Electron không quay quanh hạt nhân theo những vòng tròn gọn gàng như hành tinh quanh Mặt Trời. Hình ảnh đó là một mô hình cũ, rất tiện để học nhưng không đúng với thực tế. Theo cơ học lượng tử, electron không có một quỹ đạo xác định; nó được mô tả bằng một đám mây cho biết khả năng tìm thấy nó ở mỗi chỗ, và nó chỉ được phép có những mức năng lượng nhất định, như những bậc thang chứ không như con dốc.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Logo nguyên tử với ba vòng elip quanh một chấm ở giữa có lẽ là hình ảnh khoa học quen mắt nhất. Tập này mình kể nó từ đâu ra, vì sao nó sai, và cái thay thế nó kỳ lạ đến mức nào, mà vẫn giải thích được vì sao đèn neon ở quán cà phê có màu đỏ cam.
Từ hạt nhân nhỏ xíu tới mô hình hành tinh
Đầu thế kỷ hai mươi, nhóm của Ernest Rutherford bắn những hạt mang điện dương vào một lá vàng mỏng. Phần lớn hạt đi xuyên qua, nhưng thỉnh thoảng có hạt bật ngược trở lại. Rutherford ví điều đó giống như bắn một viên đạn pháo vào tờ giấy mà đạn dội ngược.
Cách giải thích duy nhất là gần như toàn bộ khối lượng và điện tích dương của nguyên tử dồn vào một hạt nhân cực nhỏ ở giữa, còn lại là khoảng không với các electron nhẹ ở phía ngoài. Từ đó ra đời mô hình hành tinh: hạt nhân như Mặt Trời, electron như hành tinh.
Nhưng mô hình này có một lỗ hổng chết người. Theo vật lý thời đó, một hạt mang điện chuyển động vòng tròn sẽ liên tục phát ra sóng điện từ và mất năng lượng. Electron sẽ xoáy dần vào hạt nhân trong một khoảnh khắc cực ngắn. Mọi nguyên tử lẽ ra đã sụp đổ.
Thế mà nguyên tử vẫn bền vững suốt hàng tỷ năm. Cần một thứ vật lý mới.
Niels Bohr và những bậc thang năng lượng
Năm một nghìn chín trăm mười ba, Niels Bohr đưa ra một ý tưởng táo bạo: electron chỉ được phép ở một số quỹ đạo nhất định, mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng. Ở đó nó không phát sáng, không mất năng lượng. Nó chỉ phát hay hấp thụ ánh sáng khi nhảy từ bậc này sang bậc khác.
Bohr không giải thích được vì sao lại như vậy, nhưng mô hình của ông tính ra chính xác màu ánh sáng mà khí hidro phát ra, điều mà trước đó không ai giải thích nổi.
Ý tưởng mức năng lượng rời rạc, như bậc thang chứ không như con dốc, là trái tim của vật lý lượng tử. Chữ lượng tử chính là để chỉ những phần năng lượng được chia thành gói, không chia nhỏ tuỳ ý được.
Tuy vậy, hình ảnh quỹ đạo tròn của Bohr vẫn còn mang dáng dấp hành tinh, và vài năm sau nó cũng phải nhường chỗ.
Đám mây electron: ở đâu cũng có thể, chỗ nào khả năng cao hơn
Những năm hai mươi của thế kỷ hai mươi, cơ học lượng tử ra đời hoàn chỉnh hơn. Theo đó, electron không phải viên bi nhỏ chạy theo đường đi xác định. Trạng thái của nó được mô tả bằng một hàm toán học cho biết khả năng tìm thấy electron ở mỗi điểm quanh hạt nhân.
Vẽ khả năng đó ra, ta được những đám mây có hình dạng rất đặc biệt: hình cầu, hình quả tạ đôi, hình bông hoa nhiều cánh, các nhà hoá học gọi là các obitan. Chỗ mây dày là chỗ hay gặp electron, chỗ mây mỏng là hiếm gặp.
Câu hỏi electron đang ở đâu và đang chạy theo đường nào, trước khi ta đo, không có câu trả lời theo nghĩa thông thường. Đây không phải vì ta đo chưa đủ giỏi, mà là bản chất của thế giới ở thang cực nhỏ, mình sẽ quay lại ở tập về nguyên lý bất định.
Cũng nhờ cách mô tả này mà ta hiểu vì sao electron không rơi vào hạt nhân: ở mức năng lượng thấp nhất, đám mây đã co lại hết mức có thể, không còn bậc nào thấp hơn để nó tụt xuống.
Màu của đèn neon và pháo hoa đến từ những bậc thang
Khi nguyên tử nhận năng lượng, từ dòng điện hay từ nhiệt, electron nhảy lên một bậc cao hơn. Rồi nó rơi về bậc thấp và nhả ra phần năng lượng chênh lệch dưới dạng một hạt ánh sáng. Khoảng cách giữa hai bậc quyết định màu của ánh sáng.
Mỗi nguyên tố có một bộ bậc thang riêng, nên phát ra một bộ màu riêng, như một dấu vân tay. Khí neon trong ống đèn phát ánh sáng đỏ cam. Đèn đường loại cũ dùng hơi natri phát ánh sáng vàng cam đặc trưng.
Pháo hoa có màu cũng nhờ điều này: muối của các kim loại khác nhau cho những màu khác nhau khi bị nung nóng. Người làm pháo chọn hoá chất theo màu muốn có, như họa sĩ chọn màu vẽ. Đây chỉ là giải thích nguyên lý, làm pháo là việc nguy hiểm, bị pháp luật quản lý chặt, tuyệt đối không tự làm.
Các nhà thiên văn dùng chính dấu vân tay ánh sáng ấy để biết các ngôi sao xa làm bằng gì, mà không cần tới đó. Một phần lý do người ta biết Mặt Trời chứa nhiều hidro và heli là nhờ đọc các vạch màu trong ánh sáng của nó.
Vậy có nên vứt bỏ mô hình hành tinh?
Không cần. Mô hình hành tinh vẫn hữu ích để hình dung rằng nguyên tử có một hạt nhân nhỏ và các electron ở phía ngoài, và mô hình bậc thang của Bohr vẫn dùng tốt để giải thích ánh sáng phát ra. Sách giáo khoa dạy chúng như những bậc thang để leo lên hiểu biết đầy đủ hơn.
Điều quan trọng là biết mỗi mô hình đúng tới đâu. Mọi mô hình trong khoa học đều là bản đồ, không phải chính vùng đất. Bản đồ đường phố không vẽ từng cái cây, nhưng vẫn đưa bạn tới nơi.
Cái thú vị của vật lý lượng tử là nó không chỉ là lý thuyết trừu tượng. Chất bán dẫn trong pin mặt trời và con chip điện thoại, tia laser, đèn LED, máy chụp cộng hưởng từ đều hoạt động nhờ hiểu biết về các mức năng lượng của electron.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: có những hạt nhân nguyên tử không ổn định, tự vỡ ra mà không cần ai tác động, và không ai đoán được hạt nào sẽ vỡ lúc nào. Thế mà người ta vẫn dùng chúng làm đồng hồ để tính tuổi cổ vật hàng nghìn năm. Làm sao làm được điều đó?
Câu hỏi thường gặp
Nguyên tử trông như thế nào nếu phóng to?
Nếu phóng nguyên tử to bằng một sân vận động, hạt nhân chỉ cỡ một hạt đậu ở giữa sân, còn electron là những đám mây mờ bao quanh tới tận khán đài. Phần lớn nguyên tử là khoảng trống theo nghĩa thông thường.
Obitan là gì?
Obitan là vùng không gian quanh hạt nhân mô tả khả năng tìm thấy electron, ứng với một trạng thái năng lượng nhất định. Các nhà hoá học dùng hình dạng obitan để giải thích cách nguyên tử liên kết với nhau.
Vì sao electron không rơi vào hạt nhân?
Theo cơ học lượng tử, electron có một trạng thái năng lượng thấp nhất và không thể xuống thấp hơn. Ở trạng thái đó nó không phát ra năng lượng nên không xoáy vào hạt nhân như vật lý cổ điển dự đoán.
Quang phổ vạch là gì?
Khi ánh sáng do một chất khí phát ra được tách qua lăng kính, ta thấy những vạch màu riêng biệt thay vì dải màu liên tục. Mỗi nguyên tố có bộ vạch riêng, dùng để nhận biết thành phần của vật chất.
Có ai đã chụp được ảnh electron không?
Electron không thể chụp như chụp một vật thường. Các kỹ thuật hiện đại đã ghi được hình ảnh phản ánh phân bố electron quanh nguyên tử và phân tử, nhưng đó là ảnh của đám mây khả năng, không phải ảnh một viên bi.
