Thuyết nguyên tử -
Phần 2
Rutherford, cùngvới Frederick Soddy, tiếp tụcnghiên cứu với các nguyên tố
phóngxạ. Đặc biệt, Soddyđể ý thấy khihạtalpha vàhạt beta phát ra khỏi nguyên
tử, các nguyêntử đó biến đổi theo một trong haikiểu: (1) nguyên tố đó trở thành
một nguyên tố khác hoàn toànvới những phản ứng hóa họchoàntoàn mới, hoặc
(2) nguyên tố đó vẫn duytrì những phản ứnghóa họcnhư cũ và quangphổ nguyên
tử như cũ nhưng chỉ thay đổi trọng lượng nguyên tử.
Ông gọicác nguyên tử thuộc nhóm thứ hai vừa nói là các đồng vị, những
nguyêntử thuộc cùngmộtnguyêntố với trọnglượng nguyên tử khác nhau.Trong
bất kì mẫu nguyên tố tự nhiên nào,có thể có vài loại đồng vị. Kết quả là trọng
lượng nguyên tử của một nguyên tố màBerzelius tínhđượcthật ra là giá trị trung
bình của mọi trọnglượng đồngvị thuộc nguyên tố đó. Đâylà nguyên domộtsố
nguyêntố không rơivào trật tự đúng trênbảng tuần hoàn Mendeleev – trọng
lượng nguyên tử trung bìnhphụ thuộc vào mỗi loại đồngvị có mặt baonhiêu.
Soddyđề xuất đặt các nguyên tố vàobảng tuần hoàn dựa trên sự tương đồngphản
ứng hóa học và sauđó đánh số thứ tự chúng. Con số gán cho mỗi nguyên tố theo
kiểu này được gọi là số nguyêntử. Số nguyên tử là phương pháp tiện lợi để chỉ các
nguyêntố.
Các đồng vị của hydrogen: hydrogen, deuterium và tritium.
Trongkhi đó,Thomsontiếp tục nghiên cứu củaôngvới ống Crookes. Ông
nhậnthấy, không nhữngtia cathode gồmnhững electronđược sinhra, mà còn
gồm những hạtmang điện dương. Sau nhiều nghiên cứu thậntrọng, ông đã có thể
tách linhiều loại hạt dươngkhác nhau bằng trọnglượng. Dựa trên những phép đo
này, ôngđã có thể xác định một hạtcơ bản, hạt mang điện dươngnhỏ nhất được
tạo ra, gọi là proton. Vì nhữnghạtnày được sinh rabởinhững nguyên tử của
cathodevàvì Rutherfordđã chứng minh rằng hạt nhân mang điệndương,nên
Thomsonnhận thấy hạt nhân nguyên tử phải chứa proton. Một nhà khoahọctrẻ
tên làHenry Moseley đã làm thínghiệmbắnphá nguyên tử thuộc những nguyên tố
khác nhau bằngtia X. Giống như trong quang phổ nguyên tử, trong đó nhiệt cấp
cho các electron thêm năng lượng, tiaX truyền thêm năng lượngcho các proton

trong hạt nhân. Và giốngnhư các electrongiải phóng ánh sáng thuộcnhững năng
lượng nhất định khichúngnguội đi, hạtnhân phát ra tiaX thuộcmộtnăng lượng
nhất địnhkhinó “thôi kích thích”. Moseley phát hiện thấy năng lượng của tiaX
phátra đối với mỗi nguyên tố tuân theomột mối liên hệ toán học đơn giản.Năng
lượng đó phụ thuộcvào số nguyên tử của nguyên tố đó, vàsố nguyên tử tươngứng
với số điện tích dương trong hạtnhân. Chonên trật tự đúng của bảng tuầnhoàn
hóa học là sắp theosố proton tăng dầntrong hạtnhân nguyên tử. Trong một
nguyêntử trung hòa,số lượng proton bằng số electron.Các electron là nguyên
nhângây racác phảnứng hóa học. Các nguyên tố thuộccùngmột cột của bảng
tuần hoàn có sự sắp xếp electronthuộcmức năng lượng cao nhất giống nhau, và
đây là nguyên do phản ứng hóa học của chúng giống nhau.
Chỉ còn lại mộttrở ngại nữa. Electron có trọnglượng rất nhỏ, bằng 1/1836
trọng lượng củamột proton. Nhưng các proton không lí giải nổi toàn bộ trọng
lượng nguyên tử của một nguyên tử. Mãi đến năm 1932thì James Chadwick mới
pháthiện ra sự tồntại của một hạttrong hạtnhânkhông mangđiện tích nhưng có
khối lượng hơi nhỉnh hơn protonmột chút.Ông đặt tên chohạt này là neutron.
Neutrongiải thích cho sự tồn tại của các đồng vị. Hainguyên tử thuộc cùngmột
nguyêntố sẽ có số proton và electron như nhau, nhưngchúng có thể cósố neutron
khác nhau, và vì thế nêntrọng lượng nguyên tử khác nhau. Các đồngvị được đặt
tên theo tên củanguyên tố vàtheo sau đó là số proton cộngvới số neutron có
trong hạt nhân. Tổngsố proton và neutron đượcgọi làsố khối. Thí dụ, uranium-
235 có 235protonvà neutron.Chúng ta có thể nhìn vào bảng tuần hoànhóa học
để tìm số nguyên tử của uranium(92), số nguyên tử chochúng ta biết proton.Sau
đó, làmtoán trừ, chúng ta biết đồngvị này có 143neutron. Cómột đồng vị khác
của uranium,
238
U, với 92 proton và 146 neutron. Một số kết hợp của protonvà
neutron thì kémbền hơn những kết hợpkhác. Hãy hình dungbạnđang cố giữ 10
quả bóngbowlingtrongtay.Sẽ cómột số sắpxếp bạncóthể làm chủ được như vậy.
Nhưng giờ hãy thử giữ 11hoặc 9 quả thôi. Có thể sẽ không còn một sắp xếp bềnvà

bạn sẽ làm rơi các quả bóng. Điều tươngtự xảy ra với các proton và neutron.
Những sắp xếp không bền sẽ tự động phân rã, giải phóng cáchạt, cho đến khiđạt
tới mộtcấu trúc bền. Đây là cách thức những hạt phóngxạ như hạtalphađược
sinh ra. Hạt alphagồmhai proton và haineutrongiảiphóng ratừ một hạt nhân
khôngbền.
Hydrogen có ba đồng vị: hydrogen,
2
H (deuterium)và
3
H (tritium).
Trọnglượng nguyên tử của nhữngnguyên tố khácban đầuđượcso sánhvới
hydrogen mà không nói rõ là đồng vị nào. Cũng thật khó có được đơn nguyên tử
hydrogen vì nóthường phản ứng vớinhững nguyên tử khác để tạo thành những
phân tử như H
2
hoặc H
2
O. Chonên, người ta đã chọn một đồng vị của nguyên tố
khác để so sánh.Trọng lượngnguyêntử ngày nay đượcxây dựng trên
12
C (carbon-
12). Đồngvị này có 6 protonvà 6neutrontronghạt nhân của nó. Carbon-12được
định nghĩa là bằng 12 đơn vị khối lượng nguyêntử. (Đơnvị khối lượngnguyên tử,
viết tắt là u, làđơn vị dùng để so sánh trọnglượng tương đối củacác nguyên tử.
Một u nhỏ hơn 2000 phầntỉ tỉ tỉ của mộtgam). Mỗi đồngvị thuộc mỗi nguyên tố
khác đượcsosánh với đơn vị này. Khi đó, trọng lượng của các đồng vị thuộc một
nguyêntố cho trướcđược tính trungbình để cho trọng lượng nguyên tử sắp xếp
vào bảng tuần hoàn hóahọc.
Cho đến đây, trongcâu chuyện nguyên tử, thì mọi hạt cấu thành nên nguyên
tử được người tahình dung lànhững quả cầurắn,đồng nhất.Bước sangnăm 1920,

với nghiên cứu của Louis deBroglie,thìbức tranhnày đã thay đổi hẳn. De Broglie
chứng minhrằngnhững hạt như electronthỉnh thoảng cótính chất sóng. Chẳng
hạn, nếunhư sóng nước được tạo ra bởi hainguồn, thí dụ thả rơi hai hòn sỏi xuống
một hồ nước, thì nhữngcon sóng có thể giao thoa với nhau. Điều này có nghĩa là
những đỉnh sóngcao cộnglại tạo thành những đỉnh sóng cao hơn. Những chỗ lõm
cộng lại tạo ra những vùnglõm hơn.Khi cho các electron đi quamộtkheđôi, với
một số electronđi quamộtkhe và một số electronđi quakhe kia, thì chúngtạo hai
nguồn.Các electron thể hiện sự giaothoa này, tạo ra một hệ vân trên màn ảnh
hứng.Khả năng của electron và những hạt khác thỉnhthoảng thể hiện tínhchấthạt
và thỉnh thoảng thể hiện tínhchất sóng được gọi là lưỡngtính sónghạt. Sự bổ sung
này chobảnchất của electroncó nghĩa là quan điểm hành tinh nguyên tử của Bohr
là không chính xáccholắm. Các electroncó những mức năng lượngrời rạc khác
nhau, nhưng chúng không tuântheo những quỹ đạo tròn. Năm 1925, Werner
Heisenberg đã phát biểurằng tốc độ và vị trí chính xác củamột electron làkhông
thể biết đồngthời. “Nguyên líbất địnhHeisenberg” này đã kích thích Erwin
Schrödinger nghĩ ra một phươngtrình tínhxemmột electron với mộtnăng lượng
nhất địnhchuyển độngnhư thế nào. Phươngtrình Schrödingermô tả những vùng
trong một nguyên tử trong đó một electronvới năng lượng nhất địnhcó khả năng
ở đó nhưng khôngbiết chính xác nó ở chỗ nào. Vùngxác suất này được gọi là
orbital.Các electron chuyển độngquá nhanhbên trong những orbitalnày chonên
chúng ta có thể hình dungchúngbị mờ đi thành một đám mâyelectron. Các
electrondi chuyển từ orbitalnày sangorbital khác bằngcách hấp thụ hoặc phát xạ
một lượngtử nănglượng, giống như Bohr đã giải thích.
Ứng dụng của thuyết nguyên tử
Những nghiên cứubuổi đầu về phóng xạ cho thấynhững hạt nhânnguyên tử
nhất địnhcótính phóngxạ tự nhiên. Một số nhà khoa học nêu vấn đề rằng nếu có
những hạt giải phóng khỏi nguyêntử thì ngườita cóthể đưa các hạtvào bên trong
nguyêntử hay không?Năm 1932,Cockcroft và Waltonđã thànhcông trongviệc
xây dựng một máy gia tốchạt, một dụng cụ có thể làm chonhững dònghạt tích
điện chuyển động mỗi lúc một nhanh thêm. Nhữnghạtchuyển động nhanhnày, thí

dụ như proton, sau đó được nhắm vào một bản mỏng thuộc một nguyên tố nhẹ
như lithium(Li). Nếu một hạt nhân nguyên tử lithium “bắt giữ” một proton,thì hạt
nhânđó trở nên không bền và nó bị vỡ ra thành haihạt alpha.Kĩ thuậtkích thích
phóngxạ bằng cáchbắn phávới những hạtgia tốc như thế này vẫn là phương pháp
được sử dụng nhiều nhất trongnghiên cứucấutrúc hạt nhân vàcác hạthạ nguyên
tử. Ngày nay, các máy giatốc chocác hạtchạy đua hết tốclựctrong những đường
thẳng,hoặc để tiết kiệm khônggian, trong nhữngquỹ đạo vòng tròn đường kính
hàng dặm đường.
Sự sắp xếp lại tự phát của hạt nhân nguyên tử luôn luôn manglại sự giải
phóngnăng lượng dưới dạng động năng của các neutron đangchuyểnđộng nhanh.
Khi một hạt nhân lớn vỡ ra để tạo thành những nguyên tử nhỏ hơn,quá trìnhđó
được gọi là phânhạch. Khi những nguyên tử nhẹ bị buộc hợp lại với nhau để tạo
thành những nguyên tử nặng hơn, thì quá trình được gọi là nhiệthạch. Trong mỗi
trường hợp đều có neutronnhanhđượcgiải phóng. Những neutronnày cóthể
truyền độngnăngcủachúngcho môi trườngxungquanh,làm môi trườngnóng lên.
Nhiệt lượng này có thể dùng để đun sôi nước, tạo radòng hơi làm quaytuabin
chạymáy phát điện. Nhiệthạch là quá trìnhxảy ra trong lõi của Mặttrời và những
ngôi saokhác. Quá nhiều năng lượng đượcgiải phóng trongthời gian ngắn nên
quá trìnhđó còn đượcsử dụng để chế tạo bom khinh khí. Tuynhiên, cho đếnnay
người ta vẫn chưalàm chủ phản ứng nhiệt hạch để chạy nhà máy điện. Nghiên cứu
đang tiếp tục tìmkiếm những phương pháp sử dụng năng lượng nhiệt hạch có điều
khiển.
Mặtkhác,phản ứng phân hạch còn đượcngười tasử dụngđể chế tạo những
loại vũ khí rất mạnh. Quả bom nguyên tử đầu tiên đã phát nổ vào năm1945.Tuy
nhiên,kể từ đó, năng lượng phân hạch cũng đã được kiểmsoát để chạy nhiềunhà
máy điện hạt nhân trên khắp thế giới.
Trongkhi nguyên tử là thànhphần nhỏ nhất của mộtnguyên tố khinó vẫn
còn là nguyên tố đó, thì các nguyên tử không phải là những hạt nhỏ nhất tồntại.
Thậmchí, ngườita cũngtinrằngcác proton và neutrontronghạtnhân nguyên tử
được cấu tạo từ nhữnghạt còn nhỏ hơn nữa gọi là hạt quark. Nghiên cứu hiện nay

trong ngành vậtlí nguyên tử tập trung vào việc môtả cấu trúc bên trongcủa
nguyêntử. Bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt,các nhàkhoahọc đangcố gắng
mô tả đặc trưng các quarkcóthể kết hợp theomột số cách để tạo ra những hạthạ
nguyêntử khác.
Không aitừngnhìn thấy một nguyên tử đơn lẻ, thậm chí vớinhững kính hiển
vi quanghọc tốt nhất. Những loại kính hiển vi đặc biệt gọi là kính hiển vi quétchui
hầm vàkính hiển vi lựcnguyên tử khai thác các lực do các electronsinh ra để thu
được hìnhảnh của những đám mây electron.Những đám mây này chobiết các
nguyêntử được sắp xếp như thế nào, mặc dù chúng ta không thể “nhìn” xuyên qua
đám mây đó vào trong hạt nhân. Dogiới hạn về kích cỡ, chúng ta sẽ không bao giờ
nhìn thấy nguyên tử với đôi mắt của mình.Mọi thứ chúng ta biết về nguyên tử phải
được suyluậnra từ những thínghiệm quy mô lớn. Kết quả là sự mô tả nguyên tử
như trên vẫnđược gọi là một líthuyết. Tuy nhiên, lí thuyết này giải thích các thí
nghiệmnguyên tử quá tốt nênchúngta thườngnghĩ sự tồn tại của nguyêntử là
một thựctế.