Electron… sao lại không rơi tõm vào hạt nhân?
Nếu luôn tràn đầy năng lượng, mình sẽ chạy nhảy không ngừng. Chỉ khi buồn đời, ỉu xìu, cháy túi… cạn hết năng lượng, mình mới dừng lại nghỉ ngơi…

Electron cũng vậy, nó cần năng lượng để nhảy múa quanh hạt nhân… (Ảnh bìa bài viết của Thanh Soledas trên Unsplash)
Chúng mình không phải là người đầu tiên hỏi câu này. Người đầu tiên thắc mắc là anh chàng này nè:
Niels Bohr. Sinh 1885, qua đời năm 1962.
Nội dung bài viết
🥭🥭Để dễ hiểu, mình nắm ý này:
Muốn electron không dính vào hạt nhân, thì bản thân electron phải luôn CÓ NĂNG LƯỢNG (electron có động năng rất lớn do nó chuyển động quá nhanh) ĐỂ CHẠY, và… đảm bảo rằng NĂNG LƯỢNG NÀY KHÔNG MẤT ĐI. Điều này giống chúng ta phải không – nếu lúc nào mình cũng no bụng (đủ năng lượng), thì mình cứ chạy nhảy tung tăng khắp nơi – liên tục không dừng; chỉ khi đói bụng (năng lượng mất dần dần) thì mình mới dần dừng chạy và… rơi vào căn phòng trong mái nhà thân yêu (~ tựa hạt nhân) nằm im lìm… thin thít… !!!!
Bài hát “Đi Về Nhà” thể hiện Nhà như là Hạt nhân – nơi có lực hút mãnh liệt những đứa con (tựa như electron),
- bất cứ lúc nào mình hết năng lượng (cô đơn – thất bại – mệt qúa – mông lung – chênh vênh – không có việc gì… thậm chí là hạnh phúc – thành công), thì hãy đi về nhà;
- nhưng khi được nạp đầy năng lượng, mình lại tiếp tục rời xa nhà để chạy nhảy (bạn hãy xem cuối clip).
Bài hát “Home” thể hiện một chàng trai được bao quanh bởi cả triệu người, nhưng vẫn cảm thấy cô đơn (hết năng lượng!…); và anh ấy cũng chỉ muốn về nhà.
🍏🍏Chúng ta hãy quay lại từ đầu. Con người nghiên cứu về thế giới vật chất theo thứ tự:
1) Theo vật lý cổ điển (dùng Toán học đời cũ).
2) Theo vật lý lượng tử (dùng Toán học đời mới!, gọi là Toán lượng tử).
***Nói cách dễ hiểu, vật lý cổ điển
dùng đúng cho các vật thể vĩ mô (vật thể to, bự, lớn…); và trực giác của chúng ta thường đưa ra câu trả lời đúng cho các vấn đề. Ví dụ: nếu một người thả một tảng đá nặng từ lầu 4 xuống đất, người đó mong đợi rằng tảng đá này sẽ rơi thẳng đứng & đúng điểm tiếp đất dự tính. Theo vật lý cổ điển thì đúng như vậy. Đây là những gì chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày; trực giác có tác dụng.
***Tuy nhiên, trong thế giới vật lý lượng tử
dùng cho thế giới vi mô (hạt vô cùng nhỏ), trực giác của chúng ta thường sai, bởi vì nhiều dự đoán mâu thuẫn với kinh nghiệm sống hàng ngày của chúng ta. Ví dụ (cho vui thôi) nếu mình thả một sợi lông gà từ trên tầng 4 xuống; thì không còn đúng nữa, ..rằng sợi lông đó sẽ rơi hẳn xuống đất, …nó di chuyển theo đường thẳng đứng như cục đá ở trên; và thậm chí một khả năng lớn là… sợi lông đó sẽ theo gió bay mất tiêu luôn – không xác định được điểm tiếp đất của nó ở đâu nữa. Vậy khi này, trực giác áp dụng cho tảng đá không còn đúng cho sợi lông gà này nữa rồi!.
🍍🍍Theo VẬT LÝ CỔ ĐIỂN, nguyên tử không thể tồn tại do electron rơi tõm vào hạt nhân!
Nếu ta có một hạt nhân dương và một electron âm đứng yên, mọi người đều biết rằng hạt nhân sẽ hút electron. Electron bắt đầu di chuyển về phía hạt nhân cho đến khi nó rơi bõm vào hạt nhân. Đây không thể là mô hình cho một nguyên tử vì nếu vậy… chẳng có nguyên tử nào tồn tại!.
Vậy, chắc chắn 100% là các electron không thể treo lơ lửng phía trên hay phía dưới hạt nhân; Electron không thể đứng yên, chúng phải di chuyển.
***Người ta nghĩ tới electron chuyển động kiểu gì?
Vâng, electron chuyển động tròn, giống như các hành tinh quay quanh mặt trời. Chuyển động tròn này bảo vệ các hành tinh khỏi rơi vào Mặt trời. Vì vậy, người ta nghĩ điều này cũng có tác dụng với electron. Ban đầu nó có vẻ có lý, vì electron chuyển động rất nhanh – điều khiến nó có động năng rất lớn; trong khi thế nằng của nó rất nhỏ (vì khoảng cách electron – hạt nhân rất bé) nên nó không thể dính vào hạt nhân được.
***Nhưng… điều này cũng không có tác dụng với electron! Tại sao?
Vật lý cổ điển dạy chúng ta rằng nếu một vật tích điện chuyển động với gia tốc thay đổi (độ lớn vận tốc hoặc hướng đi của nó thay đổi) theo thời gian, vật này sẽ phát ra sóng điện từ – tức phát ra năng lượng !!!!.
Vì vậy, nếu một electron (một vật tích điện) khi chuyển động tròn xung quanh hạt nhân, hướng của nó sẽ thay đổi, do đó nó sẽ bức xạ năng lượng – electron mất năng lượng từ từ (cho dù nó có động năng rất lớn cũng chẳng đáng kể!); nó sẽ chuyển động xoắn ốc dần xuống hạt nhân. Điều này thật không hợp lý, vì nếu vậy, nguyên tử cũng sẽ sụp đổ hoàn toàn – đồng nghĩa với việc không tồn tại thế giới này!. Nhưng thực tế nguyên tử bền vững và vẫn tồn tại theo thời gian?.
Vật lý cổ điển không thể đưa ra câu trả lời; những câu hỏi như trên đã thúc đẩy sự phát triển của Cơ học lượng tử (Quantum Mechanics), rồi áp dụng vào Hóa học và gọi là Hóa học lượng tử.
🍅🍅VẬT LÝ LƯỢNG TỬ
Đầu tiên, dựa trên quan sát, các nhà vật lý giả định các electron chỉ được phép di chuyển xung quanh hạt nhân trên một số quỹ đạo xác định – gọi là quỹ đạo Sommerfeld. Nếu vậy, các electron không bức xạ!!!!. Các electron chỉ bức xạ khi nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác.
Họ không biết tại sao, nhưng tiên đề này có vẻ hiệu quả. Kết quả phù hợp tốt với thí nghiệm đối với các nguyên tử rất đơn giản (nguyên tử có một electron, H). Nhưng đối với các trường hợp nguyên tử nhiều electron, thì nó không hiệu quả!
***Electron không mất năng lượng khi chuyển động
Giải pháp thực sự đã xuất hiện khi con người nghiên cứu ra Cơ học lượng tử. Môn này thì ghê lắm, mình đã học thời đại học, nhưng chẳng còn hiểu biết tí gì về Hóa lượng tử. Các kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học có liên quan đến câu hỏi như sau:
1) Electron không chuyển động trên qũy đạo có hình dạng xác định; mà nó chuyển động lung tung không có đường đi xác định – nhưng electron bị giới hạn chạy trong khoảng không gian có hình hài xác định, gọi là orbital nguyên tử (AO).
2) Khi một electron nằm trong trường điện của hạt nhân, electron chỉ chiếm một số mức năng lượng (gọi dễ hiểu là “quỹ đạo“) nhất định. 🫒🫖🥮🥦🏃Khi nó nằm trên một trong những mức năng lượng này, nó KHÔNG BỨC XẠ – KHÔNG MẤT NĂNG LƯỢNG. Điều này đã trả lời vì sao electron không dính vào hạt nhân, vì nó vẫn còn đầy đủ năng lượng để chạy nhảy!.
3) Các electron có thể chuyển đổi giữa các mức năng lượng – muốn vậy, chúng phải hấp thụ hoặc phát ra năng lượng. Khi electron hấp thụ năng lượng, nó nhảy lên quỹ đạo cao hơn; khi mất năng lượng, nó sẽ rơi xuống quỹ đạo thấp hơn, nhưng electron không bao giờ rơi xuống thấp hơn quỹ đạo thấp nhất (quỹ đạo thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản).
***Electron có rơi vào hạt nhân theo vật lý lượng tử không?
Orbital (AO) là vùng không gian bao quanh hạt nhân, trong khoảng không gian có hạt nhân đó, electron chạy lòng vòng chồng chéo lên cả hạt nhân – tức chắc chắn ở một khoảnh khắc nào đó, Electron sẽ nằm hẳn trong hạt nhân – nhưng như trên đã giải thích, do nó vẫn có đầy đủ năng lượng, nên nó lại bung ra tiếp tục chạy.
***Nếu vậy, electron có phản ứng với hạt p trong hạt nhân không?
Electron phản ứng được với p, quá trình này gọi là “bắt electron – Electron capture” và đây là một quá trình phân rã phóng xạ. Trong quá trình bắt electron, một electron ở lớp sát hạt nhân (K, L) bị bị kéo vào bên trong hạt nhân và kết hợp với một proton để tạo thành một neutron:
e1- + p1+ → n0 + bức xạ
Electron biến mất và trở thành một neutron mới. Vì nguyên tử hiện có ít hơn một proton, nên “bắt electron” sẽ biến một nguyên tố này thành một nguyên tố khác. Ví dụ:
92U + e– → 91Pa + bức xạ
***Bắt electron cần điều kiện gì?
1) Electron phải vượt qua một số rào cản năng lượng do lực đẩy của các electron khác.
2) Một electron chỉ phản ứng với một proton nếu có nhiều proton trong hạt nhân. Khi có quá nhiều proton, một số proton bên ngoài bị liên kết lỏng lẻo và tự do hơn để phản ứng với electron. Nhưng hầu hết các nguyên tử không có quá nhiều proton, vì vậy không có gì để electron tương tác. Kết quả là, mỗi electron trong một nguyên tử ổn định vẫn chạy nhảy tung tăng. Đây cũng là một điều tốt, bởi vì nếu quá trình bắt electron phổ biến, vật chất không ổn định mà sẽ bị sụp đổ.
3) Và còn các điều kiện khác mà các nhà khoa học đã nghiên cứu ra, khó lắm; nên thôi mình cho qua để khỏi nhức đầu nhe.
🥭🍏Câu trả lời trên mình đã tham khảo nhiều giải đáp trên Internet. Đặc biệt câu trả lời từ Fermilab – Phòng thí nghiệm vật lý hạt và máy gia tốc hàng đầu Hoa Kỳ.
Clip dưới đây nói về Mô hình cơ học lượng tử của nguyên tử. Mời các bạn xem cho vui, nếu thấy khó hiểu thì mình bỏ qua nha.
Mình hy vọng câu hỏi trên đã được giải đáp. Nếu tìm được câu trả lời hợp lý hơn, bạn đừng ngần ngại viết vào phần comment để mọi người cùng học nha.
Chân thành cảm ơn bạn đọc Huyền Phương đã gởi đến mình câu hỏi tuyệt vời này.
Chúc các bạn sức khỏe và gặp nhiều niềm vui, thành công trong cuộc sống.
Trân trọng, Toan từ W3chem.com.
🥭🍍Liên kết nhanh
Mời bạn đọc thêm các bài viết khác tại đây.
Tác giả: Đỗ Trọng Toan từ W3chem.com
Mình là người tự mình thực hiện toàn bộ dự án này – bao gồm xây dựng trang web, viết nội dung, tìm tài liệu tham khảo, trả lời câu hỏi bạn gởi về. Vui lòng xem xét QUYÊN GÓP để hỗ trợ W3chem CHỈ BẰNG CÁCH CHIA SẺ BÀI VIẾT NÀY LÊN MẠNG XÃ HỘI; bởi vì trong tương lai, bạn sẽ cho mình nhiều thời gian để làm việc trên W3chem, cũng có nghĩa bạn có thể nhận thêm nhiều nội dung mới nhanh hơn tại đây. 😍 🥰 😘
Mình cảm ơn bạn rất nhiều ⤵