Tiểu luận cấu trúc nguyên tử sơn lớp quang k28 đồng tháp

MỞ ĐẦULÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong hóa học và vật lý học, thuyết nguyên tử là một lý thuyết khoa học về bản chất của vật chất, cho rằng vật chất bao gồm các đơn vị rời rạc được gọi là các ngu

- -TIỂU LUẬN Học phần: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ PHÂN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI TRÌNH BÀY CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO QUAN ĐIỂM CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VÀ SO SÁNH

VỚI CÁC QUAN ĐIỂM KHÁC

GV HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THÀNH CÔNG

TÊN HỌC VIÊN: Nguyễn Thanh Sơn MSHV: 20844011010012

CHUYÊN NGÀNH: Quang

Ngày 28 tháng 2 năm 2021

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỞ ĐẦU …….… 4

Lý do chọn đề tài 4

NỘI DUNG 6

Chương 1 Lịch sử hình thành mô hình nguyên tử 6

Chương 2 Thí nghiệm xác định kích thước, khối lượng của nguyên tử 8

2.1 Các định luật chất khí 8

2.2 Kích thước của nguyên tử 10

2.3 Khối lượng của nguyên tử 12

2.4 Sự tồn tại các điện tử trong nguyên tử - điện tích nguyên tố………… 13

Chương 3 Lịch sử mô hình mẫu nguyên tử ……… ……… 13

3.1 Mô hình nguyên tử Thomson và Rutherford …13

3.2 Mô hình nguyên tử của Bohr 17

3.3 Mô hình nguyên tử theo quan điểm cơ học lượng tử……… 25

3.4.1 Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô………25

3.4.2 Phương trình Schrodinger……….26

3.4.3 Hệ thức bất định Hesenberg……….28

3.4.4 Cấu trúc nguyên tử theo quan điểm cơ học lượng tử……… 29

3.4.5 Các hạt Quaurk……….30

4 So sánh sự giống nhau, khác nhau, ưu điểm của cấu trúc nguyên tử theo quan điểm của cơ học lượng tử và một số quan điểm khác……….30

Chương 5: Bài tập áp dụng … 39

5.1 Bài tập mẫu Bo 39

5.2 Giải phương trình Schrodinger để giải thích sự phân bố electron … ….41

5.3.Tìm xác suất xuất hiện của electron quanh hạt nhân là lớn nhất……… 43

5.4.Tính bước sóng phát ra của hạt vi mô ……… ……….45

5.5.Thiết lập phương trình sóng vi hạt……… 45

KẾT LUẬN……….49

TÀI LIỆU THAM KHẢO………50

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong hóa học và vật lý học, thuyết nguyên tử là một lý thuyết khoa học

về bản chất của vật chất, cho rằng vật chất bao gồm các đơn vị rời rạc được gọi

là các nguyên tử Nó bắt đầu như là một khái niệm triết học trong Hy Lạp cổđại và đi vào xu thế chủ đạo trong những năm đầu thế kỷ 19 khi những khámphá trong lĩnh vực hóa học cho thấy rằng vật chất thực sự hoạt động như thể nóđược tạo thành từ các nguyên tử

Các nguyên tử từ xuất phát từ tính từ atomos trong tiếng Hy Lạp cổ đại,

có nghĩa là "không thể chia cắt được" Các nhà hóa học thế kỷ 19 bắt đầu sửdụng thuật ngữ này liên hệ với số lượng ngày càng tăng của các yếu tố hóa họckhông thể rút gọn Vào khoảng đầu thế kỷ 20, thông qua các thí nghiệm khácnhau với điện từ, phóng xạ, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng cái gọi là

"nguyên tử không thể chia cắt được" thực sự là một tập đoàn các hạt dướinguyên tử khác nhau (chủ yếu là electron, proton và neutron) có thể tồn tại độclập với nhau Trong thực tế, trong môi trường khắc nghiệt nhất định, chẳng hạnnhư ở các ngôi sao neutron, nhiệt độ và áp suất cực cao ngăn cản không chocác nguyên tử tồn tại Kể từ khi các nguyên tử được tìm thấy có thể phân chiađược, các nhà vật lý sau này phát minh ra thuật ngữ "hạt cơ bản" để thay chocụm từ "không thể chia cắt được", mặc dù không thể phá hủy, các bộ phận củamột nguyên tử Các lĩnh vực khoa học mà nghiên cứu các hạt dưới nguyên tử

là Vật Lý hạt nhân, và chính trong lĩnh vực này mà các nhà vật lý hy vọng sẽkhám phá ra bản chất cơ bản thực sự của vấn đề

Ý tưởng cho rằng vật chất được tạo thành từ các đơn vị rời rạc là mộttrong những lý thuyết rất cũ, xuất hiện trong nhiều nền văn hóa cổ đại như HyLạp và Ấn Độ Tuy nhiên, những ý tưởng này đã được thiết lập trong lý luậncủa triết học và thần học hơn là nghiên cứu và thử nghiệm Bởi vì điều này, họkhông thể thuyết phục được tất cả mọi người, vì vậy nguyên tử luận chỉ là mộttrong một số các lý thuyết cạnh tranh về bản chất của vấn đề Mãi cho đến thế

kỷ 19, các ý tưởng đã được chấp nhận và tinh chế bởi các nhà khoa học, làngành khoa học nở hóa học sản xuất những khám phá rằng có thể dễ dàng đượcgiải thích bằng cách sử dụng các khái niệm về nguyên tử

Ngày nay, các ngành học liên quan đến vật lý nguyên tử, kỹ thuật hạtnhân đang có sự thu hút đối với giới trẻ, đồng thời trong chương trình dạy họclớp 12 bậc Trung học phổ thông có chủ đề về vật lý hạt nhân và phóng xạ.Chương trình giáo dục phổ thông mới đòi hỏi bên cạnh việc giúp học sinh cóthể nhận biết, hiểu một cách đầy đủ và vận dụng được các kiến thức của chủ đềđược học vào đời sống thực tiễn, giúp học sinh nhận thấy tầm quan trọng trongviệc “học đi đôi với hành” thì còn phải có tác dụng định hướng nghề nghiệp

đối với học sinh Vì vậy là một giáo viên, tôi chọn đề tài “T rình bày cấu trúc nguyên tử theo quan điểm cơ học lượng tử và so sánh với các quan điểm khác” nhằm làm rõ các vấn đề như: lịch sử hình thành mô hình nguyên tử, thínghiệm xác định kích thước, khối lượng và cấu trúc nguyên tử, các mẫunguyên tử: Thomson, Rơ-dơ-pho, Bohr…, cấu trúc nguyên tử theo quan điểm

cơ học lượng tử và so sánh với các quan điểm khác để vừa có thể giúp các giáoviên làm tài liệu tham khảo trong quá trình dạy học bộ môn Vật lý Trung họcphổ thông, vừa giúp làm rõ thêm các vấn đề về vật lý nguyên tử, giúp học sinhthích thú trong học tập, khơi dậy tinh thần đam mê khoa học và định hướngnghề nghiệp vào các ngành có liên quan đến vật lý nguyên tử và hạt nhân

NỘI DUNGChương 1 Lịch sử hình thành mô hình nguyên tử

Thế kỉ thứ VI trước công nguyên, xã hội Hy Lạp đã đạt được đến mộtmức độ phồn vinh, tạo điều kiện cho khoa học ra đời và phát triển Từ năm 600trước công nguyên, Hy Lạp đã trở thành quê hương khoa học của nhân loại với

sự xuất hiện các trường phái khoa học đầu tiên của Hy Lạp:

- Trường phái thứ nhất: do Thales sáng lập cho rằng mọi thứ xung quanh

ta luôn biến đổi và đều xuất phát từ một vật chất ban đầu và phát triển lên từ

đó Ông cho rằng vật chất ban đầu đó là nước

- Trường phái thứ hai: do Pythagore sáng lậ p chống lại luận thuyết vềvật chất ban đầu duy nhất của Thales Ông cho rằng Trái Đất là hình cầu vàchuyển động trong một hệ gọi là hỏa tâm Trên từng mặt cầu có gắn Trái Đất,Mặt Trời, Mặt Trăng, 5 hành tinh, các ngôi sao bất động thì gắn ở mặt cầungoài cùng

- Trường phái thứ ba: trường phái Elee do Zenon cho rằng thế giới làđồng chất và tĩnh tại, còn sự đa dạng và biến đổi xung quanh chỉ là ảo giác

Như vậy, tư tưởng duy vật của phái Thales về một vật chất ban đầu vàcủa phái Elee về sự tĩnh tại của thế giới đều không thỏa mãn các nhà triết học

Hi Lạp cổ đại Vì vậy, họ đi tìm lời giải thích cho cấu trúc của vũ trụ và nhữngbiến đổi trong thiên nhiên Trong đó có thuyết nguyên tử luận của Democrite:

+ Không có cái gì phát sinh ra rừ cái không có gì Không có cái gì đangtồn tại có thể bị hủy diệt Mọi sự biến đổi đều do các bộ phận hợp lại với nhauhoặc tách khỏi nhau

+ Không có cái gì ngẫu nhiên xảy ra, cái gì xảy ra cũng có nguyên nhân

và là tất yếu

+ Vật chất xét đến cùng đều do các nguyên tử tạo thành, ngoài cùng làchân không Nói cách khác vật chất chỉ gồm các nguyên tử và chân không màthôi

+ Các nguyên tử chuyển động không ngừng trong chân không tạo ramọi hiện tượng trong thế giới

+ Các nguyên tử đều được cấu tạo từ cùng một chất cơ sở, chúng khácnhau chỉ là về kích thước và hình dạng Chún g tồn tại vĩnh viễn mà khôngthể thay đổi, phá hủy được, không thể nhìn thấy và cũng không thể sờ móđược

Như vậy, theo nội dung thuyết nguyên tử luận thì vật chất và vận động là

cơ sở của sự tồn tại Chính vì nội dung tiến bộ của nguyên tử luận nên nó bịchủ nghĩa duy tâm chống đối khốc liệt Nhà triết học Aristotle đã hoàn toànphủ nhận nguyên tử luận vì theo ông chân không là một cái gì không thể chấp

nhận được, điều này đã làm chậm sự phát triển về quan niệm của nguyên tửtrong nhiều thế kỉ

Mặc dù vậy, với nội dung tiến bộ của nó, nguyên tử luận cổ Hy Lạp đãtrở thành cơ sở của khoa học hiện đại

Ở thời kì Hi Lạp hóa, nguyên tử luận của Democrite sau một thời kì bịlãng quên được phát triển và bổ sung thêm bởi Epicure và Lucrece Hai ông đãvạch ra mô hình chuyển động của các nguyên tử bằng cách so sánh chuyểnđộng của các hạt bụi trong một tia nắng rọi vào căn phòng tối Các ông còn chorằng nguyên tử có trọng lượng, có mật độ và có khả năng lệch khỏi chuyểnđộng thẳng

Vào thế kỉ 17, một số nhà hóa học bắt đầu nghĩ tới những phản ứng mà

họ nhìn thấy dưới dạng những phần tử nhỏ nhất và sử dụng từ nguyên tử trởlại Tiêu biểu là nhà hóa học nhà hóa học Antoine Lavoisier (cuối thế kỉ thứ18) với các thí nghiệm đã cân rất kĩ tất cả các hóa chất và cho rằng những chấtkhác nhau phản ứng cho đến khi chúng ở trạng thái đơn giản nhất của chúng

Sau đó, Dalton cho rằng mỗi nguyên tố hóa học bao gồm các nguyên tửloại đơn nhất và duy nhất, và mặc dù chúng không thể bị thay đổi hoặc phá hủybằng các phương tiện hóa học, chúng có thể kết hợp để tạo thành các cấu trúcphức tạp hơn (các hợp chất hóa học) Giả thuyết nguyên tử của Dalton khôngnêu cụ thể kích thước nguyên tử là bao nhiêu Theo cảm nhận thông thườngchúng phải rất nhỏ, nhưng không ai biết nhỏ bao nhiêu Dalton công bố sự giảithích của ông vào năm 1803 Tiếp theo đó là sự ra đời của thuyết nguyên tửhiện đại, các thí nghiệm đều cố gắng mô tả đặc trưng xem có bao nhiêu nguyên

tố, nguyên tử của mỗi nguyên tố trông như thế nào, có cái gì nhỏ hơn nguyên

tử nữa hay không…

Thuộc tính đầu tiên của nguyên tử là trọng lượng nguyên tử tương đối.Jons Berzelius – nhà hóa học giả sử rằng những thể tích khí bằng nhau ở điềukiện nhiệt độ và áp suất như nhau chứa số lượng nguyên tử ngang nhau Ông

đã lập danh sách những trọng lượng nguyên tử tương đối cho nhiều nguyên tố

mà ông biết và nghĩ ra kí hiệu cho các nguyên tố bằng cách sử dụng kí tự thứnhất hoặc hai kí tự đầu tiên trong tên gọi Latin

Khi các thí nghiệm hóa học tìm kiếm và mô tả đặc trưng được nhiềunguyên tố hơn, những ngành khoa học khác đã và đang thực hiện những khámphá về dòng điện và ánh sáng đã góp phần cho sự phát triển của thuyết nguyêntử

Vào năm 1897, J.J Thomson thông qua nghiên cứu trên chùm tia catốt 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 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 tácho Ernest Rutherford, sử dụng tia alpha lúc đó người ta đã biết là nguyên tửđiện tích dương của Heli bắn phá một lá vàng và nhận thấy một tỷ lệ nhỏ cáchạt 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 dươngcủa nguyên tử vàng và phần lớn khối lượng của nó tập trung tại hạt nhân trung

tâm của nguyên tử hay mô hình Rutherford

Năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr đề xuất là các electron bị giam giữ trênnhững quỹ đạo bị lượng tử hóa nhất định, và chúng có thể nhảy qua lại giữanhững quỹ đạo này, nhưng không thể rơi xoắn ốc vào trong hay ra ngoài trongnhững quỹ đạo trung gian Một electron phải hấp thụ hoặc phát ra mộtlượng năng lượng cụ thể khi chuyển dịch giữa hai trạng thái này Sau đấy trongcùng năm Henry Moseley cung cấp thêm chứng cứ thực nghiệm ủng hộ lýthuyết Niels Bohr Những kết quả thí nghiệm này cũng tinh chỉnh mô hình củaErnest Rutherford và của Antonius Van den Broek, và thí nghiệm cho thấynguyên tử chứa trong nó hạt nhân có số điện tích hạt nhân bằng với số thứ tựcủa chúng trên bảng tuần hoàn

Chương 2 Kích thước, khối lượng của nguyên tử

2.1 Các định luật chất khí

Bằng thực nghiệm người ta đã tìm ra các định luật nêu lên sự liên hệgiữa hai trong ba thông số áp suất, thể tích và nhiệt độ: Bôi-lơ-Ma-ri-ốt, Gayluy-xác…

Ngoài ra, người ta cũng phát hiện ra rằng: các định luật thực nghiệm vàcác vấn đề nêu trên có thể được giải thích và suy ra từ lý thuyết nếu thừa nhậnmột lý thuyết về cấu trúc vật chất gọi là thuyết động học phân tử

Các công trình nghiên cứu của Rudolf Clausius Julius (1822-1888),James Clark Maxwell (1831-1879), và Ludwig Boltzmann (1884-1906) Theo

đó, các ông đã phát biểu thuyết động học phân tử Thuyết động học phân tửbao gồm các luận điểm cơ bản sau:

- Tất cả các vật thể đều cấu tạo từ các phân tử và nguyên tử

- Các phân tử và nguyên tử luôn luôn chuyển động (gọi là chuyển độngnhiệt)

- Các tính chất của các vật thể vĩ mô được giải thích bằng tương tác củacác phân tử đã tạo thành chúng Chuyển động nhiệt của các phân tử được đặc

trưng bởi động năng trung bình Wd của một phân tử, còn tương tác giữa cácphân tử được giải thích bằng thế năng tương tác Wt của các phân tử.

- Phân tử khí từ 3 nguyên tử trở lên thì i = 6

Tuy nhiên, đối với các chất khí, đặc biệt khi chất khí ở các áp suất thấp, do cáckhoảng cách giữa các phân tử lớn nên ta có thể bỏ qua thế năng tương tác Wtcủa các phân tử (khí lý tưởng) Khí lí tưởng tuân theo phương trình Clapeyron– Mendenleep:

a

V

Các hằng số b4N V a a bằng 4 lần thể tích riêng của tất cả các nguyên

tử NA trong thê tích mol VM.

Đo mối quan hệ giữa p và VM ở nhiệt độ T khác nhau cho phép xác định

“thể tích b” và xác định được thể tích va của một đơn nguyên tử

Ví dụ:

1dm 3 Oxy tạo thành bao nhiêu cm 3 nước?

và 1dm 3 Nitơ tạo thành bao nhiêu dm 3 khí NH 3 ?

+ Tại sao ly nước nóng để lâu trong không khí lại bị nguội đi?

+ Tại sao săm xe đạp bơm căng để lâu ngày vẫn bị xẹp ?

Tiến hành đo các chất tham gia và các chất tạo thành sau phản ứng Khihai chất tương tác với nhau để tạo thành chất mới thì các chất tham gia phảnứng chỉ theo một tỷ lệ khối lượng nhất định Tiếp đến, các thí nghiệm về các

định luật chất khí cũng đã cho thấy bằng chứng thực nghiệm về tồn tại củanguyên tử.

2.2 Kích thước của nguyên tử

2.2.1 Kích thước của nguyên tử theo phương trình Van der Waals

Phương trình Van der Waals là phương trình trạng thái của khí thực doJohannes Diderk van der Waals đề xuất năm 1873, dựa trên hai giả thuyết:

+ Các phân tử khí có kích thước nhất định

+Các phân tử hút nhau bằng lực có bán kính tác dụng

ngắn (lực Van der Waals)

* Phương trình Van der Waals của 1 mol khí thực

được viết dưới dạng:

a và b là các hằng số xác định bằng thực nghiệm, đặc trưng cho kích thước vàlực tương tác giữa các phân tử của từng loại khí, được gọi là các hằng số Vander Waals

“b hằng số phụ thuộc vào đường kính hiệu dụng phân tử d và được xác định:

A A

A

N b d

+Xét va chạm giữa hai phân tử Vùng không gian của chuyển động tự do

bị hạn chế do va chạm của hai phân tử xác định:

+ Vì va chạm gây bởi hai phân tử, nên nếu tính trung bình cho một phân

tử thì vùng không gian này gấp 4 lần thể tích của một phân tử:

A A

b d

Ví dụ: Đối với khí đơn nguyên tử Argon (Ar); có b=0,03 m 3 /kmol Xác định đường kính nguyên tử Ar

Đối với khí đơn nguyên tử Argon (Ar); có b=0,03

m/kmol Đường kính nguyên tử Ar được xác định:

2.2.2 Kích thước nguyên tử theo phương pháp nhiễu xạ tia X

Khoảng cách giữa 2 ion kế tiếp gọi là hằng số d của

mạng Xét sự phản xạ của một chùm tia X song song đập

vào tinh thể Do bản chất của tia X là sóng điện từ nên khi

tia X gặp phải những nguyên tử nằm trên các mặt mạng,

chùm tia X sẽ bị nhiễu xạ Vậy chùm tia X đến đập vào tinh

thể sẽ cho một chùm tia phát xạ theo một phương xác định

bởi hệ thức Bragg

2dsinϴ=k.λ

Ví dụ: Đối với khí đơn nguyên tử Argon (Ar) ở ví dụ trên nếu xác định bằng pp nhiễu xạ tia X thì kết quả bán kính =1,9.10 -10 m=1,9A 0 Nhận xét kết quả xác định của hai cách

Các thực nghiệm điều tra đã cho thấy rằng vào cuối thế kỷ 19 vật chấtbao gồm các hạt tích điện Dẫn chứng: Điều tra về độ dẫn điện trong chất lỏngphân cực, trong đó chứng minh rằng các phân tử có thể phân tách thành cácđiện tích đương và điện tích âm di chuyển theo chiều ngược nhau khi ở trongmột điện trường bên ngoài

Sơ đồ thực nghiệm để

quan sát tia catot, Độ lệch của tia

catot bởi một nam châm có thể

được quan sát trên màn hình

2.3 Khối lượng của nguyên tử

Dùng cân để xác định khối lượng của một nguyên tử như H, O được bao nhiêugam?

+ Đơn vị khối lượng nguyên tử là một đơn vị đo khối lượng cho khốilượng của các nguyên tử và phân tử Nó có giá trị chính xác bằng một phầnmười hai khối lượng của các nguyên tử cacbon 12 Do đó, đơn vị khối lượngnguyên tử còn được gọi là đơn vị cacbon, kí hiệu là đvc ( hay AMU)

Nó hay được kí hiệu bằng chữ u

Trong hệ đo lường quốc tế: 1u = 1/NA gam = 1/(1000NA) kg

(Với NA là hằng số Avogadro)

1u ≈ 1,66053886.10-27 kg

Đơn vị u (1u = 1,6605.10-27 kg)+ Một trong những dụng cụ hay được sử dụng trong các thí nghiệm vàcác nghiên cứu về phân tích cấu trúc của vật chất trong phòng thí nghiệm làphổ kế khối lượng

Dùng khối phổ kế: Khối phổ kế Parabol của Thomson, Khối phổ kế tiêuđiểm kép, Khối phổ kế thời gian, Khối phổ kế tứ cực, phổ kế khối lượng để đokhối lượng nguyên tử

Đây là 1 dụng cụ để phân tích vật chất dựa trên khối lượng của các hạt

Ở đây người ta sử dụng chùm hạt mà mà người ta cần nghiên cứu, người ta sẽbắn vào 1 buồng của máy có từ trường, dưới tác dụng của từ trường, các hạttích điện sẽ chịu tác dụng của lực từ trường làm các hạt mang điện tích lệch cácgóc khác nhau Chính vì vậy ở đầu đo sẽ đo được từng vị trí một cường độ củacác hạt đập vào, ở từng góc đo được sẽ tương ứng với các khối lượng cụ thể,với các hạt có khối lượn.g khác nhau sẽ đập vào màn hình dưới các góc khácnhau và người ta đo được sự phụ thuộc này

Khi qua bộ lọc, các hạt tích điện có cùng vận tốc và cùng điện tích.Nhưng do chúng có khối lượng khác nhau nên trong từ trường đều, chúng baytheo những quỹ đạo tròn có bán kinh (R=mv/qB) khác nhau Vì vậy, người ta

có thể tách riêng ra được các hạt điện tích có khối lượng khác nhau

2.4 Sự tồn tại các điện tử trong nguyên tử- Điện tích nguyên tố

Thí nghiệm giọt dầu Millikan, thực hiện

bởi nhà vật lý người Mỹ Robert Millikan khoảng

năm 1909, được cho là một trong những thí

nghiệm đầu tiên đo được điện tích của electron là

e= 1,59 x 10-19 Coulomb Thí nghiệm này cùng

với các cống hiến của Millikan trong nghiên cứu

hiệu ứng quang điện đã mang lại một giải thưởng

Nobel vật lý cho ông vào năm 1923

Những đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý

Millikancho kết quả là:

e= 1,602 x 10-19 Coulomb

Chương 3 Lịch sử mô hình mẫu nguyên tử

3.1 Mô hình nguyên tử Thomson và Rutherford

Nhà vật lí người Anh Joseph John Thomson là giáo sư vật lí ngạchCavendish tại Đại học Cambridge từ năm 1884 Vào thập niên 1880 và 1890,nghiên cứu của ông phần lớn xoay quanh việc phát triển các mô hình toán họccho các quá trình hóa học, sự chuyển hóa năng lượng ở dạng toán học và líthuyết, và điện từ học

Tuy nhiên, vào cuối những năm 1890, ông bắt đầu tiến hành các thínghiệm sử dụng một ống tia cathode gọi là Ống Crookes Dụng cụ này gồmmột ống thủy tinh hàn kín với hai điện cực ngăn cách nhau bởi một chânkhông Khi thiết lập điện áp giữa hai điện cực, tia cathode được tạo ra (ở dạngmột vệt khí phát sáng lan rộng ra đầu kia của ống)

Qua thí nghiệm, Thomson quan sát thấy các tia này có thể bị lệch hướngbởi điện trường và từ trường Ông kết luận rằng thay vì là ánh sáng, chúngđược cấu tạo bởi những hạt tích điện âm mà ông gọi là “tiểu thể” Dựa trênviệc đo tỉ số khối-lượng-trên-điện-tích của những hạt này, ông phát hiện thấychúng nhỏ hơn 1000 lần và nhẹ hơn 1800 lần so với hydrogen

Kết quả này bác bỏ hoàn toàn quan điểm rằng nguyên tử hydrogen làđơn vị nhỏ nhất của vật chất, và Thomson tiến tới đề xuất rằng các nguyên tử là

có thể chia nhỏ được Để giải thích điện tích tổng thể của nguyên tử, gồm điệntích dương lẫn điện tích âm, Thompson đề xuất một mô hình trong đó các tiểuthể tích điện âm phân bố trong một biển đồng đều điện tích dương

Một hình mô tả cấu trúc nguyên tử của nguyên tử helium

Dựa vào mẫu nguyên tử, Thompson tính toán đối với nguyên tử hydrobức xạ năng lượng điện từ có bước sóng trong vùng có trị số cỡ  0,6 m thìkích thước của nguyên tử bằng

Những tiểu thể này sau đó được đặt tên là “electron”, dựa trên hạt líthuyết đã được tiên đoán bởi nhà vật lí George Johnstone Stoney hồi năm

1874 Và từ đây, Mẫu bánh bông lan rắc nho ra đời Tạp chí triết học của Anh, số

ra tháng 3/1904, đã mang mô hình này đến với thế giới

Ngày nay, mẫu nguyên tử Thompson được xem như một biểu tượng vềnguyên tử mang ý nghĩa lịch sử nhiều hơn là ý nghĩa vật lý vì nó quá đơn giảnkhông đủ khả năng giải thích những tính chất phức tạp của quang phổ bức xạcủa nguyên tử hydro và các nguyên tử phức tạp khác

Những hạn chế của mẫu bánh bông lan rắc nho

Thật không may, các thí nghiệm sau đó cho thấy một số hạn chế khoahọc đối với mô hình Thomson Trước tiên, đó là vấn đề chứng minh nguyên tử

có điện tích dương phân bố đều làm nền, đây được gọi là “Bài toán Thomson”

5 năm sau, mô hình bị bác bỏ bởi Hans Geiger và Ernest Marsden, họ đã tiếnhành một loạt thí nghiệm sử dụng các hạt alpha và lá vàng

Trong cái được gọi là “thí nghiệm lá vàng”, họ đã đo phổ tán xạ của cáchạt alpha bằng màn hình huỳnh quang Nếu mô hình Thomson là đúng, thì cáchạt alpha sẽ đi xuyên qua cấu trúc nguyên tử của lá vàng mà không bị cản trở.Tuy nhiên, thay vậy, họ để ý thấy trong khi đa số hạt alpha đi xuyên thẳng qua,

thì một số hạt bị tán xạ theo nhiều hướng, với một số hạt bật ngược lại hướngnguồn phát.

Geiger và Marsden kết luận rằng các hạt alpha đã vấp phải lực điện từlớn hơn nhiều so với lực cho phép bởi mô hình Thomson Vì hạt alpha chính làhạt nhân helium (chúng mang điện dương), thành ra điều này hàm ý rằng điệntích dương trong nguyên tử không phân bố đều khắp, mà tập trung trong mộtthể tích nhỏ xíu Ngoài ra, thực tế những hạt alpha không bị lệch hướng và đixuyên qua không bị cản trở có nghĩa là những không gian mang điện dươngnày được ngăn cách bởi khoảng không gian trống rỗng rất lớn

Kết quả dự đoán của thí nghiệm Geiger-Marsden (trái), và kết quả thực

‘Nguyên tử có dạng hình cầu với kích thước vào bậc A0 Tâm của mỗinguyên tử được tạo thành bởi một hạt nhân mang điện tích dương Hầu nhưtoàn bộ khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân Kích thước hạt nhân rất bé

so với kích thước nguyên tử Điện tích âm được tích trên các electron chuyểnđộng xung quanh hạt nhân Điện tích hạt nhân có giá trị bằng tổng điện tích cácelectron quanh hạt nhân đảm bảo tính trung hòa về điện tích nguyên tử’

Bên cạnh những cái đạt được thì mô hình Rutherford có những hạn chế:

 Không giải thích được nguyên nhân gây ra quang phổ vạch củanguyên tử Theo mẫu nguyên tử Rutherford thì các electron quaytròn (gần tròn) xung quanh hạt nhân, như vậy nó sẽ tạo thành dòngđiện tròn(dòng điện phân tử) Trong trường hợp đó nó phải bức xạnăng lượng liên tục và quang phổ của nguyên tử phải là quang phổliên tục Thực nghiệm lại thu được quang phổ của nguyên tử làquang phổ vạch

 Nguyên tử không tồn tại bền vững Theo mẫu nguyên tử hành tinhRutherford thì electron khi quay quanh hạt nhân trong nguyên tửphải bức xạ năng lượng liên tục(sóng điện từ) như vậy năng lượngcủa nó phải giảm dần theo thời gian Vận tốc quỹ đạo của electron

sẽ giảm dần, nó sẽ bị rơi vào hạt nhân và nguyên tử sẽ bị hủytrong thời gian rất bé Như vậy nguyên tử không thể tồn tại bền

vững Điều này trái với thực tế: trong tự nhiên nguyên tử tồn tại

rất bền vững.

Trên đây là hai hạn chế cơ bản của mâu hành tinh nguyên tử Rutherford Hai hạn chế này sẽ được khắc phục bởi hai tiên đề Bohr mà ta sẽ đề cập đến ởphần sau Mặc dù còn hạn chế nhất định, nhưng mẫu hành tinh nguyên tửRutherford đã giúp ta giải thích được rất nhiều hiện tượng và tính chất vật lý.Chính vì vậy mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford được sử dụng rộng rãi, đặcbiệt là trong vật lý cổ điển như là một mô hình trực quan sáng giá nhất

3.2 Mô hình nguyên tử của Bohr

Để khắc phục hai hạn chế của mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford, giảiquyết bế tắc vật lý trong thời kỳ khó khăn, năm 1913, Bohr đã xây dựng mẫunguyên tử Hydro là nguyên tử đơn giản nhất Để xây dựng mẫu nguyên tử này,Bohr đã sử dụng kết quả của quang phổ bức xạ nguyên tử Hydro, vận dụng ýtưởng lượng tử của thuyết Plank và thuyết photon ánh sáng của Anhxtanh.Môhình này không những giải thích được sự tồn tại của các vạch quang phổ màcòn tiên đoán được bước sóng của chúng chính xác đến 0,02% mà không cầnbất kỳ một tham số hiệu chỉnh nào Nội dung của thuyết Bohr được xây dựngtrên hai định đề và một điều kiện về lượng tử hóa momen động lượng quỹ đạo:

Mô hình cấu trúc nguyên tử của Bohr bao gồm mẫu hành tinh nguyên tửcủa Rutherfor và hai tiên đề Bohr:

Mô hình mẫu hành tinh nguyên tử : Nguyên tử có dạng hình cầu với

kích thước vào bậc A0 Tâm của mỗi nguyên tử được tạo thành bởi một hạtnhân mang điện tích dương Hầu như toàn bộ khối lượng nguyên tử tập trung ởhạt nhân Kích thước hạt nhân rất bé so với kích thước nguyên tử Điện tích âmđược tích trên các electron chuyển động xung quanh hạt nhân trong các quỹđạo tròn khép kín như các hành tinh quay xung quanh mặt trời Điện tích hạtnhân có giá trị bằng tổng điện tích các electron quanh hạt nhân đảm bảo tínhtrung hòa về điện tích nguyên tử’

Tiên đề thứ nhất về các trạng thái dừng: “Nguyên tử chỉ tồn tại trong

những trạng thái có năng lượng xác định và gián đoạn, hợp thành một chuỗi các giá trị E E1 , 2 , ,E n gọi là trạng thái dừng Trong trạng thái dừng electron không bức xạ mà chỉ chuyển động trên những quỹ đạo tròn gọi là quỹ đạo lượng tử có bán kính thõa mãn điều kiện lượng tử hóa của Bohr : moomen động lượng L m vr n e   ”

Trong đó n là số nguyên dương, 34

1,055.10 2

Chúng ta cần chú ý rằng trong giả thuyết này không hề đề cập đến vấn

đề làm thế nào để tính được lượng tử năng lượng của các trạng thái dừngnhưng sau này vận dụng tiên đề Bohr lại cho phép xác định năng lượng trạngthái dừng của nguyên tử Hydro và các ion tương tự Hydro với độ chính xác caoquá mong đợi của thời kỳ đó

Điều kiện về lượng tử hóa momen động lượng quỹ đạo: Khi electronchuyển động trên quỹ đạo dừng phải thỏa mãn sao cho momen động lượng quỹđạo của nó luôn bằng một số nguyên lần của hằng số Planck chia cho 2 

Tiên đề về bức xạ và hấp thụ : nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng

lượng dưới dạng bức xạ điện từ theo cơ chế như photon ánh sáng khi nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác xác định Tần số của bức xạ điện từ mà nguyên tử phát xạ hay hấp thụ được tính theo biểu thức

Sơ đồ năng lượng được biểu thị bởi hình dưới: mỗi quỹ đạo dừng tươngứng với một mức năng lượng dừng, mỗi mức năng lượng được biểu diễn bởimột vạch nằm ngang

Như vậy electron trong nguyên tử có thể chuyển động theo các quỹ đạodừng khác nhau, sẽ tương ứng với các mức năng lượng khác nhau Các mứcnăng lượng phân bố gián đoạn không liên tục.

Cấu trúc của nguyên tử Hydro theo lý thuyết Bohr

Trong nguyên tử nói chung và nguyên tử Hydro nói riêng, lực tĩnh điện( lực Culomb) đóng vai trò làm lực hướng tâm

m v

E 

và thế năng trong trường tĩnh điện t 2

ke E

n

e

n r

km e

Công thức (3.9) là công thức xác định bán kính quỹ đạo dừng trong nguyên tửHydro Công thức này cho thấy bán kính quỹ đạo dừng không thể nhận giá trịliên tục mà chỉ có khả năng nhận giá trị gián đoạn, rời rạc Đây là một tính chất

hoàn toàn mới chỉ có thể nhận được từ lý thuyết Bohr: Tính chất lượng tử hóa

quỹ đạo.

Cũng từ (3.9) cho thấy bán kính quỹ đạo lượng tử tỉ lệ với bình phương các số

tự nhiên Khi n 1 thì bán kính nhận giá trị nhỏ nhất và được gọi là bán kínhquỹ đạo Bohr thứ nhất Giá trị của bán kính Bohr thứ nhất là:

Ta có thể tính vận tốc của eletron trên quỹ đạo bất kỳ Chẳng hạn trên qũy dạothứ nhất là:

E

  

Công thức này cho thấy năng lượng cũng bị lượng tử hóa

Vì vận tốc, bán kính quỹ đạo, năng lượng đều bị lượng tử hóa và đều phụ thuộc

số nguyên n, nên n được gọi là số lượng tử chính

Với những định đề trên, lý thuyết Bohr đã khắc phục được mặt hạn chếcủa lý thuyết Rutherford về sự tồn tại bền vững của nguyên tử và phổ bức xạcủa nguyên tử có dạng vạch gián đoạn.

Năm 1885, Banmer đã thiết lập được biểu thức mô tả các vạch trong dãyquang phổ bức xạ của nguyên tử hydro trong vùng ánh sáng nhìn thấy Dãyquang phổ này mang tên Banme, vạch có bước sóng dài nhất và rõ nhất

Dựa vào kết quả trên đây và định đề thứ hai của Bohr ta dễ dàng suy ra côngthức Banmer tổng quát như sau:

2 4

1 12

Lý thuyết Bohr đã đưa ra một quan niệm Vật lý hoàn toàn mới mẻ: Quan niệm

lượng tử hóa của nguyên tử Có thể nói đậy là một cách mạng trong tư duy

Vật lý Nó mở đầu cho môt thời đại mới của Vật lý : “Thời đại vật lý lượng

Tuy nhiên, lý thuyết Bohr còn có thiếu sót: “Bản thân lý thuyết Bohr chưa nhất quán ở chỗ: khi đưa ra quan niệm lượng tử có tính cách mạng và

đọc đáo thì Bohr vẫn sử dụng các quy luật, các định luật của cơ học, của điện học cổ điển Các quy tắc lượng tử gắn với hình mẫu cổ điển không theo một mối liên hệ logic nào cả Lý thuyết Bohr cũng không thể áp dụng để giải thích cấu trúc các nguyên tử phức tạp”.

- Bohr không cho phép dẫn giải một loạt những tính chất quan trọng củaphổ bức xạ như cường độ, độ phân cực, tính chất bội của vạch phổ Sự thất bại

rõ ràng nhất của thuyết Bohr bộc lộ khi dùng thuyết này để tính năng lượng củaHêli là hệ gồm một nhân và hai electron, kết quả không phù hợp với thựcnghiệm

- Không xác định được phổ của nguyên tử có nhiều hơn 1 electron vàhiệu ứng Zeeman là hiện tượng tách các vạch quang phổ thành những thànhphần khi đặt nguyên tử trong từ trường

Hiện nay người ta phát hiện được hiện tượng nhiễu xạ của chùm điện tử,nghĩa là phát hiện tính chất sóng của điện tử Do đó phải xét lại quan điểm chorằng điện tử như một hạt cơ học chuyển động trên những quỹ đạo xác định vàphần nào tuân theo các định luật cơ học Niutơn Bohr cũng cảm thấy sự khôngnhất quán trong lý thuyết của mình Ông cho rằng đó chỉ là một giai đoạn quá

độ để đi tìm một lý thuyết hoàn chỉnh Lý thuyết hoàn chỉnh đó trong đó chú ýđến tính chất lưỡng nguyên của các hạt vật chất

3.3.Mẫu nguyên tử có quỹ đạo electron là elip của Sommorfold

Để khắc phục những khó khăn của mẫu nguyên tử Bohr trong việc giải thíchquang phổ của kim loại kềm (sự xuất hiện những vạch kép) năm 1915,Sommorfold (1868-1951) người Đức phát triển thêm mẫu nguyên tử Bohr nhưsau: ngoài các quỹ đạo tròn, ta phải xét đến các quỹ đạo elip Ứng với một giátrị năng lượng En có thể có nhiều quỹ đạo elip khác nhau và moomen quỹ đạocũng khác nhau

Kết quả là : Năng lượng của electron vẫn được tính như trên, nhưng quy luậtlượng tử hóa mômen quỹ đạo đã khác

L= l l  ( 1).

Với l = 0,1,2,3,… gọi là lượng tử số mômên động lượng quỹ đạo.

Hạn chế của mẫu cấu tạo nguyên tử của Sommorfold cũng giống mẫu Bohr mẫu này không giải thích được sự tách vạch quang phổ phổ thành nhữngthành phần khi đặt nguyên tử trong từ trường, cũng như không xác định chínhxác được phổ của nguyên tử có nhiều hơn 1 electron

3.4 Mô hình nguyên tử theo quan điểm của cơ học lượng tử:

3.4.1 Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô:

Vào những năm cuối thế kỹ 19 đầu thế kỹ 20 có hai quan điểm đối nghịch nhau về tính chất sóng và hạt của ánh sáng, một số người cho rằng ánh sáng có tính chất sóng như Christiaan Huygens, Young, Còn số khác cho rằng ánh sáng có tính chất hạt như Isaac Newton, cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác nhau

Năm 1905, Albert Einstien đề xuất rằng ánh sáng có một số đặc trưng hạt bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về toán học rằngcác electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (năng lượng của photon  = h. ), và như thế nó có năng lượng thoát ra ngoài Ông cũng cho rằng năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng và bước sóng càng ngắn thì tạo ra electron có năng lượngcàng lớn

Năm 1905 Einstein viết phương trình cơ bản cho hiện tượng quang điện:

Einstein đã giải thích thành công hiện tượng quang điện, ông đạt giải Nô – ben năm 1921 mở ra một quan điểm mới về lưỡng tính sóng hạt của hạt vi mô.Năm 1924, De Broglie (1892 -1987 ) nhà vật lý người Pháp do chú ý đến sự phát triển kỳ lạ trong lịch sử về quan điểm bản chất của ánh sáng, từ Huyghen, Newton, Young, cho đến Einstein, từ hạt đến sóng, rồi lại từ sóng trở lại hạt cũng trong thời gian đó De Broglie cho rằng tính hai mặt sóng – hạt không phải là tính chất riêng của photon, mà là đặc trưng chung của tất cả các hạt vi

mô, mà cụ thể là của electron trong tình hình vật lý thời bấy giờ Do đó nếu sóng ánh sáng có tính chất hạt thì hạt vật chất cũng phải có tính chất sóng Vì thế khi một hạt chuyển động thì có một quá trình sóng nào đó gắn vào Sóng đó

có tần số và bước sóng xác định bởi hệ thức sau:

De Broglie cũng nêu lên rằng khi chiếu chùm electron đi qua một khe hẹp, ta

có thể quan sát được sự nhiễu xạ của nó, tức là sự thể hiện tính chất sóng của electron

De Broglie cho rằng thuộc tính sóng hạt này không chỉ có ở phooton hay

electron mà các hạt vi mô khác

Nếu một hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì bước sóng mà hạt phát ra là

2 2

Năm 1927 quan niệm về bản chất sóng của electron đã được Devixon và

Giecmo chứng minh bằng thực nghiệm Khi chiếu chùm electron qua bản tinh thể mỏng cuả kim loại, hai ông nhận thấy có hiện tượng nhiễu xạ electron giống như khi chiếu chùm tia Rơnghen qua tinh thể

Vậy electron cũng có bản chất sóng hạt như photon Tính chất hai mặt đó được thấy rõ hơn qua nguyên lý bất định Heisenberg.

3.4.2.Phương trình Schrodinger

Năm 1926 trên cơ sở hàm sóng của De Broglie, Schrodinger (1887-1961) nhà vật lý người Áo, đã thành lập được phương trình chuyển động của hạt vi mô cónăng lượng E chuyển động trong trường thế U Schrodinger đã xuất phát từ phương trình cơ bản của cơ học Newton và viết lại phương trình sóng, sau này được gọi là phương trình Schrodinger