Kể từ khi bắt đầu, con người đã tìm cách hiểu vũ trụ và mọi thứ bên trong nó được tạo thành từ cái gì. Và trong khi các pháp sư và triết gia cổ đại quan niệm về một thế giới gồm bốn hoặc năm yếu tố - đất, không khí, nước, lửa (và kim loại, hoặc ý thức) - bởi thời cổ đại, các nhà triết học bắt đầu đưa ra giả thuyết rằng mọi vật chất thực sự được tạo thành từ nhỏ bé, các nguyên tử vô hình và không thể chia cắt.
Kể từ đó, các nhà khoa học đã tham gia vào một quá trình khám phá liên tục với nguyên tử, với hy vọng khám phá ra bản chất và trang điểm thực sự của nó. Đến thế kỷ 20, sự hiểu biết của chúng ta đã được cải thiện đến mức chúng ta có thể xây dựng một mô hình chính xác của nó. Và trong thập kỷ vừa qua, sự hiểu biết của chúng tôi đã tiến xa hơn nữa, đến mức chúng tôi đã đến để xác nhận sự tồn tại của hầu hết các phần được lý thuyết hóa của nó.
Ngày nay, nghiên cứu nguyên tử tập trung vào nghiên cứu cấu trúc và chức năng của vật chất ở cấp độ hạ nguyên tử. Điều này không chỉ bao gồm việc xác định tất cả các hạt hạ nguyên tử được cho là tạo thành một nguyên tử, mà còn điều tra các lực chi phối chúng. Chúng bao gồm lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, điện từ và trọng lực. Đây là một sự cố về tất cả những gì chúng ta đã tìm hiểu về nguyên tử cho đến nay
Cấu trúc của nguyên tử:
Mô hình nguyên tử hiện tại của chúng ta có thể được chia thành ba phần cấu thành - proton, neutron và electron. Mỗi phần này có một điện tích liên kết, với các proton mang điện tích dương, các electron có điện tích âm và neutron không có điện tích thuần. Theo Mô hình chuẩn của vật lý hạt, các proton và neutron tạo thành hạt nhân của nguyên tử, trong khi các electron quay quanh nó trong một đám mây Hồi.
Các electron trong nguyên tử bị hút bởi các proton trong hạt nhân bởi lực điện từ. Các electron có thể thoát khỏi quỹ đạo của chúng, nhưng chỉ để đáp ứng với nguồn năng lượng bên ngoài đang được áp dụng. Quỹ đạo của electron càng gần hạt nhân thì lực hấp dẫn càng lớn; do đó, lực bên ngoài càng mạnh cần thiết để làm cho một electron thoát ra.
Các electron quay quanh hạt nhân theo nhiều quỹ đạo, mỗi quỹ đạo tương ứng với một mức năng lượng cụ thể của electron. Electron có thể thay đổi trạng thái của nó lên mức năng lượng cao hơn bằng cách hấp thụ một photon có đủ năng lượng để đẩy nó vào trạng thái lượng tử mới. Tương tự như vậy, một electron ở trạng thái năng lượng cao hơn có thể giảm xuống trạng thái năng lượng thấp hơn trong khi tỏa năng lượng dư thừa dưới dạng photon.
Các nguyên tử trung hòa về điện nếu chúng có số proton và electron bằng nhau. Các nguyên tử có thâm hụt hoặc dư thừa điện tử được gọi là các ion. Các electron ở xa hạt nhân nhất có thể được chuyển sang các nguyên tử khác gần đó hoặc chia sẻ giữa các nguyên tử. Theo cơ chế này, các nguyên tử có thể liên kết thành các phân tử và các loại hợp chất hóa học khác.
Tất cả ba hạt hạ nguyên tử này là Fermions, một loại hạt liên kết với vật chất là nguyên tố (electron) hoặc hỗn hợp (proton và neutron) trong tự nhiên. Điều này có nghĩa là các electron không có cấu trúc bên trong đã biết, trong khi các proton và neutron được tạo thành từ các hạt hạ nguyên tử khác. gọi là quark. Có hai loại quark trong nguyên tử, có điện tích phân đoạn.
Các proton gồm có hai quark trên Up (mỗi loại có điện tích +2/3) và một quark xuống Down (-1/3), trong khi neutron gồm một quark lên và hai quark xuống. Sự phân biệt này chiếm sự khác biệt về điện tích giữa hai hạt, tương ứng với điện tích +1 và 0, trong khi các điện tử có điện tích -1.
Các hạt hạ nguyên tử khác bao gồm Lepton, kết hợp với Fermions để tạo thành các khối vật chất. Có sáu lepton trong mô hình nguyên tử hiện tại: các hạt electron, muon và tau, và neutrino liên kết của chúng. Các loại khác nhau của các hạt Lepton, thường được gọi là Hương hương tinh thể, được phân biệt bởi kích thước và điện tích của chúng, ảnh hưởng đến mức độ tương tác điện từ của chúng.
Sau đó, có các Bos Bos, được biết đến như là những người vận chuyển lực lượng của Sony vì họ làm trung gian cho các lực lượng vật lý. Ví dụ, gluon chịu trách nhiệm cho lực hạt nhân mạnh giữ các quark lại với nhau trong khi các boson W và Z (vẫn là giả thuyết) được cho là chịu trách nhiệm cho lực hạt nhân yếu đằng sau điện từ. Photon là hạt cơ bản tạo nên ánh sáng, trong khi hạt Higgs chịu trách nhiệm cho khối lượng W và Z của chúng.
Khối lượng nguyên tử:
Phần lớn khối lượng nguyên tử Khối đến từ các proton và neutron tạo nên hạt nhân của nó. Electron có khối lượng nhỏ nhất trong số các hạt cấu thành nguyên tử, có khối lượng 9,11 x 10-31 kg và kích thước quá nhỏ để được đo bằng các kỹ thuật hiện tại. Proton có khối lượng gấp 1,836 lần electron, ở mức 1,6726 × 10-27 kg, trong khi neutron là khối lượng lớn nhất trong ba, ở mức 1.6929 × 10-27 kg (gấp 1,839 lần khối lượng của electron).
Tổng số proton và neutron trong một nguyên tử Hạt nhân (được gọi là nucle nucleon) được gọi là số khối. Ví dụ, nguyên tố Carbon-12 được đặt tên như vậy vì nó có số khối là 12 - xuất phát từ 12 nucleon của nó (sáu proton và sáu neutron). Tuy nhiên, các nguyên tố cũng được sắp xếp dựa trên số nguyên tử của chúng, giống như số lượng proton được tìm thấy trong hạt nhân. Trong trường hợp này, Carbon có số nguyên tử là 6.
Khối lượng thực tế của một nguyên tử ở trạng thái nghỉ rất khó đo, vì ngay cả những nguyên tử lớn nhất cũng quá nhẹ để thể hiện trong các đơn vị thông thường. Do đó, các nhà khoa học thường sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất (u) - còn gọi là dalton (Da) - được định nghĩa là một phần mười hai khối lượng của một nguyên tử trung tính tự do của carbon-12, xấp xỉ 1,66 × 10-27 Kilôgam.
Các nhà hóa học cũng sử dụng nốt ruồi, một đơn vị được xác định là một mol của bất kỳ nguyên tố nào luôn có cùng số nguyên tử (khoảng 6.022 × 1023). Số này được chọn sao cho nếu một nguyên tố có khối lượng nguyên tử là 1 u, thì một mol nguyên tử của nguyên tố đó có khối lượng gần bằng một gam. Do định nghĩa về đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất, mỗi nguyên tử carbon-12 có khối lượng nguyên tử chính xác là 12 u, và do đó, một mol nguyên tử carbon-12 nặng chính xác 0,012 kg.
Phân rã phóng xạ:
Bất kỳ hai nguyên tử nào có cùng số proton đều thuộc về cùng một nguyên tố hóa học. Nhưng các nguyên tử có số proton bằng nhau có thể có số nơtron khác nhau, được định nghĩa là các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. Các đồng vị này thường không ổn định và tất cả những chất có số nguyên tử lớn hơn 82 được biết là phóng xạ.
Khi một nguyên tố trải qua quá trình phân rã, hạt nhân của nó mất năng lượng bằng cách phát ra bức xạ - có thể bao gồm các hạt alpha (nguyên tử helium), hạt beta (positron), tia gamma (năng lượng điện từ tần số cao) và electron chuyển đổi. Tốc độ mà phần tử không ổn định phân rã được gọi là nửa đời của nó, đó là lượng thời gian cần thiết để phần tử giảm xuống một nửa giá trị ban đầu.
Độ ổn định của đồng vị bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ proton so với neutron. Trong số 339 loại nguyên tố khác nhau xảy ra tự nhiên trên Trái đất, có tới 254 (khoảng 75%) được gắn nhãn là đồng vị ổn định của Hồi giáo - tức là không bị phân rã. Thêm 34 nguyên tố phóng xạ có thời gian bán hủy dài hơn 80 triệu năm và cũng đã tồn tại kể từ Hệ Mặt trời đầu tiên (do đó chúng được gọi là các nguyên tố nguyên thủy của Hồi giáo).
Cuối cùng, thêm 51 yếu tố tồn tại ngắn được biết là xảy ra một cách tự nhiên, như các yếu tố con gái của Hồi giáo (nghĩa là các sản phẩm phụ hạt nhân) của sự phân rã của các nguyên tố khác (như radium từ uranium). Ngoài ra, các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong thời gian ngắn có thể là kết quả của các quá trình năng lượng tự nhiên trên Trái đất, như bắn phá tia vũ trụ (ví dụ, carbon-14, xảy ra trong bầu khí quyển của chúng ta).
Lịch sử học tập:
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.
Dalton bắt đầu với câu hỏi tại sao các nguyên tố phản ứng theo tỷ lệ số nguyên nhỏ và kết luận rằng những phản ứng này xảy ra trong toàn bộ số lượng đơn vị rời rạc, nói cách khác, các nguyên tử. Thông qua một loạt các thí nghiệm liên quan đến khí, Dalton tiếp tục phát triển cái gọi là Lý thuyết nguyên tử Dalton, vẫn là một trong những nền tảng của vật lý và hóa học hiện đại.
Lý thuyết đi xuống năm tiền đề: các nguyên tố, ở trạng thái tinh khiết nhất, 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.
Đến cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học 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. Và sau đó vào năm 1897, thông qua một loạt các thí nghiệm sử dụng tia cực âm, nhà vật lý J.J. Thompson tuyên bố rằng ông đã phát hiện ra một đơn vị nhỏ hơn 1000 lần và nhẹ hơn 1800 lần so với nguyên tử hydro.
Các thí nghiệm của ông cũng cho thấy chúng giống hệt với các hạt phát ra từ hiệu ứng quang điện và vật liệu phóng xạ. Các thí nghiệm sau đó cho thấy hạt này mang dòng điện qua dây kim loại và điện tích âm trong các nguyên tử. Do đó, tại sao hạt - ban đầu được đặt tên là một khối xác chết - sau đó được đổi thành hạt electron electron, sau khi hạt George Johnstone Stoney đã dự đoán vào năm 1874.
Tuy nhiên, Thomson cũng cho rằng các electron được phân phối trong toàn bộ nguyên tử, đó là một biển tích điện dương. Điều này được biết đến như là mô hình bánh pudding mận chín, mà sau này sẽ được chứng minh là sai. Điều này diễn ra vào năm 1909, khi các nhà vật lý Hans Gieger và Ernest Marsden (dưới sự chỉ đạo của Ernest Rutherfod) đã tiến hành thí nghiệm của họ bằng cách sử dụng lá kim loại và hạt alpha.
Phù hợp với mô hình nguyên tử Dalton, họ tin rằng các hạt alpha sẽ đi thẳng qua lá với độ lệch nhỏ. Tuy nhiên, nhiều hạt bị lệch ở các góc lớn hơn 90 °. Để giải thích điều này, Rutherford đề xuất rằng điện tích dương của nguyên tử tập trung trong một hạt nhân nhỏ ở trung tâm.
Năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr đã đề xuất một mô hình trong đó các electron quay quanh hạt nhân, nhưng chỉ có thể làm như vậy trong một tập hợp quỹ đạo hữu hạn. Ông cũng đề xuất rằng các electron có thể nhảy giữa các quỹ đạo, nhưng chỉ trong những thay đổi năng lượng riêng biệt tương ứng với sự hấp thụ hoặc bức xạ của một photon. Mô hình đề xuất này không chỉ được tinh chỉnh bởi Ruthherford, mà còn đưa ra khái niệm về một nguyên tử lượng tử hóa, trong đó vật chất hoạt động trong các gói kín đáo.
Sự phát triển của máy quang phổ khối - sử dụng nam châm để bẻ cong quỹ đạo của chùm ion - cho phép đo khối lượng nguyên tử với độ chính xác tăng. Nhà hóa học Francis William Aston đã sử dụng dụng cụ này để chỉ ra rằng các đồng vị có khối lượng khác nhau. Đến lượt nó được theo dõi bởi nhà vật lý James Chadwick, người vào năm 1932 đã đề xuất neutron như một cách giải thích sự tồn tại của các đồng vị.
Trong suốt đầu thế kỷ 20, bản chất lượng tử của các nguyên tử đã được phát triển hơn nữa. Năm 1922, các nhà vật lý người Đức Otto Stern và Walther Gerlach đã tiến hành một thí nghiệm trong đó một chùm nguyên tử bạc được dẫn qua một từ trường, nhằm mục đích phân tách chùm tia giữa hướng của động lượng góc (hoặc spin) của nguyên tử.
Được biết đến như là thí nghiệm Gerernach của Stern, kết quả là chùm tia phân tách thành hai phần, tùy thuộc vào việc spin của các nguyên tử được định hướng lên hay xuống. Năm 1926, nhà vật lý Erwin Schrodinger đã sử dụng ý tưởng về các hạt hoạt động giống như sóng để phát triển một mô hình toán học mô tả các electron như dạng sóng ba chiều chứ không phải là các hạt đơn thuần.
Hậu quả của việc sử dụng dạng sóng để mô tả các hạt là về mặt toán học không thể có được các giá trị chính xác cho cả vị trí và động lượng của hạt tại bất kỳ thời điểm nào. Cùng năm đó, Werner Heisenberg đã đưa ra vấn đề này và gọi đó là nguyên tắc bất định của người Hồi giáo. Theo Heisenberg, đối với một phép đo vị trí chính xác nhất định, người ta chỉ có thể có được một phạm vi các giá trị có thể xảy ra cho động lượng và ngược lại.
Vào những năm 1930, các nhà vật lý đã phát hiện ra sự phân hạch hạt nhân, nhờ các thí nghiệm của Otto Hahn, Lise Meitner và Otto Frisch. Các thí nghiệm của Hahn liên quan đến việc hướng neutron vào các nguyên tử uranium với hy vọng tạo ra một nguyên tố transuranium. Thay vào đó, quá trình biến mẫu uranium-92 của anh ta (Ur92) thành hai nguyên tố mới - bari (B56) và krypton (Kr27).
Meitner và Frisch đã xác minh thí nghiệm và quy nó cho các nguyên tử urani tách ra để tạo thành hai nguyên tố có cùng trọng lượng nguyên tử, một quá trình cũng giải phóng một lượng năng lượng đáng kể bằng cách phá vỡ liên kết nguyên tử. Trong những năm sau đó, nghiên cứu về vũ khí hóa có thể của quá trình này đã bắt đầu (tức là vũ khí hạt nhân) và dẫn đến việc chế tạo những quả bom nguyên tử đầu tiên ở Mỹ vào năm 1945.
Vào những năm 1950, sự phát triển của máy gia tốc hạt và máy dò hạt cải tiến cho phép các nhà khoa học nghiên cứu tác động của các nguyên tử di chuyển ở năng lượng cao. Từ đó, Mô hình chuẩn của vật lý hạt đã được phát triển, cho đến nay đã giải thích thành công các tính chất của hạt nhân, sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử được lý thuyết hóa và các lực chi phối các tương tác của chúng.
Thí nghiệm hiện đại:
Kể từ nửa sau của thế kỷ 20, nhiều khám phá mới và thú vị đã liên quan đến lý thuyết nguyên tử và cơ học lượng tử. Ví dụ, vào năm 2012, cuộc tìm kiếm dài về Higgs Boson đã dẫn đến một bước đột phá nơi các nhà nghiên cứu làm việc tại Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) ở Thụy Sĩ tuyên bố phát hiện của mình.
Trong những thập kỷ gần đây, rất nhiều thời gian và năng lượng đã được các nhà vật lý dành cho việc phát triển một lý thuyết trường thống nhất (hay còn gọi là Lý thuyết thống nhất vĩ đại hay Lý thuyết về mọi thứ). Về bản chất, kể từ khi Mô hình Chuẩn được đề xuất lần đầu tiên, các nhà khoa học đã tìm cách hiểu làm thế nào bốn lực cơ bản của vũ trụ (lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và yếu và điện từ) phối hợp với nhau.
Trong khi đó lực hấp dẫn có thể được hiểu bằng cách sử dụng các lý thuyết tương đối của Einstein, và lực hạt nhân và lực điện từ có thể được hiểu bằng lý thuyết lượng tử, không lý thuyết nào có thể giải thích cho cả bốn lực làm việc cùng nhau. Những nỗ lực để giải quyết điều này đã dẫn đến một số lý thuyết được đề xuất trong nhiều năm, từ Lý thuyết chuỗi đến Trọng lực lượng tử vòng. Cho đến nay, không có lý thuyết nào trong số này đã dẫn đến một bước đột phá.
Sự hiểu biết của chúng ta về nguyên tử đã đi một chặng đường dài, từ các mô hình cổ điển đã xem nó như một chất rắn trơ tương tác với các nguyên tử khác, đến các lý thuyết hiện đại, nơi các nguyên tử được cấu thành từ các hạt năng lượng hoạt động không thể đoán trước. Mặc dù phải mất vài nghìn năm, kiến thức của chúng ta về cấu trúc cơ bản của mọi vấn đề đã tiến bộ đáng kể.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều bí ẩn chưa được giải quyết. Với thời gian và những nỗ lực liên tục, cuối cùng chúng ta có thể mở khóa những bí mật cuối cùng còn lại của nguyên tử. Sau đó, một lần nữa, rất có thể là bất kỳ khám phá mới nào chúng tôi thực hiện sẽ chỉ đưa ra nhiều câu hỏi hơn - và chúng thậm chí còn khó hiểu hơn những khám phá trước đó!
Chúng tôi đã viết nhiều bài viết về nguyên tử cho Tạp chí Vũ trụ. Ở đây, một bài viết về mô hình nguyên tử của John Dalton, mô hình nguyên tử Neils Bohr, Ai là Democritus?, Và có bao nhiêu nguyên tử trong vũ trụ?
Nếu bạn muốn biết thêm thông tin về nguyên tử, hãy xem Bài viết của NASA về Phân tích các mẫu nhỏ và tại đây, một liên kết đến Bài viết của NASA về các nguyên tử, nguyên tố và đồng vị.
Chúng tôi cũng đã ghi lại toàn bộ tập phim Thiên văn học đúc tất cả về nguyên tử. Nghe ở đây, Tập 164: Bên trong nguyên tử, Tập 263: Phân rã phóng xạ và Tập 394: Mô hình chuẩn, Bosons.
