Tại sao phát hiện ra liên kết nguyên tử lại có trong 100 phát hiện vĩ đại nhất trong lịch sử?


Marie Curie mở ra kỷ nguyên mới với việc chứng minh sự tồn tại của thế giới nguyên tử. Einstein, Dirac, Heisenberg, Born, Rutherford và các nhà khoa học khác cũng đã thử dùng những lý luận hiện đại để miêu tả thế giới nguyên tử. Tuy nhiên, vẫn tồn tại hai câu hỏi lớn làm đau đầu các nhà khoa học đầu thế kỷ XX, đó là: Bên trong nguyên tử tồn tại những gì? và Yếu tố gì đã chi phối sự vận động của nguyên tử?


Niels Bohr là người đầu tiên phát hiện ra hình thức cụ thể của các electron quay quanh hạt nhân; vị trí, sự vận động, phương thức phóng xạ và sự chuyển hóa năng lượng của các electron. Học thuyết của Bohr đã giải quyết được vô số những giả thiết mâu thuẫn về kết cấu và hoạt động của electron, đồng thời cũng khắc phục được những khuyết điểm của những luận điểm ấy. Bohr đã khéo léo kết hợp giữa những thí nghiệm trực tiếp và lý luận tiên tiến để hình thành nên tri thức về electron, góp phần đẩy nhanh quá trình phát triển khoa học của nhân loại.

Liên kết nguyên tử đã được phát hiện ra như thế nào?


Năm 1912, mới 26 tuổi, Niels Bohr đã tham gia vào cuộc tranh luận khốc liệt trong giới vật lý lúc bấy giờ. Vào mùa xuân năm ấy, khi Bohr vừa tiếp nhận vị trí giáo sư giảng dạy ở trường Đại học Copenhagen cũng là lúc ông phát hiện ra các lý luận về nguyên tử đương thời đã không phù hợp với những số liệu thực nghiệm ngày càng mới hơn về nguyên tử. Các lý luận truyền thống cho rằng khi các electron vận động quanh hạt nhân nguyên tử, chúng sẽ dần mất đi năng lượng và dần dần hòa nhập vào hạt nhân nguyên tử và Bohr cũng đã chứng minh luận điểm này bằng thực nghiệm của mình. Tuy nhiên, nếu theo lý luận ấy thì các nguyên tử nhất định sẽ phát nổ thế nhưng sự thật thì hoàn toàn ngược lại, các nguyên tử vẫn rất ổn định. Hiện tượng này đã làm Bohr băn khoăn tự hỏi: liệu có sai sót gì đang tồn tại trong các lý luận này không?


Lúc ấy con người không thể nhìn thấy nguyên tử và càng không thể quan sát được các hoạt động bên trong của chúng. Các nhà khoa học chỉ có thể mò mẫm tìm tòi và dựa vào những yếu tố gián tiếp để lý giải các hoạt động của chúng.


Các thí nghiệm về nguyên tử đã thu được những số liệu vô cùng lớn. Bohr ghi lại các hạt sản sinh ra trong quá trình va chạm của nguyên tử, đo được góc tán xạ với tốc độ cao tính từ điểm va chạm các hạt và tính toán được mức độ điện năng của chúng. Tuy nhiên các số liệu này hầu hết lại trái ngược với lý luận nguyên tử lúc bấy giờ.


Năm 1913, trong khi chuẩn bị cho bài giảng của mình, ông đã tình cờ đọc được hai nghiên cứu thí nghiệm mới. Với bản đầu tiên, Enrico Fermi cho rằng năng lượng trong mỗi lần các nguyên tử phóng ra (phân chia) là như nhau. Ông đặt tên cho loại phân chia này là lượng tử ly tán.


Bản nghiên cứu thứ hai là của các nhà hóa học, họ đã nghiên cứu năng lượng bức xạ nguyên tử của mỗi loại nguyên tố. Họ thấy rằng năng lượng phóng ra khi xuyên qua lăng kính thì sự bức xạ sẽ không còn liên tục trong cả quá trình quang phổ, ở một tần số ly tán nào đó chúng sẽ trở thành những đỉnh sắc nhọn. Các nguyên tố khác nhau sẽ thể hiện đặc điểm sắc nhọn khác nhau. Hai nguyên cứu này đều khác với lý luận lúc bấy giờ.


Bohr nghiên cứu và đối chiếu điểm khác nhau và sự chênh lệch trong các số liệu, ông nhận ra số liệu mới này chắc hẳn phải liên quan đến một điều gì đó (bởi vì chúng cùng đề cập đến đặc điểm và sự bức xạ có cùng một nguồn gốc là nguyên tử).


Bohr tiến hành sàng lọc các dữ liệu trong hơn tám tháng để tìm ra phương pháp làm cho những dữ liệu này phù hợp với một loại lý thuyết nguyên tử nào đó. Kết quả thật đáng mừng vì đến cuối năm đó ông đã cho ra một kết luận vô cùng quan trọng: electron không vận động tự do như mọi người vẫn nghĩ.


Bohr đưa ra lý luận rằng quỹ đạo hoạt động của electron vận động quanh hạt nhân nguyên tử chỉ có thể tồn tại ly tán và riêng biệt. Electron chỉ khi nào phóng ra một năng lượng nhất định (đỉnh nhọn có thể nhìn thấy và năng lượng bức xạ của lượng tử) thì chúng mới có thể nhảy đến các quỹ đạo cao hơn. Electron không thể tự do di chuyển đến nơi nào chúng muốn và cũng không thể mang theo bất kỳ một lượng năng lượng nào, chúng chỉ có thể nằm trên một đường trong số một vài đường quỹ đạo đặc biệt ấy, chúng hấp thụ và phóng ra năng lượng của lượng tử riêng biệt.


Mô hình nguyên tử mới của Bohr thực sự là một ý tưởng cách mạng, nó khác xa so với các lý luận trước đây. Tuy nhiên nó lại vô cùng phù hợp với các thí nghiệm thực tế và có thể lý giải những mâu thuẫn còn tồn tại trong các lý luận cũ. Mô hình này đồng thời cũng giải thích được phương thức và lý do các nguyên tố hóa học lại liên kết với nhau.


Phát hiện vĩ đại của Bohr ngay lập tức được công nhận và nhận được sự ca tụng của giới khoa học. Trong vòng 50 năm, lý luận ấy vẫn được coi là mô hình nguyên tử và mô hình vận động của electron bên trong nguyên tử mang tính khoa học nhất từ trước tới nay.

schoolnet@