơn để cho rằng các nguyên tử là số chia hết. Để giải thích điện tích tổng thể của nguyên tử, bao gồm cả điện tích dương và điện tích âm, Thompson đã đề xuất một mô hình theo đó các khối tích điện âm được phân phối trong một biển tích điện dương - được gọi là Mô hình Plum Pudding.
Các tiểu thể này sau đó sẽ được đặt tên là các electron electron, dựa trên hạt lý thuyết được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh-Ireland George Johnstone Stoney vào năm 1874. Và từ đó, Mô hình Plum Pudding ra đời, được đặt tên như vậy vì nó gần giống với sa mạc Anh bao gồm bánh mận và nho khô. Khái niệm này đã được giới thiệu với thế giới trong phiên bản tháng 3 năm 1904 của Vương quốc Anh Tạp chí triết học, để hoan nghênh rộng rãi.
Phát triển mô hình chuẩn:
Các thí nghiệm sau đó đã tiết lộ một số vấn đề khoa học với mô hình Plum Pudding. Để bắt đầu, đã có vấn đề chứng minh rằng nguyên tử sở hữu điện tích dương đồng nhất, được gọi là Vấn đề Thom Thomson. Năm năm sau, mô hình sẽ bị từ chối bởi Hans Geiger và Ernest Marsden, người đã thực hiện một loạt các thí nghiệm sử dụng các hạt alpha và lá vàng - aka. thí nghiệm lá vàng.
Trong thí nghiệm này, Geiger và Marsden đã đo mô hình tán xạ của các hạt alpha bằng màn hình huỳnh quang. Nếu mô hình Thomson nhiệt là chính xác, các hạt alpha sẽ đi qua cấu trúc nguyên tử của lá không bị cản trở. Tuy nhiên, thay vào đó, họ lưu ý rằng trong khi hầu hết bắn thẳng qua, một số trong số chúng bị phân tán theo nhiều hướng khác nhau, một số quay trở lại theo hướng của nguồn.
Geiger và Marsden kết luận rằng các hạt đã gặp phải lực tĩnh điện lớn hơn nhiều so với mức cho phép của mô hình Thomson Lần. Vì các hạt alpha chỉ là hạt nhân helium (được tích điện dương), điều này ngụ ý rằng điện tích dương trong nguyên tử không bị phân tán rộng rãi mà tập trung thành một thể tích nhỏ. Ngoài ra, việc những hạt không bị lệch đi qua không bị cản trở có nghĩa là những không gian tích cực này bị ngăn cách bởi những khoảng trống rộng lớn của không gian trống.
Đến năm 1911, nhà vật lý Ernest Rutherford đã giải thích các thí nghiệm Geiger-Marsden và từ chối mô hình nguyên tử Thomson. Thay vào đó, ông đề xuất một mô hình trong đó nguyên tử bao gồm hầu hết không gian trống, với toàn bộ điện tích dương tập trung ở trung tâm của nó trong một thể tích rất nhỏ, được bao quanh bởi một đám mây điện tử. Điều này được biết đến như là Mô hình nguyên tử Rutherford.
Các thí nghiệm tiếp theo của Antonius Van den Broek và Niels Bohr đã cải tiến mô hình hơn nữa. Trong khi Van den Broek cho rằng số nguyên tử của một nguyên tố rất giống với điện tích hạt nhân của nó, thì sau đó đã đề xuất một mô hình giống như Hệ mặt trời của nguyên tử, trong đó một hạt nhân chứa số nguyên tử mang điện tích dương và được bao quanh bằng một số lượng electron trong vỏ quỹ đạo (hay còn gọi là Mô hình Bohr).
Mô hình đám mây điện tử:
Trong những năm 1920, nhà vật lý người Áo Erwin Schrodinger bị mê hoặc bởi các lý thuyết Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld và các nhà vật lý khác. Trong thời gian này, ông cũng tham gia vào các lĩnh vực lý thuyết và quang phổ nguyên tử, nghiên cứu tại Đại học Zurich và sau đó là Đại học Friedrich Wilhelm ở Berlin (nơi ông đã thành công Planck vào năm 1927).
Năm 1926, Schrödinger đã giải quyết vấn đề về chức năng sóng và điện tử trong một loạt bài báo. Ngoài việc mô tả cái được gọi là phương trình Schrodinger - một phương trình vi phân từng phần mô tả trạng thái lượng tử của hệ lượng tử thay đổi theo thời gian - ông còn sử dụng các phương trình toán học để mô tả khả năng tìm thấy electron ở một vị trí nhất định .
Điều này đã trở thành nền tảng của cái được gọi là Mô hình đám mây điện tử (hay cơ học lượng tử), cũng như phương trình Schrodinger. Dựa trên lý thuyết lượng tử, nói rằng tất cả các vật chất đều có các tính chất liên quan đến hàm sóng, Mô hình đám mây điện tử khác với Mô hình Bohr ở chỗ nó không xác định đường đi chính xác của electron.
Thay vào đó, nó dự đoán vị trí có khả năng của vị trí của electron dựa trên hàm xác suất. Hàm xác suất về cơ bản mô tả một vùng giống như đám mây nơi có khả năng tìm thấy electron, do đó có tên. Trong đó đám mây dày đặc nhất, xác suất tìm thấy electron là lớn nhất; và nơi mà điện tử ít có khả năng hơn, đám mây ít đậm đặc hơn.
Những vùng dày đặc này được gọi là quỹ đạo electron điện tử, vì chúng là vị trí có khả năng cao nhất sẽ tìm thấy một electron quay quanh. Mở rộng mô hình đám mây trên nền tảng đám mây này sang không gian 3 chiều, chúng ta thấy một nguyên tử hình chuông hoặc hình bông hoa (như trong hình ở trên cùng). Ở đây, các vùng phân nhánh là những nơi chúng ta có nhiều khả năng tìm thấy các điện tử nhất.
Nhờ công trình Schrodinger, các nhà khoa học bắt đầu hiểu rằng trong lĩnh vực cơ học lượng tử, không thể biết chính xác vị trí và động lượng của một electron. Bất kể những gì người quan sát ban đầu biết về một hạt, họ chỉ có thể dự đoán vị trí hoặc động lượng thành công của nó về mặt xác suất.
Không có thời gian nhất định họ sẽ có thể xác định được một trong hai. Trong thực tế, họ càng biết nhiều về động lượng của hạt, họ sẽ càng ít biết về vị trí của nó và ngược lại. Đây là những gì ngày nay được gọi là Nguyên tắc không chắc chắn của J.
Lưu ý rằng các quỹ đạo được đề cập trong đoạn trước được hình thành bởi một nguyên tử hydro (tức là chỉ với một điện tử). Khi tiếp xúc với các nguyên tử có nhiều electron hơn, các vùng quỹ đạo của electron trải đều thành một quả bóng mờ hình cầu. Đây là nơi mà thuật ngữ ‘electron đám mây phù hợp nhất.
Đóng góp này đã được công nhận trên toàn cầu là một trong những đóng góp quan trọng của thế kỷ 20, và là một trong những cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật lý, cơ học lượng tử và thực sự là tất cả các ngành khoa học. Thenceforth, các nhà khoa học đã không còn làm việc trong một vũ trụ được đặc trưng bởi sự tuyệt đối của thời gian và không gian, nhưng trong sự không chắc chắn lượng tử và thuyết tương đối không gian thời gian!
Chúng tôi đã viết nhiều bài viết thú vị về các nguyên tử và mô hình nguyên tử ở đây tại Tạp chí Vũ trụ. Ở đây, mô hình nguyên tử John Dalton là gì?, Mô hình bánh mận là gì?, Mô hình nguyên tử Bohr là gì?, Ai là Democritus?, Và các bộ phận của một nguyên tử là gì?
Để biết thêm thông tin, hãy chắc chắn kiểm tra Cơ học lượng tử là gì? từ Khoa học sống.
Cast Astronomy Cast cũng có tập về chủ đề này, như Tập 130: Thiên văn vô tuyến, Tập 138: Cơ học lượng tử và Tập 252: Nguyên lý bất định Heisenberg
