Nguyên tử là gì? Cấu tạo, ví dụ và các mô hình nguyên tử

Nguyên tử được tạo nên từ những hạt nào?

Từ ba loại hạt. Hai loại nằm trong hạt nhân, một loại chuyển động quanh hạt nhân.

Con số đáng chú ý nhất trong bảng là khối lượng electron: một proton nặng gấp khoảng 1.836 lần electron. Vì vậy trên thực tế, khối lượng nguyên tử được tính gần như chỉ từ hạt nhân — phần đóng góp của electron chưa tới một phần nghìn.

Cân bằng điện tích cũng đơn giản như vậy. Trong nguyên tử trung hòa, số proton bằng số electron, điện tích dương và âm triệt tiêu nhau, nhìn từ bên ngoài nguyên tử không mang điện. Khi nhận hoặc mất electron, cân bằng ấy bị phá vỡ và nguyên tử trở thành ion.

Hạt nhân

Hạt nhân được nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford phát hiện năm 1911. Gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử dồn vào đây, nhưng thể tích lại cực nhỏ: đường kính hạt nhân từ khoảng 1,7 femtomet (hydro) đến 15 femtomet (urani), tức nhỏ hơn nguyên tử từ mười nghìn đến một trăm nghìn lần.

Hình ảnh so sánh quen thuộc giúp dễ hình dung: phóng to nguyên tử bằng một sân vận động bóng đá thì hạt nhân chỉ như một hạt đậu đặt ở chấm giữa sân. Toàn bộ khoảng còn lại là không gian trống, chỉ có electron. Nghĩa là mọi vật rắn bạn chạm vào, xét theo thể tích, gần như hoàn toàn rỗng; tay không xuyên qua mặt bàn không phải vì bàn «đặc», mà vì các đám mây electron đẩy nhau.

Vậy tại sao hạt nhân không vỡ tung khi các proton cùng dấu đẩy nhau? Nhờ lực hạt nhân mạnh, lực này ở khoảng cách rất ngắn áp đảo hoàn toàn lực đẩy điện, nhưng tầm tác dụng chỉ kéo dài cỡ kích thước hạt nhân. Hạt nhân càng lớn thì lực đẩy càng chiếm ưu thế — đó chính là lý do các nguyên tố nặng thường kém bền và có tính phóng xạ.

Proton

Proton là hạt mang điện dương trong hạt nhân và chính là giấy tờ tùy thân của nguyên tử. Số proton là số hiệu nguyên tử (Z) và không bao giờ thay đổi: mọi nguyên tử có 6 proton đều là carbon, mọi nguyên tử có 79 proton đều là vàng. Thêm một proton là bạn đã có nguyên tố khác.

Bảng tuần hoàn được dựng lên đúng trên nguyên tắc đó, các nguyên tố xếp theo số proton tăng dần. Nhà vật lý người Anh Henry Moseley chứng minh điều này năm 1913 bằng phép đo tia X, và từ đó thứ tự chuyển từ khối lượng nguyên tử sang số hiệu nguyên tử.

Neutron

Neutron là hạt không mang điện trong hạt nhân. Rutherford tiên đoán sự tồn tại của chúng năm 1920, còn học trò của ông là James Chadwick xác nhận bằng thực nghiệm năm 1932 khi bắn hạt alpha vào berili.

Neutron không làm thay đổi nguyên tố nhưng thay đổi khối lượng và độ bền của nó. Các dạng của cùng một nguyên tố với số neutron khác nhau gọi là đồng vị. Khi tỉ lệ neutron trên proton vượt ra ngoài dải hẹp bền vững, hạt nhân trở nên kém bền và bắt đầu phân rã. Có một ngoại lệ nổi tiếng cho quy tắc «hạt nhân chứa neutron»: hydro thường, với hạt nhân chỉ gồm một proton.

Electron

Electron mang điện âm và cực kỳ nhẹ. J. J. Thomson phát hiện ra chúng năm 1897 bằng ống tia âm cực — bằng chứng đầu tiên cho thấy nguyên tử có thể bị chia nhỏ.

Cách sắp xếp của chúng không hề giống «hệ mặt trời thu nhỏ» trong sách giáo khoa cũ. Theo cơ học lượng tử, không thể biết đồng thời chính xác vị trí và động lượng của một electron; cái ta biết là xác suất tìm thấy nó trong một vùng nào đó. Những bản đồ xác suất ấy gọi là orbital, và tất cả hợp lại tạo thành đám mây electron. Cách các electron ngoài cùng sắp xếp trong đám mây này quyết định toàn bộ hóa tính của nguyên tử: nó liên kết với gì, và vật liệu sẽ dẫn điện hay cách điện.

Số hiệu nguyên tử, số khối và số neutron

Ba con số xác định trọn vẹn một nguyên tử:

• Số hiệu nguyên tử (Z) = số proton. Quyết định nguyên tố.
• Số khối (A) = proton + neutron, tức tổng số nucleon.
• Số neutron (N) = A − Z.

Cách viết là ^AX_Z, hoặc thông dụng hơn là «carbon-14». Số 14 ở đây là số khối; vì carbon có số hiệu nguyên tử 6 nên số neutron là 14 − 6 = 8.

Ví dụ có lời giải. Natri-23 có Z = 11 và A = 23, vậy N = 23 − 11 = 12. Nếu nguyên tử trung hòa thì nó cũng có 11 electron. Mất một electron để thành Na⁺, số proton vẫn là 11, electron còn 10, còn số khối không đổi chút nào — khối lượng electron quá nhỏ để ảnh hưởng.

Electron sắp xếp thế nào?

Electron không nằm tùy tiện mà lần lượt lấp đầy các mức năng lượng (lớp). Số electron tối đa của mỗi lớp tuân theo quy tắc 2n²:

• Lớp 1: 2 electron
• Lớp 2: 8 electron
• Lớp 3: 18 electron
• Lớp 4: 32 electron

Electron ở lớp ngoài cùng gọi là electron hóa trị, và gần như toàn bộ hóa học xoay quanh chúng. Nguyên tử hành xử theo hướng lấp đầy lớp ngoài cùng đến tám electron (hai với lớp thứ nhất) — đó là quy tắc bát tử.

Natri chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng nên nhường đi thì có lợi. Clo có bảy nên nhận thêm một thì có lợi. Khi gặp nhau, natri trao electron cho clo và ta có muối ăn. Các khí hiếm như neon vốn đã đủ electron ở lớp ngoài cùng nên không phản ứng với thứ gì.

Ví dụ về nguyên tử

Những ví dụ được tìm nhiều nhất, kèm đồng vị phổ biến:

Nguyên tử đơn giản nhất và nhiều nhất trong vũ trụ là hydro: một proton, một electron, không neutron. Xét theo khối lượng, vũ trụ có khoảng 74 % hydro và 24 % heli; toàn bộ các nguyên tố còn lại chia nhau chừng 2 %. Heli đứng thứ hai trong vũ trụ nhưng lại hiếm trên Trái Đất, vì nhẹ đến mức thoát khỏi khí quyển.

Cảm nhận về quy mô

Một cốc nước chứa khoảng 10²⁵ nguyên tử. Cơ thể một người trưởng thành gồm chừng 7 × 10²⁷ nguyên tử. Chấm nhỏ đầu bút chì để lại cũng có hàng tỉ nguyên tử carbon. Để làm việc với những con số như vậy, hóa học dùng đơn vị mol: 1 mol = 6,022 × 10²³ hạt, tức hằng số Avogadro.

Nguyên tử, phân tử, nguyên tố và hợp chất

Phân biệt bốn khái niệm này là giải quyết được một nửa thắc mắc của người tìm «ví dụ về nguyên tử»:

• Nguyên tử: một hạt đơn lẻ. Ví dụ: một nguyên tử oxy (O).
• Phân tử: hai nguyên tử trở lên liên kết với nhau. Ví dụ: oxy ta hít thở thực chất là O₂.
• Nguyên tố: chất tinh khiết chỉ gồm một loại nguyên tử. Ví dụ: vàng, đồng, sắt.
• Hợp chất: các nguyên tố khác nhau kết hợp theo tỉ lệ xác định. Ví dụ: nước (H₂O), muối (NaCl).

Vậy nước không phải nguyên tử; nước là phân tử gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Không khí cũng không phải nguyên tử mà là hỗn hợp phân tử nitơ và oxy.

Các loại nguyên tử: đồng vị, đồng neutron, đồng khối và ion

Khi nói «các loại nguyên tử», người ta thường muốn nói tới bốn cách phân loại sau, tất cả đều xác định bằng ba con số quen thuộc (Z, N, A):

• Đồng vị
  Cùng số proton, khác số neutron. Vẫn là một nguyên tố, hóa tính gần như y hệt, chỉ khác khối lượng. Ví dụ: carbon-12, carbon-13, carbon-14.
• Đồng neutron
  Cùng số neutron, khác số proton. Là những nguyên tố khác nhau. Ví dụ: carbon-13 và nitơ-14, cả hai đều có 7 neutron.
• Đồng khối
  Cùng số khối, khác số proton. Cũng là những nguyên tố khác nhau. Ví dụ: argon-40 và calci-40.
• Ion
  Số electron không còn bằng số proton. Nguyên tử nhường electron mang điện dương (cation, Na⁺); nguyên tử nhận electron mang điện âm (anion, Cl⁻).

Đồng vị làm việc trong đời sống nhiều hơn ta tưởng. Carbon-14 có chu kỳ bán rã 5.730 năm và là nền tảng của phương pháp định tuổi bằng carbon phóng xạ. Chẩn đoán hình ảnh y khoa dùng chất đánh dấu phóng xạ. Còn nhà máy điện hạt nhân cần urani-235, vốn chỉ chiếm 0,7 % trong urani tự nhiên — việc nâng tỉ lệ đó lên chính là làm giàu urani.

Nguyên tử kém bền và hiện tượng phóng xạ

Không phải hạt nhân nào cũng tồn tại mãi mãi. Khi tỉ lệ neutron trên proton nằm ngoài dải bền, hạt nhân rồi sẽ phát ra một hạt hoặc năng lượng và biến thành hạt nhân khác. Đó là phân rã phóng xạ, với ba dạng chính: alpha (phóng ra một hạt nhân heli), beta (một neutron biến thành proton và phát ra electron) và gamma (bức xạ năng lượng thuần túy).

Tốc độ được đo bằng chu kỳ bán rã, tức thời gian để một nửa số nguyên tử trong mẫu phân rã. Khoảng biến thiên rất lớn: 5.730 năm với carbon-14, 4,47 tỉ năm với urani-238, và một phần triệu giây với vài nguyên tố nhân tạo.

Bẻ vỡ hạt nhân nặng gọi là phân hạch, hợp nhất các hạt nhân nhẹ gọi là nhiệt hạch. Nhà máy điện hạt nhân chạy bằng phân hạch; Mặt Trời sưởi ấm hệ mặt trời bằng cách mỗi giây biến hàng trăm triệu tấn hydro thành heli. Cả hai đều lấy năng lượng từ cùng một chỗ: khối lượng sản phẩm nhỏ hơn khối lượng ban đầu một chút, và phần hụt đi hiện ra thành năng lượng theo E = mc².

Các nguyên tử liên kết với nhau ra sao?

Không có thứ gì quanh ta được tạo từ những nguyên tử đơn độc. Có ba cách liên kết cơ bản.

• Liên kết ion: electron chuyển hẳn từ nguyên tử này sang nguyên tử kia, rồi các ion trái dấu hút nhau. Ví dụ điển hình là muối ăn — vì thế nó có nhiệt độ nóng chảy cao và dẫn điện khi hòa tan.
• Liên kết cộng hóa trị: các nguyên tử dùng chung electron. Nước, khí carbonic và mọi phân tử hữu cơ đều được dựng theo cách này.
• Liên kết kim loại: các nguyên tử kim loại nhả electron hóa trị vào một «biển» chung. Chính biển electron tự do đó tạo nên tính dẫn điện, tính dẻo và ánh kim của kim loại.

Các mô hình nguyên tử: ý tưởng đã đi tới hôm nay thế nào

Nguyên tử không do một người phát hiện. Đó là chuỗi hiệu chỉnh kéo dài hai nghìn năm.

• khoảng 440 TCN · Democritus
  Lập luận rằng chia mãi thì phải dừng ở một thứ không chia được nữa và gọi nó là atomos. Đó là suy luận thuần túy, không thí nghiệm. Quan niệm bốn nguyên tố của Aristotle chiếm ưu thế nên ý tưởng này nằm im khoảng 2.000 năm.
• 1803 · John Dalton
  Thuyết nguyên tử khoa học đầu tiên, dựa trên các phép đo hóa học: mỗi nguyên tố có nguyên tử với khối lượng đặc trưng, hợp chất hình thành theo tỉ lệ cố định. Hạn chế: ông hình dung nguyên tử như một viên bi đặc, không chia được.
• 1897 · J. J. Thomson
  Phát hiện electron trong ống tia âm cực, cho thấy nguyên tử có các bộ phận. Năm 1904 ông đưa ra mô hình «bánh mận»: electron gắn trong khối bột mang điện dương. Hạn chế: không có hạt nhân.
• 1909-1911 · Ernest Rutherford
  Trong thí nghiệm lá vàng, một phần rất nhỏ hạt alpha bật ngược lại, chứng tỏ ở giữa có hạt nhân đặc mang điện dương và nguyên tử phần lớn là rỗng. Hạn chế: theo vật lý cổ điển, electron quay quanh sẽ mất năng lượng và rơi vào hạt nhân.
• 1913 · Niels Bohr
  Đề xuất electron chỉ ở những mức năng lượng xác định và hấp thụ hay phát ra năng lượng khi nhảy mức. Lần đầu tiên quang phổ vạch của hydro được giải thích. Hạn chế: không đúng với những nguyên tử phức tạp hơn hydro.
• 1926 · Erwin Schrödinger
  Phương trình sóng của ông cho ra mô hình lượng tử (đám mây electron): electron không có quỹ đạo xác định mà chỉ có phân bố xác suất. Cùng với nguyên lý bất định của Heisenberg (1927), đây là mô hình vẫn dùng đến nay.
• 1932 · James Chadwick
  Tìm ra neutron bằng thực nghiệm, giải thích được cả phần khối lượng «thừa» của hạt nhân lẫn sự tồn tại của đồng vị.
• 1964-1969 · Mô hình quark
  Murray Gell-Mann và George Zweig tiên đoán quark; các thí nghiệm tán xạ ở SLAC xác nhận có cấu trúc dạng điểm bên trong proton. Proton gồm hai quark lên và một quark xuống; neutron gồm một lên và hai xuống.

Có thể nhìn thấy nguyên tử không?

Ánh sáng khả kiến có bước sóng 400-700 nanomet, lớn gấp hàng nghìn lần một nguyên tử, nên nhìn nguyên tử bằng kính hiển vi quang học là điều bất khả về mặt vật lý. Nhưng vẫn có những con đường khác:

• 1955 — kính hiển vi ion trường của Erwin Müller cho ra những hình ảnh đầu tiên về từng nguyên tử riêng lẻ.
• 1981 — Gerd Binnig và Heinrich Rohrer chế tạo kính hiển vi quét chui hầm (STM), lập bản đồ từng nguyên tử trên bề mặt. Hai ông nhận giải Nobel Vật lý năm 1986.
• 1989 — các nhà nghiên cứu IBM dịch chuyển 35 nguyên tử xenon để viết logo công ty, chứng minh nguyên tử không chỉ quan sát được mà còn di chuyển được.

Không hình ảnh nào trong số đó là «ảnh chụp» theo nghĩa thông thường; chúng là bản đồ dòng điện hoặc lực giữa bề mặt và một mũi dò cực mảnh.

Nguyên tử đến từ đâu?

Những nguyên tử đầu tiên hình thành khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Trước đó vũ trụ quá nóng để hạt nhân giữ được electron; khi đã nguội đủ, hạt nhân bắt lấy electron và các nguyên tử trung hòa đầu tiên — gần như toàn bộ là hydro và heli — xuất hiện.

Các nguyên tố nặng hơn được chế tạo bên trong các ngôi sao, nơi hydro hợp thành heli rồi lần lượt thành carbon, oxy cho tới sắt. Phần lớn những gì nặng hơn sắt ra đời trong các vụ nổ siêu tân tinh và va chạm sao neutron rồi phát tán vào không gian. Calci trong xương, sắt trong máu và vàng trên ngón tay bạn đều đến từ những ngôi sao đã chết hàng tỉ năm trước.

Bốn hiểu lầm thường gặp

1. «Nguyên tử không thể chia.» Cái tên nói vậy nhưng không đúng: từ năm 1897 ta đã biết nguyên tử có thể bị phá vỡ. Cách nói chính xác là nó không chia được bằng phương pháp hóa học.
2. «Electron quay quanh hạt nhân như các hành tinh.» Đó là mô hình Bohr năm 1913, đã bị vượt qua từ lâu. Electron không có quỹ đạo, chỉ có xác suất hiện diện.
3. «Nguyên tử là thứ nhỏ nhất trong vũ trụ.» Proton và neutron được tạo từ quark; theo hiểu biết hiện nay, quark và electron mới là hạt cơ bản thật sự.
4. «Vật rắn thì đặc từ trong ra ngoài.» Xét theo thể tích thì gần như rỗng hoàn toàn. Độ cứng đến từ lực đẩy giữa các đám mây electron.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên tử là gì, nói ngắn gọn? Là đơn vị nhỏ nhất còn mang tính chất hóa học của một nguyên tố: một hạt nhân gồm proton và neutron, xung quanh là các electron.

Nguyên tử gồm những gì? Ba loại hạt: proton mang điện dương, neutron không mang điện và electron mang điện âm. Proton và neutron nằm trong hạt nhân, electron ở đám mây quanh hạt nhân.

Ai đã phát hiện ra nguyên tử? Democritus nêu ý tưởng vào khoảng năm 440 TCN và John Dalton biến nó thành lý thuyết khoa học năm 1803. Cấu trúc bên trong được làm sáng tỏ sau đó bởi Thomson (1897), Rutherford (1911) và Chadwick (1932).

Có những loại nguyên tử nào? Cùng số proton nhưng khác số neutron là đồng vị; cùng số neutron là đồng neutron; cùng số khối là đồng khối. Nguyên tử có số electron khác số proton được gọi là ion.

Số hiệu nguyên tử cho biết điều gì? Số proton trong hạt nhân, tức chính danh tính của nguyên tố. Trong nguyên tử trung hòa, nó cũng bằng số electron.

Tính số khối thế nào? Cộng số proton với số neutron. Ngược lại, số neutron bằng số khối trừ số hiệu nguyên tử.

Nguyên tử nào nhỏ nhất? Hydro. Hạt nhân của nó chỉ có một proton, và đồng vị phổ biến nhất không có neutron nào.

Bên trong nguyên tử có rỗng không? Xét theo thể tích thì có. Hơn 99,9 % khối lượng dồn vào hạt nhân, vốn chỉ chiếm một phần cực nhỏ thể tích nguyên tử.

Nước có phải là nguyên tử không? Không. Nước là phân tử gồm hai nguyên tử hydro liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử oxy.

Có thể thấy nguyên tử bằng kính hiển vi không? Không thấy được bằng kính hiển vi quang học vì bước sóng ánh sáng lớn gấp hàng nghìn lần. Kính hiển vi quét chui hầm thì có thể lập bản đồ vị trí các nguyên tử.

Có bao nhiêu nguyên tố? Bảng tuần hoàn xác định 118 nguyên tố; 94 nguyên tố có trong tự nhiên, số còn lại chỉ được tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Vì sao gần như toàn bộ khối lượng nằm ở hạt nhân? Vì proton và neutron nặng hơn electron khoảng 1.836 lần; tất cả electron cộng lại vẫn chưa tới một phần nghìn khối lượng nguyên tử.

Nguồn tham khảo

1. Britannica — Nguyên tử: cấu trúc, lịch sử và tính chất
2. Jefferson Lab — So sánh khối lượng các hạt hạ nguyên tử
3. Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos — Bảng tuần hoàn và cấu hình electron
4. Chemistry LibreTexts — Thuyết nguyên tử và cấu tạo nguyên tử
5. CERN — Mô hình Chuẩn và các hạt cơ bản
6. Nobel Prize — Giải Nobel Vật lý 1986: kính hiển vi quét chui hầm