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 tuần hoàn có sự sắp xếp electron thuộc mức năng lượng cao nhất giống nhau, và đây là nguyên do phản ứng hóa học của chúng giống nhau.
Chỉ còn lại một trở ngại nữa. Electron có trọng lượng rất nhỏ, bằng 1/1836 trọng lượng của một proton. Nhưng các proton không lí giải nổi toàn bộ trọng lượng nguyên tử của một nguyên tử. Mãi đến năm 1932 thì James Chadwick mới phát hiện ra sự tồn tại của một hạt trong hạt nhân không mang điện tích nhưng có khối lượng hơi nhỉnh hơn proton một chút. Ông đặt tên cho hạt này là neutron. Neutron giải thích cho sự tồn tại của các đồng vị. Hai nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố sẽ có số proton và electron như nhau, nhưng chúng có thể có số neutron khác nhau, và vì thế nên trọng lượng nguyên tử khác nhau. Các đồng vị được đặt tên theo tên của nguyên tố và theo sau đó là số proton cộng với số neutron có trong hạt nhân. Tổng số proton và neutron được gọi là số khối. Thí dụ, uranium-235 có 235 proton và neutron. Chúng ta có thể nhìn vào bảng tuần hoàn hóa học để tìm số nguyên tử của uranium (92), số nguyên tử cho chúng ta biết proton. Sau đó, làm toán trừ, chúng ta biết đồng vị này có 143 neutron. Có một đồng vị khác của uranium, 238U, với 92 proton và 146 neutron. Một số kết hợp của proton và neutron thì kém bền hơn những kết hợp khác. Hãy hình dung bạn đang cố giữ 10 quả bóng bowling trong tay. Sẽ có một số sắp xếp bạn có thể làm chủ được như vậy. Nhưng giờ hãy thử giữ 11 hoặc 9 quả thôi. Có thể sẽ không còn một sắp xếp bền và bạn sẽ làm rơi các quả bóng. Điều tương tự xảy ra với các proton và neutron. Những sắp xếp không bền sẽ tự động phân rã, giải phóng các hạt, cho đến khi đạt tới một cấu trúc bền. Đây là cách thức những hạt phóng xạ như hạt alpha được sinh ra. Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron giải phóng ra từ một hạt nhân không bền.
Hydrogen có ba đồng vị: hydrogen, 2H (deuterium) và 3H (tritium).
Trọng lượng nguyên tử của những nguyên tố khác ban đầu được so sánh với hydrogen mà không nói rõ là đồng vị nào. Cũng thật khó có được đơn nguyên tử hydrogen vì nó thường phản ứng với những nguyên tử khác để tạo thành những phân tử như H2 hoặc H2O. Cho nên, người ta đã chọn một đồng vị của nguyên tố khác để so sánh. Trọng lượng nguyên tử ngày nay được xây dựng trên 12C (carbon-12). Đồng vị này có 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân của nó. Carbon-12 được định nghĩa là bằng 12 đơn vị khối lượng nguyên tử. (Đơn vị khối lượng nguyên tử, viết tắt là u, là đơn vị dùng để so sánh trọng lượng tương đối của các nguyên tử. Một u nhỏ hơn 2000 phần tỉ tỉ tỉ của một gam). Mỗi đồng vị thuộc mỗi nguyên tố khác được so sánh với đơn vị này. Khi đó, trọng lượng của các đồng vị thuộc một nguyên tố cho trước được tính trung bình để cho trọng lượng nguyên tử sắp xếp vào bảng tuần hoàn hóa học.
Cho đến đây, trong câu chuyện nguyên tử, thì mọi hạt cấu thành nên nguyên tử được người ta hình dung là những quả cầu rắn, đồng nhất. Bước sang năm 1920, với nghiên cứu của Louis de Broglie, thì bức tranh này đã thay đổi hẳn. De Broglie chứng minh rằng những hạt như electron thỉnh thoảng có tính chất sóng. Chẳng hạn, nếu như sóng nước được tạo ra bởi hai nguồn, thí dụ thả rơi hai hòn sỏi xuống một hồ nước, thì những con sóng có thể giao thoa với nhau. Điều này có nghĩa là những đỉnh sóng cao cộng lại tạo thành những đỉnh sóng cao hơn. Những chỗ lõm cộng lại tạo ra những vùng lõm hơn. Khi cho các electron đi qua một khe đôi, với một số electron đi qua một khe và một số electron đi qua khe kia, thì chúng tạo hai nguồn. Các electron thể hiện sự giao thoa này, tạo ra một hệ vân trên màn ảnh hứng. Khả năng của electron và những hạt khác thỉnh thoảng thể hiện tính chất hạt và thỉnh thoảng thể hiện tính chất sóng được gọi là lưỡng tính sóng hạt. Sự bổ sung này cho bản chất của electron có nghĩa là quan điểm hành tinh nguyên tử của Bohr là không chính xác cho lắm. Các electron có những mức năng lượng rời rạc khác nhau, nhưng chúng không tuân theo những quỹ đạo tròn. Năm 1925, Werner Heisenberg đã phát biểu rằng tốc độ và vị trí chính xác của một electron là không thể biết đồng thời. “Nguyên lí bất định Heisenberg” này đã kích thích Erwin Schrödinger nghĩ ra một phương trình tính xem một electron với một năng lượng nhất định chuyển động như thế nào. Phương trình Schrödinger mô tả những vùng trong một nguyên tử trong đó một electron với năng lượng nhất định có khả năng ở đó nhưng không biết chính xác nó ở chỗ nào. Vùng xác suất này được gọi là orbital. Các electron chuyển động quá nhanh bên trong những orbital này cho nên chúng ta có thể hình dung chúng bị mờ đi thành một đám mây electron. Các electron di chuyển từ orbital này sang orbital khác bằng cách hấp thụ hoặc phát xạ một lượng tử năng lượng, giống như Bohr đã giải thích.
Ứng dụng của thuyết nguyên tử
Những nghiên cứu buổi đầu về phóng xạ cho thấy những hạt nhân nguyên tử nhất định có tính phóng xạ tự nhiên. Một số nhà khoa học nêu vấn đề rằng nếu có những hạt giải phóng khỏi nguyên tử thì người ta có thể đưa các hạt vào bên trong nguyên tử hay không? Năm 1932, Cockcroft và Walton đã thành công trong việc xây dựng một máy gia tốc hạt, một dụng cụ có thể làm cho những dòng hạt tích điện chuyển động mỗi lúc một nhanh thêm. Những hạt chuyển động nhanh này, thí dụ như proton, sau đó được nhắm vào một bản mỏng thuộc một nguyên tố nhẹ như lithium (Li). Nếu một hạt nhân nguyên tử lithium “bắt giữ” một proton, thì hạt nhân đó trở nên không bền và nó bị vỡ ra thành hai hạt alpha. Kĩ thuật kích thích phóng xạ bằng cách bắn phá với những hạt gia tốc như thế này vẫn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và các hạt hạ nguyên tử. Ngày nay, các máy gia tốc cho các hạt chạy đua hết tốc lực trong những đường thẳng, hoặc để tiết kiệm không gian, trong những quỹ đạo vòng tròn đường kính hàng dặm đường.
Sự sắp xếp lại tự phát của hạt nhân nguyên tử luôn luôn mang lại sự giải phóng năng lượng dưới dạng động năng của các neutron đang chuyển động nhanh. Khi một hạt nhân lớn vỡ ra để tạo thành những nguyên tử nhỏ hơn, quá trình đó được gọi là phân hạch. Khi những nguyên tử nhẹ bị buộc hợp lại với nhau để tạo thành những nguyên tử nặng hơn, thì quá trình được gọi là nhiệt hạch. Trong mỗi trường hợp đều có neutron nhanh được giải phóng. Những neutron này có thể truyền động năng của chúng cho môi trường xung quanh, làm môi trường nóng lên. Nhiệt lượng này có thể dùng để đun sôi nước, tạo ra dòng hơi làm quay tuabin chạy máy phát điện. Nhiệt hạch là quá trình xảy ra trong lõi của Mặt trời và những ngôi sao khác. Quá nhiều năng lượng được giải phóng trong thời gian ngắn nên quá trình đó còn được sử dụng để chế tạo bom khinh khí. Tuy nhiên, cho đến nay người ta vẫn chưa làm chủ phản ứng nhiệt hạch để chạy nhà máy điện. Nghiên cứu đang tiếp tục tìm kiếm những phương pháp sử dụng năng lượng nhiệt hạch có điều khiển.
Mặt khác, phản ứng phân hạch còn được người ta sử dụng để chế tạo những loại vũ khí rất mạnh. Quả bom nguyên tử đầu tiên đã phát nổ vào năm 1945. Tuy nhiên, kể từ đó, năng lượng phân hạch cũng đã được kiểm soát để chạy nhiều nhà máy điện hạt nhân trên khắp thế giới.
Trong khi nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của một nguyên tố khi nó vẫn còn là nguyên tố đó, thì các nguyên tử không phải là những hạt nhỏ nhất tồn tại. Thậm chí, người ta cũng tin rằng các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ những hạt còn nhỏ hơn nữa gọi là hạt quark. Nghiên cứu hiện nay trong ngành vật lí nguyên tử tập trung vào việc mô tả cấu trúc bên trong của nguyên tử. Bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt, các nhà khoa học đang cố gắng mô tả đặc trưng các quark có thể kết hợp theo một số cách để tạo ra những hạt hạ nguyên tử khác.
Không ai từng nhìn thấy một nguyên tử đơn lẻ, thậm chí với những kính hiển vi quang học tốt nhất. Những loại kính hiển vi đặc biệt gọi là kính hiển vi quét chui hầm và kính hiển vi lực nguyên tử khai thác các lực do các electron sinh ra để thu được hình ảnh của những đám mây electron. Những đám mây này cho biết các nguyên tử được sắp xếp như thế nào, mặc dù chúng ta không thể “nhìn” xuyên qua đám mây đó vào trong hạt nhân. Do giới hạn về kích cỡ, chúng ta sẽ không bao giờ nhìn thấy nguyên tử với đôi mắt của mình. Mọi thứ chúng ta biết về nguyên tử phải được suy luận ra từ những thí nghiệm quy mô lớn. Kết quả là sự mô tả nguyên tử như trên vẫn được gọi là một lí thuyết. Tuy nhiên, lí thuyết này giải thích các thí nghiệm nguyên tử quá tốt nên chúng ta thường nghĩ sự tồn tại của nguyên tử là một thực tế.
__ Hết __
Theo Gale Encyclopedia of Science
