Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao quanh bởi đám mây điện tích âm những electron. Hạt nhân nguyên tử là dạng gắn kết hỗn hợp giữa những proton mang điện tích dương và những neutron trung hòa điện (ngoại trừ trường hợp của nguyên tử hydro, với hạt nhân ổn định chỉ chứa một proton duy nhất không có neutron). Electron của nguyên tử liên kết với hạt nhân bởi tương tác điện từ và tuân theo những nguyên lý của cơ học lượng tử. Tương tự như vậy, nhóm những nguyên tử liên kết với nhau bởi liên kết hóa học dựa ở trên cùng một tương tác này, và tạo nên phân tử. Một nguyên tử chứa số hạt electron bằng số hạt proton thì trung hòa về điện tích, trong khi số electron nếu nhiều hoặc ít hơn thì nó mang điện tích âm hoặc dương và gọi là ion. Nguyên tử được phân loại tuân theo số proton và neutron trong hạt nhân của nó: số proton xác định lên nguyên tố hóa học, và số neutron xác định đồng vị của nguyên tố đó.[1]
Tên gọi nguyên tử hóa học mà hay gọi đơn thuần là ” nguyên tử ” là những đối tượng người sử dụng rất nhỏ với đường kính chỉ khoảng chừng vài phần mười nano mét và có khối lượng rất nhỏ tỷ suất với thể tích của nguyên tử. Chúng ta hoàn toàn có thể quan sát nguyên tử đơn lẻ bằng những thiết bị như kính hiển vi quét chui hầm. ở trên 99,94 % khối lượng nguyên tử tập trung chuyên sâu tại hạt nhân, [ ct 1 ] với tổng khối lượng proton xê dịch bằng tổng khối lượng neutron. Mỗi nguyên tố có tối thiểu một đồng vị với hạt nhân không không thay đổi hoàn toàn có thể trải qua quy trình phân rã phóng xạ. Quá trình này dẫn đến biến hóa hạt nhân làm biến hóa số proton hoặc neutron trong hạt nhân nguyên tử. [ 2 ] Electron link trong nguyên tử có những mức nguồn năng lượng không thay đổi rời rạc, hay orbital, và chúng hoàn toàn có thể vận động và di chuyển giữa 2 mức nguồn năng lượng bằng hấp thụ hay phát ra photon có nguồn năng lượng đúng bằng hiệu giữa 2 mức nguồn năng lượng này. những electron có vai trò xác lập lên đặc thù hóa học của một nguyên tố, và tác động ảnh hưởng mạnh tới đặc thù từ tính của nguyên tử cũng như vật tư. Những nguyên tắc của cơ học lượng tử đã miêu tả thành công xuất sắc những đặc thù quan sát thấy của nguyên tử và là nền tảng cho kim chỉ nan nguyên tử và hạt hạ nguyên tử ( hạt quark, proton, neutron … ) .
Tên tiếng Anh “atom” xuất phát từ tiếng Hy Lạp ἄτομος (atomos, “vô hình”) từ ἀ- (a-, “không”) và τέμνω (temnō, “cắt”),[3] có nghĩa là không cắt được, hoặc vô hình, một thứ không thể chia cắt được.[4] Khái niệm nguyên tử là thành phần vô hình của vật chất do những nhà triết học Ấn Độ và Hy Lạp đề xuất ra đầu tiên. Trong thế kỷ thứ 18 và 19, những nhà hóa học nêu ra một cơ sở vật lý cho ý tưởng này bằng cách chỉ ra có những chất không thể bị bẻ gãy bởi cách hóa học, và họ lấy tên gọi từ những nhà triết học cổ đại là nguyên tử để đặt cho những thực thể hóa học. Trong giai đoạn cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, những nhà vật lý đã phát hiện ra những thành phần hạ nguyên tử và cấu trúc bên trong nguyên tử, và do vậy chứng minh “nguyên tử” hóa học có thể phân chia được và tên gọi này có thể không miêu tả đúng bản chất của chúng.[5] Tuy nhiên, nó đã trở thành một thuật ngữ khoa học hiện đại. Điều này cũng dẫn đến những tranh luận về liệu những nhà triết học cổ đại, những người định nghĩa những vật vô hình và không thể phân chia được có phải là cho những nguyên tử hóa học hiện đại hay là cho những hạt hạ nguyên tử vô hình như lepton hay quark, hay thậm chí cho những hạt cơ bản hơn mà chưa phát hiện ra.[7]
Nguyên tử là gì vậy?
Bạn đang đọc: Nguyên tử là gì vậy?Từ nguyên tử trong tiếng Việt bắt nguồn từ tiếng Hán gốc Nhật 原子 (bính âm: yuánzǐ, tiếng Nhật: genshi). Với nguyên trong nguyên thủy và tử trong phân tử
Nguyên tử luận
Khái niệm về vật chất là tổng hợp của những đơn vị chức năng rời rạc và không hề chia nhỏ hơn đã Open từ nhiều thiên niên kỷ, nhưng những khái niệm này thường là những lập luận triết học và trừu tượng hơn là dựa ở trên những quan sát thực nghiệm. Bản chất của nguyên tử trong triết học đổi khác theo thời hạn giữa nhiều nền văn minh và phe phái cổ đại, hầu hết có yếu tố niềm tin siêu hình học. Tuy vậy, khái niệm cơ bản về nguyên tử được những nhà khoa học hàng nghìn năm sau gật đầu do tại nó lý giải một cách đơn thuần một số ít tò mò mới trong nghành hóa học .
những nhà triết học cổ đại Hy Lạp và Ấn Độ đã nhắc tới khái niệm nguyên tử. Ở Ấn Độ, những trường phái Ājīvika, Jain, và Cārvāka bàn về nguyên tử luận bắt đầu từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. Hệ thống tư tưởng Nyaya và Vaisheshika sau đó phát triển thuyết về nguyên tử khi đề ra cách những nguyên tử kết hợp lại thành thực thể phức tạp hơn. Ở phương Tây, nguyên tử luận được nhắc đến từ thế kỷ 5 TCN bởi Leucippus, và người học trò của ông Democritos đã tiếp nối và hệ thống hóa lý luận. Khoảng giao đoạn 450 TCN, Democritos đưa ra thuật ngữ átomos (tiếng Hy Lạp: ἄτομος), có nghĩa là “không thể cắt được” hay “hạt vô hình nhỏ nhất của vật chất”. Mặc dù những khái niệm này của những triết gia Ấn Độ và Hy Lạp cổ đại thuần túy dựa vào mặt tinh thần, khoa học hiện đại đã bảo lưu thuật ngữ do Democritos đưa ra.
Lý thuyết về những hạt rất nhỏ ( Corpuscularianism ) do nhà giả kim Geber nêu ra từ thế kỷ XIII, đôi lúc có người cho là bởi Paul từ Taranto nêu ra, đó là mọi vật thể chứa bên trong và những hạt hoặc những tiểu thể rất nhỏ. Chủ nghĩa này giống với nguyên tử luận, ngoại trừ nguyên từ được giả thiết là hạt vô hình dung, và những hạt về nguyên tắc hoàn toàn có thể phân loại được. Theo kim chỉ nan này, ví dụ, người ta cho rằng thủy ngân hoàn toàn có thể thấm vào sắt kẽm kim loại và làm biến hóa cấu trúc bên trong của nó. [ 13 ] Corpuscularianism là kim chỉ nan điển hình nổi bật trong vài trăm năm sau đó .
Năm 1661, nhà triết học tự nhiên Robert Boyle xuất bản cuốn The Sceptical Chymist trong đó ông lập luận rằng vật chất là tổ hợp của khá nhiều “tiểu thể” hay nguyên tử, hơn là bởi bốn nguyên tố cơ bản là không khí, đất, nước và lửa. Trong những năm 1670 lý thuyết về những tiểu thể được Isaac Newton áp dụng vào lý thuyết những hạt ánh sáng của ông.[15]
Nguồn gốc triết lý khoa học
A New System of Chemical Philosophy của Minh họa những nguyên tử và phân tử trong cuốncủa John Dalton ( 1808 ), một trong những khu công trình khoa học sớm nhất về nguyên tử .Tiến trình nghiên cứu và điều tra về nguyên tử không Open cho tới tận khi ngành khoa học hóa học mở màn tăng trưởng. Năm 1789, thương nhân và khoa học gia người Pháp Antoine Lavoisier mày mò ra định luật bảo toàn khối lượng và nêu ra ý niệm về nguyên tố là chất cơ bản không hề phân tách bằng những cách hóa học. [ 16 ]Năm 1805, nhà triết học và giảng sư người Anh John Dalton sử dụng khái niệm nguyên tử nhằm mục đích lý giải tại sao những nguyên tố luôn luôn phản ứng theo những tỉ số tự nhiên nhỏ ( định luật Dalton ) và tại sao có những loại khí hòa tan vào nước tốt hơn những khí khác. Ông đề xuất kiến nghị rằng mỗi nguyên tố chứa những nguyên tử cùng loại, duy nhất, và những nguyên tử này phối hợp với nhau tạo nên những hợp chất hóa học. những nhà lịch sử dân tộc khoa học coi Dalton là người tiên phong trong kim chỉ nan nguyên tử văn minh .Giả thuyết nguyên tử của Dalton không nêu đơn cử kích cỡ nguyên tử là bao nhiêu. Theo cảm nhận thường thì chúng phải rất nhỏ, nhưng không ai biết nhỏ bao nhiêu. Do vậy vào năm 1865 nhà hóa học người Áo Johann Josef Loschmidt đã có bước cải tiến vượt bậc khi ông đo được kích cỡ của phân tử trong không khí. [ 20 ]Một dòng bổ trợ lý luận hỗ trợ lý thuyết hạt ( và do vậy lan rộng ra thuyết nguyên tử ) là vào đầu năm 1827 khi nhà thực vật học Scotland Robert Brown sử dụng kính hiển vi để quan sát những hạt bụi trôi nổi ở trên mặt nước và ông nhận thấy chúng chuyển dời zic-zac — một hiện tượng kỳ lạ thời nay gọi là ” hoạt động Brown “. Năm 1877 J. Desaulx đề xuất hiện tượng này có nguyên do từ hoạt động nhiệt của những phân tử nước, và tới tận năm 1905 nhà vật lý người Đức Albert Einstein mới nêu ra nghiên cứu và phân tích toán lý tiên phong về hoạt động này. [ 21 ] [ 23 ] Sau đó, nhà vật lý người Pháp Jean Perrin dựa ở trên nghiên cứu và điều tra của Einstein triển khai thí nghiệm xác lập được khối lượng và size nguyên tử, và xác nhận kim chỉ nan nguyên tử của Dalton. [ 24 ]
Bảng tuần hoàn hóa học tiên phong của Dmitri Mendeleev ( 1869 )Năm 1869, dựa ở trên những mày mò trước đó của những nhà khoa học như Lavoisier, nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev lần tiên phong công bố bảng tuần hoàn những nguyên tố hóa học. [ 25 ] ở trên bảng này biểu lộ đặc thù hóa học một cách tuần hoàn giữa những nguyên tố, ông phát hiện ra tính tái diễn tuần hoàn của những nguyên tố khi sắp xếp chúng theo nguyên tử số .
Hạt cấu thành và lý thuyết lượng tử
Mô hình hành tinh nguyên tử, hay quy mô Rutherford .Nhà vật lý J. J. Thomson, trải qua nghiên cứu và điều tra ở trên chùm tia ca tốt năm 1897, đã phát hiện ra electron, và Tóm lại rằng chúng là một thành phần của mỗi nguyên tử. Do vậy ông vượt qua niềm tin lâu nay cho rằng nguyên tử là những hạt vô hình dung, không hề phân loại của vật chất. [ 27 ] Thomson đề xuất kiến nghị những hạt điện tích âm electron khối lượng nhỏ phân bổ đều ở trên nguyên tử, hoàn toàn có thể quay quanh thành những vòng, và điện tích của chúng cân đối với sự xuất hiện của một biển điện tích dương. Mô hình này sau đó được gọi là quy mô mứt mận ( Plum pudding Model ) .Năm 1909, Hans Geiger và Ernest Marsden, lúc đó đang là trợ tá cho Ernest Rutherford, sử dụng tia alpha — lúc đó người ta đã biết là nguyên tử điện tích dương của heli — bắn phá một lá vàng và nhận thấy một tỷ suất nhỏ những hạt bị lệch với một góc rất lớn so với giá trị tiên đoán theo quy mô Thomson. Rutherford lý giải thí nghiệm với lá vàng bằng giả sử rằng điện tích dương của nguyên tử vàng và hầu hết khối lượng của nó tập trung chuyên sâu tại hạt nhân TT của nguyên tử — hay quy mô Rutherford. [ 28 ]Khi làm thí nghiệm với những nguyên tố phóng xạ, năm 1913 nhà hóa học phóng xạ Frederick Soddy phát hiện ra có vẻ như có nhiều hơn một loại nguyên tử tại mỗi vị trí ở trên bảng tuần hoàn. [ 29 ] Và thuật ngữ đồng vị do bác sĩ Margaret Todd đưa ra nhằm mục đích gọi tên một cách tương thích cho những nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố. J.J. Thomson nghĩ ra một kĩ thuật nhằm mục đích tách nguyên tử có những đồng vị khác nhau khi ông điều tra và nghiên cứu ở trên khí ion hóa, và sau đó dẫn tới tò mò ra đồng vị bền. [ 30 ]
Mô hình Bohr cho nguyên tử hydro, cho thấy một electron chuyển dời giữa hai trạng thái và phát ra một photon ( khái niệm do Einstein yêu cầu ) với tần số xác lập .Trong khi đó năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr yêu cầu là những electron bị giam giữ ở trên những quỹ đạo bị lượng tử hóa nhất định, và chúng hoàn toàn có thể nhảy qua lại giữa những quỹ đạo này, nhưng không hề rơi xoắn ốc vào trong hay ra ngoài trong những quỹ đạo trung gian. [ 31 ] Một electron phải hấp thụ hoặc phát ra một lượng nguồn năng lượng đơn cử khi chuyển dời giữa hai trạng thái này. Khi ánh sáng từ nguồn vật tư nung nóng truyền qua một lăng kính, nó bị tách ra thành phổ nhiều tia đơn sắc. Lý thuyết Bohr đã lý giải thành công xuất sắc sự tách ra thành nhiều vạch phổ hydro tương ứng với sự vận động và di chuyển electron giữa những orbital. [ 32 ]Sau đấy trong cùng năm Henry Moseley cung ứng thêm chứng cứ thực nghiệm ủng hộ triết lý Niels Bohr. Những tác dụng thí nghiệm này cũng tinh chỉnh quy mô của Ernest Rutherford và của Antonius Van den Broek, và thí nghiệm cho thấy nguyên tử chứa trong nó hạt nhân có số điện tích hạt nhân bằng với số thứ tự của chúng ở trên bảng tuần hoàn. Cho đến tận khi có những thí nghiệm của Moseley, nguyên tử số vẫn chưa được biết là một đại lượng vật lý và xác nhận bằng thực nghiệm. Nguyên tử số bằng điện tích của hạt nhân vẫn được đồng ý trong quy mô nguyên tử tân tiến ngày này .Liên kết hóa học giữa những nguyên tử đến lượt được lý giải bởi Gilbert Newton Lewis năm 1916, bằng tương tác giữa những electron trong chúng. [ 34 ] Khi đã biết đặc thù hóa học của những nguyên tố lặp lại tuần hoàn ở trên bảng tuần hoàn, năm 1919 nhà hóa học Irving Langmuir đề xuất kiến nghị tính tuần hoàn hoàn toàn có thể lý giải được nếu electron trong một nguyên tử được liên kết hay nhóm lại theo một cách nào đó. Nhóm những electron được cho là chiếm giữ vào một tập hợp lớp vỏ electron quanh hạt nhân. [ 36 ]Thí nghiệm Stern – Gerlach thực thi năm 1922 mang đến hiệu quả thực nghiệm ủng hộ cho bản chất lượng tử của nguyên tử. Khi một chùm nguyên tử bạc cho phóng qua một từ trường không đều, chùm tia sẽ bị tách ra ở trên màn thu tuân theo hướng của động lượng nguyên tử, hay spin lượng tử. Nếu hướng của spin là phân bổ ngẫu nhiên, thì ở trên màn thu sẽ thu được một dải bạc liên tục. Tuy vậy, hai nhà vật lý lại thu được tác dụng là có hai phần rõ ràng, chỉ phụ thuộc vào vào spin nguyên tử xu thế lên hay xuống. [ 37 ]Năm 1924, Louis de Broglie dựa ở trên sáng tạo độc đáo của Einstein về sóng điện từ có lúc bộc lộ đặc thù hạt ( photon ) và yêu cầu ngược lại là mọi hạt có đặc thù dạng sóng của chúng. Năm 1926, Erwin Schrödinger sử dụng yêu cầu này nhằm mục đích tăng trưởng quy mô toán học về nguyên tử miêu tả những electron như dạng sóng ba chiều hơn là những hạt điểm. Một hệ quả của cách sử dụng những hàm sóng miêu tả hành xử của hạt đó là về mặt toán học không hề nhận được giá trị đúng chuẩn về cả vị trí và động lượng của một hạt trong cùng một thời hạn ; đây chính là nội dung của nguyên tắc bất định do nhà vật lý Werner Heisenberg phát biểu năm 1926. Trong khái niệm này, mỗi khi tất cả chúng ta đo đúng mực vị trí của hạt tất cả chúng ta sẽ chỉ nhận được một khoảng chừng những giá trị hoàn toàn có thể cho động lượng, và ngược lại. Mô hình này cũng lý giải được những hiệu quả thực nghiệm về hành xử của nguyên tử mà những quy mô khác không làm được, như thể những cấu trúc xác lập và dải phổ của những nguyên tử lớn hơn nguyên tử hydro. Từ đó, quy mô hành tinh nguyên tử miêu tả những electron quay ở trên quỹ đạo quanh hạt nhân bị bác bỏ và sửa chữa thay thế vào đó là những electron ở những vùng gọi là orbital nguyên tử tương ứng với Xác Suất phân bổ của electron. [ 38 ] [ 39 ]
Hình vẽ minh họa đơn thuần hoạt động giải trí của phổ khối .những phổ kế khối lượng ý tưởng ra đã cho phép đo được đúng chuẩn khối lượng của nguyên tử. Thiết bị này sử dụng một nam châm từ làm lệch quỹ đạo của chùm tia ion, và góc lệch đo được bằng tỉ số của khối lượng nguyên tử và điện tích của nó. Nhà hóa học Francis William Aston đã sử dụng thiết bị này để chứng tỏ rằng những đồng vị có khối lượng khác nhau. Khối lượng nguyên tử của những đồng vị cùng một nguyên tố chỉ chênh nhau theo bội nguyên của một hằng số. [ 40 ] Để lý giải cho sự độc lạ kỳ lạ về khối lượng đồng vị phải đợi đến tận khi mày mò ra neutron, hạt trung hòa điện có khối lượng hơi lớn hơn khối lượng proton, do nhà vật lý James Chadwick phát hiện năm 1932. Do vậy những đồng vị được lý giải như thể những nguyên tố có cùng số proton và khác nhau về số neutron ở hạt nhân của chúng. [ 41 ]
Phân hạch, vật lý nguồn năng lượng cao và vật chất ngưng tụ
Năm 1938, nhà hóa học người Đức Otto Hahn, học trò của Rutherford, đã hướng chùm neutron vào những nguyên tử urani nhằm mục đích tạo ra những nguyên tố siêu urani. Thay vào đó ông lại nhận được từ kết quả thí nghiệm hóa học là sản phẩm bari.[42] Một năm sau, Lise Meitner và người cháu trai của Otto Hahn là Otto Frisch xác nhận kết quả Hahn thu được là thực nghiệm đầu tiên về sự phân hạch hạt nhân.[43][44] Năm 1944, Otto Hahn nhận giải Nobel Hóa học. Mặc dù Hahn đã nỗ lực kêu gọi Ủy ban Nobel trao giải cho Meitner và Frisch nhưng ông đã không thành công.[45]
Trong thập niên 1950, với sự tăng trưởng nhanh gọn của những máy gia tốc hạt và máy dò hạt đã được cho phép những nhà khoa học điều tra và nghiên cứu va chạm của những hạt nhân và nguyên tử ở mức nguồn năng lượng cao. [ 46 ] Họ nhận thấy hạt neutron và proton là những loại hạt hadron, hay hạt tổng hợp của những hạt nhỏ hơn gọi là quark. Lý thuyết Mô hình chuẩn của vật lý hạt được tăng trưởng và đã rất thành công xuất sắc trong lý giải đặc thù của hạt nhân theo sự phân loại thành những hạt hạ nguyên tử và những tương tác chi phối quốc tế lượng tử. [ 47 ]
những thành phần
Hạt hạ nguyên tử
Mặc dù từ nguyên tử có nguồn gốc chỉ những hạt không thể phân chia nhỏ hơn nữa, nhưng như ngày nay đã biết nguyên tử là thuật ngữ khoa học tổ hợp của nhiều hạt hạ nguyên tử. những hạt thành phần của nguyên tử là electron, proton và neutron. Ngoại trừ nguyên tử hydro-1 không có neutron và ion hydro không có electron (hay chính là hạt proton đơn lẻ).
Electron là hạt nhẹ nhất trong ba hạt với khối lượng 911 × 10 − 31 kg, và điện tích âm – e, size của nó rất nhỏ và lúc bấy giờ chưa có công nghệ tiên tiến nào đo được đường kính của nó. Proton có điện tích dương + e và khối lượng gấp 1.836 khối lượng electron, và bằng 16726 × 10 − 27 kg, mặc dầu giá trị này hoàn toàn có thể giảm đi do bù trừ vào nguồn năng lượng link của proton trong hạt nhân. Neutron là hạt trung hòa điện và khối lượng khi nó đứng riêng không liên quan gì đến nhau là 1.839 lần khối lượng electron, hay 16929 × 10 − 27 kg. những nhà vật lý đo được đường kính của neutron và proton — vào cỡ 25 × 10 − 15 m — mặc dầu ‘ mặt phẳng ‘ của những hạt này không xác lập rõ ràng .Trong Mô hình chuẩn, electron là hạt cơ bản thực sự vì nó không có hạt thành phần. Tuy nhiên, cả proton và neutron là những hạt tổng hợp của những hạt cơ bản gọi là quark. Có hai loại quark trong những proton và neutron, mỗi hạt quark mang điện tích phân số. Proton là hạt tổng hợp của 2 quark lên ( mỗi hạt có điện tích + 2 ⁄ 3 e ) và một quark xuống ( với điện tích − 1 ⁄ 3 e ). Neutron chứa một quark lên và hai quark xưống. Sự độc lạ trong thành phần khiến cho khối lượng và điện tích của hai hạt proton và neutron có sự khác nhau. [ 51 ] [ 52 ]những quark link với nhau bởi tương tác mạnh ( hay lực mạnh ) trải qua trao đổi những gluon. Đến lượt những hạt proton và neutron link với nhau trong hạt nhân bởi lực hạt nhân, mà lực này về thực chất là do tương tác mạnh ‘ rò rỉ ‘ ra ngoài với khoanh vùng phạm vi ngắn ( xem bài về lực hạt nhân ). Hạt gluon là thành viên của họ hạt boson gauge, là hạt trung gian trao đổi tương tác mạnh. [ 51 ] [ 52 ]
Năng lượng link thiết yếu cho một nucleon thoát ra khỏi hạt nhân, so với những đồng vị .
Mọi proton và neutron liên kết với nhau trong hạt nhân nguyên tử, và chúng được gọi chung là những nucleon. Bán kính của hạt nhân có giá trị xấp xỉ 1,07 3√A fm, với A là tổng số nucleon trong hạt nhân. Giá trị này nhỏ hơn khá nhiều bán kính của nguyên tử và bằng khoảng 105 fm. những nucleon liên kết với nhau bởi thế năng hút còn dư của tương tác mạnh tầm ngắn. Với khoảng cách 2,5 fm lực này mạnh hơn lực điện từ làm cho những proton điện tích dương đẩy nhau.
những nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton, hay còn gọi là số nguyên tử. Hạt nhân của một nguyên tố có số hạt neutron khác nhau xác lập lên những đồng vị của nguyên tố đó. Tổng số proton và neutron xác lập lên nuclit. Số lượng tương đối neutron so với proton tác động ảnh hưởng tới tính không thay đổi của hạt nhân, và ở 1 số ít đồng vị có hiện tượng kỳ lạ phân rã phóng xạ. [ 55 ]những hạt proton và neutron được phân loại thành hạt fermion. Nguyên lý loại trừ Pauli, một hiệu ứng cơ học lượng tử, không được cho phép có hai hạt fermion giống hệt ở cùng một trạng thái, ví dụ như không hề có nhiều hạt proton có cùng một trạng thái lượng tử trong cùng một thời hạn. Do vậy mỗi hạt proton trong hạt nhân phải có những trạng thái khác nhau, với mức nguồn năng lượng của riêng chúng, và tựa như quy tắc này cho những hạt neutron. Tuy nhiên nguyên tắc này không ngăn cấm một hạt proton và một neutron có cùng trạng thái lượng tử. [ 56 ]
Đối với những nguyên tử có giá trị nguyên tử số thấp, một hạt nhân có số proton khác số neutron có xu hướng trở về trạng thái năng lượng của hạt nhân thấp hơn thông qua quá trình phân rã phóng xạ dẫn đến số hạt proton và neutron trở lên xấp xỉ bằng nhau. Kết quả là, những nguyên tử có số proton xấp xỉ bằng số neutron có hạt nhân bền và không có hiện tượng phóng xạ. Tuy nhiên, khi nguyên tử số tăng lên, lực đẩy lẫn nhau giữa những proton và đòi hỏi số neutron tăng lên để duy trì sự ổn định của hạt nhân, không còn tuân theo xu hướng cân bằng hai hạt này nữa. Và thực tế không có hạt nhân bền nào với số proton xấp xỉ bằng số neutron khi nguyên tử số lớn hơn Z = 20 (calci); và khi Z tăng đến những hạt nhân nặng nhất, tỉ số neutron ở trên proton để cho hạt nhân ổn định tiến tới giá trị 1,5.[56]
+)—là Minh họa quy trình tổng hợp hạt nhân tạo ra hạt deuteri, gồm một proton và một neutron, tổng hợp từ hai proton. Hạt cơ bản positron ( e ) — là phản hạt của electron — phát ra cùng với một hạt neutrino electron .những nhà khoa học biết hạt nhân nguyên tử hoàn toàn có thể biến hóa số proton và neutron, mặc dầu sự kiểm soát và điều chỉnh này cần nguồn năng lượng rất cao do tác động ảnh hưởng của lực hạt nhân cũng như lực điện từ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra khi nhiều hạt nhân phối hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn, như sự va chạm nguồn năng lượng cao giữa hai hạt nhân. Ví dụ, tại lõi Mặt Trời những proton yên cầu nguồn năng lượng cỡ 3 – 10 keV để vượt qua lực đầy giữa chúng — để vượt qua rào Coulomb — và tổng hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. [ 57 ] Phản ứng phân hạch hạt nhân là quy trình ngược lại, một hạt nhân bị tách ra làm hai hạt nhân có khối lượng nhỏ hơn — thường trải qua quy trình phân rã phóng xạ. Hạt nhân cũng bị biến hóa do tác dụng quy trình bắn phá bởi những hạt hạ nguyên tử hay chùm proton nguồn năng lượng cao. Nếu hạt nhân mới sinh ra với số proton khác đi thì nguyên tử trở thành một nguyên tử của nguyên tố hóa học khác. [ 58 ] [ 59 ]
Nếu khối lượng của hạt nhân sản phẩm trong phản ứng tổng hợp nhỏ hơn tổng cộng khối lượng của những hạt nhân tham gia phản ứng, thì hiệu khối lượng này có thể phát ra dưới dạng năng lượng có ích (như tia gamma, hay động năng của những hạt sản phẩm như hạt beta), và tuân theo nguyên lý sự tương đương khối lượng-năng lượng với công thức của Albert Einstein ΔE = Δm.c2, với Δm là khối lượng chênh lệch và c là tốc độ ánh sáng. Năng lượng dôi ra này có nguồn gốc từ năng lượng liên kết của hạt nhân tạo thành, và nó là sự mất mát năng lượng không thể khôi phục được làm cho những hạt tham gia tổng hợp đứng cạnh nhau trong một trạng thái đòi hỏi năng lượng này phải tách ra.
Phản ứng tổng hợp tạo ra hạt nhân lớn hơn từ những hạt nhân có nguyên tử số Z nhỏ hơn của sắt và nikel – với tổng số nucleon vào khoảng chừng 60 — thường là phản ứng sinh nhiệt giải phóng nhiều nguồn năng lượng hơn so với nguồn năng lượng thiết yếu để tổng hợp chúng. [ 61 ] Đây chính là những phản ứng tổng hợp hạt nhân sinh nguồn năng lượng trong những sao và giúp ngôi sao 5 cánh duy trì trạng thái cân đối áp suất và lực hút mê hoặc. Đối với những hạt nhân nặng hơn, nguồn năng lượng link ở trên một nucleon trong hạt nhân khởi đầu giảm. Điều này làm cho phản ứng tổng hợp sinh ra hạt nhân với nguyên tử số Z > 26 và số nucleon cao hơn 60, là phản ứng thu nhiệt. Những hạt nhân nặng này không hề tham gia phản ứng tổng hợp sinh nguồn năng lượng giúp cho quy trình cân đối thủy tĩnh của sao được không thay đổi. [ 56 ]
Đám mây electron
V(x) cần để tới vị trí x. Về mặt cổ điển, hạt có năng lượng E bị giam trong giới hạn vị trí x1 và x2.Hình một giếng thế tuân theo cơ học cổ xưa, nguồn năng lượng tối thiểu ) cần để tới vị trí. Về mặt cổ xưa, hạt có năng lượngbị giam trong số lượng giới hạn vị trívànhững electron trong một nguyên tử bị hút bởi những proton ở hạt nhân bằng lực điện từ. Lực này giam những electron bên trong một giếng thế tĩnh điện bao quanh hạt nhân, tức là cần phải có nguồn nguồn năng lượng từ bên ngoài để cho electron thoát ra khỏi hạt nhân. Electron càng nằm gần về phía hạt nhân, lực hút càng mạnh hơn. Do đó electron link gần tâm của giếng thế yên cầu nhiều nguồn năng lượng hơn để thoát ra ngoài .Electron, giống như những hạt vi mô khác, có cả đặc thù sóng và hạt. Đám mây electron là một vùng bên trong giếng thế nơi mỗi electron tạo thành một kiểu sóng đứng ba chiều – dạng sóng không vận động và di chuyển so với hạt nhân. Hành xử này tạo nên orbital nguyên tử, một hàm toán học đặc trưng cho Xác Suất một electron Open tại một điểm đơn cử khi đo vị trí của electron. [ 62 ] Chỉ có tập rời rạc bị lượng tử hóa những orbital sống sót xung quanh hạt nhân, hoặc nếu có những dạng sóng khác thì nó sẽ nhanh gọn phân hủy thành dạng sóng đứng lượng tử không thay đổi hơn. [ 63 ] những orbital hoàn toàn có thể có cấu trúc nhiều hơn một vòng hoặc nút, và chúng khác nhau về kích cỡ, hình dạng và hướng. [ 64 ]
Dạng hàm sóng của 5 orbital nguyên tử tiên phong. Ba orbital loại 2 p mỗi loại bộc lộ một vị trí góc duy nhất và giá trị cực tiểu tại tâm .Mỗi orbital tương ứng với một mức nguồn năng lượng đơn cử của electron. Electron hoàn toàn có thể biến hóa trạng thái của nó đến mức nguồn năng lượng cao hơn bằng hấp thụ một photon với nguồn năng lượng tương thích để đẩy điện tử lên trạng thái nguồn năng lượng mới. Tương tự như vậy, trải qua phát xạ tự phát, một electron ở trạng thái nguồn năng lượng cao hơn hoàn toàn có thể trở về mức nguồn năng lượng thấp bằng phát ra một photon. Những giá trị nguồn năng lượng đặc trưng này, xác lập bởi hiệu giữa những mức nguồn năng lượng của từng trạng thái lượng tử, bộc lộ cho dãy vạch phổ đặc trưng của từng nguyên tử. [ 63 ]
Lượng năng lượng cần để lấy đi hoặc thêm một electron vào – năng lượng liên kết electron – nhỏ hơn nhiều so với năng lượng liên kết những nucleon trong hạt nhân. Ví dụ, chỉ cần 13,6 eV để tách electron ở trạng thái năng lượng nền (trạng thái năng lượng thấp nhất) ra khỏi nguyên tử hydro,[65] so với 2,23 triệu eV để tách một hạt nhân deuteri.[66] những nguyên tử trung hòa điện nếu chúng có số electron bằng số proton. Nguyên tử thiếu hoặc dư thừa electron gọi là ion. Những electron nằm xa hạt nhân nhất có thể bị bắt sang nguyên tử bên cạnh hoặc thuộc về cả hai nguyên tử. Theo cơ chế này, những nguyên tử có thể liên kết với nhau thành những phân tử hoặc những hợp chất hóa học khác như mạng lưới tinh thể ion hoặc liên kết cộng hóa trị.
Tính chất hạt nhân
Theo định nghĩa, bất kỳ hai nguyên tử với cùng số proton trong hạt nhân thì thuộc về cùng một nguyên tố hóa học. những nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số neutron là những đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. Ví dụ, mọi nguyên tử hydro chỉ chứa một proton, nhưng có đồng vị không chứa neutron (hydro-1, là dạng phổ biến nhất,[68] hay còn gọi là protium), chứa một neutron (deuteri), hai neutron (triti) và nhiều hơn hai neutron. những nguyên tố đã biết lập thành một tập nguyên tử số, từ nguyên tố chứa 1 proton hydro cho đến nguyên tố chứa 118 proton ununoctium.[69] Tất cả những đồng vị đã biết của nguyên tố có nguyên tử số lớn hơn 82 là đồng vị phóng xạ.[71]
những nhà vật lý hạt nhân biết khoảng chừng 339 nuclit Open trong tự nhiên ở trên Trái Đất, [ 72 ] trong số đó 254 ( khoảng chừng 75 % ) nuclit không có tính phân rã, và thường gọi là ” đồng vị bền “. Tuy nhiên, chỉ 90 trong số những nuclit này là không thay đổi so với mọi phân rã, thậm chí còn ngay cả ở trên triết lý. Còn lại 164 ( trong tổng số 254 ) thì người ta vẫn chưa quan sát thấy chúng phân rã, vì ở trên triết lý chúng có mức nguồn năng lượng hạt nhân cao. Và những nhà khoa học thường phân loại chúng một cách hình thức thuộc dạng ” bền “. Thêm khoảng chừng 34 nuclit phóng xạ có nửa thời hạn sống hơn 80 triệu năm, đủ lâu để xuất hiện từ lúc hình thành Hệ Mặt Trời. Tổng số 288 nuclit này gọi là những nuclit nguyên thủy. Cuối cùng, có thêm khoảng chừng 51 nuclit với nửa thời hạn sống ngắn mà những nhà khoa học biết chúng sống sót trong tự nhiên, như thể mẫu sản phẩm phân rã của những nuclit nguyên thủy ( như radi từ urani ), hoặc là những loại sản phẩm của những quy trình nguồn năng lượng cao trong tự nhiên ở trên Trái Đất, như do những tia thiên hà bắn phá ( ví dụ, cacbon-14 ). [ 73 ] [ ct 2 ]Đối với 80 nguyên tố hóa học, mỗi nguyên tố có tối thiểu một đồng vị bền sống sót. Như một quy tắc, chỉ có 1 số ít nhất định đồng vị bền cho mỗi nguyên tố, trung bình khoảng chừng 3,2 đồng vị bền ở trên một nguyên tố. 26 nguyên tố chỉ có duy nhất một đồng vị không thay đổi, trong khi nguyên tố có nhiều đồng vị bền nhất đã được xác nhận đó là thiếc với 10 đồng vị bền. Nguyên tố 43, 61, 83 và mọi nguyên tố có nguyên tử số cao hơn đều không có đồng vị bền. [ 74 ]
Tính ổn định của đồng vị bị ảnh hưởng bởi tỉ số của proton ở trên neutron, và cũng bởi sự có mặt của những “số thần kỳ” xác định của neutron hay proton mà xuất hiện làm đầy hoặc gần với lớp vỏ lượng tử trong mô hình cấu trúc hạt nhân. Những vỏ lượng tử này tương ứng với tập mức năng lượng trong mô hình vỏ hạt nhân; những vỏ được lấp đầy, như vỏ lượng tử của thiếc chứa đầy 50 proton, lại được coi là có tính ổn định kỳ lạ đối với nuclit (hay số thần kỳ là 50). Trong 254 nuclit bền đã biết, chỉ có bốn nuclit bền chứa đồng thời số lẻ proton và số lẻ neutron: hydro-2 (deuteri), lithi-6, boron-10 và nitơ-14. Cũng vậy, chỉ có bốn nuclit xuất hiện trong tự nhiên với đồng thời số lẻ proton và neutron có nửa thời gian sống ở trên một tỷ năm: kali-40, vanadium-50, lanthanum-138 và tantalum-180m. Đa số những hạt nhân có đồng thời số lẻ proton và neutron đều mất ổn định và nhanh chóng phân rã beta, bởi vì sản phẩm phân rã chứa số chẵn đồng thời proton và neutron, và do vậy liên kết chặt với nhau hơn, do hiệu ứng bắt cặp hạt nhân (theo nguyên lý loại trừ Pauli, một proton có spin lên sẽ có xu hướng bắt cặp với một proton có spin xuống, và tương tự cho neutron, điều này dẫn đến xu hướng có đồng thời số chẵn cả proton và neutron trong hạt nhân).[74]
Phần lớn khối lượng của nguyên tử là do đóng góp của proton và neutron trong hạt nhân của nó. Tổng những hạt này (gọi là “nucleon”) trong một nguyên tử gọi là số khối. Số khối đơn giản chỉ là một số tự nhiên, có đơn vị là “nucleon.” Ví dụ sử dụng số khối là “cacbon-12,” có 12 nucleon (6 proton và 6 neutron).
Xem thêm: LGBT là gì vậy?
Khối lượng thực của nguyên tử khi nó đứng yên ( khối lượng không bao giờ thay đổi, khối lượng nghỉ ) thường được màn biểu diễn bằng đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử ( u ), hay nhiều lúc gọi là một dalton ( Da ). Đơn vị này được xác lập bằng một phần mười hai khối lượng nghỉ của nguyên tử tự do trung hòa điện cacbon-12, với khối lượng xê dịch 166 × 10 − 27 kg. [ 75 ] hydro-1, đồng vị nhẹ nhất của hydro và là nguyên tử nhẹ nhất, có khối lượng nghỉ bằng 1,007825 u. [ 76 ] Giá trị của số này gọi là nguyên tử lượng. Một nguyên tử có nguyên tử lượng giao động bằng ( sai số 1 % ) số khối của nó nhân với đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử. Tuy nhiên, giá trị này sẽ không bằng đúng mực số khối trừ trường hợp của cacbon-12 ( xem bên dưới ) [ 77 ] Nguyên tử bền nặng nhất là chì-208, có khối lượng là 2079766521 u. [ 78 ]Ngay cả so với những nguyên tử nặng nhất cũng quá nhẹ để hoàn toàn có thể điều tra và nghiên cứu trực tiếp và đơn vị chức năng khối lượng khá rườm rà, thay vào đó những nhà hóa học sử dụng đơn vị chức năng Mol. Một mol nguyên tử của bất kể một nguyên tố hóa học luôn có cùng số lượng nguyên tử ( bằng khoảng chừng 6022 × 1023 ). Số này được chọn sao cho nếu một nguyên tố có nguyên tử lượng là 1 u, thì 1 mol nguyên tử nguyên tố này có khối lượng giao động 1 gram. Do định nghĩa của đơn vị chức năng khối lượng nguyên tử, mỗi nguyên tử cacbon-12 có nguyên tử khối đúng mực bằng 12 u, do vậy 1 mol nguyên tử cacbon-12 có khối lượng đúng mực bằng 0,012 kg. [ 75 ]
Hình dạng và kích cỡ
Nguyên tử không có bề mặt định rõ, do vậy size của nó thường được xác lập hình thức bằng thuật ngữ nửa đường kính nguyên tử. Đại lượng này đo khoảng cách lan rộng ra đám mây electron tính từ hạt nhân. Tuy nhiên, cách giả sử này không chỉ đúng cho nguyên tử có dạng hình cầu, mà còn đúng cho nguyên tử cô lập trong chân không. Bán kính nguyên tử hoàn toàn có thể suy ra từ khoảng cách giữa hai hạt nhân khi hai nguyên tử tích hợp lại theo link hóa học. Bán kính biến hóa phụ thuộc vào vị trí của nguyên tử ở trên bảng tuần hoàn, loại link hóa học, số nguyên tử hay ion lân cận với nó ( số tọa độ ) và đặc thù cơ học lượng tử của nó spin. [ 79 ] ở trên bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học, theo giám sát triết lý, kích cỡ nguyên tử có xu thế tăng lên khi đi theo cột từ ở trên xuống, nhưng giảm khi đi theo hàng từ trái sang phải và tài liệu thực nghiệm đo được khá tương thích với xu thế này. [ 80 ] Hệ quả là nguyên tử có nửa đường kính nhỏ nhất là 32 pm, trong khi nguyên tử lớn nhất là caesi với nửa đường kính 225 pm. [ 81 ]Khi chịu ảnh hưởng tác động của trường ngoài, như điện trường và từ trường, hình dạng của nguyên tử hoàn toàn có thể bị bẻ lệch khỏi hình cầu. Sự lệch này nhờ vào vào cường độ của trường và kiểu orbital của lớp vỏ electron ngoài cùng, như được chỉ ra bởi triết lý nhóm. Hình cầu biến dạng hoàn toàn có thể Open trong cấu trúc tinh thể ở đây khi chịu điện trường mẫu tinh thể có Open những đối xứng bậc thấp trong dàn tinh thể. [ 82 ] Gần đây những nhà tinh thể học chỉ ra sự biến dạng lớn thành ellipsoid Open ở ion lưu huỳnh trong tinh thể pyrit. [ 83 ]
Biểu đồ vẽ những đồng vị và kiểu phân rã thường gặp của mỗi đồng vị theo Z proton và N neutron .
½) của những đồng vị theo Z proton và N neutron.Biểu đồ vẽ nửa thời hạn sống ( T ) của những đồng vị theo Z proton và N neutron .Nguyên tử có size nhỏ hơn hàng nghìn lần bước sóng ánh sáng khả kiến ( 400 – 700 nm ) do vậy tất cả chúng ta không hề quan sát nguyên tử bằng kính hiển vi quang học. Tuy nhiên, hoàn toàn có thể quan sát từng nguyên tử bằng thiết bị kính hiển vi quét xuyên hầm. Để tưởng tượng kích cỡ rất nhỏ của nguyên tử, đường kính của tóc người thông thường bằng khoảng chừng 1 triệu lần đường kính nguyên tử cacbon. [ 84 ] Một giọt nước chứa khoảng chừng ( 2 × 1021 ) nguyên tử oxy, và gấp hai lần số nguyên tử hydro. [ 85 ] Một cara kim cương với khối lượng 2 × 10 − 4 kg chứa khoảng chừng ( 1022 ) nguyên tử cacbon. [ ct 3 ] Nếu một quả táo phóng to bằng đường kính Trái Đất, thì một nguyên tử trong quả táo có đường kính xê dịch kích cỡ quả táo khởi đầu .
Phân rã phóng xạ
Mỗi nguyên tố có một hay nhiều đồng vị mà hạt nhân không bền sẽ tiến tới phân rã phóng xạ, và hạt nhân phát ra hạt nhân khác hoặc bức xạ điện từ. Hiện tượng phóng xạ xảy ra khi nửa đường kính của hạt nhân đủ lớn so với bán kính ảnh hưởng tác động của tương tác mạnh, với khoanh vùng phạm vi tác động ảnh hưởng khoảng chừng 1 fm. [ 87 ]Những phản ứng phân rã phóng xạ hay gặp nhất là : [ 89 ]
Phân rã alpha là phản ứng trong đó hạt nhân phát ra hạt alpha, hạt nhân của heli chứa hai proton và hai neutron. Hạt sản phẩm là những nguyên tố mới với số nguyên tử thấp hơn.Phân rã beta (và bắt giữ electron) bị kiểm soát bởi tương tác yếu, và kết quả là một neutron biến đổi thành một proton, hoặc một proton thành một neutron. Kiểu đầu tiên đi kèm với sự phát ra một electron và một phản neutrino electron, trong khi kiểu thứ hai phát ra một positron và một neutrino electron. Hạt electron hoặc positron phát ra vì lý do lịch sử mà những nhà vật lý gọi là những hạt beta. Phân rã beta làm tăng hoặc giảm số nguyên tử của hạt nhân 1 đơn vị. Một phản ứng tương tự với phân ra beta của hạt positron trong hạt nhân giàu proton đó là phản ứng bắt electron của hạt nhân, quá trình này thậm chí còn phổ biến hơn phản ứng phát ra positron do nó đòi hỏi ít năng lượng hơn. Trong phản ứng này electron bị hấp thụ bởi hạt nhân hơn là phát positron. Một hạt neutrino vẫn phát ra trong phản ứng và một proton biến thành một neutron.Phóng xạ tia gamma làm thay đổi mức năng lượng của hạt nhân về trạng thái năng lượng thấp hơn, kết quả là phát ra photon gamma. Phản ứng này có thể xuất hiện sau phân rã alpha hoặc beta từ phân rã phóng xạ.
Một loại phân rã hiếm nữa là loại sản phẩm phân rã gồm có những neutron hoặc proton hoặc đám nucleon từ một hạt nhân, hoặc có nhiều hơn một hạt beta bị bắn ra, hoặc mẫu sản phẩm ( trải qua đổi khác nội bộ hạt nhân gốc ) là những electron nguồn năng lượng cao mà không phải là chùm tia beta, hay những photon nguồn năng lượng cao không phải là tia gamma. Một vài hạt nhân nổ thành hai hoặc nhiều hạt nhân không cố định và thắt chặt đi kèm với một số ít neutron, trong phân rã tự phát của phản ứng phân hạch hạt nhân .Mỗi đồng vị phóng xạ có chu kỳ luân hồi phân rã đặc trưng — hay nửa thời hạn sống — xác lập bởi lượng thời hạn thiết yếu cho 50% mẫu hạt phân rã. Đây là tiến trình phân rã hàm mũ và giảm dần lượng đồng vị còn lại 50% sau mỗi chu kỳ luân hồi phân rã. Do đó sau chu kỳ luân hồi phân rã thứ hai số hạt đồng vị còn lại chỉ là 25 % so với bắt đầu, và cứ như thế. [ 87 ]
Minh họa mômen từ xung lượng ℓ của electron .những hạt cơ bản có một đặc thù cơ học lượng tử nội tại gọi là spin. Tính chất này tựa như như động lượng góc của một vật quay quanh khối tâm của nó, mặc dầu nói một cách sơ lược những hạt cơ bản được cho là những hạt điểm và không bộc lộ tính tự quay quanh trục nào cả. Spin lượng tử hay mômen từ nội tại có đơn vị chức năng đo bằng hằng số Planck thu gọn ( ħ ), với electron, proton và neutron chúng chỉ có hai giá trị spin ½ ħ, hoặc ” spin – ½ “. Trong nguyên tử, những electron bao quanh hạt nhân có mômen động lượng orbital cùng với đặc tính spin, trong khi hạt nhân có mômen động lượng chính nó do spin của hạt nhân. [ 90 ]Từ trường sinh ra bởi nguyên tử — mômen từ — được xác lập bởi nhiều giá trị mô men động lượng, giống như một vật tích điện hoạt động trong điện từ học cổ xưa sinh ra từ trường. Tuy nhiên, góp phần hầu hết đến từ spin. Do thực chất những electron tuân theo nguyên tắc loại trừ Pauli, hai electron không hề có cùng một trạng thái lượng tử trong một vùng ở cùng thời hạn ( không có cùng 4 số lượng tử ) và quy tắc Hund về quá trình phân bổ electron trong orbital. những electron link tạo cặp với nhau trong orbital, với một electron có trạng thái spin lên và electron kia có trạng thái spin xuống. Do vậy trong một cặp, spin lượng tử bị triệt tiêu, dẫn đến tổng mômen lưỡng cực từ bằng 0 trong một số ít nguyên tử có số chẵn electron với mỗi orbital đã lấp đầy bởi những cặp electron. [ 91 ]Trong những nguyên tố sắt từ như sắt, niken, chúng có 1 số ít electron chưa bắt cặp trong orbital và vì thế có mômen từ nguyên tử. orbital của những nguyên tử lân cận phủ lên nhau và Open một trạng thái nguồn năng lượng thấp hơn khi spin của những electron chưa bắt cặp hàng loạt hướng theo nhau, một quy trình gọi là tương tác trao đổi. Khi mômen từ của những nguyên tử sắt từ sắp hàng, vật tư sẽ sinh ra một từ trường vĩ mô đo được. Nguyên tử của vật tư thuận từ có mômen từ sắp xếp ngẫu nhiên không theo một hướng, nhưng khi có từ trường ngoài thì những mômen từ hưởng ứng theo hướng của từ trường ngoài và có một từ trường vĩ mô nhỏ ở vật tư thuận từ. [ 91 ] [ 92 ]Hạt nhân nguyên tử cũng có spin. Thông thường những hạt nhân có spin khuynh hướng theo những hướng ngẫu nhiên trong cân đối nhiệt động. Tuy nhiên, so với một số nguyên tố ( như xenon-129 ) hạt nhân của nó hoàn toàn có thể bị phân cực spin theo số lượng lớn của trạng thái spin hạt nhân do vậy chúng hoàn toàn có thể sắp hàng theo một hướng — hay hiện tượng kỳ lạ siêu phân cực. Spin hạt nhân có một ứng dụng quan trọng trong y học đó là chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân. [ 93 ]
Mức nguồn năng lượng
những nhà vật lý quy ước thế năng của một electron trong nguyên tử có giá trị âm, và phụ thuộc vào vị trí của nó trong nguyên tử. Nó có giá trị cực tiểu khi nằm ở gần hạt nhân nhất và quy ước bằng 0 khi nó nằm xa vô cùng so với hạt nhân, hay thế năng của nó tỉ lệ nghịch với khoảng cách. Trong mô hình cơ học lượng tử, một electron liên kết chỉ có thể chiếm những trạng thái lượng tử xung quanh hạt nhân, và mỗi trạng thái tương ứng với một mức năng lượng xác định; xem phương trình Schrödinger độc lập thời gian về cách giải thích lý thuyết. Mức năng lượng có thể đo bằng lượng năng lượng cần thiết để bứt electron tại trạng thái đó ra xa vô cùng, và có đơn vị electronvolt (eV). Trạng thái năng lượng thấp nhất của electron liên kết gọi là trạng thái năng lượng nền[95] và khi một electron chuyển dịch sang mức năng lượng cao hơn thì nó ở vào trạng thái kích thích.[96] Năng lượng của electron tăng lên khi số lượng tử chính n tăng bởi vì khoảng cách trung bình đến hạt nhân tăng. Sự phụ thuộc năng lượng vào số lượng tử xung lượng ℓ không phải là do thế năng tĩnh điện với hạt nhân mà là bởi tương tác giữa những electron.
Khi một electron chuyển dời giữa hai trạng thái nguồn năng lượng, nó phải hấp thụ hoặc phát ra một photon có nguồn năng lượng bằng hiệu giữa hai trạng thái nguồn năng lượng này. [ 97 ] Năng lượng của một photon tỷ suất với tần số của nó, do đó những mức nguồn năng lượng xác lập này hiện lên thành những dải phân biệt trong phổ điện từ. [ 98 ] Mỗi nguyên tố có một phổ đặc trưng nhờ vào vào điện tích hạt nhân, thông số kỹ thuật electron, tương tác điện từ giữa những electron và bởi những tác nhân khác. [ 99 ]
những vạch phổ hấp thụ .Khi ánh sáng với phổ nguồn năng lượng liên tục truyền qua chất khí hay plasma, một số ít nguyên tử hấp thụ photon, khiến cho những electron đổi khác mức nguồn năng lượng của nó. Những electron kích thích này vẫn link với nguyên tử của nó và tự phát phóng thích nguồn năng lượng qua phát ra photon theo hướng ngẫu nhiên, và trở lại trạng thái nguồn năng lượng thấp hơn. Do vậy nguyên tử biểu lộ như một máy lọc tạo ra một dãy những vạch tối trong phổ nguồn năng lượng phát ra. ( Một người quan sát nguyên tử khi chùm sáng chiếu qua chúng sẽ thấy khi lọc bỏ phổ liên tục thu được dãy phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tử. ) Đo lường phổ về cường độ và độ rộng của những vạch phổ nguyên tử được cho phép những nhà khoa học xác lập được thành phần và đặc thù vật lý của chất cần nghiên cứu và điều tra. [ 100 ]Khi nghiên cứu và điều tra kĩ hơn phổ nguyên tử những nhà vật lý nhận thấy có sự tách vạch trong cấu trúc tế vi. Sự Open này là do hiệu ứng spin-quỹ đạo tương đối tính, khi tính đến ảnh hưởng tác động giữa hoạt động của electron lớp ngoài cùng với spin của nó. [ 101 ] Khi nguyên tử đặt trong từ trường ngoài, những vạch phổ của nó bị tách thành ba hoặc nhiều vạch ; hay hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này là do tương tác của từ trường ngoài với mômen từ của nguyên tử và của electron. Một số nguyên tử có nhiều thông số kỹ thuật electron với cùng một mức nguồn năng lượng, do đó vạch phổ thu được là giống nhau cho những thông số kỹ thuật này. Khi nguyên tử tương tác với từ trường làm di dời những thông số kỹ thuật electron đến một mức nguồn năng lượng hơi khác, làm cho Open nhiều vạch phổ ở trên quang phổ thu được. [ 102 ] Sự xuất hiện của một điện trường ngoài cũng làm tách và di dời vạch phổ và biến hóa đáng kể mức nguồn năng lượng của electron, hay hiệu ứng Stark . Minh họa sự hoạt động giải trí của laser .Nếu electron link trong trạng thái kích thích, một photon tương tác với nguồn năng lượng riêng hoàn toàn có thể gây ra hiệu ứng phát xạ kích thích cho một photon với nguồn năng lượng tương thích với mức kích thích. Để điều này xảy ra, electron phải trở về trạng thái nguồn năng lượng thấp hơn mà có hiệu nguồn năng lượng giữa hai trạng thái vận động và di chuyển bằng với nguồn năng lượng của photon tương tác. Photon phát ra và photon tương tác chuyển dời song song và có cùng pha với nhau, phản xạ qua lại giữa hai gương. Khi đó, phần sóng của hai photon được đồng nhất hóa. Tính chất vật lý này được ứng dụng để sản xuất những loại laser, một chùm sóng điện từ phối hợp với tần số đồng nhất. [ 104 ]
Hóa trị và link hóa học
Lớp vỏ electron ngoài cùng của nguyên tử cô lập trong trạng thái chưa phối hợp gọi là vỏ hóa trị, và những electron trong lớp vỏ này gọi là electron hóa trị. Số những electron hóa trị xác lập lên đặc thù link hóa học giữa những nguyên tử với nhau. Nguyên tử có xu thế phản ứng với nhau theo cách lấp đầy ( hoặc làm trống ) những vỏ hóa trị ngoài cùng của chúng. [ 105 ] Ví dụ, sự truyền đổi một electron giữa những nguyên tử là một cách xê dịch tốt cho link hình thành giữa một nguyên tử cần thêm một electron là đầy lớp vỏ hóa trị với một nguyên tử khi bớt một electron nó sẽ đầy lớp vỏ, cách link này Open trong hợp chất natri chloride và những muối ion khác. Tuy nhiên, nhiều nguyên tố có nhiều số hóa trị, và có khuynh hướng san sẻ nhiều electron khác nhau trong những hợp chất khác nhau. Như thế, những link hóa học giữa những nguyên tố hình thành theo kiểu san sẻ nhiều electron hơn là chỉ truyền đổi một electron. Ví dụ này gồm có nguyên tố cacbon và những hợp chất hữu cơ. [ 106 ]Tính chất hóa học của những nguyên tố bộc lộ tính tuần hoàn khi sắp xếp ở trên bảng tuần hoàn, và những nguyên tố với cùng số electron hóa trị tạo thành một nhóm trong cùng một cột của bảng. ( Hàng ngang tương ứng với sự lấp đầy lớp vỏ electron. ) những nguyên tố ở phía ngoài cùng bên phải của bảng có lớp vỏ hóa trị đã được lấp đầy electron, khiến cho những nguyên tố này rất thụ động trong những phản ứng hóa học, hay còn gọi là khí hiếm. [ 107 ] [ 108 ] những nguyên tử tham gia cấu thành lên những trạng thái vật chất khác nhau phụ thuộc vào vào những điều kiện kèm theo vật lý, như tỷ lệ, nhiệt độ và áp suất. Khi những điều kiện kèm theo này đổi khác đến điều kiện kèm theo số lượng giới hạn, xảy ra sự chuyển pha vật chất giữa những pha rắn, lỏng, khí và plasma. Trong một trạng thái, vật tư cũng biểu lộ những dạng thù hình khác nhau. Ví dụ như so với cacbon rắn, nó có bộc lộ như graphen, graphit hay kim cương. [ 110 ] Dạng thù hình trong chất khí cũng sống sót, như dioxy và ozone .
Quan sát và thăm dò
Ảnh kính hiển vi quét chui hầm cho thấy từng nguyên tử ở trên mặt phẳng lá vàng. Quá trình tái dựng mặt phẳng là nguyên do khiến những nguyên tử tại mặt phẳng bị lệch đi trong mạng tinh thể và biểu lộ sắp theo cột với độ rộng chứa vài nguyên tử cũng như một vài sai hỏng ở trên mặt phẳng .những nhà khoa học sử dụng kính hiển vi quét chui hầm là thiết bị quan sát mặt phẳng vật tư ở cấp nguyên tử. Nguyên lý hoạt động giải trí của nó dựa ở trên hiệu ứng đường hầm lượng tử, hiệu ứng được cho phép những hạt đi qua rào cản là giếng thế mà về mặt trực giác vĩ mô là không hề. những electron chui hầm qua chân không giữa hai điện cực sắt kẽm kim loại đồng phẳng, ở trên mỗi phía có một nguyên tử hấp thụ electron, dẫn đến Open tỷ lệ dòng điện mà hoàn toàn có thể đo được. Khi đầu dò được quét ở trên mặt phẳng mẫu, sẽ Open những điện tử chuyển dời từ mặt phẳng mẫu sang mũi dò do hiệu ứng chui hầm lượng tử và việc ghi lại dòng chui hầm ( do một hiệu điện thế đặt giữa mũi dò và mẫu ) này sẽ cho những thông tin về cấu trúc mặt phẳng. [ 111 ] [ 112 ]Khi nguyên tử bị mất một vài electron nó trở thành ion. Khi là hạt điện tích quỹ đạo của nó bị lệch đi trong từ trường. Đo được nửa đường kính độ lệch quỹ đạo của ion được cho phép tất cả chúng ta xác lập được khối lượng của nguyên tử. Thiết bị phổ khối kế dựa ở trên nguyên tắc này để đo tỉ số khối lượng ở trên điện tích của những ion. Nếu một chứa nhiều ion, phổ khối hoàn toàn có thể xác lập được tỉ lệ của mỗi đồng vị trong mẫu bằng cách đo cường độ của nhiều chùm ion khác nhau. Kỹ thuật làm bay hơi nguyên tử gồm có ” phổ kế phát xạ cặp nguyên tử plasma cảm ứng ” và ” phổ kế khối lượng cặp plasma cảm ứng “, cả hai kỹ thuật sử dụng plasma làm bay hơi mẫu để nghiên cứu và phân tích. [ 113 ]Một giải pháp hay sử dụng nữa là phổ tổn hao nguồn năng lượng điện tử, dựa ở trên việc ghi và nghiên cứu và phân tích phần nguồn năng lượng bị mất mát của chùm electron trong kính hiển vi điện tử truyền qua do tán xạ không đàn hồi khi truyền qua vật mẫu rắn. cách thăm dò nguyên tử ( atom probe ) có độ phân giải dưới nanômét và thu được ảnh 3 – D cũng như xác lập được đặc tính hóa học của từng nguyên tử trải qua phổ khối thời hạn truyền. [ 114 ]Phổ của trạng thái nguyên tử kích thích được sử dụng để nghiên cứu và phân tích thành phần nguyên tử trong những sao ở xa. những nhà thiên văn hoàn toàn có thể tách những bước sóng điện từ đặc trưng trong ánh sáng phát ra từ ngôi sao 5 cánh và liên hệ nó với sự di dời lượng tử trong nguyên tử khí tự do. Những màu này ( bước sóng ) hoàn toàn có thể được sao chép bằng cách sử dụng đèn phóng điện qua khí ( gas-discharge lamp ) chứa cùng nguyên tố ở trên ngôi sao 5 cánh. [ 115 ] Đặc biệt nguyên tử Heli đã được phát hiện theo cách này khi điều tra và nghiên cứu phổ Mặt Trời sớm 23 năm trước khi nó được phát hiện có sống sót ở trên Trái Đất. [ 116 ]
Nguồn gốc và trạng thái hiện tại
Nguyên tử chiếm khoảng chừng 4,9 % tổng tỷ lệ nguồn năng lượng trong Vũ trụ quan sát được [ 117 ] ( còn lại là vật chất tối và nguồn năng lượng tối ), với tỷ lệ trung bình khoảng chừng 0,25 nguyên tử / m3. [ 118 ] Trong một thiên hà như Ngân Hà, nguyên tử có độ tập trung chuyên sâu cao hơn, với tỷ lệ vật chất bên trong môi trường tự nhiên liên sao ( ISM ) từ 105 đến 109 nguyên tử / m3. Mặt Trời nằm trong Bong bóng địa phương, một vùng tập trung chuyên sâu khí ion hóa cao, do vậy tỷ lệ ở thiên nhiên và môi trường lân cận hệ Mặt Trời trung bình vào lúc 103 nguyên tử / m3. [ 120 ] những ngôi sao 5 cánh hình thành từ những đám mây đậm đặc trong ISM, và quy trình tiến hóa của sao từ từ làm giàu môi trường tự nhiên trong ISM với những nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Có tới 95 % nguyên tử trong Ngân Hà tập trung chuyên sâu bên trong những ngôi sao 5 cánh và tổng khối lượng nguyên tử chiếm khoảng chừng 10 % khối lượng toàn thiên hà. ( phần khối lượng còn lại hầu hết là vật chất tối. ) [ 122 ]
Sự hình thành
Electron sống sót trong Vũ trụ từ quy trình tiến độ sơ khai sau Vụ nổ lớn. Hạt nhân nguyên tử hình thành trong những phản ứng tổng hợp hạt nhân. Quá trình tổng hợp hạt nhân sau Vụ nổ lớn tạo ra phần nhiều heli, lithi, và deuteri trong Vũ trụ, và có lẽ rằng là beryli và bo. [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]Sự sống sót khắp nơi và tính không thay đổi của nguyên tử dựa ở trên nguồn năng lượng link của nó, có nghĩa là nguyên tử có nguồn năng lượng thấp hơn so với một hệ không link gồm hạt nhân và những electron. Khi nhiệt độ cao hơn nguồn năng lượng ion hóa nguyên tử, vật chất sống sót ở trạng thái plasma – chất khí chứa ion điện tích dương ( hoặc thậm chí còn cả hạt nhân trần trụi ) và electron. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức nguồn năng lượng ion hóa, những nguyên tử khởi đầu hình thành theo những định luật của vật lý thống kê. Nguyên tử ( khi đã bắt những electron ) trở lên tiêu biểu vượt trội so với những hạt tích điện sau 380.000 năm từ Big Bang — một kỷ nguyên gọi là ” tái tích hợp “, khi Vũ trụ co và giãn ra và lạnh đi được cho phép những electron kết nối được với hạt nhân. [ 126 ]Do Vụ nổ lớn không sinh ra cacbon hoặc nguyên tử nặng hơn, hạt nhân nguyên tử được sản sinh trong lòng những ngôi sao 5 cánh trải qua phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra nhiều nguyên tố heli hơn, và ( trải qua quy trình bộ ba heli ) sản sinh ra những nguyên tố cacbon cho tới sắt ; [ 127 ] xem thêm tổng hợp hạt nhân sao .Những loại đồng vị như lithi-6, cũng như 1 số ít đồng vị berylilli và bo sản sinh trong khoảng trống trải qua phản ứng bắn phá của tia ngoài hành tinh. [ 128 ] Khi chùm tia proton nguồn năng lượng cao va đập vào hạt nhân nguyên tử trong khí quyển Trái Đất, khiến cho một lượng lớn số hạt nhân nhẹ sinh ra .Những nguyên tố nặng hơn sắt hình thành trong vụ nổ siêu tân tinh trải qua quá trình-r ( r-process ) và trong những sao nhánh tiệm cận khổng lồ ( AGB stars ) trải qua quá trình-s ( s-process ), cả hai quy trình có sự bắt neutron của hạt nhân nguyên tử. [ 129 ]
Băng ở Nam bán cầu, trạng thái của nước ngừng hoạt động .Hầu hết những nguyên tử cấu trúc nên Trái Đất và những thứ sống sót ở trên nó đã xuất hiện trong những tinh vân suy sụp mê hoặc từ đám mây phân tử để hình thành lên Hệ Mặt Trời. Một số hạt nhân còn lại là mẫu sản phẩm của quy trình phân rã, và khi đo được tỷ suất xuất hiện của chúng những nhà khoa học hoàn toàn có thể xác lập được tuổi của Trái Đất trải qua định tuổi bằng đồng vị phóng xạ. [ 131 ] Hầu hết heli trong lớp vỏ Trái Đất ( khoảng chừng 99 % khí heli Open trong những giếng khai thác khí đốt, và một lượng nhỏ heli-3 ) là loại sản phẩm của phản ứng phân rã alpha. [ 132 ]Một vài dấu vết của 1 số ít đồng vị nguyên tử ở trên Trái Đất không xuất hiện lúc hình thành hệ Mặt Trời ( hay không phải là ” nguyên thủy ” ), hay là loại sản phẩm của quy trình phân rã. Cacbon-14 liên tục được sinh ra từ tia ngoài hành tinh trong khí quyển. [ 133 ] Một số nguyên tử ở trên Trái Đất sinh ra từ những máy gia tốc hay trong lò phản ứng hạt nhân hoặc những vụ thử nghiệm vũ khí nguyên tử. [ 134 ] [ 135 ] Trong những nguyên tố siêu urani — với số nguyên tử lớn hơn 92 — chỉ có plutoni và neptuni Open trong tự nhiên ở trên Trái Đất. [ 136 ] [ 137 ] những nguyên tố siêu urani có chu kỳ luân hồi phân rã phóng xạ ngắn hơn tuổi của Trái Đất và do vậy nếu chúng hình thành nguyên thủy thì cũng đã bị phân rã từ lâu, ngoại trừ có một chút ít plutoni-244 Open trong bụi ngoài hành tinh. Nguyên tố plutoni và neptuni có trong tự nhiên hầu hết là mẫu sản phẩm của urani bắt neutron và thường thấy ở những quặng urani. [ 140 ]Trái Đất chứa xê dịch 133 × 1050 nguyên tử. [ 141 ] Mặc dù có dạng nguyên tử sống sót độc lập như những khí hiếm sống sót ít, như argon, neon, và heli, 99 % khí quyển chứa hầu hết những nguyên tử dạng phối hợp như phân tử, gồm có cacbon dioxide CO2 và phân tử hai nguyên tử như oxy O2 và nitơ N2. Tại bề mặt Trái Đất, lượng khổng lồ những nguyên tử phối hợp theo nhiều dạng, gồm có nước H2O, muối, silicat và những oxide. Nguyên tử cũng tích hợp lại thành vật tư không chứa phân tử rời rạc, gồm có tinh thể và chất lỏng hoặc sắt kẽm kim loại rắn. [ 142 ] [ 143 ] Dạng vật chất nguyên tử này tạo nên mạng lưới được sắp xếp thiếu đi kiểu trật tự gián đoạn loại đặc biệt quan trọng quy mô nhỏ thường gặp ở dạng vật chất phân tử. [ 144 ]
những dạng hiếm và ở trên kim chỉ nan
Ảnh mô phỏng 3 chiều về kim chỉ nan hòn đảo bền xung quanh Z = 118 và N = 178 .
Nguyên tố siêu nặng
những đồng vị với số nguyên tử lớn hơn của chì ( 82 ) có tính phóng xạ, những nhà vật lý đã yêu cầu về sự sống sót của ” hòn đảo bền ” cho những nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn 103. Những nguyên tố siêu nặng này có hạt nhân tương đối không thay đổi trong quy trình phân rã. [ 145 ] Ứng cử viên cho nguyên tử siêu nặng không thay đổi đó là unbihexium, có 126 proton và 184 neutron. [ 146 ]
Vật chất ngoại lai
Mỗi hạt vật chất đều có dạng tương ứng ở trên kim chỉ nan đó là hạt phản vật chất với điện tích trái dấu. Hay hạt positron điện tích dương là phản hạt của electron và phản proton điện tích âm là phản hạt của proton. Khi vật chất và phản vật chất tương ứng gặp nhau chúng lập tức bị hủy thành những tia gamma. Bởi vì nguyên do này, cùng với sự mất cân đối giữa lượng vật chất và phản vật chất trong thiên hà, phản vật chất rất hiếm thấy trong thiên hà. ( Mặc dù nguyên do của sự mất cân đối ở trên quy mô Vũ trụ chưa được hiểu khá đầy đủ, một số ít triết lý đã yêu cầu ra về sự vi phạm đối xứng CPT trong thời gian của Vụ nổ lớn. ) Và lúc bấy giờ chưa có nguyên tử phản vật chất nào tìm thấy sống sót trong tự nhiên. [ 147 ] [ 148 ] Trong phòng thí nghiệm, năm 1996, TT điều tra và nghiên cứu hạt hạ nguyên tử CERN ở Genève đã lần tiên phong tạo ra được phản hydro. [ 149 ] [ 150 ]
những nhà vật lý cũng tạo ra được những nguyên tử ngoại lai khác bằng cách thay hạt proton, neutron hay electron bằng hạt khác có cùng điện tích. Ví dụ, trong nguyên tử hydro hạt electron được thay thế bằng lepton nặng hơn là muon, tạo ra nguyên tử muonic. Nguyên tử lạ là một trong những mẫu để những nhà vật lý kiểm chứng những tiên đoán cơ bản của vật lý.[151][152][153]
Xem thêm: Tổng giám đốc điều hành là gì vậy?
Sách tìm hiểu thêm
Liên kết ngoài