Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 2)

Cấu trúc nguyên tử

Đa số mọi người có lẽ hình dung nguyên tử là một hệ mặt trời mini, với hạt nhân tại vị trí của Mặt Trời, vây xung quanh là các “hành tinh” electron. Tính đơn giản của “mẫu hành tinh” này, do nhà vật lí New Zealand Ernest Rutherford phác họa vào năm 1911, đem lại cho nó sức bền bỉ theo năm tháng. Mô tả lượng tử năm 1913 của Niels Bohr, trong đó các electron “xác suất” cư trú trong các orbital rạch ròi, thì hoàn chỉnh hơn.

Hạt nhân nguyên tử gồm các proton tích điện dương và neutron trung hòa điện, chúng được gọi tên chung là nucleon. Hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở đây. Số lượng proton xác định nguyên tố - cho dù khi chúng mất electron, các nguyên tử vẫn giữ được danh tính của chúng. Điện tích của các proton bị trung hòa bởi số lượng electron tích điện âm bằng như vậy, chúng liên kết với hạt nhân bằng lực hút tĩnh điện và đem lại nguyên tử trung hòa điện. Các nguyên tử thường có đường kính khoảng 1 Ångstrom (0,1 nano-mét), chừng 100.000 lần nhỏ hơn một tế bào hồng cầu.

Cấu trúc nguyên tử

Các hạt hạ nguyên tử

Câu hỏi cái gì là “cơ bản” là một mục tiêu cốt lõi của khoa học, song đơn vị cơ bản của vật chất là gì còn tùy thuộc vào người nào nêu câu hỏi. Đối với nhà hóa học, đó là nguyên tử, vì đây là cách vật chất tương tác trong các điều kiện thường ngày. Tuy nhiên, đối với nhà vật lí, chính các hạt sơ cấp kì lạ sinh ra từ các va chạm proton năng lượng cao mới ngự tại trái tim của vật chất.

Các nguyên tử có ba viên gạch cấu trúc cơ bản – proton, neutron và electron. Trong số này, chỉ có electron được cho là sơ cấp. Electron là hạt hạ nguyên tử đầu tiên được tìm thấy, vào năm 1897, và theo sau đó là khám phá proton vào năm 1919 và neutron vào năm 1932. Electron thuộc về gia đình lepton, gia đình này cũng bao gồm muon, tau và các hạt neutrino. Proton và neutron là baryon – các phức hạt được làm bằng những kết hợp khác nhau của ba quark. Các nucleon này nặng và hầu như toàn bộ khối lượng cố hữu của nguyên tử cư trú trong hạt nhân cùng với chúng. Electron nhẹ hơn gần 2000 lần.

Dấu vết từ các hạt hạ nguyên tử trong Máy Va chạm Hadron Lớn.