nguyên tử có thể phân chia được pps

nguyên tử có thể phân
chia được
Einstein không phải là nhà vật lí duy nhất thực hiện những khám phá
quan trọng trong thập niên đầu tiên của thế kỉ 20. Dựa trên khám phá ra
electron năm 1897, J.J Thomson và những người khác đang bận rộn khảo sát
thế giới hạ nguyên tử.
Thomsontiếp tụcsử dụngthuật ngữ tiểu thể để mô tả electron trong nhiều
năm. Nhưng cho dù ông gọi nó là gì, ôngbiết rằng việc khámphá ra nóđã mở ra
nhiều lộ trình nghiên cứumới trong vật lí học đối với thế kỉ mới. Một số nhà
nghiêncứu đã nghiên cứu bản thân electron, trongkhi nhữngngười khác quan
tâmđếnvai trò củaelectron trongvật chất.Chẳng hạn, nếu các electron,tích điện
âm, là bộ phận củanguyên tử trunghòa điện, thì nguyên tử cũng phải chứa các
điện tíchdương. Vì các electron quá nhẹ, chonên vật chất tích điện dươngcòn lại
phải mangphần lớn khối lượng củanguyên tử.
Vấn đề sớm trở nên rõràng là số nguyên tử của một nguyên tố, đại lượngđặc
trưng chovị trí của nó trong bảng tuầnhoàn, tươngứng với số electron trong
nguyêntử của nó – hay tươngđương, tươngứng với điện tíchdương trong phần
mang điện dươngcủa nguyên tử (mặc dù chođến lúc ấy họ không biết bộ phận
tích điện dươngđó trông như thế nào).Khối lượngnguyên tử của cácnguyên tố
khác nhau cũng liên hệ với số nguyên tử, nhưng không theomột sự tỉ lệ đơn giản.
Hydrogen là nguyên tử nhẹ nhất và cósố nguyên tử bằng một,nhưng một nguyên
tử helium, với số nguyên tử bằng hai,có khối lượng gấp bốn lần hydrogen. Các
nguyêntử nặng,ví dụ như chì với số nguyên tử 82 và khối lượng nguyên tử
khoảng 207lần hydrogen, cònvượt ra khỏi sự tỉ lệ đó. Không aibiết tại saolại như
thế.
Các nhà khoa họccòn nhận rarằng các electron là nguyên do chohành trạng hóa
học của nguyêntử. Hóa trị của một nguyên tử là một tínhchất mô tả cách nóphản
ứng với các nguyên tử khác. Hóatrị liênhệ với số electronmà nó đónggóp cho
phản ứng hóahọc và chi phối những kết hợp nhất địnhcủa các nguyêntử để hình
thành nên phân tử. Cácnguyên tố trong cùng một cộtcủa bảng tuần hoàn có hóa
trị bằng nhau. Mặc dù cho đếnkhi ấy họ không hiểu được tại sao,nhưng cácnhà

vật lí và hóahọc công nhậnrằng đa số các nguyêntố không chỉ có electron hóa trị
mà còn có những electron khác không thamgia vào các phản ứng hóa học. Người
ta cũng sớmbiết rõ là dòng điện chạy trongdây kim loại là dòng các electron. Tại
sao một số chất, thí dụ như kim loại, dẫn điệntrong khi những chấtkhác không
dẫn điện thì chưa được hiểu rõ, nhưng rõ ràng làmột số electronkhôngliên kết
chặt chẽ với nguyên tử hay phântử của chúng so vớinhữngelectron khác.
Trongsố nhữngnhà vậtlí vàobuổi chuyển giao của thế kỉ 20,Ernest Rutherford
nhanhchóng nổilên là một nhân vật hàng đầu trong việc tìm hiểu sự phóng xạ lẫn
cấu trúcbên trong của cácnguyên tử. Năm 1898, ông trở thành giáo sư tại trường
Đại họcMcGill ở Montreal, Canada, nơiôngtiếp tụcnghiên cứu ông đã bắt đầu với
Thomsonở Anh. Ôngsớm tìm ra mộtdạng phóng xạ thứ ba,còn đâm xuyênhơn cả
tia beta,mà ônggọi một cách tự nhiên làtia gamma, với những tínhchất tương tự
như các tính chất của tiaX.
Cuối năm 1900,ônghợp tácvới nhà hóa học McGill,Frederick Soddy (1877 –
1956), và họ đã bắt đầu thế kỉ mới thử tìm hiểu một số cơ sở hóa học rấtkì lạ đi
cùng với sự phóngxạ. Chẳnghạn,Rutherfordvà Soddy đã chiết táchhóa học các
nguyêntử phóngxạ thuộc một nguyên tố khác rakhỏi một mẫuchủ yếulà thorium.
Chất liệu còn lạiban đầukém phóng xạ hơn nhiều, nhưng sau đó cùngloại nguyên
tử phóngxạ mà họ đã loạira xuấthiệntrở lại, cứ như thể chẳng có chuyện gì xảyra.
Những thínghiệm khác với nhữngchất phóng xạ khác manglại nhữngkết quả gây
thách đố tươngtự.
Khi họ phân tích các mẫu phóng xạ của mình, họ thường tìmthấy nhữngnguyên tố
hóa học như nhau trong những chất khác nhau,nhưng với khối lượngnguyêntử
khác nhau. Phải mấtvài nămnghiêncứu thận trọng,người ta mới hiểu được
chuyện gì đang xảy ra.Sự phóngxạ đã manglại cho cácnhà khoahọc những gợi ý
về cấu trúc bên trongcủa các nguyên tử. Rutherfordvà Soddy nhận ra rằngsự
phóngxạ xảy rakhi phần tích điện dương của nguyên tử - cho dù nó là cái gì – phát
ra thứ gì đó. Các kết quả củahọ xácnhận rằngkhi một nguyên tử “bố mẹ” phát ra
một hạt alpha,thì số nguyên tử của nó giảmđi hai; nghĩa là, nóbiến đổi, haybiến
tố, thành mộtnguyên tố “con” nằm dưới nó haisố nguyên tử trong bảng tuần hoàn.

Ngoài ra, khối lượngnguyên tử củanó giảmđi bốn, đưahọ đếnchỗ nghi ngờ rằng
một hạt alphalàmột nguyêntử heliumkhông có electroncủa nó.
Nghiêncứu ban đầucủa Rutherford cho thấy tia beta là các electron. Khi phần tích
điện dương của một nguyên tử phóng xạ phát ra mộthạt beta,thì nguyên tử con
thu được có nhiều điện tích dươnghơn nguyên tử bố mẹ. Chonên sự biến tố do
phátxạ betamanglại một nguyên tố cao hơn một số nguyên tử trênbảng tuần
hoàn. Khối lượngelectronquá nhỏ nên nguyên tử con và nguyên tử bố mẹ có cùng
khối lượng nguyên tử mặc dù chúngkhác biệt về mặt hóa học. Đối với bức xạ alpha
lẫn beta, nguyêntử con thường có hoạt tính phóng xạ hơn bố mẹ. Điều đó giải
thích sự tăng tính phóng xạ mà Rutherfordvà Soddyquan sátthấy trong nghiên
cứu của họ với thoriumvà nhữngnguyêntố phóngxạ khác.
Các kếtquả của Rutherfordvà Soddycũng giải thích nhữngkhối lượngkhácnhau
đã đượcđể ý thấy với những nguyên tố giốnghệt nhau về mặt hóa tính.Hai
nguyêntử có hành trạnghóa học như nhau,và do đó là cùng mộtnguyêntố, nếu
chúng có cùng điện tích. Nhưng chúng vẫn có thể có khối lượngkhác nhau.(Sau
này, Soddygọi những nguyên tử này là đồng vị. Năm 1913, ông nhận ra rằng
những đồng vị khác nhau còn tồntại đối vớicác nguyên tử phiphóng xạ, điều đó
giảithích các phầnlẻ ở một số khối lượngnguyên tử đo được, ví dụ như chlorine
35,5.Ngày nay, chúngta biết chlorinexuất hiện trong tự nhiên, số nguyên tử 17, có
hai đồngvị: một đồng vị phổ biến hơn với 35 đơn vị khối lượng và một đồngvị
kém phổ biến hơn với 37 đơn vị khốilượng).
Năm 1908,Rutherfordđượctrao giải Nobelhóa học chocông trìnhcủa ông về sự
biến tố. (Soddynhận giải muộn hơn, năm 1921,cho giải thích của ông về các đồng
vị) Trongkhi đó, các nhà vật lí đangthảo luậnsôi nổi về cấu trúc bên trong của các
nguyêntử. Phần vật chất tích điệndương trông rasao và các electron hòa trộn với
nó như thế nào để tạo thànhcác nguyên tử?
Một ý tưởngphổ biến là mô hình “bánh bônglan rắc nho” của J.J Thomson, hình
dungcácnguyên tử giống như món bánh ngọt yêu thích của người Anh. (Nếu
Thomsonlà người Mĩ, ông có thể gọi nó làmẫu bánh mì nhânnho khô) Mô hìnhấy
hình dung nguyên tử như một cái bánh bông lan vớiđiện tích dương của nó rải đều

khắp, trongkhi các electronnhỏ xíu, tíchđiệnâm gắn vào bên trong nó giống như
nhânmứt hoặc nhokhô.
Các nhà vật lí khác thì có nhữngý tưởng khác, hình dung nguyên tử như những
quả cầu nhỏ, cứngchắc, chẳng hiểu bằngcách nào lại chứa các electrontích điện
âm, trọng lượng nhẹ, và một số lượng bằngnhư vậy các hạthạ nguyên tử tích điện
dương,nặng hơn.Cho dù nghĩ mô hình nào là tốt hơn, nhưng khôngcó nhàvật lí
nào hài lòngvới mô hình yêu thích của họ. Vì thế, họ hăm hở chờ đón một ai đó tìm
ra mộtphương thức nhìn vào bên trong nguyên tử. Rutherford,năm 1907 đã trở
lại Anh làm giáo sư tại trường Đại học Manchester, có mộtý tưởng tiến hành công
việc như thế.
Kế hoạch củaông là sử dụng các hạtalpha làm đạn, ông sẽ bắnchúng vào những lá
kim loạimỏng. Bằngcáchđo đường đi của chúngthay đổi như thế nào khi chúngđi
qua, ôngcó thể suyra loạicấu trúcgì mà chúngđã gặp phải. Mẫu bánh bônglan
mềm sẽ ít có tác độnglên cácviên đạn,và hướng của chúng sẽ ítthay đổi. Nhưng
nếu hạt alphagặp phải nhữngquả cầu cứng,nhỏ, ông trông đợi các hạtalpha bị
lệch ra –hay tán xạ - khỏi hướng ban đầu của chúng.
Ưu tiênhàng đầu của côngviệc ở Manchesterlà xác nhận những mối ngờ củaông
về bản chất của bức xạ alpha. Người phụ tá của ông, HansGeiger (1882 – 1945) đã
pháttriển một thiết bị dòtìm sự đi qua của các hạt tích điện năng lượng cao và
đếm chúng.Dụng cụ đó, tiền thân của máy đếmGeiger hiện đại, dùngđể đo cường
độ phóng xạ, tỏ raquan trọng đối với việc chứng tỏ rằng hạt alphathật ralà các
nguyêntử heliumkhông có electron.
Ernest Rutherford và Frederick Soddy đã tạo ra sơ đồ của những chuỗi phân rã
phóng xạ khác nhau này. Ngày nay, các nguyên tử “con” được biết là những nguyên
tố khác trong bảng tuần hoàn hóa học. Thí dụ, “xạ khí” phóng xạ là chất khí radon.
Sau đó, năm 1909, Rutherfordvà Geiger bắt đầu cácthí nghiệm tán xạ của họ. Họ
nhanhchóng nhậnra rằng hầu như mọi hạt alphađều đi qua cáclá kim loại với góc
lệch nhỏ hoặc khôngđổi hướngchuyển động.Kiểu chuyển động đó phù hợp với
mô hình bánh bônglan rắc nho của Thomson,nhưng họ đã thậntrọng khôngđi tới
kết luận đó vội. Các máy dò của Geiger rất chínhxác, nên họ có thể so sánh tổngsố

hạt alpha chạm trúngbia của họ ở phía này số lượnghọ pháthiện ở phía bên kia.
Một phần rất nhỏ các hạt alphabị lệch hướng saukhi chạmtrúng lá kimloại, và họ
cần phải hiểucáigì đã xảy ravới chúng.
Rutherfordxét một vài khả năngcó thể xảy ra.Có lẽ thỉnh thoảngmột hạt alpha
chạmtrúng máy dò và không được ghilại. Điều đó dường như hợp lí, nhưng các
máy dò hoàn toàn đáng tin cậy trong những phépthử khác. Mộtkhả năng nữa là
một vài hạt alphađang tán xạ nhiều hơnso với Rutherfordvà Geiger lườngtrước.
Các hạtđó có lẽ đã lệch xa khỏi phía không có máy dò. Vì sự tán xạ góc lớn như vậy
dườngnhư rất không có khả năng,cho nên Rutherfordvà Geiger tập trungnỗ lực
của họ vào các kĩ thuật dò tìm.
Đồng thời, ông quyếtđịnhtìm kiếmsự tán xạ góc lớn, mặc dù khôngthành công,sẽ
là thựctiễn tốt choErnest Marsden(1889–1970), một sinh viên trẻ vừa mới tham
gia vàocác kĩ thuật nghiên cứu củaphòng thínghiệm trên.Trước sự ngạc nhiên
của mọi người, Marsdenkhông những pháthiện ra hạtalpha tánxạ xa khỏi các
phía, mà thậmchí anh ta còn pháthiện một số hạt tán xạ ngược về phía nguồn.
Rutherfordsau này đã mô tả kếtquả đó là “hầu như không thể tin được,cứ như
thể bạn ném một cái vỏ ốc về phía một tờ giấy mỏng và rồi nó dội ngược trở lại và
va trúng bạn”.
Sau khám phá của Marsden,thập kỉ đầu tiêncủa thế kỉ mới đã kết thúc với
Rutherfordvà đội nghiêncứu của ông trong cuộc sănđuổi náo nhiệttrước mộtbí
ẩn lớn. Đã có cái gì đó không như trông đợi bên trong những hạt nhỏ xíu gọilà
nguyêntử đó, nhưng họ không rõ cho lắm những kết quả của họ đang nói lên cho
họ biết điều gì.