Năm 1911, Ernest Rutherford 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. Tìm tòi đó là tiền đề để Rutherford xây dựng mô hình hành tinh nguyên tử sau này.

Ernest Rutherford ra đời ở New Zealand vào năm 1871, trong một gia đình gồm 12 người con. Ngay từ lúc còn nhỏ, ông đã phải làm việc tích cực để giúp cha mẹ canh tác ruộng đồng. Nhờ thành tựu học hành xuất sắc ở trường trung học, ông chiếm được một suất học bổng của Đại học New Zealand. Sau khoảng thời gian tốt nghiệp, ông tiếp tục nhận một học bổng khác để trở thành phân tích sinh tại Đại học Cambridge (Anh) vào năm 1894. Thời điểm biết tin mình có thể sang Anh du học, ông đang ở ngoài vườn giúp cha nhổ khoai tây. “Đây sẽ là những củ khoai cuối cùng con nhổ trên cánh đồng này”, Rutherford mừng rỡ nói với cha.

Trong thời gian ở Đại học Cambridge, Rutherford làm việc trong Phòng thí nghiệm Cavendish cùng với J.J. Thomson, người phát hiện ra electron. Tài năng của Ruthherford lập tức được thừa nhận với nhiều công trình phân tích nổi trội & ông trở thành giáo sư của Đại học McGill ở Montreal (Canada) vào năm 1898. Tại đó, ông xác nhận bức xạ alpha & beta là hai loại bức xạ tách biệt, cùng lúc phân tích một số thuộc tính của chúng, mặc dầu ông không biết bản chất của hạt alpha là hạt nhân nguyên tử Heli (He2+).

Năm 1901, Rutherford & nhà hóa học Frederick Soddy phát hiện nguyên tố phóng xạ có thể phân rã thành một nguyên tố khác. Tìm tòi này đem lại cho Rutherford giải thưởng Nobel Hóa học năm 1908. Nhưng trong suốt sự nghiệp phân tích khoa học, Rutherford thường nói về mình là một nhà vật lý, không phải nhà hóa học.

Xem Thêm  Biển hiệu nha khoa Dr Hiếu- phòng khám nha khoa - biển vẫy nha khoa

Phát hiện hạt nhân nguyên tử

Năm 1907, Rutherford trở về Anh, công tác tại Đại học Manchester. Năm 1909, Rutherford & học trò tên là Ernest Marsden thực hiện thí nghiệm về tán xạ hạt alpha. Rutherford dùng một nguồn phóng xạ alpha, rõ ràng và cụ thể là radium, đặt trong 1 hộp bằng chì có khe hở hẹp để tạo nên chùm hạt alpha nhỏ. Ông bắn chùm hạt alpha vào một lá vàng cực mỏng sao cho nó có thể xem như một lớp nguyên tử vàng. Sau lá vàng ông đặt một màn chắn huỳnh quang hình vòng cung phủ hợp chất kẽm sunfua (ZnS). Hợp chất này sẽ phát sáng khi va chạm với các hạt tích điện – trong thí nghiệm đó là hạt alpha.

Rutherford giao trách nhiệm cho Marsden xem xét & ghi chép địa điểm của những chấm sáng trên màn chắn khi hạt alpha va đập với nó trong căn phòng tối. Dựa theo địa điểm xuất hiện những chấm sáng, Rutherford nhận ra chủ yếu hạt alpha cất cánh xuyên qua lá vàng mỏng với hướng di chuyển không đổi. Một số hạt alpha bị lệch hướng, chứng tỏ có va chạm trước khi cất cánh ra khỏi lá vàng.

Điều thú vị là có một số rất ít hạt alpha bật ngược trở lại với góc tán xạ to hơn 90 độ do va chạm trực diện với một vật đưa khối lượng nào đó. “Điều này giống như bạn bắn súng vào một tờ giấy mỏng và thấy vài viên đạn quay ngược về phía bạn”, Rutherford miêu tả lại kết quả thí nghiệm một cách đầy hình mẫu.

Hiện tượng trên chẳng thể giải thích bằng mô hình nguyên tử đang thịnh hành vào thời điểm đó gọi là “mô hình bánh pudding” do J.J. Thomson đề nghị. Trong mô hình nguyên tử của J.J. Thomson, các electron được nghĩ rằng bị mắc kẹt trong một khối vật chất tích điện dương, như nho khô trong một cái bánh pudding. Nhưng kiểu sắp đặt này chỉ gây ra một góc tán xạ nhỏ, không giống những gì Marsden đã xem xét.

Xem Thêm  100 đô la một tháng Danh sách cửa hàng tạp hóa - 100 đô la

Sau khoảng thời gian nghĩ suy kỹ về kết quả thí nghiệm, Rutherford đề ra tổng kết cuối cùng. Rutherford nghĩ rằng một số hạt alpha bị lệch hướng do chịu ảnh hưởng của một lượng lớn điện tích dương chăm chú trong một không gian rất nhỏ ở trọng tâm nguyên tử vàng. Các electron của nguyên tử quay quanh lõi trọng tâm, giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời. Phần lõi này được gọi là hạt nhân nguyên tử.

Rutherford thực hiện các phép toán để ước lượng kích cỡ của hạt nhân. Ông nhận ra nó chỉ lớn bằng khoảng 1/100.000 kích cỡ nguyên tử. Do vậy, nguyên tử chính yếu là không gian trống.

Tháng 3/1911, Rutherford trình bày kết quả phân tích tại một buổi họp của Hội Văn học & Triết học Manchester. Tháng 5/1911, ông xuất bản một bài báo về việc tìm tòi hạt nhân nguyên tử trên báo chí Philosophical Magazine. Trong số đó, ông đề nghị mô hình hành tinh nguyên tử với bài viết căn bản như sau: (1) Nguyên tử gồm một hạt nhân chiếm thể tích cực nhỏ ở trung tâm, tại đó chăm chú điện tích dương & hầu hết toàn thể khối lượng nguyên tử, (2) Xoay quang hạt nhân có các electron chuyển động theo quỹ đạo giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời. (3) Tổng điện tích âm của các electron bằng tổng điện tích dương của hạt nhân nên bình bình nguyên tử trung hòa về điện.

Xem Thêm  Các bộ phận chính của cầu chủ động - - cầu chủ động

Ngoài ra, giới hạn của mô hình hành tinh nguyên tử là nó không giải thích được tính kiên cố của các nguyên tử & sự tạo ra quang phổ vạch của chúng. Rõ ràng và cụ thể, theo phương trình Maxwell, electron bức xạ năng lượng liên tục dưới dạng sóng điện từ khi quay quanh hạt nhân. Như thế năng lượng & tốc độ của electron phải giảm dần theo thời gian & bị hút về phía hạt nhân. Do vậy nguyên tử chẳng thể tồn tại kiên cố, hoàn toàn trái ngược với thực tiễn.

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

Dù rằng thí nghiệm của Rutherford không thân thể định được hạt nhân cấu trúc từ những hạt bé hơn bao gồm proton & neutron, nhưng tìm tòi của ông vẫn đặc biệt quan trọng & tiền đề cho sự phát triển của vật lý hạt nhân hiện đại sau này.

By ads_law

Trả lời