Nguyên tử luận

Khái niệm về vật chất là tổ hợp của những đơn vị rời rạc và không thể chia nhỏ hơn đã xuất hiện từ nhiều thiên niên kỷ, nhưng những khái niệm này thường là những lập luận triết học và trừu tượng hơn là dựa trên những quan sát thực nghiệm. Bản chất của nguyên tử trong triết học thay đổi theo thời gian giữa nhiều nền văn minh và trường phái cổ đại, đa số có yếu tố tinh thần siêu hình học. Tuy vậy, khái niệm cơ bản về nguyên tử được các nhà khoa học hàng nghìn năm sau chấp nhận bởi vì nó giải thích một cách đơn giản một số khám phá mới trong lĩnh vực hóa học.[8]

Democritos (khoảng 460 - 370 TCN)

Các nhà triết học cổ đại Hy Lạp và Ấn Độ đã nhắc tới khái niệm nguyên tử. Ở Ấn Độ, những trường phái Ājīvika, Jain, và Cārvāka bàn về nguyên tử luận bắt đầu từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên.[9] Hệ thống tư tưởng Nyaya và Vaisheshika sau đó phát triển thuyết về nguyên tử khi đề ra cách các nguyên tử kết hợp lại thành thực thể phức tạp hơn.[10] Ở phương Tây, nguyên tử luận được nhắc đến từ thế kỷ 5 TCN bởi Leucippus, và người học trò của ông Democritos đã tiếp nối và hệ thống hóa lý luận. Khoảng giao đoạn 450 TCN, Democritos đưa ra thuật ngữ átomos (tiếng Hy Lạp: ἄτομος), có nghĩa là "không thể cắt được" hay "hạt vô hình nhỏ nhất của vật chất". Mặc dù các khái niệm này của các triết gia Ấn Độ và Hy Lạp cổ đại thuần túy dựa vào mặt tinh thần, khoa học hiện đại đã bảo lưu thuật ngữ do Democritos đưa ra.[8]

Lý thuyết về những hạt rất nhỏ (Corpuscularianism) do nhà giả kim Geber nêu ra từ thế kỷ XIII,[11] đôi khi có người cho là bởi Paul từ Taranto nêu ra, đó là mọi vật thể chứa bên trong và những hạt hoặc những tiểu thể rất nhỏ.[12] Chủ nghĩa này giống với nguyên tử luận, ngoại trừ nguyên từ được giả thiết là hạt vô hình, và những hạt về nguyên lý có thể phân chia được. Theo lý thuyết này, ví dụ, người ta cho rằng thủy ngân có thể thấm vào kim loại và làm thay đổi cấu trúc bên trong của nó.[13] Corpuscularianism là lý thuyết nổi bật trong vài trăm năm sau đó.

Năm 1661, nhà triết học tự nhiên Robert Boyle xuất bản cuốn The Sceptical Chymist trong đó ông lập luận rằng vật chất là tổ hợp của rất nhiều "tiểu thể" hay nguyên tử, hơn là bởi bốn yếu tố cơ bản là không khí, đất, nước và lửa.[14] Trong những năm 1670 lý thuyết về các tiểu thể được Isaac Newton áp dụng vào lý thuyết các hạt ánh sáng của ông.[12][15]

Nguồn gốc lý thuyết khoa học

Minh họa các nguyên tử và phân tử trong cuốn A New System of Chemical Philosophy của John Dalton (1808), một trong những công trình khoa học sớm nhất về nguyên tử.

Tiến trình nghiên cứu về nguyên tử không xuất hiện cho tới tận khi ngành khoa học hóa học bắt đầu phát triển. Năm 1789, thương nhân và khoa học gia người Pháp Antoine Lavoisier khám phá ra định luật bảo toàn khối lượng và nêu ra ý niệm về nguyên tố là chất cơ bản không thể phân tách bằng những phương pháp hóa học.[16]

Năm 1805, nhà triết học và giảng sư người Anh John Dalton sử dụng khái niệm nguyên tử nhằm giải thích tại sao các nguyên tố luôn luôn phản ứng theo những tỉ số tự nhiên nhỏ (định luật Dalton) và tại sao có những loại khí hòa tan vào nước tốt hơn những khí khác. Ông đề xuất rằng mỗi nguyên tố chứa những nguyên tử cùng loại, duy nhất, và những nguyên tử này kết hợp với nhau tạo nên các hợp chất hóa học.[17][18] Các nhà lịch sử khoa học coi Dalton là người tiên phong trong lý thuyết nguyên tử hiện đại.[19]

Giả thuyết nguyên tử của Dalton không nêu cụ thể kích thước nguyên tử là bao nhiêu. Theo cảm nhận thông thường chúng phải rất nhỏ, nhưng không ai biết nhỏ bao nhiêu. Do vậy vào năm 1865 nhà hóa học người Áo Johann Josef Loschmidt đã có bước đột phá khi ông đo được kích cỡ của phân tử trong không khí.[20]

Một dòng bổ sung lý luận hỗ trợ lý thuyết hạt (và do vậy mở rộng thuyết nguyên tử) là vào đầu năm 1827 khi nhà thực vật học Scotland Robert Brown sử dụng kính hiển vi để quan sát các hạt bụi trôi nổi trên mặt nước và ông nhận thấy chúng di chuyển zic-zac—một hiện tượng ngày nay gọi là "chuyển động Brown". Năm 1877 J. Desaulx đề xuất hiện tượng này có nguyên nhân từ chuyển động nhiệt của các phân tử nước, và tới tận năm 1905 nhà vật lý người Đức Albert Einstein mới nêu ra phân tích toán lý đầu tiên về chuyển động này.[21][22][23] Sau đấy, nhà vật lý người Pháp Jean Perrin dựa trên nghiên cứu của Einstein tiến hành thí nghiệm xác định được khối lượng và kích thước nguyên tử, và xác nhận lý thuyết nguyên tử của Dalton.[24]

Bảng tuần hoàn hóa học đầu tiên của Dmitri Mendeleev (1869)

Năm 1869, dựa trên các khám phá trước đó của những nhà khoa học như Lavoisier, nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev lần đầu tiên công bố bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.[25] Trên bảng này thể hiện tính chất hóa học một cách tuần hoàn giữa các nguyên tố, ông phát hiện ra tính lặp lại tuần hoàn của các nguyên tố khi sắp xếp chúng theo nguyên tử số.[26]

Hạt cấu thành và lý thuyết lượng tử

Mô hình hành tinh nguyên tử, hay mô hình Rutherford.

Nhà vật lý J. J. Thomson, thông qua nghiên cứu trên chùm tia ca tốt năm 1897, đã phát hiện ra electron, và kết luận rằng chúng là một thành phần của mỗi nguyên tử. Do vậy ông vượt qua niềm tin lâu nay cho rằng nguyên tử là những hạt vô hình, không thể phân chia của vật chất.[27] Thomson đề xuất các hạt điện tích âm electron khối lượng nhỏ phân bố đều trên nguyên tử, có thể quay quanh thành những vòng, và điện tích của chúng cân bằng với sự có mặt của một biển điện tích dương. Mô hình này sau đó được gọi là mô hình mứt mận (Plum pudding model).

Năm 1909, Hans Geiger và Ernest Marsden, lúc đó đang là trợ tá cho Ernest Rutherford, sử dụng tia alpha—lúc đó người ta đã biết là nguyên tử điện tích dương của heli—bắn phá một lá vàng và nhận thấy một tỷ lệ nhỏ các hạt bị lệch với một góc rất lớn so với giá trị tiên đoán theo mô hình Thomson. Rutherford giải thích thí nghiệm với lá vàng bằng giả sử rằng điện tích dương của nguyên tử vàng và phần lớn khối lượng của nó tập trung tại hạt nhân trung tâm của nguyên tử—hay mô hình Rutherford.[28]

Khi làm thí nghiệm với các nguyên tố phóng xạ, năm 1913 nhà hóa học phóng xạ Frederick Soddy phát hiện ra dường như có nhiều hơn một loại nguyên tử tại mỗi vị trí trên bảng tuần hoàn.[29] Và thuật ngữ đồng vị do bác sĩ Margaret Todd đưa ra nhằm gọi tên một cách phù hợp cho những nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố. J.J. Thomson nghĩ ra một kĩ thuật nhằm tách nguyên tử có các đồng vị khác nhau khi ông nghiên cứu trên khí ion hóa, và sau đó dẫn tới khám phá ra đồng vị bền.[30]

Mô hình Bohr cho nguyên tử hiđrô, cho thấy một electron chuyển dịch giữa hai trạng thái và phát ra một photon (khái niệm do Einstein đề xuất) với tần số xác định.

Trong khi đó năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr đề xuất là các electron bị giam giữ trên những quỹ đạo bị lượng tử hóa nhất định, và chúng có thể nhảy qua lại giữa những quỹ đạo này, nhưng không thể rơi xoắn ốc vào trong hay ra ngoài trong những quỹ đạo trung gian.[31] Một electron phải hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng cụ thể khi chuyển dịch giữa hai trạng thái này. Khi ánh sáng từ nguồn vật liệu nung nóng truyền qua một lăng kính, nó bị tách ra thành phổ nhiều tia đơn sắc. Lý thuyết Bohr đã giải thích thành công sự tách ra thành nhiều vạch phổ hiđrô tương ứng với sự chuyển dịch electron giữa các obitan.[32]

Sau đấy trong cùng năm Henry Moseley cung cấp thêm chứng cứ thực nghiệm ủng hộ lý thuyết Niels Bohr. Những kết quả thí nghiệm này cũng tinh chỉnh mô hình của Ernest Rutherford và của Antonius Van den Broek, và thí nghiệm cho thấy nguyên tử chứa trong nó hạt nhân có số điện tích hạt nhân bằng với số thứ tự của chúng trên bảng tuần hoàn. Cho đến tận khi có các thí nghiệm của Moseley, nguyên tử số vẫn chưa được biết là một đại lượng vật lý và xác nhận bằng thực nghiệm. Nguyên tử số bằng điện tích của hạt nhân vẫn được chấp nhận trong mô hình nguyên tử hiện đại ngày nay.[33]

Liên kết hóa học giữa các nguyên tử đến lượt được giải thích bởi Gilbert Newton Lewis năm 1916, bằng tương tác giữa các electron trong chúng.[34] Khi đã biết tính chất hóa học của các nguyên tố lặp lại tuần hoàn trên bảng tuần hoàn,[35] năm 1919 nhà hóa học Irving Langmuir đề xuất tính tuần hoàn có thể giải thích được nếu electron trong một nguyên tử được kết nối hay nhóm lại theo một cách nào đó. Nhóm các electron được cho là chiếm giữ vào một tập hợp lớp vỏ electron quanh hạt nhân.[36]

Thí nghiệm Stern–Gerlach thực hiện năm 1922 mang đến kết quả thực nghiệm ủng hộ cho bản chất lượng tử của nguyên tử. Khi một chùm nguyên tử bạc cho phóng qua một từ trường không đều, chùm tia sẽ bị tách ra trên màn thu tuân theo hướng của động lượng nguyên tử, hay spin lượng tử. Nếu hướng của spin là phân bố ngẫu nhiên, thì trên màn thu sẽ thu được một dải bạc liên tục. Tuy vậy, hai nhà vật lý lại thu được kết quả là có hai phần rõ rệt, chỉ phụ thuộc vào spin nguyên tử định hướng lên hay xuống.[37]

Năm 1924, Louis de Broglie dựa trên ý tưởng của Einstein về sóng điện từ có lúc thể hiện tính chất hạt (photon) và đề xuất ngược lại là mọi hạt có tính chất dạng sóng của chúng. Năm 1926, Erwin Schrödinger sử dụng đề xuất này nhằm phát triển mô hình toán học về nguyên tử miêu tả các electron như dạng sóng ba chiều hơn là các hạt điểm. Một hệ quả của cách sử dụng các hàm sóng miêu tả hành xử của hạt đó là về mặt toán học không thể nhận được giá trị chính xác về cả vị trí và động lượng của một hạt trong cùng một thời gian; đây chính là nội dung của nguyên lý bất định do nhà vật lý Werner Heisenberg phát biểu năm 1926. Trong khái niệm này, mỗi khi chúng ta đo chính xác vị trí của hạt chúng ta sẽ chỉ nhận được một khoảng các giá trị có thể cho động lượng, và ngược lại. Mô hình này cũng giải thích được những kết quả thực nghiệm về hành xử của nguyên tử mà những mô hình khác không làm được, như là những cấu trúc xác định và dải phổ của những nguyên tử lớn hơn nguyên tử hiđrô. Từ đó, mô hình hành tinh nguyên tử miêu tả các electron quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân bị bác bỏ và thay thế vào đó là các electron ở những vùng gọi là obitan nguyên tử tương ứng với xác suất phân bố của electron.[38][39]

Hình vẽ minh họa đơn giản hoạt động của phổ khối.

Các phổ kế khối lượng phát minh ra đã cho phép đo được chính xác khối lượng của nguyên tử. Thiết bị này sử dụng một nam châm làm lệch quỹ đạo của chùm tia ion, và góc lệch đo được bằng tỉ số của khối lượng nguyên tử và điện tích của nó. Nhà hóa học Francis William Aston đã sử dụng thiết bị này để chứng tỏ rằng các đồng vị có khối lượng khác nhau. Khối lượng nguyên tử của những đồng vị cùng một nguyên tố chỉ chênh nhau theo bội nguyên của một hằng số.[40] Để giải thích cho sự khác biệt kỳ lạ về khối lượng đồng vị phải đợi đến tận khi khám phá ra neutron, hạt trung hòa điện có khối lượng hơi lớn hơn khối lượng proton, do nhà vật lý James Chadwick phát hiện năm 1932. Do vậy các đồng vị được giải thích như là các nguyên tố có cùng số proton và khác nhau về số neutron ở hạt nhân của chúng.[41]

Phân hạch, vật lý năng lượng cao và vật chất ngưng tụ

Năm 1938, nhà hóa học người Đức Otto Hahn, học trò của Rutherford, đã hướng chùm neutron vào các nguyên tử urani nhằm mục đích tạo ra các nguyên tố siêu urani. Thay vào đó ông lại nhận được từ kết quả thí nghiệm hóa học là sản phẩm bari.[42] Một năm sau, Lise Meitner và người cháu trai của Otto Hahn là Otto Frisch xác nhận kết quả Hahn thu được là thực nghiệm đầu tiên về sự phân hạch hạt nhân.[43][44] Năm 1944, Otto Hahn nhận giải Nobel Hóa học. Mặc dù Hahn đã nỗ lực kêu gọi Ủy ban Nobel trao giải cho Meitner và Frisch nhưng ông đã không thành công.[45]

Trong thập niên 1950, với sự phát triển nhanh chóng của các máy gia tốc hạt và máy dò hạt đã cho phép các nhà khoa học nghiên cứu va chạm của các hạt nhân và nguyên tử ở mức năng lượng cao.[46] Họ nhận thấy hạt neutron và proton là những loại hạt hadron, hay hạt tổ hợp của những hạt nhỏ hơn gọi là quark. Lý thuyết Mô hình chuẩn của vật lý hạt được phát triển và đã rất thành công trong giải thích tính chất của hạt nhân theo sự phân loại thành các hạt hạ nguyên tử và các tương tác chi phối thế giới lượng tử.[47]