Mô hình lớp vỏ electron

Sau bài này, em mô tả được mô hình lớp vỏ electron trong nguyên tử, gọi đúng tên các lớp electron bằng số thứ tự $n$ (1, 2, 3, 4) và bằng chữ cái K, L, M, N, đồng thời tính được số electron tối đa mà mỗi lớp có thể chứa bằng công thức $2n^2$.

Ở Course 1 (Thành phần nguyên tử), em đã biết nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương ở giữa, còn electron mang điện tích âm chuyển động rất nhanh trong không gian xung quanh. Với nguyên tử trung hoà về điện, tổng số electron đúng bằng số hiệu nguyên tử $Z$ (cũng là số proton trong hạt nhân). Bài này trả lời câu hỏi tiếp theo: các electron đó sắp xếp quanh hạt nhân theo quy luật nào, chứ không di chuyển hỗn loạn một cách tuỳ tiện.

Trong nguyên tử, electron không chuyển động tự do khắp nơi mà sắp xếp thành từng **lớp electron**, mỗi lớp ứng với một mức năng lượng xác định. Lớp càng gần hạt nhân thì mức năng lượng của electron trên lớp đó càng thấp (electron bị hạt nhân hút giữ chặt hơn); lớp càng xa hạt nhân thì mức năng lượng càng cao (electron liên kết lỏng lẻo hơn với hạt nhân, dễ tách ra hơn khi hình thành liên kết hoá học). Các lớp electron được đánh số bằng những số nguyên dương $n = 1, 2, 3, 4, \ldots$, tính từ trong ra ngoài, gọi là **số thứ tự lớp**. Song song đó, mỗi lớp còn có một tên gọi bằng chữ cái viết hoa, quen dùng trong chương trình phổ thông: lớp $n=1$ gọi là lớp K, $n=2$ là lớp L, $n=3$ là lớp M, $n=4$ là lớp N. Mỗi lớp electron chỉ chứa được một số electron tối đa nhất định, tính theo công thức $2n^2$. Với $n=1$ (lớp K): tối đa $2 \times 1^2 = 2$ electron. Với $n=2$ (lớp L): tối đa $2 \times 2^2 = 8$ electron. Với $n=3$ (lớp M): tối đa $2 \times 3^2 = 18$ electron. Với $n=4$ (lớp N): tối đa $2 \times 4^2 = 32$ electron. Cần phân biệt rõ hai điều: $2n^2$ là **giới hạn tối đa** mà một lớp có thể chứa, không có nghĩa là mọi nguyên tử đều lấp đầy lớp ngoài cùng của mình đến đúng con số đó. Rất nhiều nguyên tử có lớp ngoài cùng còn dang dở, chưa đạt tối đa — điều này sẽ rõ hơn khi em học nguyên lí sắp xếp electron ở Chương 2.

Mô hình lớp electron không phải là suy đoán tuỳ tiện — nó có bằng chứng thực nghiệm. Khi khí hydrogen loãng bị kích thích bằng dòng điện rồi phát ánh sáng, ánh sáng đó không tạo thành một dải màu liên tục như cầu vồng, mà chỉ xuất hiện ở một số vạch màu tách biệt — hiện tượng gọi là quang phổ vạch. Điều này cho thấy electron trong nguyên tử hydrogen chỉ có thể tồn tại ở một số mức năng lượng rời rạc nhất định, chứ không nhận bất kì giá trị năng lượng nào một cách liên tục. Mỗi vạch màu ứng với việc electron nhảy từ lớp có mức năng lượng cao xuống lớp có mức năng lượng thấp hơn, giải phóng đúng một lượng năng lượng bằng hiệu hai mức đó. Chính bằng chứng quang phổ này, quan sát được từ đầu thế kỉ XX, là cơ sở thực nghiệm cho mô hình lớp electron mà em đang học — không phải một cách vẽ hình tuỳ ý, mà phản ánh cấu trúc năng lượng thật sự bên trong nguyên tử.