Chương 3
Các dạng vật chất
Nước là một trong vài chất quen thuộc hằng ngày có thể tồn tại tự nhiên trên Trái Đất ở dạng rắn, lỏng, và khí. Làm lạnh nước, nó biến thành băng cứng như đá. Trên vệ tinh Titan của sao Thổ, nhiệt độ lạnh đến 180oC dưới zero và có những ngọn núi băng, cao 3 km. Trên hành tinh điều độ hơn của chúng ta, trạng thái bình thường của nước là lỏng. Khi bạn đun sôi một ấm nước, một vòi khí không nhìn thấy, hơi nước, được tạo ra. Đám mây trắng bay ra khỏi ấm nước có chứa các giọt nước li ti ngưng tụ trong không khí và tán xạ ánh sáng. Đặt một bề mặt lạnh lên vòi khí ấy thì hơi nước ngưng tụ lại thành các giọt chảy xuống và đọng lại. Các trạng thái hay các pha khác nhau này của vật chất phát sinh do sự cạnh tranh giữa các đối nghịch: chuyển động nhiệt làm các hạt rời xa nhau và lực hút liên nguyên tử hút chúng về với nhau, lực đẩy và lực hút. ‘Hồ dán’ giữ các electron với nguyên tử, mang các nguyên tử lại với nhau thành phân tử, và hút các phân tử lại thành chất rắn và chất lỏng, là lực điện. Lực điện náu mình sau hóa học, sinh học, và bản thân sự sống. Các trạng thái vật chất có thể chảy, chất lỏng và chất khí, được gọi là chất lưu. Chất rắn, chất lỏng, và chất khí được gọi là các trạng thái cơ bản của vật chất. Một chất rắn có hình dạng và thể tích, một chất lỏng có thể tích nhưng không có hình dạng, và một chất khí không có hình dạng hay thể tích. Chất lỏng và chất rắn được gọi là các trạng thái ngưng tụ của vật chất.
Trạng thái đơn giản nhất của vật chất là chất khí. Vào thế kỉ mười chín, James Clerk Maxwell và Ludwig Boltzmann đã phát triển thuyết động học chất khí xây dựng một mối liên hệ giữa thế giới vi mô mang tính thống kê của các phân tử và các tính chất vĩ mô của chất khí. Một chất khí ‘lí tưởng’ gồm số lượng lớn nguyên tử hoặc phân tử chuyển động ngẫu nhiên và va chạm như thể chúng là những quả billard thu nhỏ hoàn toàn đàn hồi. Giữa các va chạm trong tíc tắc của chúng, chúng chuyển động theo đường thẳng, đó là lí do khiến chất khí choán đầy bình chứa có hình dạng và kích cỡ bất kì. Có số lượng rất lớn (cỡ 1022) phân tử trong một lít chất khí ở điều kiện chuẩn, một con số lớn đến mức chúng ta có thể tính hành trạng thống kê của chúng với độ chính xác cao. Khi một phân tử va chạm với thành bình chứa, nó truyền một xung lực rất nhỏ sang thành bình và bật trở lại. Sự va đập không ngừng nghỉ của các phân tử, xét trung bình, tạo ra một lực vĩ mô có thể đo được, tức là áp suất, tác dụng đồng đều lên thành bình chứa.
Mặc dù có rất nhiều phân tử trong một chất khí, nhưng chúng rất nhỏ bé, vì thế có rất nhiều không gian ở giữa chúng. Tính chất này của chất khí khiến chúng có thể nén được. Nếu bạn hóa lỏng không khí bằng cách làm lạnh đủ mạnh, nó co lại còn 1/2000 thể tích ban đầu. Thành bình chứa chất khí có thể bị ép làm nén chất khí, giống như piston trong cái bơm xe đạp. Nhà khoa học Anh thế kỉ 17 Robert Boyle đã thực hiện các thí nghiệm trên chất khí, ông mô tả một cách màu mè là ‘chạm lên cái lò xo không khí’. Boyle khám phá được rằng áp suất chất khí tăng tỉ lệ nghịch với thể tích của nó. Nếu thể tích của một bình chứa giảm một nửa, thì các phân tử, lúc này bị nén vào không gian còn một nửa, va đập với thành bình với tần suất gấp đôi, thành ra làm tăng gấp đôi áp suất.
Các phân tử trong một chất khí không chuyển động ở cùng một tốc độ. Những phân tử chậm hơn thu lấy động năng do các phân tử nhanh hơn va đập vào chúng thường xuyên hơn, và các phân tử nhanh hơn mất năng lượng thường xuyên hơn do va chạm với các phân tử chậm hơn. Các va chạm đưa đến một phân bố thống kê của tốc độ hạt gọi là phân bố Maxwell-Boltzmann, trong đó tốc độ trung bình được liên hệ với nhiệt độ của chất khí. Một phân tử không khí ở điều kiện phòng có tốc độ trung bình khoảng 350 m/s, tức là xấp xỉ bằng tốc độ âm thanh, và âm thanh truyền đi dưới dạng sóng gồm các đoạn nén và rút không khí. Mối liên hệ giữa nhiệt độ và tốc độ phân tử hàm ý rằng phải có một nhiệt độ khả dĩ thấp nhất, độ không tuyệt đối, tại đó mọi chuyển động ngừng lại. Độ không tuyệt đối là -273oC, hay zero độ trên thang nhiệt độ tuyệt đối đo bằng Kelvin (0 K).
Có một phân biệt quan trọng giữa nhiệt lượng và nhiệt độ. Một số thứ có nhiệt độ cao nhưng chứa ít nhiệt lượng; những thứ khác nguội hơn nhưng chứa rất nhiều nhiệt lượng. Nhiệt lượng phụ thuộc vào cả nhiệt độ và số lượng hạt tham gia. Hai xoong nước sôi bằng nhau chứa nhiệt lượng nhiều gấp đôi một xoong, mặc dù chúng đều có nhiệt độ như nhau (100oC).
Nhiệt động lực học
Nguồn động lực của cách mạng công nghiệp là động cơ hơi nước. Trong nỗ lực cải tiến hiệu suất của động cơ hơi nước, các chuyển hóa giữa nhiệt lượng, công, và năng lượng đã được nghiên cứu sâu rộng và hiểu biết đó đã phát triển thành nhiệt động lực học. Có hai dạng năng lượng cơ bản: năng lượng của chuyển động (hay động năng), và năng lượng mà vật có được do vị trí của nó trong một trường lực (hay thế năng). Nâng một vật 1 kg lên độ cao 1 m trong trường hấp dẫn của Trái Đất làm tăng thế năng của nó lên gần 10 Joule. Joule (J) là đơn vị SI của năng lượng, một đơn vị tiện dụng cho các vật vĩ mô. Cần khoảng 400.000 Joule để đun sôi một kg nước, tương đương với năng lượng để nâng một người lên cao 500 m.
Một vật có thể thu động năng bằng cách tăng tốc độ của nó. Nhưng khi vật đó được mang lên chóp đỉnh của một tòa nhà, nó thu thế năng từ trường hấp dẫn của Trái Đất. Nếu bây giờ thả rơi nó, thì vật thu tốc độ khi nó rơi xuống, biến đổi thế năng của nó thành động năng. Năng lượng là một khái niệm hữu ích do bởi nguyên lí bảo toàn năng lượng: tổng thế năng và động năng là không đổi trong suốt chuyển động của vật đó. Khi vật chạm đất, năng lượng của nó biến đổi thành chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử, hay nhiệt năng.
Thực tế nhiệt là một dạng năng lượng có nghĩa là nó phải được bao gộp trong định luật bảo toàn năng lượng, đây chính là Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học. Khi một vật (trong nhiệt động lực học gọi là một ‘hệ’) ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, ta có thể xem hệ đó đang ở trong một cái hộp kín từ đó không có năng lượng thoát ra hay thêm vào. Năng lượng của một hệ nhiệt động lực học được bảo toàn.
Điều quan trọng là phân biệt giữa các dạng hữu ích của năng lượng, ví dụ như động năng hay thế năng hoán đổi cho nhau, và năng lượng đã suy biến đến mức không thể dùng nó để thực hiện công nữa. Năng lượng dễ dàng giáng cấp thành một dạng vô dụng, còn quá trình ngược lại thì khó xảy ra hơn nhiều. Động năng của một ô tô đang chuyển động, năng lượng trực tiếp của các bộ phận của nó, sẽ biến đổi phần lớn thành nhiệt khi hãm phanh. Chuyển động có trật tự của ô tô bây giờ biến thành chuyển động mất tổ chức, chuyển động ngẫu nhiên của các nguyên tử và phân tử trong trống phanh. Nhiệt năng đó không còn hữu ích trong việc làm cho ô tô chuyển động trở lại. Bản chất không thuận nghịch của nhiệt được bao hàm trong Định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Định luật thứ nhất nói rằng chúng ta không thể thu được cái gì đó từ hư vô, và định luật thứ hai nói rằng chúng ta thậm chí còn không thể huề vốn nữa! Cái chất của năng lượng, hay khả năng của nó thực hiện công có ích, được liên hệ với độ mất trật tự trong một hệ, và được đo bởi một đại lượng nhiệt động lực học gọi là entropy. Entropy được định nghĩa lần đầu tiên bởi Rudolf Clausius và được xây dựng cơ sở phân tử thống kê bởi Boltzmann. Khái niệm mất trật tự trong một hệ hạt giữ một vai trò cơ bản trong việc xác định những sắp xếp khác nhau của các nguyên tử gây ra các trạng thái khác nhau của vật chất như thế nào.
Mỗi hạt trong một hệ có một số bậc tự do, hay những cách độc lập trong đó nó có thể chuyển động hoặc hấp thụ năng lượng. Đối với một chất khí cân bằng, tổng năng lượng được phân bố đồng đều giữa mọi bậc tự do của các hạt, theo nguyên lí phân bố đều năng lượng. Một chất khí đơn nguyên tử đơn giản, như neon, có ba bậc tự do, tương ứng với ba chiều không gian. Các phân tử có thêm các bậc tự do khác. Liên kết hóa học trong phân tử lưỡng nguyên tử H2 chẳng hạn, nó hành xử giống như một cái lò xo nối hai khối lượng nguyên tử, có thể dao động hoặc quay, và đây chính là cái mang lại thêm bậc tự do. Khi một lượng chuẩn vật chất ở một trạng thái cho trước tăng nhiệt độ của nó thêm một độ, thì nó hấp thụ một lượng nhiệt gọi là nhiệt dung riêng.
Chất rắn và chất lỏng
Điều gì xảy ra khi chúng ta làm lạnh một bình chứa chất khí? Các phân tử dội lại từ thành bình chứa sẽ có năng lượng giảm đi và nhiệt độ của chất khí bắt đầu hạ xuống. Chuyển động diễn ra chậm hơn, các phân tử lúc này kém độc lập hơn, và dành nhiều thời gian hơn ở gần các láng giềng của chúng, nơi lực liên nguyên tử làm chúng chậm dần. Các lực liên nguyên tử là do lực hút tĩnh điện của các nguyên tử hay phân tử ở khoảng cách khá ngắn (chừng vài lần đường kính nguyên tử) nhưng lại trở thành lực đẩy khi khoảng cách đó quá gần. Hãy nghĩ tới lực giữa hai nguyên tử. Ở khoảng cách lớn (nói ví dụ, hơn 10 đường kính nguyên tử), hầu như chẳng có lực gì do các điện tích dương và âm ở mỗi nguyên tử triệt tiêu nhau gần như hoàn toàn. Nhưng khi các nguyên tử tiến đến nhau, chúng bộc lộ bản chất dạng hạt của chúng và bắt đầu cảm nhận cấu trúc nội tại của nhau, mỗi thành phần càng lúc càng tiến gần đến một số điện tích nguyên tử của bên kia hơn. Các đám mây electron mang điện âm của nguyên tử này, và hạt nhân mang điện dương của nguyên tử kia, hút nhau. Tuy nhiên, nếu các nguyên tử tiến đến quá gần nhau, thì các đám mây electron bên ngoài của chúng chồng lên nhau và lực đẩy xuất hiện.
Khi nhiệt độ chất khí giảm, sự cân bằng giữa chuyển động nhiệt hỗn loạn và các lực hút liên nguyên tử lúc này bị đảo lộn và nghiêng về các lực liên nguyên tử khi chất khí bắt đầu ngưng tụ thành chất lỏng (Hình 5). Các phân tử bây giờ ở đủ gần nhau để kháng lại sức nén toàn khối và đây là lí do vì sao các chất lỏng phần lớn không nén được và được dùng để truyền lực thông qua các đường ống trong hệ thống thủy lực. Ở cấp phân tử, có một sự thỏa hiệp giữa lực hút và lực đẩy, làm cho các phân tử có khoảng cách cân bằng tiêu biểu vào khoảng 3 ´ 10– 10 mét. Các phân tử của một chất lỏng có vừa đủ năng lượng nhiệt để cho phép chúng đổi chỗ với các láng giềng của chúng bằng cách đẩy bọn kia đi, đem lại cho chất lỏng một tính lưu chất là có thể thích ứng với hình dạng của bình chứa nó.
Hình 5. Sự biến đổi trạng thái của vật chất khi nhiệt độ tăng, từ chất rắn thành chất lỏng, đến chất khí, rồi plasma.
Khi chất lỏng tiếp tục được làm lạnh thêm, chuyển động nhiệt trở nên yếu ớt thêm. Chất lỏng đông đặc thành chất rắn, và toàn bộ lưu tính biến mất. Các phân tử, trong khi vẫn tiếp tục dao động yếu ớt, ‘bị khóa’ vào những vị trí nhất định và vật liệu trở nên cứng và có hình dạng xác định, với mỗi phân tử có một vị trí rạch ròi trong chất rắn đó. Các phân tử trong một chất rắn kết tinh chiếm giữ những vị trí xác định trên một mạng 3D tuần hoàn đều.
Một khác biệt cơ bản giữa chất rắn và chất lỏng là mức độ mà các phân tử giữ được kiểu trật tự đều của chúng trên những cự li xa. Dấu xác nhận của một chất rắn kết tinh là sự có mặt của trật tự xa, trong đó sự lặp lại đều đặn của sự sắp xếp phân tử trải rộng trên nhiều khoảng mạng tinh thể. Mặt khác, một chất lỏng thì đẳng hướng và đồng đều. Nó có cấu trúc phi tổ chức của một chất khí nhưng các phân tử của nó cụm lại với nhau dưới các nội lực, không cần áp suất ngoài tác dụng. Điều này xảy ra do bởi có một nhiệt độ tới hạn, trên đó phải cần một áp suất ngoài nào đó mới giúp các phân tử ở lại với nhau và chống lại chuyển động nhiệt. Khi tiến tới nhiệt độ tới hạn, pha khí và pha lỏng hợp nhất, với một sự chuyển tiếp trơn tru giữa chúng. Chất lỏng có cấu trúc phi trật tự của chất khí, nhưng khác với chất khí ở chỗ nó có thể giữ một thể tích ổn định mà không cần bình chứa. Trong quá trình biến đổi pha, hệ thống phân tử phải phá vỡ các liên kết của chúng và kết hợp lại theo những cách mới. Phải cung cấp một lượng năng lượng, nhiệt chuyển pha, để thực hiện công đoạn này, và năng lượng này không góp vào động năng của các hạt. Trong khi những biến đổi cấu trúc vi mô này diễn ra, nhiệt độ của vật liệu giữ không đổi, mặc dù phải cấp thêm hoặc loại bỏ năng lượng nhiệt.
Sự đối xứng
Sự sắp xếp đều đặn của các nguyên tử và phân tử trên các mạng tinh thể làm bộc lộ một khía cạnh sâu sắc của vật chất: sự đối xứng. Chúng ta rất quen thuộc với các ý tưởng về đối xứng, ví dụ các đối xứng ở dạng hình học như giấy dán tường lặp đi lặp lại hay kiểu xếp ngói hai chiều; ngoài ra còn có sự đối xứng của một quả cầu 3D hoàn hảo. Một quả cầu có thể quay một góc bất kì, quay xung quanh vô số trục bất kì hoặc phản xạ gương vô số lần qua tâm của nó, mà nó vẫn trông y như cũ.
Một toán tử đối xứng được định nghĩa là một tác dụng có thể thực hiện trên một vật, để lại vật đó không thay đổi. Ví dụ, một mạng tinh thể có thể xê dịch một số nguyên lần khoảng mạng dọc theo một trong các chiều mạng của nó và nó vẫn trông như cũ. Một tinh thể có các đối xứng rời rạc như đối xứng tịnh tiến, và còn có một tập hợp đối xứng quay và đối xứng gương. Tuy nhiên, ở pha lỏng và pha khí không trật tự có vô số toán tử đối xứng liên tục. Vật chất ở những pha này có thể tịnh tiến, phản xạ, hoặc quay theo vô số cách mà nó vẫn trông y như cũ. Khi vật chất được cô đặc từ pha khí hoặc pha lỏng mất trật tự năng lượng cao thành một tinh thể chất rắn, bậc đối xứng giảm đi, gây ra cái gọi là đối xứng bị phá vỡ.
Một ví dụ cổ điển về sự phá vỡ đối xứng xảy ra ở các nam châm. Một nam châm vĩnh cửu ví dụ một nam châm tủ lạnh, được cấu tạo bởi một ma trận nam châm vi mô. Khi những nam châm bên trong thảy đều sắp thẳng hàng và hướng theo cùng một chiều thì từ trường của chúng cộng lại tạo ra một từ trường chung rất lớn, và toàn khối đó hành xử giống như một nam châm duy nhất. Cấu hình này có năng lượng thấp hơn so với rất nhiều trạng thái khả dĩ trong đó các nam châm bên trong thảy đều định hướng ngẫu nhiên. Tuy nhiên, nếu thanh nam châm nóng lên, thì có một nhiệt độ tới hạn, nhiệt độ Curie, trên nhiệt độ đó toàn bộ từ tính mất hết. Ở cao hơn nhiệt độ này, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên trở nên mạnh đến mức các nam châm bên trong không còn có thể giữ hàng ngũ nữa, và thay vậy chúng sẽ hướng theo mọi chiều khả dĩ. Trạng thái nhiệt độ cao này là một trong những trạng thái hỗn độn tối đa, hay entropy cực đại, và làm cho nam châm mất từ tính của nó. Tuy nhiên, khi làm lạnh, toàn khối tự phát ‘lật’ trở lại, chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn của nó, với các nam châm bên trong lại hướng theo một chiều ưu tiên. Định hướng sau cùng có thể là bất kì hướng nào. Tuy nhiên, nếu vật liệu được xâu nối bởi một từ trường ‘mầm’ yếu, ví dụ từ trường của Trái Đất, thì chúng có thể sắp xếp theo từ trường đó. Sự xuất hiện đột ngột như vậy của từ trường là một ví dụ cổ điển của sự phá vỡ đối xứng tự phát, và đánh dấu sự chuyển tiếp từ một trạng thái nhiệt độ cao, entropy cao, sang một trạng thái nhiệt độ thấp, entropy thấp. Diện mạo năng lượng của quá trình này được minh họa trên Hình 6 trong ví dụ về sự cân bằng không bền của một quả cầu trên đỉnh một chóp đồi đối xứng hoàn toàn. Khi quả cầu lăn xuống một bên thung lũng, nó hạ thấp thế năng của nó và sự đối xứng bị phá vỡ.
Hình 6. Hình minh họa một đối xứng không bền (trái) và một đối xứng bị phá vỡ (phải).
Sự đối xứng được xây dựng thành các định luật của tự nhiên ở cấp cơ bản nhất. Mỗi đối xứng liên tục tìm thấy được trong tự nhiên đều gắn liền với một đại lượng bảo toàn hay bất biến, như đã được chứng minh trong một định lí nổi tiếng của Emmy Nöther vào năm 1915. Các tính chất của không gian và thời gian cho chúng ta biết rằng các định luật của tự nhiên là như nhau ở mọi nơi trong vũ trụ. Ví dụ, định luật bảo toàn động lượng là độc lập với việc lựa chọn gốc tọa độ trong đó chuyển động của các vật được xác định. Không gian có một tính chất gọi là bất biến tịnh tiến. Ngoài ra, thực tế các định luật vật lí là như nhau ở mọi thời điểm hóa ra là tương đương với định luật bảo toàn năng lượng. Sự bảo toàn năng lượng không phụ thuộc vào đồng hồ tính giờ từ lúc nào. Không gian cũng đẳng hướng; định luật bảo toàn moment động lượng không phụ thuộc vào trục quay của vật hướng theo chiều nào trong không gian.
Bám dính vào nhau
Các lực liên nguyên tử thảy đều là những hiện thân khác nhau của lực điện; vào năm 1785, Charles-Augustin de Coulomb đã khám phá định luật cơ bản ấy. Lực ‘Coulomb’ giữa hai vật tích điện tỉ lệ với tích độ lớn điện tích của chúng và, giống như lực hấp dẫn, là lực tầm xa, tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Tuy nhiên, lực điện mạnh hơn lực hấp dẫn vô số lần; lực đẩy điện giữa hai electron mạnh gấp 1042 lần lực hấp dẫn hút chúng với nhau. Biết được sự khác biệt kinh khủng này, thế vì sao chúng ta chủ yếu trải nghiệm lực hấp dẫn chứ không trải nghiệm lực điện ở cấp con người? Các vật thể vĩ mô được cấu tạo từ vô số điện tích dương và âm, chúng hòa lẫn mật thiết nên tổng lực hút của các điện tích khác dấu và lực đẩy của các điện tích cùng dấu gần như triệt tiêu hoàn toàn. Do đó, các mảng vật chất hầu như hoàn toàn trung hòa điện.
Thỉnh thoảng một lượng nhỏ điện tích có thể được truyền bởi sự ma sát từ vật này sang vật khác, gây ra sự mất cân bằng. Hiện tượng này là tĩnh điện, đã được biết tới từ thời xa xưa, trong đó những tác dụng như cởi áo len hay chải tóc làm xuất hiện tia lửa điện hoặc tóc dựng lên. Vào năm 585 tCN, Thales mô tả cách một miếng hổ phách (nhựa thông hóa thạch), khi chà xát lên lông thú, có thể hút lấy những vật nhẹ như lông chim. Tiếng Hi Lạp gọi hổ phách là elektron, từ đó mà chúng ta có từ electricity (điện) như ngày nay.
Hạt sơ cấp đầu tiên của vật chất được khám phá vào năm 1897 bởi J. J. Thompson khi ông làm tróc electron ra khỏi các nguyên tử trong hiện tượng phóng điện. Thiết bị của ông, một ‘ống tia cathode’, là một ống thủy tinh đã hút chân không với hai điện cực hàn kín ở hai đầu. Khi thiết lập một điện áp cao giữa hai điện cực, dòng electron (‘tia cathode’) chiếu ra theo đường thẳng từ điện cực âm (cathode), chạy xuyên qua ống về phía điện cực dương (anode). Chỗ nào ‘tia’ ấy đập trúng thủy tinh, nó lóe lên ánh huỳnh quang màu vàng lục bí ẩn. Khi đưa lại gần các bản tích điện hoặc nam châm, tia cathode có thể bị lệch hướng theo một kiểu có hệ thống, và Thompson đã sử dụng các trường này để đo điện tích (e) và khối lượng của electron. Việc ông khám phá rằng các nguyên tử chứa những hạt nhỏ hơn nữa, tức các electron, đã đặt dấu chấm hết mãi mãi cho khái niệm về các nguyên tử không thể phân chia kiểu Hi Lạp.
Liên kết hóa học
Chúng ta hình dung các nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương, vây xung quanh hạt nhân là một đám mây electron. Mọi nguyên tử đều hút lẫn nhau, bởi những lực yếu phát sinh từ chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân. Đây là lực van der Waals, và có thể làm cho các chất khí trơ ì hóa học, như argon, hóa lỏng và hóa rắn ở nhiệt độ thấp. Nhưng để tìm hiểu các lực hóa học liên kết các nguyên tử thành phân tử mạnh hơn, ta cần xét cách thức trong đó các nguyên tử hoạt tính hơn tương tác khi các đám mây electron của chúng chồng lấn. Cấu trúc của bảng tuần hoàn ở Hình 1 thật có ích. Các nguyên tử và phân tử, dù riêng lẻ hay kết hợp, đều tìm kiếm năng lượng thấp nhất của chúng và những cấu hình bền vững nhất, tương ứng với các lớp vỏ electron của nguyên tử được lấp đầy, hay bão hòa. Tám electron trong các lớp vỏ nguyên tử khép kín như neon và argon tạo thành một quả cầu điện tích. Toàn bộ tám electron chiếm giữ cùng một lớp vỏ và chịu một lực tĩnh điện mạnh bằng nhau. Các đám mây electron như thế là đối xứng và hoàn chỉnh; điều này khiến các khí hiếm không mặn mà kết hợp với các nguyên tử khác để tạo thành phân tử.
Di chuyển một vị trí trên bảng tuần hoàn từ neon sang sodium, nguyên tử có thêm một electron nữa, gọi là electron hóa trị, nó phải tiến vào một lớp vỏ nguyên tử mới nằm phía ngoài hơn, khiến sodium có hoạt tính cao. Nếu chúng ta tiến lùi một ô từ argon, chúng ta có chlorine, nguyên tố thiếu một electron nữa là có lớp vỏ đầy và vì thế nó cũng có hoạt tính mạnh. Khi các nguyên tử sodium và chlorine kết hợp nhau, các orbital phía ngoài của chúng chồng lấn, cho phép chúng có một thỏa thuận đôi bên cùng có lợi. Sodium có thể cho đi electron hóa trị ngoài cùng của nó, nó dễ bị ion hóa, để chlorine lấp đầy lớp vỏ ngoài của nó, và cấu trúc chung trở thành một phân tử muối ăn bền (sodium chloride, hay NaCl).
Mỗi nguyên tử đều hưởng lợi bằng cách thu được cấu trúc lớp vỏ đầy bền vững của khí hiếm, và mỗi nguyên tử là một ion mang điện, Na+ và Cl-; hai ion được gắn kết bằng một liên kết ion. Muối ăn tạo thành một tinh thể ion hình lập phương với một mạng lưới gồm các điện tích dương và âm xen kẽ. Các nguyên tố dương điện cho đi các electron lớp vỏ ngoài của chúng, như sodium, chủ yếu là các kim loại. Các nguyên tố âm điện, hay nhận electron, được tìm thấy ở các chất chứa oxygen, lưu huỳnh, chlorine, và fluorine.
Hydrogen thì khác. Nó có một electron trong một lớp chứa được hai electron (helium), vì thế nó có thể biến thành H+ hoặc H- khi tạo thành một hợp chất ion. Hydrogen có thể nhận một electron từ, nói ví dụ, lithium, để tạo thành lithium hydride, hoặc chia sẻ electron của nó để thỏa mãn một nguyên tố đói electron như fluorine hay oxygen. Các liên kết yếu hơn này được gọi là liên kết hydrogen và thường gặp ở nhiều hợp chất hữu cơ và sinh học, ví dụ liên kết giữa các cặp base tạo nên phân tử xoắn kép ADN.
Hai proton có thể kết hợp bằng cách chia sẻ hai electron để tạo ra một phân tử hydrogen trung hòa, H2. Hai electron đó tạo thành một liên kết cộng hóa trị mạnh; ‘tính ghép đôi’ của các electron ghép cặp là do một quy tắc lượng tử gọi là nguyên lí loại trừ Pauli (xem Chương 5) cho phép hai và chỉ hai electron tham gia. Do đó, các liên kết cộng hóa trị trở nên bão hòa, vì nếu có một nguyên tử hydrogen thứ ba tiến đến gần cặp liên kết cộng hóa trị, nó sẽ bị loại trừ và do đó không thể tạo thành một phân tử ba nguyên tử bền vững.
Nguyên tố linh hoạt carbon có bốn electron trong lớp vỏ ngoài của nó, và bốn chỗ trống. Cấu trúc này cho phép carbon hình thành các hợp chất hữu cơ với oxygen, hydrogen, và nhiều chất khác, ví dụ như các phân tử sinh học của sự sống. Chúng ta là ‘những dạng sống gốc carbon’, và cơ thể chúng ta chứa các phân tử polymer. Polymer là một phân tử chuỗi dài, trong đó hàng nghìn nguyên tử hay phân tử sắp thành hàng, giống như các hạt hột của một xâu chuỗi đeo cổ, cùng với các nguyên tử hay phân tử khác dính vào hai bên để lấp đầy những liên kết còn trống. Nhiều polymer hữu cơ có hình thức dạng chuỗi này, trong đó có các plastic thông dụng như polyethylene, một chuỗi dài các nguyên tử carbon, với các nguyên tử hydrogen gắn vào mạn bên.
Hình 7. Cấu trúc dạng chuỗi của một phân tử polymer (plastic): polyethylene.
Một số nguyên tố có thể tồn tại ở một vài hình thức vật lí khác nhau, gọi là các thù hình. Graphite, than đá, và kim cương đều là thù hình của carbon. Độ cứng cực cao và độ bền của hình thức kim cương nảy sinh từ sự sắp xếp lập phương 3D của nó gồm bốn liên kết cộng hóa trị mạnh, trái ngược hẳn với tính chất của những dạng thù hình khác của nó, ví dụ như graphite, chỉ gồm ba liên kết cộng hóa trị. Graphite có cấu trúc phân lớp với lực liên kết yếu giữa các lớp dai ấy khiến nó dễ trượt và có thể viết trên giấy; ‘chì’ trong bút chì thật ra là graphite. Còn có những dạng thù hình carbon khác, và một họ lớn trong số này là fullerene, chúng có thể tạo nên các ống nano carbon dày một nguyên tử, và các quả cầu rỗng Buckminster fullerene gồm 60 nguyên tử (‘bóng bucky’). Carbon liên tục khiến chúng ta bất ngờ, và vào năm 2004, một pha mới của carbon đã được tạo ra, graphene, nó có các tính chất cơ điện nổi bật. Graphene là lớp mỏng nhất có thể có của graphite, một tấm nguyên tử carbon, dày một nguyên tử, sắp xếp trong một mạng lưới 2D hình tổ ong (Hình 8).
Hình 8. Cấu trúc ‘dây chuồng gà’ cấp nguyên tử của graphene, một tấm carbon 2D, dày đúng một nguyên tử.
Tinh thể
Diện mạo xinh đẹp của đá quý và hoa tuyết (Hình 9) bộc lộ sự đối xứng nền tảng của các sắp xếp phân tử trong tinh thể. Khi một số lượng lớn hạt kết tập lại, chúng luôn cố giảm thiểu thế năng của chúng, hút chúng thành những cấu hình ‘xếp chặt’. Cấu hình năng lượng tối thiểu của ba nguyên tử là hình tam giác. Nếu có thêm nguyên tử vào trong cùng mặt phẳng đó, thì chúng thiết lập thành mô hình 2D sáu cạnh xếp chặt, ví dụ như bề mặt graphite ở Hình 4. Điều này dễ dàng kiểm chứng được bằng cách sử dụng một cái khay nông đựng những viên bi hình cầu bằng nhau. Khi lắc cái khay, chúng sẽ tạo thành một lớp với một mô hình sáu cạnh xếp chặt. Một lớp nguyên tử mới có thể chồng tiếp lên trên, khớp chặt với chỗ rỗng của lớp bên dưới. Với bốn nguyên tử, chúng ta chuyển sang ba chiều, trong đó cấu hình năng lượng tối thiểu là hình tứ diện. Khi có thêm nguyên tử tự gắn chúng vào để gieo mầm tinh thể, chúng ưa chiếm các mặt tam giác và lớn lên thành những đám sáu cạnh lớn hơn. Cấu hình nguyên tử và phân tử hiệu quả trong cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt (HCP) là chung cho nhiều tinh thể.
Hình 9. Nét đẹp sáu cạnh của hoa tuyết. Nó trông như đối xứng, nhưng nó kém đối xứng hơn hơi nước từ đó nó được ngưng tụ thành.
Cấu trúc sáu cạnh của hoa tuyết phản ánh sự sắp xếp phân tử của nó. Trong mỗi phân tử nước, hai nguyên tử hydrogen liên kết với hai đám mây electron nửa-trống hiện ra vuông góc với nguyên tử oxygen. Hai nguyên tử hydrogen nạy liên kết ra một chút, đến góc 105o để phân tử có hình giống chữ ‘V’ in thường với nguyên tử oxygen tại đỉnh dưới. Dạng hình học đem lại cho nước một tập hợp tính chất độc nhất vô nhị. Khi các phân tử nước tạo thành băng, cấu hình năng lượng tối thiểu của chúng là một vòng lục giác, với một cái lỗ ở giữa. Vật chất dãn ra một chút khi đông đặc, điều đó giải thích vì sao các ống nước vỡ tung và đá nứt. Khối lượng riêng hơi thấp hơn của băng cũng giải thích vì sao các núi băng trôi nổi (90 phần trăm khối lượng của chúng nằm bên dưới mặt nước).
Các trạng thái trung gian: thủy tinh và tinh thể lỏng
Sẽ thật dễ dàng nếu nghĩ vật chất được phân chia thành các pha rắn, lỏng, và khí mà thôi. Nhưng tự nhiên còn phức tạp hơn thế nhiều. Các khoáng chất có rất nhiều hình thức đa dạng và tôi sẽ nêu bật hai ví dụ: thủy tinh, một dạng chẳng phải chất rắn hay chất lỏng mà là ‘chất lỏng đóng băng’, và tinh thể lỏng, loại vật liệu có các tính chất lưng chừng giữa một chất lỏng và một tinh thể.
Khi một chất lỏng được làm lạnh đến mức hình thành một chất rắn kết tinh, các phân tử phải chuyển từ cấu hình mất trật tự, xếp chặt của pha lỏng sang cấu hình trật tự xa và đều đặn của mạng tinh thể. Cần có thời gian cho các phân tử thực hiện các điều chỉnh vị trí này và, nếu quá trình làm lạnh diễn ra rất nhanh, thì chúng không phải lúc nào cũng có đủ thời gian để định hình lại thành cấu hình trật tự xa của tinh thể. Nói chung, các phân tử ‘bất ngờ’ mất tính linh động của chúng và bị mắc kẹt trước khi chúng đi đến những vị trí kết tinh của chúng. Đây là trạng thái dịch, hay giống thủy tinh, của vật chất và là một trạng thái trong đó có một trật tự phân tử mất tổ chức giống chất lỏng, nhưng vật liệu còn có độ cứng của chất rắn. Các chất rắn, như thủy tinh, không có cấu trúc hình học rõ ràng được gọi là chất rắn vô định hình, và trong trạng thái mất trật tự của chúng không có đủ năng lượng cho các phân tử chảy qua nhau. Thủy tinh là ‘chất lỏng đóng băng’, không phải chất rắn, chẳng phải chất lỏng, và ở trong một trạng thái siêu bền có độ nhớt cao, nghĩa là trong những khoảng thời gian rất dài thủy tinh có xu hướng từ từ biến thành tinh thể.
Khi làm lạnh một chất lỏng đơn nguyên tử như argon đến đông đặc, các nguyên tử hình thành nên một mạng tinh thể đều xếp chặt. Mỗi nguyên tử có thể được hình dung là một quả cầu rắn chắc, nghĩa là chẳng có hướng ưu tiên nào trong không gian khi thiết lập cấu hình năng lượng tối thiểu của nó. Thế nhưng có những vật liệu nhất định, gọi là các tinh thể lỏng, chúng chứa các phân tử hình que rắn chắc có tính dị hướng cao và hành xử rất khác. Hãy nghĩ tới việc đổ một hộp diêm lên bàn. Các que diêm rơi lung tung và có thể đi tới định hướng bừa bãi theo bất kì chiều nào. Nếu gom các que diêm lại, thì chúng phải sắp thẳng theo một hướng nào đó.
Tương tự, các phân tử dài trong pha tinh thể lỏng không chiếm giữ các vị trí đều đặn trên mạng tinh thể, mà chúng có thể đều được làm cho hướng theo một chiều duy nhất. Một tinh thể lỏng có trật tự và các đặc trưng vị trí của một chất lỏng, và còn có cái gọi là trật tự định hướng. Nếu tinh thể lỏng bị làm nóng, thì các phân tử dạng que sẽ biến đổi lại thành pha lỏng tiêu chuẩn, với các phân tử định hướng ngẫu nhiên theo mọi chiều. Do đó, tinh thể lỏng là một trạng thái của vật chất nằm trung gian giữa một chất lỏng và một tinh thể có trật tự. Những vật liệu này là cơ sở cho màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD) quen thuộc ở điện thoại thông minh, màn hình máy tính, và ti vi. Các tinh thể lỏng có thể được định hướng bằng cách thiết lập các lực điện, chuyển đổi dễ dàng từ một trạng thái mất trật tự sang một trạng thái trong đó các phân tử sắp thẳng hàng, một cấu hình làm thay đổi phương thức truyền ánh sáng của vật liệu. Trong LCD, điều này được thực hiện bằng cách thiết lập điện áp lên các ảnh điểm của màn hình.
Trạng thái thứ tư
Hơn 99 phần trăm vật chất bình thường trong vũ trụ là plasma, thỉnh thoảng được gọi là trạng thái thứ tư của vật chất. Plasma (Hình 5) là một chất khí nóng đến mức nó biến đổi thành một trạng thái mới. Để hiểu plasma khác với chất khí như thế nào, ta phải nghĩ tới các nguyên tử cấu tạo nên chất khí. Khi chúng ta làm nóng một chất khí lên nhiệt độ rất cao, tốc độ của các nguyên tử trở nên lớn đến mức các va chạm của chúng đánh bật một số electron trong các nguyên tử ra ngoài, bấy giờ chúng tự do chuyển động. Nguyên tử mất electron bị ion hóa, bây giờ thành ion mang điện dương. Plasma là một chất khí năng lượng cao gồm hai nhóm hạt tích điện: các electron nhẹ mang điện âm, và các ion nặng mang điện dương.
Tên gọi plasma có xuất xứ từ tiếng Hi Lạp có nghĩa là ‘thứ gì đó vỡ tan tành’, và nó được đặt tên bởi một nhà nghiên cứu tiên phong, Irving Langmuir vào những năm 1920. Hai plasma địa cầu có mặt tự nhiên đã được biết rõ là tia sét và cực quang. Cực quang được tạo ra khi các hạt tích điện năng lượng cao do Mặt Trời phát ra đến va chạm với Trái Đất và làm ion hóa các chất khí phát sáng trên cao trong khí quyển. Những plasma quen thuộc khác bao gồm ngọn lửa nến, đèn neon và đèn sodium. Các ứng dụng khoa học và công nghiệp của plasma đa dạng từ chế tạo vi mạch cho đến hiện thực hóa tiềm năng cung cấp nguồn năng lượng sạch vô hạn từ điện nhiệt hạch. Bên ngoài khí quyển, chúng ta được bao bọc bởi một lớp gọi là từ quyển, đó là hệ thống plasma được hình thành bởi sự tương tác của gió mặt trời với từ trường của Trái Đất. Mặt Trời và các sao là những quả cầu plasma nóng được giữ lại bằng lực hấp dẫn, và gió mặt trời là một luồng plasma hỗn loạn thổi ra mọi phía từ bề mặt Mặt Trời. Plasma còn hình thành ở gần những vật thể thiên văn vật lí kì lạ như các lỗ đen. Khi vật chất rơi vào trong một lỗ đen, trước tiên nó bị cuốn vào một cái đĩa xoáy tít xung quanh lỗ đen đó. Sự ma sát trong chất khí làm nó nóng lên nhiệt độ rất cao, plasma ra đời nóng đến mức nó phát xạ tia X.
Plasma cũng có thể được tạo ra khi các nguyên tử bị ion hóa bởi các hạt năng lượng cao, ví dụ như tia vũ trụ, hoặc các hạt được sinh ra bởi sự phóng xạ tự nhiên. Một lượng nhỏ sự ion hóa tự nhiên có mặt trong đa số chất khí. Plasma còn có thể hình thành khi dòng điện đi qua chất khí. Không khí bình thường là chất cách điện tốt. Tuy nhiên, nếu có một điện trường rất mạnh áp lên nó, như trong một cơn bão điện, thì nó có thể ‘bị đánh thủng’ và trở thành chất dẫn điện. Trong một tia sét, các điện tích tự do được gia tốc đến tốc độ cao trước khi va chạm với các phân tử chất khí và đánh bật ra các mảnh vỡ tích điện. Điều này có thể gây ra một dòng thác gồm các hạt tích điện, làm khuếch đại và tập trung các cặp ion-electron thành một hồ quang plasma, và xuyên thủng một đường dẫn qua chất khí bởi một lực vô cùng hung bạo.
Đặc điểm đáng chú ý nhất của plasma là sự dẫn điện của nó, kết quả từ các điện tích linh động mà nó chứa. Các dòng điện chạy trong plasma sinh ra từ trường tác dụng lực làm cho plasma đó ‘thắt lại’ và hình thành những sợi hẹp. Những cấu trúc dạng sợi như vậy đã được quan sát thấy ở những chỗ phình lên và tai lửa trên bề mặt Mặt Trời. Tính chất điện từ của plasma trong các lò phản ứng nhiệt hạch địa cầu được khai thác theo nhiều cách, vừa để làm nóng chúng, vừa để giam cầm chúng, thông thường ở bên trong ‘chai’ toroid từ tính. Nếu plasma rất nóng trong một dụng cụ như thế chạm trúng thành vật liệu, thì tác động của các hạt plasma năng lượng cao sẽ làm thành vật liệu bị ăn mòn, do chúng đánh bật các nguyên tử ra ngoài.
Một trong những tính chất độc đáo của plasma là nó biểu hiện hành trạng tập thể. Các ví dụ như vậy là các sóng có thể lan truyền qua plasma mà không xảy ra bất kì va chạm hạt nào. Trong không khí, sóng âm bình thường lan tỏa khi các phân tử va chạm, truyền năng lượng của chúng dưới dạng ép và rút khí. Trong plasma có số lượng điện tích dương và âm bằng nhau, khiến nó trung hòa điện đến độ chính xác rất cao. Nếu không phải vậy, thì lực điện do một sự mất cân bằng nhỏ về điện tích sẽ làm các điện tích xung quanh chuyển động cho đến khi thiết lập trung hòa. Các plasma có thể chịu được nhiều kiểu sóng. Chẳng hạn, giả sử một nhiễu loạn bất ngờ làm cho các electron dồn cục ở một vùng nào đó của plasma. Các ion, vốn nặng nề và chậm chạp, không thể phản ứng đủ nhanh để hồi phục tình trạng mất cân bằng, và lực điện phát sinh và đẩy các electron ra. Thế nhưng động lượng của các electron khiến chúng bay vọt khỏi vị trí ban đầu, rồi lực điện kéo chúng trở lại. Một lần nữa, chúng lại đi vượt quá. Chu trình lặp đi lặp lại, tạo ra một nhiễu loạn truyền đi trong plasma dưới dạng sóng Langmuir. Phần ngoài cùng của khí quyển Mặt Trời, nhật hoa, là plasma rất nóng, nó truyền các sóng Langmuir này. Plasma còn chịu được nhiều mode dao động khác, liên quan đến chuyển động tập thể của các hạt tích điện chuyển động trong trường điện từ.
Ở chương này, chúng ta đã thấy các lực tác dụng khi các nguyên tử ở gần nhau. Ý tưởng trọng tâm là sự kết tập của các nguyên tử có xu hướng sẽ rơi vào trạng thái năng lượng thấp nhất sẵn có với chúng. Có một sự cạnh tranh giữa các lực điện liên nguyên tử, chúng có xu hướng hút các nguyên tử và phân tử lại với nhau thành cụm, và hiệu ứng khuếch tán của chuyển động nhiệt. Ở các chất khí, chuyển động nhiệt thắng thế và ở các chất rắn thì kẻ chiến thắng là các lực liên nguyên tử. Có thể tồn tại một số trạng thái trung gian, ví dụ như ‘chất lỏng đóng băng’ của thủy tinh, và các tính chất định hướng của các tinh thể lỏng. Đa phần vật chất bình thường trong vũ trụ ở trạng thái thứ tư của vật chất, plasma năng lượng cao, trong đó năng lượng hạt cao đến mức các electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử và vật chất tồn tại dưới dạng một chất khí ion và electron trộn lẫn mật thiết.
Trong Chương 4, chúng ta sẽ đi khỏi thế giới Newton luận và xem hiểu biết của chúng ta về vật chất đã thay đổi hoàn toàn như thế nào bởi những khám phá vĩ đại về điện từ học và thuyết tương đối.
TÌM HIỂU NHANH VỀ VẬT CHẤT
Geoff Cottrell (Oxford University Press 2019)
Bản dịch của Thuvienvatly.com
MỤC LỤC
4 Năng lượng, khối lượng, và ánh sáng
5 Thế giới lượng tử của nguyên tử
9 Vật chất tối và năng lượng tối
