Thuyết Nguyên Tử
Tủ sách mở Wikibooks
Mục lục |
[sửa] Thuyết Nguyên tử
Vào năm 1808, John Dalton đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của ông để giải thích định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất trong các phản ứng hoá học. Lý thuyết của ông dựa trên năm giả thuyết.
- 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 hoá 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.
[sửa] Mô Hình Nguyên Tử
Vào đầu thế kỷ thứ 20, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạt hạ nguyên tử, được gọi là proton, neutron và điện tử (electron). Proton và neutron nằm ở trung tâm nguyên tử và tạo nên hạt nhân của nguyên tử và điện tử chiếm khoảng không gian xung quanh hạt nhân đó. Số hạt hạ nguyên tử và sự sắp xếp của các hạt đó trong nguyên tử sẽ xác định tính chất hoá học của nguyên tố. Nguyên tử của cùng loại nguyên tố có thể có số neutron khác nhau (được gọi là các đồng vị) và số điện tử khác nhau (được gọi là ion). Số proton là yếu tố quyết định tính chất hoá học của nguyên tố.
[sửa] Mô Hình Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937) đưa ra mô hình nguyên tử của ông. Cùng với đồng nghiệp là Hans Geiger và Ernest Mardsen, Rutherford đã dùng một chùm hạt alpha bắn phá một lá vàng mỏng trong thí nghiệm mang tên ông. Hạt alpha là một hạt mang điện dương (+2), có khối lượng khoảng bốn lần khối lượng nguyên tử hydrogen. Kết quả thu được cho thấy hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt (1/8000 so với số hạt đi thẳng) bị lệch hướng và một số ít hạt bị bật ngược trở lại. Kết quả này cho phép kết luận như sau: nguyên tử có cấu tạo rỗng, các electron bao quanh một hạt có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tử (ta cứ tưởng tượng nếu hạt nhân nguyên tử lớn cỡ một nắm tay hoặc một mét thì nguyên tử của chúng ta phải to bằng cả cái nhà ba tầng hoặc sẽ rộng tới 10km). Trên lá kim loại các phân tử mang điện tích dương phân bố rất thưa thớt vì thế các hạt alpha đi qua lá kim loại dễ dàng. Một số hạt đi gần với các hạt điện tích dương và các hạt này tích điện lớn nên đẩy hạt alpha đi lệch hướng ban đầu hoặc ngược hướng ban đầu. Ông gọi đó là hạt nhân. Hạt nhân có các điện tử quay xung quanh giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời, tuy thể tích hạt nhân rất nhỏ so với nguyên tử nhưng phần lớn khối lượng nguyên tử lại tập trung ở đó. Mô hình này còn có cái tên là mẫu hành tinh nguyên tử.
Và mô hình nguyên tử của Rutherford lúc đó là: proton và neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh và chiếm phần lớn thể tích của nguyên tử đó. Khối lượng của điện tử rất nhỏ so với khối lượng của hạt nhân nguyên tử. Đến lúc đó người ta vẫn không hiểu tại sao điện tử lại có thể ổn định trong nguyên tử mà không bị rơi vào hạt nhân
[sửa] Mô Hình Bohr
Năm 1913, nhà vật lý lý thuyết người Đan Mạch Niels Bohr (1885-1962) đưa ra mô hình bán cổ điển về nguyên tử hay còn gọi là mô hình nguyên tử của Bohr. Bohr thay đổi mô hình của Rutherford bằng cách giải thiết rằng các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo có năng lượng và bán kính cố định. Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo của điện tử đó. Điện tử nằm trên quỹ đạo có bán kính nhỏ nhất sẽ có năng lượng nhỏ nhất và đó là trạng thái năng lượng ổn định (tên khác: trạng thái ổn định, hay trạng thái cơ bản) nhất của điện tử, điện tử không thể nằm ở các trạng thái nào thấp hơn trạng thái đó. Tuy vậy, điện tử có thể có năng lượng cao hơn khi nó nằm trên các quỹ đạo xa hạt nhân hơn, lúc này điện tử nằm ở trạng thái kích thích.
Các mức năng lượng giống như các bậc thang, điện tử không thể ở giữa các mức đó được mà chỉ có thể ở trên một bậc thang nào đó. Khi chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, điện tử có thể hấp thụ hoặc phát ra năng lượng. Năng lượng hấp thụ và phát xạ của một quang tử chính bằng sự sai khác năng lượng giữa các quỹ đạo. Bằng mô hình đó, Bohr có thể tính được năng lượng của điện tử trong nguyên tử hydrogen từ phổ phát xạ của nguyên tử đó. Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Bohr không thể giải thích tính chất của các nguyên tử có nhiều hơn một điện tử.
[sửa] Mô Hình 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.
- Hạt nhân được tạo thành từ các hạt proton mang điện tích dương và các hạt neutron không mang điện. Mỗi nguyên tố chỉ có một số proton duy nhất nhưng có thể có số neutron khác nhau (các nguyên tố này được gọi là các đồng vị). Hạt nhân của điện tử chiếm một vùng không gian rất nhỏ bé so với nguyên tử. Nếu coi hạt nhân là một quả cầu bán kính 1 m đặt tại Hà Nội thì điện tử to bằng hạt cát ở gần nhất cũng cách đó 100 km, tức là ở Hải Phòng.
- Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo. Sự sắp xếp của các quỹ đạo trong nguyên tử được gọi là cấu hình điện tử. Mỗi quỹ đạo được đặc trưng bởi ba số lượng tử là: số lượng tử chính, số lượng tử phương vị và số lượng tử từ. Trên mỗi quỹ đạo có thể có hai điện tử, nhưng hai điện tử này phải có một số lượng tử thứ tư là spin khác nhau.
- Các quỹ đạo của điện tử không phải là những đường cố định mà là sự phân bố xác suất mà các điện tử có thể có mặt.
- Các điện tử sẽ chiếm các quỹ đạo có năng lượng thấp nhất (các quỹ đạo gần hạt nhân nhất). Chỉ có các điện tử ở lớp ngoài cùng mới có khả năng tham gia để tạo các liên kết hóa học.
