Bài giảng Điện học (Phần8) 2.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Tình huống lúc này dẫn đến khám phá không mong đợi là phầntích điện dươngcủa nguyên tử là một cục nhỏ xíu,đậm đặc, nằm ở chính giữanguyên tử chứ không phải là “bộtbánh”trongmô hình bánh bông lanrắc nho. Vào năm 1909, Rutherfordlà một giáo sư mới đượcphong, và có sinh viênlàm việc dưới sự hướngdẫn của ông. Đối vớichàng sinhviênnon nớt tên là Marsden,anhta đã chọn một dự án nghiên cứuvốn đượcxemlà chánngắt nhưng dễ thực hiện. Lúc này, mặc dùngười ta biết rằng hạt alphasẽ bị dừnglại bởi một tấm giấy, nhưng chúng có thể xuyên quamộtlá kim loại đủ mỏng. Marsdennghiêncứu với lá vàng chỉ dày 1000 nguyên tử. (Lá vàng đó có thể chế tạo bằng cách chobốc hơi một ítvàng trong buồngchân không sao cho một lớp mỏngvàng sẽ lắng trên một bản kính thủytinh hiển vi. Sau đó, lávàngđược tách khỏi bản kínhbằngcách dìm bản kính vàotrong nước). Rutherfordvừa xác định đượctrongnhững thí nghiệm trước đó của ôngvề tốc độ của hạtalpha do radiumphátra, một tốc độ vô cùng lớn: 1,5 x10 7 m/s. Những người thí nghiệm trong nhómlàmviệc của Rutherfordhình dung chúnglà những quả đại bác rấtnhỏ, rất nhanh đâmxuyên quaphần “bộtbánh” củanguyên tử vàng to lớn.Một mảnh giấy có bề dày cỡ một trăm ngàn nguyêntử hay ngần ấy sẽ đủ để làm dừng chúng hoàn toàn, nhưng việc đâm quamột lớp dày 1000 nguyêntử cũng chỉ làm chúng chậmđi chútít và làm chúng hơilệch khỏi đường đi ban đầu của mình. Nhiệm vụ được cho là chán ngắtcủa Marsden là sử dụngthiết bị trong hình g/ đo xembaolâu thì những hạt alphalại bị lệch ở những góckhác nhau. Mộtcục radiumnhỏ xíu nằm trong hộpphát rahạt alpha, và một chùmhạtmỏngđược tạo ra bằngcách chặn lại hết hạtalpha,trừ những hạt xuất hiện đi thẳng quaống. Thường thì bị lệch ở lá vàng chỉ một chút ít,nên chúngsẽ đi tới màn hình rất giống với mànhìnhcủa ống đèn hình ti vi,chúng sẽ gây ra lóe sáng khi chạm lên đó. Đây là ví dụ đầu tiên màchúng ta bắt gặpcủa mộtthí nghiệmtrong đó một chùm hạt là đối tượngbị phát hiệntại mộtthời điểm. Cóthể thực hiện được điều nàyvì mỗi hạt alpha mangquá nhiềuđộng năng, nên chúng chuyểnđộng ở khoảng chừng tốc độ như các electrontrong thí nghiệm củaThomson,nhưng chúngcó khối lượng lớn hơnchục ngàn lần. Marsden ngồitrong phòng tối, theodõi thiết bị từ giờ này sang giờ khác và ghi lại số lóe sáng trênmàn hình dichuyển sang những góc khác nhau.Tốcđộ lóe sáng là cao nhất khi ông đặt mànhình ở góc gầnvới đườngđi thẳngbanđầu của hạt alpha,nhưng nếuông dõi theomột vùngnằm ngoài bảnkính, thỉnh thoảng ông cũng nhìn thấy một hạt alphabị lệch ở một góc lớn. Saukhi nhìnthấy một vàihạt như thế này, ông đi đến một ý tưởng điên rồ là di chuyển màn hình sang nhìn nếu những góc lớnhơn nữacũngxuất hiện hạtalpha, có lẽ cả nhữnggóc lớnhơn 90độ. h/ Hạtalpha bị tán xạ bởi một hạtnhân vàng. Ở quy mô này, nguyên tử vàng có kích thước của một chiếc xe hơi, vì thế tất cả cáchạt alpha biểu diễn trong hình đều tiến gầnmột cách khác thường đến hạt nhân vàng. Đối với nhữnghạt alpha khác thườngnày,lực điện do các electrontácdụng làkhông quantrọng, vì chúng nằm xahơn hạt nhân rất nhiều. Ýtưởngđiên rồ đó cótác dụng:một vài hạtalpha bị lệch ở góclên tới 180 độ, và thí nghiệm bìnhthường trở thành thí nghiệm mangtính lịch sử. Rutherfordnói “Chúng tôi cóthể thu được một số hạt alpha dội ngượctrở lại. Nóhầu như không thể tin được,như thể bạnbắn mộtquả đạn 15 inch lên một miếng giấy và nó bay trở lại và chạm vào bạn”. Khó có lờigiải thích nào theonhư mô hìnhbánhbông lan rắc nho.Lực điện mạnhmẽ nào đã có thể làm cho một số hạt alpha,đang chuyển độngở tốcđộ cực lớn như thế, thay đổi mộtcáchquá đột ngột ?Vì mỗi nguyên tử vàng là trung hòa điện, nên nósẽ không thể tácdụng lực lớn lênmột hạt alpha nằm bên ngoài nó. Thật vậy, nếu hạtalphaở rất gần hay nằmbêntrongmột nguyêntử nhất định,thì lực đó sẽ không nhất thiết phải triệt tiêuhoàn toàn; nếu hạt alpha tiến rất gần đến một electronnhấtđịnh, thì dạng thức 1/r 2 củađịnh luật Coulombsẽ manglại lực rấtmạnh.NhưngMarsden và Rutherfordđã biết một hạt alpha nặnghơn 8000 lần mộtelectron,và thật đơn giản là không thể nào một vật có khối lượnglớn hơn bị nảy trở lại từ sự va chạm với mộtvật nhẹ hơn trong khi năng lượngvà xung lượng vẫn bảo toàn. Về nguyên tắc, có khả năng mộthạt alpha đi theo một quỹ đạorất gần mộtelectron, và rồi rất gần với mộtelectron khác, và cứ thế, với kết quả cuối cùnglà bị lệch đi một góclớn, nhưng những tính toán cẩn thận cho thấy nhiều“chạm trán gầngũi” như thế với electronsẽ quá hiếm hơn hàng triệu lần để giải thích cái thật sự quan sát thấy. Ở đây,RutherfordvàMarsdenđã làm xuất hiện một mẫu nguyên tử không được phổ biến và chú ýtới, trongđó tất cả các electronchuyển độngtròn xung quanh một lõi,hay hạt nhân,nhỏ, tíchđiệndương, giốnghệt như các hànhtinh chuyển động tròn xungquanhMặtTrời. Toànbộ điện tíchdương và hầu hếtkhối lượng của nguyên tử tập trungở hạt nhân,chứ không trải đều trongnguyên tử như trong mô hình bánh bông lanrắc nho. Hạt alphatích điện dươngsẽ bị hạt nhânvàng đẩy ra, nhưngđa số hạt alphasẽ không tiến đủ gần đến bất kìhạt nhân nào để đường đi của chúng bị lệch quá nhiều. Tuynhiên, một vài hạt thật sự tiến gần đếnmột hạt nhâncó thể bị nảy trở lại từ một sự chạm tránnhư thế, vì hạt nhâncủa nguyên tử vàng nặng gấp50 lầnhạt alpha.Thật ra khôngquá khó tìm ra công thức cho tần số lệch tươngđối qua nhữnggóckhácnhau, và tínhtoánnày phù hợp khá tốt với số liệu thí nghiệm (trongvòng15%), cóxét tới khókhăn trong việc thực hiệncác thốngkê thí nghiệm ở những góc hiếm,rất lớn. Cái lúcbắt đầu là một bài tập chánngắt để một chàngsinhviên bắttayvào nghiêncứu khoahọccuối cùnglà mộtcuộc cách mạng trongsự hiểu biết của chúng ta về tự nhiên.Thậtvậy, toàn bộ câu chuyện nghe cóvẻ giống như một truyền thuyếtluân lí về phươngpháp khoahọcvới gợi ý của thể loại HoratioAlger. Độc giả đa nghicó lẽ tự hỏi tại sao mẫuhànhtinh lại bị bỏ qua hoàn toàn cho tới khámphá của Marsden và Rutherford.Có phải khoahọc thật sự là một sự nghiệp mang tính xã hội, trongđó những ý tưởngnhất định trở nên đượcchấpnhận bởi sự áp đặt, và những cách giảithích hợp lí khác lại bị bỏ qua một cách tùy tiện ? Một số nhà khoa họcxã hội hiệnnay đanglàm xùlông của rất nhiều khoahọcvới những bài bìnhluận rất giống như thế này, nhưng trongtrường hợp này,có những lí do rất hợplí cho việcloại bỏ mẫu hành tinh.Như bạn sẽ tìm hiểu chi tiết hơn ở phần saucủa cuốn sách này, bất kì hạtmang điệnnào chịu sự gia tốc cũng làmtiêu tan năng lượngdướidạng ánh sáng.Trongmẫu hànhtinhnguyên tử,các electron quay xungquanhhạtnhântheo những quỹ đạo tròn hoặc elip,nghĩa là chúng chịu sự gia tốc, giống hệt như gia tốc màbạn cảm nhậnđược khingồi trong một chiếc xe hơi đang ngoặt cua. Chúng phải phóng thích năng lượng dưới dạng ánh sáng,và cuối cùng chúng sẽ mất hếtnăng lượngcủa mình. Các nguyên tử không tự phát suy sụpnhư thế, đó là lí do tại saomô hìnhbánhbông lan rắc nho, với cácelectron tĩnh tại củanó, banđầulại được ưa chuộng hơn.Cũng còn có những vấn đề khác nữa. Theo mẫu hành tinh,nguyêntử một electron sẽ bằng phẳng,điềuđó không phù hợp với sự thành côngcủa mô hìnhphân tử với nhữngquả cầu biểudiễncho hydrogen và các nguyên tử. Những mô hìnhphân tử này cũngtỏ ra hoạt độngtốt nhất nếu sử dụng những kích thước nhất địnhcho các nguyên tử khác nhau,nhưng khôngcó lí dorõ ràng trong mẫu hànhtinh lígiải tại sao bán kính quỹ đạo của một electronphảilà một con số cố định.Tuy nhiên, theoquanđiểm của kết quả của Marsden-Rutherford,đây trở thànhnhững câu hỏi khóhiểumới trongvật lí nguyêntử, chứ không phảilí do để hoài nghimẫu hành tinhnguyên tử. Một số hiện tượng giải thích được bằng mẫu hành tinh nguyên tử Mẫu hành tinhkhôngphải là mô hình tối hậu, hoàn hảo củanguyên tử, nhưng không nên đánhgiá thấp sức mạnhcủa nó. Nó chophép chúngta hình dung đúngđắn rất nhiều hiện tượng. Ví dụ,hãy xétsự khác biệt giữa phikim,kim loại có từ tính, vàkim loại khôngcó từ tính. Như biểu diễn tronghình j, kimloại khácvới phikim ở chỗ các electronlớp ngoài cùng của nó tự do hơn. Kim loại có thể bị từ hóa sẽ sắp chuyển độngquay củamột số electron củanó sao chotrụccủa chúngsong songnhau. Nhắc lại lực từ là lực tác dụngbởi các điệntích chuyển động;chúng ta không bàn về toán học vàhình học củalực từ, nhưngthật dễ thấy sự định hướng ngẫu nhiên của cácnguyêntử trong chấtphi từ tính sẽ dẫn đếnsự triệt tiêu các lực. Mặcdù mẫu hành tinhkhôngtrả lời ngay những câu hỏi đại loại như tại sao nguyêntố này là kim loại, còn nguyên tố kia là phikim, nhưng nhữngý tưởng này thật khó hay không thể nào quanniệm được trong mô hìnhbánhbông lan rắc nho. Câu hỏi thảo luận A. Trongthựctế, cácđiện tích cùng loại thì đẩy nhau,và cácđiện tíchkhác loại thì hút nhau.Giả sử quy luậtdiễn ra ngược lại,cho lực đẩy giữa các điện tích trái dấu và lựchút giữa nhữngđiện tích cùngdấu. Vũ trụ lúc bấy giờ sẽ ra sao ? j/ Mẫu hành tinh áp dụng cho một phi kim (1), một kim loại không bị từ hóa (2) và một kim loại bị từ hóa (3). Lưu ý là những hình này đã vẽ đơn giản hóa đi nhiều. Các electron của một nguyên tử không quay tròn xung quanh hạt nhân trong cùng một mặt phẳng. Rất hiếm có trường hợp nào một kim loại bị từ hóa mạnh đến 100% nguyên tử của nó có trục quay sắp thẳng hàng nhau như trong hình. . Bài giảng Điện học (Phần8 ) 2.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Tình huống lúc này dẫn đến khám phá không mong đợi là phầntích điện dươngcủa nguyên tử là một cục nhỏ. Trongthựctế, cácđiện tích cùng loại thì đẩy nhau,và cácđiện tíchkhác loại thì hút nhau.Giả sử quy luậtdiễn ra ngược lại,cho lực đẩy giữa các điện tích trái dấu và lựchút giữa nhữngđiện tích cùngdấu chotrụccủa chúngsong songnhau. Nhắc lại lực từ là lực tác dụngbởi các điệntích chuyển động;chúng ta không bàn về toán học vàhình học củalực từ, nhưngthật dễ thấy sự định hướng ngẫu nhiên của cácnguyêntử