 |
|
Con tem ở Đan Mạch kỷ niệm 50 tuổi Mẫu nguyên tử của Niels Bohr (năm 1963). Nguồn: internet. |
Tròn 100 tuổi, Mẫu nguyên tử Bohr vẫn chói sáng như là bó đuốc mở đường khám phá và khai thác thế giới tự nhiên và là dấu mốc ra đời một lĩnh vực vật lý hiện đại có sức sống mạnh mẽ đến ngày nay - Vật lý Lượng tử.
Nhận thức của con người về cấu tạo của vật chất phát triển không ngừng cùng với lịch sử tiến hóa của nhân loại. Phải chăng mọi vật đều tạo thành từ vật thể nhỏ nhất, gọi là atom, tức nguyên tử? Câu hỏi này đã đặt ra từ hàng ngàn năm nay và nhiều nhà triết học cổ đại đã nghĩ đến khái niệm “atom”, theo tiếng Hy Lạp nó là thành phần nhỏ nhất không thể phân chia được của vật chất.
Mãi đến những năm cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các phát minh về thực nghiệm đã thực sự chứng tỏ sự tồn tại của nguyên tử. Nhưng ngay sau đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, nguyên tử chưa phải là phần tử cuối cùng tạo nên mọi vật, bản thân nguyên tử có cấu trúc nội tại phức tạp nào đó. Việc đi tìm mô hình (mẫu) cấu trúc của bản thân nguyên tử bỗng trở nên sôi động trong giới vật lý.
Và chỉ trong vòng 10 năm, từ 1903 đến 1913, ba giả thuyêt về cấu trúc nội tại của nguyên tử liên tiếp ra đời. Năm 1903, Joseph John Thomson, nhà vật lý người Anh đưa ra một trong các mẫu nguyên tử đầu tiên, cho rằng vật chất trong nguyên tử mang điện tích dương và được phân bố đều theo một hình cầu có đường kính vào khoảng 1Å. Các điện tử (hay electron, ký hiệu e) mang điện âm phân bố đều và lơ lửng trong hình cầu đó, khi điện tử dao động thì phát ra bức xạ điện từ vào không gian. Mô hình về cấu trúc nguyên tử này được gọi là Mẫu nguyên tử Thomson, hay mô hình “mứt mận”.
Do giả thuyết của Thomson không phù hợp với các kết quả thí nghiệm về tán xạ hạt anpha, nên năm 1911, nhà vật lý người New Zealand, Ernest Rutherford, đưa ra ý tưởng mới bổ sung cho mẫu này. Theo Rutherford, nguyên tử tương tự Thái dương hệ, nó bao gồm một hạt nhân ở giữa và một hay nhiều điện tử quay xung quanh; giống như Mặt Trời ở tâm còn Quả đất và các hành tinh khác (sao Mộc, sao Thổ, sao Hoả…) quay xung quanh. Điểm khác nhau ở đây là trong nguyên tử hầu hết khối lượng dồn vào hạt nhân còn các điện tử có khối lượng bé hơn hàng chục vạn lần.
Ngoài ra, còn một điểm khác nhau quan trọng là Mặt trời và các hành tinh đều trung hoà điện tích, còn trong nguyên tử thì hạt nhân có điện tích dương và các điện tử có điện tích âm. Chính điểm khác biệt này dẫn đến Mẫu Rutherford vừa ra đời đã rơi vào bế tắc. Vì theo thuyết điện động lực (cổ điển), do chuyển động tròn quanh hạt nhân và do mang điện nên các điện tử giảm dần vận tốc hay mất dần năng lượng, điều đó dẫn đến quỹ đạo của chúng nhỏ dần và cuối cùng điện tử phải rơi vào hạt nhân. Nói cách khác, theo mẫu Rutherford, nguyên tử không thể tồn tại. Trong lúc, vật chất vẫn tồn tại, vũ trụ đang tồn tại hàng chục tỷ năm nay!
Trong tình thế bế tắc đó, nhà vật lý tài năng Đan mạch Niels Bohr vạch ra những hạn chế trong các mẫu Thomson và mẫu Rutherford và tìm cách cải tiến.
Niels Bohr đưa ra giả thiết táo bạo mang tính cách mạng trong vật lý, rằng trong nguyên tử các điện tử không chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo bất kỳ, cũng có nghĩa là không có thể giảm dần quỹ đạo một cách liên tục. Lý lẽ cho giả thiết này là đối với hệ vi mô như nguyên tử, quan niệm và công thức tính toán cho hệ vĩ mô trong điện động lực cổ điển không còn đúng nữa.
Trong nguyên tử, các điện tử chỉ chuyển động hay tồn tại trong những trạng thái (hay quỹ đạo) nhất định (gọi là trạng thái dừng) ứng với một năng lượng nhất định, và điện tử chỉ có thể nhảy bậc giữa các trạng thái dừng đó.
 |
|
Mô tả mẫu nguyên tử Bohr: Ở giữa là hạt nhân với điện tích Ze với 3 trạng thái dừng gián đoạn 1,2 và 3, mũi tên chỉ sự nhảy bậc của e từ trạng thái ngoài cùng xuống trạng thái thứ hai và phát ra bức xạ. |
Chẳng hạn, điện tử có thể nhảy từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái cao khi được kích thích, như khi vật thể được nung nóng. Còn các điện tử có thể tự động nhảy từ trạng thái cao xuống trạng thái thấp và nguyên tử sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ như ánh sáng. Vì năng lượng của các trạng thái quỹ đạo là gián đoạn nên phổ bức xạ ánh sáng phát ra phải gián đoạn. Các kết quả thí nghiệm (tính gián đoạn của phổ quang học chụp được) phù hợp với tiên đoán này và, do đó, đã chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết Mẫu nguyên tử Bohr.
Lý thuyết “Mẫu cấu trúc nguyên tử Bohr” ra đời thực sự là một cuộc cách mạng mới, sâu sắc về nhận thức của loài người về thế giới tự nhiên. Từ mẫu nguyên tử của mình, Niels Bohr đã xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết về hệ tuần hoàn, giải thích trọn vẹn bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học nổi tiếng và được sử dụng vô cùng rộng rãi suốt một thế kỷ qua.
Cùng với kết quả phát triển mô hình cấu trúc của nguyên tử, ý tưởng của Niels Bohr về tính gián đoạn của các mức năng lượng có tác động to lớn đến sự hình thành và phát triển của lý thuyết lượng tử với những quy luật quan trọng xảy ra trong thế giới vi mô. Và, do đó, N. Bohr cũng được xem là một trong những người đi tiên phong đặt đền móng cho sự ra đời của lý thuyết lượng tử, một lý thuyết vật lý quan trọng và có vị trí lớn lao cho đến bây giờ.
 |
|
Tác giả viếng thăm và ghi cảm tưởng ngay trên bàn làm việc của Niels Boh trong Viện Vật lý mang tên ông ở Copenhagen (Đan Mạch) và do chính ông sáng lập. Nguồn: tác giả. |
Với ý nghĩa và sự đóng góp to lớn vào lịch sử phát triển nhận thức của nhân loại, Niels Bohr đạt đến đỉnh vinh quang khoa học và nhận giải Nobel Vật lý năm 1922. Tên của ông cũng được long trọng đặt tên cho nguyên tố siêu nặng 107, nguyên tố Bohrium trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Nhân sự kiện 100 năm ngày ra đời mẫu nguyên tử Bohr, tên tuổi của các nhà khoa học mở đường khai phá thế giới vi mô như Niels Bohr, Ernest Rutherford v.v… lại được cộng đồng khoa học trên thế giới nhắc đến như những bậc tiền bối của mình, vì "Tất cả vật lý nguyên tử và hạ nguyên tử đã được xây dựng trên di sản của những con người xuất chúng này” (lời nhà vật lý Peter Butler, Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN, Thụy Sĩ).
Trần Thanh Minh
.svg){kind=icon}
