Các trang trong thể loại “vật lý nguyên tử”

5.1 Số lượng tử và lớp Trạng thái của mỗi electron trong lớp vỏ có thể được biểu diễn qua 4 số lượng tử cả mô hình nguyên tử Bohr và orbital: eo nguyên lý Pauli, 4 số lượng tử của từng

Các trang trong thể loại “Vật lý nguyên tử”

Mục lục

1.1 y luật 1

1.2 Phân tử 1

1.3 Xem thêm 1

1.4 am khảo 1

2 Bán kính Bohr 2 2.1 Định nghĩa và giá trị 2

2.2 Sử dụng 2

2.3 Những đơn vị có liên quan 2

2.4 Bán kính Bohrr rút gọn 3

2.5 Xem thêm 3

2.6 Ghi chú 3

2.7 am khảo 3

2.8 Liên kết ngoài 3

3 Bohr magneton 4 3.1 am khảo 4

3.2 Xem thêm 4

4 Boson 5 4.1 am khảo 6

4.2 Xem thêm 6

5 Cấu hình electron 7 5.1 Số lượng tử và lớp 7

5.2 Điền electron vào các lớp 7

5.3 Liên hệ đến bảng tuần hoàn 8

5.4 Cấu hình electron của một số nguyên tố 8

5.4.1 Khí hiếm 8

5.4.2 Z từ 11 đến 17 8

5.4.3 Z từ 21 đến 31 8

5.4.4 Z từ 39 đến 49 8

5.5 Xem thêm 8

i

ii MỤC LỤC

5.6 am khảo 8

6 Chu kỳ Rabi 9 6.1 Mô tả bằng toán học 9

6.2 Chuẩn bị thí nghiệm dao động trong một hệ lượng tử 9

6.3 Đạo hàm của công thức Rabi theo phương pháp bất định bằng ma trận Pauli 10

6.4 Dao động Rabi trong tính toán lượng tử 11

6.5 am khảo 11

7 Điện li 12 7.1 Nguyên nhân 12

7.2 Độ điện li 12

7.3 Độ mạnh yếu 12

7.3.1 Các chất điện li mạnh 12

7.3.2 Các chất điện li trung bình và yếu 12

7.4 am khảo 13

8 Hiệu ứng Compton 14 8.1 Nội dung 14

8.2 Cơ chế tán xạ Compton 14

8.3 am khảo 15

9 Hiệu ứng lá ắn 16 9.1 Nguyên nhân 16

9.2 am khảo 16

9.3 Xem thêm 16

9.4 am khảo 16

10 Hiệu ứng Mössbauer 17 10.1 Chú thích 17

11 Hiệu ứng quang điện 18 11.1 Hiện tượng 18

11.2 Các định luật quang điện và giải thích 19

11.3 Hiệu ứng quang dẫn 19

11.4 Lịch sử của hiệu ứng quang điện 19

11.5 Ứng dụng của hiệu ứng quang điện 20

11.6 Xem thêm 20

11.7 am khảo 20

11.8 Liên kết ngoài 20

12 Hiệu ứng Zeeman 21 12.1 Giới thiệu 21

MỤC LỤC iii

13.1 Cơ chế hoạt động 22

13.2 Các thông số 22

13.3 Ứng dụng 22

13.4 ao khảo 22

13.5 am khảo 23

14 Mô hình Bohr 24 14.1 Nguồn gốc 24

14.2 am khảo 24

15 Năng lượng ion hóa 25 15.1 am khảo 25

16 Nguyên tử 26 16.1 Từ nguyên 26

16.2 Lịch sử 26

16.2.1 Nguyên tử luận 26

16.2.2 Nguồn gốc lý thuyết khoa học 27

16.2.3 Hạt cấu thành và lý thuyết lượng tử 28

16.2.4 Phân hạch, vật lý năng lượng cao và vật chất ngưng tụ 29

16.3 Các thành phần 30

16.3.1 Hạt hạ nguyên tử 30

16.3.2 Hạt nhân 30

16.3.3 Đám mây electron 31

16.4 Tính chất 32

16.4.1 Tính chất hạt nhân 32

16.4.2 Khối lượng 33

16.4.3 Hình dạng và kích thước 33

16.4.4 Phân rã phóng xạ 34

16.4.5 Mômen từ 34

16.4.6 Mức năng lượng 35

16.4.7 Hóa trị và liên kết hóa học 36

16.4.8 Trạng thái 36

16.5 an sát và thăm dò 37

16.6 Nguồn gốc và trạng thái hiện tại 38

16.6.1 Sự hình thành 38

16.6.2 Trái Đất 38

16.6.3 Các dạng hiếm và trên lý thuyết 39

16.7 Xem thêm 39

16.8 Chú thích 39

16.9 am khảo 39

iv MỤC LỤC

16.9.1 Sách tham khảo 44

16.10 Liên kết ngoài 45

17 Nguyên tử heli 47 17.1 Tổng quan 47

17.2 Phương pháp Hartree-Fock 47

17.3 Xem thêm 48

17.4 am khảo 48

18 Orbital nguyên tử 50 18.1 Các tên orbital 51

18.2 Định nghĩa chính của cơ học lượng tử 51

18.3 Số lượng tử 51

18.4 Liên hệ đến hệ thức bất định 51

18.5 Các hình dạng của orbital 51

18.6 Mức năng lượng orbital 52

18.7 Xem thêm 52

18.8 Chú thích 52

18.9 Liên kết ngoài 52

19 Phổ Mössbauer 53 19.1 am khảo 54

20 Phương pháp làm lạnh Doppler 55 21 Phương pháp 56 22 Giải thí 57 23 Hạn ế 59 24 Ứng dụng 60 25 am khảo 61 26 Liên kết ngoài 62 27 ang phổ phát xạ 63 27.1 am khảo 63

27.2 Liên kết ngoài 63

28 y tắc Hund thứ nhất 64 28.1 Nội dung chi tiết 64

28.2 Ngoại lệ 64

28.3 Xem thêm 64

MỤC LỤC v

28.5 Chú thích 64

29 y tắc Slater 65 29.1 Nội dung của quy tắcSlater 65

29.2 Ví dụ 65

29.3 Mục đích 65

29.4 Chú thích 66

30 Số lượng tử ính 67 30.1 am khảo 67

31 Số lượng tử spin 68 31.1 Định nghĩa 68

31.2 am khảo 68

32 Số lượng tử từ 69 32.1 am khảo 69

33 Số lượng tử xung lượng 70 33.1 am khảo 70

34 Tán xạ 71 34.1 Một số loại tán xạ 71

34.1.1 Trong vật lý hạt 71

34.1.2 Trong quang học 71

34.2 Tán xạ trong quang học 71

34.3 Tán xạ trong vật lý hạt 72

34.4 Xem thêm 72

34.5 am khảo 72

35 í nghiệm Fran - Hertz 73 35.1 í nghiệm 73

35.2 Giải thích 73

35.3 Hiệu ứng trong các chất khí khác 74

35.4 am khảo 74

36 uyết nguyên tử 75 36.1 Lịch sử 75

36.1.1 Nguyên tử luận triết học 75

36.1.2 Dalton 75

36.1.3 Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford 77

36.2 am khảo 77

36.3 Đọc thêm 77

36.4 Liên kết ngoài 77

vi MỤC LỤC

37.1 am khảo 78

37.2 Lịch sử chi tiết 78

37.3 Liên kết ngoài 78

38 Vật lý thiên văn nguyên tử và phân tử 79 38.1 Xem thêm 79

38.2 am khảo 80

38.3 Nguồn, người đóng góp, và giấy phép cho văn bản và hình ảnh 81

38.3.1 Văn bản 81

38.3.2 Hình ảnh 82

38.3.3 Giấy phép nội dung 84

Chương 1

Ái lực điện tử

Tronghóa học, ái lực điện tử lànăng lượngđược một

nguyên tử, trung hoà điện tích và cô lập (ởthể khí), hấp

thụ khi có mộtđiện tửđược thêm vào tạo thành khíion

có điện tích−1điện tích nguyên tố Nó có giá trịâm

khi năng lượng được nhả ra

Đa số cácnguyên tố hoá họccó ái lực điện tử âm Điều

này nghĩa là chúng không cần nhận năng lượng để bắt

điện tử; thay vào đó, chúng nhả ra năng lượng Nguyên

tử càng có nhiều khả năng bắt thêm các điện tử có ái

lực điện tử càng âm.Clolà nguyên tố hoá học có ái lực

điện tử mạnh nhất;radoncó ái lực điện tử yếu nhất

Mặc dù ái lực điện tử biến đổi khá hỗn loạn trong bảng

tuần hoàn, một số quy luật vẫn có thể được phá hiện

Nói chung,phi kimcó ái lực điện tử âm hơnkim loại

Tuy nhiên, cáckhí hiếmlà ngoại lệ, chúng có ái lực điện

tử dương

Bảng tuần hoàncủa ái lực điện tử, theo kJ/mol[1]

1.1 Quy luật

Ái lực điện tử tuân theoquy tắc bộ tám Các nguyên

tố nhóm 17 (flo,clo,brôm,iốt, vàastatin) có xu hướng

bắt điện tử và tạo ra anion có điện tích bằng−1 điện

tích nguyên tố Cáckhí hiếmtrong nhóm 18 đã có đủ

bộ tám, và do đó việc thêm một điện tử đòi hỏi năng

lượng lớn, tuy nhiên vẫn có thể thực hiện được

Các nguyên tố nhóm 2, bắt đầu từ berili và nhóm 12 bắt

đầu từ kẽm cũng có ái lực điện tử với giá trị dương vì

chúng có vỏ s hay vỏ d đã điền đầy

Các nguyên tố trong nhóm 15 có ái lực điện tử thấp và

nitơthậm chí có ái lực điện tử với giá trị dương Lý do

là các vỏ điện tử được điền một nửa cũng khá bền

Ái lực điện tử có giá trị tăng lên trong cùng một hàng

từ trái qua phải (do bán kính các nguyên tử giảm dần,

làm gia tăng sức hút từ hạt nhân, và số điện tử trong

vỏ ngoài tăng dần, khiến nguyên tử cân bằng bền hơn)

trong bảng tuần hoàn và giảm đi khi đi từ trên xuống

trong cùng một nhóm (do bán kính các nguyên tử và số

điện tử ở vỏ ngoài tăng lên, các điện tử đẩy lẫn nhau,làm giảm mức độ cân bằng của nguyên tử)

1.3 Xem thêm

• Định lý Koopmans

1.4 Tham khảo

[1] C E Moore, National Standard Reference Data Series

34, National Bureau of Standards, U.S GovernmentPrinting Office, Washington, DC, 1970

[2] Remarkable electron accepting properties of the

simplest benzenoid cyanocarbons: hexacyanobenzene, octacyanonaphthalene and decacyanoanthracene Xiuhui

Zhang, Qianshu Li, Justin B Ingels, Andrew C.Simmone, Steven E Wheeler, Yaoming Xie, R BruceKing, Henry F Schaefer III and F Albert Coon

Chemical Communications, 2006, 758 - 760Abstract

1

Chương 2

Bán kính Bohr

Bán kính Bohr (a0 hoặc rBₒ) là mộthằng số vật lý, gần

bằng với khoảng cách có thể giữa tâm của mộtnuclide

và mộtelectroncủanguyên tử Hydrotrongtrạng thái

cơ bảncủa nó Nó được đặt tên sau ngàiNiels Bohr, do

vai trò của nó trongmô hình Bohrcủa một nguyên tử

Trongmô hình Bohrcủa cấu trúc mộtnguyên tử, đưa ra

bởiNiels Bohrvào năm 1913,electronquay quanh một

nhânchính giữa Mô hình nói rằng electron chỉ quay

quanh ở một khoảng cách nhất định từ hạt nhân, tùy

thuộc vào năng lượng của chúng Trong đơn nguyên

tửhydrođơn giản nhất, một electron đơn quay quanhhạt nhân và quỹ đạo nhỏ nhất có thể của nó, với nănglượng thấp nhất, có một bán kính quỹ đạo gần bằng

bán kính Bohr (Nó không phải chính xác là bán kính

Bohr dokhối lượng rút gọn Chúng khác nhau khoảng0.1%.)

Mặc dù mô hình Bohr không còn được sử dụng, bánkính Bohr vẫn còn rất hữu ích trong tính toánvật lýnguyên tử, do một phần nó đơn giản mối quan hệ vớicác hằng số cơ bản khác (Đây là lí do tại sao nó đượcxác định bằng khối lượng electron thực, chứ không phảiviệc giảm khối lượng như trên.) Ví dụ, nó là đơn vị của

độ dài trongđơn vị nguyên tử

Một khác biệt quan trọng là bán kính Bohr cho vị trícủa biên độ xác suất tối đa, chứ không phải khoảng

cách đến tâm dự đoán Khoảng cách đến tâm dự đoán

thực sự lớn hơn 1.5 lần bán kính Bohr, như là một kếtquả của sự hạ xuống nhẹ của hàm sóng đến tâm

2.3 Những đơn vị có liên quan

Bán kính Bohr của electron một trong bộ ba các đơn vị

độ dài có liên quan, hai cái khác lần lượt làbước sóngComptoncủa electron λe re Bán kính Bohr được xâydựng nên từkhối lượng electronme,Hằng số Planck

ℏ vàđiện tích cơ bảne Bước sóng Compton được xây

dựng nên từ me ,ℏ và tốc độ ánh sáng c Bán kính điện từ cổ điển được xây dựng nên từ me , c và e Bất

kì một trong ba đơn vị này đều có thể viết sang các đơn

2.8 LIÊN KẾT NGOÀI 3

2.4 Bán kính Bohrr rút gọn

Bán kính Bohr có kèm theorút gọn khối lượngtrong

nguyên tử hydro có thể được đưa ra bởi phương trình

λp là bước sóng Compton củaproton

λe là bước sóng Compton của electron

α là hằng số cấu trúc tinh tế

Trong phương trình trên, các hiệu ứng của rút gọn khối

lượng đạt được bằng cách sử dụng bước sóng Compton

được nâng lên, mà chỉ là các bước sóng Compton của

electron và proton cộng lại

[1] e number in parenthesis denotes theuncertaintyof

the last digits

2.7 Tham khảo

[1] David J Griffiths, Introduction to antum Mechanics,

Prentice-Hall, 1995, p 137

[2] “CODATA Value: Bohr radius” Fundamental Physical

Constants.NIST Truy cập ngày 13 tháng 2 năm 2016

2.8 Liên kết ngoài

• y mô chiều dài trong Vật lí: Bán kính Bohr

(tiếng Anh)

Chương 3

Bohr magneton

Bohr magneton (thường được ký hiệu là μB) là một

đại lượng vật lýđược đặt theo tênnhà vật lý Niels Bohr

Bohr magneton được dùng như mộthằng số vật lýdùng

làm đơn vị củamômen từ[1]

Trong hệ đơn vị chuẩn SI, Bohr magneton được định

m elàkhối lượng nghỉcủađiện tử

Do đó, một Bohr magneton có giá trị μB =

clàvận tốc ánh sángtrongchân không

và ở hệ đơn vị này, Bohr magneton nhận giá

trị: μB = 0.927×10−20erg.Oe−1

Bohr magneton là một đơn vị tự nhiên để biểu diễn

mômen lưỡng cực từ nguyên tửvới xuất phát ban đầu

là từ mô hình nguyên tử củaNiels Bohr, được xác định

lần đầu tiên vào năm1910bởinhà vật lýngườiRumani

Stefan Procopiu Do đó, cácsách giáo khoaở Rumani

thường gọi là Bohr-Procopiu Magneton[2] Mộtđiện tử

ởtrạng thái cơ bảnsẽ cómômen từ quỹ đạolà 1 μB

3.1 Tham khảo

[1] Robert C O'Handley (2000) Modern magnetic materials:

principles and applications John Wiley & Sons.ISBN 471-15566-7trang 83

0-[2] A Mahajan and A Rangwala Electricity andMagnetism, trang 419 (1989)

3.2 Xem thêm

• Mômen lưỡng cực từ

• Spin

Chương 4

Boson

Trạng thái đông đặc Bose-Einstein của các boson, trong trường

hợp này là các nguyên tử rubidi Hình vẽ là phân bố tốc độ của

chuyển động của các nguyên tử, theo vị trí Màu đỏ chỉ nguyên

tử di chuyển chậm, màu xanh và trắng chỉ nguyên tử di chuyển

nhanh Trái: trước khi có động đặc Bose-Einstein Giữa: ngay

sau khi đông đặc Phải: trạng thái đông đặc mạnh hơn Ở trạng

thái đông đặc, rất nhiều nguyên tử có cùng vận tốc và vị trí (cùng

trạng thái lượng tử) nằm ở đỉnh màu trắng.

Boson (tiếng Việt đọc là: Bô dông), đặt tên theonhà vật

lýngườiẤn Độ Satyendra Nath Bose, là một trong hai

loại hạt cơ bản trong tự nhiên (loại hạt kia làfermion)

Chúng là loại hạt duy nhất tuân theothống kê

Bose-Einstein, nghĩa là chúng có thể nằm cùng mộttrạng

thái lượng tử(không tuân thủnguyên lý Pauli) eolý

thuyết thống kê spin, chúng cóspinlấy giá trịnguyên

Các tính chất nêu trên của boson hoàn toàn đối lập với

fermion(có spin bán nguyên, tuân thủ nguyên lý Pauli)

eo mô hình chuẩn, một lý thuyết gauge, lực giữa

các fermion được mô hình hóa bằng cách tạo ra các

boson, có tác dụng như các thành phần trung gian.Hệ

Lagrangecủa mỗi tập hợp hạt boson trung gian không

thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì

thế các boson này còn được gọi làgauge boson.Gauge

bosonlà cáchạt cơ bảnmangtương tác cơ bản Chúng

làW boson củalực hạt nhân yếu, gluoncủa lực hạt

nhân mạnh, photoncủa lực điện từ, và gravitoncủa

lực hấp dẫn

Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu

tả bởi mộtnhóm unita, gọi lànhóm gauge Nhóm gauge

của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác

yếu là SU(2)xU(1) Vì vậy, mô hình chuẩn thường được

gọi là SU(3)xSU(2)xU(1) Higg boson là boson duy nhấtkhông thuộc gauge boson, các tính chất của boson nàyvẫn còn được bàn cãi

Mọi hạt trong tự nhiên đều hoặc là boson hoặc làfermion Các hạt tạo nên từ các hạt cơ bản hơn (nhưprotonhayhạt nhân nguyên tử) cũng thuộc một tronghai nhóm boson và fermion, phụ thuộc vào tổng spincủa chúng

Các tính chất boson của photon giải thíchbức xạ vậtđenvà hoạt động củalaser Tính chất boson củaheli-4giải thích khả năng tồn tại ở trạng tháisiêu lỏng Nhữngboson cũng có thể nằm ở trạng thái đông đặc Bose-Einstein, mộttrạng thái vật chấtđặc biệt ở đó mọi hạtđều ở cùng một trạng thái lượng tử

Đông đặc Bose-Einstein chỉ xảy ra tại nhiệt độ rấtthấp Ở nhiệt độ thường, boson và fermion đều ứng

xử rất giống nhau, giống hạt cổ điển tuân thủ gầnđúng thống kê Maxwell-Boltzmann Lý do là vì cảthống kê Bose-Einstein vàthống kê Fermi-Dirac(thống

kê hạt fermion) đều tiệm cận đến thống kê Boltzmann ở nhiệt độ phòng

Maxwell-Các boson trong mô hình chuẩn là:

• Photon, hạt trung gian trongtương tác điện từ

• WvàZ boson, hạt trung gian tronglực hạt nhânyếu

• 8gluon, hạt truyền trung gian tronglực hạt nhânmạnh 6 trong số các gluon được đánh dấu bằngcác cặp “màu” và "đối màu” (ví dụ như một hạtgluon mang màu "đỏ" và "đối đỏ"), 2 gluon còn lại

là cặp màu được “pha trộn” phức tạp hơn

• Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong cácnhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo rakhối lượngquán tính

Gravitonlà boson được cho là hạt truyền tương tác củatương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong

mô hình chuẩn

Các ví dụ boson khác:

• Hạt nhân với spin nguyên

5

• Sakurai, J.J (1994) Modern antum Mechanics

(Revised Edition), pp 361–363 Addison-Wesley

Publishing Company.ISBN 0-201-53929-2

4.2 Xem thêm

• Mô hình chuẩn

• Khí Bose

• Siêu dẫn

Chương 5

Cấu hình electron

Ag

Phân bố electron trong nguyên tử bạc

Cấu hình electron, hay cấu hình điện tử, nguyên tử

cho biết sự phân bố cácelectrontrong lớp vỏ nguyên

tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau hay ở các

vùng hiện diện của chúng

5.1 Số lượng tử và lớp

Trạng thái của mỗi electron trong lớp vỏ có thể được

biểu diễn qua 4 số lượng tử (cả mô hình nguyên tử Bohr

và orbital):

eo nguyên lý Pauli, 4 số lượng tử của từng cặp

electron trong nguyên tử không được trùng nhau, giải

thích cho sự phân bố của chúng trong các lớp khác

nhau Điều này cũng có nghĩa là, trên cùng một phân

lớp, không có 2 electron có chiều tự quay giống nhau

Số lượng tử chính n hình thành nên các lớp chính, trong

mỗi lớp chính có n phân lớp Các electron trên cùng

một lớp thì có mức năng lượng xấp xỉ nhau, và trên

cùng một phân lớp thì có năng lượng bằng nhau Tổng

số electron ở mỗi lớp chính phụ thuộc vào bộ 4 số lượng

tử n, l, m và s nhưng tối đa là 2n2electron

Lớp electron ngoài cùng (lớp hóa trị) của các nguyên tốchứa cácelectron hóa trị, các electron này quyết địnhcác tính chất hóa học cũng như tính chất vật lý củachúng

5.2 Điền electron vào các lớp

là lớn nhất, sau đấy mới được điền đôi

Sự điền electron vào các lớp không chỉ phụ thuộc vào

vị trí hay khoảng cách của chúng đến hạt nhân mà cònphụ thuộc vào mức năng lượng của các lớp

Ví dụ:titancóZ= 22, cấu hình theo thứ tự các lớp 1s22s22p63s23p63d44s0nhưng do năng lượng của lớp 4sthấp hơn lớp 3d nên 4 electron còn lại sẽ điền đầy vàolớp 4s (2) trước, sau đấy mới đến lớp 3d (2), cấu hìnhđúng của titan là 1s22s22p63s23p63d24s2

Ngoại lệ:

• Nguyên tốlantan, Z = 57 lớp ngoài cùng 6s24f1,electron tự do cuối cùng điền vào 5d trước khi vào4f, tương tự trong nguyên tử Ac thì 6d trước 5f

• Trong nguyên tửCrvàCumột electron trong lớp

có năng lượng thấp 4s điền vào lớp có năng lượng7

8 CHƯƠNG 5 CẤU HÌNH ELECTRON

cao hơn 3d, chúng có cấu hình lớp ngoài cùng là

3d54s1và 3d104s1

• Các trường hợp ngoại lệ khác Nb, Mo, Tc, Ru, Rh,

Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Gd, cácactinitừ Ac đến Np và

Cm

5.3 Liên hệ đến bảng tuần hoàn

18 nhóm chính (nhóm mới) trong bảng tuần hoàn được

phân ra dựa theo số electron trong các lớp ngoài cùng:

• lớp s: nhóm 1 (s1) - 2 (s2)

• lớp p: nhóm 13 (p1) - 18 (p6) (TrừHe,H)

• lớp d: nhóm 3 (d1) - 12 (d10)

Số chu kỳ bằng số lớp n, với ns là lớp ⁇⁇ ngoài cùng

5.4 Cấu hình electron của một số

nguyên tố

Cấu hình electron của các nguyên tố thường được viết

dưới dạng kèm theo cấu hình electron của các khí hiếm

Chương 6

Chu kỳ Rabi

Trong vật lý, u trình Rabi (hoặc Rabi flop) là sự tuần

hoàn của một hệ lượng tử haitrạng tháitrong sự hiện

diện của một trường dao động Một loạt các quá trình

vật lý thuộc các lĩnh vựctính toán lượng tử,vật chất

cô đặc,vật lý nguyên tửvà phân tử vàvật lý hạt nhân

và hạt có thể được nghiên cứu thuận tiện thông qua

các hệ thống cơ học lượng tử hai trạng thái, và thể hiện

chu kỳ Rabi khi nằm trong một trường dao dộng.Hiệu

ứngnày là quan trọng trongquang học lượng tử,cộng

hưởng từvà tính toán lượng tử, và được đặt tên theo

Isidor Isaac Rabi, một nhà vậy lý người Mỹ

Một hệ thống có hai mức năng lượng khác nhau có

thể trở nên “kích thích” khi nó hấp thụ một lượng tử

năng lượng Khi một nguyên tử (hoặc một số hệ thống

hai trạng thái khác) được chiếu sáng bởi một chùm các

photon, nó sẽ hấp thụ photon theo chu kỳ và tái phát

ra chúng bằng phát xạ kích thích Một chu kỳ như vậy

được gọi là một chu kỳ Rabi và nghịch đảo thời gian

của nó là tần số Rabi Hiệu ứng có thể được mô hình

hóa bằng cách sử dụng mô hình Jaynes-Cummings và

vector hình thức Bloch

6.1 Mô tả bằng toán học

Một mô tả toán học chi tiết của các hiệu ứng có thể được

tìm thấy trên trangRabi Problem Ví dụ, đối với một

nguyên tử hai trạng thái (một nguyên tử trong đó, điện

tử, hoặc có thể ở trạng thái ban đầu hoặc kích thích)

trong một trường điện từ có tần số điều chỉnh để năng

lượng kích thích, xác suất tìm thấy các nguyên tử ở

trạng thái kích thích được tìm thấy từ phương trình

Bloch:

|c b (t) |2∝ sin2(ωt/2)

với ω là tần số Rabi.

Tổng quát hơn, người ta có thể xem xét một hệ thống

mà hai cấp được coi như không có trạng thái riêng năng

lượng riêng Do đó, nếu hệ thống được khởi tạo trong

một trong các cấp này, thời gian tiến hóa sẽ làm cho số

phần tử của từng mức độ dao động với một số đặc tính

tần số, có tần số góc [1] còn được gọi là tần số Rabi

Các trạng thái của một hệ lượng tử hai cấp có thể được

biểu diễn như là vectơ hai chiều phức hợp không gian

Hilbert, có nghĩa là mỗi vectơ trạng thái|ψ⟩ được biểu

diễn bởi hai tọa độ phức tạp

)

+ c2

(01

)and|2⟩ =

(01)

Tất cả các đại lượng vật lý có thể quan sát kết hợp với

hệ thống này làma trận Hermitian2 x 2, có nghĩa làHamiltoniancủa hệ thống cũng là một ma trận tươngtự

6.2 Chuẩn bị thí nghiệm dao động trong một hệ lượng tử

Người ta có thể xây dựng một thí nghiệm dao động baogồm các bước sau đây: [1]

(1) Chuẩn bị hệ thống trong một trạng thái cố định|1⟩

(2) Hãy để nhà nước phát triển một cách tự do, theomột Hamilton H cho thời gian t

(3) Tìm xác suất P (t), mà trạng thái là|1⟩

Nếu|1⟩ là một trạng thái riêng của H, P (t) = 1 và không

có dao động Ngoài ra nếu hai quốc gia đang thoái hóa,mỗi trạng thái chứa|1⟩ là một trạng thái riêng của H.

Kết quả là, không có dao động Vì vậy, nếu H không cótrạng thái thoái hóa riêng, không phải trong đó là|1⟩

, sau đó sẽ có dao động Hình thức tổng quát nhất củaHamiltonian của hệ hai trạng thái thể hiện sau đây

H = a0 · σ0+ a1· σ1+ a2· σ2+ a3· σ3;

Ma trận σ0là 2× 2 và các ma trận σ k (k = 1, 2, 3)làMatrận Pauli phân tích này đơn giản hóa việc phân tíchcác hệ thống đặc biệt là trong trường hợp thời gian độc9

10 CHƯƠNG 6 CHU KỲ RABI

lập, nơi các giá trị của a0, a1, a2và a3là hằng số Xét

trường hợp của mộtspin-1/2hạt trong một từ trường

B = B^z Các Hamiltonian tương tác cho hệ thống này

với µ là độ lớn của hạt nhânmagnetic moment, γ là

tỉ lệ Gyromagneticvà σ là vectơPauli matrices Ở đây

các trạng thái riêng của Hamiltonian là trạng thái riêng

của σ3đó là|1⟩ và |2⟩ Xác suất để hệ có trạng thái

|ψ⟩ sẽ được tìm thấy ở trong trạng thái tùy ý |ϕ⟩ được

cho bởi|⟨ϕ|ψ⟩|2

Hệ thống ban đầu với t = 0 ở trạng

thái| + X⟩ đó là trạng thái riêng của σ1, |ψ(0)⟩ =

)+√1 2

(01

) Ở đây,Hamiltonian là độc lập về thời gian Vì vậy, bằng cách

giải quyết phường trình thời gian độc lập Schrödinger,

ta nhận được trạng thái sau thời gian t là|ψ(t)⟩ =

e −iEtℏ |ψ(0)⟩ , với E tổng năng lượng của hệ Do đó

trạng thái sau thời gian t là|ψ(t)⟩ = e −iE+tℏ √1

2|1⟩ +

e −iE−tℏ √1

2|2⟩ Giả sử phép quay theo hướng x tại thời

điểm t, xác suất tìm thấy spin-up là|⟨ +X|ψ(t)⟩|2

cho bởi ω = E − −E+

ℏ = γB khi ta giả sử E − ≥ E+.[1]

Vì vậy, trong trường hợp này xác suất tìm thấy quay

lên trạng thái theo hướng X là dao động trong thời

gian t khi hệ thống ban đầu theo hướng +X Tương

tự như vậy nếu chúng ta đo phép quay theo hướng z

xác suất phát hiện ℏ

2 của hệ 1

2 Trong trường hợp này

E+ = E − , đó là khi Hamilton là thoái hóa không

có dao động Do đó ta có thể kết luận rằng nếu trạng

thái riêng của ma trậnHamiltoniannêu trên biểu diễn

trạng thái của một hệ, thì xác suất của hệ trở thành

trạng thái đó không dao động, nhưng nếu chúng ta tìm

thấy xác suất tìm thấy hệ ở trạng thái khác, nó là dao

động Điều này đúng với ma trận phụ thuộc thời gian

Hamiltonian Ví dụ H = −γ S z Bsin(ωt), xác suất mà

một phép đo của hệ theo hướng Y tại thời gian t là+ ℏ

)

= E+

(

a b

)

Do đó b = − a(E0+∆−E+ )

W1−ıW2 Với điều kiện chuẩn hóa của vectơ riêng,

|a|2+|b|2

= 1.Do đó|a|2

+|a|2( ∆

Vậy vectơ riêng của E+ trị riêng được biểu diễn nhưsau|E+⟩ = e ıϕ/2

(

cos θ/2

e −ıϕ sin θ/2

)

−e ıϕ sin(θ/2) |1⟩ + cos(θ/2)|2⟩

Từ 2 phương trình trên, ta có|1⟩ = cos(θ/2)|E+⟩ − sin(θ/2)e −ıϕ |E − ⟩ và |2⟩ = e ıϕ sin(θ/2) |E+⟩ + cos(θ/2) |E − ⟩

Giả sử tại t=0, hệ đang ở trạng thái|1⟩ tức là |ψ(0)⟩ =

|1⟩ = cos(θ/2)|E+⟩ − sin(θ/2)e −ıϕ |E − ⟩

Trạng thái của hệ sau thời gian t là |ψ(t)⟩ =

e −iEtℏ |ψ(0)⟩ = cos(θ/2)e −ıE+tℏ |E+⟩ − sin(θ/2)e −ıϕ e −ıE−tℏ |E − ⟩

Tại đây hệ chỉ tồn tại tại một trạng thái riêng là|1⟩ hoặc

|2⟩ , nó vẫn giữ nguyên với trạng thái tương tự, Tuy

nhiên trong tình trạng chung như trên sự phát triểnthời gian là không tầm thường

Xác suất biên độ của việc tìm kiếm hệ thống tại thờiđiểm t tại trạng thái|2⟩ được cho bơi |⟨ 2|ψ(t)⟩| =

e −ıϕ sin(θ/2) cos(θ/2)(e −ıE+tℏ − e −ıE−tℏ ).Tại đây xác suất để hệ có trạng thái|ψ(t)⟩ sẽ được tìm

thấy như một trạng thái tùy ý|2⟩ được cho bởi P1→2

(t) = |⟨ 2|ψ(t)⟩|2

= e +ıϕ sin(θ/2) cos(θ/2)(e +ıE+tℏ −

e +ıEtℏ )e −ıϕ sin(θ/2) cos(θ/2)(e −ıE+tℏ − e iıEt

ℏ ) =sin 2θ

6.5 THAM KHẢO 11

|2⟩ là có hạn khi hệ ở trạng thái ban đầu |1⟩ Xác suất

dao động theo tần số góc ω = E+−E −

2 ℏ =

√

∆ 2 +|W |2

ℏ, đơn giản là tần số Bohr duy nhất của hệ thống và

được gọi làTần số Rabi Công thức (1) được biết đến

là công thứcRabi Sau thời gian t xác suất mà hệ wor

trạng thái |1⟩ được cho bởi |⟨ +X|ψ(t)⟩|2

= 1 −

sin2(θ)sin2((E+−E − )t

2 ℏ ), cũng dao động Kiểu dao động

giữa 2 cấp là gọi làDao động Rabivà xuất hiện trong

rất nhiều đề tài nhưDao động Neutrino, Phân tử ion

hóa Hydro,Tính toán lượng tử,Ammonia maser vân

vân

6.4 Dao động Rabi trong tính toán

lượng tử

Với mỗi hai trạng thái hệ tượng tử dều có thể dùng

để tạo nên một qubit giả sử spin 1

2 hệ với trường

momen µ đặt trong một từ trường cổ điển B = B0z +ˆ

B1(cos ωtˆx − sin ωtˆy) Cho γ làTỉ lệ hồi chuyểncủa

σ y sin ωt) với ω0 = γB0and ω1 = γB1 Có thể tìm

trị riêngvàVectơ riêngcủa ma trận Hamiltonian bằng

phương pháp ở trên Giả sử bit ở trạng thái|1⟩ tại

thời điểm t = 0 Tại thời điểm t, xác suất để tìm thấy tại

trạng thái|2⟩ được cho bởi P1→2 (t) =(ω

1

Ω

)2sin2(Ωt2)với Ω =√

(ω − ω0)2+ ω2 Hiện tượng này gọi làDao

động Rabi Do đó, qubit dao đọng giữa trạng thái|1⟩ và

|2⟩ Biên độ đạt được tại ω = ω0, với điều kiệncộng

hưởng Khi cộng hưởng, xác suất chuyển được cho bởi

P1→2 (t) =sin2(ω

1t

2

) ĐI từ trạng thái|1⟩ sang trạng

thái|2⟩ đủ để điều chỉnh thời gian t trong suốt quá

2ω1

, ta có sóng π

2 , tức là:|1⟩ → |1⟩+|2⟩ √

2 Toán tử này đặcbiệt quan trọng trong tính toán lượng tử Các phương

trình cơ bản là giống nhau trong trường hợp của một

nguyên tử hai cấp trong lĩnh vực laser khi xấp xỉ sóng

quay được tạo nên Nênℏω0là năng lượng chênh lệch

giữa hai mức năng lượng, ω là tần số của sóng laser và

Tần số Rabiω1tỷ lệ thuận với sản phẩm của thời điểm

chuyển lưỡng cực điện của nguyên tử ⃗ dvà điện trường

⃗

E của sóng laser đó là ω1 ∝ ⃗d · ⃗ Eℏ Nói chung, dao

động Rabi là quá trình cơ bản dùng để thao tác qubit

Những dao đọng này thu được bởi đưa qubit vào điện

trường hoặc từ trường định kỳ trong khoảng thời gian

điều chỉnh phù hợp

6.5 Tham khảo

[1] Griffiths, David (2012) Introduction to antum

Mechanics (2nd ed.) p 191.

• antum Mechanics Volume 1 by C

Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Frank Laloe, ISBN9780471164333

• A Short Introduction to antum Information and

antum Computation by Michel Le Bellac,ISBN978-0521860567

• e Feynman Lectures on Physics Vol 3 by Richard

P Feynman & R.B Leighton,ISBN 978-8185015842

• Modern Approach To antum Mechanics by John

S Townsend,ISBN 9788130913148

Chương 7

Điện li

Điện li hay ion hóa là quá trình mộtnguyên tửhay

phân tửtích một điện tích âm hay dương bằng cách

nhận thêm hay mất đielectronđể tạo thành cácion,

thường đi kèm các thay đổi hóa học khác Ion dương

được tạo thành khi chúng hấp thụ đủnăng lượng(năng

lượng này phải lớn hơn hoặc bằng thế năng tương tác

của electron trong nguyên tử) để giải phóng electron,

những electron được giải phóng này được gọi là những

electron tự do Năng lượng cần thiết để xảy ra quá trình

này gọi lànăng lượng ion hóa Ion âm được tạo thành

khi một electron tự do nào đó đập vào một nguyên tử

mang điện trung hòa ngay lập tức bị tóm và thiết lập

hàng rào thế năngvới nguyên tử này, vì nó không còn

đủ năng lượng để thoát khỏi nguyên tử này nữa nên

hình thành ion âm

Một trường hợp điện ly đơn giản là chất có liên kết ion

hoặc liên kết cộng hoá trị phân cực thành các ion riêng

rẽ trong môi trường nước Ví dụ như NaCl (muối)

7.1 Nguyên nhân

Phân tử nước bị phân cực thành hai đầu âm và dương do

nguyên tử oxicó độ âm điện lớn hơn nguyên tửhidro,

cặpelectrondùng chung bị lệch về phía oxi Vì thế đã

tách các chất cũng có tính phân cực ra thành các ion,

ion dương tách ra bởi nguyên tử oxi (mang điện âm) còn

ion âm được tách ra bởi nguyên tử hidro (mang điện

dương) của nước á trình này có giải phóng năng

lượng domạng tinh thể(hoặc liên kết giữa các nguyên

tử) bị phá vỡ

7.2 Độ điện li

Độ điện ly là tỉ số giữa sốphân tửphân ly thành ion và

tổng số phân tử đã hòa tan vàodung dịch

• Dung dịch các axit mạnh: HNO3, HCl, HI,…

• Hầu hết các muối: NaCl, NaNO3, BaSO4,AgCl…

Các dung dịch muối điện ly mạnh là muối tạo thànhbởi gốcbazơvà gốcaxitmạnh Ví dụ: Muối NaCl đượctạo bởi bazơ mạnh là NaOH và axit mạnh là HCl

Ta coi các chất điện ly mạnh có độ điện ly α = 1 Nghĩa

là các dung dịch chứa chất điện ly mạnh điện ly hoàntoàn

Phương trình điện li:

Axit > Cation H+ + Anion gốc axitBazơ tan > Cation Kl + Anion OH-Muối tan > Cation KL/NH4+ + Anion gốc axit

7.3.2 Các chất điện li trung bình và yếu

-Là chất khi tan trong nước chỉ có một phần số phân tửhòa tan phân li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại dướidạng phân tử trong dung dịch.Gồm: Axit yếu, bazơyếu, do diện li phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ,dung môi, bản chất của chất điện ly.Vd: +Axit yếu:H2S,

H2SO3,H3PO4, CH3COOH…

+Bazơ không tan trong nước: Cu(OH)2, Fe(OH)3….+CuCl, HgCl2, Hg(CN)2…

7.4 THAM KHẢO 13

7.4 Tham khảo

Chương 8

Hiệu ứng Compton

Trong cơ học lượng tử, Hiệu ứng Compton hay tán

xạ Compton xảy ra khibước sóngtăng lên (vànăng

lượnggiảm xuống), khi những hạtphoton tia X(haytia

gamma) có năng lượng từ khoảng 0,5MeVđến 3,5 MeV

tác động vớiđiện tửtrong vật liệu Độ mà bước sóng

tăng lên được gọi là dị uyển Compton.[1]Hiệu ứng

này được nhận thấy bởi Arthur Holly Compton vào

năm1923và do sự quan sát này được traoGiải thưởng

Nobel vật lýnăm1927 Cuộc thí nghiệm của Compton

là sự quan sát làm cho tất cả mọinhà vật lýtin làánh

sángcó thể hành động như một dòng hạt có năng lượng

cân xứng với tần số

8.1 Nội dung

Dùnggiả thuyết hạt photon ánh sáng, ta có thể giải

thíchhiệu ứng quang điệnvà sự tạo thànhtia X Sau

đó vào năm 1923,A H Comptonthông báo về kết quả

nghiên cứu tán xạ củatia Xthì các nhà khoa học đã có

cơ sở để giải thích bản chấthạtcủaánh sáng

eo Compton,hạt lượng tử năng lượngcủatia Xkhi

va chạm vào các hạt khác cũng bị tán xạ giống như hạt

electron Ở đây sựtán xạcủa hạt photon là sự thay đổi

đường đi của chùm tiaphôtônkhi gặp phải một môi

trường có sự không đồng nhất về chiết suất với những

khoảng cách mà chiết suất thay đổi gần bằng độ dài

bước sóngphoton ực ra sự tán xạ là sự lan truyền

của sóng trong những môi trường cóhằng số điệnvàhằng số từthay đổi hỗn loạn, rất phức tạp nếu sử dụngcáchệ phương trình Maxwellđể giải và tìm chiết suấthiệu dụng của môi trường Sự tán xạ có thể xem đơngiản nhưsự va chạm đàn hồicủa các quả bóng trongmột môi trường Khi xem xét sự va chạm đó,định luậtbảo toàn năng lượngvà xung lượng vẫn được áp dụng

Ví dụ ta có mộtlượng tửnăng lượng củatia X, va chạmvào mộtelectronđứng yên Một phần năng lượng vàxung lượngcủa tia X chuyển vào choelectronvà saukhi tán xạ thì lượng tử năng lượng tán xạ (hạt hìnhthành sau tán xạ) có năng lượng và xung lượng nhỏ hơncủa lượng tử năng lượng ban đầu (tia X) Vì năng lượngcủa lượng tử tán xạ nhỏ hơn năng lượng của lượng tửban đầu nên tần số của lượng tử tán xạ nhỏ hơn tần sốcủa lượng tử ban đầu và khi đó bước sóng của lượng tửtán xạ lại lớn hơn bước sóng của lượng tử ban đầu

8.2 Cơ chế tán xạ Compton

Trong tán xạ Compton, năng lượng của lượng tửtia

X đã chuyển hóa một phần thành năng lượng củaelectron Electron dao động phát rasóng điện từ, sóngđiện từ chuyển một phần năng lượng cho mộtlượng tử,

vì thế lượng tử bức xạ cóbước sónglớn hơn lượng tửban đầu

Như đã trình bày, khitia Xva chạm, một phần nănglượng tia X chuyển hóa choelectron Năng lượng nàyphụ thuộc vào góc tán xạ tức là phương củalượng tửnăng lượng tán xạ so với phương ban đầu:

Áp dụngcông thức bảo toàn năng lượng và xung lượng

ta tính được độ biến thiên của bước sóng của lượng tử

8.3 THAM KHẢO 15

năng lượng (Hình 2.10) sau khi tán xạ và lệch đi một

góc θ so với phương ban đầu là:

Công thức này được xây dựng từ sự bảo toàn năng

lượng và xung lượng trong hệ quy chiếu gắn với khối

tâm của hệ; mₒ là khối lượng nghỉ của electron, đại

lượng λ c = h

(m o c)được hiểu là bước sóng compton,

nếu thay các giá trị này và tính toán thì độ lớn λ là: λ

= 2,42.10−12m

Giá trị này là rất nhỏ so với bước sóng của ánh sáng khả

kiến vì thế nếu dùng ánh sáng làm thí nghiệm Compton

ta sẽ không thấy sự biến đổi của độ dài sóng Tức là

không quan sát được hiệu ứng Compton

Ngược lại, nếu dùng bước sóng củatia Xtrong khoảng

(10−9 đến 10−12m) thì độ biến thiên bước sóng trong

trường hợp này là khá lớn nên có thể quan sát được

Hiệu ứng Compton đã thực sự thuyết phục các nhà vật

lý rằng sóng điện từthực sự thể hiện một tính chất

giống như một chùmhạtchuyển động vớivận tốc ánh

sáng Hay nói khác đi sóng và hạt là hai thuộc tính cùng

tồn tại trong các quá trình biến đổi năng lượng

Ví dụ: Trong thí nghiệm tán xạ Compton,

người ta thấy bước song tia X thay đổi 1%

với góc tán xạ là θ=120° Hãy tìm ra giá trị

bước sóng dùng trong thí nghiệm này Ứng

với bước sóng đó, hiệu điện thế phải đặt ở

hai đầu Anod và Kathod là bao nhiêu?

Lời giải:sự thay đổi bước sóng tuân theo công

[1] P Christillin (1986) “Nuclear Compton scaering”

J Phys G: Nucl Phys. 12 (9): 837–851

Bibcode:1986JPhG…12 837C doi:

10.1088/0305-4616/12/9/008

Chương 9

Hiệu ứng lá chắn

Hiệu ứng lá ắn miêu tả sự suy giảm về tác động của

lực hút tĩnh điện giữahạt nhân nguyên tửvớiđiện tử

(electron) của nó, xảy ra trong một nguyên tử có từ hai

điện tử trở lên Hiệu ứng này đôi khi còn được gọi với

cái tên là lá ắn nguyên tử hay hiệu ứng e lấp

9.1 Nguyên nhân

Trong cácnguyên tử giống hiđrô(tức chỉ có một điện

tử duy nhất), điện tử duy nhất này sẽ lãnh trọn toàn bộ

sức hút tĩnh điện của hạt nhân Tuy nhiên, khi có nhiều

điện tử cùng nằm trong nguyên tử, mỗi điện tử (trong

lớpn) không chỉ chịu lực hút tĩnh điện của nhân (điện

tích dương) mà còn chịu lực đẩy tĩnh điện của các điện

tử khác (mang điện tích âm) nằm trong các lớp từ 1 tới

n Lực đẩy của các điện tử sẽ vô hiệu hóa một phần lực

hút của hạt nhân và vì thế, hợp lực tác động lên các

điện tử nằm ở lớp ngoài sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với các

điện tử ở lớp trong gần với hạt nhân; vì vật các điện tử

ở lớp ngoài không liên kết chặt chẽ với nhân bằng các

điện tử lớp trong Đó chính là lý do tại sao các điện tử

ở lớp ngoài cùng dễ dàng bứt khỏi nguyên tử trong các

phản ứng hóa học

y mô của hiệu ứng lá chắn rất khó để tính toán chính

xác - nguyên do là các ảnh hưởng củacơ học lượng tử

Chúng ta có thể xác định phỏng chừngđiện tích hạt

nhân hữu hiệucủa mỗi điện tử bằng công thức sau:

Zeff = Z − σ

Với Z là số proton trong nhân (cũng là điện tích hạt

nhân thực của nguyên tử) và σ là hằng số che lấp, tức

số điện tử trung bình nằm giữa nhân và điện tử đang

xét σ có thể được xác định nhờ hóa học lượng tử và

phương trình Schrödinger, hoặc được xác định phỏng

chừng nhờ cácquy tắc Slater

TrongPhép đo phổ tán xạ phía sau Rutherford, sự sửa

chữa do che lấp điện tử đã tinh chỉnh lực đẩy Coulomb

giữa một ion và nhân đích tại khoảng cách xa

9.2 Tham khảo

• L Brown, eodore; H Eugene LeMay, Jr., Bruce

E Bursten, Julia R Burdge (2003).Chemistry: e

ISBN 0-13-061142-5

• Dan omas, Shielding in Atoms,

• Peter Atkins & Lorea Jones, Chemical principles: the quest for insight

10.1 Chú thích

[1] Kompanheetx, A.X (1982) Giáo trình vật lý lý thuyết

(tập 2) - Các định luật thống kê Mir tr 58 |tên 2= thiếu

|họ 2= trong Authors list (trợ giúp)

17

Chương 11

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện

Heinrich Rudolf Hertz

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng

tử, trong đó cácđiện tửđược thoát ra khỏi nguyên tử

(quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường)

sau khi hấp thụnăng lượngtừ các photon trong ánh

sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích

làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi

11.1 Hiện tượng

Khi bề mặt của một tấmkim loạiđược chiếu bởibức

xạ điện từcótần sốlớn hơn một tần số ngưỡng (tần sốngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấmkim loạinày), cácđiện tửsẽ hấp thụnăng lượngtừ cácphotonvà sinh radòng điện(gọi là dòng quang điện).Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại,

ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectriceffect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của

11.3 HIỆU ỨNG QUANG DẪN 19

bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được

cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏirào

thế(gọi làcông thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng

của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số

chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần

số ngưỡng, cácđiện tửkhông bật ra khỏi bề mặt, mà

thoát ra khỏi liên kết vớinguyên tử, trở thành điện tử

tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối

vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal

photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi

về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn

gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

11.2 Các định luật quang điện và

giải thích

Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác

nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không

thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng.Albert

Einsteinlà người giải thích thành công hiệu ứng quang

điện bằng cách sử dụng mô hìnhlượng tử ánh sáng

Heinrich Hertz và Stoletov là những người nghiên cứu

chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập các định

luật quang điện

1 Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ

dòng quang điện (cường độ dòng điện tử phát xạ

do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cường độ chùm

sáng tới

2 Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của

bức xạ điện từ mà ở dưới tần số đó, hiện tượng

quang điện không xảy ra Tần số này được gọi là

tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim

loại đó

3 Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của

quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ

chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của

bức xạ

4 ời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới

và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới 10−9giây

Albert Einsteinđã sử dụnguyết lượng tửđể lý giải

hiện tượng quang điện eoliên hệ Planck–Einstein,

mỗi photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử

năng lượng có năng lượng ϵ = h.f

Ở đây, h làhằng số Planck

Năng lượng mà điện tử hấp thụ được sẽ được dùng cho

2 việc:

• oát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt

qua công thoát Φ )

• Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu

có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi f ≥ f0

f0= Φ/hchính là giới hạn quang điện của kim loại

11.3 Hiệu ứng quang dẫn

Trong nhiềuvật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài khôngxảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong(thường xảy ra với các chất bán dẫn) Khi chiếu cácbức xạ điện từ vào cácchất bán dẫn, nếu năng lượngcủaphotonđủ lớn (lớn hơnđộ rộng vùng cấmcủa chất,năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từvùnghóa trịlênvùng dẫn, do đó làm thay đổitính chất điệncủa chất bán dẫn(độ dẫn điệncủa chất bán dẫn tăng lên

do chiếu sáng) Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặpđiện tử-lỗ trốngcũng làm thay đổi cơ bản tính chấtđiện của bán dẫn Hiệu ứng này được sử dụng trong cácphotodiode,phototransitor,pin mặt trời…

11.4 Lịch sử của hiệu ứng quang

điện

• Alexandre Edmond Becquerellần đầu tiên quansát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điệncực được nhúng trong dung dịch dẫn điện đượcchiếu sáng vào năm1839 Năm1873,WilloughbySmithphát hiện rằngselen(Se) có tính quang dẫn

• Năm1887,Heinrich Hertzquan sát thấy hiệu ứngquang điện ngoài đối với các kim loại (cũng lànăm ông thực hiện thí nghiệm phát và thusóngđiện từ Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov(Александр Григорьевич Столетов,1839-1896))

đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xâydựng nên các định luật quang điện

• Một trong các công trình củaAlbert Einsteinxuấtbản trên tạp chíAnnal der Physikđã lý giải mộtcách thành công hiệu ứng quang điện cũng nhưcác định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánhsáng, theouyết lượng tửvừa được công bố vàonăm1900củaMax Planck Các công trình này đãdẫn đến sự công nhận về bản chất hạt củaánhsáng, và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tínhsóng - hạtcủa ánh sáng

20 CHƯƠNG 11 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

11.5 Ứng dụng của hiệu ứng quang

điện

• Pin mặt trời,photodiode,phototransistor…

• Cáccảm biếnghi ảnh (ví dụ nhưcảm biến CCDsử

dụng trong cáccamera), cáccảm biếnquang học,

cácĐèn nhân quang điện,…

Chương 12

Hiệu ứng Zeeman

Hiệu ứng Zeeman là sự chia tách một vạchquang phổ

thành một số thành phần khi có sự hiện diện củatừ

trường Nó tương tự vớiHiệu ứng Stark, là sự chia tách

của một vạch quang phổ thành một vài thành phần khi

có sự có mặt của mộtđiện trường Hiệu ứng Zeeman rất

quan trọng trong thực tế như việc đo đạccộng hưởng

từhạt nhân, cộng hưởngspinelectron, hình ảnh hóa

cộng hưởng từ

Người tìm ra hiệu ứng này là nhà vật lý người Hà Lan,

Pieter Zeeman

12.1 Giới thiệu

Trong hầu hết các nguyên tử, tồn tại một vài cấu hình

electroncó cùng mức năng lượng Có sự chuyển dời

giữa các cặp cấu hình khác nhau thể hiện cho một vạch

quang phổ đơn

Sự hiện diện của một từ trường sẽ làm cho một vài cấu

hình có cùng mức năng lượng trở thành khác mức năng

lượng Do đó sẽ tạo ra một vài vạch quang phổ rất gần

nhau

Các vạch quang phổ trước và sau khi cho từ trường tác dụng

Khi không có từ trường tác dụng, các cấu hình a, b và

c có cùng mức năng lượng, d, e và f cũng như vậy Sự

hiện diện của từ trường chia tách các mức năng lượng

Hiệu ứng Zeeman có nhiều ứng dụng quan trọng trong

ngành vật lý nghiên cứu vềvũ trụnhư đo khoảng cáchđếnMặt Trờivà các ngôisao

12.2 Tham khảo

21

Chương 13

Làm mát bằng laser

Làm mát bằng lasersử dụng một số kỹ thuật làm cho

mẫu nguyên tử và phân tử được làm lạnh xuống gần độ

không tuyệt đối thông qua sự tương tác với một hoặc

nhiều luồng laser

ông thường, chúng ta thường nhìn thấy laze được

sử dụng trong công nghiệp với công việc cắt các loại

kính hay kim loại Cũng chính vì lý do này mà chúng

ta có xu hướng kết hợp laze để làm nóng chảy các vật

thể rắn Tuy nhiên theoHänschvàSchawlow, hai nhà

khoa học đã đạtgiải Nobel, laze cũng có thể được sử

dụng để làm mát các đối tượng mong muốn, trong đó

có nguyên tử và các ion cụ thể

13.1 Cơ chế hoạt động

Bằng cách chiếu các chùm tia laze vào các nguyên

tử, mộtphotontrong tia laze có nhiệm vụ chạm vào

nguyên tử làm cho nó phát ra các photon có năng lượng

trung bình cao hơn so với năng lượng nó hấp thụ từ tia

laze Các photon sau đó qua các kích thích nhiệt được

chuyển thành ánh sáng màu và rời khỏinguyên tử Các

photon rời khỏi nguyên tử sẽ làm nguyên tử mất năng

lượng và nguội dần đi

Điều này cũng có thể được nhìn thấy từ quan điểm của

định luật bảo toàn động lượng, khi một nguyên tử là

di chuyển tới một chùm tia laze và một photon từ tia

laze được hấp thụ bởi các nguyên tử, động lượng của

nguyên tử giảm do số lượng xung lượng của photon

mà nó hấp thụ Chính sự chuyển động chậm lại giúp

cho các nguyên tử trở nên mát hơn

13.2 Các thông số

Do làm mát trên nguyên lý làm chậm lại các nguyên

tử hay ion nên mức năng lượng của nguyên tử hay ion

không thể xuống dưới mức:

Phương pháp này được thực hiện để quan sát hiệu ứnglượng tử duy nhất chỉ có thể xảy ra ở mức nhiệt này.Nói chung, làm mát bằng laze chỉ được sử dụng ở cấp

độ nguyên tử để làm nguội các yếu tố, nhưng quá trìnhnày đang được thực hiện trên những quy mô lớn hơn.Năm 2007, một nhóm nghiên cứuMITthành công làmlạnh bằng laze một tầm vĩ mô (1 gram) đối tượng đến 0,8

K Năm 2011, một nhóm nghiên cứu từViện Công nghệCaliforniavàĐại học Viennađã trở thành những ngườiđầu tiên thực hiện làm mát bằng laze với đối tượng cơkhí

Ngoài ra phương pháp này còn đang được ứng dụngvàomáy tính lượng tử

13.4 Thao khảo

1 Massachuses Institute of Technology (2007,April 8) Laser-cooling Brings Large Object NearAbsolute Zero ScienceDaily Truy cập ngày 14tháng 1 năm 2011, fromhttp://www.sciencedaily.com/releases/2007/04/070406171036.htm

2 Foundations of antum Meanics: From Photons to antum Computers by ReinholdBlümel

3 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/lascool.html

4 http://www.nature.com/nature/journal/v493/n7433/full/nature11721.html

5 Laser cooling to the zeropoint energy of motion

-F Diedrich, JC Bergqiust, WM Itano, DJ Wineland

- Physical Review Leers, 1989

Nguyên lý làm mát bằng laser, dùng hiệu ứng Doppler :

Mức năng lượng khi hấp thụ và nhả photon của nguyên tử

6 Laser cooling and trapping of neutral atoms - CSAdams, E Riis - Progress in antum Electronics,1997

13.5 Tham khảo

Chương 14

Mô hình Bohr

Mô hình của Rutherford–Bohr về nguyên tử hydro hay một ion

tương tự hydro, nơi điện tính âm electron được trộn lẫn trong

vật chất mang điện tích dương Nếu một điện tử bị xê dịch thì

nó sẽ bị kéo về vị trí ban đầu Điều này làm cho nguyên tử trung

hòa về điện và ở trạng thái ổn định.

Trongvật lý nguyên tử, Mô hình nguyên tử của Bohr

mô tảnguyên tửgồm một hạt nhânnhỏ, mang điện

tích dương có cácelectrondi chuyển xung quanh trên

cácquỹ đạotròn - tương tự cấu trúc củahệ Mặt Trời

nhưnglực hấp dẫnđược thay bằnglực tĩnh điện Đây là

mô hình cải tiến củamô hình Plum-pudding(1904) và

mô hình Rutherford(1911) Nhiều tài liệu còn gọi mô

hình Bohr là mô hình Rutherford-Bohr

Mô hình này được đề xuất bởi Niels Bohrnăm1913

Mô hình này đã giải thích rất thành côngcông thức

Rydbergvề cácvạch quang phổcủa nguyên tử hyđrô

14.1 Nguồn gốc

Đầu thế kỉ 20, những thí nghiệm củaErnest Rutherford

đã cho thấy rằng nguyên tử gồm có một đám mây

electron khuếch tán mang điệm tích âm bao xung

quanh một nhân nguyên tử dày đặc mang điện tích

dương Với dữ liệu của thí nghiệm này, Rutherford đã

xây dựng nên mô hìnhhành tinh nguyên tửdựa theo

mô hình các hành tinh quay chung quanhMặt Trờivào

năm1911

Năm 1913, Bo đã vận dụngthuyết lượng tử ánh sángvào hệ thốngnguyên tửvà đề ra một mẫu nguyên tửmới mang tên mình Mẫu này về cơ bản vẫn giữ môhình hành tinh nguyên tử của Rutherford nhưng bổsung thêm 2tiên đềsau:

- Tiên đề về các trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tạitrong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi

là các trạng thái dừng Khi ở trạng thái dừng thì cácnguyên từ không bức xạ Trong các trạng thái dừng củanguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhântrên các quỹ đạo dừng có bán kính hoàn toàn xác định

r = n2r0với r0= 5, 3.10 −11 m- Tiên đề về hấp thụ vàbức xạ năng lượng: Khi nguyên tử chuyển từ trạng tháidừng có năng lượng cao sang trạng thái dừng có nănglượng thấp hơn thì nó sẽ phát ra mộtphotoncó nănglượng bằng hiệu năng lượng của hai trạng thái dừng

và ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng

có năng lượng thấp muốn lên trạng thái dừng có nănglượng cao hơn phải hấp thụ một photon có năng lượngđúng bằng hiệu năng lượng của hai trạng thái dừng

14.2 Tham khảo

Chương 15

Năng lượng ion hóa

Năng lượng ion hóa của mộtnguyên tửhay mộtphân

tửlànăng lượngcần thiết để tách mộtđiện tửtừ nguyên

tử hay phân tử đó ở trạng thái cơ bản Một cách tổngquát hơn, năng lượng ion hóa thứ n là năng lượng cầnthiết để tách điện tử thứ n sau khi đã tách (n-1) điện tửđầu tiên

eo từ điển Giáo khoa Vật lý của các tác giả Vũ anhKhiết,…, Nhà xuất bản Giáo dục - năm 2007 thì nănglượng ion hoá được định nghĩa như sau:

Năng lượng ion hóa của một nguyên tử, phân tử hoặcion là năng lượng cần thiết để tách electron liên kếtyếu nhất ra khỏi một hạt ở trạng thái cơ bản sao choion dương được tạo thành cũng ở trạng thái cơ bản Đó

là năng lượng ion hoá thứ nhất Các giai đoạn ion hoátiếp theo sẽ ứng với các năng lượng ion hoá thứ hai, thứba,…

15.1 Tham khảo

25

Chương 16

Nguyên tử

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất chứa một

hạt nhân ở trung tâm bao quanh bởi đám mây điện

tích âmcácelectron.Hạt nhân nguyên tửlà dạng gắn

kết hỗn hợp giữa các proton mang điện tích dương

và cácneutrontrung hòa điện (ngoại trừ trường hợp

của nguyên tửhiđrô, với hạt nhân ổn định chỉ chứa

một proton duy nhất không có neutron) Electron của

nguyên tử liên kết với hạt nhân bởitương tác điện từ

và tuân theo các nguyên lý củacơ học lượng tử Tương

tự như vậy, nhóm các nguyên tử liên kết với nhau bởi

liên kết hóa họcdựa trên cùng một tương tác này, và

tạo nênphân tử Một nguyên tử chứa số hạt electron

bằng số hạt proton thì trung hòa về điện tích, trong

khi số electron nếu nhiều hoặc ít hơn thì nó mang điện

tích âm hoặc dương và gọi làion Nguyên tử đượcphân

loạituân theo số proton và neutron trong hạt nhân của

nó:số protonxác định lên nguyên tố hóa học, vàsố

neutronxác địnhđồng vịcủa nguyên tố đó.[1]

Tên gọi nguyên tử hóa học mà nay gọi đơn giản là

“nguyên tử" là những đối tượng rất nhỏ với đường kính

chỉ khoảng vài phần mườinano métvà có khối lượng

rất nhỏ tỷ lệ với thể tích của nguyên tử Chúng ta có

thể quan sát nguyên tử đơn lẻ bằng các thiết bị như

kính hiển vi quét chui hầm Trên 99,94% khối lượng

nguyên tử tập trung tại hạt nhân,[ct 1] với tổng khối

lượng proton xấp xỉ bằng tổng khối lượng neutron Mỗi

nguyên tố có ít nhất một đồng vị với hạt nhân không

ổn định có thể trải qua quá trình phân rã phóng xạ

á trình này dẫn đến biến đổi hạt nhân làm thay đổi

số proton hoặc neutron trong hạt nhân nguyên tử.[2]

Electron liên kết trong nguyên tử có những mứcnăng

lượng ổn định rời rạc, hay obitan, và chúng có thể

chuyển dịch giữa 2 mức năng lượng bằng hấp thụ hay

phát raphotoncó năng lượng đúng bằng hiệu giữa 2

mức năng lượng này Các electron có vai trò xác định

lên tính chất hóa học của một nguyên tố, và ảnh hưởng

mạnh tới tính chấttừ tínhcủa nguyên tử cũng như vật

liệu Những nguyên lý củacơ học lượng tửđã mô tả

thành công các tính chất quan sát thấy của nguyên

tử và là nền tảng cho lý thuyết nguyên tử vàhạt hạ

nguyên tử(hạt quark,proton,neutron…)

cơ sở vật lý cho ý tưởng này bằng cách chỉ ra có nhữngchất không thể bị bẻ gãy bởi phương pháp hóa học,

và họ lấy tên gọi từ các nhà triết học cổ đại là nguyên

tử để đặt cho các thực thể hóa học Trong giai đoạn

cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, cácnhà vật lýđã pháthiện ra những thành phần hạ nguyên tử và cấu trúcbên trong nguyên tử, và do vậy chứng minh “nguyêntử" hóa học có thể phân chia được và tên gọi này cóthể không miêu tả đúng bản chất của chúng.[5][6]Tuynhiên, nó đã trở thành một thuật ngữ khoa học hiệnđại Điều này cũng dẫn đến những tranh luận về liệunhững nhà triết học cổ đại, những người định nghĩa cácvật vô hình và không thể phân chia được có phải là chonhững nguyên tử hóa học hiện đại hay là cho nhữnghạt hạ nguyên tử vô hình nhưleptonhayquark, haythậm chí cho những hạt cơ bản hơn mà chưa phát hiện

ra.[7]

16.2 Lịch sử

16.2.1 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 nhiềuthiênniên kỷ, nhưng những khái niệm này thường là nhữnglập luậntriết họcvàtrừu tượnghơn là dựa trên nhữngquan sátthực nghiệm Bản chất của nguyên tử trongtriết học thay đổi theo thời gian giữa nhiềunền vănminhvà trường phái cổ đại, đa số có yếu tố tinh thầnsiêu hình học Tuy vậy, khái niệm cơ bản về nguyên tửđược các nhà khoa học hàng nghìn năm sau chấp nhậnbởi vì nó giải thích một cách đơn giản một số khám phámới trong lĩnh vựchóa học.[8]

Các nhà triết học cổ đại Hy Lạpvà Ấn Độ đã nhắc

16.2 LỊCH SỬ 27

Democritos (khoảng 460 - 370 TCN)

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

tưởngNyayavàVaisheshikasau 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)

donhà giả kimGeber nêu ra từ thế kỷ 13,[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 eo lý

thuyết ngày, ví dụ, người ta cho rằngthủy ngâncó 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 nhiênRobert Boylexuất bản

cuốn e Sceptical Chymist trong đó ông lập luận rằng

vật chất là tổ hợp của rất nhiều “tiểu thể" hay nguyên

tử, hơn là bởi bốnyếu tố cơ bảnlà không khí, đất, nước

và lửa.[14]Trong những năm 1670 lý thuyết về các tiểu

thể đượcIsaac Newtonáp dụng vào lý thuyết các hạtánh sáng của ông.[12][15]

16.2.2 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 hiệncho tới tận khi ngành khoa học hóa học bắt đầu pháttriển Năm 1789, thương nhân và khoa học gia ngườiPhápAntoine Lavoisierkhám phá rađịnh luật bảo toànkhối lượngvà nêu ra ý niệm vềnguyên tốlà chất cơbản không thể phân tách bằng những phương pháp hóahọc.[16]

Năm 1805, nhà triết học và giảng sư người AnhJohnDaltonsử dụng khái niệm nguyên tử nhằm giải thíchtại sao các nguyên tố luôn luôn phản ứng theo những tỉ

sốtự nhiênnhỏ (định luật Dalton) và tại sao có nhữngloại khí hòa tan vào nước tốt hơn những khí khác Ông

đề xuất rằng mỗi nguyên tố chứa những nguyên tửcùng loại, duy nhất, và những nguyên tử này kết hợpvới nhau tạo nên các hợp chất hóa học.[17][18]Các nhàlịch 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 kíchthước nguyên tử là bao nhiêu eo cảm nhận thôngthường chúng phải rất nhỏ, nhưng không ai biết nhỏbao nhiêu Do vậy vào năm 1865 nhà hóa học người ÁoJohann Josef Loschmidtđã có bước đột phá khi ông đođược kích cỡ của phân tử trong không khí.[20]

Một dòng bổ sung lý luận hỗ trợ lý thuyết hạt (và dovậy mở rộng thuyết nguyên tử) là vào đầu năm 1827 khinhà thực vật họcScotlandRobert Brownsử dụngkínhhiển viđể quan sát các hạt bụi trôi nổi trên mặt nước

và ông nhận thấy chúng di chuyển zic-zac—một hiệntượng ngày nay gọi là "chuyển động Brown" Năm 1877

J Desaulx đề xuất hiện tượng này có nguyên nhân từchuyển động nhiệt của các phân tử nước, và tới tận năm

28 CHƯƠNG 16 NGUYÊN TỬ

1905 nhà vật lý người ĐứcAlbert Einsteinmới nêu ra

phân tích toán lý đầu tiên về chuyển động này.[21][22][23]

Sau đấy, nhà vật lý người PhápJean Perrindựa 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 Mendeleevlần đầu tiên công bốbảng 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 theonguyên tử số.[26]

16.2.3 Hạt cấu thành và lý thuyết lượng tử

Nhà vật lýJ J omson, thông qua nghiên cứu trên

chùm tia ca tốtnăm 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]omson 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 bánh

pudding mận

Năm 1909,Hans GeigervàErnest Marsden, lúc đó đang

là trợ tá choErnest Rutherford, sử dụngtia alpha—lúc

đó người ta đã biết là nguyên tử điện tích dương của

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

đoán theo mô hình omson Rutherford giải thíchthínghiệm với lá vàngbằng giả sử rằng điện tích dươngcủa nguyên tử vàng và phần lớn khối lượng của nó tậptrung tại hạt nhân trung tâm của nguyên tử—hay môhình Rutherford.[28]

Khi làm thí nghiệm với cácnguyên tố phóng xạ, năm

1913 nhà hóa học phóng xạFrederick Soddyphát hiện

ra dường như có nhiều hơn một loại nguyên tử tại mỗi

vị trí trên bảng tuần hoàn.[29]Và thuật ngữđồng vịdobác sĩ Margaret Todd đưa ra nhằm gọi tên một cáchphù hợp cho những nguyên tử khác nhau của cùng mộtnguyên tố J.J omson nghĩ ra một kĩ thuật nhằm táchnguyên tử có các đồng vị khác nhau khi ông nghiên cứutrên khí ion hóa, và sau đó dẫn tới khám phá rađồng

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.

16.2 LỊCH SỬ 29

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 lượngnăng

lượngcụ thể khi chuyển dịch giữa hai trạng thái này

Khiánh sángtừ nguồn vật liệu nung nóng truyền qua

mộtlăng kính, nó bị tách ra thànhphổnhiều tia đơn

sắc Lý thuyết Bohr đã giải thích thành công sự tách ra

thành nhiềuvạch phổhiđrô tương ứng với sự chuyển

dịch electron giữa các obitan.[32]

Sau đấy trong cùng nămHenry Moseleycung cấp thêm

chứng cứ thực nghiệm ủng hộlý 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 bởiGilbert Newton Lewisnăm 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 họcIrving

Langmuirđề 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 hợplớp vỏ electron

quanh hạt nhân.[36]

í nghiệm Stern–Gerlachthực hiện năm 1922 mang

đến kết quả thực nghiệm ủng hộ cho bản chất lượng tử

của nguyên tử Khi một chùm nguyên tửbạccho phóng

qua mộttừ trườngkhông 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 vềsóng điện từcó 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 Schrödingersử

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 cảvị trí

vàđộng lượngcủa một hạt trong cùng một thời gian;

đây chính là nội dung củanguyên lý bất địnhdo nhà

vật lýWerner Heisenbergphát 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 cũnggiải thích được những kết quả thực nghiệm về hành

xử của nguyên tử mà những mô hình khác không làmđược, như là những cấu trúc xác định và dải phổ củanhững nguyên tử lớn hơn nguyên tử hiđrô Từ đó, môhình hành tinh nguyên tử miêu tả các electron quaytrên 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]

Ion source

beam focussing ion acelerator electron trap ion repeller gas inflow (from behind) ionizing filament

{m/q} = 46 {m/q} = 44

Detection

Faraday collectors

legend:

m ion mass

q ion charge

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

Cácphổ kế khối lượngphát minh ra đã cho phép đođược chính xác khối lượng của nguyên tử iết bị này

sử dụng mộtnam châm làm lệch quỹ đạo của chùmtia ion, và góc lệch đo được bằng tỉ số của khối lượngnguyên tử và điện tích của nó Nhà hóa học FrancisWilliam Aston đã sử dụng thiết bị này để chứng tỏrằng các đồng vị có khối lượng khác nhau.Khối lượngnguyên tửcủa những đồng vị cùng một nguyên tố chỉchênh nhau theo bội nguyên của một hằng số.[40] Đểgiải thích cho sự khác biệt kỳ lạ về khối lượng đồng vịphải đợi đến tận khi khám phá raneutron, hạt trunghòa điện có khối lượng hơi lớn hơn khối lượngproton,

do nhà vật lýJames Chadwickphát hiện năm 1932 Dovậy các đồng vị được giải thích như là các nguyên tố cócùng số proton và khác nhau về số neutron ở hạt nhâncủa chúng.[41]

16.2.4 Phân hạch, vật lý năng lượng cao và

vật chất ngưng tụ

Năm 1938, nhà hóa học người Đức Oo Hahn, họctrò của Rutherford, đã hướng chùm neutron vào cácnguyên tửuraninhằm mục đích tạo ra cácnguyên tốsiêu urani ay vào đó ông lại nhận được từ kết quảthí nghiệm hóa học là sản phẩmbari.[42]Một năm sau,

30 CHƯƠNG 16 NGUYÊN TỬ

Lise Meitnervà người cháu trai của Oo Hahn làOo

Frischxác nhận kết quả Hahn thu được là thực nghiệm

đầu tiên về sự phân hạch hạt nhân.[43][44] Năm 1944,

Oo Hahn nhậngiải 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 cácmáy gia tốc hạtvàmáy dò hạtđã 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 hạthadron, hay hạt

tổ hợp của những hạt nhỏ hơn gọi làquark Lý thuyết

Mô hình chuẩncủa 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]

16.3 Các thành phần

16.3.1 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

tửhiđrô−1không 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

9.11×10−31 kg, và điện tíchâm -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

1.6726×10−27 kg, mặc dù giá trị này có thể giảm đi do

bù trừ vàonăng 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 1.6929×10−27kg Các nhà vật lý đo được đường kính

của neutron và proton—vào cỡ 2.5×10−15m—mặc dù 'bề

mặt' của những hạt này không xác định rõ ràng.[50]

TrongMô 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 nhữnghạt cơ bảngọi 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 2quark 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 bởitương tác mạnh(hay

bởilực hạt nhân, mà lực này về bản chất là do tương tácmạnh 'rò rỉ' ra ngoài với phạm vi ngắn (xem bài về lựchạt nhân) Hạt gluon là thành viên của họ hạtbosongauge, là hạt trung gian trao đổi tương tác mạnh.[51][52]

Number of nucleons in nucleus

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng sốproton, hay còn gọi làsố nguyên tử Hạt nhân của mộtnguyên tố có số hạt neutron khác nhau xác định lên cácđồng vịcủa nguyên tố đó Tổng số proton và neutronxác định lênnuclit Số lượng tương đối neutron so vớiproton ảnh hưởng tới tính ổn định của hạt nhân, và ởmột số đồng vị có hiện tượngphân rã phóng xạ.[55]Các hạt proton và neutron được phân loại thành hạtfermion.Nguyên lý loại trừ Pauli, một hiệu ứngcơ họclượng tử, không cho phép có hai hạt fermion đồng nhất

ở cùng một trạng thái, ví dụ như không thể có nhiều hạtproton có cùng một trạng thái lượng tử trong cùng mộtthời gian Do vậy mỗi hạt proton trong hạt nhân phải cócác trạng thái khác nhau, với mức năng lượng của riêngchúng, và tương tự quy tắc này cho các hạt neutron.Tuy nhiên nguyên lý này không ngăn cấm một hạtproton và một neutron có cùng trạng thái lượng tử.[56]Đối với các nguyên tử có giá trịnguyên tử sốthấp, mộthạt nhân có số proton khác số neutron có xu hướng trở

về trạng thái năng lượng của hạt nhân thấp hơn thông

16.3 CÁC THÀNH PHẦN 31

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]

p

p p

n

ν

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 nhânxảy

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 lõiMặt Trờicác proton đòi hỏi năng

lượng cỡ 3–10 keV để vượt qua lực đầy giữa chúng—

để vượt quarào Coulomb—và tổng hợp lại thành hạt

nhân nặng hơn.[57] Phản ứng phân hạch hạt nhânlà

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 (nhưtia gamma,

hay động năng của các hạt sản phẩm nhưhạt beta), vàtuân theo nguyên lýsự tương đương khối lượng-nănglượngvới công thức củaAlbert EinsteinΔE = Δm c2,

với Δm là khối lượng chênh lệch và c làtốc độ ánh sáng.Năng lượng dôi ra này có nguồn gốc từnăng lượng liênkếtcủa hạt nhân tạo thành, và nó là sự mất mát nănglượng không thể khôi phục được làm cho các hạt thamgia tổng hợp đứng cạnh nhau trong một trạng thái đòihỏi năng lượng này phải tách ra.[60]

Phản ứng tổng hợp tạo ra hạt nhân lớn hơn từ các hạtnhân có nguyên tử số Z nhỏ hơn củasắt và nikel—với tổng số nucleon vào khoảng 60—thường làphảnứng sinh nhiệtgiải phóng nhiều năng lượng hơn so vớinăng lượng cần thiết để tổng hợp chúng.[61]Đây chính

là những phản ứng tổng hợp hạt nhân sinh năng lượngtrong cácsaovà giúp ngôi sao duy trì trạng thái cânbằng áp suất và lực húthấp dẫn Đối với các hạt nhânnặng hơn, năng lượng liên kết trên mộtnucleontronghạt nhân bắt đầu giảm Điều này làm cho phản ứngtổng hợp sinh ra hạt nhân với nguyên tử số Z > 26 và

số nucleon cao hơn 60, làphản ứng thu nhiệt Nhữnghạt nhân nặng này không thể tham gia phản ứng tổnghợp sinh năng lượng giúp cho quá trìnhcân bằng thủytĩnhcủa sao được ổn định.[56]

16.3.3 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 x1và x2.

Các electron trong một nguyên tử bị hút bởi các proton

ở hạt nhân bằnglực điện từ Lực này giam các electronbên trong mộtgiếng thế tĩnh điệnbao quanh hạt nhân,tức là cần phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài đểcho electron thoát ra khỏi hạt nhân Electron càng nằmgần về phía hạt nhân, lực hút càng mạnh hơn Do đóelectron liên kết gần tâm của giếng thế đòi hỏi nhiềunăng lượng hơn để thoát ra ngoài

Electron, giống như những hạt vi mô khác, có cả tínhchấtsóng và hạt Đám mây electron là một vùng bêntrong giếng thế nơi mỗi electron tạo thành một kiểu

32 CHƯƠNG 16 NGUYÊN TỬ

sóng đứng ba chiều—dạng sóng không di chuyển so với

hạt nhân Hành xử này tạo nênobitan 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 mộtphoton

với năng lượng phù hợp để đẩy điện tử lên trạng thái

năng lượng mới Tương tự như vậy, thông quaphát 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 nhândeuteri.[66]Các nguyên tử trung hòa điện nếu

chúng có số electron bằng số proton Nguyên tử thiếu

hoặc dư thừa electron gọi làion Những electron nằm

xa hạt nhân nhất có thể bị bắt sang nguyên tử bên cạnh

hoặc thuộc về cả hai nguyên tử eo cơ chế này, các

nguyên tử có thểliên kếtvới nhau thành cácphân tử

hoặc nhữnghợp chấthóa học khác như mạng lướitinh

thể ionhoặcliên kết cộng hóa trị.[67]

16.4 Tính chất

16.4.1 Tính chất hạt nhân

eo định nghĩa, bất kỳ hai nguyên tử với cùng số

proton trong hạt nhân thì thuộc về cùng mộtnguyên

tố hóa học Các nguyên tử có cùng số proton nhưng

khác số neutron là những đồng vị khác nhau của cùng

một nguyên tố Ví dụ, mọi nguyên tử hiđrô chỉ chứamột proton, nhưng có đồng vị không chứa neutron(hiđrô−1, là dạng phổ biến nhất,[68] hay còn gọi làprotium), chứa một neutron (deuteri), hai neutron(triti) và nhiều hơn hai neutron Các nguyên tố đã biếtlập thành một tập nguyên tử số, từ nguyên tố chứa

1 proton hiđrô cho đến nguyên tố chứa 118 protonununoctium.[69]Tất cả các đồng vị đã biết của nguyên

tố có nguyên tử số lớn hơn 82 là đồng vị phóng xạ.[70][71]Các nhà vật lý hạt nhân biết khoảng 339 nuclit xuấthiện trongtự nhiêntrênTrái Đất,[72]trong số đó 254(khoảng 75%) nuclit không có tính phân rã, và thườnggọi là "đồng vị bền" Tuy nhiên, chỉ 90 trong số nhữngnuclit này là ổn định đối với mọi phân rã, thậm chíngay cả trên lý thuyết Còn lại 164 (trong tổng số 254)thì người ta vẫn chưa quan sát thấy chúng phân rã, vìtrên lý thuyết chúng có mức năng lượng hạt nhân cao

Và các nhà khoa học thường phân loại chúng một cáchhình thức thuộc dạng “bền” êm khoảng 34 nuclitphóng xạ có nửa thời gian sống hơn 80 triệu năm, đủlâu để có mặt từ lúc hình thànhHệ Mặt Trời Tổng số

288 nuclit này gọi là các nuclit nguyên thủy Cuối cùng,

có thêm khoảng 51 nuclit với nửa thời gian sống ngắn

mà các nhà khoa học biết chúng tồn tại trong tự nhiên,như là sản phẩm phân rã của các nuclit nguyên thủy(nhưraditừurani), hoặc là những sản phẩm của cácquá trình năng lượng cao trong tự nhiên trên Trái Đất,như do cáctia vũ trụbắn phá (ví dụ,cacbon-14).[73][ct 2]Đối với 80 nguyên tố hóa học, mỗi nguyên tố có ít nhấtmộtđồng vị bềntồn tại Như một quy tắc, chỉ có một

số nhất định đồng vị bền cho mỗi nguyên tố, trungbình khoảng 3,2 đồng vị bền trên một nguyên tố 26nguyên tố chỉ có duy nhất một đồng vị ổn định, trongkhi nguyên tố có nhiều đồng vị bền nhất đã được xácnhận đó làthiếcvới 10 đồng vị bền Nguyên tố43,61,83

và mọi nguyên tố có nguyên tử số cao hơn đều không

và số lẻ neutron: hiđrô−2 (deuteri),liti-6,boron-10vànitơ−14 Cũng vậy, chỉ có bốn nuclit xuất hiện trong

tự nhiên với đồng thời số lẻ proton và neutron có nửathời gian sống trên một tỷ năm:kali-40,vanadium-50,

16.4 TÍNH CHẤT 33

và nhanh chóng phân rã beta, bởi vì sản phẩm phân rã

chứa số chẵn đồng thời proton và neutron, và do vậy

liên kết chặt với nhau hơn, do hiệu ứng bắt cặp hạt nhân

(theo nguyên lý loại trừ Pauli, một proton cóspinlên

sẽ có xu hướng bắt cặp với một proton có spin xuống,

và tương tự cho neutron, điều này dẫn đến xu hướng

có đồng thời số chẵn cả proton và neutron trong hạt

nhân).[74]

16.4.2 Khối lượng

Phần lớn khối lượng của nguyên tử là do đóng góp của

proton và neutron trong hạt nhân của nó Tổng những

hạt này (gọi là “nucleon”) trong một nguyên tử gọi là

số khối Số khối đơn giản chỉ là một số tự nhiên, có đơn

vị là “nucleon.” Ví dụ sử dụng số khối là “cacbon-12,” có

12 nucleon (6 proton và 6 neutron)

Khối lượng thực của nguyên tử khi nó đứng yên (khối

lượng bất biến, khối lượng nghỉ) thường được biểu diễn

bằngđơn vị khối lượng nguyên tử(u), hay đôi khi gọi

là một dalton (Da) Đơn vị này được xác định bằng

một phần mười hai khối lượng nghỉ của nguyên tử tự

do trung hòa điện cacbon-12, với khối lượng xấp xỉ

1.66×10−27kg.[75]hiđrô−1, đồng vị nhẹ nhất của hiđrô

và là nguyên tử nhẹ nhất, có khối lượng nghỉ bằng

1,007825 u.[76]Giá trị của số này gọi lànguyên tử lượng

Một nguyên tử có nguyên tử lượng xấp xỉ bằng (sai số

1%) số khối của nó nhân với đơn vị khối lượng nguyên

tử Tuy nhiên, giá trị này sẽ không bằng chính xác số

khối trừ trường hợp của cacbon-12 (xem bên dưới)[77]

Nguyên tử bền nặng nhất là chì−208,[70]có khối lượng

là 207.9766521 u.[78]

Ngay cả đối với các nguyên tử nặng nhất cũng quá nhẹ

để có thể nghiên cứu trực tiếp và đơn vị khối lượng

khá rườm rà, thay vào đó các nhà hóa học sử dụng đơn

vịMol Một mol nguyên tử của bất kỳ một nguyên tố

hóa học luôn có cùng số lượng nguyên tử (bằng khoảng

6.022×1023) Số này được chọn sao cho nếu một nguyên

tố có nguyên tử lượng là 1 u, thì 1 mol nguyên tử

nguyên tố này có khối lượng xấp xỉ 1 gram Do định

nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử, mỗi nguyên tử

cacbon-12 có nguyên tử khối chính xác bằng 12 u, do

vậy 1 mol nguyên tử cacbon-12 có khối lượng chính xác

bằng 0,012 kg.[75]

16.4.3 Hình dạng và kích thước

Nguyên tử không có bề mặt định rõ, do vậy kích thước

của nó thường được xác định hình thức bằng thuật ngữ

bán kính nguyên tử Đại lượng này đo khoảng cách mở

rộng đám mây electron tính từ hạt nhân Tuy nhiên,

cách giả sử này chỉ đúng cho nguyên tử có dạng hình

cầu, mà chỉ đúng cho nguyên tử cô lập trong chânkhông Bán kính nguyên tử có thể suy ra từ khoảngcách giữa hai hạt nhân khi hai nguyên tử kết hợp lạitheoliên kết hóa học Bán kính thay đổi phụ thuộc vịtrí của nguyên tử trên bảng tuần hoàn, loại liên kết hóahọc, số nguyên tử hay ion lân cận với nó (số tọa độ) vàtính chất cơ học lượng tử của nóspin.[79] Trên bảngtuần hoàn nguyên tố hóa học, theo tính toán lý thuyết,kích thước nguyên tử có xu hướng tăng lên khi đi theocột từ trên xuống, nhưng giảm khi đi theo hàng từ tráisang phải và dữ liệu thực nghiệm đo được khá phù hợpvới xu hướng này.[80]Hệ quả là nguyên tử có bán kínhnhỏ nhất là 32pm, trong khi nguyên tử lớn nhất làxesivới bán kính 225 pm.[81]

Khi chịu tác động của trường ngoài, nhưđiện trường

vàtừ trường, hình dạng của nguyên tử có thể bị bẻ lệchkhỏi hình cầu Sự lệch này phụ thuộc vào cường độ củatrường và kiểu obitan của lớp vỏ electron ngoài cùng,như được chỉ ra bởilý thuyết nhóm Hình cầu biến dạng

có thể xuất hiện trong cấu trúctinh thểở đây khi chịuđiện trường mẫu tinh thể có xuất hiện những đối xứngbậc thấp trong dàn tinh thể.[82]Gần đây các nhà tinhthể học chỉ ra sự biến dạng lớn thànhellipsoid xuấthiện ở ion lưu huỳnh trong tinh thểpyrit.[83]

Biểu đồ vẽ các đồng vị và kiểu phân rã thường gặp của mỗi đồng

vị theo Z proton và N neutron.

Nguyên tử có kích thước nhỏ hơn hàng nghìn lần bướcsóng ánh sáng khả kiến (400–700 nm) do vậy chúng

ta không thể quan sát nguyên tử bằng kính hiển viquang học Tuy nhiên, có thể quan sát từng nguyên