Lời mở đầu - Web viewỞ trạng thái ổn định chúng tạo thành nhiều lớp ... tính cách mạng trong ... tiên với hai sinh viên mà ông hướng dẫn,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Khoa vật lý

Đề tài

GVHD: Lê Ngọc Vân

SVTH: Hoàng Phước Muội

Thái Nguyễn Hạ Nguyên

Võ Xuân Đào

Võ Phước Chiến

Lương Sơn Đỉnh

Đỗ Thị Hồng

Nguyễn Thị Kim Dung

TP. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 9 năm 2013

SỰ KẾ THỪA

VÀ PHÁT TRIỂN CỦA MẪU

NGUYÊN TỬ

Sự Kế Thừa Và Phát Triển Của Mẫu Nguyên Tử

M c l cụ ụ

Lời mở đầu...................................................................................................................................................3

A) Tổng quan.......................................................................................................................................4

I) Thuyết nguyên tử là gì?..................................................................................................................4

II) Vì sao có thuyết nguyên tử?.......................................................................................................4

III) Thuyết nguyên tử phát triển ra sao?.........................................................................................4

1) Thời kì cổ đại..............................................................................................................................4

2) Thời kì trung đại.........................................................................................................................5

3) Thời kì hiện đại...........................................................................................................................6

B) Các thuyết về nguyên tử...............................................................................................................11

I) Các thuyết nguyên tử sơ khai......................................................................................................11

1) Thuyết nguyên tử luận của Democriet....................................................................................11

2) Thuyết bốn nguyên tố của Aristote.........................................................................................11

II) Lý thuyết nguyên tử mới..........................................................................................................12

1) Lý thuyết nguyên tử của Dalton..............................................................................................12

2) Mẫu nguyên tử của Thomson..................................................................................................13

3) Mẫu nguyên tử Rutherford......................................................................................................14

4) Mẫu nguyên tử bán cổ điển Bohr...........................................................................................16

5) Mẫu nguyên tử Bohr-Sommerfeld...........................................................................................18

6) Mẫu nguyên tử hiện đại...........................................................................................................19

C) Quy luật phát triển của lý thuyết nguyên tử...............................................................................24

D) Tiểu sử các nhà khoa học đóng góp cho lý thuyết nguyên tử....................................................25

Tài liệu tham khảo......................................................................................................................................28

Nhóm I Trang 2


Lời mở đầuTrí tuệ con người là sự ưu ái mà thiên nhiên ban tặng cho chúng ta, nhờ có trí tuệ và

tư duy mà con người đã xây dựng được một nền văn minh nhân loại rực rỡ ở trình độ cao. Chúng ta đang sống trong thế giới hiện đại, kiến thức chúng ta được thừa hưởng từ những con người vĩ đại như Newton, Albert Einstein,…đó là những người khổng lồ. Những kiến thức ấy không phải có sẵn trong tự nhiên mà chúng ta chỉ cần quan sát là thu nhận được, đó là quá trình tư duy, đấu tranh chống lại những sai lầm liên tục trong suốt lịch sử nhân loại. Cái cũ không đúng bị xóa bỏ, cái mới lên thay, đó là quy luật phát triển của vật lý học. Trong kho kiến thức khổng lồ của xã hội loài người, lý thuyết về nguyên tử chỉ là một phần nhỏ nhưng nó có sức ảnh hưởng lớn cũng như phản ánh rõ sự phát triển của vật lý học.

Lý thuyết nguyên tử xuất hiện từ thời cổ đại thay đổi xuyên suốt cho đến ngày nay, sự hiểu biết về cấu trúc nguyên tử giúp con người ngày càng hiểu biết về tự nhiên hơn. Sự phát triển của nó còn rất nhiều điểm đáng để chúng ta xem xét, từ đó đem lại những nhận thức mới cho chúng ta. Với lý do trên cùng với sự phân công của giảng viên, chúng tôi đã nhận đề tài này. Nhằm mục đích cung cấp thêm một phần nào kiến thức về quá trình phát triển của thuyết nguyên tử cho các bạn.

Đề tài của chúng tôi gồm 3 phần chính:

Phần 1: tổng quan về sự phát triển của thuyết nguyên tử.Phần 2: các mẫu nguyên tử.Phần 3: các quy luật phát triển của lý thuyết nguyên tử.Sau đề tài, chúng ta có thể trả lời được các câu hỏi lớn sau: Vật chất cấu tạo như thế nào? Thuyết nguyên tử là gì? Nó phát triển ra sao? Những nhân tố nào ảnh hưởng đến sự phát triển đó?...và nhiều câu hỏi khác nữa.

Tuy chúng tôi đã cố gắng để có thể đem đến những kiến thức cô đọng nhất, nhưng những sai xót trong quá trình tiến hành đề tài là không thể tránh khỏi. Vì thế, chúng tôi hi vọng sự phản hồi và đóp góp ý kiến của mọi người.Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện

Nhóm I Trang 3


A) Tổng quan

Vật lý học là khoa học nghiên cứu về “vật chất” và “sự tương tác”, nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiên, từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) cho đến thang vĩ mô (các hành tinh, thiên hà và vũ trũ). Vật lý học được hình thành từ thời kì cổ đại, cho đến nay vật lý học phát triển không ngừng. Những thành tựu của vật lý học hôm nay được xây dựng trên những nền tảng kiến thức vật lý cũ, hay nó xóa bỏ những kiến thức cũ không chính xác. Hay nói cách khác, quá trình phát triển của vật lý học mang tính kế thừa, nó phát triển liên tục về phía trước. Một trong những thuyết xuất hiện sớm và mang rõ tính kế thừa và phát triển của vật lý học là thuyết nguyên tử.

I) Thuyết nguyên tử là gì?

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.

II) Vì sao có thuyết nguyên tử?

Từ khi con người nhận thức về thế giới xung quanh, con người thấy rằng vật chất tồn tại xung quanh có những tính chất khác nhau như: vật rắn có nhiều hình dạng khác nhau có độ cứng mềm khác nhau, nước không có hình dạng xác định, đá cứng hơn cây,… Dựa trên những tính chất quan sát đó mà con người đã phát minh công cụ lao động, nhờ đó xã hội loài người phát triển lên giai đoạn mới. Khi xã hội loài người phát triển lên mức độ cao hơn, con người có nhu cầu cần hiểu biết nhiều hơn về tự nhiên để phục vụ cho con người, dẫn họ đến việc tìm hiểu và giải thích tự nhiên. Câu hỏi đầu tiên mà con người cần giải thích là: “ vật chất được cấu tạo như thế nào?”. Các nhà thông thái đã cố gắng tìm đáp án cho câu hỏi trên và thuyết nguyên tử ra đời.

III)Thuyết nguyên tử phát triển ra sao?1) Thời kì cổ đại

Câu chuyện về những phân tử cực nhỏ, không hủy diệt được và là nền tảng của tất cả vật chất, đã được bắt đầu 25 thế kỷ trước và đã được các nhà triết học Cổ Hy Lạp đề cập tới. Bắt đầu vào khoảng năm 600 TCN, nhiều nhà triết học Hi Lạp đã nỗ lực tìm hiểu bản chất của vật chất. Những quan điểm và lập luận chính của họ gồm:

Héraclite (Thế kỷ VI TCN) cho rằng bản chất của thế giới là lửa. Ông tin rằng vật chất cấu tạo hoàn toàn từ lửa ở dạng biến đổi không ngừng.

Anaximène người cùng thời với Héraclite, cho rằng bản chất của thế giới là không khí.

Nhóm I Trang 4


Thalès (640 - 546 TCN) được mệnh danh là một trong bảy "người hiền" thời Hy Lạp Cổ đại chủ trương rằng bản chất của thế giới là nước. Ông lập luận nước đông lại thì thành chất rắn, nước bốc hơi thì thành chất khí, tóm lại tất cả đều có căn nguyên từ nước. Ông còn nói: "Vũ trụ được nâng đỡ bởi nước, quả đất được mang bởi nước, ngọn lửa của Mặt Trời và các sao được nuôi dưỡng bởi hơi bốc lên của nước ".

Empedoc (khoảng 490 – 430 TCN) nêu lên giả thuyết rằng vũ trụ được cấu tạo từ 4 nguyên tố vật chất: lửa, không khí, nước và đất.

Anaxagoras suy nghĩ về vạn vật và đi đến kết luận rằng nếu lấy một vật rồi chia làm hai, phân nửa lấy được lại chia làm hai và cứ tiếp tục việc chia đôi đó, người ta sẽ không bao giờ đi tới cùng được, nghĩa là còn có thể tiếp tục công việc chia đôi cho tới ngày tận thế. Như vậy Anaxagoras đã quan niệm vật chất được cấu tạo nên không phải do những thành phần rất nhỏ xác định khiến cho việc phân đôi không bao giờ ngừng.

Nhà triết học Democritus 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”.

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.

Ở thời kỳ Hy Lạp hóa cuối thế kỷ thứ IX TCN, nguyên tử luận của Democrite sau một thời kỳ bị lãng quên đã được phát triển và bổ sung thêm bởi Epicure và Lucrece. Mặc dù bị chống đối nhưng với nội dung tiến bộ của nó, thuyết nguyên tử sơ khai của Democrite đã trở thành cơ sở của khoa học hiện đại và tiếp tục được một số nhà khoa học ở giai đoạn sau phát triển thêm.

Kết luận: Thời kì này xuất hiện nhiều thuyết về cấu tạo của vật chất, chúng chỉ là những lập luận từ quan sát và suy luận, không được kiểm chứng. Tư tưởng con người còn xoay quanh các hiện tượng phải quan sát được, tương tưởng đột phá bị gạt bỏ, sức ảnh hưởng của các nhà hiền triết danh tiếng quá lớn. Sự đúng đắn về thuyết nguyên tử đã xuất hiện, nhưng bị bác bỏ, chấp nhận quan điểm sai lầm của Aristotle.

2) Thời kì trung đại

Giáo điều của Aristotle đã ngự trị cho tới thời Phục Hưng. Mọi quan điểm khác với Aristotle đều bị gặt bỏ. Giáo hội đóng vai trò bảo vệ, duy trì cho quan điểm Aristotle, tiêu hủy các quan điểm khác. Suốt trong giai đoạn này, thuyết nguyên tử không có sự thay đổi đáng kể nào so với thời kì trước.

Nhóm I Trang 5


3) Thời kì hiện đại(a) Thế kỉ XV đến XVII

Francis Bacon tố cáo Aristotle là đã pha thêm màu sắc và làm sai lệch triết học tự nhiên bằng những thành kiến của mình. Ông tán thành ý tưởng của Democritus về tính chất của sự vật.

Thuyết nguyên tử của Democrite sau một thời gian dài bị lãng quên đã được nhắc trở lại trong các tác phẩm của nhà triết học, nhà toán học, vật lý học và thiên văn học người Pháp Paerre Gasendi (1592-1655).

Robert Boyle đã khám phá ra rằng thể tích của một chất khí phụ thuộc vào áp suất của chất khí đó. Để giải thích sự nén được và bành trướng được của các chất khí, Boyle đã cho rằng chất khí được cấu tạo do các hạt rất nhỏ nằm giữa các khoảng trống và các hạt này phải ở trong trạng thái luôn luôn dao động.

Năm 1679, Isaac Newton nhà khoa học có ảnh hưởng rất lớn ủng hộ lý thuyết của Boyle. Ông xem thành phần cấu tạo mọi vật chất là những hạt nhỏ, cứng chắc và là một vật thể không hủy. Các hạt luôn có khối lượng và hình dạng không thay đổi. Do đó vật chất luôn được bảo toàn. Newton gắn thêm một lực tác động giữa các hạt với nhau. Lực này phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách giữa chúng. Đó là trọng lực hay lực hút lẫn nhau của các khối lượng và gắn chặt với vật thể.

Như vậy vào cuối thế kỷ 17, lý thuyết của Democrite đã được làm sống lại hoàn toàn bởi ba nhà khoa học người Anh: Bacon, Boyle và Newton.

(b) Thế kỉ XVIII

Sự kéo dài lý thuyết Aristotle

Tới đầu thế kỷ 18, nhiều nhà khoa học còn “tiếc rẻ” lý thuyết của Aristotle và do đó, nhiều điều bổ túc đã được phát minh để cứu vãn lý lẽ về các thành phần của Aristotle.

Năm 1729, Georg Ernst Stahl phát minh ra một thứ “vô vật chất” mới gọi tên là “phlogiston” để giải thích sự cháy và oxít hóa. Stahl đã cho phlogiston các đặc tính sau đây: không màu, không mùi, không vị và không trọng lượng. Theo Stahl, phlogiston là căn nguyên của sự cháy, có thứ vật chất chứa phlogiston, có thứ không. Khi một vật cháy, phlogiston bốc ra từ nơi “có” sang nơi “không có” và vật nào có nhiều phlogiston sẽ cháy bừng bừng trong không khí, trong khi không khí là nơi không có chút phlogiston nào. Lý thuyết về phlogiston của Stahl đã là giải pháp cuối cùng để cứu vãn tư tưởng chìm dần dần của Aristotle. Nếu trước kia, giáo điều Aristotle đã làm lý thuyết nguyên tử bị bỏ quên 2000 năm thì ngày nay, phlogiston cũng làm sai lệch sự diễn tả về vật chất của nhiều nhà khoa học.

Năm 1774, Joseph Priestley đã dùng một thấu kính 30 cm để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một thứ đất đỏ (oxít thủy ngân) và đã thấy rằng nhiệt lượng đã làm bay ra một thứ khí và để lại một kim loại lỏng: thủy ngân. Priestley đã hứng lấy thứ khí này để nghiên cứu đặc tính và thấy rằng bên trong khí này, một cây nến cháy sáng hơn và mạnh hơn là trong không khí. Ông gọi thứ khí bay ra đó là “không khí thiếu phlogiston”.

Nhóm I Trang 6


Năm 1776, Cavendish đã khám phá ra khí “Hydrogen” và khi pha trộn khí này với “không khí thiếu phlogiston” của Priestley rồi bật một tia lửa điện, Cavendish đã lấy được nước. Nhưng Cavendish đã cắt nghĩa hiện tượng đó sai nhầm hẳn, bằng cách cho rằng Hydrogen là “nước dư phlogiston” trong khi Oxygen là “nước thiếu phlogiston”.

Phát hiện mới của Lavoisier

Antoine Laurent Lavoisier đã thực hiện lại thí nghiệm của Priestley bằng cách đun thủy ngân trong một bình kín và đã thấy rằng trọng lượng tăng thêm của thủy ngân bằng trọng lượng mất đi của không khí và khi đun thêm oxít thủy ngân, ông lại được thứ khí có trọng lượng bằng với trọng lượng không khí đã mất ban đầu. Lavoisier thấy rằng vật chất không được tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp với nhau để tạo nên các chất mới. Điều này đã đưa Lavoisier đến sự phân biệt giữa hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giản hơn.

(c) Thế kỉ XIX

Lý thuyết của Dalton

Năm 1808, John Dalton cho xuất bản cuốn sách “Lý thuyết nguyên tử”. Dalton đã xác định rằng tất cả vật chất đều do nguyên tử tạo thành và không thể phân chia nguyên tử ra thứ nhỏ hơn được. Lý thuyết này được thế giới khoa học chấp nhận ngay.

Một năm sau ngày Dalton phổ biến lý thuyết nguyên tử, Gay-Lussac đề cập đến lý thuyết về thể tích của các khí tác dụng. Cả hai lý thuyết của Dalton và Gay-Lussac đã được Amedeo Avogadro sử dụng cùng với lý thuyết nguyên tử của chính ông để tính ra số phân tử và thể tích của các chất khí.

Các phát hiện mới

Năm 1818, Joans Jakob Berzelius đã phổ biến một bảng gồm hơn 2000 đơn chất và hợp chất, và đã kiểm soát lại một cách thực nghiệm các định luật của Dalton.

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.

Năm 1895, Roentgen đã khám phá thấy tia X. Ngoài ra còn có các thí nghiệm khác của: Michael Faraday đã tiến hành nhiều nghiên cứu mô tả đặc trưng dòng điện, James Clerk Maxwell mô tả đặc trưng ánh sáng.

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”.

Nhóm I Trang 7


Henri Becquerel tìm ra nguyên tố uranium tự sinh ra bức xạ, một tính chất gọi là sự phóng xạ. Phần lớn qua nghiên cứu của Pierre và Marie Curie, người ta tìm ra thêm nhiều chất phóng xạ khác.

Ernest 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.

Đây là những bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ tính đúng đắn của thuyết nguyên tử.

Lý thuyết nguyên tử của các nhà bác học ở thế kỷ XIX mới chỉ cho phép ta biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử. Câu hỏi tiếp theo cho các nhà khoa học là nguyên tử được cấu tạo như thế nào?

(d) Thế kỉ XX

Sự ra đời các lý thuyết mới

Thuyết lượng tử của Planck

Năm 1900, Max Planck nghiên cứu các quá trình ánh sáng và nhiệt, đặc biệt tìm hiểu bức xạ ánh sáng phát ra bởi một “vật đen”. Ông đưa ra lý thuyết mới gọi là thuyết lượng tử: “Những nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ hay bức xạ năng lượng thành từng phần riêng biệt, gián đoạn, mỗi phần mang một năng lượng hoàn toàn xác định có độ lớn”.

ε = hf

Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein

Chùm sáng là một chùm các photon, mỗi photon có năng lượng xác định ε = hf. Cường độ của chùm ánh sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong một giây. Phân tử, nguyên tử, electron... phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng hấp thụ hay phát xạ photon. Các photon chuyển động với vận tốc c = 3.108 m/s trong chân không.

Sự hình thành cơ học lượng tử

Sự phát triển của CHLT dựa trên tất cả các nghiên cứu của de Broglie, Schrödinger, Born, Jordan, và Dirac. Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ học, nghiên cứu về chuyển động và các đại lượng vật lý liên quan đến chuyển động như năng lượng và xung lượng, của các vật thể nhỏ bé, ở đó lưỡng tính sóng hạt được thể hiện rõ. Lưỡng tính sóng hạt được giả định là tính chất cơ bản của vật chất, chính vì thế cơ học lượng tử

Nhóm I Trang 8


được coi là cơ bản hơn cơ học Newton vì nó cho phép mô tả chính xác và đúng đắn rất nhiều các hiện tượng vật lý mà cơ học Newton không thể giải thích được.

Các phát hiên mới

Xác định điện tích electron

Năm 1909, nhà vật lý người Mỹ Robert Millikan (1868-1953) tìm ra điện tích của một điện tử bằng cách dùng thí nghiệm "giọt dầu" . Đây là lần đầu tiên các kết quả thực nghiệm cho thấy nguyên tử có thể bị phân chia và đó là cơ sở cho mô hình nguyên tử.

Ông sử dụng một máy phun hương thơm, Millikan đã phun các giọt dầu vào một hộp trong suốt. Đáy và đỉnh hộp làm bằng kim loại được nối với nguồn điện một chiều với một đầu là âm (-) và một đầu là dương (+).

Millikan quan sát từng giọt rơi một và cho áp dụng hiệu điện thế lớn giữa hai tấm kim loại rồi ghi chú lại tất cả những hiệu ứng. Ban đầu, giọt dầu không tích điện, nên nó rơi dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên sau đó, Millikan đã dùng một chùm tia Röntgen để ion hóa giọt dầu này, cấp cho nó một điện tích. Vì thế, giọt dầu này đã rơi nhanh hơn, vì ngoài trọng lực, nó còn chịu tác dụng của điện trường. Dựa vào khoảng thời gian chênh lệch khi hai giọt dầu rơi hết cùng một đoạn đường, Millikan đã tính ra điện tích của các hạt tích điện. Xem xét kết quả đo được, ông nhận thấy điện tích của các hạt luôn là số nguyên lần một điện tích nhỏ nhất, được cho là tương ứng với 1 electron, e = 1,63 × 10-19 coulomb.

Tìm ra proton

Năm 1913, nhà vật lý người Anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) thấy rằng mỗi nguyên tố có một điện tích dương duy nhất tại hạt nhân của nguyên tử. Do đó hạt nhân phải chứa một loại hạt mang điện tích dương được gọi là proton. Số proton trong hạt nhân được gọi là nguyên tử số. Proton được cấu thành từ 3 quark, proton là baryon. Proton được cấu tạo từ 3 hạt quark thuộc loại hạt Fermion gồm có 2 quark xuống và 1 quark lên với Spin là ½. Các hạt này liên kết với nhau bởi lực điện từ, lực hấp dẫn, tương tác mạnh, yếu.

Nhóm I Trang 9


Tìm ra hạt Nơtron

Năm 1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891-1974) phát hiện ra rằng chùm hạt đó được tạo thành từ các hạt có cùng khối lượng với proton. Do điện từ trường không làm lệch hướng chuyển động của hạt này nên nó là một hạt trung hòa về điện và ông gọi nó là neutron.

Các mô hình mẫu nguyên tử được hình thành

Năm 1902, Thomson đã đề xuất ra mô hình cấu tạo nguyên tử. Thomson tin rằng các electron phân tán trong nguyên tử giống như những miếng nho rắc trong bánh bông lan vậy.

Năm 1911, Mẫu nguyên tử Rutherford được xác định dựa trên sự tương tự giữa hệ thống nguyên tử và hệ thống Mặt Trời. Mẫu nguyên tử này được gọi là mẫu nguyên tử hành tinh.

Năm 1913, Bohr đã vận dụng thuyết lượng tử vào hệ thống nguyên tử và đề ra một mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bo.

Sự phát triển của cơ học lượng tử, giúp các nhà vật lý xây dựng một mô hình nguyên tử mới, gọi là mẫu nguyên tử hiện đại.

Các mẫu nguyên tử

Nhóm I Trang 10


B) Các thuyết về nguyên tửI) Các thuyết nguyên tử sơ khai

1) Thuyết nguyên tử luận của Democriet

Tư tưởng duy vật của phái Thales về một vật chất ban đầu không làm thỏa mãn được các nhà triết học Hy Lạp cổ đại. Vì vậy họ đã đi tìm những lý thuyết khác để giải thích cấu trúc của vũ trụ và những biến đổi trong tự nhiên. Trong số đó, Democrite là người đưa ra thuyết nguyên tử luận có tính thuyết phục nhất.

Nội dung của thuyết nguyên tử luận của Democrite: Không có cái gì phát sinh ra từ cái không có gì. Không có cái gì đang tồn tại lại

có thể bị hủy diệt. Mọi sự đều do các bộ phận hợp lại với nhau và tách khỏi nhau. Không có cái gì ngẫu nhiên xảy ra, cái gì xảy ra cũng có nguyên nhân và là tất

yếu. Chỉ nguyên tử và không gian trống rỗng là có thật, mọi cái khác điều do tưởng

tượng ra. Các nguyên tử nhiều vô hạn và có vô số hình dạng, rơi vĩnh viễn trong không

gian vô tận. Những hạt to rơi nhanh hơn, va đập vào những hạt nhỏ gây ra những chuyển động xiên và xoáy tạo thành các thế giới. Có vô số thế giới luôn luôn sinh ra hoặc mất đi.

Các nguyên tử hoàn toàn giống nhau về chất lượng, chúng tác động lên nhau bằng sức nén và va chạm. Các vật khác nhau vì được tạo thành bởi những nguyên tử có số lượng, độ lớn hình dạng và cách sắp xếp khác nhau.

Không có gì phi vật chất, tâm hồn và các thần linh cũng được tạo thành từ những nguyên tử tinh tế, nhẵn nhụi, tròn trịa linh hoạt nhất. Chúng chuyển động, xuyên thấu vào cơ thể, và tạo ra mọi hiện tượng của sự sống.

Trong học thuyết của Democrit, nguyên lý bảo toàn có vai trò rất quan trọng. Chân không là một khái niệm mới, chưa có trong các thuyết trước đó, và các nguyên tử tự mình chuyển động trong chân không, không cần một thần linh hay trí tuệ nào khác, tạo ra mọi hiện tượng trong thế giới. Theo nguyên tử luận, vật chất và chuyển động là cơ sở của tồn tại.

Tóm lại, theo Democrite thì vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và chân không. Như vậy, nguyên tử luận của Democrite nhằm giải quyết vấn đề vật chất cấu tạo như thế nào của khoa học.

2) Thuyết bốn nguyên tố của Aristote

Nhà triết học vĩ đại Aristote đã hoàn toàn phủ nhận nguyên tử luận. Vì theo ông, chân không là một cái gì không thể chấp nhận được mà nguyên tử luận của Democrite cần phải có chân không.

Nhóm I Trang 11


Aristote chủ trương rằng thế giới vật chất do bốn nguyên tố tạo thành: Đất, nước, không khí và lửa. Các nguyên tố đó có thể chuyển cái nọ thành cái kia. Bốn nguyên tố mang bốn tính chất nguyên thủy là khô, ẩm, nóng, lạnh phân bố như sau:

Đất thì khô và lạnh. Nước thì lạnh và ẩm. Không khí thì ẩm và nóng. Lửa thì nóng và khô.

Bốn tính chất nguyên thủy luôn luôn đấu tranh với nhau tạo ra sự chuyển hóa các nguyên tố và mọi sự biến đổi trong tự nhiên. Ta thấy rằng, thuyết bốn nguyên tố của Aristote về cơ bản rất giống thuyết Ngũ hành của Trung Quốc.

Thuyết bốn nguyên tố của Aristote giải thích được một số hiện tượng trong tự nhiên, có thể quan sát được. Trong khi đó nguyên tử luận của Democrite nói đến nguyên tử, cái mà con người không thấy vì vậy nó không được chấp nhận. Thuyết của Aristote tuy không đúng nhưng nó được chấp nhận, nó phản ánh trình độ nhận thức của con người thời kì này còn thấp và sự ảnh hưởng rất lớn của Aristote. Sự sai lầm của Aristote cộng với quyền uy của giáo hội đã làm cho lý thuyết nguyên tử bị lãng quên trong khoảng thời gian dài.

II) Lý thuyết nguyên tử mới1) Lý thuyết nguyên tử của Dalton

Vào năm 1808, John Dalton đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của ông để giải thích định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất trong các phản ứng hoá học. Lý thuyết của ông dựa trên năm giả thuyết:

Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử.

Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất.

Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi.

Giả thuyết thứ tư là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất.

Giả thuyết thứ năm là trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại.

Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này.

Nôị dung chính của lý thuyết: Mọi chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ, không thể phân chia

được gọi là nguyên tử.

Nhóm I Trang 12


Nguyên tử là những hòn bi nhỏ, giữa chúng có lực hút và lực đẩy.Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên

tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Khối lượng của các nguyên tử được so sánh với khối lượng nguyên tử Hiđro chọn làm khối lượng đơn vị (đó là khối lượng tương đối mà sau này chúng ta gọi là nguyên tử lượng).

Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhauKết luận: Chúng ta thấy cả Democrite và John Dalton đều cho rằng nguyên tử không có cấu trúc, tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì thế người ta thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử. Cùng với sự phát triển của khoa học, các giả thuyết của John Dalton được xem xét lại và người ta thấy rằng không phải nguyên tử là hạt không có cấu trúc mà ngay cả nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng có thể có tính chất khác nhau. Sự tìm thấy hạt điện tử electron sau này, cũng như các hiện tượng mới như phóng xạ làm các nhà khoa học phải xây dựng một lý thuyết mới.

2) Mẫu nguyên tử của Thomson(a) Cơ sở lý thuyết

Năm 1902, dựa trên cơ sở của sự khám phá ra electron và hiện tượng phóng xạ, Thomson đã đề xuất ra mô hình cấu tạo nguyên tử đầu tiên. Ông lập luận như sau: Nguyên tử trung hòa về điện tích mà trong đó có điện tử mang điện tích âm nên phải có phần mang điện tích dương để trung hòa vừa đủ điện tích âm của điện tử. Thomson hình tượng nguyên tử như một cái bánh pudding, trong đó điện tử là các hạt nho khô rải rác trong bánh, ruột bánh mang điện tích dương. Vì vậy, mẫu nguyên tử của Thomson còn gọi là mẫu “bánh mì nho khô”.

(b) Nội dung chính của mẫu nguyên tử Thomson

Nguyên tử gồm có những electron nằm trong môi trường tích điện tích dương, phân bố đều đặn trong một thể tích hình cầu. Các electron có thể đứng yên hay chuyển động. Ở trạng thái ổn định chúng tạo thành nhiều lớp đồng tâm, mỗi lớp chứa một số electron nhất định. Tổng điện tích của electron bằng điện tích dương của khối cầu. Nguyên tử trung hòa về điện tích.

(c) Kết luận

Nhóm I Trang 13


Mẫu nguyên tử Thomson là mẫu nguyên tử đầu tiên được đưa ra để mô tả cấu trúc nguyên tử. Nó được hình thành dựa trên cơ sở thuyết nguyên tử luận Democrite và thuyết nguyên tử Dalton. Nó giải thích thành công sự xuất hiện của điện tử mang điện tích âm là electron, tính chất trung hòa điện tích của nguyên tử. Thomson cũng thành công trong việc xác định bán kính của nguyên tử Hidrô vào khoảng 3x10 -8cm. Tuy nhiên nó không được giải thích được hiện tượng tán xạ của hạt alpha trên tấm vàng mỏng, hiện tượng quang phổ của hidrô hay những nguyên tử phức tạp khác. Những hạn chế của mẫu nhanh chóng khiến nó lui vào lịch sử là nhường chỗ cho một lý thuyết khác có tính thuyết phục hơn.

3) Mẫu nguyên tử Rutherford (a) Thí nghiệm Rutherford

Năm 1909, Rutherford và các học trò Hans Geiger, Ernest Marsden tiến hành thí nghiệm cho tán xạ hạt alpha lên tấm vàng dát mỏng. Ông thu được kết quả rằng hạt alpha tán xạ với nhiều góc khác nhau, hầu hết những hạt alpha xuyên qua lá vàng như chỗ trống không và chỉ một số rất ít bị lệch hướng hoặc dội ngược trở lại.

Thí nghiệm này xác nhận hai điểm:

Trong nguyên tử có rất nhiều khoảng trống, do đó khối lượng nguyên tử phải được hội tụ lại, tạo thành một khối rất nặng trong một kích thước rất nhỏ so với kích thước của nguyên tử được gọi là hạt nhân nguyên tử. Nếu nguyên tử là một hình cầu đường kính 10m thì hạt nhân nguyên tử chỉ bằng mũi kim. Bán kính nguyên tử gấp 10000 bán kính hạt nhân nguyên tử. Nếu xếp hạt nhân các nguyên tử lại với nhau, thì 1 cm3 hạt nhân có khối lượng 114 triệu tấn.

Vì hạt alpha mang điện tích dương nên khi hạt này bị lệch hướng hoặc bị dội ngược lại có nghĩ là hạt đó đến gần những khối mang điện tích dương khá lớn, thì hạt alpha mới bị đẩy ra theo định luật Coulomb.

Nhóm I Trang 14


(b) Nội dung chính của mẫu nguyên tử Rutherford

Dựa vào những nhận xét ấy, Rutherford cho rằng nguyên tử gồm một nhân mang điện tích dương rất nặng, có kích thước rất nhỏ (so với khối lượng và kích thước của cả nguyên tử) và những điện tử mang điện tích âm di chuyển trên những quĩ đạo tròn quanh nhân làm thành mặt ngoài của nguyên tử. Điện tích dương của nhân và điện tích âm của điện tử trung hòa nhau. Giữa nhân và các điện tử là khoảng trống rất lớn.

Mẫu nguyên tử Rutherford

(c) Thành tựu và hạn chế

Thành tựu

Mẫu nguyên tử Rutherford giải thích giúp ta phát hiện ra hạt nhân nguyên tử, giải thích thành công hiện tượng tán xạ và một số hiện tượng khác.

Hạn chế

Mẫu nguyên tử của Rutherford không thích hợp vì những nhận xét sau:

Theo điện động lực học cổ điển, thì khi một hạt tử mang điện tích âm di chuyển quanh một hạt tử mang điện tích dương cố định thì sẽ có sự phóng thích năng lượng dưới dạng bức xạ từ hạt tử đang di chuyển. Như vậy, điện tử sẽ mất dần năng lượng dưới dạng bức xạ. Nghĩa là khoảng cách r sẽ giảm vì năng lượng của điện tử giảm. Do đó sau một thời gian ngắn, điện tử sẽ rơi vào nhân của nó và như thế nguyên tử sẽ không tồn tại như mô hình đã đưa ra.

Nếu năng lượng của điện tử giảm một cách liên tục khi điện tử đi theo đường xoắn ốc về gần nhân sẽ đưa đến hậu quả là những bức xạ phóng thích ra sẽ có bước sóng hay tần số thay đổi một cách liên tục. Thực nghiệm cho thấy phổ phát xạ của nguyên tử hidrogen là phổ bất liên tục gồm một số vạch cách quảng mà số sóng được cho bởi công thức thực nghiệm Rydberg.

❑= 1❑=RH( 1

n2−1

m2 )

Nhóm I Trang 15


Nhìn lại hai mẫu nguyên tử Thomson và Rutherford, ta thấy có những mặt được và chưa được. Mẫu nguyên tử Thomson bắt các electron bơi trong các quả cầu nhiễm điện dương, còn mẫu Rutherford bắt các electron quay quanh hạt nhân đều không hợp lý. Như vậy chứng tỏ chúng ta không thể áp dụng những kiến thức của cơ học cổ điển cho thế giới nguyên tử. Muốn thoát khỏi những bế tắc này chỉ có cách từ nỏ lý thuyết cũ để đi tìm lý thuyết mới, vì thế thuyết về mẫu nguyễn tử mới được hình thành.

4) Mẫu nguyên tử bán cổ điển Bohr(a) Cơ sở lý thuyết

Năm 1913, N. Bohr đưa ra mô hình bán cổ điển về nguyên tử hay còn gọi là mô hình nguyên tử của Bohr. Nội dung của thuyết nguyên tử Bohr được xây dựng trên hai định đề và một điều kiện về lượng tử hóa mômen động lượng quỹ đạo. Những định đề này được đưa ra dựa trên cơ sở vận dụng khái niệm lượng tử năng lượng của Planck và khái niệm photon ánh sáng của Einstein kết hợp với những nội dung của lý thuyết Rutherford và tính quy luật của quang phổ nguyên tử hiđro. Bohr vẫn giữ nguyên mẫu nguyên tử như Rutherford, ông đưa ra hai định đề, tức là yêu cầu chấp nhận, không chứng minh.

(b) Nội dung của thuyết nguyên tử Bohr

Tiên đề thứ nhất về các quĩ đạo dừng (trạng thái dừng của nguyên tử): Electron trong nguyên tử chuyển động theo các quĩ đạo tròn có năng lượng hoàn toàn xác định gọi là các quĩ đạo dừng. Khi chuyển động trên các quĩ đạo dừng trong nguyên tử electron không bức xạ năng lượng điện từ.

Tiên đề thứ hai về cơ chế bức xạ: Electron có thể chuyển từ quĩ đạo dừng này sang quĩ đạo dừng khác. Chỉ trong trường hợp này nó mới hấp thụ hay phát ra 1 bức xạ điện từ đơn sắc có tần số hoàn toàn xác định và mang một năng lượng là hν:

hν = Em - En

Nhóm I Trang 16


Trong đó:

h:là hằng số Planck

Em, En: năng lượng của electron ở trên hai quỹ đạo m, n.

ν: tần số của bức xạ điện từ mà nguyên tử phát ra.

(c) Thành tựu và hạn chế

Thành tựu

Tiên đề 1 của Bohr để giải thích sự bền của mô hình nguyên tử này. Nghĩa là khi điện tử di chuyển trên các quĩ đạo ổn định (bền hay cho phép) này thì điện tử không bị mất năng lượng, nên điện tử không bị rơi vào nhân, như sự chống đối lúc bấy giờ đối với mẫu nguyên tử của Rutherford. Và từ định đề này có thể xác định được bán kính r các quĩ đạo tròn ổn định, trên đó điện tử di chuyển.

Tiên đề 2 của Bohr giải thích được quang phổ phát xạ bất liên tục của hidrogen được biết thời bấy giờ. Vì các quĩ đạo ổn định n, n’ có mức năng lượng không liên tục và ∆E không liên tục nên bức xạ phát ra có tần số ν hay bước sóng λ không liên tục.

Đặc biệt từ hai định đề này, Bohr chứng minh được công thức thực nghiệm của Rydberg đưa ra trước đó để tính toán bước sóng λ của quang phổ phát xạ nguyên tử hidrogen.

Lý thuyết của Bohr rất phù hợp với kết quả thực nghiệm về quang phổ của hidrô.Những vạch trong dãy Lyman của quang phổ hidrogen được sinh ra khi điện tử nhảy

từ các quĩ đạo n ≥2 về quĩ đạo n=1; Dãy Balmer do điện tử nhảy từ quĩ đạo n ≥3 về quĩ đạo n=2; Dãy Paschen sinh ra khi điện tử từ quĩ đạo n≥4 về quĩ đạo n=3; Dãy Brackett do điện tử từ quĩ đạo n ≥4 về quĩ đạo n=3; Dãy Pfund có được là do điện tử từ quĩ đạo n ≥5 nhảy về quĩ đạo n=4.

Nhóm I Trang 17


Hạn chế

Bênh cạnh những thành công nổi bật trên, lý thuyết của Bohr cũng bộc lộ nhiều hạn chế sau:

Lý thuyết Bohr chỉ áp dụng thành công cho nguyên tử Hidrô, các nguyên tử phức tạp khác vẫn chưa giải thích được.

Lý thuyết Bohr chứa đựng mâu thuẫn nội tại cho nên nội dung của nó chưa được hoàn thiện thể hiện ở chỗ vừa có sự kết hợp của lý thuyết cổ điển và lý thuyết lượng tử, đưa ra dưới dạng định đề mang tính áp đặt.

Lý thuyết Bohr chưa đề cập đến cường độ và bề rộng của các vạch phổ, đặc biệt là cấu trúc tinh tế của các vạch quang phổ không thể lỳ giải được.

Cho dù lý thuyết Bohr còn nghiều hạn chế, nhưng những gì mà lý thuyết Bohr đã làm được, có thể nói là việc làm mang tính cách mạng trong thuyết nguyên tử. Chuyển tiếp từ cổ điển sang hiện đại.

5) Mẫu nguyên tử Bohr-Sommerfeld

Khi dùng quang phổ kế có năng suất phân giải cao hơn, người ta thấy rằng nhiều vạch quang phổ của nguyên tử hidrogen, thí dụ các vạch của chuỗi Balmer, thật ra là một tập hợp nhiều vạch nhỏ. Cơ cấu thanh này chỉ có thể giải thích được nếu ứng với một quĩ đạo ổn định thứ n có nhiều mức năng lượng hơn.

Năm 1916, Sommerfeld bổ túc thuyết của Bohr, ông cho rằng điện tử di chuyển trên những quĩ đạo elip (ellipse) mà một trong hai tiêu điểm của elip là nhân nguyên tử. Quĩ đạo tròn của Bohr trở thành một trường hợp đặc biệt của quĩ đạo elip khi độ dài của trục chính (trục lớn) và trục phụ (trục nhỏ) bằng nhau.

Kết quả là: Năng lượng của electron vẫn được tính như trên, nhưng qui luật lượng tử hóa mômen quĩ đạo đã khác:

Với l = 0, 1, 2, 3,… gọi là lượng tử số mômen động lượng quỹ đạo.Tuy nhiên mẫu nguyên tử Bohr – Sommerfeld đã không giải thích được một cách

định lượng phổ phát xạ của những nguyên tử phức tạp hơn, có nhiều điện tử quanh nhân, cũng như không giải thích được một cách thỏa mãn sự tạo liên kết hóa học. Vì

Nhóm I Trang 18


vậy, mẫu nguyên tử được chấp nhận hiện tại và được dùng làm căn bản để giải thích đặc tính của hóa chất là mẫu nguyên tử theo cơ học lượng tử.

6) Mẫu nguyên tử hiện đại(a) Cơ sở lý thuyết

Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô

Vào thế kỷ 19, nhà khoa học người Hà lan Christiaan Huygens và một số nhà khoa học khác tập trung bàn về ánh sáng có tính chất sóng. Còn ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác.

Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon có năng lượng ε = hf ), và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Lenard.

Nhóm I Trang 19


Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau.

Năm 1924, De Broglie (1892-1987) nhà vật lý người Pháp do chú ý đến sự phát triển kỳ lạ trong lịch sử các quan niệm về bản chất của ánh sáng, từ Huyghen, Newton, Young, cho đến Einstien, từ hạt đến sóng, rồi lại từ sóng trở về hạt Cũng vào thời gian đó. De Broglie cho rằng tính hai mặt sóng - hạt không phải là tính chất riêng của photon, mà là đặc tính chung của tất cả các hạt vi mô, cụ thể là của electron trong tình hình vật lý lúc bấy giờ. Do đó ông cho rằng nếu sóng ánh sáng có tính chất hạt (tính lượng tử) thì hạt vật chất cũng phải có tính sóng. Vì thế khi một hạt chuyển động thì cũng có một quá trình sóng nào đó gắn vào. Sóng có tần số và bước sóng xác định bởi hệ thức sau:

E = h νVì sóng này không phải là sóng điện từ, vì vậy ông gọi sóng này là “sóng ảo” (tức sau

này gọi là sóng De Broglie). Khi đưa các giá trị xung lượng vectơ P và năng lượng E của hạt vào phương trình sóng, De Broglie tìm được hàm sóng ứng với hạt đã cho:

( r⃗ . t )=a . exp 2πih

( p⃗ r⃗−Et )

De Broglie cũng nêu lên rằng khi cho chùm electron đi qua một khe hẹp, ta có thể quan sát được sự nhiễu xạ của electron, tức là sự thể hiện tính chất sóng của electron.

Ba năm sau, quan niệm về bản chất sóng của electron đã được Đevixon và Giecmo chứng minh bằng thực nghiệm. Khi chiếu chùm electron qua bản tinh thể mỏng của kim loại, hai ông nhận thấy có hiện tượng nhiễu xạ electron giống như khi chiếu tia Rơnghen qua tinh thể.

Vậy electron cũng có bản chất sóng – hạt như photon. Tính chất hai mặt đó được thấy rõ hơn qua nguyên lý bất định do nhà vật lý người Đức là Heisenberg đề ra năm 1927.

Phương trình Schrodinger

Năm 1926, Schrodinger đã thành lập được phương trình chuyển động của hạt vi mô có năng lượng E chuyển động trong trường thế U. Schrodinger đã xuất phát từ phương

Nhóm I Trang 20


trình cơ bản của cơ học Newton và viết lại phương trình sóng đối với hàm sóng, sau này được gọi là phương trình Schrodinger.

d2φd x2 =

−8 π2 mh2 [ E−U ( x ) ] φ(x )

Nguyên lý bất định Heisenberg

Năm 1927, Heisenberg đã công bố một nguyên lý mới gọi là “Nguyên lý bất định”. Theo nguyên lý này, ta không thể xác định đồng thời toạ độ và xung lượng của các hạt vi mô cũng như năng lượng và thời gian sống của chúng.

Về mặt toán học, hạn chế đó được biểu hiện bằng bất đẳng thức: (∆ x ) .(∆ px)≥ h4 π

Điều này chứng tỏ các hạt vi mô khác với các vật vĩ mô thông thường. Các hạt vi mô vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt, đó là một thực tế khách quan đặc trưng của hạt vi mô. Mỗi hạt vi mô vừa mang tính sóng, vừa mang tính hạt. Hai tính chất này mâu thuẫn nhau, nhưng dựa vào nhau mà tồn tại song song trong cùng một hạt. Việc không đo được chính xác đồng thời cả tọa độ và xung lượng của hạt là do bản chất của sự việc chứ không phải do trí tuệ của con người bị hạn chế.

Năm 1928, Dirac (1902-1984) nhà bác học người Anh, nêu lên nhận xét về một số thiếu xót trong phương trình Schrodinger, cụ thể là nó phù hợp với lý thuyết tương đối. Ông đã xây dựng nên những phương trình cơ học lượng tử tương đối tính. Theo thuyết của Dirac, ngoài việc quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân, electron còn tự quay quanh trục của nó.

Như vậy, cơ học lượng tử đã cho ta một hình ảnh chính xác về cấu trúc của một nguyên tử. Nguyên tử là một hệ thống gồm có hạt nhân là trung tâm và các electron phân bố quanh hạt nhân theo các quy luật xác suất thống kê lượng tử, chứ chúng không chuyển động theo quỹ đạo nào cả. Về mặt hình thức có thể hình dung electron bao quanh hạt nhân như một “đám mây xác suất” – nơi nào sự có mặt của electron thường xuyên hơn thì nơi đó xác suất tìm thấy electron lớn hơn các nơi khác. Nơi nào không có electron thì xác suất tìm thấy nó phải bằng không.

(b) Mẫu nguyên tử hiện đại

Với sự ra đời của vật lý hiện đại, quan niệm cơ học hoàn toàn sụp đổ cùng với bức tranh vât lý cổ điển và 1 bức tranh vật lý mới ra đời: Bức tranh tương đối – lượng tử, lấy theo tên gọi của 2 lý thuyết quan trọng nhất đầu thế kỉ XX là thuyết tương đối và thuyết lượng tử.

Người ta vạch ra được các yếu tố cơ bản cấu tạo nên vũ trụ, từ những hạt nhỏ nhất và các lực liên kết chúng lại, tóm tắt trong “mô hình chuẩn” gồm có:

12 hạt cơ bản, với nghĩa là với trình độ khoa học ngày nay người ta chưa tìm thấy cấu trúc bên trong của các hạt này, là 6 hạt họ Lepton và 6 hạt Quack.

Nhóm I Trang 21


4 trường tương tác là trường hấp dẫn, trường điện từ, trường tương tác yếu và trường tương tác mạnh.

Một trong những bước đột phá về thành tựu của Vật lý hiện đại là sự phá vỡ quan niệm về cấu trúc nguyên tử của thuyết cổ điển và bán cổ điển để hình thành nên thuyết hiện đại hay thuyết lượng tử.

Nội dung

Mô hình nguyên tử được chấp nhận ngày nay như sau: Nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tử và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh nó.

Điện tử hầu như di chuyển trong vùng không gian giới hạn quanh nhân trên. Vùng không gian giới hạn bao quanh nhân này cũng như hàm số xác suất ψ hiện diện điện tử được gọi là orbital nguyên tử (atomic orbital, obitan nguyên tử, vân đạo nguyên tử).

Orbital nguyên tử

Về phương diện toán học được biểu diễn bằng một hàm số xác suất ψ.

Về phương diện hình ảnh được biểu diễn bằng một vùng không gian bao quanh nhân nguyên tử, trong đó xác suất tìm thấy điện tử khoảng 90%.

Nghiệm số ψ tìm được của phương trình Hψ = Eψ còn phụ thuộc vào 4 thông số

là các số nguyên, được gọi là số lượng tử hay số nguyên lượng tử: n, l, m, ms.

Ý nghĩa của các số lượng tử:

Nhóm I Trang 22


Số lượng tử chính n: n là các số nguyên dương khác 0. n = 1, 2, 3, 4, 5,..Số lượng tử chính xác định mức năng lượng và kích thước của orbital. Số lượng tử chính n càng lớn, năng lượng orbital càng cao, kích thước orbital càng lớn. Số lượng tử chính xác định số lớp điện tử.

Số lượng tử chính n 1 2 3 4 5 6 7...Tên lớp điện tử K L M N O P Q...

Số lượng tử phụ l: số lượng tử phụ phụ thuộc vào số lượng tử chính n. Ứng với số lượng tử chính n, số lượng tử phụ l có trị số: 0, 1, 2,...(n-1). Nghĩa là ứng với số lượng chính n thì có n trị số số lượng tử phụ l, biến thiên từ 0,1, 2,... đến (n-1). Số lượng tử phụ l xác định dạng của hàm số sóng ψ và cho biết ứng với lớp điện tử thứ n ta có n phân lớp có l biến thiên từ 0...đến (n-1).

Số lượng tử phụ l

0 1 2 3 4 5 67...Tên phân lớp s p d f g h ij....Số lượng tử từ m: số lượng tử từ m phụ thuộc vào số lượng tử phụ l. Ứng với số

lượng tử phụ l, ta có các trị số của số lượng tử từ m là: –l ; -(l-1); -(l-2);...;0; +1;...+(l-1); +l. Như vậy ứng với số lượng tử phụ l ta có (2l+1) trị số của m. Số lượng từ m cho biết hướng của orbital, nó cũng cho biết có (2l+1) orbital trong một phân lớp. Tổng quát có bao nhiêu trị số của m là có bấy nhiêu orbital.

Số lượng tử spin ms: Trong nghiệm ψ của phương trình Schrodinger không có số lượng tử này. Để giải thích sự phức tạp của phổ phát xạ nguyên tử dưới tác dụng của từ trường, Ulenbeck và Goudsmit còn phát biểu định đề cho rằng điện tử còn tự quay quanh nó (spin) và gây ra một momen góc spin. Monen góc cũng được lượng tử hóa và

chỉ có trị số 12( h2 π

). Momen góc spin có thể cùng chiều hay ngược chiều với từ trường

định hướng bên ngoài, do đó số lượng tử spin ms có hai trị số là +12

và−12 .

Như vậy để xác định một orbital ta cần phải xác định bộ ba số lượng tử (n, l, m), một ba số lượng tử thích hợp này xác định một orbital. Còn để xác định một điện tử ta cần biết bộ bốn số lượng tử (n, l, m, ms).

Sau đây là dạng của một số orbital nguyên tử:

Nơi nào múi nở rộng thì nơi xác suất hiện diện tử cao. Thí dụ: các orbital s hình cầu, tâm là nhân nguyên tử, thì đi theo bất cứ hướng nào xác suất gặp điện tử là như nhau. Còn orbital 2px: thì dọc theo trục x hiện diện điện tử nhiều nhất, đi theo trục y, trục z thì sẽ không gặp điện tử của orbital này. Với orbital 3dxy thì dọc theo đường phân giác của trục x với trục y xác suất hiện diện tử nhiều nhất, nếu đi dọc theo trục x, trục y sẽ không gặp điện tử trong orbital này hoặc nếu đi theo các hướng khác cũng không gặp điện tử tối đa.

Nhóm I Trang 23


C) Quy luật phát triển của lý thuyết nguyên tửI) Sự phát triển của lý thuyết nguyên tử do nhu cầu của con người

Con người hơn loài vật ở điểm con người biết tư duy loài vật thì không, chính khả năng tư duy ấy khiến con người luôn muốn tìm hiểu tự nhiên. “Vật chất có cấu tạo như thế nào?”. Câu hỏi này xuất hiện từ rất sớm, khi còn người nhận biết thế giới xung quanh. Chính những hiểu biết về cấu tạo vật chất giúp con người giải thích các hiện tượng trong tự nhiên, đem những hiểu biết đó ứng dụng vào lao động, từng bước đem xã hội loại người phát triển lên mức độ cao hơn. Xã hội phát triển càng cao, nhu cầu hiểu biết thêm về vật chất càng lớn, các lý thuyết được xây dựng ở mức độ cao hơn để thõa mãn những nhu cầu đó.

II) Sự phát triển của lý thuyết nguyên tử là một quá trình luân phiên giữa thời kỳ tĩnh và thời kỳ biến đổi cách mạng

Thuyết nguyên tử luận của Decmorite bị thuyết bốn nguyên tố của Aristotle nhấn chìm trong suốt gần 2500 năm. Nó kéo dài đến tận thế kỉ thứ XVII mới được các nhà vật lý học thực nghiệm khôi phục lại. Sau đó trong suốt thế kỷ XVII đến XIX thuyết nguyên tử chỉ dừng lại ở hình thức sơ khai “là cái nhỏ nhất không phân chưa được” chưa có hình thức rõ ràng. Mãi sang thế kỉ thứ XX, khi con người tìm thấy các hạt electron, thì mới có mẫu nguyên tử đầu tiên được đưa ra. Kế tiếp đó, các mẫu nguyên tử khác cũng được đưa ra và ngày càng chính xác hơn.

III) Sự phát triển của lý thuyết nguyên tử mang tính kế thừa, nó là sự phát triển liên tục về phía trước.

Bắt đầu từ những thuyết sơ khai như nguyên tử luận của Democrite và lý thuyết nguyên tử của Dalton, các nhà vật lý đã xây dựng khái niệm nguyên tử và đưa ra các mô hình cho nó. Theo dòng lịch sử các mô hình ngày càng tiến bộ, chúng bổ xung hay gạt bỏ những sai lần của các mô hình cũ để lại. Mẫu nguyên tử Thomson không chính xác, chỉ mang tính lịch sử đã bị mẫu nguyên tử Rutherfor gạt bỏ. Nhưng mẫu nguyên tử

Nhóm I Trang 24


Rutherfor không giải thích nhiều tính chất của nguyên tử như tính bền vững của nguyên tử, quang phổ vạch,…Đến mẫu Bohr, nó vẫn giữ nguyên mô hình của Rutherfor mà chỉ bổ xung thêm các tiên đề để có thể giải thích tốt hơn. Nhưng nó cũng tồn tại nhiều vấn đề nhưng lý thuyết xây dựng không hoàn chỉnh kết hợp cổ điển và hiện đại,…và mẫu nguyên tử hiện đại ra đời, nó xây dựng trên cơ sở cơ lượng tử khác với các mô hình ban đầu.

Thuyết nguyên tử không phát triển độc lập và chúng liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khác. Chúng thừa kế những thành tựu của những lĩnh vực khác để phát triển bản thân mình. Dalton nhờ các thí nghiệm của các nhà hóa học để đưa ra lý thuyết nguyên tử, mẫu nguyên tử hiện đại hình thành trên nền móng cơ lượng tử.

Theo dòng lịch sử, thuyết nguyên tử phát triển không ngừng. Từ cái sơ khai đến cái hiện đại, cái mới bổ sung hay gạt bỏ cái cũ, chúng phát triển liên tục về phía trước và đạt mức độ cao nhất.

IV) Sự phát triển của lý thuyết nguyên tử sử dụng các phương pháp tương tự, mô hình.

Rutherfor sử dụng sự tương tự của hạt nhân như mặt trời, hạt điện tử như các hành tinh để đưa ra mẫu nguyên tử Rutherfor. Các mẫu nguyên tử được đưa ra đều dưới dạng mô hình khác nhau.

D) Tiểu sử các nhà khoa học đóng góp cho lý thuyết nguyên tử

Democrite

Democrite là một triết gia người Hy Lạp sống trước thời kỳ Socrates. Ông sinh ra vào khoảng 460 TCN ở thành phố Abdera, một địa điểm trên bờ biển thuộc xứ Thrace. Democritus là học trò của Leucippus và cùng với Leucippus tạo ra thuyết nguyên tử thô sơ. Theo thuyết nguyên tử của ông, mọi vật chất được tạo thành từ các dạng khác nhau của các phần tử không chia nhỏ được, không nhìn thấy được, cái mà ông gọi là atom. Đó là ý tưởng độc nhất vô nhị của Democrite, chính vì thế mà từ khi Democrite đưa ra khái niệm đó cho đến tận sau này khi khoa học đã phát triển người ta mới có những bằng chứng cụ thể về sự tồn tại của nguyên tử và tiếp tục phát triển lý thuyết về nguyên tử.

Aristotle

Aristotle là một nhà triết học và bác học thời Hy Lạp cổ đại, học trò của Platon và thầy dạy của Alexandros Đại đế. Di bút của ông bao gồm nhiều lãnh vực như vật lý học, siêu hình học, thi văn, kịch nghệ, âm nhạc, luận lý học, tu từ học, ngôn ngữ học, chính trị học, đạo đức học, sinh học, và động vật học. Ông được xem là người đặt

Nhóm I Trang 25


nền móng cho môn luận lý học. Ông cũng thiết lập một phương cách tiếp cận với triết học bắt đầu bằng quan sát và trải nghiệm trước khi đi tới tư duy trừu tượng. Cùng với Platon và Socrates, Aristotle là một trong ba cột trụ của văn minh Hy Lạp cổ đại.

John Dalton

John Dalton (1766-1844) là một nhà hóa học, nhà vật lý người Anh. Ông sinh ra trong một gia đình dệt vải nghèo tại Eaglesfield, một vùng phía Tây Bắc nước Anh. Thời niên thiếu, để có đủ điều kiện tiếp tục theo học và đeo đuổi lòng đam mê khoa học của mình, John Dalton phải trốn nhà để đi trợ giảng ở một trường trung học tại Kendan. Vài năm sau, khi Dalton 19 tuổi, ông đã được cử giữ chức hiệu trưởng trường trung học này. Về sau, ông trở nên nổi tiếng vì những đóng góp, lý giải của ông trong thuyết nguyên tử và các nghiên cứu của ông về bệnh mù màu. Lý thuyết

về nguyên tử của Dalton là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này.

Trong năm 1790, Dalton đã định chọn ngành luật hay y khoa, nhưng dự định của ông không được khuyến khích của những người thân, nên ông vẫn ở lại Kendal đến tận mùa xuân năm1793 ông mới di chuyển đến Manchester. Dalton được bổ nhiệm làm một giáo viên dạy toán và khoa học tự nhiên ở Học viện Manchester. Ông ở vị trí này đến tận trường này được di chuyển đến York vào năm 1803, khi đó ông trở thành một giáo viên dạy toán và dạy hóa, vừa dạy công và dạy tư.

J.J. Thomson

J.J. Thomson sinh 1856 tại đồi Cheetham, Manchester, Anh trong một gia đình gốc Scotland. Năm 1870, ông học kỹ sư tại trường Đại học, sau đó Thomson chuyển tới học ở trường Cao đẳng Trinity, Cambridge năm 1876. Năm 1880 ông giành được bằng cử nhân toán và tới năm 1883 thì giành được bằng thạc sĩ. Năm 1884, Thomson trở thành giáo sư vật lý tại đại học Cambridge. Một trong những học trò nổi tiếng của ông là Ernest Rutherford.. Một trong những thành tựu lớn nhất của Thomson cho khoa học hiện đại chính là tài năng giảng dạy thiên tài của ông, bảy người trợ lý nghiên cứu của ông

cũng như con trai ông đều giành được giải Nobel vật lý.

Nhóm I Trang 26


Ernest Rutherford

Ernest Rutherford (1871 - 1937) là một nhà vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phóng xạ và cấu tạo nguyên tử. Ông được coi là "cha đẻ" của vật lý hạt nhân; sau khi đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử để giải thích thí nghiệm trên lá vàng. Ông khám phá ra rằng nguyên tử có điện tích dương tập trung trong hạt nhân rất bé và từ đó đi đầu cho việc phát triển mẫu Rutherford, còn gọi là mẫu hành tinh của nguyên tử. Nhờ phát hiện của mình và làm sáng tỏ hiện tượng tán xạ Rutherford trong thí nghiệm với lá vàng mà ông được giải Nobel hóa học vào năm 1908. Ông được mọi người công nhận trong việc phân chia nguyên tử vào năm 1917

và đứng đầu thí nghiệm "tách hạt nhân" đầu tiên với hai sinh viên mà ông hướng dẫn, John Cockcroft và Ernest Walton vào năm 1932.

Niels Bohr

Niels (Henrik David) Bohr (1885 –1962) là một nhà vật lý học người Đan Mạch. Ông đã nhận giải Nobel vật lý năm 1922 vì những đóng góp quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử và trong cơ học lượng tử. Ông đã từng tham gia Dự án Manhattan. Bohr đã cưới Margrethe Nørlund năm 1912. Một trong các con trai của họ là Aage Niels Bohr đã trở thành một nhà vật lý nổi tiếng và cũng đã được nhận giải Nobel. Niels Bohr được xem như một trong những nhà vật lý nổi tiếng nhất thế kỷ 20.

Nhóm I Trang 27

http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:Niels_Bohr.jpg


Tài liệu tham khảo

1. Lịch sử vật lý- Nguyễn Thị Thếp – nhà xuất bản đại học sư phạm tp. Hồ Chí Minh

2. Vật lý nguyên tử và hạt nhân – Thái Khắc Định và Tạ Hưng Quý – nhà xuất bản đại học quốc gia tp. Hồ Chí Minh

3. Đề tài: Lịch sử hình thành cấu trúc nguyên tử-nhóm sinh viên4. Một số trang website: http://vi.wikipedia.org http://www2.kutl. k y ushu- u. ac .jp/s e min ar /Mi cr o W o r ld1 http://thuvienvatly.com/home/

Nhóm I Trang 28

http://www2.kutl.kyushu-/

Documents

Lời mở đầu - Web viewỞ trạng thái ổn định chúng tạo thành nhiều lớp ... tính cách mạng trong ... tiên với hai sinh viên mà ông hướng dẫn,