Kể từ khi được đề xuất lần đầu tiên bởi Democritus hồi thế kỉ thứ 5 trước Công nguyên, mô hình nguyên tử đã trải qua một số lần cải tiến trong mấy nghìn năm qua. Từ khởi đầu khiêm nhường của nó là một vật trơ, không thể phân chia tương tác cơ với các nguyên tử khác, nghiên cứu tiếp diễn sau đó và các phương pháp cải tiến đã khiến các nhà khoa học kết luận rằng các nguyên tử thật sự gồm những hạt còn nhỏ hơn nữa tương tác điện từ với nhau.
Đây là nền tảng của thuyết nguyên tử mà nhà vật lí người Anh J.J. Thompson nghĩ ra hồi cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20. Là một bộ phận của cuộc cách mạng diễn ra khi ấy, Thompson đề xuất một mô hình nguyên tử gồm nhiều hơn một đơn vị sơ cấp. Dựa trên diện mạo của nó, gồm một “biển điện tích dương đồng đều” với các electron phân bố đều khắp, mô hình Thompson được đặt tên là “Mẫu bánh bông lan rắc nho”.
Mặc dù không thích hợp theo các tiêu chuẩn hiện đại, nhưng “Mẫu bánh bông lan rắc nho” tiêu biểu cho một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của thuyết nguyên tử. Không những nó sáp hợp các khám phá mới, ví dụ như sự tồn tại của electron, nó còn nêu quan điểm xem nguyên tử là một khối có thể phân chia, không trơ ì. Kể từ đó, các nhà khoa học hiểu rằng bản thân các nguyên tử được cấu tạo bởi những đơn vị vật chất nhỏ hơn, và rằng mọi nguyên tử tương tác với nhau qua nhiều loại lực khác nhau.
Sơ đồ Mẫu nguyên tử “bánh bông lan rắc nho” của J.J. Thomson
Thuyết nguyên tử cho đến thế kỉ 19
Những thí dụ được biết sớm nhất của thuyết nguyên tử có xuất xứ từ Hi Lạp và Ấn Độ cổ đại, nơi các nhà triết học như Democritus cho rằng toàn bộ vật chất bao gồm những đơn vị nhỏ xíu, không thể chia nhỏ và không thể phá hủy. Thuật ngữ “nguyên tử” được đặt tên ở Hi Lạp cổ đại và làm phát sinh trường phái tư tưởng gọi là “nguyên tử luận”. Tuy nhiên, lí thuyết này mang tính triết lí nhiều hơn khoa học.
Các nguyên tử và phân tử đa dạng được mô tả trong tác phẩm Một hệ thống mới của Triết lí hóa học của John Dalton (1808)
Cho đến thế kỉ 19 thì thuyết nguyên tử mới được mắc xích thành một luận điểm khoa học, với những thí nghiệm bằng chứng đầu tiên được tiến hành. Chẳng hạn, vào đầu thế kỉ 19, nhà khoa học người Anh John Dalton đã sử dụng khái niệm nguyên tử để giải thích tại sao các nguyên tố hóa học phản ứng theo những cách nhất định có thể quan sát và có thể dự đoán trước.
Dalton bắt đầu với câu hỏi tại sao các nguyên tố phản ứng theo tỉ số của những số nguyên nhỏ, và kết luận rằng những phản ứng này xảy ra theo bội số nguyên của những đơn vị rời rạc – tức là các nguyên tử. Qua một loạt thí nghiệm với các chất khí, Dalton tiến tới phát triển cái gọi là Thuyết nguyên tử Dalton. Lí thuyết này mở rộng trên các định luật bảo toàn khối lượng và tỉ lệ thức – được thiết lập vào cuối thế kỉ 18 – và vẫn là một trong những trụ cột của vật lí học và hóa học hiện đại.
Lí thuyết Dalton gồm năm nội dung: các nguyên tố, ở dạng tinh khiết nhất của chúng, gồm các hạt gọi là nguyên tử; các nguyên tử của một nguyên tố là giống hệt nhau; các nguyên tử của những nguyên tố khác nhau có thể phân biệt được bởi trọng lượng nguyên tử của chúng; nguyên tử của các nguyên tố liên kết thành các hợp chất hóa học; các nguyên tử không thể được tạo ra hay phá hủy trong phản ứng hóa học, mà chỉ có nhóm liên kết thay đổi.
Vào cuối thế kỉ 19, các nhà khoa học cũng bắt đầu xây dựng lí thuyết rằng nguyên tử được cấu tạo bởi nhiều hơn một đơn vị sơ cấp. Tuy nhiên, đa số các nhà khoa học mạo muội rằng đơn vị này sẽ cùng kích cỡ với nguyên tử nhỏ nhất được biết – nguyên tử hydrogen. Vào cuối thế kỉ 19, mô hình nguyên tử thay đổi đầy kịch tính.
Ảnh nhìn ngang của một loại ống Crookes với một chữ thập đứng.
Các thí nghiệm của Thomson
Nhà vật lí người Anh Joseph John Thomson là giáo sư vật lí ngạch Cavendish tại Đại học Cambridge từ năm 1884. Vào thập niên 1880 và 1890, nghiên cứu của ông phần lớn xoay quanh việc phát triển các mô hình toán học cho các quá trình hóa học, sự chuyển hóa năng lượng ở dạng toán học và lí thuyết, và điện từ học.
Tuy nhiên, vào cuối những năm 1890, ông bắt đầu tiến hành các thí nghiệm sử dụng một ống tia cathode gọi là Ống Crookes. Dụng cụ này gồm một ống thủy tinh hàn kín với hai điện cực ngăn cách nhau bởi một chân không. Khi thiết lập điện áp giữa hai điện cực, tia cathode được tạo ra (ở dạng một vệt khí phát sáng lan rộng ra đầu kia của ống).
Qua thí nghiệm, Thomson quan sát thấy các tia này có thể bị lệch hướng bởi điện trường và từ trường. Ông kết luận rằng thay vì là ánh sáng, chúng được cấu tạo bởi những hạt tích điện âm mà ông gọi là “tiểu thể”. Dựa trên việc đo tỉ số khối-lượng-trên-điện-tích của những hạt này, ông phát hiện thấy chúng nhỏ hơn 1000 lần và nhẹ hơn 1800 lần so với hydrogen.
Kết quả này bác bỏ hoàn toàn quan điểm rằng nguyên tử hydrogen là đơn vị nhỏ nhất của vật chất, và Thomson tiến tới đề xuất rằng các nguyên tử là có thể chia nhỏ được. Để giải thích điện tích tổng thể của nguyên tử, gồm điện tích dương lẫn điện tích âm, Thompson đề xuất một mô hình trong đó các tiểu thể tích điện âm phân bố trong một biển đồng đều điện tích dương.
Một hình mô tả cấu trúc nguyên tử của nguyên tử helium
Những tiểu thể này sau đó được đặt tên là “electron”, dựa trên hạt lí thuyết đã được tiên đoán bởi nhà vật lí George Johnstone Stoney hồi năm 1874. Và từ đây, Mẫu bánh bông lan rắc nho ra đời. Tạp chí triết học của Anh, số ra tháng 3/1904, đã mang mô hình này đến với thế giới.
Những hạn chế của mẫu bánh bông lan rắc nho
Thật không may, các thí nghiệm sau đó cho thấy một số hạn chế khoa học đối với mô hình Thomson. Trước tiên, đó là vấn đề chứng minh nguyên tử có điện tích dương phân bố đều làm nền, đây được gọi là “Bài toán Thomson”. 5 năm sau, mô hình bị bác bỏ bởi Hans Geiger và Ernest Marsden, họ đã tiến hành một loạt thí nghiệm sử dụng các hạt alpha và lá vàng.
Trong cái được gọi là “thí nghiệm lá vàng”, họ đã đo phổ tán xạ của các hạt alpha bằng màn hình huỳnh quang. Nếu mô hình Thomson là đúng, thì các hạt alpha sẽ đi xuyên qua cấu trúc nguyên tử của lá vàng mà không bị cản trở. Tuy nhiên, thay vậy, họ để ý thấy trong khi đa số hạt alpha đi xuyên thẳng qua, thì một số hạt bị tán xạ theo nhiều hướng, với một số hạt bật ngược lại hướng nguồn phát.
Geiger và Marsden kết luận rằng các hạt alpha đã vấp phải lực điện từ lớn hơn nhiều so với lực cho phép bởi mô hình Thomson. Vì hạt alpha chính là hạt nhân helium (chúng mang điện dương), thành ra điều này hàm ý rằng điện tích dương trong nguyên tử không phân bố đều khắp, mà tập trung trong một thể tích nhỏ xíu. Ngoài ra, thực tế những hạt alpha không bị lệch hướng và đi xuyên qua không bị cản trở có nghĩa là những không gian mang điện dương này được ngăn cách bởi khoảng không gian trống rỗng rất lớn.
Kết quả dự đoán của thí nghiệm Geiger-Marsden (trái), và kết quả thực tế. Ảnh: Wikimedia Commons/Kurzon
Vào năm 1911, nhà vật lí Ernest Rutherford đã làm sáng tỏ thí nghiệm Geiger-Marsden và bác bỏ mô hình Thomson của nguyên tử. Thay vào đó, ông đề xuất một mô hình trong đó nguyên tử gồm phần lớn không gian trống rỗng, với toàn bộ điện tích dương của nó tập trung tại tâm của nó trong một thể tích hết sức nhỏ và được bao quanh bởi một đám mây electron. Mô hình này được gọi là Mô hình Rutherford của nguyên tử.
Các thí nghiệm sau đó do Antonius Van den Broek và Neils Bohr tiến hành đã cải tiến thêm cho mô hình Rutherford. Trong khi Van den Broek đề xuất rằng số nguyên tử của một nguyên tố là rất giống với điện tích hạt nhân của nó, thì Neils Bohr đề xuất một mô hình kiểu hệ mặt trời của nguyên tử, trong đó hạt nhân chứa số nguyên tử điện tích dương và được bao quanh bởi số electron bằng như vậy trong lớp vỏ orbital (tức là Mẫu Bohr).
Mặc dù chỉ tồn tại 5 năm thì bị bác bỏ, nhưng Mô hình nguyên tử “bánh bông lan rắc nho” của Thomson là một bước tiến trọng yếu trong sự phát triển của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt sơ cấp. Nghiên cứu của ông trong việc xác định rằng nguyên tử có thể chia nhỏ được, cũng như sự tồn tại của các lực điện từ bên trong nguyên tử, có tác động lớn đối với lĩnh vực vật lí lượng tử.
Nguồn: Universe Today
