Hóa đại cương 1 Đại học khoa học tự nhiên

TÓM TẮT BÀI GIẢNG
HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1
CẤU TẠO CHẤT

LÊ THỊ SỞ NHƯ
Khoa HÓA HỌC
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia tp HCM
Tháng 9/2020


Aa


1
Chương 1

GIỚI THIỆU
1.1.

Đối tượng nghiên cứu của hóa học

Thế giới vật chất quanh ta luôn luôn chuyển động và biến đổi. Hóa học là mơn khoa học
nghiên cứu các quy luật biến đổi của vật chất đi kèm với sự thay đổi về tính chất, thành phần, và
cấu tạo của chúng. Bên cạnh việc tìm ra các quy luật, một trong các vấn đề mà các nhà Hóa học
quan tâm là giải thích mối liên quan giữa tính chất, thành phần, và cấu tạo của vật chất. Ví dụ,
kim cương và than chì đều có thành phần hóa học là carbon, nhưng điều gì làm cho chúng có
tính chất rất khác nhau: kim cương cứng, cịn than chì thì mềm? Tại sao nước hòa tan được
đường hay muối ăn, nhưng khơng hịa tan được dầu ăn? Tại sao khi ta đốt cháy than thì khí CO 2
được tạo thành kèm theo sự phát nhiệt? Câu trả lời cho các câu hỏi trên sẽ được trình bày trong
mơn học Hóa học Đại cương qua các định luật và lý thuyết về cấu tạo của vật chất. Ngoài ra, ta
cần nhớ rằng tất cả vật chất chung quanh chúng ta, từ các vật vơ tri vơ giác như kim cương,

than chì, nước, đường, muối, dầu ăn... đến các chất sống – từ các dạng đơn bào đến động vật
bậc cao – đều được tạo thành từ các hóa chất. Do đó, đối tượng nghiên cứu của các nhà Hóa
học khơng chỉ gói gọn trong thế giới vơ tri như các ví dụ vừa nêu trên, mà các nhà Hóa học cịn
nghiên cứu cả những vấn đề liên quan đến các chất “sống” chung quanh ta.
Không chỉ vậy, việc quan trọng của các nhà Hóa học cịn là tìm ra các phương pháp và
điều kiện để điều chế được các chất mới, hoặc cải tiến những phương pháp điều chế các chất
đã biết. Trong lĩnh vực này, hóa học rất gần gũi với đời sống của chúng ta. Nhờ cơng nghệ hóa
học mà chúng ta có vơ số loại sản phẩm khác nhau để đáp ứng các nhu cầu trong cuộc sống
như vải sợi, thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu, v.v… Ngày nay, hóa học
hiện đại cịn nghiên cứu để tổng hợp những chất mới có cấu trúc chưa từng được biết đến trong
tự nhiên. Ví dụ, bằng cách lắp ráp những phân tử nhỏ với nhau, người ta đã tạo ra các hợp chất
có lỗ xốp hoặc hệ thống rãnh xốp với kích thước và thành phần nhất định để dùng trong nhiều
ngành công nghiệp khác nhau. Hóa học hiện đại cũng nghiên cứu để tìm ra những phương pháp
điều chế mới sao cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu này mở ra một lĩnh vực
mới với tên gọi là Hóa học xanh (Green Chemistry).
Trong quá trình nghiên cứu để tìm ra những chất mới, có khơng ít chất được tạo thành
mà khơng có giá trị thực tế nào trong đời sống. Tuy nhiên, những nghiên cứu như vậy khơng
phải là hồn tồn vơ ích. Chính việc nghiên cứu những chất “khơng có giá trị thực tế” đó đã giúp
các nhà Hóa học hiểu rõ hơn các quy luật biến đổi của vật chất, góp phần làm hồn thiện hơn
các kiến thức hóa học của chúng ta. Ngồi ra, những kiến thức đó khơng chỉ cho phép các nhà
Hóa học cải tiến và điều khiển các phản ứng hóa học để hy vọng tạo ra được những chất mới
khác đáp ứng ngày càng tốt hơn các nhu cầu của chúng ta, mà còn giúp các nhà khoa học
nghiên cứu thế giới theo cách ngày càng hiệu quả hơn.
Trong lịch sử, nhiều kiến thức hóa học trước thế kỷ thứ XVII được khám phá từ các thí
nghiệm theo kiểu “thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên cứu theo cách “thử và sai” một
cách thiếu định hướng thì vừa tốn kém thời gian và cơng sức, vừa phung phí tiền bạc. Ngày nay,
kiến thức hóa học dựa trên các nguyên lý và các lý thuyết được suy ra từ sự khám phá thế giới
chung quanh ta một cách có phương pháp và có hệ thống, được gọi là phương pháp nghiên cứu
khoa học. Phương pháp nghiên cứu khoa học sẽ được giới thiệu trong phần tiếp theo sau đây.

2
1.2.

Phương pháp nghiên cứu khoa học

Galileo Galilei (1564–1642), Francis Bacon (1561–1626), Robert Boyle (1627–1691), và
Isaac Newton (1642–1726) là những người đầu tiên khai sinh ra phương pháp nghiên cứu khoa
học vào thế kỷ thứ XVII. Nghiên cứu theo phương pháp khoa học luôn luôn được bắt đầu từ sự
quan sát một cách khách quan các hiện tượng xảy ra. Quan sát khách quan là các quan sát
không dựa trên bất cứ thiên kiến nào. Khi kết quả quan sát đủ nhiều, ta có thể tìm được quy luật
tổng qt để mô tả các hiện tượng quan sát được – các quy luật đó được gọi là các định luật
(natural law). Nhiều định luật có thể được phát biểu dưới dạng phương trình tốn học. Ví dụ, mối
liên quan giữa nhiệt độ (T), thể tích (V), và áp suất (P) của khí lý tưởng được phát biểu thành
định luật khí lý tưởng theo phương trình sau: PV = n RT, trong đó n là số mole khí và R là hằng
số khí lý tưởng. Trong khơng ít trường hợp, định luật mới tìm thấy có nội dung trái với những
điều mà con người đã tin tưởng trước đó. Ví dụ, đầu thế kỷ thứ XVI, Nicolaus Copernicus
(1473–1543) đã quan sát cẩn thận sự di chuyển của các hành tinh và nhận thấy trái đất cùng
nhiều hành tinh khác xoay quanh mặt trời theo những quỹ đạo hình trịn. Ơng đã tìm được
phương trình tốn học để mơ tả sự chuyển động của các hành tinh. Phát hiện của Copernicus
hoàn toàn trái ngược với những điều được con người tin tưởng lúc bấy giờ, rằng trái đất là trung
tâm của vũ trụ, mặt trời và các hành tinh khác xoay quanh trái đất. Cũng nên biết rằng các định
luật chỉ có giá trị khi chúng giúp ta dự đoán được những điều sắp xảy ra. Ví dụ, các phương
trình của Copernicus cho phép ta tính tốn và dự đốn được vị trí của trái đất trong tương lai
một cách chính xác hơn các quan điểm trước đó; vì vậy, có thể coi định luật Copernicus là một
thành cơng vào lúc đó. Tuy nhiên, không phải tất cả các định luật đã biết đều đúng một cách
vĩnh viễn. Đôi khi, kết quả từ các nghiên cứu mới buộc chúng ta phải điều chỉnh lại một số định
luật đã có. Ví dụ, sau này, các định luật của Copernicus đã được điều chỉnh bởi Johannes
Kepler (1571–1630), người cho rằng các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo những quỹ
đạo hình ellipse. Để xác nhận hoặc điều chỉnh định luật – tức là xác nhận hoặc điều chỉnh kiến

thức – các nhà khoa học phải tiếp tục quan sát và thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra xem các
kết quả thí nghiệm có luôn luôn phù hợp với các kết luận trước đây hay khơng. Nếu kết quả thí
nghiệm khơng ln ln theo đúng định luật, ta cần điều chỉnh lại định luật. Để ý rằng chúng ta
có thể lặp lại quan sát hay lặp lại thí nghiệm nhiều lần để kiểm tra kết quả, ngay cả chúng ta có
thể điều chỉnh định luật, nhưng khơng thể điều chỉnh kết quả thí nghiệm.
Bên cạnh những quy luật chung được đưa ra ở dạng định luật, các nhà khoa học cũng
muốn giải thích tại sao các hiện tượng lại xảy ra theo quy luật như vậy. Để giải thích một quy
luật nào đó, đầu tiên, các nhà khoa học đưa ra lời giải thích sơ khởi, được gọi là “giả thuyết”
(hypothesis). Khi đã có giả thuyết, các nhà khoa học phải thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra giả
thuyết. Nếu kết quả thí nghiệm thu được phù hợp với giả thuyết, tức là giả thuyết đúng, giả
thuyết sẽ được phát triển thành thuyết, hay lý thuyết (theory). Đơi khi thuyết có thể được trình
bày dưới dạng mơ hình (model). Ví dụ trong tài liệu này ta sẽ thấy mơ hình ngun tử chính là
thuyết cấu tạo nguyên tử. Trong những trường hợp như vậy, thuật ngữ “mơ hình” và “thuyết”
được dùng tương đương nhau. Vậy, thuyết, mơ hình, hay lý thuyết là lời giải thích tại sao các
hiện tượng tự nhiên xảy ra theo cách nào đó. Nếu kết quả thí nghiệm mâu thuẫn với giả thuyết,
ta phải điều chỉnh giả thuyết, và kiểm tra lại giả thuyết mới. Đôi khi, ta không tìm được quy luật
và lời giải thích đúng cho tất cả các hiện tượng, khi đó ta dùng thuyết phù hợp nhất. Theo thời
gian, các dữ liệu thí nghiệm mới được tích lũy, một số lý thuyết và định luật trở thành chắc chắn
hơn và được dùng rộng rãi, một số khác có thể được điều chỉnh hoặc bị loại bỏ. Nói cách khác,


3
lý thuyết và định luật không phải là các kiến thức bất di bất dịch, chúng có thể thay đổi khi ta thu
thập được những thông tin mới hơn.
Trong khoa học, kiến thức được tích lũy và phát triển qua q trình nghiên cứu khoa học.
Đó là chuỗi các q trình quan sát – đưa ra định luật, giả thuyết – tiến hành thực nghiệm để
kiểm tra giả thuyết và định luật – đưa ra lý thuyết – tiến hành thực nghiệm để kiểm tra lý thuyết.
Chu trình đó được tóm tắt trong Hình 1.1.

Hình 1.1. Tóm tắt quy trình nghiên cứu khoa học.

Trong nghiên cứu khoa học, các dữ kiện thu được từ quan sát thực nghiệm là bước mở
đầu và cũng là tiêu chuẩn để đánh giá giá trị của các định luật và thuyết. Do đó, chúng ta sẽ bàn
chi tiết hơn về quan sát: quan sát được tiến hành nhờ các giác quan của con người và các dụng
cụ hoặc máy móc mà con người tạo ra để nối dài giác quan của mình. Một số dụng cụ đơn giản
nhất để quan sát mà chúng ta đều biết là thước để đo độ dài, ống đong để đo thể tích chất lỏng,
cân để đo khối lượng, nhiệt kế để đo nhiệt độ, kính viễn vọng để quan sát các ngơi sao ở xa,
kính hiển vi để quan sát những vật có kích thước rất nhỏ, v.v… Trong nghiên cứu hóa học, có
hai kiểu quan sát chính là định tính và định lượng. Ví dụ, những quan sát để nhận ra nước là
chất lỏng ở điều kiện thường, hay khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl ta thấy xuất hiện
kết tủa màu trắng, v.v… là những quan sát định tính. Một số quan sát khác có tính định lượng
như: nước ngun chất đơng đặc ở 0 oC và sôi ở 100 oC; khi trộn dung dịch AgNO3 với dung
dịch NaCl, chất kết tủa màu trắng tạo thành có chứa 75.27% bạc và 24.73% chlorine theo khối
lượng. Càng ngày con người tạo ra càng nhiều máy móc mới để quan sát tốt hơn thế giới tự
nhiên, các định luật và lý thuyết theo đó cũng có thể được điều chỉnh.
Cũng cần lưu ý rằng định luật và thuyết là hai sản phẩm của nghiên cứu khoa học, cả hai
đều được dùng để dự đoán thế giới tự nhiên, nhưng định luật khác với thuyết. Một cách ngắn
gọn, ta có thể nói rằng định luật tổng kết những điều xảy ra, lý thuyết là lời giải thích tại sao điều
đó lại xảy ra như vậy. Điều ta cần nhớ là lý thuyết là sản phẩm từ trí tuệ của con người. Bằng
kinh nghiệm của mình, con người cố gắng giải thích thế giới tự nhiên qua các thuyết. Nói cách
khác, lý thuyết là phỏng đốn khoa học của con người. Muốn giải thích thế giới tự nhiên ngày
càng đúng hơn, con người phải không ngừng tiến hành những thí nghiệm mới và điều chỉnh lý
thuyết đang có sao cho phù hợp với những hiểu biết mới.
Những điều ta vừa nói về phương pháp nghiên cứu khoa học có thể được xem là con
đường lý tưởng nhất của quá trình nghiên cứu khoa học. Trong thực tế, con đường đi tới kiến


4
thức khoa học không phải bao giờ cũng bằng phẳng và hiệu quả. Khơng có điều gì bảo đảm cho
sự thành công của nghiên cứu khoa học. Như ta đã nói ở phần trên, giả thuyết chịu ảnh hưởng
của quan sát, khơng những vậy, giả thuyết cịn ln ln dựa trên các lý thuyết đã có, và trên

hết, cả giả thuyết và quan sát đều do con người tiến hành nên khơng tránh khỏi hồn tồn tính
chủ quan của người quan sát. Các kết quả nghiên cứu tâm lý con người chỉ ra rằng chúng ta
thường dễ quan sát thấy những điều ta mong đợi hơn là nhận ra những điều chúng ta khơng
mong đợi. Nói cách khác, khi kiểm tra giả thuyết hay lý thuyết, ta thường tập trung vào vấn đề
đang xét, điều này là rất cần thiết, nhưng sự tập trung đó có thể làm ta khơng nhìn thấy các cách
khác để giải thích vấn đề. Điều này có thể hạn chế óc sáng tạo của chúng ta, và cũng có thể
ngăn cản chúng ta nhận biết vấn đề một cách toàn diện và sát với thực tế hơn.
1.3.

Nội dung và u cầu của mơn Hóa học đại cương

Như vừa nói ở trên, nghiên cứu khoa học được thực hiện theo trình tự quan sát – đưa ra
định luật và lý thuyết – áp dụng. Trong môn học Hóa học đại cương, chúng ta sẽ quan tâm tới
các định luật và các lý thuyết căn bản đã được các nhà hóa học kiểm tra và cơng nhận rộng rãi;
phần quan sát thực nghiệm và các kỹ năng thu thập, xử lý dữ liệu thực nghiệm sẽ được nhấn
mạnh trong phần thực hành hóa học đại cương. Như vậy, trong mơn học Hóa học đại cương,
sinh viên sẽ học những nguyên lý căn bản nhất của hóa học thơng qua các thuyết và định luật.
Các ngun lý đó là cơ sở để dự đốn tính chất của các chất và khả năng phản ứng của chúng
để chuyển hóa thành những chất khác.
Học xong mơn Hóa học đại cương, chúng ta cần hiểu rõ nội dung của các thuyết và các
định luật cơ sở trong hóa học, áp dụng được chúng để giải thích và dự đốn một số q trình
trong thực tế. Điều cần lưu ý là có thể có nhiều thuyết cùng giải thích một vấn đề, một ví dụ là
thuyết Lewis, thuyết liên kết cộng hóa trị (thuyết VB), và thuyết orbital phân tử (thuyết MO) đều
có thể giải thích sự tạo thành liên kết hóa học trong các chất, nhưng mỗi thuyết đều có những
mặt mạnh và yếu khác nhau, ta cần hiểu rõ các mặt mạnh hay yếu, cũng như giới hạn của mỗi
thuyết và định luật để áp dụng chúng một cách hợp lý và hiệu quả. Thông thường, ta sẽ dùng
những thuyết đơn giản để giải thích vấn đề. Nếu khơng thể giải quyết vấn đề bằng các thuyết
đơn giản thì ta sẽ dùng đến các thuyết mạnh hơn, phức tạp hơn.

5
Chương 2

NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ
2.1.

Sơ lược lịch sử hóa học đến thế kỷ thứ XIX – khái niệm về nguyên tử, nguyên tố
hóa học, đơn chất, và hợp chất

Vật chất chung quanh ta có nguồn gốc từ đâu, chúng có cấu tạo thế nào, biến đổi gì đã
xảy ra khi ta nướng quặng để thu được kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Con người đã
đặt ra những câu hỏi tương tự như vậy từ thuở sơ khai của xã hội loài người. Từ đó đến nay,
người ta đã đưa ra nhiều cách giải thích khác nhau về nguồn gốc và cấu tạo của thế giới vật
chất. Trong phần này, ta chỉ kể đến vài cách giải thích nổi bật trước thế kỷ thứ XIX. Vào khoảng
400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp tin rằng tất cả vật chất được tạo thành từ sự kết hợp
của bốn nguyên tố: lửa, đất, nước, và khơng khí. Bên cạnh đó, họ cũng cho rằng các sự biến đổi
của vật chất đều xuất phát từ sự kết hợp khác nhau của bốn yếu tố trên. Họ cũng quan tâm tới
vấn đề liệu vật chất có tính liên tục hay gián đoạn, liệu có những “hạt không thể phân chia được
nữa” tạo nên vật chất hay không. Một nhà triết học Hy Lạp thời bấy giờ là Democritus đã ủng hộ
ý tưởng vật chất có tính gián đoạn. Theo Democritus, vật chất được tạo thành từ những hạt rất
nhỏ, khơng thể nhìn thấy, khơng thể phân chia được, và ơng gọi các hạt đó là ngun tử (chính
xác hơn, Democritus gọi các hạt đó là atomos, ngày nay ta gọi là atom). Có thể xem Democritus
là người đầu tiên giải thích cấu tạo của vật chất dựa vào khái niệm nguyên tử. Tuy nhiên, giải
thích của ông chỉ xuất phát từ trực giác, không phải là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa
học.
Hai ngàn năm tiếp theo trong lịch sử hóa học là giai đoạn giả kim thuật. Các nhà giả kim
ln ln tìm cách chuyển các kim loại rẻ tiền thành vàng. Mặc dù khơng thực hiện được điều
đó, họ đã khám phá ra nhiều nguyên tố hóa học như thủy ngân (Hg), lưu huỳnh (S), antimony
(Sb), và biết cách điều chế một số acid và muối vơ cơ, ví dụ như acid sulfuric (H2SO4), acid nitric
(HNO3), muối natrium sulfate (Na2SO4), v.v…

Nền móng của hóa học hiện đại được bắt đầu xây dựng từ thế kỷ thứ XVI với các nghiên
cứu một cách có hệ thống trong lĩnh vực luyện kim của Georgius Agricola (cịn có tên là Georg
Bauer, 1494–1555), và việc dùng các khống chất vào y học bởi Paracelsus (cịn có tên là
Theophrastus von Hohenheim, 1493–1541). Tuy vậy, Robert Boyle (1627–1691) mới được xem
là nhà hóa học hiện đại đầu tiên tiến hành các thí nghiệm mang tính định lượng theo phương
pháp nghiên cứu khoa học khi ông khảo sát mối tương quan giữa thể tích và áp suất của chất
khí. Các nghiên cứu định lượng trong vật lý và hóa học phát triển mạnh sau khi Boyle xuất bản
cuốn “The Steptical Chemist” vào năm 1661.
Bên cạnh định luật về chất khí, một đóng góp quan trọng khác của Boyle trong hóa học là
đưa ra khái niệm nguyên tố hóa học. Qua quan sát, Boyle thấy có một số chất có thể bị phân
chia thành những chất đơn giản hơn, ví dụ, khi nung nóng thủy ngân oxide, ơng thu được thủy
ngân và oxygen. Tuy nhiên, không thể phân chia thủy ngân và oxygen thành những chất đơn
giản hơn nữa. Từ đó, Boyle định nghĩa: mỗi chất là một nguyên tố hóa học (element) nếu ta
khơng thể phân chia nó thành hai hay nhiều chất đơn giản hơn. Dù vậy, ông khơng nói rõ là có
bao nhiêu ngun tố hóa học. Hiện nay, từ “element” trong thuật ngữ hóa học tiếng Anh (ngôn
ngữ của Boyle) được dùng với cả hai nghĩa, “đơn chất” và “nguyên tố hóa học”. Thuật ngữ hóa
học hiện đại của nhiều ngôn ngữ khác với tiếng Anh, trong đó có tiếng Việt, phân biệt “đơn chất”
và “nguyên tố hóa học”. “Đơn chất” là những chất được tạo thành từ các nguyên tử của cùng
một nguyên tố, ví dụ, oxygen là đơn chất vì phân tử oxygen gồm hai nguyên tử O giống nhau, ký


6
hiệu là O2. Đối nghịch với đơn chất là “hợp chất” là những chất được tạo thành từ hai hay nhiều
loại nguyên tử khác nhau, ví dụ, thủy ngân oxide, HgO, là hợp chất vì chất này được tạo thành
từ hai loại nguyên tử, O và Hg. Trong khi đó, thuật ngữ “nguyên tố hóa học” để chỉ tập hợp các
ngun tử có cùng điện tích hạt nhân ngun tử (xem chi tiết ở mục 2.3). Ngoài ra, thuật ngữ
“chất” có thể dùng chung cho đơn chất và hợp chất khi không cần phân định rõ ràng hai loại này.
Trong phần còn lại của tài liệu này, các thuật ngữ chất, đơn chất, hợp chất, và nguyên tố hóa
học sẽ được dùng theo các định nghĩa vừa nêu trên.
Từ khái niệm nguyên tố hóa học của Boyle và các kết quả nghiên cứu tiếp theo, các khí

oxygen, nitrogen, hydrogen, carbonic dần dần được phát hiện, và số nguyên tố hóa học biết
được tăng lên nhanh chóng. Khái niệm nguyên tử và nguyên tố hóa học dần dần được chấp
nhận rộng rãi và thay thế hẳn thuyết “bốn yếu tố” của người Hy Lạp. Điều đáng cho ta suy ngẫm
là mặc dù Boyle là nhà nghiên cứu khoa học xuất sắc, ông vẫn mắc sai lầm. Boyle vẫn trung
thành với quan điểm của các nhà giả kim nên cho rằng kim loại khơng thực sự là ngun tố hóa
học, và ta có thể tìm được cách chuyển kim loại này thành kim loại khác.
Chính các nghiên cứu định lượng đã mở đường cho sự ra đời của các định luật cơ sở
của hóa học. Antoine Lavoisier (1743 – 1794) đã nghiên cứu cẩn thận tổng khối lượng của các
tác chất và sản phẩm trong nhiều phản ứng hóa học khác nhau, ông nhận thấy khối lượng của
các chất trong phản ứng không tăng lên hoặc giảm xuống sau khi phản ứng hóa học xảy ra. Các
kết quả này được tổng kết thành định luật bảo toàn khối lượng. Đây là định luật đầu tiên, đặt nền
móng cho sự phát triển của hóa học trong thế kỷ thứ XIX.
Thế kỷ thứ XVIII – XIX là giai đoạn tìm ra các định luật khoa học tự nhiên làm tiền đề cho
sự phát triển hóa học sau đó. Joseph Proust (1754 – 1826) đã tìm ra định luật thành phần khơng
đổi sau khi quan sát thấy các chất dù được điều chế bằng những cách khác nhau vẫn chứa các
nguyên tố hóa học như nhau với tỷ lệ khối lượng của các nguyên tố là bằng nhau. Ví dụ, khí
carbonic (CO2) có thể được điều chế bằng cách đốt cháy than hoặc cho acid phản ứng với đá
vôi, nhưng dù điều chế bằng cách nào thì tỷ lệ khối lượng giữa oxygen (O) và carbon (C) trong
khí carbonic ln ln bằng nhau: mO/mC = 2.66. Jonh Dalton (1766 – 1844) nghiên cứu thành
phần của các nguyên tố hóa học trong các hợp chất và tìm ra định luật tỷ lệ bội: khi hai nguyên
tố có thể kết hợp với nhau để tạo ra nhiều hơn một hợp chất thì tỷ lệ khối lượng của nguyên tố
thứ nhất kết hợp với 1 gram nguyên tố thứ hai trong các hợp chất luôn luôn là các số nguyên
nhỏ. Ví dụ, khối lượng oxygen kết hợp với 1 gram carbon trong hai hợp chất khí của O và C là
1.33 g (hợp chất I) và 2.66 g (hợp chất II). Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hơn hợp chất I; tỷ lệ
khối lượng oxygen kết hợp với 1 gram carbon trong hai hợp chất trên là 2.66/1.33 = 2, là một số
nguyên nhỏ. Từ kết quả đó, Dalton đề nghị nếu hợp chất I có cơng thức là CO thì hợp chất II
phải có cơng thức là CO2.
Trong giai đoạn này, các nhà khoa học không chỉ tìm ra các định luật mà cịn bắt đầu
đưa ra các thuyết để giải thích cấu tạo của vật chất. Một trong các thuyết vẫn còn giá trị cho đến
ngày nay là thuyết nguyên tử do Dalton đề nghị năm 1808. Nội dung của thuyết gồm các điểm

sau:



Vật chất được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không thể phân chia thành những phần
nhỏ hơn, cũng không phá hủy được chúng, các hạt rất nhỏ đó là nguyên tử.
Các nguyên tử của cùng một nguyên tố thì giống nhau; các nguyên tố khác nhau có
nguyên tử khác nhau.


7


Nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau theo những tỷ lệ xác định để
tạo thành các hợp chất.



Có sự sắp xếp lại của các nguyên tử trong các chất khi phản ứng hóa học xảy ra. Nói
cách khác, khi phản ứng hóa học xảy ra, các nguyên tử kết hợp với nhau theo cách khác
để tạo thành các chất mới, nhưng bản thân nguyên tử khơng thay đổi trong phản ứng
hóa học.

Có thể xem đây là thuyết nguyên tử đầu tiên xuất phát từ kết quả thực nghiệm. Từ đó,
các khái niệm về nguyên tử và nguyên tố hóa học dần dần trở nên quen thuộc và rõ ràng hơn.
Cũng từ các kết quả nghiên cứu định lượng, các kiến thức hóa học tăng lên một cách nhanh
chóng. Dựa vào kết quả định lượng tỷ lệ khối lượng giữa các nguyên tố trong hợp chất (ví dụ,
cứ 1 khối lượng hydrogen thì có 8 khối lượng oxygen trong nước), Dalton là người đầu tiên lập
ra bảng khối lượng tương đối của các nguyên tử. Các kết quả định lượng cho thấy H ln có
khối lượng nhỏ nhất trong các chất, vì vậy khối lượng tương đối của nguyên tử H được quy ước

là 1, từ đó người ta tính được khối lượng tương đối của ngun tử của các ngun tố khác. Vì
lúc đó cơng thức phân tử của nhiều chất chưa được biết rõ nên có nhiều sai sót trong bảng khối
lượng tương đối này. Ví dụ, kết quả thí nghiệm cho thấy cứ 1 khối lượng hydrogen (H) thì có 8
khối lượng oxygen (O) trong nước, vì lúc bấy giờ cơng thức phân tử của nước được cho là OH,
nên Dalton cho rằng nếu khối lượng nguyên tử của H là 1 thì khối lượng nguyên tử của O là 8
(ngày nay ta biết công thức phân tử của nước là H2O và khối lượng tương đối của nguyên tử O
là 16). Tuy vậy, việc Dalton lập bảng khối lượng tương đối của các nguyên tử là một bước quan
trọng cho các nghiên cứu tiếp theo.
Cũng vào năm 1808, nhà hóa học Joseph Gay–Lussac (1778–1850) đã đo thể tích phản
ứng giữa các chất khí và thu được nhiều kết quả có độ tin cậy cao, nhưng ơng chưa thể giải
thích tại sao chúng lại xảy ra như vậy. Ví dụ, ơng thấy cứ hai đơn vị thể tích khí hydrogen phản
ứng với một đơn vị thể tích khí oxygen thì tạo thành hai đơn vị thể tích hơi nước. Ba năm sau,
năm 1811, Amedeo Avogadro (1776–1856) ủng hộ giả thuyết cho rằng ở cùng nhiệt độ và áp
suất, các thể tích bằng nhau của các chất khí chứa cùng một số lượng “hạt” như nhau. Ông cho
rằng giả thuyết này chỉ hợp lý nếu ta chấp nhận rằng khoảng cách giữa các “hạt” ở thể khí rất
lớn so với kích thước của từng hạt. Các “hạt” ở thể khí được Avogadro gọi là “phân tử”. Từ đó,
ơng đã biểu diễn và giải thích kết quả thí nghiệm của Gay-Lussac như sau:
2 thể tích hydrogen + 1 thể tích oxygen → 2 thể tích nước
tương ứng với:
2 phân tử hydrogen + 1 phân tử oxygen → 2 phân tử nước
Avogadro lập luận rằng chỉ có thể giải thích tốt nhất các dữ kiện trên nếu ta chấp nhận
các khí hydrogen và oxygen có phân tử ở dạng nhị nguyên tử: H2, O2, còn nước có cơng thức
phân tử là H2O. Tuy nhiên, con đường khám phá kiến thức mới không phải lúc nào cũng bằng
phẳng và thuận lợi. Đáng tiếc là lúc bấy giờ chưa có nhiều kết quả thí nghiệm và giải thích của
Avogadro khơng đủ sức thuyết phục các nhà hóa học.
Gần nửa thế kỷ sau đó, Stanislao Cannizzaro (1826–1910) thực hiện hàng loạt các thí
nghiệm đo tỷ lệ khối lượng của các chất khí so với khí hydrogen trong cùng điều kiện nhiệt độ và
áp suất. Ví dụ, ơng đo được tỷ lệ khối lượng của 1 L oxygen và 1 L hydrogen là 16 và biểu diễn
như sau:

8
𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 1 𝐿 𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛
16 32
=
=
𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 1 𝐿 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛
1
2
Tin tưởng vào thuyết nguyên tử của Dalton và giả thuyết của Avogadro cho rằng phân tử
oxygen và hydrogen là O2 và H2, Cannizzaro lập luận: nếu khối lượng của nguyên tử hydrogen
(H) là 1 thì khối lượng của phân tử hydrogen (H2) bằng 2, khối lượng của phân tử oxygen (O2) là
32, và khối lượng nguyên tử của oxygen (O) là 16.
Bên cạnh đó, Cannizzaro đo được khối lượng phân tử của khí carbonic là 44. Các thí
nghiệm phân tích thành phần của hợp chất này cho thấy carbon chiếm 27% khối lượng. Từ đó
ơng tính được trong 44 gram carbon dioxide có (0.27) x (44 gram) = 12 gram carbon, vậy oxygen
chiếm 32 gram, nghĩa là có 2 nguyên tử O trong phân tử khí carbonic. Cannizzaro cũng đo khối
lượng phân tử và khối lượng của các nguyên tố tạo thành các chất khí chứa carbon khác như
methane, ethane, propane, butane… Khối lượng của carbon trong các phân tử trên luôn luôn là
bội số của 12 (xem cột phải trong Bảng 2.1). Các dữ liệu này đã thuyết phục mạnh mẽ cho việc
đề nghị khối lượng tương đối của nguyên tử carbon là 12, và công thức phân tử của khí
carbonic là CO2.
Bảng 2.1. Khối lượng của carbon trong các phân tử khác nhau
Hợp chất

Khối lượng
phân tử

% khối lượng C
trong hợp chất

Khối lượng của C
trong phân tử

Methane

16

75

12

Ethane

30

80

24

Propane

44

82

36

Butane

58

83

48

Khí carbonic

44

27

12

Năm 1860, tại Hội nghị Hóa học thế giới lần thứ nhất ở Đức, cả trong các thảo luận trên
diễn đàn lẫn ở các cuộc đàm đạo ngoài hành lang, Cannizzaro đã dùng thuyết nguyên tử của
Dalton và giả thuyết của Avogadro để giải thích các kết quả thí nghiệm của mình. Với số lượng
kết quả thí nghiệm đủ lớn, giải thích của Cannizzaro đã thuyết phục hội nghị, và từ đó hóa học
có bảng quy ước mới về khối lượng tương đối của ngun tử. Cũng nói thêm rằng Cannizzaro
khơng phải là người xác định khối lượng chính xác của nguyên tử, ông chỉ xác định các giá trị
gần đúng của khối lượng tương đối của các nguyên tử. Berzelius (1779–1848) chính là người
tiến hành các thí nghiệm định lượng chính xác khối lượng tương đối của các nguyên tử.
Vào đầu năm 1800, các nhà hóa học biết được khoảng 30 nguyên tố hóa học. Nhờ
những khám phá của hóa học trong thời gian này, đến năm 1860, số nguyên tố được xác định
khối lượng ngun tử và tính chất hóa học đã lên tới 60. Cùng lúc đó, các nhà hóa học đã nhận
thấy nhiều ngun tố có tính chất hóa học tương tự nhau. Đến năm 1872, Mendeleev sắp xếp
các nguyên tố hóa học theo sự biến thiên tuần hồn các tính chất của chúng thành bảng phân
loại tuần hồn, từ đó mở đường cho việc nghiên cứu tính chất của các nguyên tố hóa học một
cách có hệ thống hơn. Ta sẽ xem chi tiết về bảng phân loại tuần hồn của các ngun tố hóa
học trong Chương 4. Trong phần tiếp theo của chương này, ta sẽ xem sự khám phá cấu tạo của

nguyên tử từ các kết quả nghiên cứu hiện đại.


9
2.2.

Hóa học hiện đại – các thí nghiệm khám phá cấu tạo của nguyên tử

Từ các kết quả nghiên cứu của Dalton, Gay-Lussac, Cannizzaro, v.v… các khái niệm về
nguyên tử, nguyên tố hóa học, đơn chất, và hợp chất ngày càng trở nên có ý nghĩa rõ ràng hơn
và được chấp nhận rộng rãi. Tuy nhiên, mãi đến cuối thế kỷ thứ XIX – đầu thế kỷ thứ XX, thành
phần và cấu tạo của nguyên tử mới dần dần được khám phá từ thực nghiệm. Như đã nói, các
kiến thức mới trong khoa học luôn luôn được phát triển từ những kiến thức đã biết. Trước khi
khám phá ra cấu tạo của nguyên tử, các nhà khoa học đã biết đến các hiện tượng và tính chất
của điện và từ. Họ đã biết hầu hết vật chất quanh ta trung hịa điện, nhưng chúng có thể trở
thành tích điện trong điều kiện thích hợp. Ví dụ, khi ta chà mạnh trái banh cao su vào tấm vải,
trái banh và tấm vải trở thành tích điện khác nhau, thường gọi là điện dương và điện âm. Các
nhà khoa học cũng biết các vật mang điện giống nhau thì đẩy nhau, các vật mang điện khác
nhau thì hút nhau. Các kiến thức đó là cơ sở để giải thích cấu tạo ngun tử từ các kết quả thí
nghiệm sẽ được giới thiệu trong phần tiếp theo sau đây.
2.2.1. Thí nghiệm khám phá electron – Thuyết nguyên tử của Thomson

Hình 2.1. Cấu tạo của ống phát tia âm cực.
Dụng cụ góp phần khám phá cấu tạo của nguyên tử là ống phát tia âm cực, còn được gọi
là ống phát tia cathode (Cathode-ray tube, viết tắt là CRT). CRT không xa lạ với chúng ta, chúng
được dùng làm đèn hình cho màn ảnh ti vi và máy vi tính cho đến khoảng năm 2000, trước khi
các màn hình này được thay thế bằng màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD). Gần
giữa thế kỷ thứ XIX, một số nhà vật lý đã cải tiến thí nghiệm phóng điện trong áp suất thấp và
quan sát thấy khi áp điện thế cao vào hai điện cực kim loại đặt trong một ống chân không thì từ
cực âm (cathode) của ống xuất hiện một chùm tia hướng về phía cực dương (anode). Chùm tia

đó sau này được gọi là tia âm cực, nên ống được đặt tên là ống phát tia âm cực. Cấu tạo của
CRT được vẽ trong Hình 2.1, trong đó anode có một lỗ trống ở giữa để chùm tia âm cực có thể
đi xun qua và đập vào màn hình ở cuối ống. Thực ra, ta không thấy được tia âm cực tạo thành
trong CRT bằng mắt thường. Nhưng tia âm cực phát sáng khi chạm vào các vật liệu phát quang
(fluorescence); vì vậy, bằng cách sơn vật liệu phát quang vào màn hình của CRT, người ta
“thấy” được tia âm cực. Ví dụ, màn hình của ống CRT trong Hình 2.1 được phủ bằng lớp phát
quang kẽm sulfide (ZnS), chấm xanh ở giữa biểu diễn cho vị trí tia âm cực đập vào màn hình.


10

Hình 2.2. Chùm tia âm cực bị lệch khi đi qua điện trường hoặc từ trường.

Các nhà khoa học cũng quan sát thấy rằng, bình thường chùm tia âm cực đi thẳng (Hình
2.1), nhưng nếu ta đặt thêm tụ điện (điện trường) hoặc nam châm (từ trường) trên đường đi của
chùm tia âm cực, tia âm cực sẽ bị lệch khỏi vị trí ban đầu (Hình 2.2). Kết quả thí nghiệm cho
thấy chùm tia âm cực luôn luôn lệch về phía cực dương của tụ điện, và hiện tượng này xảy ra
khi ta thay cực âm của CRT bằng nhiều kim loại khác nhau. Năm 1897, Joseph John Thomson
(1856–1940) giải thích rằng chùm tia âm cực lệch về phía cực dương của điện trường nên đó
phải là chùm của các hạt mang điện tích âm. Sau đó, các hạt mang điện tích âm này được gọi là
các electron, hay điện tử. Bằng các phép đo cường độ điện trường áp vào CRT và độ lệch của
chùm tia âm cực khi đi qua điện trường, Thomson xác định được tỷ số giữa khối lượng (m) và
điện tích (e) của electron là:
m/e = – 5.6857 x 10–9 g/C

(2.1)

Dấu âm trong biểu thức (2.1) xuất phát từ quy ước electron mang điện tích âm. Vì sự
phát ra tia âm cực và tỷ lệ m/e đo được không phụ thuộc vào bản chất kim loại làm cực âm của
CRT, Thomson cho rằng tất cả các nguyên tử đều có electron. Hơn nữa, bản thân kim loại

khơng tích điện, tức là ngun tử trung hịa điện, nên phần cịn lại của ngun tử phải có điện
tích dương. Từ lập luận đó, Thomson đưa ra mơ hình cấu tạo nguyên tử như sau: nguyên tử
như một đám mây hình cầu mang điện dương với các electron mang điện âm nằm rải rác trong
đám mây như biểu diễn trong Hình 2.3. Khi nguyên tử mất một vài electron, nó trở thành ion
dương. Đây là lý thuyết đầu tiên về cấu tạo nguyên tử được đưa ra từ kết quả thực nghiệm. Cấu
tạo nguyên tử do Thomson đề nghị trông tương tự như một loại bánh bông lan có nhân rải rác
bên trong của người Anh, gọi là bánh plum pudding, do đó thuyết nguyên tử của Thomson cịn
có tên là “Plum Pudding model”.

Hình 2.3. Mơ hình ngun tử của Thomson: nguyên tử như một đám mây hình cầu
mang điện dương, các electron mang điện âm nằm rải rác trong đám mây.
Từ câu chuyện về kết quả nghiên cứu khoa học vừa kể trên, ta thấy rằng nhà khoa học
đưa ra lời giải thích cho một vấn đề nào đó khơng phải ln ln là người đầu tiên quan sát
được hiện tượng hay thu thập dữ liệu thí nghiệm. Hơn nữa, đôi khi phải mất một thời gian không


11
ngắn để tìm ra lời giải thích hợp lý cho các hiện tượng quan sát được. Trong trường hợp này,
Michael Faraday (1791–1867), Julius Plücker (1801–1868), William Crookes (1832–1919) là
những người đầu tiên nghiên cứu tia âm cực từ giữa thế kỷ thứ XIX, nhưng mãi đến cuối thế kỷ
XIX thì Thomson mới đề nghị cách giải thích cho hiện tượng phát ra tia âm cực. Khi đã có lời giải
thích, thuyết mới có thể ra đời.

Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm giọt dầu rơi của Millikan.
Năm 1909, Robert Millikan (1868–1953) làm hàng loạt thí nghiệm để quan sát các giọt
dầu tích điện rơi trong điện trường. Hình 2.4 là sơ đồ thí nghiệm của Millikan. Khi các hạt dầu
khơng tích điện, chúng chỉ rơi dưới tác dụng của trọng trường. Khi bắn chùm electron được tạo
ra từ nguồn phát tia X vào các hạt dầu đang rơi, các hạt dầu trở thành tích điện âm và sẽ chịu
ảnh hưởng cùng lúc của trọng trường và điện trường bên ngoài. Millikan đã thay đổi cường độ
của điện trường bên ngoài tạo bởi hai bản tụ điện để điều khiển tốc độ rơi của các hạt dầu tích

điện, đồng thời ơng đo cẩn thận khối lượng và tốc độ rơi của các hạt dầu. Ơng phát hiện điện
tích của các hạt dầu tích điện ln ln là bội số của –1.6 x 10–19 C. Sau đó, điện tích này được
quy ước là đơn vị điện tích, và cũng là điện tích của electron. Kết hợp với kết quả thực nghiệm
của Thomson, khối lượng của electron tính được là 9.11 x 10–31 kg. Như vậy, sự có mặt của
electron trong nguyên tử với khối lượng và điện tích nhất định đã được xác nhận.
2.2.2. Hiện tượng phóng xạ tự nhiên
Cuối thế kỷ thứ XIX, Antoine Henri Becquerel (1852–1908) quan sát thấy một số chất
chứa uranium (U) có thể làm đen giấy ảnh. Sau đó, người ta biết giấy ảnh bị đen là do các chất
uranium có thể tự phát xạ ra các tia mà mắt ta khơng nhìn thấy. Ernest Rutherford (1871–1937)
và Paul Villard (1860–1934) đã xác định thành phần các tia đó là:


Tia alpha, ký hiệu là , là chùm của các hạt mang điện tích +2 (điện tích ngược dấu và
có độ lớn gấp đơi điện tích của electron); sau này người ta biết tia alpha là chùm các hạt
nhân của nguyên tử Helium (tức là ion He2+);



Tia beta, ký hiệu là , là các electron có tốc độ cao;



Tia gamma, ký hiệu là , là sóng điện từ có năng lượng cao.

Đầu thế kỷ thứ XX, các nhà khoa học tìm thấy nhiều loại ngun tử khác có thể tự phát
xạ tương tự như uranium. Hiện tượng các chất tự phát ra các tia , , và  được gọi là hiện
tượng phóng xạ tự nhiên; các tia , , và  được gọi là các tia phóng xạ. Ngồi ra, Ernest
Rutherford và Frederick Soddy (1877–1956) quan sát thấy khi nguyên tử phóng xạ, chúng
chuyển thành nguyên tử của nguyên tố khác, điều này hồn tồn khơng xảy ra trong các phản

12
ứng hóa học thơng thường. Nói cách khác, hiện tượng phóng xạ tự nhiên đi kèm với sự thay đổi
vật chất ở cấp độ nhỏ hơn nguyên tử; tức là nguyên tử được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn. Đến
lúc này, sự tồn tại của các electron mang điện tích âm và các hạt mang điện tích dương đã được
xác nhận.

Hình 2.5. Thành phần và tính chất của các tia phóng xạ tự nhiên khi đi qua điện trường.
2.2.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử theo Rutherford

Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm bắn chùm tia  vào tấm kim loại của Rutherford.

Năm 1909, Emest Rutherford và phụ tá của ông, Hans Geiger (1882–1945), thiết kế thí
nghiệm để nghiên cứu sự phân bố của electron trong nguyên tử bằng cách dùng chùm hạt 
bắn vào các lá kim loại mỏng. Mô hình dụng cụ nghiên cứu được biểu diễn ở Hình 2.6, trong đó
radium là nguồn phát tia . Ta có thể theo dõi chùm tia  sau khi đi qua lá kim loại bằng các ống
kính có màn hình được sơn chất phát quang ZnS. Theo mơ hình ngun tử của Thomson, nhóm
nghiên cứu của Rutherford dự đốn hầu hết chùm  sẽ đi xuyên thẳng qua đám mây mang điện


13
tích dương của nguyên tử, chỉ một phần nhỏ chùm  bị lệch hướng nhẹ do va chạm với các
electron.
Tuy nhiên, Hans Geiger và Ernst Marsden, một sinh viên khác của Rutherford, đã quan
sát thấy (xem Hình 2.7):
1. Hầu hết chùm tia  xuyên thẳng qua lá kim loại mà khơng bị lệch hướng (Hình 2.7a
và 1 trong Hình 2.7b);
2. Một phần nhỏ chùm tia  bị lệch hướng nhẹ (2 trong Hình 2.7b);
3. Một phần rất ít chùm tia  (khoảng 1/20000) lệch hướng đáng kể sau khi đi qua lá
kim loại (3 trong Hình 2.7b);

4. Khoảng 1/20000 chùm tia  không xuyên qua tấm kim loại, mà dội ngược trở lại
hướng ban đầu (4 trong Hình 2.7b).

Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm của Rutherford và cộng sự (xem chi tiết trong bài)
Kết quả 3 và 4 trong Hình 2.7b hồn tồn nằm ngồi dự đốn của nhóm nghiên cứu.
Rutherford cho rằng, các hạt  bị phản xạ ngược theo nhiều hướng khác nhau (3 và 4 trong
Hình 2.7b) do va chạm với các “hạt mang điện tích dương” trong lá kim loại, hay trong nguyên
tử. Vì tỷ lệ của các hạt  phản xạ ngược rất thấp nên các hạt mang điện tích dương trong
nguyên tử phải tập trung ở vùng rất nhỏ, như vậy mơ hình ngun tử theo kiểu đám mây hình
cầu tích điện dương của Thomson là khơng hợp lý, hay nói cách khác, ngun tử phải “rỗng”.
Dựa vào kết quả thí nghiệm này, năm 1911 Rutherford đề nghị mơ hình ngun tử mới (thuyết
mới) như sau:
-

Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ và nằm ở tâm
ngun tử, phần khơng gian cịn lại của ngun tử là rỗng;
Các electron mang điện tích âm chuyển động quanh nhân và ở khoảng cách khá xa
so với hạt nhân nguyên tử;
Các ngun tử khác nhau có điện tích hạt nhân ngun tử khác nhau; điện tích hạt
nhân của nguyên tử bằng tổng điện tích của các electron trong nguyên tử, nhưng trái
dấu, do đó ngun tử trung hịa điện.

Mẫu ngun tử của Rutherford đã giải thích hợp lý các dữ kiện thực nghiệm cho đến lúc
đó về cấu trúc chung của ngun tử. Đến nay, mơ hình của Rutherford vẫn được dùng cho cấu
trúc nguyên tử theo các lý thuyết hiện đại (xem Hình 2.8 và mục 2.2.5). Tuy nhiên, một câu hỏi


14
khác mà các nhà khoa học lúc bấy giờ vẫn chưa thể trả lời thỏa đáng là: tại sao các electron
mang điện tích âm lại khơng rơi vào hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương?

2.2.4. Sự khám phá proton và neutron trong nhân nguyên tử
Đầu thế kỷ thứ XX, những khám phá mới về sự phân rã phóng xạ hạt nhân nguyên tử
khiến các nhà khoa học dự đoán rằng hạt nhân nguyên tử phải được tạo thành từ những hạt
nhỏ hơn. Khi nghiên cứu tia X phát ra từ các nguyên tử khác nhau, Henry Moseley (1887–1915)
đã đo được điện tích hạt nhân nguyên tử. Kết quả thú vị là điện tích hạt nhân của các nguyên tử
khác nhau cách nhau từng đơn vị một, đơn vị đó chính bằng điện tích electron, nhưng mang
điện tích dương. Kết quả này hướng các nhà khoa học đến giả thuyết rằng hạt nhân của nguyên
tử được tạo thành từ các hạt giống nhau và mang điện tích dương +1; từ đó họ tìm cách thiết kế
thí nghiệm để chứng minh giả thuyết này.
Năm 1918, Rutherford cho bắn chùm tia  xuyên qua hơi của các nguyên tử nitrogen (N),
ông thấy có sự tạo thành một đồng vị của oxygen,

𝑂, và các hạt giống với hạt nhân của

nguyên tử H, phản ứng hạt nhân này được biểu diễn như sau:

𝑁 + 𝐻𝑒 

𝑂 + 𝐻. Đến lúc

đó, sự tồn tại của hạt proton ( 𝐻) với điện tích dương +1 được xác nhận.
Khi so sánh tổng khối lượng của proton và electron với khối lượng của nguyên tử,
Rutherford và James Chadwick (1891–1974) đã nghi ngờ sự tồn tại của các hạt neutron không
mang điện trong nhân nguyên tử, nhưng việc chứng minh nghi vấn trên bằng thực nghiệm gặp
khó khăn do tính trung hịa điện của hạt neutron. Năm 1932, khi các nhà khoa học dùng hạt 
bắn vào các nguyên tử beryllium (Be), họ thấy phát ra bức xạ lạ chưa từng biết tới, cho bức xạ
lạ này bắn vào parafin thì thấy tạo ra các hạt proton. Chadwick dự đốn bức xạ lạ đó là các hạt
neutron khơng mang điện, có khối lượng hơi lớn hơn proton. Sau đó ơng thiết kế các thí nghiệm
để chứng minh đó là neutron. Như vậy đến thập niên 1930, các nhà khoa học đã biết nhân
ngun tử có hai loại hạt chính, đó là proton và neutron.

2.2.5. Cấu tạo và các đặc trưng căn bản của nguyên tử
Bảng 2.2. Khối lượng và điện tích của các hạt proton, neutron, và electron
Khối lượng
Loại hạt

Ký hiệu

Điện tích

Tuyệt đối (kg)

Quy ước
(amu)*

Tuyệt đối (C)

Quy ước

Vị trí trong
nguyên tử

Electron

e, e–

9.1094 x 10–31

0.000549

–1.602 x 10–19

–1

Vỏ

Proton

p, p+

1.6726 x 10–27

1.0073

+1.602 x 10–19

+1

Nhân

Neutron

n, no

1.6749 x 10–27

1.0087

0

0

Nhân

Ghi chú: * Đơn vị khối lượng quy ước là amu, hay u (atomic mass unit); 1 amu = 1/12 khối
lượng của nguyên tử 12C = 1.660539 x10–27 kg.

Các kết quả thực nghiệm đến cuối thế kỷ thứ XIX và đầu thế kỷ thứ XX đã chứng tỏ
nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạt chính mà các nhà hóa học quan tâm: proton, neutron,
và electron. Hiện nay, nghiên cứu các vi hạt ở mức độ sâu hơn cho thấy cịn có một số loại hạt


15
khác tạo nên nguyên tử. Trong ba loại hạt đã kể trên, electron được xem là một loại hạt cơ bản
(electron là một trong sáu loại hạt lepton) – tức là không thể phân chia electron thành các hạt
nhỏ hơn. Tuy nhiên, vật lý hiện đại không xem proton và neutron là các hạt cơ bản vì chúng
được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn, đó là quark. Quark là các hạt cơ bản. Có sáu loại quark
khác nhau được đặt tên là up, down, strange, charm, bottom, và top. Proton được tạo thành từ
hai hạt quark up và một hạt quark down, neutron được tạo thành từ một hạt quark up và hai hạt
quark down.
Đến nay, bằng các máy móc đo lường hiện đại, khối lượng và điện tích của các hạt
proton, neutron, và electron đã được xác định chính xác và được dẫn trong Bảng 2.2.

Hình 2.8. Mơ hình cấu tạo ngun tử (ví dụ: ngun tử He).
Về cấu tạo nguyên tử, hiện nay các nhà khoa học đồng ý rằng ngun tử gồm hai phần
chính (xem Hình 2.8): phần thứ nhất là hạt nhân nguyên tử có kích thước khoảng 10–4 kích
thước nguyên tử, gồm các hạt proton mang điện dương và các hạt neutron trung hòa điện; phần
thứ hai là vỏ nguyên tử gồm các hạt electron mang điện tích âm.
Các kết quả thí nghiệm cho thấy số hạt proton trong nhân nguyên tử đúng bằng số hạt
electron ở vỏ, vì vậy ngun tử trung hịa điện. Mỗi nguyên tử đều có khối lượng nhất định. Một
cách gần đúng, khối lượng của nguyên tử xấp xỉ bằng tổng khối lượng của các hạt tạo thành nó;

khối lượng đúng của nguyên tử sẽ được thảo luận ở mục 2.3.3. Vì khối lượng của electron chỉ
bằng khoảng 1/2000 lần khối lượng của proton và neutron, nên ta có thể bỏ qua khối lượng các
electron khi tính gần đúng khối lượng của nguyên tử. Nói cách khác, có thể coi khối lượng của
nguyên tử gần bằng tổng khối lượng của các hạt proton và neutron trong nhân nguyên tử. Do
đó, người ta dùng số khối A, bằng tổng số hạt proton và neutron trong nguyên tử, để đặc trưng
cho khối lượng tương đối của nguyên tử:
Số khối của nguyên tử (A) = số hạt proton (Z) + số hạt neutron (N)
Mỗi nguyên tử được đặc trưng bằng điện tích hạt nhân Z (chính là số hạt proton trong
nhân nguyên tử) và số khối A của nó. A và Z là các số nguyên tự nhiên vì chúng đều là số hạt.
Nguyên tử được ký hiệu là: 𝑋, trong đó X là ký hiệu ngun tố hóa học. Ví dụ, nguyên tử 𝑂 là
nguyên tử oxygen, có ký hiệu hóa học là O, nguyên tử này có 8 proton trong nhân và số khối của
nó là 17. Từ đó, ta tính được số neutron trong nguyên tử này là 9.


16
2.3.

Nguyên tố hóa học – đồng vị – nguyên tử lượng

2.3.1. Nguyên tố hóa học
Ngày nay, ta biết tất cả các ngun tử có cùng điện tích hạt nhân, tức là cùng số proton
trong nhân và số electron ở lớp vỏ, đều có tính chất hóa học giống nhau. Các nguyên tử như
vậy thuộc cùng một nguyên tố hóa học (thường gọi vắn tắt là nguyên tố). Mỗi nguyên tố được
đặc trưng bởi số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó, chính là điện tích hạt nhân Z của các nguyên
tử tạo nên nguyên tố hóa học. Mỗi nguyên tố được đặt tên và ký hiệu riêng. Ví dụ, oxygen gồm
các ngun tử có điện tích hạt nhân Z = 8, và được ký hiệu là O. Đến nay, các nhà khoa học đã
xác nhận được 118 nguyên tố hóa học. Các nguyên tố có số hiệu nguyên tử cao hơn của
uranium (Z = 92) khơng có trong tự nhiên. Chúng là các nguyên tố nhân tạo, được các nhà khoa
học tạo thành từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân.
2.3.2. Đồng vị

Các kết quả nghiên cứu cho thấy các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học có thể
có khối lượng ngun tử khơng bằng nhau do số neutron trong nguyên tử khác nhau. Tập hợp
của các nguyên tử có cùng khối lượng của một nguyên tố, nghĩa là có cùng số proton và
neutron, được gọi là một đồng vị của nguyên tố đó. Thuật ngữ “đồng vị” ngụ ý tất cả các đồng vị
khác nhau của một ngun tố đều có “cùng một vị trí” trong bảng phân loại tuần hồn. Hầu hết
các ngun tố hóa học đều có nhiều đồng vị có trong tự nhiên, thường được gọi vắn tắt là đồng
vị tự nhiên. Ví dụ, nguyên tố neon có ba đồng vị tự nhiên (hay ba loại nguyên tử): 𝑁𝑒 , 𝑁𝑒, và
𝑁𝑒. Trong tất cả các nguyên tử neon có trong tự nhiên, có 90.51% số nguyên tử là 𝑁𝑒,
0.27% là 𝑁𝑒, và 9.22% là 𝑁𝑒. Lưu ý rằng phần trăm của các đồng vị ln được tính trên số
ngun tử, khơng tính trên khối lượng. Một số nguyên tố chỉ có một đồng vị trong tự nhiên, khi
đó phần trăm của đồng vị là 100%. Ví dụ, người ta biết hai loại nguyên tử nhôm trong tự nhiên,
𝐴𝑙 và 𝐴𝑙 . Tuy nhiên, các nguyên tử 𝐴𝑙 là sản phẩm từ sự bắn phá của proton từ vũ trụ vào
các nguyên tử argon (Ar), bản thân nguyên tử

𝐴𝑙 lại phóng xạ tự nhiên nên

trong tự nhiên ở lượng vơ cùng nhỏ, cịn được gọi là lượng vết, vì vậy đồng vị

𝐴𝑙 chỉ có mặt
𝐴𝑙 thường

không được kể đến. Người ta xem tất cả các nguyên tử nhôm trong tự nhiên đều là

𝐴𝑙 .

Các đồng vị tự nhiên của một nguyên tố hóa học có thể bền, hoặc phóng xạ tự nhiên
(hay khơng bền). Hạt nhân nguyên tử của các đồng vị phóng xạ tự nhiên tự phân hủy dần và
chuyển thành hạt nhân của các nguyên tố hóa học khác, đồng thời phát ra các tia phóng xạ. Đến
nay, người ta biết các hạt nhân ngun tử có điện tích hạt nhân cao hơn của chì (Pb, Z = 82)
đều phóng xạ tự nhiên và chuyển thành các hạt nhân khác. Tương quan giữa số neutron và

proton trong các đồng vị tự nhiên bền được thống kê và biểu diễn trong Hình 2.9: vùng màu
trắng với các chấm đỏ là vùng của các đồng vị bền, phía trên đó là vùng các hạt nhân giàu
neutron (neutron-rich nuclei), phía dưới là vùng các hạt nhân nghèo neutron (neutron-poor
nuclei). Như vậy, các nguyên tử có hạt nhân giàu hoặc nghèo neutron đều không bền, các
nguyên tử này phân rã phóng xạ tự nhiên. Để ý, các đồng vị bền ln có tỷ số N/Z ≥ 1. Các
đồng vị bền có N/Z = 1 chỉ gặp ở những nguyên tố tương đối nhẹ. Khi điện tích hạt nhân nguyên
tử tăng, tỷ số N/Z của các đồng vị bền tăng dần, và đạt đến khoảng 1.5 ở các ngun tử có điện
tích hạt nhân ngun tử xấp xỉ 80.


17

Hình 2.9. Tương quan giữa số neutron và proton
của các đồng vị nguyên tử bền trong tự nhiên (xem chi tiết trong bài).
2.3.3. Xác định khối lượng nguyên tử - phổ khối lượng

Hình 2.10. Sơ đồ máy khối phổ dùng để xác định khối lượng các đồng vị nguyên tử.

Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy khối lượng chính xác của nguyên tử hơi nhỏ hơn tổng
khối lượng của tất cả các proton, neutron, và electron tạo thành nguyên tử. Sự khác biệt giữa
tổng khối lượng của các hạt tạo thành nguyên tử và khối lượng thật của nguyên tử được gọi là
độ hụt khối lượng hay vắn tắt là độ hụt khối. Các nhà khoa học cho rằng khi các proton và
neutron kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử, một phần khối lượng của các hạt
này đã chuyển thành năng lượng liên kết hạt nhân. Năng lượng liên kết hạt nhân lớn hơn rất


18
nhiều so với lực vạn vật hấp dẫn hay lực tĩnh điện, nó đủ mạnh để giữ các proton đều có điện
tích dương và các neutron trung hịa điện với nhau để tạo thành hạt nhân ngun tử. Chính vì
sự chuyển hóa khối lượng thành năng lượng như vậy, nguyên tử có khối lượng nhỏ hơn tổng

khối lượng các hạt tạo thành. Tuy nhiên, ta khơng thể dự đốn chính xác phần giảm khối lượng
cho từng loại nguyên tử. Vì vậy, khối lượng đúng của nguyên tử phải được xác định từ thực
nghiệm.
Những thí nghiệm trước đây của Dalton, Gay-Lussac, và Cannizzaro chỉ xác định được
khối lượng tương đối của nguyên tử. Hiện nay, dụng cụ chính xác nhất để đo khối lượng nguyên
tử là máy khối phổ, sơ đồ của máy được trình bày trong Hình 2.10. Để đo khối lượng của
nguyên tử, mẫu nghiên cứu được làm bay hơi (hay cịn gọi là ngun tử hóa) và bắn phá bởi
chùm electron có năng lượng cao. Kết quả là một số electron bị bắn ra khỏi nguyên tử, phần còn
lại là các ion dương. Các ion dương tạo thành được cho đi qua điện trường thứ nhất để tăng tốc
độ. Sau đó, các ion dương với tốc độ nhất định tiếp tục đi qua điện trường thứ nhì đặt vng góc
với đường đi của chúng để tách thành các chùm ion có khối lượng và điện tích khác nhau. Mỗi
chùm ion dương với tỷ lệ khối lượng và điện tích riêng biệt sẽ tới đầu dị ion ở các vị trí khác
nhau (xem Hình 2.11a), càng nhiều ion tới một vị trí nào đó của đầu dị thì cường độ mũi phổ ở
đó càng cao. Vì khối lượng electron rất nhỏ so với khối lượng của proton và neutron (xem mục
2.2.5) nên khối lượng của ion và của nguyên tử tương ứng là xấp xỉ bằng nhau. Do đó, vị trí của
các ion trong khối phổ cũng là vị trí của các đồng vị nguyên tử tương ứng. Dữ liệu phổ thu được
gồm phần trăm số nguyên tử (hoặc số nguyên tử) và số khối của mỗi đồng vị, được biểu diễn
thành sơ đồ khối phổ (hay phổ khối lượng) như ví dụ trong Hình 2.11b. Hình 2.11b cho thấy khối
phổ của thủy ngân gồm 6 mũi với phần trăm số nguyên tử như sau: 0.146% 196Hg, 10.02%
198
Hg, 16.84% 199Hg, 23.13% 200Hg, 13.22% 201Hg, 29.80% 202Hg, và 6.85% 204Hg.

Hình 2.11. a) Sơ đồ sự phân tách các đồng vị của thủy ngân trong máy khối phổ;
b) Khối phổ của thủy ngân.

Việc tiếp theo là tìm khối lượng nguyên tử của từng đồng vị. Lưu ý rằng kết quả từ phổ
khối lượng nói trên chỉ cho ta biết phần trăm số nguyên tử và số khối của mỗi đồng vị. Số khối là
các số nguyên vì chúng là tổng số các hạt proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử, nhưng
khối lượng nguyên tử của các đồng vị theo đơn vị amu hay kg đều không phải là số nguyên (trừ
khối lượng của nguyên tử 12C là 12 amu). Để xác định khối lượng đúng của mỗi nguyên tử (hay

mỗi đồng vị), người ta chọn khối lượng của một nguyên tử nào đó làm chuẩn, rồi từ khối phổ, ta


19
xác định chính xác tỷ lệ khối lượng của nguyên tử đó với khối lượng nguyên tử được chọn làm
chuẩn. Nguyên tử 12C là nguyên tử được chọn làm khối lượng chuẩn, với khối lượng là 12 amu.
Ví dụ, tỷ lệ khối lượng của các nguyên tử 16O và 12C được xác định từ khối phổ là

=

1.33291, vậy khối lượng của nguyên tử 16O là m16O = 1.33291*12 amu = 15.9949 amu (số này
rất gần với số khối của nguyên tử 16O là 16). Bằng cách như vậy, người ta xác định được khối
lượng chính xác tính của từng nguyên tử theo đơn vị khối lượng quy ước (amu).
2.3.4. Nguyên tử lượng của nguyên tố hóa học
Mỗi nguyên tố hóa học trong tự nhiên thường là tập hợp của nhiều đồng vị nên khối
lượng nguyên tử dùng để cân đong trong thực tế là khối lượng nguyên tử trung bình có tính đến
thành phần của các đồng vị, được gọi là nguyên tử lượng trung bình, hay vắn tắt là nguyên tử
lượng. Nếu gọi khối lượng nguyên tử của đồng vị thứ i là m i và tỷ lệ thành phần nguyên tử của
nó là xi, nguyên tử lượng M của một ngun tố nào đó được tính theo cơng thức (2.1):
M = x1 m1 + x2 m2 + x3 m3 + ...

(2.1)

với: x1 + x2 + x3 + ... = 1

(2.2)

Ví dụ, kết quả phân tích khối phổ của nguyên tố carbon cho thấy có hai loại đồng vị
carbon trong tự nhiên, 98.93% các nguyên tử carbon là 12C với khối lượng nguyên tử là 12 amu
(chính là khối lượng quy ước), phần còn lại là các nguyên tử 13C với khối lượng được xác định

từ khối phổ là 13.0033548378 amu. Do đó, ngun tử lượng của carbon tính theo amu là:
MC = 0.9893 * 12 amu + (1 - 0.9893) * 13.0033548378 amu = 12.0107 amu
Nguyên tử lượng của các nguyên tố hóa học thường được ghi trong bảng phân loại tuần
hoàn. Trong các bảng tra cứu nguyên tử lượng, ta có thể thấy một số nguyên tố hóa học có
ngun tử lượng với độ chính xác cao hơn những nguyên tố khác. Ví dụ, nguyên tử lượng của
fluorine (F) là 18.9984 amu có 6 chữ số có nghĩa, tức là có độ chính xác cao hơn của krypton
(Kr), 83.798 amu với 5 chữ số có nghĩa. Thực ra, ngun tử lượng của F cịn có độ chính xác
cao hơn nữa, bằng 18.9984032 amu với 9 chữ số có nghĩa, giá trị 18.9948 là con số đã làm trịn
thành 6 chữ số có nghĩa. Ngun tử lượng của fluorine có độ chính xác cao hơn vì giá trị này
được xác định từ một đồng vị của F trong tự nhiên, trong khi nguyên tử lượng của krypton được
xác định từ sáu đồng vị tự nhiên. Thành phần phần trăm nguyên tử của các đồng vị của krypton
có thể khác nhau trong các mẫu nghiên cứu, do đó khối lượng nguyên tử của Kr xác định từ
thực nghiệm có độ chính xác thấp hơn của F. Hiện nay, thành phần đồng vị và nguyên tử lượng
của một số nguyên tố vẫn tiếp tục được cập nhật hàng năm khi các dữ liệu thực nghiệm mới cho
ta các số liệu khác với trước đó, và số liệu mới được cho là chính xác hơn số liệu đã có. Ví dụ,
năm 2015, nguyên tử lượng của ytterbium (Yb) đã được hiệp hội Hóa học quốc tế (IUPAC) điều
chỉnh từ 173.054 amu thành 173.045 amu.
2.4.

Mole, khối lượng mole, số Avogadro

Các nhà hóa học đã sớm nhận ra rằng các chất luôn phản ứng với nhau theo tỷ lệ số
nguyên tử hoặc phân tử xác định. Ví dụ, mỗi phân tử H2 phản ứng với một phân tử Cl2, tạo
thành hai phân tử HCl, phương trình phản ứng được biểu diễn như sau:
H2 + Cl2 → 2 HCl
Nghĩa là ta cần lấy số lượng các phân tử H2 và Cl2 bằng nhau để đưa vào phản ứng với
nhau. Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta không thể “đếm” từng phân tử (hoặc nguyên tử) của các


20

chất để đem phản ứng với nhau. Việc “đếm” số nguyên tử hoặc phân tử để đưa vào phản ứng
được làm theo cách tương tự như đếm một số lượng lớn các vật nhỏ khác. Ví dụ, giả sử ta cần
một triệu cái đinh ghim, nếu ta biết 100 g đinh có bao nhiêu cái đinh, ta dễ dàng tính được khối
lượng đinh phải cân để có số đinh cần thiết mà khơng cần “đếm” từng cái đinh. Một ví dụ tương
tự khác là ta dùng chén để đong gạo và lượng nước cần thiết để nấu cơm chứ không “đếm”
từng hạt gạo.
Để thuận tiện cho việc “đếm nguyên tử”, các nhà hóa học đã đưa ra khái niệm mole (viết
tắt là mol khi được dùng làm đơn vị) như sau: mole là số hạt vi mô (nghĩa là các hạt nhỏ như
nguyên tử, phân tử, ion…) bằng với số nguyên tử carbon có trong 12.0000 gram 12C. Ngày nay,
các phép đo chính xác cho biết số đó là 6.022137 x 1023. Số này được gọi là số Avogadro, ký
hiệu là NA. Nói cách khác, số Avogadro là số hạt vi mô trong một mole, đơn vị của NA là mol–1.
Trong các tính tốn đơn giản, ta thường dùng NA = 6.022 x 1023 mol–1. Cũng nên biết rằng
Amedeo Avogadro không phải là người đưa ra “số Avogadro”. Nhưng hằng số này được đặt tên
Avogadro để vinh danh ông là người đầu tiên dùng giả thuyết “những thể tích bằng nhau của
chất khí chứa cùng một số lượng hạt như nhau” (xem phần 2.1). Giả thuyết này là tiền đề để dẫn
tới khái niệm mole và số Avogadro. Qua đó ta thấy một trong những điều mà các nhà khoa học
hướng đến là vinh danh đúng người mở đường cho một lĩnh vực nghiên cứu hoặc kiến thức nào
đó.
Một mole 12C có 6.022137 x 1023 nguyên tử 12C, nặng đúng 12.0000 gram. Một mole
carbon trong tự nhiên chứa 6.022137 x 1023 nguyên tử 12C và 13C, nặng 12.0107 gram. Số này
bằng đúng ngun tử lượng trung bình của carbon tính theo gram, và được gọi là khối lượng
mole của carbon, tức là khối lượng của 1 mol carbon. Tương tự như vậy, khối lượng mole của
các chất hóa học chính là nguyên tử lượng hoặc phân tử lượng của chúng tính theo gram. Điều
này rất thuận lợi khi ta tiến hành phản ứng hóa học: thay vì phải đếm số nguyên tử hoặc phân tử
của các chất đem phản ứng – là điều không thể làm được – ta chỉ cần xác định số mole các chất
cần cho vào phản ứng, rồi tính thể tích chất khí hoặc khối lượng chất cần lấy thơng qua khối
lượng mole của chúng. Ví dụ, để lấy số lượng các phân tử H2 và Cl2 bằng nhau cho một phản
ứng hóa học, ta có thể lấy 0.1 mol H2 (nặng 0.2 gram) và 0.1 mol Cl2 (nặng 7.1 gram), hoặc lấy
các thể tích bằng nhau của các khí này ở cùng nhiệt độ và áp suất.
Trên đây ta đã nói tới một số đặc trưng cơ bản của nguyên tử và các nguyên tố hóa học.

Một số vấn đề khác thường được các nhà hóa học quan tâm là tại sao tất cả các nguyên tử đều
được tạo thành từ những hạt proton, neutron, và electron như nhau nhưng tính chất hóa học của
chúng lại khác nhau; tại sao một số nguyên tố hóa học lại có tính chất tương tự nhau. Đến nay,
ta biết các ngun tố hóa học có tính chất khác nhau là do các nguyên tử của chúng có số lượng
các hạt proton, neutron, và electron khác nhau, và cách sắp xếp các hạt đó trong nguyên tử
khác nhau. Hiện nay, sự sắp xếp và liên kết của các hạt trong nhân nguyên tử vẫn chưa được
biết rõ ràng, nhưng sự sắp xếp của các electron trong vỏ nguyên tử – thường được gọi là cấu
trúc của electron trong nguyên tử hay cấu trúc của vỏ nguyên tử – đã được nghiên cứu khá kỹ
lưỡng. Các nhà khoa học đã tìm thấy mối liên quan giữa cấu trúc của electron trong ngun tử
và tính chất hóa học của nó. Ta sẽ đề cập đến các mơ hình cấu trúc của electron trong nguyên
tử trong chương tiếp theo.


21
Chương 3

CẤU TRÚC ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ
Đầu thế kỷ thứ XX, khoa học đã xác nhận có sự tồn tại của nguyên tử và cấu tạo chung
của nó. Các nhà hóa học cũng biết rằng hạt nhân của nguyên tử khơng thay đổi trong phản ứng
hóa học, và chính lớp vỏ của nguyên tử – tức là các electron trong ngun tử – ảnh hưởng đến
tính chất hóa học của các nguyên tố. Đặc biệt, nhiều quan sát cho thấy tính chất của các nguyên
tố biến thiên một cách tuần hoàn; cuối thế kỷ thứ XIX Mendeleev đã đưa ra bảng hệ thống tuần
hồn các ngun tố hóa học nhưng chưa giải thích được ngun nhân của sự tuần hồn đó. Do
đó, đầu thế kỷ XX, các nhà khoa học khơng ngừng nghiên cứu để tìm hiểu cấu trúc của electron
trong nguyên tử và mối liên quan giữa cấu trúc electron và tính chất hóa học của các ngun tố.
Trước khi đề cập chi tiết các vấn đề trên, ta sẽ nhắc lại một số tư tưởng mới và quan
trọng trong vật lý có liên quan đến sự khám phá cấu trúc của electron trong nguyên tử.
3.1.

Một số khám phá vật lý quan trọng đầu thế kỷ XX

Trước thế kỷ thứ XX, các hiện tượng vật lý đều được giải thích bằng các lý thuyết dựa
trên nền tảng thuyết cơ học của Isaac Newton (1642–1726). Ngày nay, các lý thuyết đó được gọi
là vật lý cổ điển. Vào đầu thế kỷ thứ XX, nếu chỉ dựa vào các kiến thức vật lý cổ điển, các nhà
khoa học không thể giải thích được nhiều kết quả thí nghiệm như quang phổ vạch của nguyên
tử, hiện tượng quang điện, v.v… Các dữ liệu thí nghiệm mới địi hỏi các nhà Vật lý phải tìm ra
các lý thuyết mới. Trong chương này, trước tiên ta xem lại sóng điện từ, là một dạng truyền
năng lượng theo vật lý cổ điển, và những quan điểm của các nhà khoa học liên quan đến sóng
điện từ. Tiếp theo ta sẽ xem quan điểm của các nhà khoa học thay đổi thế nào từ kết quả của
các nghiên cứu mới, dẫn đến những tư tưởng làm nền móng cho thuyết cơ học hiện đại, được
gọi là thuyết cơ học lượng tử.
3.1.1. Sóng điện từ

Hình 3.1. Bước sóng và hướng di chuyển của sóng điện từ:
sóng điện từ ở (a) có bước sóng  dài hơn và tần số thấp hơn sóng ở (b).
Nghiên cứu sự tương tác giữa sóng điện từ và vật chất là phương pháp để các nhà khoa
học tìm hiểu cấu trúc của electron trong nguyên tử và phân tử. Do đó, để hiểu các kết quả
nghiên cứu sẽ nói tới trong chương này, ta cần hiểu về sóng điện từ và những quan điểm của


22
khoa học liên quan đến sóng điện từ. Sóng điện từ tồn tại khắp nơi chung quanh ta. Ánh sáng
mặt trời, năng lượng để đun nấu trong lị vi sóng, tia X mà các bác sĩ dùng để chụp X quang,
sóng radio, bức xạ nhiệt từ bếp lị ta đun nấu hằng ngày, v.v… đều là sóng điện từ. Mặc dù các
dạng sóng trên có tên gọi khác nhau, chúng đều có đặc điểm chung là mang năng lượng và
truyền đi dưới dạng sóng với tốc độ truyền trong chân không bằng tốc độ của ánh sáng,
c = 2.99792458 x 108 m s–1.
3.1.1.1.

Bốn đặc trưng căn bản của sóng điện từ

Bốn đặc trưng căn bản của sóng điện từ là tốc độ truyền sóng, bước sóng, tần số, và
cường độ. Như đã nói ở đoạn trên, tất cả các sóng điện từ đều truyền trong chân không với tốc
độ ánh sáng. Bước sóng , hay cịn gọi là độ dài sóng, là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kế
cận, ứng với độ dài của một chu kỳ sóng (xem Hình 3.1). Tần số sóng, , được định nghĩa là số
chu kỳ sóng (hay số đỉnh sóng) đi qua một điểm nào đó trong khơng gian trong một đơn vị thời
gian, thường được tính theo giây. Tương quan giữa tốc độ truyền sóng c, bước sóng , và tần
số sóng  được biểu diễn bằng phương trình (3.1):
c = 

(3.1)

Trong hệ SI, đơn vị của bước sóng  là m (mét), của tần số là s–1 hay cịn có tên là Hertz,
viết tắt là Hz. Hình 3.1 biểu diễn hai sóng điện từ với bước sóng khác nhau; sóng điện từ ở Hình
3.1a có bước sóng  dài hơn và tần số  nhỏ hơn sóng ở Hình 3.1b. Cường độ của sóng điện từ
có thể được biểu diễn bởi khoảng cách cao nhất hoặc thấp nhất của đỉnh dao động so với
đường trung tâm: khoảng cách càng cao, cường độ sóng điện từ càng mạnh.
Hình 3.2 cho thấy phổ của các dạng sóng điện từ khác nhau xếp theo chiều giảm dần
của tần số và tăng dần theo bước sóng. Dễ dàng nhận ra ánh sáng mà mắt chúng ta thấy được,
còn được gọi là ánh sáng khả kiến, chỉ là một phần rất nhỏ trong phổ sóng điện từ. Mắt ta khơng
nhìn thấy được các loại sóng điện từ khác như tia X, sóng tử ngoại, hồng ngoại, sóng radio…

Tia γ

Sóng radio
Vi sóng

Tia X
Tia tử
ngoại

Tia hồng
ngoại

Hình 3.2. Phổ sóng điện từ theo tần số và bước sóng.


23

Hình 3.3. Hiện tượng tán sắc ánh sáng: (a) qua lăng kính, tia sáng đỏ bị lệch hướng ít nhất, tia
sáng xanh bị lệch hướng nhiều nhất; (b) qua các giọt nước.

3.1.1.2.

Tính liên tục của ánh sáng và năng lượng trong vật lý cổ điển

Sóng điện từ là cách để truyền năng lượng. Năng lượng mặt trời truyền đến trái đất dưới
dạng sóng điện từ; phần lớn năng lượng này nằm trong vùng ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, và
tử ngoại. Ta đã biết ánh sáng khả kiến từ mặt trời là không màu. Khi ánh sáng khả kiến đi qua
mơi trường vật chất khác với chân khơng, ví dụ đi qua lăng kính làm bằng thủy tinh hay đi qua
hơi nước, tốc độ truyền của các sóng có bước sóng khác nhau hơi thay đổi, do đó hướng đi của
từng tia sáng với bước sóng khác nhau thay đổi theo những cách khác nhau, ta thấy được dãy
liên tục màu sắc cầu vồng như trong Hình 3.3. Hiện tượng này được gọi là sự tán sắc ánh sáng.
Từ hiện tượng tán sắc của ánh sáng khả kiến, các nhà khoa học cho rằng ánh sáng và năng
lượng có tính liên tục.
3.1.1.3.

Bản chất sóng của sóng điện từ

Hình 3.4. Sự kết hợp của các sóng điện từ có cùng cường độ và bước sóng:

(a) nếu các sóng cùng pha, sóng kết hợp có cường độ gấp đơi ban đầu;
và (b) nếu các sóng nghịch pha, sóng kết hợp có cường độ bằng khơng.

Một tính chất quan trọng khác của sóng điện từ là sự kết hợp các sóng điện từ. Khi hai
nguồn phát sóng điện từ ở khá gần nhau, nếu chúng có cùng bước sóng, cường độ, và di
chuyển cùng pha với nhau như trong Hình 3.4a, sóng kết hợp của chúng sẽ có cùng pha, cùng
bước sóng với các sóng ban đầu, và có cường độ gấp đơi sóng ban đầu. Nếu hai sóng trên di