Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Sự tìm ra electron và hạt nhân nguyên tử
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em trình bày được thí nghiệm tìm ra electron của Thomson và thí nghiệm tìm ra hạt nhân nguyên tử của Rutherford, giải thích được vì sao kết quả hai thí nghiệm đó buộc các nhà khoa học phải thay đổi mô hình nguyên tử, và mô tả được mô hình nguyên tử hiện đại: hạt nhân mang điện dương ở tâm, electron mang điện âm chuyển động xung quanh trong một không gian gần như rỗng.
Kiến thức nền cần nhớ
Prior-grade review: ở môn Khoa học tự nhiên lớp 7–8, em đã học rằng mọi chất đều cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ gọi là nguyên tử, nguyên tử trung hoà về điện và gồm hạt nhân ở tâm cùng lớp vỏ electron bao quanh. Điều THCS chưa trả lời là: những thí nghiệm nào đã chứng minh cấu tạo đó, và vì sao các nhà khoa học tin rằng hạt nhân nằm ở giữa chứ không phải electron trộn đều trong toàn bộ nguyên tử? Bài này lấp đúng chỗ trống đó bằng hai thí nghiệm kinh điển của Hoá học đại cương.
Khởi động
Hình dung nguyên tử là một quả cầu đặc, vật chất mang điện dương phân bố đều khắp quả cầu, còn electron chỉ là những hạt bé tí cắm rải rác bên trong — giống hạt nho khô cắm trong khối bánh pudding. Đó chính là mô hình mà nhà vật lí Thomson đề xuất năm 1897. Nếu mô hình này đúng, khi bắn một chùm hạt mang điện dương xuyên qua một lá kim loại rất mỏng, gần như mọi hạt phải xuyên thẳng qua, chỉ lệch đi rất ít vì điện tích trong lá kim loại phân bố đều và yếu. Mười bốn năm sau, Rutherford làm đúng thí nghiệm đó — và kết quả khiến cả giới khoa học phải nghĩ lại.
Kiến thức trọng tâm
**Thí nghiệm của Thomson (1897) — tìm ra electron.** Thomson cho dòng điện phóng qua một ống thuỷ tinh gần như chân không, tạo ra tia âm cực. Khi đặt tia này trong điện trường, nó bị lệch về phía bản cực dương — chứng tỏ tia âm cực gồm những hạt mang điện âm. Đo tỉ số điện tích trên khối lượng, Thomson thấy hạt này nhẹ hơn nguyên tử hydrogen — nguyên tử nhẹ nhất đã biết — khoảng 1800 lần. Ông gọi hạt đó là **electron** và kết luận nó tồn tại bên trong mọi nguyên tử, bất kể kim loại làm điện cực là gì. Từ đó Thomson đề xuất mô hình 'bánh pudding nho khô': nguyên tử là một khối cầu mang điện dương đồng nhất, các electron mang điện âm rải rác bên trong sao cho tổng điện tích bằng không.
**Thí nghiệm của Rutherford (1911) — tìm ra hạt nhân nguyên tử.** Rutherford và cộng sự bắn một chùm hạt alpha (hạt mang điện dương, khối lượng lớn hơn electron rất nhiều) vào một lá vàng mỏng chỉ vài nghìn lớp nguyên tử, rồi ghi lại hướng đi của các hạt sau khi xuyên qua bằng một màn huỳnh quang đặt xung quanh. Kết quả có ba điều đáng chú ý. Thứ nhất, tuyệt đại đa số hạt alpha xuyên thẳng qua lá vàng như thể không có gì cản đường — cho thấy nguyên tử phần lớn là khoảng không gian trống. Thứ hai, một số ít hạt bị lệch hướng đáng kể. Thứ ba — điều bất ngờ nhất — cứ khoảng một trong hai vạn hạt lại bật ngược trở lại gần như đúng hướng nó bắn tới. Rutherford ví hiện tượng đó như 'bắn một viên đạn pháo 15 inch vào một tờ giấy lụa và nó bật ngược trở lại'. Mô hình bánh pudding của Thomson — với điện tích dương trải đều yếu ớt khắp nguyên tử — không thể tạo ra một lực đẩy đủ mạnh để làm hạt alpha bật ngược. Kết luận duy nhất hợp lí: gần như toàn bộ khối lượng và toàn bộ điện tích dương của nguyên tử phải tập trung tại một điểm cực nhỏ ở tâm — Rutherford gọi đó là **hạt nhân nguyên tử**.
Từ hai thí nghiệm trên, mô hình nguyên tử hiện đại hình thành: nguyên tử gồm một hạt nhân rất nhỏ, đặc, mang điện dương nằm ở tâm, và các electron mang điện âm chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân trong một không gian gần như rỗng — tương tự các hành tinh quay quanh Mặt Trời, nên mô hình này còn gọi là mẫu hành tinh nguyên tử. Bảy năm sau, năm 1918, chính Rutherford xác nhận hạt mang điện dương trong hạt nhân là **proton**. Đến năm 1932, nhà vật lí Chadwick tìm ra loại hạt thứ ba nằm trong hạt nhân — hạt không mang điện, gọi là **neutron**. Đến đây, ba loại hạt cấu tạo nên nguyên tử đã được xác định đầy đủ; bài học tiếp theo mô tả chi tiết khối lượng, điện tích và vai trò của từng loại hạt.
Ví dụ
Giải thích ba hiện tượng trong thí nghiệm Rutherford
1
Trong thí nghiệm bắn hạt alpha qua lá vàng mỏng, Rutherford quan sát: (1) hầu hết hạt alpha xuyên thẳng qua lá vàng; (2) một số ít hạt bị lệch hướng; (3) cực ít hạt bật ngược trở lại. Hãy giải thích từng hiện tượng theo mô hình nguyên tử hiện đại.
2
Đa số hạt alpha xuyên thẳng vì phần lớn thể tích nguyên tử là khoảng không gian trống — nơi các electron rất nhẹ chuyển động, không đủ sức cản đường một hạt alpha nặng.
3
Một số hạt lệch hướng khi bay sượt gần hạt nhân, chịu lực đẩy tĩnh điện từ điện tích dương tập trung tại đó. Cực ít hạt bật ngược khi bay gần như trúng thẳng vào hạt nhân — chỉ một khối rất nhỏ, rất đặc, mang điện dương mới đủ khả năng đẩy ngược một hạt alpha đang bay nhanh.
4
Ba hiện tượng cùng khẳng định: nguyên tử có cấu tạo rỗng, và gần như toàn bộ khối lượng cùng điện tích dương tập trung tại một hạt nhân cực nhỏ ở tâm nguyên tử.
Ví dụ
So sánh mô hình Thomson và mô hình Rutherford (dạng thi)
1
Một học sinh phát biểu: 'Mô hình bánh pudding nho khô của Thomson và mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford chỉ khác nhau về cách gọi tên, bản chất giống hệt nhau.' Nhận xét đúng hay sai và giải thích bằng một thí nghiệm cụ thể.
2
Phát biểu trên sai.
3
Theo mô hình Thomson, điện tích dương trải đều và yếu trên toàn bộ thể tích nguyên tử — nếu đúng, mọi hạt alpha bắn vào lá vàng chỉ có thể lệch rất nhẹ, không hạt nào đủ lực bật ngược trở lại. Thực nghiệm của Rutherford lại cho thấy một số cực ít hạt bật ngược gần như 180 độ — điều mô hình Thomson không thể giải thích. Điều đó buộc phải thay bằng mô hình mới: điện tích dương và khối lượng tập trung tại một hạt nhân nhỏ, đặc ở tâm, thay vì trải đều.
4
Vậy hai mô hình khác nhau về bản chất phân bố điện tích dương trong nguyên tử, và chính sự khác biệt đó khiến chỉ mô hình Rutherford giải thích được kết quả thực nghiệm.
Sai lầm thường gặp
Nhiều bạn nhầm rằng electron cũng nằm trong hạt nhân cùng proton — thực ra hạt nhân chỉ gồm proton và neutron; electron luôn thuộc lớp vỏ, chuyển động bên ngoài hạt nhân. Một nhầm lẫn khác là nghĩ nguyên tử 'đặc như một viên bi' — thí nghiệm Rutherford chứng minh điều ngược lại: nguyên tử gần như rỗng, chỉ có một phần cực nhỏ ở tâm là đặc.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Thí nghiệm tia âm cực (Thomson, 1897) tìm ra electron; thí nghiệm bắn hạt alpha qua lá vàng (Rutherford, 1911) tìm ra hạt nhân nguyên tử — nhỏ, đặc, mang điện dương, tập trung gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử. Proton được xác nhận năm 1918, neutron được tìm ra năm 1932. Mô hình hiện đại: hạt nhân ở tâm, electron chuyển động xung quanh trong không gian gần như rỗng.
Bài tiếp theo mô tả cụ thể ba loại hạt vừa nhắc tới — proton, neutron, electron — về khối lượng, điện tích và vị trí, để em có một bảng dữ kiện đầy đủ dùng cho mọi bài toán về cấu tạo nguyên tử sau này.
Sau bài này, em trình bày được thí nghiệm tìm ra electron của Thomson và thí nghiệm tìm ra hạt nhân nguyên tử của Rutherford, giải thích được vì sao kết quả hai thí nghiệm đó buộc các nhà khoa học phải thay đổi mô hình nguyên tử, và mô tả được mô hình nguyên tử hiện đại: hạt nhân mang điện dương ở tâm, electron mang điện âm chuyển động xung quanh trong một không gian gần như rỗng.
Prior-grade review: ở môn Khoa học tự nhiên lớp 7–8, em đã học rằng mọi chất đều cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ gọi là nguyên tử, nguyên tử trung hoà về điện và gồm hạt nhân ở tâm cùng lớp vỏ electron bao quanh. Điều THCS chưa trả lời là: những thí nghiệm nào đã chứng minh cấu tạo đó, và vì sao các nhà khoa học tin rằng hạt nhân nằm ở giữa chứ không phải electron trộn đều trong toàn bộ nguyên tử? Bài này lấp đúng chỗ trống đó bằng hai thí nghiệm kinh điển của Hoá học đại cương.
Hình dung nguyên tử là một quả cầu đặc, vật chất mang điện dương phân bố đều khắp quả cầu, còn electron chỉ là những hạt bé tí cắm rải rác bên trong — giống hạt nho khô cắm trong khối bánh pudding. Đó chính là mô hình mà nhà vật lí Thomson đề xuất năm 1897. Nếu mô hình này đúng, khi bắn một chùm hạt mang điện dương xuyên qua một lá kim loại rất mỏng, gần như mọi hạt phải xuyên thẳng qua, chỉ lệch đi rất ít vì điện tích trong lá kim loại phân bố đều và yếu. Mười bốn năm sau, Rutherford làm đúng thí nghiệm đó — và kết quả khiến cả giới khoa học phải nghĩ lại.
Thí nghiệm của Thomson (1897) — tìm ra electron. Thomson cho dòng điện phóng qua một ống thuỷ tinh gần như chân không, tạo ra tia âm cực. Khi đặt tia này trong điện trường, nó bị lệch về phía bản cực dương — chứng tỏ tia âm cực gồm những hạt mang điện âm. Đo tỉ số điện tích trên khối lượng, Thomson thấy hạt này nhẹ hơn nguyên tử hydrogen — nguyên tử nhẹ nhất đã biết — khoảng 1800 lần. Ông gọi hạt đó là electron và kết luận nó tồn tại bên trong mọi nguyên tử, bất kể kim loại làm điện cực là gì. Từ đó Thomson đề xuất mô hình 'bánh pudding nho khô': nguyên tử là một khối cầu mang điện dương đồng nhất, các electron mang điện âm rải rác bên trong sao cho tổng điện tích bằng không.
Thí nghiệm của Rutherford (1911) — tìm ra hạt nhân nguyên tử. Rutherford và cộng sự bắn một chùm hạt alpha (hạt mang điện dương, khối lượng lớn hơn electron rất nhiều) vào một lá vàng mỏng chỉ vài nghìn lớp nguyên tử, rồi ghi lại hướng đi của các hạt sau khi xuyên qua bằng một màn huỳnh quang đặt xung quanh. Kết quả có ba điều đáng chú ý. Thứ nhất, tuyệt đại đa số hạt alpha xuyên thẳng qua lá vàng như thể không có gì cản đường — cho thấy nguyên tử phần lớn là khoảng không gian trống. Thứ hai, một số ít hạt bị lệch hướng đáng kể. Thứ ba — điều bất ngờ nhất — cứ khoảng một trong hai vạn hạt lại bật ngược trở lại gần như đúng hướng nó bắn tới. Rutherford ví hiện tượng đó như 'bắn một viên đạn pháo 15 inch vào một tờ giấy lụa và nó bật ngược trở lại'. Mô hình bánh pudding của Thomson — với điện tích dương trải đều yếu ớt khắp nguyên tử — không thể tạo ra một lực đẩy đủ mạnh để làm hạt alpha bật ngược. Kết luận duy nhất hợp lí: gần như toàn bộ khối lượng và toàn bộ điện tích dương của nguyên tử phải tập trung tại một điểm cực nhỏ ở tâm — Rutherford gọi đó là hạt nhân nguyên tử.
Từ hai thí nghiệm trên, mô hình nguyên tử hiện đại hình thành: nguyên tử gồm một hạt nhân rất nhỏ, đặc, mang điện dương nằm ở tâm, và các electron mang điện âm chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân trong một không gian gần như rỗng — tương tự các hành tinh quay quanh Mặt Trời, nên mô hình này còn gọi là mẫu hành tinh nguyên tử. Bảy năm sau, năm 1918, chính Rutherford xác nhận hạt mang điện dương trong hạt nhân là proton. Đến năm 1932, nhà vật lí Chadwick tìm ra loại hạt thứ ba nằm trong hạt nhân — hạt không mang điện, gọi là neutron. Đến đây, ba loại hạt cấu tạo nên nguyên tử đã được xác định đầy đủ; bài học tiếp theo mô tả chi tiết khối lượng, điện tích và vai trò của từng loại hạt.
Theo mô hình Thomson, điện tích dương trải đều và yếu trên toàn bộ thể tích nguyên tử — nếu đúng, mọi hạt alpha bắn vào lá vàng chỉ có thể lệch rất nhẹ, không hạt nào đủ lực bật ngược trở lại. Thực nghiệm của Rutherford lại cho thấy một số cực ít hạt bật ngược gần như 180 độ — điều mô hình Thomson không thể giải thích. Điều đó buộc phải thay bằng mô hình mới: điện tích dương và khối lượng tập trung tại một hạt nhân nhỏ, đặc ở tâm, thay vì trải đều.
Thí nghiệm tia âm cực (Thomson, 1897) tìm ra electron; thí nghiệm bắn hạt alpha qua lá vàng (Rutherford, 1911) tìm ra hạt nhân nguyên tử — nhỏ, đặc, mang điện dương, tập trung gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử. Proton được xác nhận năm 1918, neutron được tìm ra năm 1932. Mô hình hiện đại: hạt nhân ở tâm, electron chuyển động xung quanh trong không gian gần như rỗng.