Cuộc tìm kiếm nguyên tử kéo dài 2,400 năm - Theresa Doud

Xem bài học đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/the-2-400-year-search-for-the-atom-theresa-doud

Làm thế nào biết được cấu tạo của vật chất? Cuộc tìm kiếm nguyên tử là một hành trình dài, bắt đầu từ 2,400 năm về trước, với nghiên cứu của một nhà triết học người Hy Lạp, sau đó là một người Quaker và một vài nhà khoa học từng đoạt giải Nobel khác. Cùng Theresa Doud đi vào chi tiết lịch sử của thuyết nguyên tử.

Bài học của Theresa Doud, hoạt hình thực hiện bởi TED-Ed.

Một nhà triết học Hi Lạp cổ đại

và một người Quaker thế kỷ 19

có điểm chung nào
với các nhà khoa học đoạt giải Nobel?

Dù sống cách nhau
hơn 2,400 năm lịch sử,

họ đều góp phần
trả lời một câu hỏi muôn thuở:

Điều gì cấu tạo nên vật chất?

Khoảng 440 năm trước Công nguyên,
Democritus lần đầu đặt giả thuyết

rằng mọi thứ đều được
cấu thành từ các hạt li ti

được bao quanh
bởi không gian trống.

Ông thậm chí còn tin rằng những hạt
này có hình dáng, kích cỡ khác nhau

tùy thuộc vào thành phần
cấu tạo nên chúng.

Ông gọi chúng là "atomos"

nghĩa là "không thể phân chia"
trong tiếng Hi Lạp.

Ý tưởng của ông bị hầu hết
các triết gia cùng thời phản đối.

Aristotle, chẳng hạn,
hoàn toàn phản đối,

ông cho rằng vật chất
được cấu tạo bởi bốn yếu tố:

đất, gió, nước và lửa,

và hầu hết các nhà khoa học
sau này cũng tin như vậy.

Thuyết nguyên tử bị lãng quên
cho đến tận năm 1808,

khi giáo viên phái Quaker, John Dalton,
cố phản biện lý thuyết của Aristotle.

Khi mà thuyết nguyên tử
của Democritus chỉ toàn là lý thuyết,

Dalton chỉ ra rằng những chất giống nhau
luôn tách thành những nguyên tố giống nhau

với cùng một tỷ lệ.

Ông kết luận rằng,
các hợp chất

do nguyên tử cấu thành
với thành phần khác nhau,

kích thước và khối lượng xác định,

và không thể được chế tạo
hay bị phá hủy.

Công trình này đem đến nhiều
vinh quang song

Dalton, vốn là thuộc phái Quaker,
đã sống rất giản dị đến cuối đời.

Thuyết nguyên tử lúc bấy giờ đã
được cộng đồng khoa học chấp nhận,

nhưng bước phát triển chính
chỉ đến sau gần một thế kỷ

với sự tìm ra electron năm 1897
của nhà vật lý J.J. Thompson.

Trong mô hình được gọi là
bánh quy chocolate nguyên tử,

ông cho rằng nguyên tử là
một khối đồng nhất với điện tích dương

và được lấp đầy
bởi các electron mang điện tích âm.

Thompson giành giải Nobel năm 1906
cho phát hiện này,

nhưng mô hình nguyên tử
của ông không tồn tại lâu.

Bởi, tình cờ thay, ông có
một vài sinh viên khá thông minh,

trong đó phải kể đến
Ernerst Rutherford,

người sau này được coi là
cha đẻ của thời đại hạt nhân.

Trong khi nghiên cứu tác động
của tia X lên chất khí,

Rutherford đã quyết định
nghiên cứu nguyên tử kỹ lưỡng hơn

bằng cách bắn các hạt alpha nhỏ,
mang điện dương vào một lá vàng mỏng.

Theo mô hình của Thompson,

sự phân tán mỏng
điện tích dương của nguyên tử

sẽ không thể làm chệch hướng
các hạt ở bất cứ điểm nào.

Hiệu ứng sẽ giống như
một cú đập bóng tennis

đập qua một tờ giấy mỏng.

Nhưng trong khi hầu hết
các hạt đều bay qua lá vàng,

một vài lại bị đập ngược trở lại,

cho thấy rằng lá vàng
như một tấm lưới dày với mắt lưới lớn.

Rutherford kết luận rằng nguyên tử
gồm hầu hết là khoảng không

với chỉ một vài electrons,

trong khi hầu hết khối lượng
tập trung tại phần lõi,

mà ông đặt tên là hạt nhân.

Các hạt alpha
xuyên qua khoảng trống

nhưng bị bật lại khi đập vào hạt nhân
đặc và mang điện tích dương.

Thuyết nguyên tử
đến đó vẫn chưa hoàn thiện.

Đến năm 1913, một sinh viên khác
của Thompson là Niels Bohr

đã phát triển
mô hình nguyên tử của Rutherford.

Bị thu hút bởi công trình trước đó
của Max Planck và Albert Einstein,

ông giả thuyết rằng các electron
quay quanh hạt nhân

với năng lượng
và khoảng cách cố định,

có thể nhảy từ mức năng lượng này
sang mức khác,

song không thể tồn tại
trong khoảng không ở giữa.

Mô hình hành tinh nguyên tử
của Bohr rất được quan tâm,

song ngay sau đó,
nó để lộ vài điểm không hợp lý.

Các thí nghiệm chỉ ra rằng,
không chỉ là những hạt đơn lẻ,

electron còn đồng thời
hoạt động như sóng,

không bị giới hạn tại một điểm
cụ thể nào trong không gian.

Và trong khi xây dựng
nguyên lý bất định nổi tiếng của mình,

Werner Heisengerg đã chỉ ra rằng
không thể xác định được

vị trí và vận tốc chính xác
của electrons

khi chúng chuyển động
xung quanh một nguyên tử.

Ý tưởng rằng electrons
không thể được định vị

nhưng tồn tại trong một chuỗi
các vị trí khả dĩ định trước

giúp phát triển mô hình lượng tử
của nguyên tử hiện tại,

một lý thuyết hấp dẫn
với mức độ phức tạp khác

và ý nghĩa của chúng
vẫn chưa hoàn toàn được thấu hiểu.

Trong khi hiểu biết về nguyên tử
tiếp tục phát triển,

nguyên lý căn bản về cấu trúc
nguyên tử vẫn không đổi,

vì vậy, hãy ăn mừng chiến thắng
của lý thuyết nguyên tử

bằng những màn pháo hoa.

Khi các electrons trong nguyên tử
thay đổi mức năng lượng,

chúng hấp thu và giải phóng năng lượng
dưới dạng sóng ánh sáng,

tạo nên những màu sắc tuyệt diệu
mà ta nhìn thấy.

Cũng có thể tin rằng Democritus,
đâu đó, cũng đang nhìn ngắm,

và hài lòng khi biết rằng
hơn hai ngàn năm sau,

những nguyên lý của ông,
ngay từ đầu, đã hoàn toàn đúng.