Bài giảng Điện học (Phần 3)

Benjamin Crowell

1.3 Nguyên tử

Tôi đi tới chỗ xem nguyên tử là người bạn xinh đẹp, khó tính, có màu xám hoặc màu đỏ tùy theo cảm nhận.

Rutherford

Thuyết nguyên tử

Người Hi Lạp chịu rất nhiều áp bức trong hai thiên niên kỉ qua: bị người La Mã thống trị, bị ức hiếp trong cuộc thập tự chinh bởi những kẻ thánh chiến đi đến và đến từ Miền đất hứa, và bị người Thổ Nhĩ Kì chiếm đóng mãi cho đến gần đây. Không có gì ngạc nhiên khi mà họ thích nhớ tới những ngày tháng lộn xộn đó, vào lúc những nhà tư tưởng lỗi lạc nhất của họ đã tiến rất gần tới các quan niệm như nền dân chủ và thuyết nguyên tử. Hi Lạp trở lại dân chủ sau một giai đoạn độc tài quân sự, và hình nguyên tử được in một cách hãnh diện trên một trong những đồng tiền của họ. Đó là lí do vì sao khiến tôi xúc động phải nói rằng giả thuyết Hi Lạp cổ đại rằng vật chất cấu thành từ các nguyên tử là một công trình dự đoán thuần túy. Không có bằng chứng thực nghiệm thực tế nào cho các nguyên tử, và sự hồi sinh khái niệm nguyên tử vào thế kỉ thứ 18 bởi Dalton có ít tính chất Hi Lạp hơn tên gọi, có nghĩa là “không thể chia tách”. Thậm chí tiếng tăm Hi Lạp còn bị sứt mẻ nhiều khi tên gọi đó được chỉ rõ là không thích hợp vào năm 1899, lúc nhà vật lí J.J. Thomson chứng minh bằng thực nghiệm cho thấy các nguyên tử có những thứ còn nhỏ hơn nữa bên trong chúng, tức là chúng có thể chia tách ra được (Thomson gọi chúng là “electron”). Sau cùng thì “không thể phân tách” là có thể phân tách được.

Nhưng hãy tiếp tục câu chuyện của chúng ta. Điều gì đã xảy ra với khái niệm nguyên tử trong hai ngàn năm ở giữa ? Những người có học thức tiếp tục bàn luận ý tưởng đó, và những người yêu thích nó có thể thường sử dụng nó để mang lại những lời giải thích hợp lí cho nhiều sự việc và hiện tượng khác nhau. Một thực tế được giải thích dễ dàng là sự bảo toàn khối lượng. Ví dụ, nếu bạn trộn 1 kg nước với 1 kg bụi đất, bạn sẽ có chính xác 2 kg bùn, không hơn không kém. Điều tương tự đúng cho nhiều quá trình như sự đông đặc của nước, lên men bia, hoặc nghiền sa thạch. Nếu bạn tin vào các nguyên tử, thì sự bảo toàn khối lượng mang lại sự cảm nhận đầy đủ, vì tất cả những quá trình này có thể xem là sự trộn lẫn hoặc bố trí lại các nguyên tử, chứ không làm thay đổi tổng số nguyên tử. Tuy nhiên, đây vẫn chẳng phải là bằng chứng cho thấy nguyên tử tồn tại.

Nếu các nguyên tử thật sự tồn tại, thì có những loại nguyên tử gì, và cái gì phân biệt rõ những loại khác nhau đó ? Chúng có kích thước, hình dạng, trọng lượng và một số đại lượng khác không ? Hố ngăn cách giữa thuyết nguyên tử cổ đại và hiện đại trở nên hiển hiện khi chúng ta xét đến những nghiên cứu sơ khai đã có về vấn đề này cho đến thế kỉ hiện nay. Những người cổ đại quyết định có bốn loại nguyên tử, đất, nước, không khí và lửa; quan điểm phổ biến nhất cho rằng chúng phân biệt nhau ở hình dạng của chúng. Các nguyên tử nước có hình cầu, nên nước có khả năng chảy một cách êm đềm. Các nguyên tử lửa có những điểm sắc nhọn, đó là lí do vì sao lửa làm đau khi nó chạm vào da một người nào đó (Không có khái niệm nhiệt độ mãi cho đến hai ngàn năm sau này). Cách hiểu hiện đại khác một cách cơ bản về cấu trúc của nguyên tử thu được trong giai đoạn cách mạng 10 năm từ 1895 đến 1905. Mục tiêu chính của chương này là mô tả những thí nghiệm trọng yếu đó.

Bạn có bao giờ nghe nói tới thuyết nguyên tử chưa ?

“Bạn là thứ bạn ăn”. Câu nói hiện đại lém lĩnh đó ít nhiều mang cách hiểu nguyên tử về sự tiêu hóa. Xét cho cùng thì sự tiêu hóa là một bí ẩn thú vị vào thời cổ đại, và các nền văn hóa tiền hiện đại thường tin rằng sự ăn cho phép bạn giải phóng một số dạng “lực sự sống” khỏi thực phẩm. Chuyện thần thoại đầy dãy những năng lực trừu tượng như sự can đảm hoặc sự ô uế lễ nghi có thể đi vào cơ thể bạn thông qua thực phẩm mà bạn ăn. Trái với những quan điểm siêu nhiên này, những nhà nguyên tử luận cổ đại có một cách hiểu hoàn toàn mang tính tự nhiên về sự tiêu hóa. Thức ăn cấu tạo từ các nguyên tử, và khi bạn tiêu hóa nó, bạn đã đơn giản là phóng thích một số nguyên tử ra khỏi nó và sắp xếp chúng vào những hợp chất cần thiết cho các mô cơ thể của bạn. Các nhà khoa học xa xưa tiến bộ hơn và các nhà khoa học thời phục hưng yêu thích loại giải thích này. Họ nóng lòng cởi trói cho mối ràng buộc lên trung tâm của nền vật lí Aristotle (và phiên bản thân nhà thờ, thêm mắm dặm muối của nó, tức triết học kinh viện), theo quan điểm của họ nền vật lí đó có quá nhiều tính chất huyền bí và “mục tiêu” cho các vật. Ví dụ, trường phái Aristotle giải thích nguyên nhân hòn đá rơi trở lại đất là vì đó là “bản chất” hay “mục tiêu” của nó phải đến nằm nghỉ trên mặt đất.

Tuy nhiên, nỗ lực có vẻ ngây thơ nhằm giải thích sự tiêu hóa một cách tự nhiên cuối cùng khiến các nhà nguyên tử luận gặp rắc rối to với Giáo hội. Vấn đề là ở chỗ thánh lễ quan trọng nhất của nhà thờ gồm ăn bánh mì và rượu và nhờ đó mà nhận được tác động siêu nhiên của sự tha thứ cho tội lỗi. Đề cập đến nghi lễ này, học thuyết hóa thể khẳng định rằng phúc lành của bánh mì và rượu thánh thể đúng là chuyển hóa thành máu và thịt của Chúa. Thuyết nguyên tử được nhận thức là mâu thuẫn với thuyết hóa thể, vì thuyết nguyên tử phủ nhận phúc lành có thể làm thay đổi bản chất của các nguyên tử. Mặc dù thông tin lịch sử cung cấp trong đa số sách giáo khoa khoa học nói về Galileo miêu tả sự bất đồng của ông với Tòa án dị giáo là khơi mào cuộc tranh luận xem Trái Đất có chuyển động hay không, nhưng một số nhà sử học tin rằng sự bị trừng phạt của ông có nhiều thứ để tìm hiểu hơn là sự biện hộ của ông cho thuyết nguyên tử làm lật đổ thuyết hóa thể. (Những vấn đề khác ở trong trạng thái phức tạp là phong cách đối đầu của Galileo, vấn đề vũ trang của Tòa thánh, và tin đồn cho rằng nhân vật xuẩn ngốc trong tác phẩm của Galileo là ám chỉ đức giáo hoàng) Trong một thời gian dài, niềm tin vào thuyết nguyên tử đóng vai trò là biểu hiện của sự không theo lề thói đối với các nhà khoa học, một cách khẳng định sở thích hiểu hiện tượng theo lẽ tự nhiên chứ không phải siêu nhiên. Sự tán thành thuyết nguyên tử của Galileo và Newton là một hoạt động nổi loạn, giống như sự chấp nhận của các thế hệ sau này về học thuyết Darwin và Marxism.

Một mâu thuẫn khác giữa triết học kinh viện và thuyết nguyên tử đến từ cái nằm giữa các nguyên tử. Nếu bạn hỏi một người hiện đại câu hỏi này, họ sẽ có thể trả lời “không có gì cả” hoặc “không gian trống rỗng”. Nhưng Aristotle và những người kế tục sự nghiệp của ông tin rằng không thể nào có không gian trống rỗng, tức chân không, như thế được. Đó không phải là một quan điểm vô lí, vì không khí có xu hướng tràn vào bất kì không gian nào mà bạn mở ra, và câu hỏi đó tồn tại mãi cho tới thời kì phục hưng khi người ta chỉ ra được cách tạo ra chân không.

Nguyên tử, ánh sáng, và mọi thứ khác

Mặc dù tôi có khuynh hướng giễu cợt các nhà triết học Hi Lạp cổ đại như Aristotle, nhưng hãy dành ra một chút để tán dương ông về một số điều. Nếu bạn đọc các tác phẩm của Aristotle về vật lí (hoặc chỉ xem lướt qua chúng, giống như tôi đã làm), thì điều thu hút sự chú ý nhất là mức độ cẩn thận khi ông phân loại hiện tượng và phân tích mối quan hệ giữa các hiện tượng. Não người hình như tự nhiên thực hiện được sự phân biệt giữa hai loại hiện tượng vật lí: các vật và chuyển động của các vật. Khi một hiện tượng xảy ra tự nó không tức thời là một trong những loại này, thì có một xu hướng mạnh mẽ là quan niệm hóa nó là loại này hoặc loại kia, hoặc thậm chí bỏ qua sự tồn tại của nó hoàn toàn. Chẳng hạn, các thầy giáo vật lí hay rùng mình trước phát biểu của học sinh rằng “thuốc nổ phát nổ, và lực giải phóng khỏi nó theo mọi hướng”. Trong những ví dụ này, khái niệm phi vật chất của lực được phân loại ngầm như thể nó là một chất vật lí. Phát biểu “lên dây cót chiếc đồng hồ làm lưu trữ chuyển động trong lò xo” là một sự thiếu phân loại của năng lượng điện dưới dạng chuyển động. Một ví dụ bỏ qua sự tồn tại của hiện tượng hoàn toàn có thể gợi ra bằng cách hỏi mọi người tại sao chúng ta cần đến bóng đèn. Câu trả lời thường là “đèn rọi sáng căn phòng để cho chúng ta có thể nhìn thấy mọi thứ”, không chú ý tới vai trò thiết yếu của ánh sáng đi vào mắt chúng ta đến từ những thứ được rọi sáng.

Nếu bạn yêu cầu một ai đó nói cho bạn biết ngắn gọn về các nguyên tử, câu trả lời có khả năng là “mọi thứ cấu thành từ các nguyên tử”, nhưng bây giờ chúng ta thấy hiển nhiên là từ “mọi thứ” trong phát biểu này không còn thích hợp nữa. Đối với các nhà khoa học của những năm đầu thập niên 1900, những người đang cố gắng khảo sát nguyên tử, đây không phải là một định nghĩa tầm thường. Đã có một dụng cụ mới gọi tên là ống chân không, giống như ống phóng hình trong ti vi ngày nay. Tóm lại, những người thợ hàn điện đã phát hiện ra toàn bộ nhóm hiện tượng xảy ra bên trong và xung quanh ống chân không, và đặt cho chúng những cái tên hoa mĩ như “tia X”, “tia catôt”, “sóng Hertz”, và “tia N”. Đây là những loại quan sát cuối cùng cho chúng ta biết chúng ta biết gì về vật chất, nhưng sau đó cũng phát sinh những cuộc tranh luận nảy lửa xem chính những đối tượng này có phải là những dạng vật chất hay không.

Chúng ta hãy xem mức phân loại các hiện tượng do các nhà vật lí của năm 1900 sử dụng. Họ ghi nhận ba loại:

Vật chất có khối lượng, có thể có động năng, và có thể chuyển động trong chân không, mang theo khối lượng của nó và động năng theo nó. Vật chất được bảo toàn, cả bảo toàn khối lượng và bảo toàn số nguyên tử của từng nguyên tố. Các nguyên tử không thể chiếm cùng khoảng không gian như các nguyên tử khác, nên cách thuận tiện khảo sát cái gì đó không phải là vật chất là chỉ ra nó có thể truyền qua một chất rắn, trong đó các nguyên tử nhồi nhét rất gần nhau.
Ánh sáng không có khối lượng, luôn luôn có năng lượng, và có thể truyền qua chân không, mang theo năng lượng cùng với nó. Hai chùm tia sáng có thể xuyên qua nhau và hiện ra khỏi chỗ va chạm mà không bị suy yếu, lệch hướng, hoặc bất kì ảnh hưởng nào khác. Ánh sáng có thể đi xuyên qua những loại chất nhất định, ví dụ như thủy tinh.
Loại thứ ba là mọi thứ không phù hợp với định nghĩa ánh sáng hoặc vật chất. Ví dụ thuộc loại này có thời gian, vận tốc, nhiệt, và lực.

Nguyên tố hóa học

Làm thế nào người ta khám phá được có bao nhiêu loại nguyên tử gì ? Ngày nay, việc tiến hành một chương trình thực nghiệm nhằm phân loại các loại nguyên tử không phải là việc gì quá khó. Đối với từng loại nguyên tử, phải có một nguyên tố tương ứng, tức là một chất tinh khiết cấu tạo từ không gì hơn ngoài loại nguyên tử đó. Các nguyên tử được cho là không thể chia tách được, nên một chất như sữa chẳng hạn không có khả năng là cơ bản, vì khuấy mạnh nó sẽ làm nó tách thành hai chất khác nhau: bơ và nước sữa. Tương tự, gỉ sét không thể là một nguyên tố, vì nó có thể được tạo ra bằng sự kết hợp hai chất: sắt và ôxi. Bất chấp tính hợp lí hiển nhiên của nó, không có chương trình nào như thế được thực hiện mãi cho đến thế kỉ thứ 18. Người cổ đại có lẽ không làm thế vì quan sát không được chấp nhận rộng rãi là phương pháp đúng đắn để trả lời câu hỏi tự nhiên, và cũng vì họ không có trong tay những kĩ thuật cần thiết hoặc những kĩ thuật đó thuộc về lĩnh vực lao động có địa vị xã hội thấp, ví dụ như thợ rèn và thợ mỏ. Các nhà giả kim thuật bị ngăn cản bởi tiếng tăm của thuyết nguyên tử lật đổ và bởi xu hướng nghiêng về chủ nghĩa thần bí và huyễn hoặc. (Thách thức nổi tiếng nhất mà các nhà giả kim thuật đối mặt là biến chì thành vàng, ngày nay chúng ta biết điều đó là không thể được, vì chì và vàng đều là các nguyên tố).

Tuy nhiên, vào năm 1900, các nhà hóa học đã thực hiện được một việc hợp lí khám phá xem nguyên tố là cái gì. Họ cũng xác định được tỉ số khối lượng của các nguyên tử khác nhau một cách khá chính xác. Phương pháp tiêu biểu là đo bao nhiêu gam natri (Na) kết hợp với một gam chlorine (Cl) tạo ra muối (NaCl). (Đấy là đã giả sử bạn đã biết dựa trên một bằng chứng khác rằng muối cấu tạo gồm số nguyên tử Na và Cl bằng nhau) Khối lượng của từng nguyên tử, khi so sánh với tỉ số khối lượng, được biết chỉ trong vài bậc độ lớn dựa trên bằng chứng gián tiếp, và nhiều nhà vật lí và hóa học phủ nhận rằng từng nguyên tử chẳng là cái gì khác hơn ngoài những kí hiệu cho tiện lợi.

alt

d/ Khối lượng một số nguyên tử so với khối lượng nguyên tử hydro. Chú ý là một số giá trị rất gần với số nguyên, nhưng không hoàn toàn là số nguyên.

Ý nghĩa của các nguyên tố

Khi thông tin chất đống, thách thức là tìm một cách thức hệ thống hóa nó; óc thẩm mĩ của các nhà khoa học hiện đại không ưa những thứ lộn xộn. Sự hỗn tạp này của các nguyên tố là một sự lúng túng. Một nhà quan sát đương thời, William Crookes, đã mô tả các nguyên tố mở ra “trước chúng ta rộng như Đại Tây Dương trải ra trước con mắt đăm chiêu của Columbus, chế giễu, châm chọc, và thì thầm những điều lạ lùng, và từ trước đến nay không ai có thể giải quyết được”. Không bao lâu sau, người ta bắt đầu nhận thấy rằng nhiều khối lượng nguyên tử rất gần với bội số nguyên của khối lượng nguyên tử hydro, nguyên tố nhẹ nhất. Một vài người dễ kích động bắt đầu cho rằng hydro là viên gạch cấu trúc cơ bản, và những nguyên tố nặng hơn cấu thành từ nhiều cụm hydro. Tuy nhiên, không bao lâu sau thì những phép đo chính xác hơn đã bác bỏ luận điệu đó của họ, chúng cho thấy không phải tất cả các nguyên tố đều có khối lượng nguyên tử gần với bội số nguyên của khối lượng hydro, và những trường hợp gần với bội số nguyên của hydro cũng bị sai lệch một phần trăm hoặc ngần ấy.

alt

e/ Bảng tuần hoàn hóa học hiện đại.
Các nguyên tố trong cùng một cột có tính chất hóa học giống nhau. Số nguyên tử hiện đại, sẽ nói tới trong phần 2.3, không được biết tới vào thời của Mendeleev, vì bảng có thể lật theo những cách khác nhau.

Giáo sư hóa học Dmitri Mendeleev, trong khi soạn bài giảng của ông vào năm 1869, muốn tìm một số cách tổ chức kiến thức của ông cho sinh viên có thể dễ hiểu hơn. Ông viết tên của tất cả các nguyên tố lên những tấm thẻ và bắt đầu sắp xếp chúng theo những cách khác nhau trên bàn làm việc của ông, thử tìm một sắp xếp dễ nhớ. Sự sắp xếp hàng-cột ông nêu ra về cơ bản là bảng tuần hoàn hóa học hiện đại của chúng ta. Các cột của phiên bản hiện đại biểu diễn các nguyên tố có tính chất hóa học tương tự nhau, và mỗi hàng phía dưới thì nặng hơn hàng phía trên nó. Ngang qua từng hàng, hầu như luôn luôn đặt các nguyên tử trong chuỗi khối lượng tăng dần. Cái gì khiến cho hệ thống có giá trị tuần hoàn của nó. Có ba chỗ Mendeleev phải bỏ trống trong bảng sắp xếp của ông để giữ các nguyên tố giống nhau về mặt hóa học nằm trong cùng một cột. Ông tiên đoán sẽ tồn tại những nguyên tố lấp đầy những chỗ trống này, và ngoại suy hoặc nội suy từ những nguyên tố khác trong cùng cột đó, dự đoán những tính chất dạng số của nó, ví dụ như khối lượng, điểm nóng chảy, và tỉ trọng. Tiếng tăm của Mendeleev trở nên lẫy lừng khi ba nguyên tố của ông (sau này được đặt tên là gallium, scandium, và germanium) được tìm thấy và có tính chất rất gần với tính chất ông dự đoán.

Một điều mà bảng tuần hoàn Mendeleev làm sáng tỏ là khối lượng không phải là đặc trưng cơ bản phân biệt các nguyên tử thuộc những nguyên tố khác nhau. Để thiết lập công trình bảng tuần hoàn của mình, ông đã phải đi xa khỏi việc sắp xếp có trật tự các nguyên tố hoàn toàn theo khối lượng. Chẳng hạn, nguyên tử iodine nhẹ hơn tellurium, nhưng Mendeleev phải đặt iodine sau tellurium sao cho nó nằm chung cột với các nguyên tố có tính chất hóa học tương tự.

Bằng chứng trực tiếp cho thấy nguyên tử tồn tại

Thành công của lí thuyết động lực học của nhiệt đã mang lại bằng chứng mạnh mẽ cho thấy, ngoài chuyển động của vật nói chung, còn có một loại chuyển động không nhìn thấy ở khắp nơi xung quanh chúng ta: chuyển động ngẫu nhiên của các nguyên tử bên trong mỗi vật. Nhưng nhiều kẻ bảo thủ không bị thuyết phục rằng các nguyên tử thật sự tồn tại. Xét cho cùng thì chưa ai từng nhìn thấy một nguyên tử cả. Mãi cho đến khi thuyết nhiệt động lực học được phát triển chứng minh thuyết phục rằng các nguyên tử thật sự tồn tại và chúng tham gia vào những chuyển động liên tục không bao giờ ngưng nghỉ.

Phát đạn chứng minh nguyên tử một cách trừu tượng hơn về mặt toán học phát nổ khi một số quan sát cũ kĩ, mờ mịt được xem xét lại bởi một viên thư kí không tiếng tăm gì ở phòng đăng kí phát minh Thụy Sĩ tên là Albert Einstein. Nhà thực vật học Brown, sử dụng một chiếc kính hiển vi lúc nó còn là một sản phẩm nghệ thuật vào năm 1827, quan sát những hạt phấn hoa nhỏ xíu trong một giọt nước nằm trên bàn soi hiển vi và nhận thấy chúng nhảy nhót một cách ngẫu nhiên không vì lí do gì rõ ràng cả. Ban đầu, nghi ngờ rằng phấn hoa mà ông cho là đã chết thật sự còn sống, ông thử quan sát các hạt bồ hóng, và nhận thấy các hạt bồ hóng cũng chuyển động lộn xộn. Kết quả tương tự xảy ra với bất kì hạt nhỏ nào khác lơ lửng bên trong chất lỏng. Hiện tượng đó được gọi là chuyển động Brown, và sự tồn tại của nó được nhiều thế hệ xem là một sự kì quặc và là một thực tế hoàn toàn không quan trọng, chỉ là một điều phiền toái cho các nhà hiển vi học.

Mãi cho tới năm 1906, Einstein mới tìm ra được lời giải thích đúng đắn cho quan sát của Brown: các phân tử nước ở trạng thái chuyển động ngẫu nhiên liên tục, và va chạm với hạt phấn hoa ở mọi lúc, sút nó đi theo mọi hướng. Sau cả một thiên niên kỉ nghiên cứu về nguyên tử, cuối cùng đã có một bằng chứng chắc chắn. Tính toán của Einstein xua tan mọi nghi ngờ, vì ông có thể đưa ra những tiên đoán chính xác về những thứ như quãng đường trung bình một hạt đi được trong một khoảng thời gian nhất định. (Einstein nhận giải thưởng Nobel không cho lí thuyết tương đối của ông mà cho những bài báo của ông về chuyển động Brown và hiệu ứng quang điện).

Câu hỏi thảo luận

A. Làm thế nào từ sự hiểu biết kích thước của một nguyên tử nhôm có thể suy ra ước tính khối lượng của nó, và ngược lại ?

B. Làm thế nào người ta có thể kiểm tra cách giải thích của Einstein cho chuyển động Brown bằng cách quan sát nó ở những nhiệt độ khác nhau ?

Còn tiếp...

Xem lại Phần 2