1
Thuy
ThuyThuy
Thuy
t nguyên t
t nguyên tt nguyên t
t nguyên t
Thuyết nguyên tử là sự mô tả của các nguyên tử, những đơn vị nhỏ nhất của các
nguyên tố. Bằng chứng khoa học cho sự tồn tại của các nguyên tử và những thành phần
còn nhỏ hơn của nó có quá nhiều, cho nên đa số mọi người ngày nay xem sự tồn tại của
nguyên tử là một thực tế, chứ không đơn giản chỉ là một lí thuyết.
L
LL
L
ch s
ch sch s
ch s
Bắt đầu vào khoảng năm 600 trước Công nguyên, nhiều nhà triết học Hi Lạp đã nỗ
lực tìm hiểu bản chất của vật chất. Một số người cho rằng vạn vật cấu tạo từ nước, chúng
có ba dạng (băng ở thể rắn, nước lỏng và hơi nước). Một số người khác thì tin rằng vật chất
cấu tạo hoàn toàn từ lửa ở dạng biến đổi không ngừng. Tuy nhiên, những người khác thì tin
rằng cho dù vật chất cấu tạo từ cái gì thì nó phải là cái gì đó không thể bị phá hủy mà chỉ
kết hợp lại thành những dạng thức mới. Nếu họ có thể nhìn thấy những cái đủ nhỏ, họ sẽ
thấy những “viên gạch cấu trúc” của chúng. Một trong nhà triết học này có tên gọi là
Democritus. Ông tưởng tượng bắt đầu với một mẩu lớn vật chất và dần dần chia cắt nó
thành những mẩu mỗi lúc một nhỏ hơn, cuối cùng thì đạt tới mẩu nhỏ nhất. Viên gạch cấu
trúc nhỏ nhất không thể chia cắt được nữa này được gọi là atomos, tiếng Hi Lạp có nghĩa
“không thể chia cắt”. Từ atomos bước sang thời kì hiện đại đã biến đổi thành atom (nguyên
tử). Các nguyên tử mà Democritus hình dung ra chỉ khác nhau về hình dạng và kích cỡ.
Trong lí thuyết của ông, những vật khác nhau trông khác nhau vì cách các nguyên tử sắp
xếp. Aristotle, một trong những nhà triết học có sức ảnh hưởng nhất của thời 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 những nguyên tố này có
một số đơn vị nhỏ nhất cấu tạo nên toàn bộ vật chất. Sự thuyết giáo của Aristotle chống lại
quan điểm nguyên tử của Democritus quá mạnh mẽ nên quan điểm nguyên tử đã bị gạt ra
khỏi thế giới triết học trong 2000 năm sau đó.
Mặc dù thuyết nguyên tử bị bỏ rơi trong khoảng thời gian lâu dài như vậy, nhưng
sự thực nghiệm khoa học, đặc biệt là hóa học, đã phát triển. Từ thời Trung cổ (khoảng năm
1100) về sau, nhiều phản ứng hóa học đã được nghiên cứu. Vào thế kỉ thứ 17, một số nhà
hóa học này bắt đầu nghĩ tới những phản ứng mà họ nhìn thấy dưới dạng những phần tử
nhỏ nhất. Thậm chí, họ còn bắt đầu sử dụng từ nguyên tử trở lại. Một trong những nhà hóa
học nổi tiếng nhất vào cuối thế kỉ thứ 18 là Antoine Lavoisier. Các thí nghiệm hóa học của
ông đã cân rất kĩ tất cả các hóa chất. Ông cho những chất khác nhau phản ứng cho đến khi
chúng ở trạng thái đơn giản nhất của chúng. Ông tìm ra hai yếu tố quan trọng: (1) những
chất đơn giản nhất, cái ông gọi là nguyên tố, không thể bị phân tách thành chất khác nữa,
và (2) những nguyên tố này luôn phản ứng với nhau theo những tỉ lệ giống nhau. Những
chất phức tạp hơn mà giống nhau đó ông gọi là hợp chất. Thí dụ, hai thể tích hydrogen
phản ứng chính xác với một thể tích oxygen để tạo ra nước. Nước có thể bị phân tách luôn
cho chính xác hai thể tích hydrogen và một thể tích oxygen. Lavoisier không có sự giải
thích nào cho những kết quả nhất quán bất ngờ này. Tuy nhiên, vô số những phép đo thận
trọng của ông đã cung cấp manh mối cho một nhà hóa học khác tên là John Dalton.
Dalton nhận ra rằng nếu như các nguyên tố cấu tạo gồm những nguyên tử, mỗi
nguyên tố khác nhau có một loại nguyên tử riêng, thì thuyết nguyên tử có thể giải thích các
kết quả của Lavoisier. Nếu hai nguyên tử hydrogen luôn luôn kết hợp với một nguyên tử
oxygen, thì tổ hợp nguyên tử thu được, gọi là phân tử, sẽ là nước. Dalton công bố sự giải
2
thích của ông vào năm 1803. Năm này được xem là năm ra đời của thuyết nguyên tử hiện
đại. Các thí nghiệm khoa học sau Dalton đã cố gắng mô tả đặc trưng xem có bao nhiêu
nguyên tố, nguyên tử của mỗi nguyên tố trông như thế nào, các nguyên tử thuộc cùng một
nguyên tố giống nhau như thế nào và chúng khác nhau như thế nào và, cuối cùng, liệu có
cái gì nhỏ hơn nguyên tử nữa hay không.
Mô t
Mô tMô t
Mô t
các
các các
các 
c trng c
c trng cc trng c
c trng c
a nguyên t
a nguyên ta nguyên t
a nguyên t
Một trong những thuộc tính đầu tiên của các nguyên tử được mô tả là trọng lượng
nguyên tử tương đối. Mặc dù một nguyên tử đơn lẻ là quá nhỏ để mà cân, nhưng người ta
có thể so sánh các nguyên tử với nhau. Nhà hóa học Jons Berzelius giả sử rằng những thể
tích khí bằng nhau ở điều kiện nhiệt độ và áp suất như nhau chứa số lượng nguyên tử
ngang nhau. Ông đã sử dụng quan điểm này để so sánh trọng lượng của các chất khí đang
phản ứng. Thí dụ, ông có thể xác định rằng nguyên tử oxygen nặng gấp 16 lần nguyên tử
hydrogen. Ông đã lập danh sách những trọng lượng nguyên tử tương đối này cho nhiều
nguyên tố mà ông biết. Ông đã nghĩ ra kí hiệu cho các nguyên tố bằng cách sử dụng kí tự
thứ nhất hoặc hai kí tự đầu tiên trong tên gọi Latin của chúng, hệ thống kí hiệu đó vẫn
được sử dụng ngày nay. Kí hiệu cho hydrogen là H, cho oxygen là O, cho natrium là Na,
và vân vân. Những kí hiệu đó còn tỏ ra hữu ích trong việc mô tả nhiều nguyên tử kết hợp
với nhau như thế nào để tạo ra phân tử thuộc một hợp chất nào đó. Thí dụ, để thể hiện
nước có cấu tạo gồm hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen, kí hiệu cho nước
là H
2
O. Một nguyên tử oxygen còn có thể kết hợp với một nguyên tử oxygen khác để tạo
ra một phân tử oxygen với kí hiệu O
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 danh sách chúng ở dạng kí hiệu trong một biểu đồ. Năm 1869, Dmitri Mendeleev đã
lập danh sách các nguyên tố theo trật tự trọng lượng nguyên tử tăng dần và phân nhóm
những nguyên tố dường như có những phản ứng hóa học giống nhau. Thí dụ, lithium (Li),
natrium (Na), và kalium (K) đều là những nguyên tố kim loại bốc cháy khi chúng bị ẩm.
3
Trong biểu đồ của ông, những nguyên tố tương tự nhau được đặt trong cùng một
cột. Mendeleev bắt đầu nhìn thấy một kiểu phân bố trong số các nguyên tố, trong đó mỗi
tám nguyên tố trên danh sách liệt kê trọng lượng nguyên tử sẽ thuộc về cùng một cột. Do
sự lặp lại hay tuần hoàn của kiểu phân bố này, nên biểu đồ của Mendeleev được người ta
gọi là “Bảng tuần hoàn hóa học”. Thật ra, bảng tuần hoàn đó không đều lắm, vì có những
“chỗ trống” trong bảng. Mendeleev dự đoán rằng cuối cùng người ta sẽ khám phá ra
nguyên tố lấp đầy chỗ trống đó. Chẳng hạn, có một khoảng trống dành cho một nguyên tố
với trọng lượng nguyên tử khoảng 72 (nặng hơn hydrogen 72 lần) nhưng là nguyên tố chưa
biết. Năm 1886, 15 năm sau sự dự đoán của nó, nguyên tố Germanium (Ge) đã được tách li
và người ta thấy nó có trọng lượng nguyên tử 72,3. Nhiều nguyên tố khác tiếp tục được dự
đoán và tìm ra theo cách như vậy. Tuy nhiên, khi có thêm nhiều nguyên tố bổ sung vào
bảng tuần hoàn hóa học, người ta thấy nếu một số nguyên tố được đặt trong những cột
thích hợp do những phản ứng giống nhau của chúng, thì chúng không tuân theo trật tự
đúng của trọng lượng nguyên tử tăng dần. Một số đặc trưng nguyên tử khác là cần thiết để
sắp xếp có trật tự các nguyên tố. Nhiều năm trôi qua trước khi tính chất thích hợp đó được
tìm thấy.
Khi các thí nghiệm hóa học tìm kiếm và mô tả đặc trưng được nhiều nguyên tố hơn,
những ngành khoa học khác đã và đang thực hiện những khám phá về dòng điện và ánh
sáng đã góp phần cho sự phát triển của thuyết nguyên tử. Michael Faraday đã tiến hành
nhiều nghiên cứu mô tả đặc trưng dòng điện; James Clerk Maxwell mô tả đặc trưng ánh
sáng. Vào những năm 1870, William Crookes đã chế tạo một thiết bị, ngày nay gọi là ống
Crookes, để khảo sát những “tia” do kim loại giải phóng ra. Ông muốn biết những tia ấy là
ánh sáng hay dòng điện dựa trên nghiên cứu của Faraday lẫn Maxwell. Ống Crookes gồm
một bóng đèn thủy tinh, trong đó đa phần không khí đã bị rút ra, bọc hai bản kim loại gọi
là hai điện cực. Một điện cực gọi là anode, còn điện cực kia gọi là cathode. Mỗi bản có một
dây dẫn nối bóng chân không với một nguồn điện. Khi nối điện cho các điện cực, các tia
phát ra từ phía cathode. Crookes xác định được những tia cathode này là những hạt có điện
tích âm do kim loại giải phóng khỏi bản cathode. Năm 1897, J.J. Thomson phát hiện thấy
những hạt tích điện âm này giải phóng từ nguyên tử ra và phải có mặt trong các nguyên tử
kim loại lúc ban đầu. Ông gọi những hạt hạ nguyên tử tích điện âm này là “electron”. Vì
electron mang điện âm, nên phần còn lại của nguyên tử phải mang điện dương. Thomson
tin rằng các electron phân tán trong nguyên tử giống như những miếng nho rắc trong bánh
bông lan vậy. Mặc dù mẫu “bánh bông lan rắc nho” của Thomson là không chính xác,
nhưng nó là nỗ lực đầu tiên cho thấy các nguyên tử thật ra phức tạp hơn những quả cầu
thuần nhất.
Vào thời gian ấy, các nhà khoa học đang khảo sát những loại tia bí ẩn khác phát ra
từ ống Crookes và không phát sinh tại cathode của nó. Năm 1895, Wilhelm Roentgen để ý
thấy những tấm kính ảnh để gần một ống Crookes sẽ trở nên mờ đi do một số tia chưa biết,
không nhìn thấy nào đó gây ra. Roentgen gọi những tia này là “tia X”, với chữ “x” là biến
chưa biết trong toán học. Roentgen còn chứng minh việc sử dụng các tấm kính ảnh là một
phương pháp chụp ảnh của những tia bí ẩn đó. Ông nhận thấy khi dùng tay của ông chặn
tia X lại, chẳng hạn, xương trong bàn tay chặn được tia X nhưng da và các mô thì không.
Các bác sĩ vẫn sử dụng tia X của Roentgen để chụp ảnh cơ thể con người.
Kính ảnh trở thành thiết bị chuẩn đối với các nhà khoa học thuộc thời đại của
Roentgen. Một trong những nhà khoa học này, Henri Becquerel, đã để một số kính ảnh
trong ngăn kéo cùng với uranium, một nguyên tố mới mà ông đang nghiên cứu. Khi ông
mang kính ảnh ra, ông nhận thấy chúng bị mờ đi. Vì chẳng có cái gì khác ở trong ngăn kéo
nữa, cho nên ông kết luận rằng uranium phải giải phóng một loại tia nào đó. Becquerel chỉ
ra rằng bức xạ này không có tính đâm xuyên như tia X vì nó có thể bị giấy chặn lại. Chính
nguyên tố uranium tự sinh ra bức xạ, một tính chất gọi là sự phóng xạ. Phần lớn qua
4
nghiên cứu của Pierre và Marie Curie, người ta tìm ra thêm nhiều chất phóng xạ khác.
Những nỗ lực nhằm mô tả những loại phóng xạ khác nhau đã đưa đến chương quan trọng
tiếp theo trong sự phát triển của thuyết nguyên tử.
Năm 1896, Ernest Rutherford, một sinh viên của J.J. Thomson, bắt đầu nghiên cứu
sự phóng xạ. Khi kiểm tra những nguyên tố khác nhau và xác định xem những loại chất
liệu nào có thể chặn được bức xạ đi đến kính ảnh, Rutherford kết luận rằng có hai loại
phóng xạ phát ra từ các nguyên tố. Ông đặt tên cho chúng bằng hai kí tự đầu tiên của bảng
chữ cái Hi Lạp, alpha và beta. Bức xạ alpha gồm những hạt tích điện dương nặng gấp bốn
lần nguyên tử hydrogen. Bức xạ beta gồm những hạt tích điện âm dường như giống hệt
như các electron. Rutherford quyết định thử một thí nghiệm sử dụng hạt alpha. Ông bố trí
một lá vàng mỏng với những tấm kính ảnh đặt xung quanh nó. Sau đó, ông cho các hạt
alpha đi tới lá vàng. Phần lớn các hạt alpha đi thẳng qua lá vàng. Nhưng một vài hạt alpha
không đi như vậy. Một vài hạt alpha bị lệch khỏi quỹ đạo thẳng của chúng. Rutherford viết
rằng thật bất ngờ vì điều đó tương tự như bắn một viên đạn vào một mảnh giấy mà viên
đạn bị dội ngược trở lại. Rutherford kết luận rằng vì đa số hạt alpha đi xuyên qua, cho nên
các nguyên tử vàng chủ yếu phải là không gian trống rỗng, chứ không giống như mẫu bánh
bông lan đầy kín của Thomson. Vì một vài hạt alpha bị chệch hướng, nên phải có một
vùng tích điện dương rất đặc trong mỗi nguyên tử gọi là hạt nhân. Với toàn bộ điện tích
dương ở hạt nhân, câu hỏi tiếp theo là các electron trong nguyên tử sắp xếp như thế nào.
Năm 1900, nhà vật lí Max Planck đang nghiên cứu các quá trình ánh sáng và nhiệt,
đặc biệt tìm hiểu bức xạ ánh sáng phát ra bởi một “vật đen”, một hộp lí tưởng có những
thành phản xạ hoàn hảo. Người ta tưởng tượng những hộp này chứa những vật gọi là dao
động tử hấp thụ và phát xạ ánh sáng và nhiệt. Cho đủ thời gian thì bức xạ phát ra từ một
vật đen như vậy sẽ tạo ra một sự phân bố ánh sáng nhiều màu sắc gọi là quang phổ chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ của vật đen chứ không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó. Nhiều
nhà khoa học đã nỗ lực đi tìm một mối liên hệ toán học dự đoán những dao động tử của
một vật đen có thể tạo ra một sự phân bố phổ đặc biệt như thế nào. Max Planck đã tìm ra
mối liên hệ toán học chính xác đó. Ông giả định rằng năng lượng hấp thụ hoặc phát ra bởi
các dao động tử luôn luôn là bội số của một số “gói năng lượng” cơ bản mà ông gọi là một
lượng tử. Các vật phát xạ hay hấp thụ năng lượng thành từng phần rời rạc, gọi là các lượng
tử.
Vào thời gian này, có một nhà vật lí đang nghiên cứu với Thomson và Rutherford
tên gọi là Niels Bohr. Bohr nhận thấy rằng quan điểm lượng tử năng lượng có thể giải thích
các electron trong nguyên tử sắp xếp như thế nào. Ông mô tả các electron đang “ở trên quỹ
đạo” xung quanh hạt nhân giống hệt như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Giống
như các dao động tử trong một vật đen không thể phát ra những lượng năng lượng bất kì,
các electron trong nguyên tử không thể có quỹ đạo bất kì. Chỉ những khoảng cách nhất
định mới được năng lượng mà mỗi electron có cho phép. Nếu một electron thuộc một
nguyên tử nào đó hấp thụ một lượng tử năng lượng chính xác, thì nó có thể chuyển lên một
quỹ đạo ở xa hạt nhân hơn. Nếu một electron ở quỹ đạo xa hạt nhân phát ra một lượng tử
năng lượng chính xác, thì nó có thể chuyển xuống quỹ đạo gần hạt nhân hơn. Những giá trị
năng lượng chính xác đó khác nhau đối với những nguyên tố khác nhau. Những giá trị này
có thể xác định bằng một quá trình gọi là quang phổ nguyên tử, một kĩ thuật thực nghiệm
khảo sát quang phổ ánh sáng do các nguyên tử tạo ra. Một nguyên tử được làm nóng đến
mức toàn bộ các electron của nó chuyển ra xa hạt nhân hết. Khi chúng chuyển xuống gần
hạt nhân hơn, các electron bắt đầu phát ra những lượng tử năng lượng của chúng dưới dạng
ánh sáng. Quang phổ của ánh sáng tạo ra có thể được người ta khảo sát bằng một lăng kính.
Quang phổ tạo ra theo kiểu này không thể hiện hết mọi màu sắc, mà chỉ có một vài màu
phù hợp với năng lượng tương ứng những sự chênh lệch quỹ đạo electron. Mặc dù sau này
có tinh chỉnh thêm, nhưng “mô hình hành tinh” nguyên tử của Bohr giải thích được số liệu
5
quang phổ nguyên tử đủ tốt nên các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý của họ trở lại với hạt
nhân nguyên tử.
Rutherford, cùng với Frederick Soddy, tiếp tục nghiên cứu với các nguyên tố phóng
xạ. Đặc biệt, Soddy để ý thấy khi hạt alpha và hạt beta phát ra khỏi nguyên tử, các nguyên
tử đó biến đổi theo một trong hai kiểu: (1) nguyên tố đó trở thành một nguyên tố khác hoàn
toàn với những phản ứng hóa học hoàn toàn mới, hoặc (2) nguyên tố đó vẫn duy trì những
phản ứng hóa học như cũ và quang phổ nguyên tử như cũ nhưng chỉ thay đổi trọng lượng
nguyên tử.
Ông gọi các nguyên tử thuộc nhóm thứ hai vừa nói là các đồng vị, những nguyên tử
thuộc cùng một nguyên tố với trọng lượng 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 mà Berzelius tính được thật ra là giá trị trung bình của mọi trọng lượng đồng vị
thuộc nguyên tố đó. Đây là nguyên do một số nguyên tố không rơi vào trật tự đúng trên
bảng tuần hoàn Mendeleev – trọng lượng nguyên tử trung bình phụ thuộc vào mỗi loại
đồng vị có mặt bao nhiêu. Soddy đề xuất đặt các nguyên tố vào bảng tuần hoàn dựa trên sự
tương đồng phản ứng hóa học và sau đó đánh số thứ tự chúng. Con số gán cho mỗi nguyên
tố theo kiểu này được gọi là số nguyên tử. Số nguyên tử là phương pháp tiện lợi để chỉ các
nguyên tố.
Các đồng vị của hydrogen: hydrogen, deuterium và tritium.
Trong khi đó, Thomson tiếp tục nghiên cứu của ông với ống Crookes. Ông nhận
thấy, không những tia cathode gồm những electron được sinh ra, mà còn gồm những hạt
mang điện dương. Sau nhiều nghiên cứu thận trọng, ông đã có thể tách li nhiều loại hạt
dương khác nhau bằng trọng lượng. Dựa trên những phép đo này, ông đã có thể xác định
một hạt cơ bản, hạt mang điện dương nhỏ nhất được tạo ra, gọi là proton. Vì những hạt này
được sinh ra bởi những nguyên tử của cathode và vì Rutherford đã chứng minh rằng hạt
nhân mang điện dương, nên Thomson nhận thấy hạt nhân nguyên tử phải chứa proton. Một
nhà khoa học trẻ tên là Henry Moseley đã làm thí nghiệm bắn phá nguyên tử thuộc những
nguyên tố khác nhau bằng tia X. Giống như trong quang phổ nguyên tử, trong đó nhiệt cấp
cho các electron thêm năng lượng, tia X truyền thêm năng lượng cho các proton trong hạt
nhân. Và giống như các electron giải phóng ánh sáng thuộc những năng lượng nhất định
khi chúng nguội đi, hạt nhân phát ra tia X thuộc một năng lượng nhất định khi nó “thôi
kích thích”. Moseley phát hiện thấy năng lượng của tia X phát ra đối với mỗi nguyên tố
tuân theo một mối liên hệ toán học đơn giản. Năng lượng đó phụ thuộc vào số nguyên tử
của nguyên tố đó, và số nguyên tử tương ứng với số điện tích dương trong hạt nhân. Cho
nên trật tự đúng của bảng tuần hoàn hóa học là sắp theo số proton tăng dần trong hạt nhân
nguyên tử. Trong một nguyên tử trung hòa, số lượng proton bằng số electron. Các electron
là nguyên nhân gây ra các phản ứng hóa học. Các nguyên tố thuộc cùng một cột của bảng