nguyên tửcó thểphân
chia được
Einstein không phải là nhà vật lí duy nhất thực hiện những khám phá
quan trọng trong thập niên đầu tiên của thếkỉ20. Dựa trên khám phá ra
electron năm 1897, J.J Thomson và những người khác đang bận rộn khảo sát
thếgiới hạnguyên tử.
Thomson tiếp tục sửdụng thuật ngữtiểu thể để mô tảelectron trong nhiều
năm. Nhưng cho dù ông gọi nó là gì, ông biết rằng việc khám phá ra nó đã mởra
nhiều lộtrình nghiên cứu mới trong vật lí họcđối với thếkỉmới. Một sốnhà
nghiên cứuđã nghiên cứu bản thân electron, trong khi những người khác quan
tâm đến vai trò của electron trong vật chất. Chẳng hạn, nếu các electron, tích điện
âm, là bộphận của nguyên tửtrung hòa điện, thì nguyên tửcũng phải chứa các
điện tích dương. Vì các electron quá nhẹ, cho nên vật chất tích điện dương còn lại
phải mang phần lớn khối lượng của nguyên tử.
Vấnđề sớm trởnên rõ ràng là sốnguyên tửcủa một nguyên tố,đại lượng đặc
trưng cho vịtrí của nó trong bảng tuần hoàn, tương ứng với sốelectron trong
nguyên tửcủa nó – hay tương đương, tương ứng vớiđiện tích dương trong phần
mang điện dương của nguyên tử(mặc dù cho đến lúc ấy họkhông biết bộphận
tích điện dương đó trông nhưthếnào). Khối lượng nguyên tửcủa các nguyên tố
khác nhau cũng liên hệvới sốnguyên tử, nhưng không theo một sựtỉlệ đơn giản.
Hydrogen là nguyên tửnhẹnhất và có sốnguyên tửbằng một, nhưng một nguyên
tửhelium, với sốnguyên tửbằng hai, có khối lượng gấp bốn lần hydrogen. Các
nguyên tửnặng, ví dụnhưchì với sốnguyên tử82 và khối lượng nguyên tử
khoảng 207 lần hydrogen, còn vượt ra khỏi sựtỉlệ đó. Không ai biết tại sao lại như
thế.
Các nhà khoa học còn nhận ra rằng các electron là nguyên do cho hành trạng hóa
học của nguyên tử. Hóa trịcủa một nguyên tửlà một tính chất mô tảcách nó phản
ứng với các nguyên tửkhác. Hóa trịliên hệvới sốelectron mà nó đóng góp cho
phảnứng hóa học và chi phối những kết hợp nhấtđịnh của các nguyên tử để hình
thành nên phân tử. Các nguyên tốtrong cùng một cột của bảng tuần hoàn có hóa
trịbằng nhau. Mặc dù cho đến khi ấy họkhông hiểuđược tại sao, nhưng các nhà
vật lí và hóa học công nhận rằng đa sốcác nguyên tốkhông chỉcó electron hóa trị
mà còn có những electron khác không tham gia vào các phảnứng hóa học. Người
ta cũng sớm biết rõ là dòng điện chạy trong dây kim loại là dòng các electron. Tại
sao một sốchất, thí dụnhưkim loại, dẫnđiện trong khi những chất khác không
dẫnđiện thì chưađược hiểu rõ, nhưng rõ ràng là một sốelectron không liên kết
chặt chẽvới nguyên tửhay phân tửcủa chúng so với những electron khác.
Trong sốnhững nhà vật lí vào buổi chuyển giao của thếkỉ20, Ernest Rutherford
nhanh chóng nổi lên là một nhân vật hàng đầu trong việc tìm hiểu sựphóng xạlẫn
cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Năm 1898, ông trởthành giáo sưtại trường
Đại học McGill ởMontreal, Canada, nơi ông tiếp tục nghiên cứu ông đã bắtđầu với
Thomson ởAnh. Ông sớm tìm ra một dạng phóng xạthứba, còn đâm xuyên hơn cả
tia beta, mà ông gọi một cách tựnhiên là tia gamma, với những tính chất tương tự
nhưcác tính chất của tia X.
Cuối năm 1900, ông hợp tác với nhà hóa học McGill, Frederick Soddy (1877 –
1956), và họ đã bắtđầu thếkỉmới thửtìm hiểu một sốcơsởhóa học rất kì lạ đi
cùng với sựphóng xạ. Chẳng hạn, Rutherford và Soddy đã chiết tách hóa học các
nguyên tửphóng xạthuộc một nguyên tốkhác ra khỏi một mẫu chủyếu là thorium.
Chất liệu còn lại ban đầu kém phóng xạhơn nhiều, nhưng sau đó cùng loại nguyên
tửphóng xạmà họ đã loại ra xuất hiện trởlại, cứnhưthểchẳng có chuyện gì xảy ra.
Những thí nghiệm khác với những chất phóng xạkhác mang lại những kết quảgây
thách đố tương tự.
Khi họphân tích các mẫu phóng xạcủa mình, họthường tìm thấy những nguyên tố
hóa học nhưnhau trong những chất khác nhau, nhưng với khối lượng nguyên tử
khác nhau. Phải mất vài năm nghiên cứu thận trọng, người ta mới hiểuđược
chuyện gì đang xảy ra. Sựphóng xạ đã mang lại cho các nhà khoa học những gợi ý
vềcấu trúc bên trong của các nguyên tử. Rutherford và Soddy nhận ra rằng sự
phóng xạxảy ra khi phần tích điện dương của nguyên tử- cho dù nó là cái gì – phát
ra thứgì đó. Các kết quảcủa họxác nhận rằng khi một nguyên tử“bốmẹ” phát ra
một hạt alpha, thì sốnguyên tửcủa nó giảmđi hai; nghĩa là, nó biếnđổi, hay biến
tố, thành một nguyên tố“con” nằm dưới nó hai sốnguyên tửtrong bảng tuần hoàn.
Ngoài ra, khối lượng nguyên tửcủa nó giảmđi bốn, đưa họ đến chỗnghi ngờrằng
một hạt alpha là một nguyên tửhelium không có electron của nó.
Nghiên cứu ban đầu của Rutherford cho thấy tia beta là các electron. Khi phần tích
điện dương của một nguyên tửphóng xạphát ra một hạt beta, thì nguyên tửcon
thu được có nhiềuđiện tích dương hơn nguyên tửbốmẹ. Cho nên sựbiến tốdo
phát xạbeta mang lại một nguyên tốcao hơn một sốnguyên tửtrên bảng tuần
hoàn. Khối lượng electron quá nhỏnên nguyên tửcon và nguyên tửbốmẹcó cùng
khối lượng nguyên tửmặc dù chúng khác biệt vềmặt hóa học. Đối với bức xạalpha
lẫn beta, nguyên tửcon thường có hoạt tính phóng xạhơn bốmẹ.Điềuđó giải
thích sựtăng tính phóng xạmà Rutherford và Soddy quan sát thấy trong nghiên
cứu của họvới thorium và những nguyên tốphóng xạkhác.
Các kết quảcủa Rutherford và Soddy cũng giải thích những khối lượng khác nhau
đã đượcđể ý thấy với những nguyên tốgiống hệt nhau vềmặt hóa tính. Hai
nguyên tửcó hành trạng hóa học nhưnhau, và do đó là cùng một nguyên tố, nếu
chúng có cùng điện tích. Nhưng chúng vẫn có thểcó khối lượng khác nhau. (Sau
này, Soddy gọi những nguyên tửnày là đồng vị. Năm 1913, ông nhận ra rằng
những đồng vịkhác nhau còn tồn tạiđối với các nguyên tửphi phóng xạ,điềuđó
giải thích các phần lẻ ở một sốkhối lượng nguyên tử đođược, ví dụnhưchlorine
35,5. Ngày nay, chúng ta biết chlorine xuất hiện trong tựnhiên, sốnguyên tử17, có
hai đồng vị: mộtđồng vịphổbiến hơn với 35 đơn vịkhối lượng và mộtđồng vị
kém phổbiến hơn với 37 đơn vịkhối lượng).
Năm 1908, Rutherford được trao giải Nobel hóa học cho công trình của ông vềsự
biến tố. (Soddy nhận giải muộn hơn, năm 1921, cho giải thích của ông vềcác đồng
vị) Trong khi đó, các nhà vật lí đang thảo luận sôi nổi vềcấu trúc bên trong của các
nguyên tử. Phần vật chất tích điện dương trông ra sao và các electron hòa trộn với
nó nhưthếnào để tạo thành các nguyên tử?
Một ý tưởng phổbiến là mô hình “bánh bông lan rắc nho” của J.J Thomson, hình
dung các nguyên tửgiống nhưmón bánh ngọt yêu thích của người Anh. (Nếu
Thomson là người Mĩ, ông có thểgọi nó là mẫu bánh mì nhân nho khô) Mô hình ấy
hình dung nguyên tửnhưmột cái bánh bông lan vớiđiện tích dương của nó rảiđều
khắp, trong khi các electron nhỏxíu, tích điện âm gắn vào bên trong nó giống như
nhân mứt hoặc nho khô.
Các nhà vật lí khác thì có những ý tưởng khác, hình dung nguyên tửnhưnhững
quảcầu nhỏ, cứng chắc, chẳng hiểu bằng cách nào lại chứa các electron tích điện
âm, trọng lượng nhẹ, và một sốlượng bằng nhưvậy các hạt hạnguyên tửtích điện
dương, nặng hơn. Cho dù nghĩmô hình nào là tốt hơn, nhưng không có nhà vật lí
nào hài lòng với mô hình yêu thích của họ. Vì thế, họhăm hởchờ đón một ai đó tìm
ra một phương thức nhìn vào bên trong nguyên tử. Rutherford, năm 1907 đã trở
lại Anh làm giáo sưtại trường Đại học Manchester, có một ý tưởng tiến hành công
việc nhưthế.
Kếhoạch của ông là sửdụng các hạt alpha làm đạn, ông sẽbắn chúng vào những lá
kim loại mỏng. Bằng cách đođường đi của chúng thay đổi nhưthếnào khi chúng đi
qua, ông có thểsuy ra loại cấu trúc gì mà chúng đã gặp phải. Mẫu bánh bông lan
mềm sẽít có tác động lên các viên đạn, và hướng của chúng sẽít thay đổi. Nhưng
nếu hạt alpha gặp phải những quảcầu cứng, nhỏ, ông trông đợi các hạt alpha bị
lệch ra – hay tán xạ- khỏi hướng ban đầu của chúng.
Ưu tiên hàng đầu của công việcởManchester là xác nhận những mối ngờcủa ông
vềbản chất của bức xạalpha. Người phụtá của ông, Hans Geiger (1882 – 1945) đã
phát triển một thiết bịdò tìm sự đi qua của các hạt tích điện năng lượng cao và
đếm chúng. Dụng cụ đó, tiền thân của máy đếm Geiger hiệnđại, dùng để đo cường
độ phóng xạ, tỏra quan trọng đối với việc chứng tỏrằng hạt alpha thật ra là các
nguyên tửhelium không có electron.
Ernest Rutherford và Frederick Soddy đã tạo ra sơ đồ của những chuỗi phân rã
phóng xạkhác nhau này. Ngày nay, các nguyên tử“con” được biết là những nguyên
tốkhác trong bảng tuần hoàn hóa học. Thí dụ, “xạkhí” phóng xạlà chất khí radon.
Sau đó, năm 1909, Rutherford và Geiger bắtđầu các thí nghiệm tán xạcủa họ. Họ
nhanh chóng nhận ra rằng hầu nhưmọi hạt alpha đềuđi qua các lá kim loại với góc
lệch nhỏhoặc không đổi hướng chuyểnđộng. Kiểu chuyểnđộng đó phù hợp với
mô hình bánh bông lan rắc nho của Thomson, nhưng họ đã thận trọng không đi tới
kết luậnđó vội. Các máy dò của Geiger rất chính xác, nên họcó thểso sánh tổng số
hạt alpha chạm trúng bia của họ ở phía này sốlượng họphát hiệnởphía bên kia.
Một phần rất nhỏcác hạt alpha bịlệch hướng sau khi chạm trúng lá kim loại, và họ
cần phải hiểu cái gì đã xảy ra với chúng.
Rutherfordxét một vài khảnăng có thểxảy ra. Có lẽthỉnh thoảng một hạt alpha
chạm trúng máy dò và không được ghi lại. Điềuđó dường nhưhợp lí, nhưng các
máy dò hoàn toàn đáng tin cậy trong những phép thửkhác. Một khảnăng nữa là
một vài hạt alpha đang tán xạnhiều hơn so với Rutherford và Geiger lường trước.
Các hạtđó có lẽ đã lệch xa khỏi phía không có máy dò. Vì sựtán xạgóc lớn nhưvậy
dường nhưrất không có khảnăng, cho nên Rutherford và Geiger tập trung nỗlực
của họvào các kĩthuật dò tìm.
Đồng thời, ông quyếtđịnh tìm kiếm sựtán xạgóc lớn, mặc dù không thành công, sẽ
là thực tiễn tốt cho Ernest Marsden (1889–1970), một sinh viên trẻvừa mới tham
gia vào các kĩthuật nghiên cứu của phòng thí nghiệm trên. Trước sựngạc nhiên
của mọi người, Marsden không những phát hiện ra hạt alpha tán xạxa khỏi các
phía, mà thậm chí anh ta còn phát hiện một sốhạt tán xạngược vềphía nguồn.
Rutherford sau này đã mô tảkết quả đó là “hầu nhưkhông thểtin được, cứnhư
thểbạn ném một cái vỏ ốc vềphía một tờgiấy mỏng và rồi nó dội ngược trởlại và
va trúng bạn”.
Sau khám phá của Marsden, thập kỉ đầu tiên của thếkỉmớiđã kết thúc với
Rutherford và đội nghiên cứu của ông trong cuộc sănđuổi náo nhiệt trước một bí
ẩn lớn. Đã có cái gì đó không nhưtrông đợi bên trong những hạt nhỏxíu gọi là
nguyên tử đó, nhưng họkhông rõ cho lắm những kết quảcủa họ đang nói lên cho
họbiếtđiều gì.