Làm sao biết nguyên tử tồn tại nếu ta không nhìn thấy chúng?
Làm sao bây giờ…? Khi nguyên tử quá nhỏ và mình chẳng làm sao để chạm vào được. Nhưng đừng lo, con người đã tìm được cách.
Ngày xửa ngày xưa,
….các nhà hóa học không làm sao để nhìn thấy nguyên tử; nên nhiều người coi chúng giống như số âm – hữu ích để tính toán mọi thứ, nhưng không tồn tại trong thế giới thực. Ngay cả ông Dmitri Mendeleev, cha đẻ của bảng tuần hoàn, cũng từ chối tin vào nguyên tử trong nhiều năm.
Khó để tưởng tượng các nguyên tử nhỏ bé dường nào!…. Bạn hãy nhắm mắt lại và thưởng thức:
- Về độ lớn, khoảng 500.000 (năm trăm nghìn) nguyên tử xếp chồng lên nhau mới bằng độ dày của trang giấy viết.
- Về khối lượng, nếu tỉ lệ khối lượng của 1 quả táo : trái đất = x …thì tỉ lệ khối lượng của 1 nguyên tử : quả táo = x luôn!
Vì vậy, bạn sẽ ngạc nhiên tột độ khi biết rằng…, các nhà khoa học đã thực sự nhìn thấy nguyên tử; không phải bằng đôi mắt trong veo, mà phải dùng những công cụ cực kỳ chính xác.
Kích thước của hạt nhân
Hạt nhân của một nguyên tử nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ nguyên tử, thường là 10.000 lần. Nhưng nhỏ như thế nào?
Bạn hãy hình dung một cái ao hình tròn có đường kính 50 mét (bằng chiều dài của một bể bơi Olympic). Nếu một nguyên tử có kích thước bằng cái ao này, thì
- hạt nhân sẽ có kích thước bằng một cục tẩy bút chì – đường kính khoảng 5mm (0,5cm) – nổi lềnh bềnh giữa ao?.
- bên trong hạt nhân chứa các hạt neutron và proton – chiếm một không gian nhỏ hơn khoảng 100.000 lần so với toàn bộ nguyên tử. Vậy một proton sẽ có đường kính khoảng 0,5mm – to bằng một đầu kim.
Nguyên tắc để nhìn được vật thể
7 sắc cầu vồng
MÀU TRẮNG của ánh sáng mặt trời tạo nên từ sự pha trộn của 7 ánh sáng có màu (ĐỎ – DA CAM – VÀNG – LỤC – LAM – CHÀM – TÍM). Nên khi còn nhỏ, các bé hay gọi là 7 sắc cầu vồng.
Theo sự hiểu biết tăng dần của con người về tự nhiên, các nhà khoa học phát hiện cách để nhìn thấy hình dạng vật chất; đó là chiếu ánh sáng vào vật thể, rồi thu gom tia phản xạ dội ngược lại từ vật thể để tô vẽ nên hình ảnh. Nguyên lý này là của tự nhiên, xảy ra khi bạn nhìn mọi thứ xung quanh, quá trình diễn ra thế này nè…
- Khi ánh sáng mặt trời chiếu đến vật thể. Vật thể đó sẽ hấp thụ (1 hoặc nhiều tia) và phản xạ dội ngược lại (các) tia sáng* còn lại,
- Các tia sáng* phản xạ kia sẽ chiếu đến đôi mắt, rồi chuyển hóa thành hình ảnh (trên bộ não) mà bạn thấy.
Những chiếc lá xanh
Chiếc lá hấp thụ tất cả các màu ngoại trừ màu xanh lá cây – màu phản chiếu dội vào mắt chúng ta.
Con bọ rùa dễ thương
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào lớp vỏ của con Bọ rùa; tất cả các màu đều bị hấp thụ – ngoại trừ màu đỏ. Ánh sáng đỏ phản xạ dội vào mắt chúng ta, vì vậy chúng ta nhìn thấy một con bọ rùa đỏ óng ả!
Còn những đốm màu đen của Bọ rùa thì sao? Màu đen có phải là màu không?
- Thực ra, màu đen là do vật thể hấp thụ tất cả các màu và không có ánh sáng phản xạ. Mình biết thêm,
- Màu trắng là do vật thể hoàn toàn không hấp thu màu nào cả; mà phản xạ lại tất cả các tin sáng.
- Ly nước thủy tinh trong suốt là do thủy tinh và cả nước cho tất cả ánh sáng xuyên qua luôn; hoàn toàn không hấp thụ và cũng không phản xạ.
Thiết bị Radar hiện đại
Radar hoạt động bằng cách phát đi tín hiệu vô tuyến và ghi nhận tín hiệu phản xạ lại. Bằng cách phân tích tín hiệu nhận được, người ta biết được tất cả các thông số mong muốn.
Như vậy, muốn nhìn thấy vật thể, chúng mình phải dùng nguồn sáng chiếu đến vật thể; điều này lý giải vì sao ban đêm hoặc khi không có nguồn sáng, chúng ta chẳng nhìn thấy gì cả.
Cũng vậy, người ta sẽ tìm 1 nguồn sáng nào đó để chiếu đến nguyên tử; rồi ghi nhận các tia sáng phản xạ ngược lại, rồi dùng máy móc để xử lý nhằm vẽ nên hình hài nguyên tử.
Tại sao không tìm nguyên tử dưới kính hiển vi dùng nguồn sáng mặt trời?
Nguồn sáng dùng để chiếu vào vật thể
Kính hiển vi có mục đích phóng to vật thể để mắt nhìn được. Ta dùng nguồn sáng chiếu đến vật thể, rồi mắt ghi nhận các tia phản xạ (qua hệ thống kính giúp phóng đại vật thể lên 40 – 3000 lần) để nhìn thấy vật thể.
Để nhìn thấy thứ gì đó dưới kính hiển vi, bước sóng của ánh sáng bạn chiếu qua kính hiển vi không thể lớn hơn thứ gì bạn đang nhìn; vì tia phản xạ lại sẽ không đầy đủ – bị khuyết, khiến hình ảnh vật thể không nguyên vẹn.
Thật không may, ánh sáng nhìn thấy lớn hơn nguyên tử hàng nghìn lần. Vì vậy, các nhà hóa học đành phải ngồi …để chờ, để đợi một nguồn ánh sáng có bước sóng ngắn; và đó là tia X.
Tia X
Tia X được phát hiện năm 1890 bởi nhà khoa học người Đức Wilhelm Roentgen, những bức ảnh chụp bằng tia X giúp ta nhìn xuyên qua các vật thể. Ngày nay, tất cả chúng ta đều quen thuộc với tia X khi đến bệnh viện.
Để nhìn được nguyên tử, các nhà hóa học không sử dụng tia X kiểu đâm xuyên như trên. Thay vào đó, nhà hóa học ghi nhận tia phản xạ khi chiếu tia X vào tinh thể (chất rắn với các lớp nguyên tử xếp chồng chập lên nhau!). Nguyên tắc như sau:
- Khi chùm tia X chiếu vào một nguyên tử trong tinh thể, chúng sẽ phản xạ trở lại. (những tia X khác trượt qua và chui xuống lớp thứ hai, thứ ba hoặc sâu hơn của tinh thể thì kệ nó!).
- Sau khi phản xạ ngược lại, những tia X này đập vào màn hình máy dò (giống như quả bóng bàn dội lại ở môn Bóng bàn).
- Dựa trên mô hình thu được trên máy dò, các nhà khoa học có cách của họ để nghiên cứu và tìm ra sự sắp xếp 3D của các nguyên tử trong tinh thể (làm thế nào mình cũng không biết! Mình để việc này cho các nhà chuyên môn làm).
- Sự phản xạ và tương tác này của các tia X được gọi là nhiễu xạ tia X.
Nhiễu xạ tia X (đôi khi còn gọi là tinh thể học tia X), đã dẫn đến hàng chục giải Nobel cho các nhà hóa học kể từ những năm 1920. Nó cũng dẫn đến một trong những khám phá lớn nhất trong lịch sử khoa học – cấu trúc của DNA. James Watson và Francis Crick (họ dựa trên công trình của Rosalind Franklin, một nhà tinh thể học ở Anh).
Lời kết
Người Hy Lạp cổ đại đã mơ ước tạo ra những hình dạng huyền ảo cho các nguyên tử, nhưng phải mất đến 2.400 năm sau, các nhà khoa học mới có thể nhìn thấy chúng thật và nghiên cứu hành vi của chúng. Nhìn thấy nguyên tử thực sự đã củng cố niềm tin của con người, và…
…cuối cùng đã tiết lộ vũ trụ của chúng ta được tạo thành từ gì.
Liên kết nhanh
Đọc thêm các bài viết của Hóa lớp 10 tại đây.
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. 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 W3chem.
Mình cảm ơn bạn rất nhiều ⤵
