Thuyết nguyên tử -
Phần 1
Thuyết nguyên tử là sự môtả của các nguyên tử, những đơnvị nhỏ nhất của
các nguyêntố. Bằng chứng khoahọccho sự tồn tại của các nguyên tử vànhững
thành phầncònnhỏ hơncủa nó cóquá nhiều, cho nênđa số mọi người ngày nay
xem sự tồn tạicủa nguyêntử là một thực tế, chứ khôngđơngiản chỉ là một lí
thuyết.
Lịch sử
Bắt đầu vào khoảngnăm 600 trước Công nguyên, nhiều nhà triết họcHi Lạp
đã nỗ lực tìm hiểu bản chấtcủa vật chất.Mộtsố người cho rằng vạn vật cấu tạotừ
nước, chúngcó badạng (băng ở thể rắn, nước lỏng vàhơi nước). Mộtsố người
khác thì tin rằng vật chất cấu tạohoàntoàn từ lửaở dạngbiến đổi không ngừng.
Tuy nhiên, những người khácthì tin rằng cho dù vật chất cấu tạo từ cái gì thì nó
phải là cái gìđó khôngthể bị phá hủy mà chỉ kết hợp lại thành những dạng thức
mới. Nếu họ có thể nhìn thấynhững cái đủ nhỏ, họ sẽ thấy những“viêngạch cấu
trúc”củachúng. Một trong nhà triết học này có tên gọi làDemocritus.Ông tưởng
tượng bắt đầuvới mộtmẩu lớn vật chất và dần dần chiacắt nó thành những mẩu
mỗilúc một nhỏ hơn, cuối cùng thì đạt tớimẩu nhỏ nhất.Viên gạchcấu trúc nhỏ
nhất không thể chia cắt được nữanày được gọi là atomos, tiếng Hi Lạpcó nghĩa
“không thể chia cắt”. Từ atomos bước sang thời kìhiện đại đã biến đổi
thành atom (nguyên tử). Cácnguyên tử mà Democritus hình dung ra chỉ khác nhau
về hình dạng và kích cỡ. Trong lí thuyếtcủa ông, những vật khác nhau trông khác
nhau vì cáchcác nguyên tử sắp xếp. Aristotle, một trong những nhà triết họccó
sức ảnhhưởngnhất củathời kì ấy, tin vào một số loại “phần tử nhỏ nhất” của vật
chất nhưng không theo các mô tả của Democritus.Aristotle nói chỉ có bốn nguyên
tố (đất, không khí, lửa, nước) và nhữngnguyên tố này có một số đơnvị nhỏ nhất
cấu tạo nêntoàn bộ vật chất. Sự thuyết giáo của Aristotle chống lại quan điểm
nguyêntử của Democritusquá mạnhmẽ nênquan điểm nguyên tử đã bị gạtra
khỏi thế giới triết học trong 2000năm sauđó.
Mặcdù thuyếtnguyên tử bị bỏ rơi trong khoảngthời gianlâudài như vậy,
nhưng sự thực nghiệm khoahọc, đặc biệt làhóa học,đã pháttriển. Từ thời Trung

cổ (khoảngnăm 1100)về sau, nhiều phản ứng hóa học đã được nghiên cứu. Vào
thế kỉ thứ 17, một số nhà hóa họcnày bắt đầu nghĩ tới những phản ứng mà họ nhìn
thấydưới dạngnhững phần tử nhỏ nhất. Thậm chí, họ còn bắt đầu sử dụngtừ
nguyêntử trở lại. Mộttrong những nhà hóa học nổi tiếngnhấtvào cuối thế kỉ thứ
18 làAntoine Lavoisier. Cácthí nghiệm hóa học của ông đã cân rấtkĩ tất cả các hóa
chất. Ôngcho những chất khác nhau phản ứngcho đến khichúng ở trạng thái đơn
giản nhất của chúng. Ôngtìm rahai yếu tố quan trọng:(1)những chất đơngiản
nhất,cái ông gọi là nguyên tố, khôngthể bị phân tách thành chất khácnữa, và (2)
những nguyên tố này luôn phản ứng với nhautheonhữngtỉ lệ giốngnhau. Những
chất phức tạp hơn mà giốngnhauđó ông gọi là hợpchất. Thí dụ, haithể tích
hydrogen phản ứng chính xác với một thể tích oxygen để tạo ra nước. Nước có thể
bị phân tách luôn chochính xáchai thể tích hydrogen vàmột thể tích oxygen.
Lavoisier không có sự giải thích nào chonhững kết quả nhấtquán bấtngờ này. Tuy
nhiên,vô số những phépđo thận trọngcủa ông đã cung cấp manh mối cho một nhà
hóa học khác tên là John Dalton.
Dalton nhậnra rằng nếunhư các nguyên tố cấu tạo gồm những nguyên tử,
mỗinguyên tố khácnhau cómộtloại nguyêntử riêng, thì thuyết nguyên tử có thể
giảithích các kếtquả của Lavoisier.Nếu hai nguyên tử hydrogenluôn luônkết hợp
với một nguyên tử oxygen,thìtổ hợp nguyên tử thuđược, gọi là phântử, sẽ là
nước. Dalton công bố sự giải thích của ôngvào năm 1803. Năm này được xemlà
năm rađờicủa thuyết nguyên tử hiện đại. Các thí nghiệm khoahọc sauDalton đã
cố gắng mô tả đặc trưng xemcó bao nhiêu nguyên tố, nguyên tử củamỗinguyên tố
trông như thế nào, các nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố giống nhau như thế
nào và chúngkhác nhaunhư thế nào và, cuốicùng, liệu cócái gì nhỏ hơn nguyên tử
nữa haykhông.
Mô tả các đặc trưng của nguyên tử
Một trong nhữngthuộc tính đầutiên củacác nguyên tử được mô tả là trọng
lượng nguyên tử tương đối. Mặc dù mộtnguyêntử đơn lẻ là quá nhỏ để mà cân,
nhưng người ta cóthể sosánhcác nguyên tử vớinhau.Nhà hóahọc JonsBerzelius
giả sử rằng nhữngthể tích khí bằng nhau ở điều kiện nhiệtđộ vàáp suất như nhau

chứa số lượng nguyêntử ngangnhau. Ôngđã sử dụng quanđiểm nàyđể so sánh
trọng lượng củacác chất khí đang phảnứng.Thí dụ, ông có thể xác địnhrằng
nguyêntử oxygen nặng gấp 16 lần nguyêntử hydrogen.Ông đã lập danhsách
những trọng lượngnguyên tử tương đối này chonhiều nguyên tố mà ông biết. Ông
đã nghĩ ra kí hiệu chocác nguyên tố bằng cáchsử dụng kí tự thứ nhất hoặc hai kí
tự đầu tiên trong tên gọiLatincủachúng, hệ thống kí hiệu đó vẫn được sử dụng
ngàynay. Kíhiệucho hydrogenlà H,cho oxygenlàO,cho natriumlà Na,vàvân vân.
Những kí hiệu đó còn tỏ ra hữu íchtrong việc mô tả nhiều nguyên tử kếthợp với
nhau như thế nào để tạo ra phântử thuộcmộthợp chất nào đó. Thí dụ, để thể hiện
nước cócấu tạo gồm hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen, kí hiệu cho
nước là H
2
O. Một nguyên tử oxygencòncó thể kết hợp với mộtnguyêntử oxygen
khác để tạo ra một phântử oxygen vớikí hiệuO
2
.
Sự phát triển của thuyết nguyên tử
Khi người ta khám phá ra ngày một nhiều nguyên tố hơn, cái tiện lợi là nên
bắt đầu lập danhsách chúngở dạng kíhiệu trongmột biểu đồ. Năm 1869, Dmitri
Mendeleev đã lậpdanh sách các nguyên tố theo trậttự trọng lượng nguyên tử tăng
dần và phânnhómnhững nguyêntố dường như cónhững phản ứng hóa học giống
nhau. Thí dụ, lithium (Li), natrium(Na), và kalium (K) đềulà những nguyên tố kim
loại bốccháy khi chúng bị ẩm. Trongbiểu đồ của ông,những nguyên tố tươngtự
nhau đượcđặt trong cùng một cột. Mendeleevbắt đầunhìn thấymộtkiểu phân bố
trong số các nguyên tố, trong đó mỗi tám nguyên tố trên danhsách liệt kê trọng
lượng nguyên tử sẽ thuộc về cùng một cột. Do sự lặplại haytuần hoàn của kiểu
phân bố này, nên biểuđồ của Mendeleev được người ta gọi là “Bảngtuần hoàn hóa
học”. Thật ra,bảng tuần hoàn đó không đềulắm, vì có những “chỗ trống” trong
bảng.Mendeleevdự đoán rằngcuối cùngngười ta sẽ khám phá ranguyêntố lấp
đầy chỗ trống đó.Chẳnghạn, có một khoảngtrống dành cho mộtnguyên tố với

trọng lượng nguyên tử khoảng72 (nặnghơn hydrogen 72 lần) nhưnglà nguyên tố
chưa biết. Năm 1886, 15năm sausự dự đoán của nó, nguyên tố Germanium(Ge)
đã được tách livàngườita thấy nó có trọng lượng nguyên tử 72,3.Nhiều nguyên
tố khác tiếp tụcđượcdự đoán và tìm ra theo cáchnhư vậy. Tuynhiên, khicó thêm
nhiều nguyên tố bổ sung vào bảng tuần hoàn hóahọc, ngườita thấy nếu một số
nguyêntố được đặt trong những cột thích hợp donhững phản ứnggiống nhaucủa
chúng,thì chúngkhôngtuântheotrật tự đúngcủa trọnglượngnguyêntử tăngdần.
Một số đặc trưng nguyêntử khác làcần thiết để sắp xếp có trật tự các nguyên tố.
Nhiều năm trôi qua trướckhi tính chất thích hợpđó được tìm thấy.
Khi các thí nghiệm hóahọc tìm kiếmvà mô tả đặc trưngđượcnhiều nguyên
tố hơn, những ngành khoahọc khác đã và đangthực hiệnnhững khám phá về dòng
điện và ánh sáng đã gópphần cho sự phát triển của thuyếtnguyên tử. Michael
Faradayđã tiến hành nhiềunghiên cứu mô tả đặc trưngdòngđiện; JamesClerk
Maxwellmô tả đặc trưngánhsáng.Vào những năm 1870,William Crookes đã chế
tạo một thiết bị, ngày naygọilàốngCrookes,để khảo sát những “tia” do kimloại
giảiphóng ra.Ông muốn biết nhữngtia ấy là ánhsáng haydòng điện dựa trên
nghiêncứu của Faraday lẫn Maxwell. Ống Crookesgồm một bóng đèn thủytinh,
trong đó đa phần không khí đã bị rútra, bọc hai bản kimloại gọi là hai điện cực.
Một điện cực gọi là anode, cònđiện cựckiagọi là cathode. Mỗibản cómộtdây dẫn
nối bóngchân khôngvới mộtnguồn điện. Khi nối điện cho các điện cực, các tia
phátra từ phía cathode.Crookesxácđịnhđược nhữngtia cathodenày là những
hạt cóđiện tích âmdo kim loại giải phóngkhỏi bản cathode. Năm1897,J.J.
Thomsonphát hiệnthấy nhữnghạt tích điện âmnày giảiphóngtừ nguyên tử ra và
phải cómặt trong các nguyên tử kim loại lúcban đầu. Ông gọi những hạt hạ
nguyêntử tích điệnâmnày là “electron”. Vì electronmangđiện âm,nên phần còn
lại củanguyên tử phải mangđiện dương. Thomsontin rằng các electron phântán
trong nguyên tử giống như những miếngnho rắc trongbánh bônglanvậy. Mặc dù
mẫu “bánh bông lanrắcnho” củaThomsonlà khôngchính xác, nhưng nó là nỗ lực
đầu tiên cho thấy cácnguyêntử thật ra phức tạp hơnnhững quả cầu thuần nhất.
Vào thời gian ấy, cácnhà khoahọcđang khảosát những loại tia bí ẩnkhác

phátra từ ốngCrookes vàkhôngphát sinh tại cathode củanó.Năm 1895, Wilhelm
Roentgen để ýthấy những tấm kính ảnh để gần mộtốngCrookessẽ trở nên mờ đi
do một số tia chưa biết, không nhìnthấy nào đó gâyra. Roentgen gọi những tia này
là “tia X”, với chữ “x”là biến chưabiết trong toán học. Roentgencònchứng minh
việc sử dụng các tấm kính ảnh làmột phương pháp chụpảnhcủa những tiabíẩn
đó. Ông nhận thấy khidùng taycủa ông chặn tia Xlại, chẳng hạn,xươngtrong bàn
tay chặn được tiaX nhưngdavàcác mô thì không.Các bác sĩ vẫn sử dụngtia X của
Roentgen để chụpảnh cơ thể con người.
Kínhảnhtrở thành thiết bị chuẩn đối vớicác nhà khoahọc thuộcthời đại
của Roentgen.Mộttrong những nhà khoa học này, HenriBecquerel, đã để một số
kính ảnh trong ngănkéo cùngvới uranium,một nguyên tố mới mà ôngđang
nghiêncứu. Khi ông mangkínhảnhra, ông nhậnthấy chúng bị mờ đi.Vì chẳng có
cái gì khác ở trong ngăn kéo nữa, chonên ông kết luận rằng uranium phải giải
phóngmộtloại tia nàođó.Becquerel chỉ rarằng bức xạ này khôngcó tính đâm
xuyênnhư tia X vì nó có thể bị giấy chặn lại. Chính nguyên tố uraniumtự sinhra
bức xạ, một tínhchất gọi là sự phóng xạ. Phần lớnqua nghiêncứu của Pierrevà
MarieCurie, người ta tìm rathêmnhiều chất phóng xạ khác. Nhữngnỗ lựcnhằm
mô tả nhữngloại phóng xạ khác nhauđã đưa đến chương quan trọng tiếptheo
trong sự phát triển của thuyếtnguyên tử.
Năm 1896,ErnestRutherford,mộtsinh viên của J.J.Thomson,bắt đầu
nghiêncứu sự phóng xạ. Khi kiểmtra những nguyên tố khácnhauvàxác định xem
những loại chất liệu nào cóthể chặn đượcbức xạ điđếnkính ảnh, Rutherfordkết
luận rằngcó hai loại phóngxạ phát ratừ các nguyên tố. Ông đặt tên cho chúng
bằnghai kí tự đầutiêncủa bảngchữ cái Hi Lạp, alpha và beta. Bức xạ alpha gồm
những hạt tích điệndương nặng gấp bốnlần nguyên tử hydrogen.Bức xạ beta gồm
những hạt tích điệnâmdườngnhư giống hệt như các electron.Rutherfordquyết
định thử một thí nghiệm sử dụng hạt alpha. Ôngbố trí mộtlá vàng mỏng với
những tấm kính ảnh đặt xung quanhnó. Sau đó, ôngcho các hạt alphađi tới lá
vàng. Phần lớn các hạt alphađi thẳngqua lá vàng. Nhưng một vài hạt alphakhông
đi như vậy. Một vài hạtalphabị lệch khỏi quỹ đạothẳng củachúng. Rutherfordviết

rằng thật bấtngờ vì điềuđó tương tự như bắn mộtviên đạn vào một mảnhgiấy mà
viên đạnbị dội ngược trở lại. Rutherfordkết luậnrằng vì đasố hạtalphađi xuyên
qua, chonên các nguyên tử vàng chủ yếu phải là không giantrống rỗng,chứ không
giống như mẫu bánh bônglanđầy kín củaThomson. Vì một vài hạt alphabị chệch
hướng,nên phải cómộtvùng tích điệndươngrất đặc trong mỗi nguyên tử gọi là
hạt nhân. Với toànbộ điệntích dương ở hạt nhân, câu hỏitiếp theolà các electron
trong nguyên tử sắp xếp như thế nào.
Năm 1900,nhà vật lí MaxPlanck đang nghiên cứu các quá trìnhánhsáng và
nhiệt, đặc biệt tìm hiểu bứcxạ ánh sáng phát ra bởi một “vật đen”,mộthộp lí
tưởng có những thànhphảnxạ hoàn hảo.Người ta tưởngtượng những hộp này
chứa những vật gọi là daođộng tử hấp thụ và phátxạ ánh sáng vànhiệt. Cho đủ
thời gian thì bức xạ phát ra từ một vật đennhư vậy sẽ tạo ra mộtsự phân bố ánh
sáng nhiều màu sắc gọilà quangphổ chỉ phụ thuộcvào nhiệt độ của vật đenchứ
khôngphụ thuộc vào thànhphần cấu tạo của nó. Nhiều nhà khoa học đã nỗ lựcđi
tìm một mối liên hệ toán họcdự đoán nhữngdao độngtử của một vật đencó thể
tạo ra một sự phân bố phổ đặc biệt như thế nào. Max Planck đã tìm ramối liên hệ
toánhọc chính xác đó. Ông giả định rằng năng lượnghấpthụ hoặcphát ra bởi các
dao độngtử luônluônlà bội số của một số “gói năng lượng” cơ bảnmàông gọi là
một lượngtử. Các vậtphát xạ hay hấpthụ năng lượng thành từngphần rời rạc,gọi
là các lượng tử.
Vào thời gian này,có một nhà vật líđangnghiên cứu với Thomsonvà
Rutherfordtên gọi là NielsBohr. Bohr nhậnthấy rằng quanđiểmlượng tử năng
lượng có thể giải thích các electrontrong nguyên tử sắp xếpnhư thế nào. Ông mô
tả các electronđang“ở trên quỹ đạo”xungquanhhạtnhân giốnghệt như cáchành
tinh quayxungquanhmặt trời. Giống như các daođộngtử trongmộtvật đen
khôngthể phát ra nhữnglượng năng lượngbất kì, cácelectrontrong nguyên tử
khôngthể cóquỹ đạo bấtkì. Chỉ những khoảngcách nhất định mới đượcnăng
lượng mà mỗi electron có cho phép.Nếu một electronthuộc mộtnguyêntử nào đó
hấp thụ một lượngtử năng lượng chính xác,thì nó cóthể chuyển lên một quỹ đạo
ở xa hạtnhân hơn.Nếu một electronở quỹ đạo xa hạt nhânphát ra một lượng tử

năng lượngchính xác, thìnó có thể chuyển xuốngquỹ đạo gần hạtnhân hơn.
Những giátrị năng lượng chínhxác đó khác nhauđối với nhữngnguyêntố khác
nhau. Nhữnggiá trị này cóthể xác định bằng một quátrình gọi là quangphổ
nguyêntử, mộtkĩ thuật thựcnghiệm khảosát quangphổ ánhsáng docác nguyên
tử tạo ra. Một nguyên tử được làm nóngđến mức toàn bộ các electron củanó
chuyển raxa hạtnhân hết. Khichúngchuyển xuống gần hạtnhân hơn, các electron
bắt đầu phátra những lượngtử nănglượng củachúng dướidạng ánhsáng.Quang
phổ củaánhsángtạo ra có thể được ngườita khảo sátbằngmột lăngkính.Quang
phổ tạo ratheo kiểu này không thể hiện hết mọi màu sắc, mà chỉ có một vàimàu
phù hợp vớinăng lượngtương ứng nhữngsự chênhlệch quỹ đạoelectron. Mặc dù
sau này có tinhchỉnh thêm, nhưng “mô hình hành tinh” nguyên tử củaBohr giải
thích được số liệu quang phổ nguyên tử đủ tốt nên các nhàkhoahọc đã chuyển sự
chú ý của họ trở lại với hạt nhânnguyên tử.