Nguyên tử tạo nên mọi vật chất. Một trong những điều bạn học được khi bạn lần đầu tiên học hóa học ở trường trung học cơ sở hoặc trung học phổ thông là điều này, mà chúng ta thường biết đến thời điểm này. Tuy nhiên, hiểu biết của chúng ta về nguyên tử là tương đối mới; ít nhất một thế kỷ trước, các nhà khoa học vẫn đang thảo luận về bản chất chính xác của sự xuất hiện của một nguyên tử.

Bài báo này xem xét các lý thuyết mô hình nguyên tử chính và cách chúng phát triển qua thời gian do Celadoncity tìm hiểu nhé!

Các bước ban đầu

Dòng thời gian lịch sử của nguyên tử

Khái niệm về nguyên tử đã có từ rất lâu, mặc dù thực tế là vật chất của chúng ta có từ những năm 1800. Trên thực tế, chúng ta phải quay trở lại Hy Lạp cổ đại để khám phá nguồn gốc của nó. Thuật ngữ “nguyên tử”, tạm dịch là “không thể phân chia”, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ đại.

Nhiều học giả đã nhận trách nhiệm về sự phát triển của tư tưởng Hy Lạp cổ đại, nhưng Democritus (460–370 TCN) và người thầy của ông là Leucippus thường được nhắc đến. Mặc dù thực tế rằng quan niệm của họ về nguyên tử là sơ khai so với chúng ta ngày nay, nhưng họ đã bày tỏ quan điểm rằng mọi thứ đều được cấu tạo bởi các nguyên tử, những quả cầu nhỏ không thể nhìn thấy được. tính chất và lượng chất biến thiên vô hạn.

Theo loại nguyên tử, các nhà nghiên cứu này hình dung ra nhiều dạng khác nhau cho nguyên tử. Để giải thích tại sao sắt là chất rắn ở nhiệt độ phòng, họ tưởng tượng rằng các nguyên tử sắt có móc để khóa chúng lại với nhau. Nước là chất lỏng ở nhiệt độ phòng và có thể đổ được vì các nguyên tử của nó rất mịn và trơn. Các lý thuyết của họ đã hình thành nền tảng cho các mô hình nguyên tử trong tương lai, mặc dù bây giờ chúng ta biết rằng không phải vậy.

Tuy nhiên, thời gian cần thiết để đặt những nền móng này là đáng kể. Nhà khoa học người Anh John Dalton đã không bắt đầu hình thành một khái niệm chính xác hơn về nguyên tử cho đến năm 1803. Ông đã chấp nhận quan điểm rằng nguyên tử là những hình cầu nhỏ, cứng không thể phân chia được và các nguyên tử của một nguyên tố cụ thể giống hệt với tư tưởng Hy Lạp cổ đại.

Ngoại trừ đáng kể các đồng vị của một số nguyên tố có số lượng neutron khác nhau, lập luận thứ hai vẫn có giá trị. Tuy nhiên, chúng ta có thể bỏ qua sự bất cẩn của Dalton vì neutron mới được phát hiện cho đến năm 1932. Ông cũng cung cấp bộ ký hiệu hóa học đầu tiên cho các nguyên tố đã biết và suy đoán cách các nguyên tử tương tác để tạo ra hợp chất.

Lý thuyết nguyên tử của Dalton đã được mô tả chi tiết như một bước đầu tiên, nhưng nó vẫn không thực sự cho chúng ta biết bất cứ điều gì về các đặc tính của nguyên tử. Một khoảng dừng khác ngắn hơn xảy ra sau đó, trong đó không có nhiều tiến bộ trong hiểu biết của chúng ta về nguyên tử.

SEE ALSO  Top 14 bài thơ chiều hôm nhớ nhà

Ý tưởng của Lord Kelvin rằng chúng có thể có cấu trúc giống như xoáy là một trong số những nỗ lực nhằm xác định xem các nguyên tử có thể trông như thế nào, mặc dù không lâu sau đó. Việc khám phá cấu trúc nguyên tử thực sự bắt đầu vào khoảng đầu thế kỷ 20.

Đột phá

Nhà khoa học người Anh Joseph John (JJ) Thomson
Nhà khoa học người Anh Joseph John (JJ) Thomson

Khám phá quan trọng đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người Anh Joseph John (JJ) Thomson vào cuối những năm 1800, người đã chứng minh bản chất không thể phân chia của nguyên tử. Sử dụng tia âm cực do một ống phóng điện tạo ra trong các thử nghiệm của mình, ông phát hiện ra rằng các tia này bị hút tới các tấm kim loại tích điện dương nhưng bị các tấm tích điện âm đẩy lùi. Do đó, các tia phải có điện tích âm, nó xuất phát từ đó.

Ông đã có thể xác định rằng các hạt trong chùm sáng nhẹ hơn hai nghìn lần so với hydro bằng cách đo điện tích của chúng, và bằng cách chuyển đổi kim loại được sử dụng làm cực âm, ông có thể xác định rằng có nhiều loại nguyên tử của những hạt này. Ông đã xác định rằng một nguyên tử chứa các bit thành phần nhỏ hơn là không thể phân chia và phát hiện ra electron, mặc dù lần đầu tiên ông gọi nó là “tiểu thể”. Ông đã được trao giải Nobel năm 1906 cho khám phá này.

Dựa trên những khám phá của mình, ông đã đưa ra một mô hình nguyên tử vào năm 1904. Nguyên tử được thể hiện dưới dạng một quả cầu tích điện dương với các electron phân tán ra xung quanh giống như quả mận trong một chiếc bánh trong “Mô hình bánh pudding mận” (mặc dù không phải do chính Thomson thực hiện). bánh pudding.

Mô hình của Thomson sẽ không tồn tại được lâu, và chính một học trò của ông đã đưa ra bằng chứng khiến nó trở nên nổi tiếng, mặc dù các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu các phần tử bên trong của nguyên tử.

Một nhà vật lý đến từ New Zealand tên là Ernest Rutherford đã theo học Thomson tại Đại học Cambridge. Thông tin thêm về bên trong một nguyên tử sẽ được tiết lộ thông qua nghiên cứu sau đó của ông tại Đại học Manchester. Ông đã hoàn thành nghiên cứu này sau khi được trao giải Nobel năm 1908 cho công trình nghiên cứu hóa học vật liệu phóng xạ.

Rutherford đã thiết kế một thí nghiệm liên quan đến việc hướng các hạt alpha mang điện tích dương về phía một tấm lá vàng mỏng để khảo sát cấu trúc nguyên tử. Mô hình của Thomson, cho thấy điện tích dương khuếch tán khắp nguyên tử, dự đoán rằng các hạt alpha, rất nhỏ để chúng có thể xuyên qua lá vàng, sẽ làm như vậy mà không bị lệch ít hoặc không bị lệch. Ông dự định cho thí nghiệm này để ủng hộ ý tưởng của Thomson, nhưng nó lại có tác dụng hoàn toàn ngược lại.

SEE ALSO  Top 18 bài 11 trang 40 sgk toán 8 tập 1

Các phần lớn các hạt alpha trong thí nghiệm chảy qua lá với ít hoặc không bị lệch hướng. Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ của các hạt đã đi chệch hướng theo các góc nhọn. Như chính Rutherford đã nói, “Thật đáng kinh ngạc khi bạn bắn một quả đạn 15 inch vào một mảnh giấy lụa và nó bật ngược trở lại và tấn công bạn.”, Điều này hoàn toàn bất ngờ.

Hạt nhân, một lõi nhỏ, nhỏ gọn bên trong nguyên tử, là nơi tập trung tất cả các điện tích dương, và đây là lời giải thích duy nhất có lý. Phần lớn không gian còn lại của nguyên tử chỉ là khoảng trống.

Sau khi Rutherford phát hiện ra hạt nhân, mô hình nguyên tử phải được cập nhật. Ông đưa ra một lý thuyết trong đó các electron quay quanh một hạt nhân mang điện tích dương. Mặc dù đây là một cải tiến so với khái niệm của Thomson, nó vẫn không giải thích được tại sao các electron không chuyển động xoắn ốc vào trong hạt nhân như bình thường.

Niels Bohr theo sau. Nhà vật lý Đan Mạch Bohr đã sử dụng mô hình của Rutherford để thử và giải quyết các vấn đề. Ông đi đến kết luận rằng lý thuyết lượng tử có thể cố gắng giải thích sự sắp xếp của các electron vì vật lý thông thường không thể mô tả đầy đủ những gì đang xảy ra ở cấp độ nguyên tử. Khái niệm của ông thừa nhận sự tồn tại của các mức năng lượng electron và lớp vỏ.

Các electron chỉ có thể tồn tại ở những năng lượng cụ thể này, do đó năng lượng của chúng đã được đo lường và không thể đo lường được. Bohr gọi dải năng lượng này là “trạng thái tĩnh” và các electron có thể di chuyển giữa chúng, nhưng chỉ bằng cách hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng.

Một phần, nhưng không phải hoàn toàn, vấn đề các electron đi vào hạt nhân đã được giải quyết theo gợi ý của Bohr về các mức năng lượng ổn định. Chúng ta sắp bước vào lĩnh vực phức tạp của vật lý lượng tử, và chính Bohr đã từng tuyên bố, “Nếu cơ học lượng tử không gây sốc sâu sắc cho bạn, thì bạn vẫn chưa nắm bắt được nó.” Do đó, các nguyên nhân chính xác liên quan nhiều hơn chúng ta sẽ đi sâu vào đây. Nó trở nên kỳ lạ, theo cách khác.

Hạn chế mô hình

Không phải tất cả các vấn đề với mô hình nguyên tử đều được giải quyết bằng mô hình của Bohr. Mặc dù nó có hiệu quả đối với các nguyên tử hydro, nhưng nó không thể tính đến các quan sát về các nguyên tố nặng hơn. Ngoài ra, nó chống lại nguyên lý bất định Heisenberg, nguyên lý cấm chúng ta biết được vị trí và động lượng chính xác của một electron. Nguyên lý này là một trong những trụ cột của cơ học lượng tử.

SEE ALSO  Top 15 sgk toán 5 trang 172

Tuy nhiên, phải mất một thời gian nguyên tắc này mới được chấp nhận sau khi mô hình của Bohr lần đầu tiên được đưa ra. Mặc dù vậy, nhiều khả năng bạn vẫn làm quen với mô hình Bohr của nguyên tử vì nó thường là mô hình được đề cập lần đầu tiên trong các lớp hóa học trung học phổ thông hoặc trung học cơ sở. Nó vẫn hữu ích cho việc cung cấp các giải thích đơn giản về các liên kết hóa học và khả năng phản ứng của các nhóm nguyên tố cụ thể.

Ở một mức độ nào đó, mô hình vẫn phải được điều chỉnh. Nhiều nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để tạo ra các mô hình lượng tử của nguyên tử. Bạn có thể quen thuộc với nhà khoa học người Áo Erwin Schrödinger – ông ấy là người có con mèo và chiếc hộp – người quan trọng nhất trong số họ.

Schrödinger đã công nhận vào năm 1926 rằng các electron hoạt động giống như sóng chứ không phải di chuyển trong các quỹ đạo cố định hoặc vỏ. Bạn có thể nhớ rằng ánh sáng có thể hoạt động như cả sóng và hạt (một hiện tượng được gọi là lưỡng tính sóng-hạt), và hóa ra các electron cũng có thể làm như vậy. Điều này nghe có vẻ hơi lạ.

Để đưa ra mô hình phân bố các electron trong nguyên tử, Schrödinger đã giải một số phương trình toán học. Mô phỏng của ông chỉ ra các đám mây mật độ điện tử xung quanh hạt nhân. Mặc dù chúng ta không biết vị trí chính xác của các electron, nhưng chúng ta biết rằng chúng rất có thể nằm trong một số khu vực không gian nhất định vì những đám mây xác suất này.

Các obitan electron là những vùng này của không gian. Mặc dù mô hình này là mô hình được công nhận hiện tại, có lẽ rõ ràng là tại sao các bài giảng hóa học trung học không bắt đầu với nó vì bạn sẽ mất nhiều thời gian hơn để nắm vững.

Nguyên tử không được Schrödinger giải thích hoàn toàn. Việc phát hiện ra neutron của nhà vật lý người Anh James Chadwick, một sinh viên của Ernest Rutherford, vào năm 1932 đã hoàn thiện sự hiểu biết của chúng ta về các hạt hạ nguyên tử cấu tạo nên một nguyên tử.

Tuy nhiên, câu chuyện không kết thúc ở đó; trong những năm sau đó, các nhà vật lý đã biết rằng các proton và neutron tạo nên hạt nhân phân tách thành các hạt gọi là quark, nhưng điều đó nằm ngoài phạm vi của mảnh này. Trong mọi trường hợp, nguyên tử đóng vai trò như một minh họa tuyệt vời về cách các lý thuyết khoa học có thể phát triển theo thời gian và cách dữ liệu mới có thể truyền cảm hứng cho sự phát triển của các lý thuyết mới.

Bài viết dừng ở đây. Tôi thực sự hy vọng nó sẽ hữu ích cho bạn trong tương lai. Hãy ghi nhớ hóa học đằng sau chúng vào lần tới khi ai đó đưa ra chủ đề này!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.