Một nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của các hạt hiện như một chất đơn giản, có thể can thiệp vào sự kết hợp hóa học. Trong suốt nhiều thế kỷ, kiến thức hạn chế về nguyên tử chỉ là chủ đề của phỏng đoán và giả định, do đó nhiều năm sau mới có được dữ liệu cụ thể. Vào thế kỷ 18 và 19, nhà khoa học người Anh John Dalton đã đề xuất sự tồn tại của nguyên tử như một đơn vị cực kỳ nhỏ, trong đó tất cả vật chất sẽ được cấu tạo, và ông đã gán cho chúng khối lượng và biểu thị chúng như những khối cầu rắn và không thể phân chia.
Nguyên tử là gì
Mục lục
Nó là đơn vị tối thiểu của vật chất, bao gồm chất rắn, chất lỏng và chất khí. Các nguyên tử được nhóm lại với nhau, có thể cùng loại hoặc khác loại, để tạo thành các phân tử, do đó, tạo thành vật chất mà các cơ thể tồn tại được cấu tạo. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã xác định rằng chỉ có 5% vật chất trong vũ trụ được tạo thành từ các nguyên tử, vì vật chất tối (chiếm hơn 20% vũ trụ) được tạo thành từ các hạt chưa biết, cũng như năng lượng tối (chiếm 70%).
Tên của nó bắt nguồn từ nguyên tử Latin, có nghĩa là "không thể phân chia", và những người đặt cho nó thuật ngữ này là các nhà triết học Hy Lạp Democritus (460-370 TCN) và Epicurus (341-270 TCN).
Những nhà triết học này, những người mà không cần thử nghiệm, khi tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi cấu tạo của chúng ta là gì và giải thích về thực tại, đã kết luận rằng không thể phân chia vật chất một cách vô tận, rằng cần phải có một "đỉnh", nghĩa là nó sẽ đạt đến giới hạn tối thiểu của tất cả những gì được cấu thành. Họ gọi "đỉnh" này là một nguyên tử, vì hạt tối thiểu đó không thể phân chia được nữa và vũ trụ sẽ được cấu tạo từ đó. Cần nói thêm rằng khái niệm này vẫn được bảo tồn cho đến ngày nay khi nói về nguyên tử là gì.
Nó được tạo thành từ một hạt nhân, trong đó có ít nhất một proton và cùng một số neutron (mà liên kết của chúng được gọi là “nucleon), và ít nhất 99,94% khối lượng của nó được tìm thấy trong hạt nhân nói trên. 0,06% còn lại được tạo thành từ các electron quay quanh hạt nhân. Nếu số electron và số proton bằng nhau thì nguyên tử trung hòa về điện; nếu nó có nhiều electron hơn proton, điện tích của nó sẽ âm và nó được xác định là anion; và nếu số proton vượt quá số electron, điện tích của chúng sẽ là dương, và được gọi là cation.
Kích thước của nó quá nhỏ (xấp xỉ mười phần tỷ mét) đến nỗi nếu một vật bị chia ra một số lần đáng kể, sẽ không còn bất kỳ vật chất nào mà nó được tạo thành, nhưng nguyên tử của các nguyên tố sẽ vẫn như vậy, kết hợp lại, chúng tạo thành nó, và chúng thực tế là vô hình. Tuy nhiên, không phải tất cả các loại nguyên tử đều có hình dạng và kích thước giống nhau, vì nó sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố.
Các yếu tố của nguyên tử
Nguyên tử có các thành phần khác tạo nên chúng được gọi là hạt hạ nguyên tử, không thể tồn tại độc lập, trừ khi trong những điều kiện đặc biệt và được kiểm soát. Các hạt này là: electron, mang điện tích âm; proton, được tích điện dương; và neutron, có điện tích bằng nhau, làm cho chúng trung hòa về điện. Các proton và neutron được tìm thấy trong hạt nhân (trung tâm) của nguyên tử, tạo thành cái được gọi là nucleon, và các electron quay quanh hạt nhân.
Proton
Hạt này được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử, tạo thành một phần của các nucleon, và điện tích của nó là dương. Chúng đóng góp khoảng 50% khối lượng của nguyên tử, và khối lượng của chúng tương đương với 1836 lần khối lượng của một electron. Tuy nhiên, chúng có khối lượng nhỏ hơn một chút so với neutron. Proton không phải là một hạt cơ bản, vì nó được cấu tạo từ ba hạt quark (là một loại fermion, một trong hai hạt cơ bản hiện có).
Số proton trong nguyên tử là yếu tố quyết định trong việc xác định loại nguyên tố. Ví dụ, nguyên tử cacbon có sáu proton, trong khi nguyên tử hydro chỉ có một proton.
Điện tử
Chúng là các hạt âm quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử. Khối lượng của nó rất nhỏ nên nó được coi là dùng một lần. Thông thường, số electron trong nguyên tử bằng số proton, vì vậy cả hai điện tích đều triệt tiêu lẫn nhau.
Các electron của các nguyên tử khác nhau được liên kết bằng lực Coulomb (tĩnh điện), và khi được chia sẻ và trao đổi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, nó gây ra các liên kết hóa học. Có những electron có thể tự do, không bị gắn vào nguyên tử nào đó; và những cái được liên kết với nhau, có thể có quỹ đạo với kích thước khác nhau (bán kính quỹ đạo càng lớn thì năng lượng chứa trong nó càng lớn).
Electron là một hạt cơ bản, vì nó là một loại fermion (lepton), và nó không được cấu thành bởi bất kỳ nguyên tố nào khác.
Nơtron
Nó là hạt trung hòa hạ nguyên tử của nguyên tử, tức là nó có cùng một lượng điện tích âm và dương. Khối lượng của nó cao hơn một chút so với khối lượng của proton, mà nó tạo thành hạt nhân của nguyên tử.
Giống như proton, neutron bao gồm ba hạt quark: hai hạt đi xuống hoặc đi xuống với điện tích -1/3 và một hạt tăng dần hoặc lên với điện tích +2/3, dẫn đến tổng điện tích bằng không, điều này mang lại tính trung lập. Bản thân neutron không thể tồn tại bên ngoài hạt nhân, vì tuổi thọ trung bình của nó bên ngoài hạt nhân là khoảng 15 phút.
Số lượng neutron trong nguyên tử không quyết định bản chất của nó, trừ khi nó là một đồng vị.
Đồng vị
Chúng là một loại nguyên tử, có thành phần hạt nhân không bằng nhau; nghĩa là nó có cùng số proton nhưng khác số nơtron. Trong trường hợp này, các nguyên tử tạo nên cùng một nguyên tố sẽ khác nhau, được phân biệt bởi số nơtron mà chúng chứa.
Có hai loại đồng vị:
- Tự nhiên, được tìm thấy trong tự nhiên, chẳng hạn như nguyên tử hydro, có ba (protium, deuterium và tritium); hoặc nguyên tử cacbon, cũng có ba (cacbon-12, cacbon-13 và cacbon-14; mỗi nguyên tử có các công dụng khác nhau).
- Nhân tạo, được sản xuất trong môi trường được kiểm soát, trong đó các hạt hạ nguyên tử bị bắn phá, không ổn định và có tính phóng xạ.
Có những đồng vị ổn định, nhưng sự ổn định là tương đối, vì mặc dù chúng đều có tính phóng xạ giống nhau, nhưng thời gian phân rã của chúng kéo dài so với sự tồn tại của hành tinh.
Làm thế nào các phần tử của một nguyên tử được xác định
Một nguyên tử sẽ được phân biệt hoặc xác định bởi một số yếu tố, cụ thể là:
- Số lượng proton: sự thay đổi về số lượng này có thể dẫn đến một nguyên tố khác, vì nó xác định nguyên tố đó thuộc về nguyên tố hóa học nào.
- Đại lượng nơtron: xác định đồng vị của nguyên tố.
Lực mà các proton hút các electron là lực điện từ; trong khi cái thu hút proton và neutron là hạt nhân, có cường độ lớn hơn cái thứ nhất, đẩy các proton tích điện dương ra khỏi nhau.
Nếu số lượng proton trong nguyên tử nhiều, lực điện từ đẩy chúng sẽ mạnh hơn lực hạt nhân, có khả năng hạt nhân bị đẩy ra khỏi hạt nhân, tạo ra phân rã hạt nhân, hay còn gọi là hiện tượng phóng xạ.; để sau đó dẫn đến sự biến đổi hạt nhân, tức là sự chuyển đổi một nguyên tố này thành một nguyên tố khác (giả kim thuật).
Mô hình nguyên tử là gì
Nó là một lược đồ giúp xác định nguyên tử là gì, thành phần cấu tạo, sự phân bố của nó và các đặc điểm mà nó thể hiện. Kể từ khi thuật ngữ này ra đời, các mô hình nguyên tử khác nhau đã được phát triển, cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật chất.
Các mô hình nguyên tử tiêu biểu nhất là:
Mô hình nguyên tử Bohr
Nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr (1885-1962), sau khi nghiên cứu với giáo sư của mình, nhà hóa học và cũng là nhà vật lý Ernest Rutherford, đã lấy cảm hứng từ mô hình của ông để phơi bày nguyên tử của mình, lấy nguyên tử hydro làm kim chỉ nam.
Mô hình nguyên tử của Bohr bao gồm một loại hệ hành tinh, trong đó hạt nhân nằm ở trung tâm và các electron chuyển động xung quanh nó giống như các hành tinh, theo các quỹ đạo ổn định và tròn, nơi cái lớn hơn lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Nó bao gồm sự hấp thụ và phát xạ của khí, lý thuyết lượng tử hóa của Max Planck và hiệu ứng quang điện của
Albert Einstein
Các electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác: nếu nó đi từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác có năng lượng cao hơn, nó sẽ làm tăng một lượng tử năng lượng cho mỗi quỹ đạo mà nó đi tới; điều ngược lại xảy ra khi nó đi từ năng lượng cao hơn đến năng lượng thấp hơn, nơi nó không chỉ giảm đi mà còn mất đi dưới dạng bức xạ như ánh sáng (photon).
Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Bohr có những sai sót, vì nó không thể áp dụng cho các loại nguyên tử khác.
Mô hình nguyên tử Dalton
John Dalton (1766-1844), nhà toán học và hóa học, đã đi tiên phong trong việc công bố mô hình nguyên tử có cơ sở khoa học, trong đó ông tuyên bố rằng các nguyên tử tương tự như quả bóng bi-a, tức là hình cầu.
Mô hình nguyên tử của Dalton thiết lập trong cách tiếp cận của ông (mà ông gọi là "lý thuyết nguyên tử") rằng các nguyên tử không thể bị phân chia. Nó cũng thiết lập rằng các nguyên tử của cùng một nguyên tố có chất lượng giống hệt nhau, bao gồm trọng lượng và khối lượng của chúng; rằng mặc dù chúng có thể được kết hợp với nhau, chúng vẫn không thể phân chia được với các mối quan hệ đơn giản; và chúng có thể được kết hợp theo tỷ lệ khác nhau với các loại nguyên tử khác để tạo ra các hợp chất khác nhau (sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại nguyên tử).
Mô hình nguyên tử này của Dalton không phù hợp, bởi vì nó không giải thích được sự hiện diện của các hạt hạ nguyên tử, vì sự hiện diện của electron và proton chưa được biết đến. Nó cũng không thể giải thích các hiện tượng phóng xạ hay dòng điện của các electron (tia âm cực); hơn nữa, nó không tính đến các đồng vị (các nguyên tử của cùng một nguyên tố có khối lượng khác nhau).
Mô hình nguyên tử Rutherford
Được nuôi dưỡng bởi nhà vật lý và hóa học Ernest Rutherford (1871-1937), mô hình này tương tự như hệ mặt trời. Mô hình nguyên tử của Rutherford thiết lập rằng phần trăm khối lượng của nguyên tử và phần dương cao nhất được tìm thấy trong hạt nhân (trung tâm) của nó; và phần âm hoặc các điện tử, quay xung quanh nó theo quỹ đạo hình elip hoặc hình tròn, có chân không giữa chúng. Do đó, nó trở thành mô hình đầu tiên tách nguyên tử thành hạt nhân và vỏ.
Nhà vật lý đã thực hiện các thí nghiệm, trong đó ông tính toán góc phân tán của các hạt khi chúng va vào một lá vàng, và nhận thấy rằng một số bị bật lên ở những góc không hợp lý, và ông kết luận rằng hạt nhân của chúng phải nhỏ nhưng có mật độ lớn. Nhờ Rutherford, một học sinh của JJ Thomson, khái niệm đầu tiên về sự hiện diện của neutron cũng đã được hình thành. Một thành tựu khác đã đặt ra câu hỏi về việc làm thế nào các điện tích dương trong hạt nhân có thể ở lại với nhau trong một khối lượng nhỏ như vậy, điều này sau đó dẫn đến việc phát hiện ra một trong những tương tác cơ bản: lực hạt nhân mạnh.
Mô hình nguyên tử của Rutherford không nhất quán, vì nó mâu thuẫn với các định luật của Maxwell về điện từ; nó cũng không giải thích được hiện tượng bức xạ năng lượng trong quá trình chuyển electron từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp.
Mô hình nguyên tử của Thomson
Nó được phơi bày bởi nhà khoa học và người đoạt giải Nobel Vật lý năm 1906, Joseph John Thomson (1856-1940). Mô hình nguyên tử của Thomson mô tả nguyên tử như một khối cầu tích điện dương với các điện tử được chèn vào nó, giống như một chiếc bánh pudding nho khô. Số lượng các electron trong mô hình này đủ để trung hòa điện tích dương và sự phân bố của khối lượng dương và các electron là ngẫu nhiên.
Ông làm thí nghiệm với tia âm cực: trong ống chân không, ông cho các tia dòng điện truyền qua hai bản, tạo ra điện trường làm lệch hướng chúng. Vì vậy, ông xác định rằng điện được cấu tạo bởi một hạt khác; khám phá sự tồn tại của electron.
Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Thomson rất ngắn gọn, không bao giờ được chấp nhận về mặt học thuật. Mô tả của ông về cấu trúc bên trong của nguyên tử là không chính xác, cũng như sự phân bố điện tích, nó không tính đến sự tồn tại của neutron và người ta không biết về proton. Nó cũng không giải thích sự đều đặn của Bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Mặc dù vậy, các nghiên cứu của họ là cơ sở cho những khám phá sau này, vì từ mô hình này, người ta đã biết về sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử.
Khối lượng nguyên tử
Được biểu diễn bằng chữ A, tổng khối lượng của proton và neutron chứa trong một nguyên tử được gọi là khối lượng nguyên tử, không tính đến các electron, vì khối lượng của chúng nhỏ đến mức có thể bị loại bỏ.
Đồng vị là sự biến đổi của các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton, nhưng khác số nơtron, do đó khối lượng nguyên tử của chúng sẽ khác nhau ngay cả khi chúng rất giống nhau.
Số nguyên tử
Nó được biểu thị bằng chữ Z, và dùng để chỉ số proton có trong một nguyên tử, bằng số electron trong đó. Bảng tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleev năm 1869, được sắp xếp từ nhỏ nhất đến lớn nhất theo số nguyên tử.
