Tìm hiểu các học thuyết về cấu tạo nguyên tử và áp dụng vào giảng dạy chương trình hóa học lớp 10

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề tài “Tìm hiểu các học
thuyết về cấu tạo nguyên tử và áp dụng vào giảng dạy chương trình hóa
học lớp 10” tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ của các thầy
cô giáo, các bạn sinh viên.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy giáo, cô giáo khoa
Hóa học - trường Đại học Sư phạm Hà Nội II, đặc biệt em xin bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc tới cô Đăng Thị Thu Huyền - Giảng viên bộ môn Hóa vô cơ Đại Cương đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đề tài này. Tôi xin chân
thành cảm ơn tới các bạn sinh viên K33A - Khoa Hóa Học đã cùng tôi trao
đổi, động viên trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài.
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, mặc dù đã có rất nhiều cố gắng
nhưng khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi kính mong được sự góp ý của các
thầy giáo, cô giáo, các bạn đọc để bài khóa luận tốt nghiệp của tôi hoàn thiện
hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Dương Thị Bích


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận của em được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của cô giáo
Đăng Thị Thu Huyền cùng với sự cố gắng của bản thân. Trong quá trình
nghiên cứu và thực hiện khóa luận em có tham khảo tài liệu của số một tác giả
(đã nêu trong mục tài liệu tham khảo).

Em xin cam đoan những kết quả trong khóa luận là kết quả nghiên cứu
của bản thân, không trùng với các kết quả của các tác giả khác. Nếu sai em
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên

Dương Thị Bích

Dương Thị Bích

ii

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài....................................................................... 1
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................... 3
1.1. Theo các nhà triết học cổ Hy Lạp .............................................. 3
1.1.1. Lơxip ................................................................................ 3
1.1.2. Đemocrit........................................................................... 4
1.2. Theo Dalton............................................................................... 6
1.2.1. Đôi nét về nhà bác học Dalton .......................................... 6
1.2.2. Nội dung thuyết nguyên tử của Dalton.............................. 6

1.2.3. Thành công ....................................................................... 8
1.2.4. Hạn chế............................................................................. 8
1.2.5. Sự phóng điện trong khí loãng .......................................... 9
1.3. Mẫu nguyên tử của Thomson................................................... 13
1.3.1 Đôi nét về nhà bác học J.J.Thomson .............................. 13
1.3.2. Nội dung ....................................................................... 14
1.3.3.Thí nghiệm tán xạ hạt alfa của Rutherford ..................... 15
1.4. Mẫu nguyên tử của Rutherford ................................................ 17
1.4.1. Đôi nét về nhà bác học Rutherford................................ 17
1.4.2. Nội dung ....................................................................... 18
1.4.3. Thành công ................................................................... 19
1.4.4. Hạn chế......................................................................... 19
1.4.5. Sự tìm ra proton và notron ............................................ 20
1.5. Mẫu nguyên tử của Bohr ......................................................... 21
1.5.1. Đôi nét về nhà bác học Niels Bohr................................ 21
1.5.2. Nội dung ....................................................................... 22
1.5.3. Thành công ................................................................... 26

Dương Thị Bích

iii

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.5.4. Hạn chế......................................................................... 28

1.6. Quan điểm hiện đại (quan điểm cơ học lượng tử 1926) ........... 30
1.6.1. Giới thiệu hàm sóng và phương trình Schrodinger........ 30
1.6.2. Phương trình schodinger cho nguyên tử có 1e .............. 33
1.6.3. Nguyên tử nhiều electron .............................................. 38
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 40
2.1. Mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu................. 40
2.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.................. 40
2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................. 40
2.4. Ý nghĩa khoa học............................................................. 41
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................. 42
3.1. Chương trình hóa học lớp 10 đã giảng dạy về nguyên tử ......... 42
3.1.1. Thành phần nguyên tử .................................................. 42
3.1.2. Sự chuyển của electron trong nguyên tử. Obitan nguyên
tử ............................................................................................ 42
3.1.3. Lớp và phân lớp electron .............................................. 42
3.1.4. Năng lượng của các e trong nguyên tử. Cấu hình e
nguyên tử................................................................................ 42
3.1.5. Cấu hình e nguyên tử .................................................... 43
3.2. Kết quả nghiên cứu và thảo luận.............................................. 43
3.2.1. Khái niệm về obitan nguyên tử ..................................... 43
3.2.2. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử............... 53
3.2.3. Các nguyên lý và quy tắc phân bố e trong nguyên tử .... 55
3.2.4. Cấu hình electron nguyên tử ......................................... 59
3.2.5. Năng lượng của electron ............................................... 61
3.3. Tổng kết .................................................................................. 62
KẾT LUẬN............................................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 66

Dương Thị Bích

iv

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hóa học, đúng như tên của nó chỉ ra, là khoa học về sự chuyển hóa và
biến đổi các chất. Nhưng hóa học ngày nay không chỉ dừng lại ở việc mô tả,
giải thích và tìm quy luật cho các hiện tượng quan sát được mà đi sâu vào
nghiên cứu bản chất của các tương tác hóa học. Các tương tác này do cấu tạo
nguyên tử, phân tử quyết định. Có thể nói lý thuyết về cấu tạo chất đóng vai
trò là nền tảng cho sự phát triển của hóa học. Để có được cơ sở lý thuyết đó
không phải là điều đơn giản, phải trải qua biết bao thời kì lịch sử, qua biết bao
sự tranh cãi và phải tốn rất nhiều công sức của các nhà bác học mới tìm ra
một lý thuyết hiện đại đã giải quyết được những bế tắc, mâu thuẫn về thế giới
vi mô, nhất là thuyết về nguyên tử.
Ngoài ra, hóa học từ trước đến nay đã khẳng định được vị trí và tầm
quan trọng không thể thiếu của nó trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống.
Những ứng dụng của hóa học trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, y
dược và rất nhiều ngành nghề khác đã làm cho sức khỏe, chất lượng cuộc
sống của con người được cải thiện và nâng cao. Chính vì thế mà thế hệ trẻ
hiện nay cần biết học và tiếp thu những thành tựu, những phát minh của hóa
học áp dụng như thế nào để đưa lĩnh vực khoa học của nước nhà nói chung và
ngành hóa học nói riêng ngày càng phát triển và lớn mạnh.

Tuy nhiên, việc học hóa học không phải là điều đơn giản, yêu cầu
ngành giáo dục phải có nhiều phương pháp dạy học tích cực, đổi mới sao cho
phù hợp với trình độ kiến thức của người học giúp cho người học dễ dàng tiếp
cận với những lý thuyết vi mô. Đặc biệt khi đối tượng người học là học sinh
phổ thông thì người dạy càng phải cố gắng và linh hoạt hơn nữa trong cách

Dương Thị Bích

1

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

truyền đạt, nhất là dạy chương nguyên tử của chương trình hóa học lớp 10.
Đây quả thật là mảng kiến thức khó nhất, có rất nhiều những khái niệm trừu
tượng, lại nằm ở đầu chương trình hóa học phổ thông đòi hỏi học sinh phải có
khả năng tư duy trừu tượng cao mới tiếp thu tốt. Chính việc gặp khó khăn này
nên việc tìm hiểu các học thuyết về nguyên tử áp dụng vào giảng dạy hóa học
phổ thông là rất cần thiết. Nhưng việc áp dụng kiến thức nguyên tử ấy vào
chương trình hóa học phổ thông nói chung và SGK 10 nói riêng như thế nào?
Có phù hợp với trình độ, tâm lý lứa tuổi của học sinh hay không là điều mà
ngành giáo dục cần quan tâm. Do vấn đề cấp thiết này được đặt ra cùng với sự
yêu thích của bản thân nên tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu các học thuyết về
cấu tạo nguyên tử và áp dụng vào giảng dạy chương trình hoá học lớp 10”.
2. Nội dung nghiên cứu
Các học thuyết về nguyên tử:

- Theo các nhà triết học cổ Hi Lạp.
- Theo Daltơn.
- Mẫu nguyên tử của Thomson.
- Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford.
- Mẫu nguyên tử của Bohr.
- Theo quan điểm hiện đại.
SGK hóa học lớp 10:
- Khái niệm obitan nguyên tử.
- Nguyên lý vững bền.
- Nguyên lý Pauli.
- Quy tắc Hund.
- Sự chuyển động của electron trong nguyên tử.
- Cấu hình electron nguyên tử.
- Năng lượng của e.

Dương Thị Bích

2

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CÁC HỌC THUYẾT VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
1.1. Theo các nhà triết học cổ Hy Lạp
1.1.1. Lơxip (khoảng 500 – 440 TCN)

Sinh ra ở Mile, là người sáng lập ra thuyết nguyên tử.
Ông cho rằng khởi nguyên của vật chất không phải là bốn căn nguyên
đất, nước, lửa và không khí mà là vô số những nguyên tử.
Nguyên tử là những hạt vật chất tuyệt đối không thể phân chia được, nó
vô hạn về số lượng và vô hạn cả về hình thức, là những hạt vô cùng nhỏ,
không thể thẩm thấu được không có chất lượng, các nguyên tử chỉ khác nhau
về kích thước và hình thức. Nguyên tử chính là khởi nguyên của mọi dạng vật
chất, sự vật, hiện tượng vật chất khác nhau không phải là do chất lượng khác
nhau mà chỉ do kết hợp khác nhau về hình thức sắp đặt các nguyên tử. Lơxip
cho rằng “không gian rỗng” hay là chân không phân biệt các sự vật, hiện
tượng về mặt kích thước, hình dáng và cũng do có không gian rỗng nên sự vật
mới vận động được, còn khoảng chân không – “không gian rỗng” là không
tồn tại.
Lơxip coi vũ trụ được hình thành từ những cơn lốc xoáy tròn của
nguyên tử. Ông còn chỉ ra tính tất yếu của quá trình phát sinh, phát triển và
diệt vong của sự vật: “không có sự vật nào phát triển một cách vô cớ, mà tất
cả đều phát sinh trên một căn cứ nào đấy và do tính tất nhiên”.
Với thuyết nguyên tử, Lơxip đã đưa triết học duy vật cổ đại lên một
tầm khái quát mới.

Dương Thị Bích

3

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.1.2. Đemocrit (khoảng 460 – 370 TCN)
Là học trò giỏi của Lơxip và sau đó phát triển học thuyết của Lơxip lên
trình độ cao hơn, vì thế người ta gọi là thuyết nguyên tử Lơxip – Đemocrit.
Đemocrit khẳng định nguyên tử là hạt vật chất cực nhỏ không nhìn thấy
được, không phân chia được không khác nhau về chất, không có mùi vị, âm
thanh, màu sắc và tồn tại vĩnh viễn. Nguyên tử không nóng lên, không lạnh
đi, không bị khô, không ẩm ướt, không đen, không trắng; chúng không có một
chất lượng nào mà chỉ khác nhau về hình thức, trật tự và tư thế. Tính muôn
màu muôn vẻ của sự vật, hiện tượng được quyết định bởi hình thức cấu tạo,
trật tự kết hợp và tư thế của những nguyên tử được kết hợp. Bởi vậy, thực tại
(hay tồn tại) chỉ được phân biệt bởi cấu trúc (hình thức), tính kế tiếp (trật tự)
và sự xoay đặt (tư thế). Những nguyên tử ấy kết hợp với nhau thành sự vật,
hiện tượng. Theo ông, tất cả mọi vật đều được cấu thành từ nguyên tử, cũng
giống những danh từ bi kịch, hài kịch được cấu thành từ những chữ cái.
Hình thức, trật tự, tư thế và vận động của nguyên tử được Đemocrit cụ
thể hoá và làm rõ thêm. Mỗi nguyên tử đều có hình thức nhất định. Nguyên tử
này được phân biệt với nguyên tử kia bằng hình thức của chúng cũng như
hình thức chữ A phân biệt với hình thức chữ B. Nguyên tử không những vô
hạn về số lượng mà còn vô hạn về hình thức. Sự kết hợp các nguyên tử không
phải là sự kết hợp tuỳ tiện, ngẫu nhiên mà là sự kết hợp theo thứ tự cũng
giống như các chữ cái được sắp xếp theo thứ tự để hình thành các từ như ba,
bốn, hài kịch, bi kịch, triết học.
Nguyên tử cũng giống như tư thế các chữ cái, nếu N ở tư thế dọc thì là
N (n), nếu ở tư thế ngang thì thành Z (z), nếu M ở tư thế xuôi là M (m), nếu ở
tư thế ngược thì thành W (w).
Như vậy theo Đemocrit, sự vật được hình thành là do sự kết hợp các
nguyên tử và sự vật mất đi là do sự tách rời của các nguyên tử. Sự vật khác

Dương Thị Bích

4

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nhau là do các nguyên tử được cấu tạo theo những hình thức khác nhau, được
sắp xếp kế tiếp theo những trật tự khác nhau và được xoay đặt ở những tư thế
khác nhau. Sự kết hợp các nguyên tử không diễn ra một cách ngẫu nhiên, tuỳ
tiện mà theo tính tất nhiên.
Đemocrit khẳng định, sự vận động của nguyên tử là vĩnh viễn, vận
động là cái vốn có trong nguyên tử; nguyên tử là vật chất đang vận động.
Nguyên tử vận động trong chân không. Chân không là điều kiện, không phải
là nguyên nhân của vận động. Nguyên tử vận động theo chiều hướng khác
nhau, cũng giống như những hạt bụi vận động trong tia sáng mặt trời. Động
lực của vận động là tự thân nhưng Đemocrit đã không giải thích nguồn gốc
của vận động.
Đemocrit đã giải thích sự hình thành các vũ trụ từ những cơn lốc
nguyên tử. Trong không gian vô tận của vũ trụ, những nguyên tử tự vận động,
rung chuyển về mọi phía, xô nhau đi, đẩy nhau lại và làm thành những cơn
lốc nguyên tử, đẩy các nguyên tử nặng, to, quy tụ vào tâm, đẩy các nguyên tử
nhẹ và nhỏ hơn ra vùng ngoại biên, nhờ đó, các hành tinh, kể cả trái đất được
tạo nên. Sự kết hợp các nguyên tử trong cơn lốc đó giống như những làn sóng
biển đánh vào bờ, làm cho những viên đá có hình thù cùng loại (dài hoặc tròn)
dồn thành từng làn, từng lớp trên bãi biển. Do cách vận động đó, các nguyên
tử có cùng một kích thước, cùng một hình thức kết hợp với nhau thành lửa,

đất, nước, không khí. Trong thế giới đã được hình thành, mọi vật thể đều luôn
quy tụ về trung tâm, do trọng lượng của nó Đemocrit khẳng định vũ trụ là vô
tận và vĩnh viễn, có vô số thế giới vĩnh viễn phát sinh, phát triển và bị tiêu
diệt.
Thuyết nguyên tử - nội dung cơ bản của đường lối triết học Đemocrit là
một đóng góp rất quan trọng và có ý nghĩa phương pháp luận rất lớn đối với

Dương Thị Bích

5

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nền triết học cổ đại nói chung và đối với sự phát triển của khoa học đương
thời cũng như các thời đại sau này.
1.2. Theo Daltơn
1.2.1. Đôi nét về nhà bác học Dalton
John Dalton là một nhà hóa học, nhà vật lý người Anh. Phương pháp
sống của Dalton chịu ảnh hưởng sâu sắc của một tín đồ phái giáo hữu
(Quaker). Một nhà khí tượng học xuất sắc, người đã làm ông quan tâm đến
những vấn đề của toán học và khí tượng học.
Ông sinh ra trong một gia đình dệt vải nghèo tại Eaglesfield một vùng
phía Tây Bắc nước Anh. Năm 10 tuổi, Ông tới làm cho Elihu, một nhà khoa
học. Elihu thấy ông rất thông minh, hiếu học bèn dạy toán cho ông. Dalton
học giỏi và chỉ sau 2 năm ông trở thành hiệu trưởng của một trường làng, dạy

cho tất cả các con em trong vùng ở mọi lứa tuổi. Sau này, ông được giảng dạy
tại trường Niucolegio ở Manchexto và tiếp tục được mời tới ở học viện Hoàng
Gia Anh.
Từ năm 20 tuổi trở đi, ông bắt đầu viết nhật kí khoa học, thường là
những ghi chép ngắn, nêu giả thuyết và giải thích về thời tiết cho đến lúc ông
qua đời thì công trình ấy trở nên đồ sộ, tức có trên 200000 mục ghi chép tỉ mỉ
nghiên cứu về khí tượng.
1.2.2. Nội dung thuyết nguyên tử của Dalton
Các nguyên tử và phân tử khác nhau trong mô hình của John Dalton
trong ấn phẩm hệ thống mới của triết học hoá học (A New system of
Chemical xuất bản 1808). Các nghiên cứu cơ bản trước 1800 - 1803 dành cho
vật lý, giai đoạn về sau dành cho hóa học. Từ năm 1787, ông thực hiện các
quan sát khí tượng, nghiên cứu màu sắc của bầu trời, bản chất của vật thể,
khúc xạ và phản xạ ánh sáng. Kết quả là ông đưa ra được thuyết bốc hơi và
dịch chuyển các khí.

Dương Thị Bích

6

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Năm 1794, ông mô tả khuyết tật của thị giác gọi là chứng mù màu. Phát
minh 3 định luật làm cơ sở cho thuyết nguyên tử của hỗn hợp khí.
Định luật áp suất riêng phần của các khí 1801.

Định luật sự phụ thuộc giãn nở khí vào nhiệt độ ở áp suất cố định 1802.
Định luật của sự phụ thuộc của độ tan khí vào áp suất riêng phần của
chúng 1803.
Vào 1808, Dalton đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của ông để giải thích
định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỉ lệ các chất trong các phản ứng
hóa học. Lý thuyết của ông dựa trên 5 giả thuyết:
Giả thuyết thứ 1: Tất cả các vật chất đều được tạo thành từ các nguyên
tử.
Giả thuyết thứ 2: Các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng
một cấu trúc và tính chất.
Giả thuyết thứ 3: Các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể
được sinh ra hoặc mất đi.
Giả thuyết thứ 4: Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp
với nhau để tạo ra các hợp chất.
Giả thuyết thứ 5: Trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết
hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại.
Như vậy lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà
còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này, tiên đoán
và phát minh định luật tỉ lệ bội 1803: Nếu hai nguyên tố tạo thành với nhau
một số hợp chất, thì những khối lượng của nguyên tố này kết hợp với cùng
một khối lượng của nguyên tố kia sẽ tỉ lệ bội với nhau như tỉ lệ giữa những số
nguyên đơn giản.
Ví dụ: cacbon và oxi tạo thành hai hợp chất có thành phần sau đây:
Cacbon oxit: CO – 3 phần khối lượng cacbon và 4 phần khối lượng oxi

Dương Thị Bích

7

K33A – Hóa học

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Cacbon đioxit: CO2 – 3 phần khối lượng cacbon và 8 phần khối lượng
oxi.
Trong những hợp chất này các phần khối lượng oxi kết hợp với cùng
một phần khối lượng cacbon (3 phần khối lượng) tuân theo tỉ lệ 4:8 hoặc 1:2
1803, thành lập bảng đầu tiên về khối lượng nguyên tử của hidro, nito,
cacbon, lưu huỳnh, photpho, lấy khối hidro làm đơn vị. Đề xướng hệ thống kí
hiệu hóa học cho các nguyên tử đơn giản và phức tạp 1804.

Hình 1.1. Mô hình nguyên tử của Dalton
1.2.3. Thành công
Lý thuyết nguyên tử của Dalton được thế giới chấp nhận ngay và quan
niệm nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của vật chất tồn tại khá lâu dài.
1.2.4. Hạn chế
Cả Democritus và John Dalton đều cho rằng nguyên tử không có cấu
trúc, tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì
thế người ta thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử.
Cùng với sự phát triển của khoa học, các giả thuyết của John Dalton được
xem xét lại và người ta thấy rằng không phải nguyên tử là hạt không có cấu
trúc mà ngay cả nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng có thể có tính chất
khác nhau.

Dương Thị Bích

8

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.2.5. Sự phóng điện trong khí loãng
1.2.5.1. Sự tìm ra electron
Cuối thế khỉ XIX, nhiều nhà vật lý, đặc biệt là Crookes và Lenard đi
sâu vào nghiên cứu hiện tượng phóng điện trong khí loãng (p nhỏ).
- Chuẩn bị:
Dùng một ống thủy tinh kín, dài khoảng 50cm, trong chứa một chất
khí, 2 đầu có 2 điện cực kim loại, giữa 2 điện cực là một hiệu điện thế lớn
khoảng vài chục KV.
- Cách tiến hành:
Dùng bơm hút dần khí trong bình, khi p trong ống < 6 mmHg, sự
phóng điện bắt đầu xảy ra.
- Hiện tượng:
P = 6 mmHg thì thấy xuất hiện trong ống một dải sáng chạy từ cực âm
đến cực dương.
Nếu tiếp tục giảm p = 1 mmHg thì: Dưới những p khác nhau trong ống
lại xuất hiện những miền tối sáng khác nhau.
Khi p = 0,01 mmHg: những miền sáng trông thấy đều biến mất. Tuy
nhiên, lúc này trên thành thủy tinh đối diện với âm cực vẫn có vết sáng.
Âm cực vẫn còn phát ra một tia đặc biệt không trông thấy nhưng có khả
năng gây ra hiện tượng huỳnh quang ở thành ống đối diện.
- Đặc điểm và tính chất của tia đặc biệt:
Là những hạt vật chất xuất phát từ âm cực.

Chuyển động thẳng với một vận tốc rất lớn (v= 2.107 m/s).
Làm chuyển động một bánh xe trên đường đi.
Bị lệch hướng trong từ trường và điện trường (về phía cực dương).
Tia đặc biệt này được gọi là tia âm cực.

Dương Thị Bích

9

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Tia âm cực là những hạt vật chất mang điện tích âm (e), có khối lượng
e
me= 9,1094.10-31 kg hay 0,00055u.
qe= - 1,602.10-19c hay 1- đvđt.
- Hình vẽ:

Hình 1.2. Sự phóng điện trong khí loãng

Hình 1.3. Quỹ đạo thẳng của tia âm cực

Hình 1.4
Tia âm cực gồm những hạt vật chất

Hình 1.5. Tia âm cực bị lệch hướng

Dương Thị Bích

10

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.2.5.2. Sự phát minh ra tia dương cực
- Thí nghiệm:
Nghiên cứu về hiện tượng phóng điện trong khí loãng.
- Hiện tượng:
Trong ống âm, đồng thời với sự xuất hiện các điện tử (tia âm cực) còn
xuất hiện những phần tử đi ngược chiều với điện tử nghĩa là đi từ phía dương
cực (anot) về phía âm cực (catot).
Nếu âm cực có khe hở (rãnh) thì những phần tử này có thể đi thẳng ra
phía sau âm cực.
Loại tia này được nhà bác học Đức Goldstein (Gôn-đơ-xtai) tìm ra
1886 và được gọi là tia dương cực hay tia rãnh.
- Đặc điểm tia dương cực:
Bị lệch hướng dưới tác dụng của điện trường hay từ trường. Vì chiều
lệch của tia dương cực ngược với chiều lệch của tia âm cực nên những phần
tử này phải mang điện tích trái dấu với điện tử, nghĩa là mang điện tích
dương.
Kết quả nghiên cứu cho thấy là điện tích này có giá trị bằng bội số
nguyên điện tích của điện tử và khối lượng của các phần tử tạo nên tia dương

cực lớn xấp xỉ bằng khối lượng nguyên tử hay phân tử khí trong ống âm cực.
Do những đặc điểm trên, người ta có thể kết luận là tia dương cực gồm
những ion dương. Do sự phóng điện trong khí loãng, các nguyên tử hay phân
tử khí trong ống bị ion hóa, các điện tử được giải phóng đi về phía dương cực
tạo thành tia âm cực, còn các ion dương chạy về âm cực và tạo thành tia
dương cực.

Dương Thị Bích

11

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hình vẽ:

Hình 1.6. Tia dương cực
1.2.5.3. Sự khám phá ra tia X và hiện tượng phóng xạ
1895, nhà vật lý học Đức w.Rownghen nhận thấy khi cho tia âm cực
đập vào thủy tinh hay kim loại thì từ thủy tinh hay kim loại lại phát ra những
bức xạ mới có năng lượng rất cao và có khả năng đâm xuyên vào vật chất rất
mạnh. Rownghen gọi đó là tia X.
Ngày nay, chúng ta biết đó là một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất
ngắn được phát ra khi tia âm cực bắn vào nguyên tử kim loại làm cho e ở lớp
bên trong gần hạt nhân bị bật ra và e ở lớp bên ngoài nhảy vào đồng thời giải
phóng năng lượng. Tia X là loại tia không nhìn thấy được, không bị lệch

trong từ trường và điện trường nhưng có thể làm đen giấy ảnh và gây ra hiện
tượng huỳnh quang ở nhiều chất .
Không lâu sau phát minh của Rơnghen, giáo sư vật lý A.Becquerel ở
trường Đại học Pari khi nghiên cứu hiện tượng phát lân quang đã ngẫu nhiên
phát hiện ra rằng một số hợp chất có chứa Urani tự phát ra những tia không
nhìn thấy được nhưng có khả năng làm đen phim ảnh. Một nữ sinh viên của
Pecquerel là Marie Curie đề nghị đặt tên cho hiện tượng này là hiện tượng
phóng xạ. các nguyên tố có hiện tượng phóng xạ gọi là nguyên tố phóng xạ.
Những công trình nghiên cứu về sau cho thấy các tia phóng xạ gồm ba loại
tia:

Dương Thị Bích

12

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Tia α là dòng hạt α có điện tích dương gấp đôi điện tích e và khối lượng
gấp bốn lần khối lượng hạt nhân nguyên tử hidro.
Ngày nay, chúng ta biết đó chính là hạt nhân heli, kí hiệu là 42 He .
Tia thứ 2 là tia β là dòng các hạt e mà ta đã biết.
Tia thứ 3 là tia γ là bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn và năng lượng
rất cao.
Về sau, người ta nhận thấy hiện tượng phóng xạ còn có một kết quả
quan trọng là biến đổi nguyên tố phóng thành một nguyên tố khác.

Các phát minh đã nêu còn có các hiện tượng khác, đặc biệt là hiện
tượng phóng xạ đã chứng minh hùng hồn rằng nguyên tử không phải là không
chia nhỏ được, mà gồm những hạt đơn giản.
1.3. Mẫu nguyên tử của Thomson
1.3.1. Đôi nét về nhà bác học J.J. Thomson
J.J. Thomson sinh 1856 tại đồi Cheetham, Manchester, Anh trong một
gia đình gốc Scotland. Năm 1870, ông học kỹ sư tại trường Đại học
Manchester (được biết đến là Cao đẳng Owens thời đó), sau đó Thomson
chuyển tới học ở trường Cao đẳng Trinity, Cambridge năm 1876. Năm 1880
ông giành được bằng cử nhân toán và tới năm 1883 thì giành được bằng thạc
sĩ. Năm 1884, Thomson trở thành giáo sư vật lý tại đại học Cambridge. Một
trong những học trò nổi tiếng của ông là Ernest Rutherford. Một trong những
thành tựu lớn nhất của Thomson cho khoa học hiện đại chính là tài năng giảng
dạy thiên tài của ông, bảy người trợ lý nghiên cứu của ông cũng như con trai
ông đều giành được giải Nobel vật lý. Con trai của J.J. Thomson là George
Paget Thomson giành giải Nobel vật lý năm 1937 vì đã phát hiện ra tính chất
của sóng điện tử.
J.J. Thomson được phong tước hiệp sĩ năm 1908 và nhận huân chương
danh dự năm 1912. Năm 1914, ông có một bài thuyết trình Romanes tại Đại

Dương Thị Bích

13

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

học Oxford về thuyết nguyên tử. Năm 1918, ông trở thành hiệu trưởng trường
cao đẳng Trinity, Cambridge, ông giữ chức vụ này cho tới lúc mất. Ông cũng
từng được bầu làm viện sĩ Xã hội Hoàng gia ngày 12 tháng 6 năm 1884 và trở
thành chủ tịch của hội từ năm 1916 tới năm 1920. Thomson qua đời vào ngày
30 tháng 8 năm 1940 và được chôn tại thánh đường Westminster.
1.3.2. Nội dung
Sáu năm sau khi khám phá ra e, năm 1903 Thomson đưa ra mô hình
đầu tiên về cấu trúc nguyên tử. Mô hình này cho rằng các điện tử mang điện
tích âm được trộn lẫn trong vật chất mang điện tích dương, giống như các quả
mận nhỏ được trộn lẫn trong bánh, mô hình này còn được gọi là mô hình bánh
mận. Nếu một điện tử bị xê dịch thì nó sẽ bị kéo về vị trí ban đầu. Điều này
làm cho nguyên tử trung hòa về điện và ở trạng thái ổn định.
Mô hình nguyên tử của Thomson:

Hình 1.7. Mẫu nguyên tử của Thomson
Nhìn hình thức bề ngoài thì mô hình của Thomson có vẻ rất hợp lý.
Chính vì vậy mà mô hình này tồn tại trong một thời gian khá dài. Muốn kiểm
tra tính đúng đắn của mô hình này người ta phải tiến hành được những thí
nghiệm có khả năng đi sâu vào trong nguyên tử. Điều này quả thật không đơn
giản ở thời bấy giờ.

Dương Thị Bích

14

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.3.3. Thí nghiệm tán xạ hạt Alfa của Rutherford
1.3.3.1. Thí nghiệm
Năm 1911, Rutherford và các đồng nghiệp đã tiến hành một thí nghiệm
nhằm kiểm tra lại mẫu nguyên tử của Thomsơn.
Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trên hình 1.7:

Hình 1.8. Sơ đồ thí nghiệm của Rutherford

Dùng chùm hạt α phát ra từ nguồn phóng xạ α (1), sau khi đi qua màn
chắn (2) có chứa khe hẹp để tạo thành chùm tia mảnh, cho bắn vào lá vàng
được dát mỏng (3). Đường đi của chùm hạt α được quan sát trên màn quan sát
(4) có phủ một lớp sunfua kẽm (mỗi khi hạt α đập vào màn thì sẽ tạo ra một
lóe sáng tại điểm đó).
1.3.3.2. Kết quả thí nghiệm
Hầu hết các hạt α bay thẳng qua lá vàng và gây lên những chớp sáng tại
điểm 0 trên màn quan sát 4.
Tuy nhiên một số hạt α sau khi đi qua lá vàng thì bị lệch quỹ đạo khỏi
phương ban đầu. (ví dụ: gây ra chớp sáng ở M trên màn 4).
Cá biệt có một số hạt α bị bật trở lại mà không xuyên qua được lá vàng.
Nếu: căn cứ vào mẫu nguyên tử của Thomson thì có thể cho phép giải
thích được các hạt α xuyên qua tấm kim loại dẫn đến xuyên qua nguyên tử.

Dương Thị Bích

15

K33A – Hóa học

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nhưng: Nếu dựa trên mẫu nguyên tử của Thomson thì xác suất hạt α
bật trở lại là 10-3500. Trong khi bằng thực nghiệm thì cứ 8000 hạt α tới lại có
một hạt bật trở lại - Một con số không thể bỏ qua.
Kết quả này không thể giải thích nổi nếu dựa trên mẫu nguyên tử của
Thomson. Theo Thomson thì phần mang điện tích dương trong nguyên tử
được phân bố một cách liên tục trong toàn bộ thể tích nguyên tử nên các hạt α
sẽ dễ dàng đi qua lá vàng mà không bị lệch quỹ đạo.
Sau này khi nói về thí nghiệm Rutherford viết “…đây là một sự kiện
bất ngờ nhất xảy ra trong đời tôi. Thật không thể nào hiểu nổi hiện tượng này,
y như ta bắn một phát đạn vào tờ giấy mà viên đạn lại bật trở lại phía ta…”.
1.3.3.3. Giải thích kết quả thí nghiệm
Trước hết ta cần nhắc lại rằng, hạt α là đồng vị 42 He , chúng là những hạt
mang điện tích dương +2e và có khối lượng cỡ 4,0015u (1u = 1,66055.1027

Kg). Như vậy, hạt α nặng hơn e gần 7500 lần. Khi phát ra từ nguồn phóng

xạ, hạt α có vận tốc trong khoảng (1,5 - 2,0).107m/s.
Do hạt α có khối lượng rất lớn so với khối lượng của e nên ta có thể bỏ
qua ảnh hưởng của e trong nguyên nhân làm hạt α bị lệch quỹ đạo. Như vậy,
nguyên nhân hạt α bị lệch quỹ đạo là do tương tác của hạt α với phần mang
điện tích dương của nguyên tử vàng. Điều này cho thấy, điện trường trong
nguyên tử phải là điện trường rất mạnh. Nếu cho rằng điện tích dương của
nguyên tử phân bố liên tục trong toàn bộ thể tích nguyên tử như mẫu
Thomson thì sẽ không giải thích được kết quả của thí nghiệm này. Từ đó,

Rutherford đi đến kết luận:
Điện tích dương của nguyên tử phải tập trung trong một thể tích rất nhỏ
để phần lớn các hạt α có thể xuyên qua.

Dương Thị Bích

16

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Phần mang điện tích dương chiếm phần lớn khối lượng của cả nguyên
tử, nó được gọi là hạt nhân nguyên tử để các hạt α bị lệch khi va chạm và có
khi bật trở lại.
Hay nguyên tử có cấu tạo rỗng.
1.4. Mẫu nguyên tử của Rutherford
1.4.1. Đôi nét về nhà bác học Rutherford
Ernest Rutherford sinh ngày 30 tháng 8 năm 1871 ở Nelson, New
Zealand. Ernest Rutherford là con trai của James Rutherford, một nông dân,
và vợ của ông là Martha Thompson, quê quán ở Hornchurch, Essex, Anh
Quốc. James là dân nhập cư từ Perth, Scotland, "để nuôi trồng cây đanh và
các con". Ernest sinh ra ở Spring Grove (bây giờ là Brightwater), gần Nelson,
New Zealand. Tên gọi của ông bị đánh vần sai thành Earnest khi đi làm giấy
khai sinh. Ông học ở trường Havelock School và sau đó là trường Nelson
College rồi giành được học bổng học ở trường Canterbury College,
University of New Zealand nơi ông là chủ tịch hội đồng tranh luận.

Rutherford đã nghiên cứu hiện tượng phóng xạ từ đầu thập niên 1900.
Ông đã phát hiện ra ba dạng tia phát ra từ các chất phóng xạ. Ông (cùng với
Soddy) đã đưa ra thuyết phân rã phóng xạ, đã chứng minh sự tạo thành heli
trong quá trình phóng xạ, đã phát hiện ra hạt nhân nguyên tử và nghiên cứu
mô hình của hạt nhân nguyên tử, đặt cơ sở cho thuyết hiện đại về cấu tạo
nguyên tử.
Năm 1907, ông là giáo sư vật lý ở trường Đại học Manchester. Năm
1908, ông được tặng giải thưởng Nobel hóa học cho các công trình chứng
minh rằng các nguyên tử bị phân rã trong hiện tượng phóng xạ. Từ năm 1919,
ông làm việc ở Cambridge và Luân Đôn. Tại đây, ông đã thực hiện sự chuyển
hóa nhân tạo đầu tiên giữa các nguyên tố bền (còn gọi là kỹ thuật kim giả

Dương Thị Bích

17

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

thuật). Cụ thể là ông đã biến nitơ thành ôxy bằng cách dùng các hạt alpha bắn
phá vào chúng.
1.4.2. Nội dung
Nguyên tử được coi như hợp bởi một hạt nhân tích điện dương và xung
quanh hạt nhân có những điện tử quay trên những quỹ đạo khác nhau. Mẫu
nguyên tử Rutherford có thể được hình dung như một thái dương hệ nhỏ bé
với những điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân như những hành tinh

quay xung quanh mặt trời.
Điện tích của các e được cân bằng bởi điện tích dương của hạt nhân và
về toàn bộ thì nguyên tử vẫn ở trạng thái trung hoà về điện. Lực li tâm xuất
hiện do sự quay các e được cân bằng bởi lực hút tĩnh điện giữa các e và hạt
nhân tích điện ngược dấu.
Vì lí do này mà mẫu nguyên tử của Rutherford còn được gọi là mô hình
hành tinh nguyên tử.
Hình vẽ:

Hình 1.9. Mô hình nguyên tử theo mẫu Rutherford

Mẫu nguyên tử của Rutherford là một bước tiến quan trọng của khoa
học. So với mẫu của Thomson, mẫu Rutheford có những phát triển vượt bậc.

Dương Thị Bích

18

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.4.3. Thành công
Thí nghiệm về sự tán xạ các hạt α không những cho phép phát hiện sự
tồn tại hạt nhân nguyên tử mà còn xác định được điện tích của nó. Đại lượng
điện tích dương của hạt nhân nguyên tử bằng số thứ tự của nguyên tố trong hệ
thống tuần hoàn. Do đó, số thứ tự của nguyên tố không đơn thuần ghi vị trí

của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn, mà là hằng số quan trọng nhất của
nguyên tố biểu diễn điện tích dương của hạt nhân nguyên tử của nó. Do tính
trung hoà điện của nguyên tử nên có thể rút ra kết luận rằng số lượng e quay
quanh hạt nhân cũng bằng số thứ tự của nguyên tố. Đó là ý nghĩa vật lý của số
thứ tự nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn Mendeleep.
Mô hình hành tinh, hay mô hình hạt nhân nguyên tử của Rutherford là
một bước tiến lớn trong nhận thức về cấu trúc nguyên tử.
1.4.4. Hạn chế
Mô hình hành tinh không thể giải thích tính bền của nguyên tử.
Khi quay quanh hạt nhân, e phải phát ra một phần năng lượng của mình
dưới dạng dao động e. Điều đó dẫn đến sự phá huỷ cân bằng giữa lực hút tĩnh
điện của e về hạt nhân và lực li tâm gây ra bởi sự quay của e quanh hạt nhân.
Để khôi phục lại cân bằng, e phải dịch chuyển đến gần hạt nhân hơn. Do đó,
khi bức xạ một cách liên tục năng lượng e, thì dần dần e phải đi đến gần hạt
nhân và cuối cùng rơi vào nó – nguyên tử sẽ không còn tồn tại nữa. Trên thực
tế, nguyên tử lại rất bền và có thể tồn tại vô thời hạn.
Mô hình Rutherford cũng không thể giải thích được đặc điểm của
quang phổ nguyên tử.
Chúng ta biết rằng khi đi qua lăng kính thuỷ tinh thì ánh sáng mặt trời
tạo thành quang phổ - dải màu chứa tất cả các màu của cầu vồng. Hiện tượng
này là do ánh sáng mặt trời gồm các sóng e có tần số khác nhau. Các sóng có
tần số khác nhau bị khúc xạ bởi lăng kính một cách không đồng đều, dẫn đến

Dương Thị Bích

19

K33A – Hóa học

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

tạo thành quang phổ liên tục. Ánh sáng phát ra bởi các chất lỏng và các chất
rắn nung nóng sáng cũng thể hiện tính chất tương tự. Quang phổ của các khí
và các hơi được đốt nóng sáng là những vạch màu riêng biệt, cách nhau bởi
những khoảng tối – quang phổ vạch. Đồng thời, các nguyên tử của mỗi
nguyên tố cho quang phổ hoàn toàn xác định, khác với quang phổ của nguyên
tố khác.
Tính chất vạch quang phổ hidro không phù hợp với thuyết Rutherford,
vì khi phát ra năng lượng e phải đi liên tục gần hạt nhân, và quang phổ của nó
phải là quang phổ liên tục.
Do đó, mô hình hành tinh của nguyên tử không thể giải thích được tính
bền của nguyên tử, cũng như không thể giải thích được tính chất vạch đối với
quang phổ của các khí và hơi.
1.4.5. Sự tìm ra proton và notron
Sau khi Rutherford đề xuất mô hình nguyên tử có hạt nhân, các công
trình nghiên cứu cấu tạo vật chất tiếp tục phát triển mạnh mẽ. Các hạt proton
và notron được khám phá ra.
1.4.5.1. Sự tìm ra proton
Năm 1917, Rutherford khi bắn phá hạt nhân nguyên tử nito bằng hạt α
đã quan sát được sự xuất hiện hạt nhân nguyên tử oxi và một loại hạt có khối
lượng 1,6726.10-27 kg, mang một đơn vị điện tích dương (eo hay 1+). Hạt này
là một thành phần cấu tạo của hạt nhân nguyên tử được gọi là proton, được kí
hiệu bằng chữ p.
Phương trình:
4
2

He +

14
7

N  178 O + 11 p

 proton 

1.4.5.2. Sự tìm ra notron
Người ta thấy rằng nguyên tử lượng của Hyđrô lớn hơn tổng khối
lượng của một prôton và một điện tử. Chính vì vậy phải tồn tại một loại hạt

Dương Thị Bích

20

K33A – Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

khác trong hạt nhân đóng góp vào khối lượng của nguyên tử. Vì nguyên tử
trung hoà về điện nên hạt này phải không mang điện tích.
Nhà vật lý người Pháp Irene Joliot – Curie (1897 – 1956) đã tiến hành
một thí nghiệm, bà bắn phá một mẫu Berili bằng chùm hạt alpha và làm ra
một chùm hạt mới có khả năng thấm sâu vào vật chất nhiều hơn hạt alpha.
Năm 1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891 – 1974) phát hiện ra

rằng chùm hạt đó được tạo thành từ các hạt có cùng khối lượng với proton.
Do điện từ trường không làm lệch hướng chuyển động của hạt này nên nó là
một hạt trung hoà về điện và ông gọi nó là notron.
Phương trình:
4
2

He + 41 Be  126 C + 01 n

 notron 

Để giải quyết những khó khăn mà mẫu nguyên tử của Rutherford gặp
phải, năm 1913 nhà bác học Đan - Mạch Niels Bohr, một mặt đã sử dụng một
số định luật của cơ học kinh điển và nhiều thành tựu của Rutherford và mặt
khác đưa ra điều kiện lượng tử đối với sự chuyển động của điện tử trên cơ sở
lý thuyết lượng tử Plank và một số tiên đề khác hoàn toàn trái ngược với tinh
thần điện động học kinh điển. Dưới đây là nội dung những tiên đề, cơ sở lý
thuyết của Bo về nguyên tử.
1.5. Mẫu nguyên tử của Bohr
1.5.1. Đôi nét về nhà bác học Niels Bohr
Niels Bohr sinh 7/10/1885 - mất 18/11/1962, là một nhà vật lý học
người Đan Mạch. Niels Bohr là con của nhà sinh học Christian Bohr và bà
Ellen Adeer. Niels cũng là anh của nhà toán học Harald Bohr (giáo sư trường
ĐH Copenhagen). Niels Bohr được đào tạo tại trường ĐH Copenhagen. Năm
1911, được cấp bằng tiến sĩ với luận án Studierover Metallemes Elektronteori
(nghiên cứu về lý thuyết điện tử của các kim loại), sau đó Bohr sang ĐH
Manchester nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của nhà hóa học nổi tiếng

Dương Thị Bích

21

K33A – Hóa học