Benjamin Crowell
1.6 Mô hình bánh bông lan rắc nho của nguyên tử
Dựa trên thí nghiệm của ông, Thomson đề xuất một bức tranh của nguyên tử trở nên nổi tiếng là mẫu bánh bông lan rắc nho. Trong nguyên tử trung hòa, l, có 4 electron với điện tích tổng cộng -4e, nằm trong một hình cẩu (“bánh bông lan”) có điện tích +4e rải đều qua nó. Người ta đã biết rằng các phản ứng hóa học không thể biến đổi nguyên tố này thành nguyên tố khác, nên trong ngữ cảnh của Thomson, mỗi quả cầu bánh của nguyên tố có một bán kính, khối lượng, và điện tích dương cố định vĩnh cửu, khác với quả cầu bánh của nguyên tố khác. Tuy nhiên, các electron không phải là đặc điểm cố định của nguyên tử và có thể được nhận thêm hoặc lấy bớt để hình thành nên các ion tích điện. Ví dụ, mặc dù ngày nay chúng ta biết rằng nguyên tử trung hòa có bốn electron là nguyên tố beryllium, nhưng các nhà khoa học thời đó không biết có bao nhiêu electron có trong những nguyên tử trung hòa khác nhau.
l/ Mô hình bánh bông lan rắc nho của nguyên tử với bốn đơn vị điện tích,
ngày nay chúng ta biết đây là beryllium.
Mô hình này rõ ràng là khác với mô hình mà bạn đã học ở trường phổ thông hoặc qua nền văn hóa cộng đồng của bạn, theo đó điện tích dương tập trung tại hạt nhân nhỏ xíu nằm ở chính giữa nguyên tử. Một thay đổi không kém phần quan trọng trong ý tưởng về nguyên tử là sự nhận thức rằng nguyên tử và những hạt hạ nguyên tử thành phần của nó xử sự hoàn toàn khác với các vật có kích thước hàng ngày. Chẳng hạn, chúng ta sẽ thấy trong phần sau rằng một electron có thể ở nhiều hơn một nơi tại một thời điểm. Mô hình bánh bông lan rắc nho là một phần của truyền thống lâu dài cố gắng tạo ra mô hình cơ giới của các hiện tượng, và Thomson cùng những người đương thời của ông chưa bao giờ đặt vấn đề sự thích đáng của việc xây dựng một mô hình nguyên tử như một cỗ máy với những bộ phận nhỏ bên trong nó. Ngày nay, mô hình cơ giới của nguyên tử vẫn được sử dụng (ví dụ như bộ lắp ráp mô hình phân tử kiểu đồ chơi mà Watson và Crick đã sử dụng để tìm hiểu cấu trúc xoắn kép của DNA), nhưng các nhà khoa học nhận thấy rằng các đối tượng vật chất chỉ là sự trợ giúp cho quá trình xử lí hình ảnh và biểu tượng của não nghĩ về các nguyên tử.
Mặc dù không có bằng chứng thực nghiệm rõ ràng nào cho nhiều chi tiết của mô hình bánh bông lan rắc nho, nhưng các nhà vật lí vẫn tiến lên và bắt đầu nghiên cứu những hàm ý của nó. Ví dụ, giả sử bạn có một nguyên tử 4 electron. Cả 4 electron sẽ đẩy lẫn nhau, nhưng chúng cũng đều bị hút về phía tâm của quả cầu “bánh”. Kết quả sẽ là một số dạng sắp xếp đối xứng, ổn định, trong đó tất cả các lực triệt tiêu lẫn nhau. Những người đủ khéo léo với toán học sớm thấy rằng các electron trong một nguyên tử 4 electron sẽ bố trí ở các đỉnh của một hình chóp theo kiểu kim tự tháp Ai Cập thu nhỏ, tức là một tứ diện đều. Suy luận này hóa ra sai lầm, vì nó dựa trên những đặc điểm không chính xác của mô hình đó, nhưng mô hình cũng có thành công nhất định, một vài thành công trong số đó chúng ta sẽ nói tới ngay bây giờ.
Ví dụ 3. Dòng điện tích trong dây dẫn
Một trong những học trò của tôi là con trai của một người thợ điện, và chính anh ta cũng trở thành một người thợ điện. Anh ta kể với tôi làm sao mà cha anh ta cả đời mình vẫn từ chối tin rằng các electron thật sự chảy qua dây dẫn. Nếu chúng chảy như vậy, ông giải thích, kim loại đó sẽ dần dần bị phá hủy, cuối cùng thì vỡ vụn ra thành bụi.
Quan điểm của ông không phải không có lí dựa trên thực tế là các electron là những hạt vật chất, và vật chất bình thường không thể truyền xuyên qua vật chất mà không tạo ra một lỗ trống trong đó. Các nhà vật lí thế kỉ thứ 19 sẽ chia sẻ quan điểm này với ông phản đối mô hình hạt tích điện của dòng điện tích. Tuy nhiên, trong mô hình bánh bông lan rắc nho, các electron có khối lượng rất thấp, và do đó có lẽ cũng có kích thước rất nhỏ. Không có gì ngạc nhiên khi chúng có thể chạy qua giữa các nguyên tử mà không làm phá hủy chúng.
Ví dụ 4. Dòng điện tích băng qua màng tế bào
Hệ thần kinh của bạn hoạt động trên cơ sở các tín hiệu mang bởi điện tích đi từ tế bào thần kinh này tới tế bào thần kinh khác. Cơ thể của bạn về cơ bản đều ở thể lỏng, và các nguyên tử trong một chất lỏng thì luôn linh động. Điều này có nghĩa là, không giống như trạng thái điện tích chạy trong dây dẫn rắn, toàn bộ các nguyên tử tích điện có thể chạy trong hệ thần kinh của bạn.
Ví dụ 5. Sự phát xạ electron trong ống tia catôt
Tại sao các electron tự bứt ra khỏi catôt của ống chân không ? Tất nhiên, chúng được khuyến khích làm như thế bởi lực đẩy của điện tích âm đặt trên catôt và lực hút từ phía lưới điện tích dương của anôt, nhưng những lực này không đủ mạnh để bứt các electron ra khỏi nguyên tử bằng lực chính – nếu chúng làm được, thì toàn bộ cơ cấu sẽ bốc hơi ngay tức thì vì mỗi nguyên tử đồng thời cũng bị xé toạc ra!
Mô hình bánh bông lan rắc nho đưa tới một lời giải thích đơn giản. Chúng ta biểt rằng nhiệt là năng lượng của chuyển động ngẫu nhiên của các nguyên tử. Do đó, các nguyên tử trong bất kì vật nào cũng xô đẩy nhau một cách dữ dội mọi lúc, và một vài trong số những va chạm đó đủ mạnh để đánh bật electron ra khỏi nguyên tử. Nếu như điều này xảy ra ở gần bề mặt của một vật rắn, thì electron có lẽ có thể bị thất thoát. Tuy nhiên, bình thường thì sự thất thoát electron này là một quá trình tự hạn chế; sự mất electron để lại cho vật một điện tích tổng thể dương, nó sẽ hút chú cừu non đi lạc kia trở lại với gia đình. (Đối với các vật nằm trong không khí chứ không phải trong chân không, cũng sẽ có một sự trao đổi cân bằng của các electron giữa không khí và vật).
Cách hiểu này giải thích sự ấm lên và lóe sáng màu vàng thân thiện của ống chân không của chiếc radio cổ. Để khuyến khích sự phát xạ electron từ catôt của ống chân không, catôt được cố ý làm nóng lên bằng cuộn dây cấp nhiệt.
Câu hỏi thảo luận
A. Ngày nay, nhiều người định nghĩa ion là một nguyên tử (hay phân tử) bị mất electron hoặc nhận thêm electron. Hỏi làm thế nào người ta có thể định nghĩa từ “ion” trước khi khám phá ra electron ?
B. Vì nguyên tử trung hòa về điện được biết là tồn tại, nên phải có một chất liệu hạ nguyên tử tích điện dương để triệt tiêu với các electron tích điện âm trong nguyên tử. Dựa trên nền tảng kiến thức vừa mới biết sau những thí nghiệm của Millikan và Thomson, liệu có thể nào chất liệu tích điện dương đó có một lượng điện tích không bị lượng tử hóa hay không ? Nó có thể được lượng tử hóa bằng đơn vị +e hay không ? Hay bằng đơn vị +2e ? Bằng đơn vị +5/7e ?
Tóm tắt
Mọi lực mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày rút lại có hai loại cơ bản: lực hấp dẫn và lực điện. Một lực như lực ma sát hay “lực nhớt” phát sinh từ lực điện giữa từng nguyên tử với nhau.
Giống như việc chúng ta sử dụng từ “khối lượng” để mô tả mức độ mạnh mà một vật tham gia vào lực hấp dẫn, chúng ta dùng từ “điện tích” cho cường độ lực điện của nó. Có hai loại điện tích. Hai điện tích cùng loại đẩy nhau ra, nhưng những vật có điện tích khác nhau thì hút nhau lại. Điện tích được đo bằng đơn vị coulomb (C).
Mô hình hạt mang điện linh động: Rất nhiều hiện tượng có thể hiểu dễ dàng nếu chúng ta tưởng tượng vật chất gồm hai loại hạt tích điện, ít nhất thì chúng cũng
có phần nào đó chuyển động ra xung quanh.
Điện tích dương và điện tích âm: Những vật bình thường không bị làm cho nhiễm điện có cả hai loại điện tích trải đều đặn trong chúng với số lượng bằng nhau. Khi đó, vật không có xu hướng tác dụng lực điện lên bất kì vật nào khác, vì bất kì lực hút nào do một loại điện tích sẽ cân bằng với lực đẩy từ loại điện tích kia. (Chúng ta nói “có xu hướng không” bởi vì mang vật đó đến gần một vật có lượng điện tích không cân bằng có thể làm cho điện tích của nó tách ra xa nhau và lực sẽ không còn triệt tiêu do khoảng cách không bằng nhau). Do đó, người ta mô tả hai loại điện tích bằng kí hiệu dương và âm, cho nên một vật không nhiễm điện sẽ có điện tích toàn phần bằng không.
Định luật Coulomb phát biểu rằng độ lớn của lực điện giữa hai hạt mang điện được cho bởi biểu thức |F| = k |q1||q2|/r2.
Bảo toàn điện tích: Một lí do còn cơ bản hơn nữa cho việc sử dụng kí hiệu dương và âm cho điện tích là với định nghĩa này, điện tích toàn phần của một hệ cô lập là một đại lượng được bảo toàn.
Lượng tử hóa điện tích: Thí nghiệm giọt dầu của Millikan cho thấy điện tích toàn phần của một vật chỉ có thể là bội số nguyên của một đơn vị cơ bản của điện tích (e). Kết quả này củng cố cho ý tưởng cho rằng “dòng” điện tích là chuyển động của những hạt nhỏ xíu chứ không phải chuyển động của một số loại chất lỏng điện bí ẩn.
Phân tích của Einstein về chuyển động Brown là bằng chứng dứt khoát đầu tiên cho sự tồn tại của nguyên tử. Thí nghiệm của Thomson với ống chân không chứng minh sự tồn tại của một loại hạt vi mô mới có tỉ số khối lượng trên điện tích rất nhỏ. Thomson nhận thức một cách đúng đắn đây là những viên gạch cấu trúc của vật chất còn nhỏ hơn cả nguyên tử: đó là khám phá đầu tiên ra một hạt hạ nguyên tử. Những hạt này được gọi là electron.
Bằng chứng thực nghiệm trên đây đã đưa tới mô hình hữu ích đầu tiên của cấu trúc bên trong của nguyên tử, gọi là mô hình bánh bông lan rắc nho. Theo mô hình bánh bông lan rắc nho, quả cầu tích điện dương có một số nhất định các electron tích điện âm ấn vào nó.
Còn tiếp...
Xem lại Phần 5
