THÍ NGHIỆM PHÁT HIỆN HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Năm 1911, một trang khoa học mới nói chung và vật lý nói riêng được viết ra bởi nhà vật lý Ernest Rutherford. Ông đã phát hiện hạt nhân nguyên tử khi thực hiện thí nghiệm bắn phá một lá vàng mỏng bằng chùm hạt alpha phát ra từ radium. Khám phá này là tiền đề để Rutherford xây dựng mô hình hành tinh nguyên tử sau này.

Câu chuyện phải được bắt đầu từ thế kỷ trước. Năm 1897, khi nhà vật lý người Anh – Joseph John Thomson đang nghiên cứu về tia âm cực, ông đã phát hiện ra sự tồn tại của các electron trong nguyên tử. Vào thời điểm đó, Thomson hoàn toàn thiếu bằng chứng thực nghiệm, vì vậy ông đã mở rộng trí tưởng tượng của mình và phác thảo ra một bức tranh như sau: Các nguyên tử có hình cầu và mang điện tích dương, trong khi các electron mang điện tích âm sẽ lần lượt “cắm” vào xung quanh quả cầu này. Bức tranh này được gọi là mô hình “pudding nho khô” bởi electron rất giống nho khô trên bánh pudding.

✅ Phát hiện hạt nhân nguyên tử
Tuy nhiên, vào năm 1910, Rutherford và các học trò đã tiến hành một thí nghiệm mang tính lịch sử. Trong phòng thí nghiệm, họ đã dùng các hạt alpha (hạt nhân heli tích điện dương) để bắn phá một lá kim loại vàng cực mỏng nhằm xác nhận kích thước và tính chất của “pudding nho khô” thông qua sự tán xạ.

Lúc này, một hiện tượng cực kỳ khó tin xuất hiện: Góc tán xạ của một vài hạt alpha lớn đến mức vượt quá 90 độ. Bản thân Rutherford đã mô tả tình huống này rất sinh động: “Nó giống như việc bạn dùng một quả đạn pháo 15 inch nã vào một mảnh giấy nhưng quả đạn pháo lại bật ngược trở lại và bắn trúng vào người bạn vậy.”

Ông nhận ra rằng các hạt alpha bị bắn ngược trở lại là do nó đã va chạm với một thứ hạt nhân cứng rắn và dày đặc nào đó ở bên trong nguyên tử vàng. Hạt nhân này được tích điện dương và chiếm phần lớn khối lượng của nguyên tử. Tuy nhiên, xét từ khía cạnh chỉ có một phần nhỏ các hạt alpha xuất hiện hiện tượng tán xạ góc độ lớn, chúng ta có thể nhận định rằng phần hạt nhân sẽ chiếm một diện tích rất nhỏ, bằng chưa đến một phần vạn bán kính nguyên tử.

Ngay sau đó, Rutherford đã phát biểu mô hình mới của mình vào năm sau (năm 1911). Trong hình vẽ nguyên tử mà ông mô tả, có một “hạt nhân” nằm ở chính giữa nguyên tử và chiếm phần lớn khối lượng của nó. Xung quanh hạt nhân, các electron mang điện tích âm lại quay quanh nó dọc theo một quỹ đạo cụ thể.

✅Mô hình tồn tại vấn đề nghiêm trọng
Tuy nhiên, hạn chế của mô hình hành tinh nguyên tử là nó không giải thích được tính bền vững của các nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của chúng. Cụ thể, theo phương trình Maxwell, electron bức xạ năng lượng liên tục dưới dạng sóng điện từ khi quay quanh hạt nhân. Như vậy năng lượng và vận tốc của electron phải giảm dần theo thời gian và bị hút về phía hạt nhân. Do đó nguyên tử không thể tồn tại bền vững, hoàn toàn trái ngược với thực tế.

Năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr người Đan Mạch vận dụng thuyết lượng tử ánh sáng vào hệ thống nguyên tử, đề xuất một mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bohr. Mô hình này giải thích được sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử, đặc biệt là nguyên tử hydro. Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford, nhưng ông cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật đặc biệt có tính lượng tử mà ông đề ra dưới dạng hai tiên đề: (1) Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. (2) Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.

Mặc dù thí nghiệm của Rutherford không thể xác định được hạt nhân cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn bao gồm proton và neutron, nhưng khám phá của ông vẫn vô cùng quan trọng và tiền đề cho sự phát triển của vật lý hạt nhân hiện đại sau này.
——————
Nguồn bài viết:
Cuốn sách “Lược sử vật lý lượng tử – Chúa có gieo xúc xắc cho bạn?”
Khoa học & Phát triển