Bài giảng Điện học (Phần 3) docx

Bài giảng Điện học
(Phần3)
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
NgườiHi Lạp chịu rất nhiều ápbức tronghai thiên niên kỉ qua: bị người La
Mã thống trị,bị ức hiếp trongcuộcthập tự chinh bởi nhữngkẻ thánh chiến đi đến
và đến từ Miền đất hứa,và bị người Thổ Nhĩ Kì chiếm đóng mãi cho đếngần đây.
Không có gìngạc nhiênkhimà họ thích nhớ tới những ngày thánglộn xộn đó, vào
lúc những nhà tư tưởng lỗi lạc nhấtcủa họ đã tiến rất gần tới cácquan niệm như
nền dân chủ và thuyếtnguyêntử. Hi Lạp trở lạidân chủ sau mộtgiai đoạn độc tài
quân sự,và hìnhnguyên tử được inmột cách hãnhdiện trênmột trong những
đồngtiền củahọ. Đó là lí do vì sao khiến tôixúc động phải nói rằnggiả thuyết Hi
Lạp cổ đại rằng vật chất cấu thành từ các nguyêntử làmột côngtrình dự đoán
thuần túy. Không cóbằng chứng thựcnghiệm thực tế nào cho các nguyên tử, và sự
hồi sinhkhái niệm nguyên tử vào thế kỉ thứ 18 bởi Dalton có íttínhchất Hi Lạp
hơntên gọi, có nghĩalà “khôngthể chia tách”. Thậmchí tiếng tăm Hi Lạp còn bị sứt
mẻ nhiều khi tên gọiđó được chỉ rõ là khôngthích hợp vào năm 1899,lúc nhà vật
lí J.J. Thomsonchứngminh bằngthực 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 cùngthì “khôngthể phân tách” là cóthể phân tách
được.
Nhưng hãy tiếp tục câu chuyện của chúng ta. Điều gìđã xảy ra với khái niệm
nguyêntử trong hai ngàn năm ở giữa ? Nhữngngười có họcthức tiếp tụcbàn luận
ý tưởng đó,và nhữngngười yêu thíchnó có thể thường sử dụng nó để manglại
những lời giải thíchhợp lí cho nhiều sự việc vàhiệntượng khác nhau.Một thực tế
được giải thích dễ dàng là sự bảo toàn khối lượng.Ví dụ, nếu bạn trộn 1kg nước
với 1kg bụi đất, bạn sẽ có chínhxác 2kgbùn, không hơn không kém.Điều tương
tự đúngcho nhiềuquá trìnhnhư sự đôngđặc của nước, lên menbia, hoặc nghiền

sa thạch. Nếubạn tin vào các nguyên tử, thì sự bảo toàn khối lượngmanglại sự
cảm nhận đầy đủ, vì tất cả những quátrình này có thể xemlàsự trộn lẫn hoặcbố
trí lại các nguyên tử,chứ không làmthay đổitổngsố nguyên tử.Tuy nhiên, đây vẫn
chẳng phải là bằngchứng chothấy nguyên tử tồn tại.
Nếu cácnguyêntử thật sự tồn tại, thì có những loại nguyên tử gì, và cái gì
phân biệt rõnhững loại khác nhau đó ? Chúng có kích thước, hình dạng, trọng
lượng và một số đại lượng khác không ? Hố ngăncáchgiữa thuyết nguyên tử cổ đại
và hiện đại trở nên hiển hiệnkhi chúngta xétđến những nghiên cứusơ khai đã có
về vấn đề này cho đếnthế kỉ hiện nay.Nhữngngười cổ đại quyết định có bốn loại
nguyêntử, đất, nước, không khí và lửa; quanđiểm phổ biến nhất chorằngchúng
phân biệt nhauở hình dạngcủa chúng.Các nguyên tử nước có hìnhcầu, nên nước
có khả năng chảy mộtcách êm đềm.Các nguyên tử lửa có nhữngđiểm sắc nhọn, đó
là lí do vì sao lửa làm đaukhinó chạm vàoda mộtngười nào đó (Khôngcó khái
niệmnhiệt độ mãi cho đến haingànnăm saunày). Cáchhiểu hiện đại khác một
cách cơ bản về cấu trúc của nguyên tử thu được trong giai đoạn cách mạng 10năm
từ 1895 đến 1905. Mục tiêu chính của chương nàylà mô tả nhữngthí nghiệm
trọng yếu đó.
Bạn có bao giờ nghe nói tới thuyết nguyên tử chưa ?
“Bạn làthứ bạn ăn”. Câu nói hiện đại lém lĩnhđó ít nhiều mang cáchhiểu
nguyêntử về sự tiêu hóa.Xét chocùng thì sự tiêu hóa là một bí ẩn thú vị vào thời
cổ đại,và các nền văn hóa tiền hiện đại thường tinrằngsự ăn cho phépbạn giải
phóngmột số dạng “lực sự sống” khỏi thực phẩm. Chuyện thần thoại đầydãy
những nănglực trừu tượngnhư sự canđảm hoặcsự ô uế lễ nghi có thể đivào cơ
thể bạn thôngqua thựcphẩmmàbạn ăn.Trái với nhữngquan điểm siêu nhiên này,
những nhà nguyên tử luận cổ đại cómột cách hiểu hoàn toànmang tính tự nhiên
về sự tiêu hóa. Thức ăn cấutạo từ các nguyên tử,và khibạn tiêu hóa nó, bạnđã
đơn giản là phóngthích một số nguyên tử ra khỏi nó và sắp xếp chúngvào những
hợp chất cần thiết chocác môcơ thể của bạn. Các nhàkhoa học xaxưa tiến bộ hơn
và các nhà khoahọc thời phụchưngyêu thích loại giải thíchnày. Họ nónglòng cởi
trói cho mối ràng buộclên trungtâm của nềnvật lí Aristotle(vàphiên bản thân

nhà thờ, thêm mắm dặm muối của nó, tức triết họckinh viện),theo quan điểm của
họ nền vật líđó cóquá nhiều tínhchấthuyền bí và “mục tiêu” cho các vật.Ví dụ,
trường pháiAristotlegiải thích nguyên nhânhòn đá rơi trở lại đấtlà vì đó là “bản
chất” hay“mụctiêu” của nó phải đến nằmnghỉ trên mặt đất.
Tuy nhiên, nỗ lực có vẻ ngây thơ nhằm giải thíchsự tiêu hóa một cách tự
nhiêncuối cùng khiếncác nhànguyên tử luận gặp rắcrối tovới Giáohội. Vấn đề là
ở chỗ thánhlễ quan trọng nhất của nhà thờ gồm ănbánh mìvà rượu và nhờ đó mà
nhậnđược tác động siêu nhiêncủa sự thathứ cho tội lỗi. Đề cập đến nghi lễ này,
học thuyết hóathể khẳng địnhrằng phúc lànhcủa bánh mìvà rượu thánhthể đúng
là chuyển hóa thành máu vàthịt củaChúa. Thuyếtnguyêntử được nhận thức là
mâu thuẫn với thuyếthóathể, vì thuyết nguyên tử phủ nhận phúc lànhcó thể làm
thayđổi bản chất của các nguyên tử. Mặc dù thôngtin lịchsử cung cấp trong đasố
sách giáo khoakhoahọc nói về galileo miêu tả sự bất đồng của ôngvới Tòa án dị
giáo là khơi mào cuộc tranhluận xem Trái Đất có chuyển động haykhông,nhưng
một số nhà sử học tin rằng sự bị trừng phạt của ôngcó nhiều thứ để tìm hiểu hơn
là sự biện hộ của ôngcho thuyết nguyên tử làm lật đổ thuyết hóathể. (Nhữngvấn
đề khác ở trong trạngthái phứctạp làphong cách đối đầucủa galileo,vấnđề vũ
trangcủa Tòathánh,và tin đồn cho rằng nhân vật xuẩn ngốc trong tác phẩm của
Galileo là ám chỉ đức giáohoàng)Trong mộtthời gian dài, niềm tin vào thuyết
nguyêntử đóng vai tròlà biểu hiện của sự khôngtheo lề thói đối với các nhà khoa
học, mộtcáchkhẳng định sở thích hiểu hiện tượng theolẽ tự nhiên chứ khôngphải
siêu nhiên. Sự tán thành thuyết nguyêntử của Galileovà Newton là một hoạt động
nổi loạn, giốngnhư sự chấp nhận của các thế hệ sau này về học thuyết Darwin và
Marxism.
Một mâu thuẫn khác giữa triết họckinh viện và thuyết nguyêntử đếntừ cái
nằm giữa cácnguyêntử. Nếubạn hỏi một người hiện đại câu hỏi này, họ sẽ có thể
trả lời “khôngcó gì cả” hoặc “không giantrốngrỗng”. Nhưng Aristotle và những
người kế tục sự nghiệp của ôngtinrằng khôngthể nào cókhônggian trống rỗng,
tức chân không, như thế được. Đó không phải làmột quan điểm vô lí, vì không khí
có xuhướngtràn vàobất kìkhônggian nào mà bạnmở ra,và câu hỏi đó tồn tại

mãi chotớithời kì phục hưng khingười ta chỉ ra được cách tạo ra chânkhông.
Nguyên tử, ánh sáng, và mọi thứ khác
Mặcdù tôi có khuynh hướnggiễu cợtcácnhà triếthọc HiLạp cổ đại như
Aristotle,nhưnghãy dành ra mộtchút để tán dương ôngvề một số điều. Nếu bạn
đọc các tác phẩmcủa Aristotle về vật lí (hoặcchỉ xem lướtqua chúng,giống như
tôi đã làm), thì điều thu hút sự chúý nhấtlà mức độ cẩn thậnkhiông phân loại
hiện tượngvà phântích mối quan hệ giữa cáchiện tượng. Não người hình như tự
nhiênthực hiệnđược sự phânbiệt giữahailoại 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 xuhướng mạnh mẽ là quan niệmhóa nó là loại
này hoặc loạikia, hoặcthậmchí bỏ qua sự tồn tạicủa nó hoàn toàn.Chẳnghạn,các
thầygiáo vậtlí hay rùngmìnhtrướcphátbiểu củahọc sinh rằng “thuốc nổ phátnổ,
và lựcgiải phóng khỏi nó theo mọi hướng”. Trong nhữngví dụ này, khái niệm phi
vật chất củalực đượcphân loại ngầmnhư thể nó là một chất vật lí. Phát biểu “lên
dây cót chiếc đồng hồ làm lưu trữ chuyển động tronglò xo” là mộtsự thiếu phân
loại củanănglượng điện dưới dạng chuyểnđộng. Một ví dụ bỏ qua sự tồn tại của
hiện tượnghoàn toàn có thể gợi ra bằng cách hỏi mọi ngườitại saochúng ta cần
đến bóngđèn.Câu trả lời thường là“đèn rọi sángcăn phòngđể cho chúngta có thể
nhìn thấy mọi thứ”,không chú ýtới vaitròthiết yếu của ánh sáng đivào mắt chúng
ta đến từ nhữngthứ được rọi sáng.
Nếu bạn yêu cầu một ai đó nói cho bạn biết ngắngọn về các nguyên tử, câu
trả lời có khả năng là “mọithứ cấu thànhtừ các nguyên tử”, nhưngbây giờ chúng
ta thấy hiển nhiên là từ “mọi thứ” trong phátbiểunày không còn thích hợp nữa.
Đối với các nhà khoa học của những năm đầu thập niên 1900, nhữngngười đang
cố gắngkhảo sát nguyên tử, đây không phải là một địnhnghĩa tầm thường. Đã có
một dụng cụ mới gọi tên là ống chânkhông,giống như ống phónghình trong ti vi
ngày nay. Tóm lại, những người thợ hàn điệnđã phát hiện ra toàn bộ nhóm hiện
tượng xảy rabêntrong và xungquanh ống chân không, vàđặt chochúng những cái
tên hoa mĩ như “tia X”, “tia catôt”, “sóngHertz”, và “tia N”. Đây là những loại quan
sát cuốicùng cho chúngta biết chúng ta biếtgì về vật chất, nhưng sauđó cũng phát

sinh những cuộc tranhluận nảylửa xemchínhnhững đốitượng này có phải là
những dạng vật chấthay không.
Chúng tahãy xemmứcphân loại các hiện tượng do các nhà vật lí củanăm
1900 sử dụng. Họ ghi nhận ba loại:
 Vậtchất có khối lượng, có thể có động năng, và có thể chuyển độngtrong
chân không,mang theokhối lượng củanó vàđộng năng theonó. Vật chất đượcbảo
toàn,cả bảo toàn khối lượngvà bảo toàn số nguyêntử của từng nguyên tố. Các
nguyêntử không thể chiếm cùng khoảng khônggian như các nguyêntử khác, nên
cách thuận tiệnkhảosát cái gìđó không phải làvật chấtlà chỉ ra nó có thể truyền
qua một chất rắn,trong đó các nguyên tử nhồi nhétrất gầnnhau.
 Ánh sáng không có khối lượng,luôn luôn cónăng lượng, và cóthể truyền
qua chân không,mang theonăng lượng cùng với nó.Haichùm tia sáng cóthể
xuyênqua nhau và hiện ra khỏi chỗ vachạmmà không bị suy yếu, lệch hướng,
hoặc bấtkì ảnhhưởngnàokhác. Ánh sáng có thể đi xuyênqua những loại chất
nhất định,ví dụ như thủy tinh.
 Loại thứ ba là mọi thứ không phù hợp với địnhnghĩa ánhsánghoặc vật
chất. Ví dụ thuộc loại này có thời gian,vận tốc, nhiệt, và lực.
Nguyên tố hóa học
Làm thế nào người ta khámphá đượccó baonhiêu loại nguyên tử gì ?Ngày
nay, việc tiếnhành mộtchương trình thực nghiệm nhằm phân loạicác loại nguyên
tử không phải là việcgì quá khó. Đối với từngloạinguyên tử,phải cómột nguyên
tố tươngứng,tức là một chất tinhkhiếtcấu tạo từ không gì hơn ngoài loại nguyên
tử đó. Các nguyên tử được cho là không thể chiatách được, nên mộtchất như sữa
chẳng hạn không có khả năng là cơ bản, vìkhuấy mạnh nó sẽ làm nó tách thànhhai
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 haichất: sắt và ôxi.Bất chấp tính hợp lí hiển
nhiêncủa nó, không cóchương trìnhnào như thế được thựchiện mãi cho đến thế
kỉ thứ 18. Người cổ đại cólẽ không làmthế vì quan sátkhôngđượcchấp nhận rộng
rãi làphương pháp đúng đắn để trả lời câu hỏi tự nhiên, và cũng vìhọ khôngcó
trong tay những kĩ thuật cần thiết hoặc những kĩ thuật đó thuộcvề lĩnh vực lao

độngcó địa vị xã hội thấp, ví dụ như thợ rèn và thợ mỏ. Cácnhà giả kimthuật bị
ngăn cảnbởitiếng tăm của thuyết nguyêntử lật đổ và bởi xuhướng nghiêng về
chủ nghĩa thầnbí vàhuyễn hoặc. (Thách thức nổi tiếngnhất mà các nhà giả kim
thuật đối mặt là biến chì thành vàng, ngày naychúng ta biết điều đó là khôngthể
được, vì chìvà vàng đềulà các nguyên tố).
Tuy nhiên, vào năm 1900, các nhà hóa học đã thực hiện đượcmột việc hợp lí
khámphá xemnguyên tố là cái gì. Họ cũng xác địnhđược tỉ số khối lượngcủa các
nguyêntử khác nhaumột cách khá chính xác.Phươngpháp tiêubiểu là đo bao
nhiêu gamnatri (Na)kết hợp với một gam chlorine(Cl) tạora muối(NaCl). (Đấy là
đã giả sử bạn đã biết dựa trênmột bằng chứng khác rằngmuối cấu tạo gồmsố
nguyêntử Na và Cl bằng nhau) Khối lượng củatừngnguyêntử, khisosánh với tỉ
số khối lượng,được biết chỉ trong vài bậc độ lớn dựatrên bằng chứnggián tiếp, và
nhiều nhà vậtlí và hóa học phủ nhận rằng từng nguyên tử chẳnglà cái gìkhác hơn
ngoài những kí hiệucho tiện lợi.
d/ Khối lượngmột số nguyêntử so với khốilượng 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, tháchthức là tìm một cách thức hệ thốnghóa nó; óc
thẩmmĩ củacác nhà khoahọc hiệnđại không ưa những thứ lộn xộn. Sự hỗn tạp
này củacác nguyên tố là mộtsự lúng túng.Một nhàquansát đương thời, William
Crookes,đã mô tả các nguyên tố mở ra“trướcchúng ta rộng như Đại TâyDương
trải ratrướccon mắt đăm chiêu của Columbus,chế giễu, châm chọc, và thì thầm
những điều lạ lùng, và từ trước đến naykhôngai cóthể giải quyết được”. Không
bao lâusau, người ta bắt đầu nhận thấy rằng nhiều khối lượngnguyên tử rấtgần
với bội số nguyên của khối lượngnguyên tử hydro, nguyêntố nhẹ nhất. Một vài
người dễ kích động bắt đầu chorằnghydro là viên gạch cấu trúc cơ bản,và những
nguyêntố nặnghơn cấu thànhtừ nhiều cụm hydro. Tuy nhiên,không bao lâu sau
thì những phépđo chính xáchơn đã bác bỏ luận điệu đó của họ, chúngcho thấy
khôngphải tấtcả các nguyêntố đều cókhối lượng nguyên tử gần vớibội số
nguyêncủa khối lượnghydro,và những trườnghợp gầnvới bội số nguyêncủa

hydro cũng bị sai lệch một phần trăm hoặc ngần ấy.
e/ Bảng tuần hoànhóa họchiện đại.
Các nguyên tố trong cùngmột cột có tính chất hóa học giống nhau. Số nguyêntử
hiện đại,sẽ nói tới trong phần 2.3, không được biết tới vào thời của Mendeleev,vì
bảngcó thể lật theonhững cách khác nhau.
Giáo sư hóa học DmitriMendeleev, trongkhi soạn bài giảng của ôngvào năm
1869, muốn tìm một số cách tổ chức kiến thức của ôngcho sinh viêncó thể dễ hiểu
hơn. Ông viết tên của tất cả các nguyên tố lên những tấm thẻ vàbắt đầu sắpxếp
chúng theonhững cách khácnhau trên bànlàm việc của ông,thử tìm mộtsắp xếp
dễ nhớ. Sự sắp xếp hàng-cộtông nêu ra về cơ bản là bảng tuần hoàn hóahọc hiện
đại của chúng ta.Các cột của phiênbản hiệnđại biểu diễncác nguyên tố có tính
chất hóahọctươngtự nhau, vàmỗi hàng phíadướithìnặnghơnhàngphía trên nó.
Ngang quatừng hàng,hầu như luôn luôn đặtcác nguyên tử trong chuỗi khối lượng
tăng dần. Cái gì khiếncho hệ thống có giá trị tuần hoàn của nó. Có ba chỗ
Mendeleev phảibỏ trống trong bảngsắp xếp của ôngđể giữ các nguyên tố giống
nhau về mặt hóa họcnằm trongcùng mộtcột. Ông tiên đoán sẽ tồn tại những
nguyêntố lấp đầy những chỗ trống này, và ngoại suy hoặcnội suytừ những
nguyêntố khác trongcùng cột đó,dự đoán những tính chất dạng số củanó, ví dụ
như khối lượng, điểm nóng chảy, và tỉ trọng. Tiếngtăm của Mendeleevtrở nên lẫy
lừng khibanguyên tố của ông (saunày đượcđặt tênlà gallium,scandium,và
germanium) được tìmthấy và có tínhchất rất gần với tínhchất ông dự đoán.
Một điều mà bảng tuần hoànMendeleev làmsáng tỏ là khối lượng không
phải là đặc trưng cơ bản phânbiệt các nguyên tử thuộc nhữngnguyên tố khác
nhau. Để thiết lập công trìnhbảng tuần hoàn của mình, ông đã phải đi xakhỏi việc
sắp xếpcó trật tự các nguyêntố hoàn toàn theo khối lượng. Chẳnghạn, nguyên tử
iodinenhẹ hơn tellurium,nhưngMendeleevphải đặt iodine sau telluriumsao cho
nó nằmchung cột với các nguyên tố có tính chất hóa học tương tự.
Bằng chứng trực tiếp cho thấy nguyên tử tồn tại
Thànhcông của lí thuyết độnglực học củanhiệt đã manglại bằngchứng
mạnhmẽ cho thấy, ngoài chuyển độngcủa vật nói chung, còn có mộtloại chuyển

độngkhôngnhìn thấy ở khắp nơi xungquanhchúng ta:chuyển động ngẫu nhiên
của cácnguyêntử bên trongmỗi vật. Nhưng nhiều kẻ bảothủ không bị thuyết
phục rằng cácnguyêntử thật sự tồn tại. Xétcho cùngthìchưa aitừng nhìn thấy
một nguyên tử cả. Mãi chođến khithuyết nhiệt động lựchọc được phát triển
chứng minhthuyết phục rằngcác nguyên tử thật sự tồn tại và chúng thamgia vào
những chuyểnđộng liên tụckhôngbao giờ ngưngnghỉ.
Phát đạnchứng minh nguyên tử một cách trừu tượng hơn về mặt toán học
phátnổ khimột số quan sátcũ kĩ, mờ mịt được xemxét lại bởi một viên thư kí
khôngtiếngtăm gì ở phòngđăng kí phát minh ThụySĩ tên là AlbertEinstein. Nhà
thực vật học Brown, sử dụng một chiếc kínhhiển vilúc nócòn là mộtsản phẩm
nghệ thuật vàonăm 1827, quansát nhữnghạt phấn hoa nhỏ xíu trong một giọt
nước nằm trên bàn soi hiểnvi và nhận thấy chúng nhảy nhót một cách ngẫu nhiên
khôngvì lí do gì rõràngcả. Banđầu,nghi ngờ rằng phấn hoa mà ôngcho là đã chết
thật sự còn sống,ôngthử quan sát các hạt bồ hóng, và nhận thấy các hạt bồ hóng
cũng chuyểnđộng lộn xộn.Kết quả tương tự xảy ravới bấtkì hạtnhỏ nào khác lơ
lửng bên trong chất lỏng. Hiện tượng đó được gọi là chuyển độngBrown, vàsự
tồn tại của nóđược nhiều thế hệ xemlà mộtsự kìquặcvà là mộtthựctế hoàn toàn
khôngquan trọng, chỉ là một điều phiềntoái cho cácnhà hiểnvi học.
Mãi chotớinăm 1906,Einsteinmớitìm ra được lờigiải thíchđúngđắn cho
quan sát của Brown:các phân tử nước ở trạng thái chuyểnđộng ngẫu nhiên liên
tục, và vachạmvới hạt phấn hoa ở mọi lúc, sút nó đi theo mọi hướng.Saucả một
thiên niên kỉ nghiên cứu về nguyêntử, cuối cùngđã có mộtbằng chứng chắc chắn.
Tính toán của Einstein xuatanmọi nghingờ,vì ông có thể đưa ra những tiên đoán
chínhxác về những thứ như quãng đườngtrung bình mộthạt đi đượctrong một
khoảng thời giannhấtđịnh. (Einsteinnhận giải thưởng Nobelkhông cholí thuyết
tương đối của ông màcho những bài báocủa ông về chuyển độngBrown vàhiệu
ứng quangđiện).
Câu hỏi thảo luận
A. Làm thế nào từ sự hiểu biết kích thước của một nguyên tử nhôm cóthể
suy ra ước tính khối lượngcủa nó, vàngượclại?

B. Làmthế nào người tacó thể kiểm tra cáchgiải thích củaEinsteincho
chuyển động Brownbằng cách quansát nó ở những nhiệt độ khác nhau?