Hạt hạ nguyên tử

Mặc dù từ nguyên tử có nguồn gốc chỉ những hạt không thể phân chia nhỏ hơn nữa, nhưng như ngày nay đã biết nguyên tử là thuật ngữ khoa học tổ hợp của nhiều hạt hạ nguyên tử. Các hạt thành phần của nguyên tử là electron, proton và neutron. Ngoại trừ nguyên tử hiđrô-1 không có neutron và ion hiđrô không có electron (hay chính là hạt proton đơn lẻ).

Electron là hạt nhẹ nhất trong ba hạt với khối lượng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000009.11×10−31 kg, và điện tích âm -e, kích thước của nó rất nhỏ và hiện nay chưa có công nghệ nào đo được đường kính của nó.[48] Proton có điện tích dương +e và khối lượng gấp 1.836 khối lượng electron, và bằng &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000001.6726×10−27 kg, mặc dù giá trị này có thể giảm đi do bù trừ vào năng lượng liên kết của proton trong hạt nhân. Neutron là hạt trung hòa điện và khối lượng khi nó đứng riêng lẻ là 1.839 lần khối lượng electron,[49] hay &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000001.6929×10−27 kg. Các nhà vật lý đo được đường kính của neutron và proton—vào cỡ &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-100.0000002.5×10−15 m—mặc dù 'bề mặt' của những hạt này không xác định rõ ràng.[50]

Trong Mô hình chuẩn, electron là hạt cơ bản thực sự vì nó không có hạt thành phần. Tuy nhiên, cả proton và neutron là những hạt tổ hợp của những hạt cơ bản gọi là quark. Có hai loại quark trong các proton và neutron, mỗi hạt quark mang điện tích phân số. Proton là hạt tổ hợp của 2 quark lên (mỗi hạt có điện tích +2⁄3e) và một quark xuống (với điện tích −1⁄3e). Neutron chứa một quark lên và hai quark xưống. Sự khác biệt trong thành phần khiến cho khối lượng và điện tích của hai hạt proton và neutron có sự khác nhau.[51][52]

Các quark liên kết với nhau bởi tương tác mạnh (hay lực mạnh) thông qua trao đổi các gluon. Đến lượt các hạt proton và neutron liên kết với nhau trong hạt nhân bởi lực hạt nhân, mà lực này về bản chất là do tương tác mạnh 'rò rỉ' ra ngoài với phạm vi ngắn (xem bài về lực hạt nhân). Hạt gluon là thành viên của họ hạt boson gauge, là hạt trung gian trao đổi tương tác mạnh.[51][52]

Hạt nhân

Năng lượng liên kết cần thiết cho một nucleon thoát ra khỏi hạt nhân, đối với các đồng vị.

Mọi proton và neutron liên kết với nhau trong hạt nhân nguyên tử, và chúng được gọi chung là các nucleon. Bán kính của hạt nhân có giá trị xấp xỉ 1,07 3√A fm, với A là tổng số nucleon trong hạt nhân.[53] Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều bán kính của nguyên tử và bằng khoảng 105 fm. Các nucleon liên kết với nhau bởi thế năng hút còn dư của tương tác mạnh tầm ngắn. Với khoảng cách 2,5 fm lực này mạnh hơn lực điện từ làm cho các proton điện tích dương đẩy nhau.[54]

Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton, hay còn gọi là số nguyên tử. Hạt nhân của một nguyên tố có số hạt neutron khác nhau xác định lên các đồng vị của nguyên tố đó. Tổng số proton và neutron xác định lên nuclit. Số lượng tương đối neutron so với proton ảnh hưởng tới tính ổn định của hạt nhân, và ở một số đồng vị có hiện tượng phân rã phóng xạ.[55]

Các hạt proton và neutron được phân loại thành hạt fermion. Nguyên lý loại trừ Pauli, một hiệu ứng cơ học lượng tử, không cho phép có hai hạt fermion đồng nhất ở cùng một trạng thái, ví dụ như không thể có nhiều hạt proton có cùng một trạng thái lượng tử trong cùng một thời gian. Do vậy mỗi hạt proton trong hạt nhân phải có các trạng thái khác nhau, với mức năng lượng của riêng chúng, và tương tự quy tắc này cho các hạt neutron. Tuy nhiên nguyên lý này không ngăn cấm một hạt proton và một neutron có cùng trạng thái lượng tử.[56]

Đối với các nguyên tử có giá trị nguyên tử số thấp, một hạt nhân có số proton khác số neutron có xu hướng trở về trạng thái năng lượng của hạt nhân thấp hơn thông qua quá trình phân rã phóng xạ dẫn đến số hạt proton và neutron trở lên xấp xỉ bằng nhau. Kết quả là, các nguyên tử có số proton xấp xỉ bằng số neutron có hạt nhân bền và không có hiện tượng phóng xạ. Tuy nhiên, khi nguyên tử số tăng lên, lực đẩy lẫn nhau giữa các proton và đòi hỏi số neutron tăng lên để duy trì sự ổn định của hạt nhân, không còn tuân theo xu hướng cân bằng hai hạt này nữa. Và thực tế không có hạt nhân bền nào với số proton xấp xỉ bằng số neutron khi nguyên tử số lớn hơn Z = 20 (canxi); và khi Z tăng đến những hạt nhân nặng nhất, tỉ số neutron trên proton để cho hạt nhân ổn định tiến tới giá trị 1,5.[56]

Minh họa quá trình tổng hợp hạt nhân tạo ra hạt deuteri, gồm một proton và một neutron, tổng hợp từ hai proton. Hạt cơ bản positron (e+)—là phản hạt của electron—phát ra cùng với một hạt neutrino electron.

Các nhà khoa học biết hạt nhân nguyên tử có thể thay đổi số proton và neutron, mặc dù sự điều chỉnh này cần năng lượng rất cao do ảnh hưởng của lực hạt nhân cũng như lực điện từ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra khi nhiều hạt nhân kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn, như sự va chạm năng lượng cao giữa hai hạt nhân. Ví dụ, tại lõi Mặt Trời các proton đòi hỏi năng lượng cỡ 3–10 keV để vượt qua lực đầy giữa chúng— để vượt qua rào Coulomb—và tổng hợp lại thành hạt nhân nặng hơn.[57] Phản ứng phân hạch hạt nhân là quá trình ngược lại, một hạt nhân bị tách ra làm hai hạt nhân có khối lượng nhỏ hơn—thường thông qua quá trình phân rã phóng xạ. Hạt nhân cũng bị biến đổi do kết quả quá trình bắn phá bởi các hạt hạ nguyên tử hay chùm proton năng lượng cao. Nếu hạt nhân mới sinh ra với số proton khác đi thì nguyên tử trở thành một nguyên tử của nguyên tố hóa học khác.[58][59]

Nếu khối lượng của hạt nhân sản phẩm trong phản ứng tổng hợp nhỏ hơn tổng cộng khối lượng của các hạt nhân tham gia phản ứng, thì hiệu khối lượng này có thể phát ra dưới dạng năng lượng có ích (như tia gamma, hay động năng của các hạt sản phẩm như hạt beta), và tuân theo nguyên lý sự tương đương khối lượng-năng lượng với công thức của Albert Einstein ΔE = Δm.c2, với Δm là khối lượng chênh lệch và c là tốc độ ánh sáng. Năng lượng dôi ra này có nguồn gốc từ năng lượng liên kết của hạt nhân tạo thành, và nó là sự mất mát năng lượng không thể khôi phục được làm cho các hạt tham gia tổng hợp đứng cạnh nhau trong một trạng thái đòi hỏi năng lượng này phải tách ra.[60]

Phản ứng tổng hợp tạo ra hạt nhân lớn hơn từ các hạt nhân có nguyên tử số Z nhỏ hơn của sắt và nikel –với tổng số nucleon vào khoảng 60—thường là phản ứng sinh nhiệt giải phóng nhiều năng lượng hơn so với năng lượng cần thiết để tổng hợp chúng.[61] Đây chính là những phản ứng tổng hợp hạt nhân sinh năng lượng trong các sao và giúp ngôi sao duy trì trạng thái cân bằng áp suất và lực hút hấp dẫn. Đối với các hạt nhân nặng hơn, năng lượng liên kết trên một nucleon trong hạt nhân bắt đầu giảm. Điều này làm cho phản ứng tổng hợp sinh ra hạt nhân với nguyên tử số Z > 26 và số nucleon cao hơn 60, là phản ứng thu nhiệt. Những hạt nhân nặng này không thể tham gia phản ứng tổng hợp sinh năng lượng giúp cho quá trình cân bằng thủy tĩnh của sao được ổn định.[56]

Đám mây electron

Hình một giếng thế tuân theo cơ học cổ điển, năng lượng tối thiểu V(x) cần để tới vị trí x. Về mặt cổ điển, hạt có năng lượng E bị giam trong giới hạn vị trí x1 và x2.

Các electron trong một nguyên tử bị hút bởi các proton ở hạt nhân bằng lực điện từ. Lực này giam các electron bên trong một giếng thế tĩnh điện bao quanh hạt nhân, tức là cần phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài để cho electron thoát ra khỏi hạt nhân. Electron càng nằm gần về phía hạt nhân, lực hút càng mạnh hơn. Do đó electron liên kết gần tâm của giếng thế đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để thoát ra ngoài.

Electron, giống như những hạt vi mô khác, có cả tính chất sóng và hạt. Đám mây electron là một vùng bên trong giếng thế nơi mỗi electron tạo thành một kiểu sóng đứng ba chiều – dạng sóng không di chuyển so với hạt nhân. Hành xử này tạo nên obitan nguyên tử, một hàm toán học đặc trưng cho xác suất một electron xuất hiện tại một điểm cụ thể khi đo vị trí của electron.[62] Chỉ có tập rời rạc bị lượng tử hóa những obitan tồn tại xung quanh hạt nhân, hoặc nếu có những dạng sóng khác thì nó sẽ nhanh chóng phân hủy thành dạng sóng đứng lượng tử ổn định hơn.[63] Các obitan có thể có cấu trúc nhiều hơn một vòng hoặc nút, và chúng khác nhau về kích thước, hình dạng và hướng.[64]

Dạng hàm sóng của 5 obitan nguyên tử đầu tiên. Ba obitan loại 2p mỗi loại thể hiện một phương vị góc duy nhất và giá trị cực tiểu tại tâm.

Mỗi obitan tương ứng với một mức năng lượng cụ thể của electron. Electron có thể thay đổi trạng thái của nó đến mức năng lượng cao hơn bằng hấp thụ một photon với năng lượng phù hợp để đẩy điện tử lên trạng thái năng lượng mới. Tương tự như vậy, thông qua phát xạ tự phát, một electron ở trạng thái năng lượng cao hơn có thể trở về mức năng lượng thấp bằng phát ra một photon. Những giá trị năng lượng đặc trưng này, xác định bởi hiệu giữa các mức năng lượng của từng trạng thái lượng tử, thể hiện cho dãy vạch phổ đặc trưng của từng nguyên tử.[63]

Lượng năng lượng cần để lấy đi hoặc thêm một electron vào – năng lượng liên kết electron – nhỏ hơn nhiều so với năng lượng liên kết các nucleon trong hạt nhân. Ví dụ, chỉ cần 13,6 eV để tách electron ở trạng thái năng lượng nền (trạng thái năng lượng thấp nhất) ra khỏi nguyên tử hiđrô,[65] so với 2,23 triệu eV để tách một hạt nhân deuteri.[66] Các nguyên tử trung hòa điện nếu chúng có số electron bằng số proton. Nguyên tử thiếu hoặc dư thừa electron gọi là ion. Những electron nằm xa hạt nhân nhất có thể bị bắt sang nguyên tử bên cạnh hoặc thuộc về cả hai nguyên tử. Theo cơ chế này, các nguyên tử có thể liên kết với nhau thành các phân tử hoặc những hợp chất hóa học khác như mạng lưới tinh thể ion hoặc liên kết cộng hóa trị.[67]