Nguyên tử được cấu tạo như thế nào?

Cấu tạo của nguyên tử

Định nghĩa về nguyên tử được tạo ra như thế nào? Tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn được cấu thành từ những nguyên tử khác nhau và cấu trúc của các nguyên tử dẫn đến hàng loạt các hiện tượng như phân rã phóng xạ, năng lượng hạt nhân,…Nguyên tử chỉ là đơn vị nhỏ nhưng lại góp phần tạo nên những thành quả lớn, để hiểu chi tiết về nó thì hãy đọc bài viết bên dưới. 

Nguyên tử là gì

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất, tính đến thời điểm hiện tại thì nhiều quan điểm cho rằng chúng được hình thành bởi 3  hạt chính là proton, notron và electron cùng nhiều những hạt nhỏ hơn như quark, gluon, lepson,… Bên trong sẽ có hạt nhân nằm ở lõi trung tâm chứa hạt proton và notron, bên ngoài được bao phủ bởi “đám mây” electron. 

Nguyên tử là gì?
Nguyên tử là gì?

Nguyên tử được giữ trên quỹ đạo bởi lực điện từ giữa các electron mang điện tích âm và các proton mang điện tích dương ở hạt nhân trung tâm. Bạn có thể tưởng tượng như hạt nhân là hệ mặt trời, và đám electron là các hành tinh xoay quanh nó. Nhưng “đám mây” đó sẽ mang một chút dạng sóng lưới liên kết với nhau chứ không phải từng hạt một bị riêng lẻ.

Quá trình hình thành tạo ra nguyên tử

Nguyên tử được cấu tạo như thế nào trong thời gian dài qua? Chúng được hình thành ngay sau “Vụ nổ lớn” khi vũ trụ của chúng ta bắt nguồn từ năng lượng thuần túy cách đây 13,7 tỉ năm trước. Quá trình hình thành như sau:

  • Lúc đó chỉ là một khối khổng lồ bao gồm hạt quark, electron, proton. Thủa sơ khai, vũ trụ đang nóng cùng kết cấu dày đặc khiến việc tạo thành nguyên tử là không thể. Nguyên do là hạt quark kết hợp tạo nên một proton hoặc một notron nhưng khi có một hạt khác lao vào với tốc độ cao thì phá vỡ cấu trúc, hạt nuclon sắp được tạo thành cũng sẽ bị vỡ.
  • Một thời gian sau thì vũ trụ đã hạ nhiệt cùng với việc giãn nở hơn đã tạo ra một môi trường lan rộng và chậm. Từ đây hạt quark liên kết chặt hơn để tạo thành nucleon mà không bị vỡ ngay lập tức. Các hạt proton, notron, electron sẽ chạy quanh, không liên kết với nhau nhưng đã đủ chắc chắn để không bị vỡ khi va vào nhau.
  • Thời gian dài sau, vũ trụ nguội đến mức hạt nhân lúc này đã có thể giữ được electron tạo thành một nguyên tử, chủ yếu là hydro, mà không bị nổ tung ngay lập tức bởi một hạt cơ bản khác đi qua.

Thời gian phát triển giữa các giai đoạn là hoàn toàn khác nhau. Chúng có thể chỉ mất vài giây để tới proton và notron, vài phút để tới hạt nhân nhưng lại mất vài trăm nghìn năm để trở thành một nguyên tử trọn vẹn. 

Nguyên tử được cấu tạo thế nào 

Nguyên tử được cấu tạo như thế nào? Không thể hình thành một nguyên tử chỉ từ một hạt electron và một hạt proton, về cơ bản thì điều này hơi khó hiểu vì lý thuyết cơ bản là 1 electron sẽ đi kèm với 1 proton. Nhưng thực thế là nếu có 1 electron đính với 1 proton và không có hạt nào khác thì sẽ không thể kết dính với nhau, ảnh hưởng của năng lượng và động lượng cũng sẽ tác động, từ đây khiến việc hình thành nguyên tử là không thể.  

Cấu tạo của nguyên tử như thế nào
Cấu tạo của nguyên tử như thế nào

So sánh chung thì một proton nặng hơn một electron cỡ 1,835 lần, proton nằm trong nhân trung tâm và hạt electron như dạng đám mây bao quanh bên ngoài nên nhẹ hơn. Nhưng xét theo bán kính thì e lớn hơn nhân 10000 lần. Các nguyên tử luôn có số lượng proton và electron bằng nhau, và số lượng proton và neutron cũng thường giống nhau. Thêm một proton vào một nguyên tử sẽ tạo ra một nguyên tố mới, trong khi thêm một neutron tạo ra một đồng vị hoặc phiên bản nặng hơn của nguyên tử đó.

Nhân của nguyên tử

Cấu tạo hạt proton trong nhân tế bào được phát hiện vào năm 1911 bởi Ernest Rutherford, một nhà vật lý từ New Zealand.  Năm 1920, Rutherford đề xuất tên proton cho các hạt tích điện dương của nguyên tử đồng thời đưa ra giả thuyết rằng có một hạt trung tính bên trong hạt nhân. Sau đó điều này đã được xác nhận vào năm 1932 bởi James Chadwick, một nhà vật lý người Anh và là sinh viên của Rutherford.

Nhân của nguyên tử
Nhân của nguyên tử

Hầu như toàn bộ khối lượng của một nguyên tử nằm trong hạt nhân của nó, các proton và notron tạo nên hạt nhân có cùng khối lượng (proton nhẹ hơn một chút) và có cùng momen động lượng, hay spin. Hạt nhân được liên kết với nhau bằng lực mạnh – một trong bốn lực cơ bản tự nhiên. Một số hạt nhân nguyên tử không ổn định vì lực liên kết thay đổi đối với các nguyên tử khác nhau dựa trên kích thước của hạt nhân. Những nguyên tử này sau đó sẽ phân rã thành các nguyên tố khác, chẳng hạn như carbon-14 phân hủy thành nitơ-14.

Proton

Rutherford đã phát hiện ra chúng trong các thí nghiệm với ống tia âm cực được tiến hành từ năm 1911 đến năm 1919. Proton là các hạt tích điện dương được tìm thấy trong hạt nhân nguyên tử và số lượng proton trong một nguyên tử là duy nhất cho mỗi nguyên tố. Ví dụ, nguyên tử cacbon có sáu proton, nguyên tử hydro có một và nguyên tử oxy có tám.

Proton trong nguyên tử
Proton trong nguyên tử

Số lượng proton trong một nguyên tử được gọi là số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó và nó cũng một phần xác định hành vi hóa học của nguyên tố. Các nguyên tố được sắp xếp trong Bảng tuần hoàn hóa học được đi theo thứ tự là số hiệu nguyên tử tăng dần. Ba quark kết hợp tạo thành mỗi proton, mỗi quark có 2/3 điện tích dương và có 1/3 điện tích âm chúng được giữ với nhau bởi các hạt hạ nguyên tử khác gọi là gluon không có khối lượng. 

Xem thêm bài viết: Tiêm HPV là gì?

Electron trong nguyên tử được cấu tạo như thế nào?

Nguyên tử được cấu tạo như thế nào? Số lượng electron quay xung quanh một hạt nhân thường giống với số hiệu nguyên tử, do đó điện tích của chúng triệt tiêu nhau dẫn đến một nguyên tử trung hòa. Tuy nhiên, hình dung cách electron di chuyển quanh hạt nhân nguyên tử cho dù theo quỹ đạo sạch hay dưới dạng đám mây thì chúng đều quay quanh lớp vỏ có năng lượng ngày càng cao hơn. Và mỗi lớp vỏ có thể kết hợp tối đa một số lượng điện tử nhất định. 

Electron rất nhỏ so với proton và notron, nhỏ hơn 1.800 lần. Theo Phòng thí nghiệm Jefferson, các electron cũng chỉ nặng bằng khoảng 0,054% so với notron. Cấu hình electron của một nguyên tử đề cập đến vị trí của các electron trong một nguyên tử điển hình. Một số phòng thí nghiệm cho rằng sử dụng cấu hình electron và các nguyên tắc vật lý thì các nhà hóa học có thể dự đoán được các tính chất của nguyên tử, chẳng hạn như độ ổn định, điểm sôi và độ dẫn điện.  

Joseph John Thomson, nhà vật lý người Anh, phát hiện ra electron vào năm 1897. Ban đầu được gọi là “tiểu thể”, các electron mang điện tích âm và bị hút về điện bởi các proton mang điện tích dương. Các electron bao quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo – đây là giả thiết của Erwin Schrodinger, một nhà vật lý người Áo, đưa ra vào những năm 1920. Ngày nay, mô hình này được gọi là mô hình lượng tử hoặc mô hình đám mây điện tử. Các quỹ đạo bên trong bao quanh nguyên tử có dạng hình cầu nhưng các quỹ đạo bên ngoài phức tạp hơn nhiều.

Electron trong nguyên tử được cấu tạo như thế nào
Electron trong nguyên tử được cấu tạo như thế nào

Lớp vỏ năng lượng thấp nhất, gần hạt nhân nhất, được gọi là lớp vỏ K và chỉ có thể chứa hai electron. Sau khi lớp vỏ K được lấp đầy, bất kỳ electron tiếp theo nào sẽ đi vào lớp vỏ L, có thể chứa 8 electron, sau đó là lớp vỏ M có thể chứa 18 electron, sau đó là lớp vỏ N và lớp vỏ O có thể chứa 32 electron mỗi. Trên thực tế, vỏ O về mặt lý thuyết có thể chứa 50 electron, nhưng không có nguyên tố nào được biết đến với nhiều electron như vậy.

Cấu hình electron của một nguyên tử đề cập đến vị trí của các electron trong một nguyên tử điển hình. Một số phòng thí nghiệm cho rằng sử dụng cấu hình electron và các nguyên tắc vật lý thì các nhà hóa học có thể dự đoán được các tính chất của nguyên tử, chẳng hạn như độ ổn định, điểm sôi và độ dẫn điện.  

Notron

Sự tồn tại của notron được Rutherford đưa ra giả thuyết vào năm 1920 và được Chadwick phát hiện vào năm 1932, theo Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Các neutron được tìm thấy trong các thí nghiệm khi các nguyên tử bị bắn vào một tấm berili mỏng. Các hạt hạ nguyên tử không có điện tích được giải phóng – notron.

Notron là các hạt không tích điện được tìm thấy trong tất cả các hạt nhân nguyên tử (trừ hydro). Khối lượng của notron lớn hơn một chút so với proton. Giống như proton, notron cũng được tạo thành từ các quark, một quark “lên” (có điện tích dương 2/3) và hai quark “xuống” (mỗi quark có điện tích 1/3 âm). 

Sự khác nhau giữa nguyên tử và phân tử

Có hai khái niệm dễ làm người ta nhầm lẫn đó là nguyên tử và phân tử, nghe có vẻ giống nhau nhưng về mặt bản chất thì chúng khác nhau hoàn toàn. Nên để hiểu chi tiết thì bạn hãy đọc phần sau:

Nguyên tử

Các nguyên tử được định nghĩa là các phân tử nhỏ nhất có thể được phân chia để tạo thành một nguyên tố hóa học. Nguyên tử rất nhỏ và có mặt ở dạng rắn, lỏng và khí, chúng bao gồm các electron và hạt nhân (có chứa notron và proton). Cấu trúc của một nguyên tử có thể được mô tả như một hạt cực nhỏ, cùng với nhiều tính chất khác nhau.

Ví dụ: Oxy (O), Lưu huỳnh (S), Phốt pho (P), Hydro (H)

Phân tử

Mặt khác, các phân tử được định nghĩa là nhóm các nguyên tử tạo thành một số đơn vị để có thể phân chia các chất tinh khiết. Những chất/hóa chất tinh khiết này có thể duy trì tính chất hóa học của chúng. 

Sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử
Sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử

Một phân tử là đơn vị nhỏ nhất của một hợp chất và có vài điểm tương phản giữa các nguyên tử và phân tử. Phân tử bao gồm một nhóm gồm hai hay nhiều nguyên tử kết hợp với nhau. Cấu trúc của các phân tử có thể được mô tả là nhóm nguyên tử liên kết hoặc kết hợp.

Ví dụ: Oxy (O2), Nước (H2O), Lưu huỳnh (S8), Phốt pho (P4)

Lời kết

Bên trên là một số đặc điểm của nguyên tử và giải đáp nguyên tử được cấu tạo như thế nào mà bạn nên biết để áp dụng vào bài tập hoặc nghiên cứu của mình. Hãy tham khảo thêm những bài viết khác liên quan đến lĩnh vực hóa học và vật lý được đề xuất để trang bị thêm cho mình những kiến thức thú vị!

Xem thêm bài viết: Van điều áp hơi là gì

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Liên hệ ngay

Liên hệ
"