Thuyết nguyên tử - Phần 2

Thuyết nguyên tử - Phần 2 Rutherford, cùng với Frederick Soddy, tiếp tục nghiên cứu với các nguyên tố phóng xạ. Đặc biệt, Soddy để ý thấy khi hạt alpha và hạt beta phát ra khỏi nguyên tử, các nguyên tử đó biến đổi theo một trong hai kiểu: (1) nguyên tố đó trở thành một nguyên tố khác hoàn toàn với những phản ứng hóa học hoàn toàn mới, hoặc (2) nguyên tố đó vẫn duy trì những phản ứng hóa học như cũ và quang phổ nguyên tử như cũ nhưng chỉ thay đổi trọng lượng nguyên tử. Ông gọi các nguyên tử thuộc nhóm thứ hai vừa nói là các đồng vị, những nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố với trọng lượng nguyên tử khác nhau. Trong bất kì mẫu nguyên tố tự nhiên nào, có thể có vài loại đồng vị. Kết quả là trọng lượng nguyên tử của một nguyên tố mà Berzelius tính được thật ra là giá trị trung bình của mọi trọng lượng đồng vị thuộc nguyên tố đó. Đây là nguyên do một số nguyên tố không rơi vào trật tự đúng trên bảng tuần hoàn Mendeleev – trọng lượng nguyên tử trung bình phụ thuộc vào mỗi loại đồng vị có mặt bao nhiêu. Soddy đề xuất đặt các nguyên tố vào bảng tuần hoàn dựa trên sự tương đồng phản ứng hóa học và sau đó đánh số thứ tự chúng. Con số gán cho mỗi nguyên tố theo kiểu này được gọi là số nguyên tử. Số nguyên tử là phương pháp tiện lợi để chỉ các nguyên tố. + Phóng to hình Các đồng vị của hydrogen: hydrogen, deuterium và tritium. Trong khi đó, Thomson tiếp tục nghiên cứu của ông với ống Crookes. Ông nhận thấy, không những tia cathode gồm những electron được sinh ra, mà còn gồm những hạt mang điện dương. Sau nhiều nghiên cứu thận trọng, ông đã có thể tách li nhiều loại hạt dương khác nhau bằng trọng lượng. Dựa trên những phép đo này, ông đã có thể xác định một hạt cơ bản, hạt mang điện dương nhỏ nhất được tạo ra, gọi là proton. Vì những hạt này được sinh ra bởi những nguyên tử của cathode và vì Rutherford đã chứng minh rằng hạt nhân mang điện dương, nên Thomson nhận thấy hạt nhân nguyên tử phải chứa proton. Một nhà khoa học trẻ tên là Henry Moseley đã làm thí nghiệm bắn phá nguyên tử thuộc những nguyên tố khác nhau bằng tia X. Giống như trong quang phổ nguyên tử, trong đó nhiệt cấp cho các electron thêm năng lượng, tia X truyền thêm năng lượng cho các proton trong hạt nhân. Và giống như các electron giải phóng ánh sáng thuộc những năng lượng nhất định khi chúng nguội đi, hạt nhân phát ra tia X thuộc một năng lượng nhất định khi nó “thôi kích thích”. Moseley phát hiện thấy năng lượng của tia X phát ra đối với mỗi nguyên tố tuân theo một mối liên hệ toán học đơn giản. Năng lượng đó phụ thuộc vào số nguyên tử của nguyên tố đó, và số nguyên tử tương ứng với số điện tích dương trong hạt nhân. Cho nên trật tự đúng của bảng tuần hoàn hóa học là sắp theo số proton tăng dần trong hạt nhân nguyên tử. Trong một nguyên tử trung hòa, số lượng proton bằng số electron. Các electron là nguyên nhân gây ra các phản ứng hóa học. Các nguyên tố thuộc cùng một cột của bảng tuần hoàn có sự sắp xếp electron thuộc mức năng lượng cao nhất giống nhau, và đây là nguyên do phản ứng hóa học của chúng giống nhau. Chỉ còn lại một trở ngại nữa. Electron có trọng lượng rất nhỏ, bằng 1/1836 trọng lượng của một proton. Nhưng các proton không lí giải nổi toàn bộ trọng lượng nguyên tử của một nguyên tử. Mãi đến năm 1932 thì James Chadwick mới phát hiện ra sự tồn tại của một hạt trong hạt nhân không mang điện tích nhưng có khối lượng hơi nhỉnh hơn proton một chút. Ông đặt tên cho hạt này là neutron. Neutron giải thích cho sự tồn tại của các đồng vị. Hai nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố sẽ có số proton và electron như nhau, nhưng chúng có thể có số neutron khác nhau, và vì thế nên trọng lượng nguyên tử khác nhau. Các đồng vị được đặt tên theo tên của nguyên tố và theo sau đó là số proton cộng với số neutron có trong hạt nhân. Tổng số proton và neutron được gọi là số khối. Thí dụ, uranium-235 có 235 proton và neutron. Chúng ta có thể nhìn vào bảng tuần hoàn hóa học để tìm số nguyên tử của uranium (92), số nguyên tử cho chúng ta biết proton. Sau đó, làm toán trừ, chúng ta biết đồng vị này có 143 neutron. Có một đồng vị khác của uranium, 238U, với 92 proton và 146 neutron. Một số kết hợp của proton và neutron thì kém bền hơn những kết hợp khác. Hãy hình dung bạn đang cố giữ 10 quả bóng bowling trong tay. Sẽ có một số sắp xếp bạn có thể làm chủ được như vậy. Nhưng giờ hãy thử giữ 11 hoặc 9 quả thôi. Có thể sẽ không còn một sắp xếp bền và bạn sẽ làm rơi các quả bóng. Điều tương tự xảy ra với các proton và neutron. Những sắp xếp không bền sẽ tự động phân rã, giải phóng các hạt, cho đến khi đạt tới một cấu trúc bền. Đây là cách thức những hạt phóng xạ như hạt alpha được sinh ra. Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron giải phóng ra từ một hạt nhân không bền