12:07 ICT Thứ hai, 19/11/2018

Trang nhất » Nội dung » Tư liệu dạy học » Lịch sử Hóa học

Lịch sử phát triển của thuyết nguyên tử - phân tử

Thứ năm - 16/01/2014 10:40
Thế giới nguyên tử thật kỳ lạ. Thật khó khăn để xác định chính xác bức tranh của một nguyên tử bởi vì không có gì trên thế giới này thực sự có thể so sánh được với nó cả.
Lịch sử phát triển của thuyết nguyên tử - phân tử

Lịch sử phát triển của thuyết nguyên tử - phân tử

1. Thuyết nguyên tử của Dalton:     
Dựa trên định luật bảo toàn khối lượngđịnh luật tỉ lệ các chất trong các phản ứng hoá học, vào năm 1808, John Dalton (1766-1844) cho xuất bản cuốn sách “Lý thuyết Nguyên tử “ (The Atomic Theory) đưa ra lý thuyết nguyên tử của mình để giải thích các định luật trên. Lý thuyết của ông dựa trên năm giả thuyết.
           + Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử. Các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể phá huỷ được. Nguyên tử không tự sinh ra và không tự mất đi.                                                         
            + Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất.
          + Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất.
          + Giả thuyết thứ tư là trong các phản ứng hoá học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại.
Lý thuyết Nguyên tử của Dalton được thế giới khoa học chấp nhận ngay. Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này. Tuy nhiên, thuyết nguyên tử của Dalton có những thiếu sót. Chúng ta đã biết rằng các tất cả các nguyên tố được tạo nên từ các nguyên tử, nhưng các nguyên tử có thị bị phá vỡ. Nguyên tử có thể bị phân cắt trong phản ứng hạt nhân để tạo nên các loại hạt nhỏ hơn. Mặt khác các nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể có khối lượng khác nhau, tức là các đồng vị.
2. Thuyết nguyên tử hiện đại:
Năm 1911, Nhà vật lý người Anh Rutherford tìm ra hạt nhân nguyên tử và năm 1918, ông tìm ra proton.
     Năm 1924, Louis de Broglie, nhà bác học Pháp đã mở rộng quan điểm về sự thống nhất giữa sóng và hạt của ánh sáng cho các hạt vật chất khác, đưa ra khái niệm sóng vật chất và hệ thức cơ bản của sóng vật chất, đặt nền móng cho ngành cơ học mới gọi là cơ học lượng tử.
     Xuất phát từ những đặc điểm của điện tử trong nguyên tử, từ tính chất sóng của các vi hạt, từ một số những sự tương tác giữa cơ và quang học và từ mối liên hệ giữa quang hình và quang sóng, năm 1926, nhà vật lý Erwin Schrodinger đề xuất ý kiến xây dựng một ngành cơ học mới cho các vi hạt với một công cụ toán học mới. Trên cơ sở đó, và với sự sử dụng hệ thức De Broglie, Schrodinger đã tìm được phương trình cơ bản (phương trình hàm sóng Schrodinger) của ngành cơ học mới-Cơ học lượng tử.
     Năm 1927, Heisenberg đưa ra giả thuyết rằng không có phép thực nghiệm nào có thể đo được đồng thời vị trí và động lượng của hạt lượng tử. Các nhà khoa học gọi là nguyên lý bất định Heisenberg. Điều này cho thấy khi ta đo được chính xác vị trí của hạt thì khả năng không đo được động lượng tương ứng càng cao. Ngược lại, khi ta đo được chính xác động lượng thì khả năng đo được trạng thái tương ứng của hạt càng bé.
     Cơ học lượng tử được phát triển nhờ những công trình của Heisenberg, Born, Dirac,…và trở thành ngành cơ học tổng quát giải thích được những tính chất đặc thù của thế giới vi mô mà vật lý học kinh điển tỏ ra bất lực.
     Theo cơ học lượng tử, khái niệm nguyên tử xuất hiện như một đám mây electron bao quanh hạt nhân. Đám mây này chính là khả năng phân bố electron  trong nguyên tử.
     Trong giai đoạn này, bí ẩn của hạt nhân vẫn chưa được giải quyết. Hạt nhân chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử và mang điện tích dương. Các proton giải thích cho điều này. Năm 1920, Rutherford đã suy đoán rằng có một hạt không mang điện cùng với proton cấu tạo nên hạt nhân để bù khối lượng bị khuyết. Vào lúc đó, không ai chấp nhận giả thuyết này cả. Mãi đến năm 1932, khi nhà vật lý người Anh James Chadwick khám phá ra nơtron. Ông nhận thấy nơtron nặng hơn proton một tí với khối lượng gấp 1840 lần khối lượng electron và không mang điện. Proton và nơtron đi cùng với nhau, tạo nên một cái tên mới là nucleon.
     Người ta thừa nhận là có lực liên kết giữa các phần tử này nhưng lực liên kết ở đây không phải là lực hấp dẫn tĩnh điện Coulomb, vì các proton đều tích điện dương, nên chính giữa những hạt này, ngược lại, phải có lực đẩy tương hỗ. Theo Tamm và Iwanenko thì lực tác dụng giữa các nucleon sinh ra là do một quá trình liên tục biến hoá từ proton sang nơtron và ngược lại.
3. Mô hình nguyên tử:
3.1. Mô hình hành tinh nguyên tử theo Rutherford:

Năm 1909, theo sự chỉ đạo của Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden tiến hành thí nghiệm, mà sau này gọi là thí nghiệm Rutherford, tại Đại học Manchester. Họ chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng.  Kết quả thu được cho thấy hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt (1/8000 so với số hạt đi thẳng) bị lệch hướng và một số ít hạt bị bật ngược trở lại. Nếu cấu trúc nguyên tử có dạng như mô hình "mứt mận" thì sự phản hồi xảy ra rất yếu, do nguyên tử là môi trường trộn lẫn giữa điện tích âm (của điện tử) và điện tích dương (của proton), trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa nguyên tử và các hạt alpha.
Năm 1911, Rutherford giải thích kết quả thí nghiệm, với giả thiết rằng nguyên tử chứa một hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé trong lõi, với những điện tử mang điện tích âm khác chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, ở giữa là những khoảng không. Khi đó, hạt alpha khi nằm bên ngoài nguyên tử không chịu lực Coulomb, nhưng khi đến gần hạt nhân mang điện dương trong lõi thì bị đẩy do hạt nhân và hạt alpha đều tích điện dương. Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên hạt nhân cần có kích thước nhỏ để đạt lực đẩy lớn tại các khoảng cách nhỏ giữa hạt alpha và hạt nhân.
Mô hình nguyên tử của Rutherford là mô hình đầu tiên đề xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm tại tâm của nguyên tử, có thể coi là sự khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân nằm ở giữa, có thể tích nhỏ hơn thể tích nguyên tử 109 lần nhưng chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử. Ta cứ tưởng tượng nếu một nguyên tử có kích thước bằng trái đất thì hạt nhân sẽ có kích  thước bằng một trái bóng ở sân vận động. Hạt nhân có các điện tử quay xung quanh giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời. Mô hình này còn có cái tên là mẫu hành tinh nguyên tử.
Tuy nhiên, mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford không được thừa nhận rộng rãi không thể giải thích được cấu trúc quỹ đạo của electron liên quan đến các quá trình hóa học. Theo lý thuyết tĩnh điện và từ trường cho rằng các điện tích trái dấu hút nhau và electron mất dần năng lượng và di chuyển vào trong theo hình xoắn ốc trong khi đó electron vẫn tồn tại cân bằng bền, không bao giờ bị rơi vào trong hạt nhân. Hơn nữa, Rutherford không giải thích được tính chất lượng tử hay tính chất gián đoạn của năng lượng bức xạ phát ra từ nguyên tử. Điều bế tắc này  nói lên sự hạn chế của việc ứng dụng vật lý học kinh điển trong lĩnh vực nguyên tử.
Mô hình này sau đó được thay thế bằng mô hình bán cổ điển của Neils Bohr vào năm 1913 và mô hình lượng tử về nguyên tử.
3.2. Mô hình nguyên tử theo Bohr-Sommerfeld:
                                                             
          Năm 1913, nhà vật lý lý thuyết người Đan Mạch Niels Bohr (1885-1962) đưa ra  mô hình nguyên tử của Bohr. Bohr đưa ra các tiên đề sau:
¨Tiên đề 1: Trong nguyên tử, các điện tử không thể chuyển động xung quanh hạt nhân trên quỹ đạo bất kỳ mà chỉ được phép chuyển động trên quỹ đạo tròn, đồng tâm, có năng lượng và bán kính cố định. Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo của điện tử đó. Ta gọi là quỹ đạo dừng (trạng thái dừng) hay quỹ đạo lượng tử
¨Tiên đề 2: khi chuyển động theo những quỹ đạo lượng tử trên, điện tử không thu hay phát năng lượng, nghĩa là không mất năng lượng. Mỗi quỹ đạo dưng tương ứng với một mức năng lượng xác định (ta nói nămg luợng của eletron được lượng tử hóa). Điện tử nằm trên quỹ đạo có bán kính nhỏ nhất sẽ có năng lượng nhỏ nhất và đó là trạng thái năng lượng ổn định (trạng thái ổn định, hay trạng thái cơ bản) nhất của điện tử, điện tử không thể nằm ở các trạng thái nào thấp hơn trạng thái đó. Tuy vậy, điện tử có thể có năng lượng cao hơn khi nó nằm trên các quỹ đạo xa hạt nhân hơn, lúc này điện tử nằm ở trạng thái kích thích.
¨Tiên đề 3: Nguyên tử (hay điện tử) chỉ phát xạ hay hấp thụ bức xạ khi nguyên tử (hay điện tử) chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác.
Bằng mô hình này,  Bohr có thể tính được năng lượng của điện tử trong nguyên tử hydrogen và những ion giống H. Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Bohr quá đơn giản, không thể giải thích tính chất của các nguyên tử có nhiều hơn một điện tử. Mặt khác, vạch quang phổ không xuất hiện chính xác khi một từ trường mạnh tác động lên nguyên tử.
Năm 1916 nhà vật lý người Đức Arnold Sommerfeld mở rộng mô hình của Bohr và đưa ra thuyết quỹ đạo elip Sommerfeld. Theo Sommerfeld, electron không chỉ chuyển động trên một quỹ đạo xác định mà các quỹ đạo này có hình dạng khác và quỹ đạo có thể nghiêng khi có mặt từ trường. iều này đã thêm vào một số trạng thái cho phép có thể có nhiều vạch phổ khác nhau xuất hiện. Chính vì thế, mô hình nguyên tử này đã mang đến các kết quả  gần sát với các giá trị thực nghiệm.
Cùng với Sommefeld, Uhlenbock và Goudsmit cũng bổ sung thêm lý thuyết Bohr, về sự lượng tử hoá thành phần mômen động lượng trên một phương xác định, về sự lượng tử hoá spin và từ đó dẫn đến những số lượng tử phụ l, số lượng tử từ ml, số lượng tử spin ms.
Nhìn chung, ta thấy thuyết nguyên tử Bohr-Sommerfeld đã có một đóng góp khá quan trọng trong quá trình phát triển lý thuyết về cấu tạo nguyên tử nói riêng và lý thuyết về các hệ vật lý vi mô nói chung. Tuy nhiên, lý thuyết Bohr cũng chỉ xác định được tần số các vạch quang phổ chứ không tính được cường độ của chúng. Đối với các nguyên tử nhiều electron, ngay cả đối với trường hợp Heli đứng ngay sau H đều không giải quyết được. Có thể coi thuyết Bohr chỉ là giai đoạn quá độ để đi đến cơ học lượng tử.
3.3.Mô hình nguyên tử hiện đại:
                   
     Mô hình nguyên tử hiện đại là mô hình nguyên tử dựa trên cơ học lượng tử.       Quỹ đạo xác định trong mô hình Bohr được thay bằng một quỹ đạo xác suất, trên đó điện tử có thể được tìm thấy với một xác suất nhất định. Mỗi electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi bốn số lượng tử (n, l. ml, ms). Các electron tong nguyên tử được sắp xếp theo năng lượng từ thấp đến cao. Nhưng chúng phải thỏa mãn nguyên lý loại trừ Pauli và quy tắc Hund.
Mô hình nguyên tử được chấp nhận ngày nay như sau:
+ Nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tử và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh.
+ Hạt nhân bao gồm các hạt proton mang điện tích dương và các hạt nơtron không mang điện. Mỗi tử chỉ có một số proton duy nhất nhưng có thể có số nơtron khác nhau (các đồng vị). Hạt nhân của điện tử chiếm một vùng không gian rất nhỏ bé so với nguyên tử.
+ Các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định nào. Chỉ có thể tìm thấy xác suất có mặt của electron trong không gian nguyên tử. Tập hợp các vị trí xác suất này tạo thành một đám mây electron. Khu vực ở đó khả năng có mặt của electron là lớn nhất, mật độ electron dày đặc nhất gọi là obitan nguyên tử. Hình dạng đám mây do năng lượng của electron quyết định.

 

Tác giả bài viết: Sưu tầm

Tổng số điểm của bài viết là: 47 trong 10 đánh giá
Click để đánh giá bài viết

Những tin mới hơn

 

Giới thiệu

Giới thiệu về tác giả

Trang web là sản phẩm của Giảng viên Đặng Thị Thuận An- Khoa Hóa- Trường ĐHSP Huế- Đại học Huế. Chuyên ngành: Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn Hóa học...








Flikr Thuận An
Demhue

Đăng nhập thành viên

Thống kê truy cập

Đang truy cậpĐang truy cập : 13


Hôm nayHôm nay : 1260

Tháng hiện tạiTháng hiện tại : 18859

Tổng lượt truy cậpTổng lượt truy cập : 1262889

Khoa Hoa