Mẫu nguyên tử Bohr tròn 100 tuổi

Hình ảnh được người ta hình dung ra sớm nhất của nguyên tử là tương tự như một hệ mặt trời thu nhỏ với các quỹ đạo electron đồng tâm tạo nên các quỹ đạo hành tinh và hạt nhân nằm tại tâm giống như mặt trời. Vào tháng 7 năm 1913, nhà vật lí Đan Mạch mẫu nguyên tử Bohr.

Bohr là một trong những nhà tiên phong của thuyết lượng tử. Ông đã chọn mẫu nguyên tử được đề xuất vài năm trước đó bởi nhà vật lí Ernest Rutherford và cải tiến cho nó thêm một bước ngoặt lượng tử.

Rutherford đã thực hiện khám phá đáng chú ý rằng phần lớn nguyên tử là không gian trống rỗng. Đa phần khối lượng của nó tập trung tại một hạt nhân tích điện dương nhỏ hơn nguyên tử 10.000 lần. Hạt nhân đặc được bao quanh bởi một tập hợp gồm những electron nhỏ xíu, tích điện âm.

Niels Bohr, một thành viên sáng lập của CERN, kí duyệt hồ sơ Proton Synchrotron vào ngày 05/2/1960. Ở phía bên phải là François de Rose, và tổng giám đốc Cornelius Jan Bakker. (Ảnh: CERN)

Bohr đã có khoảng thời gian làm việc quan trọng trong năm 1912 tại phòng thí nghiệm của Rutherford ở Manchester, Anh quốc. Ông lo ngại trước một số mâu thuẫn trong mẫu nguyên tử Rutherford. Theo các quy tắc của vật lí cổ điển, các electron cuối cùng sẽ chuyển động xoắn ốc vào trong hạt nhân, làm cho nguyên tử sụp đổ. Mô hình của Rutherford không giải thích được tính bền của nguyên tử, cho nên Bohr chuyển sang lĩnh vực vật lí mới ra đời để tìm kiếm câu trả lời.

Bohr đề xuất rằng thay vì chạy vèo vèo ngẫu nhiên xung quanh hạt nhân, các electron cư trú trong những quỹ đạo nằm cách hạt nhân một khoảng nhất định. Trong bức tranh này, mỗi quỹ đạo gắn liền với một năng lượng nhất định, và electron có thể thay đổi quỹ đạo bằng cách phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng theo từng gói rời rạc (gọi là lượng tử). Với bức tranh này, Bohr đã có thể giải thích quang phổ của ánh sáng phát ra (hoặc hấp thụ) bởi hydrogen, nguyên tử đơn giản nhất.

Bohr công bố những quan niệm này vào năm 1913 và trong thập niên tiếp theo đó ông đã phát triển lí thuyết cùng với nhiều người khác nhằm cố gắng giải thích những nguyên tử phức tạp hơn. Năm 1922, ông được trao Giải Nobel Vật lí cho công trình nghiên cứu này.

Tuy nhiên, mẫu nguyên tử Bohr có một số sai sót và cuối cùng cũng bị thay thế. Lĩnh vực cơ học lượng tử đang chín muồi làm sáng tỏ rằng không thể nào biết đồng thời vị trí và vận tốc của một electron được. Các quỹ đạo rạch ròi của Bohr bị thay thế bởi những “đám mây” xác suất trong đó một electron có thể được tìm thấy.

Nhưng mẫu nguyên tử Bohr đã đặt nền tảng cho nhiều tiến bộ khoa học. Toàn bộ các thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc nguyên tử - kể cả một số thí nghiệm tại CERN, ví dụ như thí nghiệm về phản hydrogen và những nguyên tử kì lạ khác tại Máy giảm tốc Phản proton, và tại Máy tách Khối Đồng vị Trực tiếp (ISOLIDE) – có thể truy ngược về từ cuộc cách mạng thuyết nguyên tử mà Rutherford và Bohr đã khởi xướng hồi một thế kỉ trước.

Theo CERN