NGUYÊN tử – PHÂN tử VÀ cấu TRÚC

NGUYÊN TỬ – PHÂN TỬ
VÀ CẤU TRÚC NANO


CẤU TRÚC ĐỀ TÀI
Chương I: Nguyên tư

Chương II: Phân tư và máy nano

Chương III: Cấu trúc nanô


CHƯƠNG I: NGUYÊN TỬ
1.1 Nguyên tử và thuyết lượng tử về nguyên tử
 Khái niệm nguyên tư được Democritus đưa ra
từ khoảng 450 TCN.


 Vào năm 1808, John Dalton đã đưa ra lý thuyết
nguyên tư của mình để giải thích định luật bảo toàn
khối lượng và định luật tỉ lệ các chất:
 Tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tư.
 Các nguyên tư của cùng một nguyên tố sẽ có cùng
một cấu trúc và tính chất.
 Các nguyên tư không thể bị phân chia, không thể
được sinh ra hoặc mất đi.
 các nguyên tư của các nguyên tố khác nhau kết hợp
với nhau để tạo ra các hợp chất.
 Trong các phản ứng hoá học, các nguyên tư có thể
kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại.

 Năm 1897, nhà vật lý người Anh J.J.
Thomson nghiên cứu các tia âm cực:


• Thomson đưa ra mô hình
nguyên tư: Đó là một hình
cầu rất nhỏ, mang điện tích
dương dàn đều, trong đó có
các hạt điện tư, mang điện
tích âm, phân bố để cân
bằng điện tích.
• Mô hình này không đúng
vì điện tích dương cũng
mang bởi các hạt, như đã
phát hiện ra hạt phóng xạ .�


 Vào khoảng 1910 E. Rutherford, nhà vật lý Anh, chiếu
các tia phóng xạ vào các lá vàng và nghiên cứu sự tán
xạ của chúng.


Rutherford đưa ra mô hình nguyên tư gồm hạt
nhân cực nhỏ mang điện tích dương, còn các điện tư
mang điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo quanh
hạt nhân như các hành tinh nên được gọi là mẫu hành
tinh. Mô hình cổ điển này không giải thích được sự bền
vững của nguyên tư và quang phổ phát xạ của các
nguyên tư khi chúng bị kích thích.

Niels Bohr năm 1913 áp dụng thuyết lượng tư về sự
gián đoạn các mức năng lượng vào mẫu nguyên tư có hạt
nhân, đưa ra mô hình nguyên tư như sau: ở trung tâm là hạt
nhân mang điện dương, xung quanh có các quỹ đạo điện tư
(mang điện âm) ứng với các mức năng lượng xác định.

Mô hình nguyên tư Bohr đã khắc phục được
nhiều khó khăn của mô hình nguyên tư hành tinh, nhưng
mới chỉ là bán lượng tư, chưa phản ánh được đầy đủ các
đặc thù của các hạt vi mô.


Đến những năm 20 và 30 của thế kỷ XX,
thuyết lượng tư hiện đại được xây dựng:
•Nguyên tư được tạo thành từ một hạt nhân
mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tư và
các điện tư mang điện tích âm chuyển động xung
quanh sao cho nguyên tư trung hòa về điện.
•Hạt nhân được tạo thành từ các
hạt proton mang điện tích dương và các
hạt neutron không mang điện. Năng lượng hạt


• Vỏ điện tư của nguyên tư có nhiều lớp, lớp ngoài
cùng có đường kính cỡ 10ˉ¹ᴼm (cũng là đường kính của
nguyên tư). Mỗi lớp vỏ có một số điện tư, nhưng tổng số
điện tư của tất cả các lớp bằng tổng số proton của hạt
nhân để trung hòa về điện. Trong mỗi lớp, các điện tư

chuyển động theo “ mây điện tư” ứng với một mức năng
lượng xác định.

Ngoài khối lượng, điện tích, các hạt vi mô nói chung đều có một
tính chất đặc trưng diễn tả bằng một đại lượng gọi là spin.


1.2 Bảng tuần hoàn các nguyên tố
Mỗi nguyên tố hóa học ứng với một loại nguyên
tư, bởi vậy người ta thường dùng ký hiệu của nguyên
tư để chỉ một nguyên tố hóa học.
Trong tự nhiên một
nguyên tố có thể có vài dạng
khác nhau chỉ về số khối, ta
gọi chúng là đồng vị của nhau.
Ngoài đồng vị tự nhiên,
khi bị bắn phá bằng hạt nơtron,
còn có thể xuất hiện đồng vị
phóng xạ.



Khi phân rã và phát ra các tia phóng xạ, thường có ba
loại hạt được phóng ra.

Các nguyên tư khi bị kích thích thì các điện tư lớp vỏ
có thể hấp thụ năng lượng kích thích để dời từ mức năng
lượng thấp lên mức năng lượng cao. Sau đó chúng lại tự
phát dời ngược trở lại từ cao xuống thấp và phát xạ ra bức
xạ điện từ có bước sóng �xác định.

1.3 Kích thước nguyên tử và lực tương
tác giữa các nguyên tử.
1.3.1 Kích thước nguyên tử
Người ta quy ước bán kính rᴀ của một nguyên tư là
một nưa khoảng cách hạt nhân của hai nguyên tư cùng
loại liên kết đồng hóa trị với nhau trong một phân tư gồm
hai nguyên tư đó, hoặc trong một thể đông đặc gồm các
nguyên tư cùng loại đó.


Trong một chu kỳ theo bảng tuần hoàn (theo chiều
ngang) thì bán kính nguyên tư giảm từ đầu chu kỳ xuống
cuối chu kỳ; trong một nhóm thì bán kính nguyên tư tăng
từ đầu nhóm xuống cuối nhóm (đi từ trên xuống).


Nguyên tư có kích thước rất nhỏ , bởi vậy để “ chụp hình” các
nguyên tư phải dùng các chùm bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 0,01Å.
Nếu dùng kính hiển vi điện tư thì phải có điện thế gia tốc chùm hạt
điện tư khoảng trên 100kV.



1.3.2 Lực tương tác giữa các nguyên tử
Kích thước nguyên tư có ảnh hưởng quan trọng đến
tương tác các nguyên tư .
Bài toán về lực tương tác giữa một nguyên tư với các
nguyên tư xung quanh thuộc về bài toán N – vật là loại bài

toán không thể giải được trong trường hợp chung mà chỉ có
thể giải gần đúng trong một số trường hợp riêng.
Trong trường hợp các chất rắn thì có thể xét gần đúng
quá trình tương tác giữa các nguyên tư. Tùy theo nhiệt độ
của vật, tần số dao động ω của các nguyên tư có thể thay
đổi và thuộc vào một dải tần số xác định. Từ đây có thể
tính được lực kéo về vị trí cân bằng khi nguyên tư dời khỏi
nó nghĩa là đủ để sư dụng vào thao tác trên từng nguyên tư
của công nghệ nanô.



Chương II: PHÂN TỬ VÀ MÁY NANÔ
2.1 Liên kết phân tử và tương tác giữa các phân tử
2.1.1 Liên kết phân tử
a)Liên kết cộng hóa trị
Liên kết cộng hóa trị xảy ra khi hai nguyên tư liên kết với
nhau bằng cách hai nguyên tư trao đổi điện tư để tạo ra một
mây điện tư chung làm vỏ chung cho cả hai hạt nhân.

H

H:H
Cặp e dùng chung

H


b) Liên kết ion
Liên kết ion xảy ra giữa hai nguyên tư A và B

khi nguyên tư A mất đi một điện tư lớp vỏ ngoài để
chuyển sang cho lớp vỏ ngoài của B. Như vậy A trở
thành ion (+) còn B trở thành ion (-). Hai ion này
trái dấu điện ích nên liên kết bằng lực hút tĩnh điện.


* Xét sự tạo thành phân tư NaCl :

+

-

11+

Na(2,8,1)
Na+

17+

lực hút
tĩnh điện

ClCl(2,8,7)
tạo nên liên kết ion
=> hình thành phân tử NaCl


c) Liên kết Hydro
Sự tồn tại loại liên kết này là do nguyên tư hydro mặc dầu
chỉ có 1 điện tư lại có thể đồng thời liên kết với hai nguyên

tư khác. Khi nguyên tư H trao đổi điện tư với 1 nguyên tư
khác để tạo ra liên kết thì hạt nhân còn lại của nó mang điện
(+) lại có thể thu hút điện tư của nguyên tư thứ ba để tạo
một liên kết mới (mặc dầu yếu hơn) và gọi nó là liên kết
hydro.

Hình: Các liên kết 1 được gọi là liên kết hydro


d) Liên kết kim loại
Trong các tinh thể kim loại, những nguyên tư
của cả mạng liên kết với nhau bằng cách tập thể
hóa các điện tư lớp vỏ ngoài tạo thành các dải mức
năng lượng chung thường gọi là các vùng năng
lượng của cả tinh thể. Đó là liên kết kim loại, dạng
liên kết điển hình của các nguyên tư kim loại.
Trong liên kết kim loại xuất hiện các điện tư tự
do có thể di chuyển khắp khối kim loại và tạo ra
tính dẫn điện rất tốt của kim loại. Trong công nghệ
nanô liên kết kim loại thường dược dùng để tạo ra
các kênh dẫn ở linh kiện nanô.