MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ CỦA RUTHERFORD: LỊCH SỬ, THÍ NGHIỆM, ĐỊNH ĐỀ - VẬT LÝ - 2026

Các mô hình nguyên tử Rutherford là mô tả của các nguyên tử tạo ra bởi nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford (1871-1937) phát hiện vào năm 1911 khi các hạt nhân nguyên tử bằng các thí nghiệm tán xạ nổi tiếng mà lấy tên của họ.

Ý tưởng về nguyên tử ("không thể phân chia" trong tiếng Hy Lạp) là thành phần nhỏ nhất của vật chất, là một sáng tạo trí tuệ ra đời ở Hy Lạp cổ đại, khoảng năm 300 trước Công nguyên Giống như nhiều khái niệm Hy Lạp khác, khái niệm nguyên tử được phát triển dựa trên logic và lập luận, nhưng không phải thực nghiệm.

Mô hình nguyên tử của Rutherford

Các nhà triết học nguyên tử đáng chú ý nhất là Democritus of Abdera (460 - 360 BC), Epicurus of Samos (341 - 270 BC), và Titus Lucretius (98 - 54 BC). Người Hy Lạp quan niệm bốn loại nguyên tử khác nhau tương ứng với bốn nguyên tố mà theo họ tạo nên vật chất: không khí, nước, đất và lửa.

Sau đó, Aristotle sẽ bổ sung thêm một nguyên tố thứ năm: ête đã hình thành nên các ngôi sao, vì bốn nguyên tố khác hoàn toàn là trên đất liền.

Các cuộc chinh phục của Alexander Đại đế, mà Aristotle là thầy, đã mở rộng niềm tin của ông ra khắp thế giới cổ đại, từ Tây Ban Nha đến Ấn Độ và do đó, trong nhiều thế kỷ, ý tưởng về nguyên tử đã tạo ra vị trí riêng của mình trong thế giới khoa học.

Nguyên tử không còn phân chia được nữa

Ý tưởng của các triết gia Hy Lạp về cấu trúc của vật chất vẫn đúng trong hàng trăm năm, cho đến khi một nhà hóa học và giáo viên người Anh tên là John Dalton (1776-1844) công bố kết quả thí nghiệm của mình vào năm 1808.

Dalton đồng ý rằng các nguyên tố được tạo thành từ các hạt cực nhỏ, được gọi là nguyên tử. Nhưng ông đã đi xa hơn khi nói rằng tất cả các nguyên tử của cùng một nguyên tố đều bằng nhau, có cùng kích thước, cùng khối lượng và cùng tính chất hóa học, điều này làm cho chúng không thay đổi trong một phản ứng hóa học.

Đây là mô hình nguyên tử đầu tiên dựa trên khoa học. Giống như người Hy Lạp, Dalton vẫn coi nguyên tử là không thể phân chia, do đó thiếu cấu trúc. Tuy nhiên, thiên tài của Dalton đã khiến ông quan sát thấy một trong những nguyên lý bảo toàn tuyệt vời của Vật lý:

• Trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử không được tạo ra cũng như không bị phá hủy, chúng chỉ thay đổi sự phân bố của chúng.

Và ông đã thiết lập cách thức mà các hợp chất hóa học được hình thành bởi "các nguyên tử hợp chất" (phân tử):

• Khi hai hoặc nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp để tạo thành cùng một hợp chất, chúng luôn luôn hoạt động theo tỷ lệ khối lượng xác định và không đổi.

Thế kỷ 19 là thế kỷ vĩ đại của điện và từ. Vài năm sau khi Dalton xuất bản, kết quả của một số thí nghiệm khiến các nhà khoa học nghi ngờ về tính không thể phân chia của nguyên tử.

Ống Crookes

Ống Crookes là một thiết bị được thiết kế bởi nhà hóa học và khí tượng học người Anh William Crookes (1832-1919). Thí nghiệm mà Crookes thực hiện vào năm 1875, bao gồm việc đặt vào bên trong một ống chứa đầy khí ở áp suất thấp, hai điện cực, một được gọi là cực âm và một được gọi là cực dương.

Bằng cách thiết lập hiệu điện thế giữa hai điện cực, khí phát sáng với màu đặc trưng của khí được sử dụng. Thực tế này gợi ý rằng có một tổ chức cụ thể nào đó bên trong nguyên tử và do đó nó không thể phân chia được.

Hơn nữa, bức xạ này tạo ra huỳnh quang yếu trên thành ống thủy tinh ở phía trước catốt, cắt bỏ bóng của một vết hình chữ thập nằm bên trong ống.

Đó là một bức xạ bí ẩn được gọi là "tia âm cực", truyền theo đường thẳng tới cực dương và có năng lượng cao, có khả năng tạo ra các hiệu ứng cơ học và bị lệch về phía một tấm tích điện dương hoặc cũng có thể qua nam châm.

Sự khám phá ra electron

Bức xạ bên trong ống Crookes không thể là sóng, vì nó mang điện tích âm. Joseph John Thomson (1856 - 1940) đã đưa ra câu trả lời vào năm 1887 khi ông tìm ra mối quan hệ giữa điện tích và khối lượng của bức xạ này, và nhận thấy rằng nó luôn luôn bằng nhau: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Không phụ thuộc vào khí được bọc trong ống hoặc vật liệu dùng để chế tạo cực âm.

Thomson gọi những hạt này là tiểu thể. Bằng cách đo khối lượng của nó liên quan đến điện tích của nó, ông kết luận rằng mỗi tiểu thể nhỏ hơn rất nhiều so với một nguyên tử. Do đó, ông đề nghị rằng chúng nên là một phần của những thứ này, từ đó phát hiện ra electron.

Nhà khoa học người Anh là người đầu tiên phác thảo một mô hình đồ họa của nguyên tử, bằng cách vẽ một hình cầu với các điểm chèn vào, do hình dạng của nó, người ta đặt biệt danh là "bánh pudding mận". Nhưng khám phá này đã đặt ra những câu hỏi khác:

• Nếu vật chất là trung hòa và êlectron mang điện tích âm: thì điện tích dương trung hòa các êlectron ở đâu trong nguyên tử?
• Nếu khối lượng của electron nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử, thì phần còn lại của nguyên tử gồm những gì?
• Tại sao các hạt do đó thu được luôn luôn là electron mà không bao giờ thuộc loại khác?

Thí nghiệm tán xạ Rutherford: hạt nhân nguyên tử và proton

Đến năm 1898, Rutherford đã xác định được hai loại bức xạ từ uranium, được ông đặt tên là alpha và beta.

Hiện tượng phóng xạ tự nhiên đã được Marie Curie phát hiện vào năm 1896. Các hạt alpha mang điện tích dương và đơn giản là hạt nhân heli, nhưng vào thời điểm đó người ta vẫn chưa biết đến khái niệm hạt nhân. Rutherford sắp phát hiện ra.

Một trong những thí nghiệm mà Rutherford thực hiện năm 1911 tại Đại học Manchester, với sự hỗ trợ của Hans Geiger, bao gồm bắn phá một lá vàng mỏng bằng các hạt alpha, mang điện tích dương. Xung quanh lá vàng, ông đặt một màn hình huỳnh quang cho phép họ hình dung tác động của cuộc bắn phá.

Quan sát

Nghiên cứu các tác động lên màn hình huỳnh quang, Rutherford và các trợ lý của ông đã quan sát thấy rằng:

1. Một tỷ lệ rất cao của các hạt alpha đi qua tấm mà không có sự sai lệch đáng chú ý.
2. Một số bị lệch ở các góc khá dốc
3. Và rất ít bị trả lại tất cả các cách trở lại

Thí nghiệm tán xạ Rutherford. Nguồn:.

Quan sát 2 và 3 đã làm các nhà nghiên cứu ngạc nhiên và họ cho rằng người chịu trách nhiệm về sự tán xạ của các tia phải có điện tích dương và nhờ quan sát số 1, người chịu trách nhiệm nhỏ hơn nhiều so với hạt alpha. .

Chính Rutherford đã nói về điều đó rằng nó giống như "… như thể bạn bắn một quả đạn hải quân 15 inch vào một tờ giấy và quả đạn dội ngược lại và trúng bạn." Điều này chắc chắn không thể giải thích bằng mô hình Thompson.

Phân tích kết quả của mình theo quan điểm cổ điển, Rutherford đã phát hiện ra sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, nơi tập trung điện tích dương của nguyên tử, điều này khiến nó có tính trung lập.

Rutherford tiếp tục các thí nghiệm tán xạ của mình. Đến năm 1918, mục tiêu mới cho các hạt alpha là các nguyên tử khí nitơ.

Bằng cách này, ông đã phát hiện ra các hạt nhân hydro và biết ngay rằng nơi duy nhất mà các hạt nhân này có thể đến là từ chính nitơ. Làm thế nào có thể rằng các hạt nhân hydro là một phần của nitơ?

Rutherford sau đó gợi ý rằng hạt nhân của hydro, một nguyên tố đã được gán số nguyên tử 1, phải là một hạt cơ bản. Ông gọi nó là proton, một từ tiếng Hy Lạp đầu tiên. Vì vậy, những khám phá về hạt nhân nguyên tử và proton là do người New Zealand xuất sắc này.

Giả thuyết mô hình nguyên tử của Rutherford

Mô hình mới rất khác với Thompson. Đây là những định đề của ông:

• Nguyên tử chứa một hạt nhân mang điện dương, mặc dù rất nhỏ, nhưng chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử.
• Các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử ở những khoảng cách rất xa và theo quỹ đạo tròn hoặc elip.
• Điện tích thuần của nguyên tử bằng không, vì điện tích của các electron bù cho điện tích dương có trong hạt nhân.

Các tính toán của Rutherford chỉ ra một hạt nhân có dạng hình cầu và bán kính nhỏ nhất là 10 ^-15 m, giá trị của bán kính nguyên tử lớn hơn khoảng 100.000 lần, vì các hạt nhân tương đối xa nhau: bậc ^10-10 m.

Ernest Rutherford thời trẻ. Nguồn: Unknown, xuất bản năm 1939 tại Rutherford: là cuộc đời và những bức thư của Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Điều này giải thích tại sao hầu hết các hạt alpha đi qua tấm này một cách trơn tru hoặc chỉ bị lệch rất ít.

Nhìn ở quy mô của các vật thể hàng ngày, nguyên tử Rutherford sẽ bao gồm một hạt nhân có kích thước bằng quả bóng chày, trong khi bán kính nguyên tử là khoảng 8 km. Do đó, nguyên tử có thể được coi là hầu hết mọi thứ là không gian trống.

Nhờ sự giống với một hệ mặt trời thu nhỏ, nó được gọi là "mô hình hành tinh của nguyên tử." Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và các electron sẽ tương tự với lực hút giữa mặt trời và các hành tinh.

Hạn chế

Tuy nhiên, có những bất đồng nhất định liên quan đến một số sự kiện quan sát được:

• Nếu ý tưởng rằng electron quay quanh hạt nhân được chấp nhận, thì sẽ xảy ra rằng electron sẽ liên tục phát ra bức xạ cho đến khi nó va chạm với hạt nhân, với kết quả là nguyên tử bị phá hủy trong vòng chưa đầy một giây. Điều này, may mắn thay, không phải là những gì thực sự xảy ra.
• Hơn nữa, trong những trường hợp nhất định, nguyên tử phát ra một số tần số bức xạ điện từ nhất định khi có sự chuyển đổi giữa trạng thái có năng lượng cao hơn sang trạng thái có năng lượng thấp hơn, và chỉ những tần số đó chứ không phải những tần số khác. Làm thế nào để giải thích thực tế là năng lượng được lượng tử hóa?

Bất chấp những hạn chế này, vì ngày nay có nhiều mô hình phức tạp hơn phù hợp với các dữ kiện quan sát được, nên mô hình nguyên tử của Rutherford vẫn hữu ích cho sinh viên để có được cách tiếp cận đầu tiên thành công đối với nguyên tử và các hạt cấu thành của nó.

Trong mô hình nguyên tử này, neutron không xuất hiện, một thành phần cấu tạo khác của hạt nhân, mãi đến năm 1932 mới được phát hiện.

Ngay sau khi Rutherford đề xuất mô hình hành tinh của mình, vào năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr sẽ sửa đổi nó để giải thích tại sao nguyên tử không bị phá hủy và chúng ta vẫn ở đây để kể câu chuyện này.

Các bài báo quan tâm

Mô hình nguyên tử của Schrödinger.

Mô hình nguyên tử De Broglie.

Mô hình nguyên tử của Chadwick.

Mô hình nguyên tử Heisenberg.

Mô hình nguyên tử của Perrin.

Mô hình nguyên tử của Thomson.

Mô hình nguyên tử Dirac Jordan.

Mô hình nguyên tử của Democritus.

Mô hình nguyên tử của Bohr.

Mô hình nguyên tử của Dalton.

Người giới thiệu

1. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Các ghi chú của lớp cho chủ nhiệm Bộ môn Phóng xạ và Bảo vệ Phóng xạ. Trường Y tế Công cộng thuộc Đại học Trung ương Venezuela.