Lý thuyết nguyên tử - nghĩa là, niềm tin rằng tất cả vật chất bao gồm các yếu tố nhỏ bé, không thể chia cắt - có nguồn gốc rất sâu sắc. Tuy nhiên, nó đã không được chấp nhận một cách khoa học cho đến thế kỷ 19, khi một cách tiếp cận dựa trên bằng chứng bắt đầu tiết lộ mô hình nguyên tử trông như thế nào.
Vào thời gian này, John Dalton, một nhà hóa học, nhà khí tượng học và vật lý học người Anh, đã bắt đầu một loạt các thí nghiệm mà đỉnh cao là ông đề xuất lý thuyết về các thành phần nguyên tử - mà sau đó sẽ được gọi là Lý thuyết nguyên tử của Dalton - sẽ trở thành một trong những nền tảng của vật lý và hóa học hiện đại.
Ngoài việc tạo ra một mô hình cho các tương tác nguyên tử, John Dalton còn được ghi nhận với việc phát triển các luật để hiểu cách thức hoạt động của khí. Theo thời gian, điều này sẽ khiến anh ta kết luận mọi thứ về cách các nguyên tử tương tác, trọng lượng của các nguyên tử và thiết kế các định luật xác lập lý thuyết nguyên tử là kỷ luật khoa học.
Luật khí Dalton từ:
Dalton đã đưa ra lý thuyết về các nguyên tử của mình là kết quả của nghiên cứu về khí. Điều này bắt đầu vào năm 1800, khi Dalton trở thành thư ký của Hiệp hội văn học và triết học Manchester. Trong khi ở đó, Dalton bắt đầu gửi một loạt các bài tiểu luận phác thảo các thí nghiệm của mình về hiến pháp của các loại khí hỗn hợp, bao gồm áp suất của hơi nước và các hơi khác ở nhiệt độ khác nhau, về sự bốc hơi. và về sự giãn nở nhiệt của khí.
Trong các bài tiểu luận của mình, Dalton đã mô tả các thí nghiệm trong đó ông tìm cách xác định áp suất hơi nước ở các điểm khác nhau trong khoảng từ 0 đến 100 ° C (32 đến 212 ° F). Dựa trên những quan sát của ông về sáu chất lỏng khác nhau, Dalton đã kết luận rằng sự thay đổi áp suất hơi của tất cả các chất lỏng là tương đương, với cùng một biến đổi nhiệt độ và cùng một hơi của bất kỳ áp suất nào.
Ông cũng kết luận rằng tất cả các chất lỏng đàn hồi dưới cùng áp suất sẽ giãn nở như nhau khi nhiệt được áp dụng. Hơn nữa, ông quan sát thấy rằng đối với bất kỳ sự giãn nở nào của thủy ngân (nghĩa là tăng nhiệt độ khi sử dụng nhiệt kế thủy ngân), thì sự giãn nở không khí tương ứng sẽ giảm đi tương ứng, nhiệt độ càng cao.
Điều này trở thành cơ sở như Luật Dalton (hay còn gọi là luật Dalton của áp lực riêng phần), trong đó nêu rằng trong hỗn hợp các khí không phản ứng, tổng áp suất tác động bằng tổng áp lực riêng của các khí riêng lẻ.
Lý thuyết nguyên tử Dalton
Trong quá trình nghiên cứu về chất khí này, Dalton cũng phát hiện ra rằng một số loại khí chỉ có thể được kết hợp theo tỷ lệ nhất định, ngay cả khi hai hợp chất khác nhau có chung một nguyên tố hoặc nhóm nguyên tố chung.
Những thí nghiệm này được xây dựng dựa trên hai lý thuyết xuất hiện vào gần cuối thế kỷ 18, liên quan đến các phản ứng hóa học. Đầu tiên là định luật bảo toàn khối lượng, được Antoine Lavoisier xây dựng năm 1789, trong đó tuyên bố rằng tổng khối lượng trong một phản ứng hóa học không đổi - tức là các chất phản ứng có cùng khối lượng với các sản phẩm.
Thứ hai là định luật về tỷ lệ xác định, lần đầu tiên được chứng minh bởi nhà hóa học người Pháp Joseph Louis Proust vào năm 1799. Luật này quy định rằng nếu một hợp chất bị phá vỡ thành các thành phần cấu thành của nó, thì khối lượng của các thành phần sẽ luôn có cùng tỷ lệ, bất kể của số lượng hoặc nguồn của chất ban đầu.
Nghiên cứu các luật này và xây dựng dựa trên chúng, Dalton đã phát triển luật của mình theo nhiều tỷ lệ. Định luật này quy định rằng nếu hai nguyên tố có thể được kết hợp để tạo thành một số hợp chất có thể, thì tỷ lệ khối lượng của nguyên tố thứ hai, kết hợp với khối lượng cố định của nguyên tố thứ nhất, sẽ là tỷ lệ của các số nguyên nhỏ.
Nói cách khác, các nguyên tố kết hợp ở cấp độ nguyên tử theo tỷ lệ cố định khác nhau một cách tự nhiên dựa trên các hợp chất được kết hợp, do trọng lượng nguyên tử độc đáo của chúng. Những phát hiện này đã trở thành nền tảng của Định luật hay Mô hình nguyên tử Dalton, tập trung vào năm định lý cơ bản. T
Trạng thái mà 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; rằng các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có thể được phân biệt bằng trọng lượng nguyên tử của chúng; các nguyên tử của các nguyên tố hợp nhất để tạo thành các hợp chất hóa học; và các nguyên tử đó không thể được tạo ra hoặc phá hủy trong phản ứng hóa học, chỉ có nhóm được thay đổi.
Dalton cũng tin rằng lý thuyết nguyên tử có thể giải thích tại sao nước hấp thụ các loại khí khác nhau theo các tỷ lệ khác nhau - ví dụ, ông thấy rằng nước hấp thụ carbon dioxide tốt hơn nhiều so với việc hấp thụ nitơ. Dalton đưa ra giả thuyết điều này là do sự khác biệt về khối lượng và độ phức tạp của các hạt khí tương ứng.
Trên thực tế, chính sự quan sát này được cho là lần đầu tiên Dalton ám chỉ về sự tồn tại được cho là của các nguyên tử. Trong bài báo đề cập đến sự hấp thụ khí trong nước, lần đầu tiên được xuất bản năm 1805, ông đã viết:
Tại sao nước không thừa nhận phần lớn các loại khí như nhau? Câu hỏi này tôi đã cân nhắc hợp lý, và mặc dù tôi không thể thỏa mãn hoàn toàn bản thân mình, tôi gần như bị thuyết phục rằng hoàn cảnh phụ thuộc vào trọng lượng và số lượng hạt cuối cùng của một số loại khí.”
Dalton đề xuất rằng mỗi nguyên tố hóa học bao gồm các nguyên tử thuộc một loại duy nhất, và mặc dù chúng không thể bị thay đổi hoặc phá hủy bằng phương tiện hóa học, chúng có thể kết hợp để tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn (ví dụ: các hợp chất hóa học). Điều này đánh dấu lý thuyết khoa học thực sự đầu tiên của nguyên tử, vì Dalton đã đưa ra kết luận của mình bằng cách thử nghiệm và kiểm tra kết quả theo cách thực nghiệm.
Trọng lượng Dalton và nguyên tử:
Dalton Lát cũng bắt đầu nghiên cứu trọng lượng nguyên tử dựa trên tỷ lệ khối lượng mà chúng kết hợp với nguyên tử hydro được lấy làm tiêu chuẩn. Tuy nhiên, Dalton bị hạn chế bởi sự thô sơ của các dụng cụ phòng thí nghiệm của anh ấy và thực tế là anh ấy đã không quan niệm rằng các nguyên tử của các nguyên tố nhất định tồn tại ở dạng phân tử, như oxy tinh khiết (O2).
Ông cũng tin rằng hợp chất đơn giản nhất giữa hai nguyên tố bất kỳ luôn luôn là một nguyên tử. Điều này được minh họa rõ nhất qua cách ông nghĩ rằng công thức hóa học của nước là HO, không phải H2Ôi
Năm 1803, Dalton đã trình bày danh sách đầu tiên về trọng lượng nguyên tử tương đối của mình cho một số chất. Bài viết này được xuất bản năm 1805, nhưng ông không thảo luận chính xác về cách ông có được những số liệu này. Năm 1807, phương pháp của ông được tiết lộ bởi người quen Thomas Thomson, trong ấn bản thứ ba của sách giáo khoa Thomson, Một hệ thống hóa học. Cuối cùng, Dalton đã xuất bản một tài khoản đầy đủ trong sách giáo khoa của mình, Một hệ thống triết học hóa học mới, vào năm 1808 và 1810.
Lỗ hổng khoa học:
Lỗ hổng chính trong lý thuyết Dalton, tức là sự tồn tại của cả phân tử và nguyên tử - sau đó đã được sửa chữa về nguyên tắc vào năm 1811 bởi Amedeo Avogadro. Avogadro đề xuất rằng thể tích bằng nhau của hai loại khí, ở nhiệt độ và áp suất bằng nhau, chứa số lượng phân tử bằng nhau. Nói cách khác, khối lượng của các hạt khí Gas không ảnh hưởng đến khối lượng mà nó chiếm giữ.
Luật Avogadro, cho phép ông suy ra tính chất diatomic của nhiều loại khí bằng cách nghiên cứu các thể tích mà chúng phản ứng. Do đó, Avogadro đã có thể đưa ra các ước tính chính xác hơn về khối lượng nguyên tử của oxy và các nguyên tố khác, và phân biệt rõ ràng giữa các phân tử và nguyên tử. Than ôi, những điều này và những khám phá khác cả hai lý thuyết Dalton, mâu thuẫn và tinh chế.
Chẳng hạn, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nguyên tử - từng được cho là phần nhỏ nhất của vật chất - trên thực tế có thể được chia thành các hạt cơ bản nhỏ hơn. Và trong khi Dalton quan niệm là các nguyên tử như một thực thể duy nhất không có sự phân tách giữa các điện tích dương, âm và trung tính, các thí nghiệm tiếp theo của J.J. Thomson, Ernest Rutherford và Neils Bohr đã tiết lộ một cấu trúc phức tạp hơn đối với nguyên tử.
Những lý thuyết này sau đó đã được xác nhận bằng các quan sát được thực hiện với kính hiển vi điện tử. Chúng ta cũng biết rằng trọng lượng nguyên tử là sản phẩm của cấu trúc của chính các nguyên tử. Do đó, Mô hình nguyên tử Dalton, ở dạng tinh khiết nhất, hiện chỉ được coi là hợp lệ cho các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, điều này không làm giảm sự đóng góp của Dalton vào khoa học hiện đại.
Trước thời của ông, nguyên tử ít hơn một cấu trúc triết học được truyền lại từ thời cổ đại. Công trình đột phá của Dalton không chỉ biến lý thuyết thành hiện thực mà còn dẫn đến nhiều khám phá khác, chẳng hạn như thuyết tương đối Einstein Einstein và thuyết lượng tử Planckiến - hai lĩnh vực nghiên cứu tạo thành nền tảng cho sự hiểu biết hiện đại của chúng ta về vũ trụ.
Chúng tôi đã viết nhiều bài viết thú vị về lý thuyết nguyên tử ở đây tại Tạp chí Vũ trụ. Đây là một trong số các nguyên tử trong vũ trụ, các bộ phận của nguyên tử là gì?, Ai là Democritus?, Mô hình nguyên tử Bohr, và Mô hình Pudding Plum là gì?
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về mô hình Dalton, hãy xem bài viết từ Đại học Trung tâm Queensland về mô hình Nguyên tử Dalton.
Astronomy Cast đã ghi lại nhiều tình tiết thú vị về đề tài này. Hãy xem chúng - Tập 138: Cơ học lượng tử, Tập 378: Rutherford và các nguyên tử, và Tập 392: Mô hình chuẩn - Giới thiệu.
