Đề tài Lịch sử hình thành cấu trúc nguyên tử

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 1 LỜI NÓI ĐẦU Cách đây hàng nghìn năm, các nhà hiền triết và các nhà bác học từ Đông sang Tây đã cố gắng đi tìm lời giải đáp cho câu hỏi: vật chất cấu tạo như thế nào, nguyên tử được cấu tạo như thế nào,vạn vật xung quanh ta thiên hình vạn trạng nhưng phải chăng đều do một số yếu tố nào đấy cấu tạo nên. Nhóm chúng em thực hiện đề tài: Lịch sử hình thành cấu trúc nguyên tử đã trả lời được phần nào những câu hỏi trên và có được sự hiểu biết sâu hơn các kiến thức cơ bản về các mẫu nguyên tử theo lý thuyết cổ điển, cơ sở của lý thuyết lượng tử về cấu trúc nguyên tử và quan điểm hiện đại về cấu trúc nguyên tử…… Đề tài được thực hiện dựa trên nội dung của một số cuốn sách, thông tin trên mạng Internet. Nhóm chúng em thực hiện đề tài này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự đánh giá, nhận xét và ý kiến đóng góp của Cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn Cô. Nhóm sinh viên thực hiện LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 2 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 3 MỤC LỤC I. THUYẾT NGUYÊN TỬ SƠ KHAI............................................................................ 4 1. Thuyết nguyên tử luận của Democriet........................................................................ 4 2. Thuyết bốn nguyên tố của Aristote............................................................................. 5 II. THUYẾT NGUYÊN TỬ Ở THẾ KỶ XVIII .............................................................. 6 III. LÝ THUYẾT NGUYÊN TỬ Ở THẾ KỶ XIX ........................................................... 6 1. Lý thuyết nguyên tử của Dalton ................................................................................. 6 2. Lý thuyết nguyên tử của Avogađro ............................................................................ 7 IV. LÝ THUYẾT NGUYÊN TỬ THẾ KỶ XX................................................................. 8 1. Mẫu nguyên tử của Thomson ..................................................................................... 8 2. Mẫu nguyên tử Rutherford......................................................................................... 9 3. Mẫu nguyên tử bán cổ điển Bohr ............................................................................. 10 4. Mẫu nguyên tử có quĩ đạo elip của Sommorfold ...................................................... 10 V. CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ.................... 11 1. Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô .................................................................... 11 2. Phương trình Schrodinger ........................................................................................ 12 3. Nguyên lý bất định Heisenberg ................................................................................ 12 VI. MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ HIỆN ĐẠI....................................................................... 13 1. Nguyên tử theo quan điểm hiện đại .......................................................................... 13 2. Lịch sử tìm ra electron ............................................................................................. 14 3. Cấu trúc hạt nhân..................................................................................................... 14 KẾT LUẬN SƯ PHẠM .................................................................................................... 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 18 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 4 I. THUYẾT NGUYÊN TỬ SƠ KHAI 500 năm trước kỷ nguyên tây lịch, Anaxagoras đã quan niệm vật chất được cấu tạo nên không phải do những thành phần rất nhỏ xác định, khiến cho việc phân đôi không bao giờ ngừng. Héraclite (Thế kỷ VI TCN) cho rằng bản chất của thế giới là lửa. Anaximène, người cùng thời với Héraclite, cho rằng bản chất của thế giới là không khí. Thalès (640 - 546 TCN) được mệnh danh là một trong bảy "người hiền" thời Hy Lạp Cổ đại chủ trương rằng bản chất của thế giới là nước. Ông lập luận nước đông lại thì thành chất rắn, nước bốc hơi thì thành chất khí, tóm lại tất cả đều có căn nguyên từ nước. Ông còn nói: "Vũ trụ được nâng đỡ bởi nước, quả đất được mang bởi nước, ngọn lửa của Mặt Trời và các sao được nuôi dưỡng bởi hơi bốc lên của nước ". Empedoc (khoảng 490 – 430 TCN ) nêu lên giả thuyết rằng vũ trụ được cấu tạo từ 4 nguyên tố vật chất: lửa, không khí, nước và đất. 1. Thuyết nguyên tử luận của Democriet Tư tưởng duy vật của phái Thales về một vật chất ban đầu không làm thỏa mãn được các nhà triết học Hy Lạp cổ đại. Vì vậy họ đã đi tìm những lý thuyết khác để giải thích cấu trúc của vũ trụ và những biến đổi trong tự nhiên. Trong số các nhà triết học và khoa học thời xưa bàn về cấu tạo của vật chất, người phát biểu đúng đắn hơn cả là nhà bác học thời Hy Lạp cổ đại Democrite. Nội dung của thuyết nguyên tử luận của Democrite: Không có cái gì phát sinh ra từ cái không có gì. Không có cái gì đang tồn tại lại có thể bị hủy diệt. Mọi sự đều do các bộ phận hợp lại với nhau và tách khỏi nhau. Không có cái gì ngẫu nhiên xảy ra, cái gì xảy ra cũng có nguyên nhân và là tất yếu. Chỉ nguyên tử và không gian trống rỗng là có thật, mọi cái khác điều do tưởng tượng ra. Các nguyên tử nhiều vô hạn và có vô số hình dạng, rơi vĩnh viễn trong không gian vô tận. Những hạt to rơi nhanh hơn, va đập vào những hạt nhỏ gây ra những chuyển động xiên và xoáy tạo thành các thế giới. Có vô số thế giới luôn luôn sinh ra hoặc mất đi. Các nguyên tử hoàn toàn giống nhau về chất lượng, chúng tác động lên nhau bằng sức nén và va chạm. Các vật khác nhau vì được tạo thành bởi những nguyên tử có số lượng, độ lớn hình dạng và cách sắp xếp khác nhau. Không có gì phi vật chất, tâm hồn và các thần linh cũng được tạo thành từ những nguyên tử tinh tế, nhẵn nhụi, tròn trịa linh hoạt nhất. Chúng chuyển động, xuyên thấu vào cơ thể, và tạo ra mọi hiện tượng của sự sống. Trong học thuyết của Democrit, nguyên lý bảo toàn có vai trò rất quan trọng. Chân không là một khái niệm mới, chưa có trong các thuyết trước đó, và các nguyên tử tự mình chuyển động trong chân không, không cần một thần linh hay trí tuệ nào khác, tạo ra mọi hiện tượng trong thế giới. Theo nguyên tử luận, vật chất và chuyển động là cơ sở của tồn tại. Democriet LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 5 Tóm lại, theo Democrite thì vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và chân không. Như vậy, nguyên tử luận của Democrite nhằm giải quyết vấn đề vật chất cấu tạo như thế nào của khoa học. 2. Thuyết bốn nguyên tố của Aristote Nhà triết học vĩ đại Aristote đã hoàn toàn phủ nhận nguyên tử luận vì theo ông, chân không là một cái gì không thể chấp nhận được mà nguyên tử luận của Democrite cần phải có chân không. Aristote chủ trương rằng thế giới vật chất do bốn nguyên tố tạo thành: Đất, nước, không khí và lửa. Các nguyên tố đó có thể chuyển cái nọ thành cái kia. Bốn nguyên tố mang bốn tính chất nguyên thủy là khô, ẩm, nóng, lạnh phân bố như sau:  Đất thì khô và lạnh.  Nước thì lạnh và ẩm.  Không khí thì ẩm và nóng.  Lửa thì nóng và khô. Bốn tính chất nguyên thủy luôn luôn đấu tranh với nhau tạo ra sự chuyển hóa các nguyên tố và mọi sự biến đổi trong tự nhiên. Ta thấy rằng, thuyết bốn nguyên tố của Aristote về cơ bản rất giống thuyết Ngũ hành của Trung Quốc. Uy tín to lớn của Aristote đã làm chậm sự phát triển về quan điểm nguyên tử trong nhiều thế kỷ. Mặc dù bị chống đối nhưng với nội dung tiến bộ của nó, thuyết nguyên tử sơ khai của Democrite đã trở thành cơ sở của khoa học hiện đại và tiếp tục được một số nhà khoa học ở giai đoạn sau phát triển thêm. Ở thời kỳ Hy Lạp hóa cuối thế kỷ thứ IX trước công nguyên, nguyên tử luận của Democrite sau một thời kỳ bị lãng quên đã được phát triển và bổ sung thêm bởi Epicure và Lucrece. Hai ông đã vạch ra mô hình chuyển động của các nguyên tử bằng cách so sánh với chuyển động của hạt bụi trong một tia nắng rọi vào căn phòng tối. Các ông còn cho rằng các nguyên tử có trọng lượng, có mật độ và có khả năng lệch khỏi chuyển động. Thuyết nguyên tử của Democrite sau một thời gian dài bị lãng quên đã được nhắc trở lại trong các tác phẩm của nhà triết học, nhà toán học, vật lý học và thiên văn học người Pháp Paerre Gasendi (1592-1655). Thế rồi các giáo điều của Aristote đã ngự trị cho tới thời Phục Hưng. Một trong các nhà trí thức đầu tiên đã phản đối những thành kiến dị đoan cũ là Francis Bacon. Bacon là luật gia kiêm chính trị gia dưới triều đại Nữ Hoàng Elizabeth và Vua James I, đã tố cáo Aristote là đã pha thêm màu sắc và làm sai lệch triết học tự nhiên bằng những thành kiến của mình. Qua tác phẩm Novum Organum, Bacon đã tán thành ý tưởng của Democrite về tính chất của sự vật. Kế tiếp là ý tưởng của Bacon là Rober Boyle. Để cắt nghĩa sự nén được và bành trướng được của các chất khí, Boyle đã cho rằng chất khí được cấu tạo do các hạt (corpuscles) rất nhỏ nằm giữa các khoảng trống và các hạt này phải ở trong trạng thái luôn luôn dao động. Sự khác biệt về 3 trạng thái vật lý hay 3 thể rắn, lỏng và hơi là do các hạt đó ở trong tình trạng bị giam hãm hay tự do. Cùng với Boyle đã chấp nhận giả thuyết nguyên tử vào năm 1679, còn có Isaac Newton. Newton xem thành phần cấu tạo mọi vật chất là những hạt nhỏ, cứng chắc và là một vật thể không hủy. Các hạt luôn có khối lượng và hình dạng không thay đổi. Do đó vật chất luôn được bảo toàn. Newton gắn thêm một lực tác động giữa các hạt với nhau. Lực này LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 6 phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách giữa chúng. Đó là trọng lực hay lực hút lẫn nhau của các khối lượng và gắn chặt với vật thể. Như vậy vào cuối thế kỷ 17, lý thuyết của Democrite đã được làm sống lại hoàn toàn bởi ba nhà khoa học người Anh: Bacon, Boyle và Newton. II. THUYẾT NGUYÊN TỬ Ở THẾ KỶ XVIII Nguyên tử phlogiston Thuyết phlogiston thế kỷ 17 (có nguồn gốc từ tiếng Hi Lạp cổ Phlogios, có nghĩa là "sự cháy") là một lý thuyết khoa học đã lỗi thời, được Johann Joachim Becher đưa ra lần đầu tiên vào năm 1667, cho rằng ngoài những nguyên tố cổ điển của người Hi Lạp, có một nguyên tố bổ sung tương tự như lửa có tên là "yếu tố cháy" (Phlogiston). Yếu tố này tồn tại trong các vật thể có khả năng bốc cháy, và được giải phóng ra ngoài với một mức độ thay đổi được trong sự cháy. Học thuyết cho rằng tất cả những vật chất có thể cháy được đều chứa Phlogiston, một dạng vật chất không có màu, mùi, vị, hay khối lượng, và được giải phóng trong sự cháy. Một khi được đốt, những vật chất đã mất hết chất phlogiston sẽ thể hiện dạng nguyên thuỷ của nó, gọi là Calx. Vào năm 1774, Joseph Priestley, nhà thần học kiêm khoa học người Anh, đã dùng một thấu kính 30 cm để hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một thứ đất đỏ (oxít thủy ngân) và đã thấy rằng nhiệt lượng đã làm bay ra một thứ khí và để lại một kim loại lỏng: Thủy ngân. Priestley đã hứng lấy thứ khí này để nghiên cứu đặc tính và thấy rằng bên trong khí này, một cây nến cháy sáng hơn và mạnh hơn là trong không khí. Thực ra, thứ khí này là “Oxygen” nhưng Priestley đã bỏ lỡ một cơ hội khám phá vô cùng quan trọng cũng vì ông tin tưởng vào lý thuyết Phlogiston. Antoine Lavoisier (1743-1794 ) thấy rằng vật chất không được tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp với nhau để tạo nên các chất mới. Điều này đã đưa Lavoisier đến sự phân biệt giữa hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giản hơn. Pierre Marcellin Berthelot ( 1827 – 1907 ) chính trị gia và hóa học gia, bác học người Pháp đã nghiên cứu cùng Lavoisier. Theo Berthelot, các đơn chất phối hợp với nhau theo các tỉ lệ không hạn định và vì tỉ lệ của Hydrogen và Oxygen để tạo thành nước khác nhau nên nước của dòng sông Nile khác hẳn với nước của dòng sông Seine. Ý tưởng này của Berthelot bị Joseph Louis Proust cho là vô nghĩa. Các cuộc tranh luận đó chỉ chấm dứt khi xuất hiện tác phẩm của một nhà khoa học người Anh là John Dalton. III. LÝ THUYẾT NGUYÊN TỬ Ở THẾ KỶ XIX 1. Lý thuyết nguyên tử của Dalton Nôi dung thuyết nguyên tử của Dalton Dựa trên định luật về bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất t rong các phản ứng hóa học vào năm 1808, John Dalton (1766-1844) đã đư a ra lý thuyết nguyên tử của mình để giải thích các định luật trên. Lý thuyết của ông dựa trên 5 giả thuyết. John Dalton LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 7  Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử.  Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất.  Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi.  Giả thuyết thứ tư là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất.  Giả thuyết thứ năm là trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại. Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này. Nôị dung chính:  Mọi chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được gọi là nguyên tử.  Nguyên tử là những hòn bi nhỏ, giữa chúng có lực hút và lự c đẩy  Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Khối lượng của các nguyên tử được so sánh với khối lượng nguyên tử Hiđro chọn làm khối lượng đơn vị (đó là khối lượng tương đối mà sau này chúng ta gọi là nguyên tử lượng).  Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau Như vậy: Chúng ta thấy cả Democrite và John Dalton đều cho rằng nguyên tử không có cấu trúc, tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì thế người ta thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử. Cùng với sự phát triển của khoa học, các giả thuyết của John Dalton được xem xét lại và người ta thấy rằng không phải nguyên tử là hạt không có cấu trúc mà ngay cả nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng có thể có tính chất khác nhau. 2. Lý thuyết nguyên tử của Avogađro Bá tước Ameđeo Avogađro sinh năm 1776 tại Turin (nước Ý). Avogađrô đã giả định là ngay cả những chất khí đơn giản như nitơ, oxi, hiđro đều tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử như Dalton và sau này Becxeliut (I. Berzelius) đã giả định. Khắc phục được khó khăn còn tồn tại trong lý thuyết của Dalton, Avogađro đã đưa lý thuyết nguyên tử - phân tử đi vào đúng quỹ đạo phát triển của nó. Đây là cơ sở tiến đến quan điểm có thể đếm số phân tử chứa trong một lượng chất nhất định. Số phân tử đó là một hằng số nếu lượng chất trong cùng điều kiện về nhiệt độ, áp suất và cùng thể tích. Còn chất khí đó là gì thì không cần biết. Tuy vậy, chúng ta sẽ xuất phát từ một khối lượng nhất định như thế nào để không cần phải nói đến điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Đó là phân tử gam hay còn gọi là mol. Với sự đóng góp của Jôdep Losmit (1821-1895) người Áo, Jôhan Diderich Van Dec Van (1837-1923) nhà vật lý Hà Lan, Relây (1842-1919), Huân tước Kenvin (1824-1907), Lbriluanh, Peranh (1870-1942) người Pháp…đã xác định được giá trị của số Avogađro bằng 6,022169.1023/mol. Avogađro LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ GVHD: Ths. Nguyễn Thị Thếp Trang: 8 Biết