Nguyên tử
Lịch sử > Hạt cấu thành và lý thuyết lượng tử

Nhà vật lý J. J. Thomson, thông qua nghiên cứu trên chùm tia cathode năm 1897, đã phát hiện ra electron, và kết luận 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, không thể phân chia của vật chất. Thomson đề xuất các hạt điện tích âm electron khối lượng nhỏ phân bố đều trên nguyên tử, có thể quay quanh thành những vòng, và điện tích của chúng cân bằng với sự có mặt của một biển điện tích dương. Mô hình này sau đó được gọi là mô hình 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 lệ nhỏ các hạt bị lệch với một góc rất lớn so với giá trị tiên đoán theo mô hình Thomson. Rutherford giải thích thí nghiệm với lá vàng bằng giả sử rằng điện tích dương của nguyên tử vàng và phần lớn khối lượng của nó tập trung tại hạt nhân trung tâm của nguyên tử—hay mô hình Rutherford.
Khi làm thí nghiệm với các nguyên tố phóng xạ, năm 1913 nhà hóa học phóng xạ Frederick Soddy phát hiện ra dường như có nhiều hơn một loại nguyên tử tại mỗi vị trí trên bảng tuần hoàn. Và thuật ngữ đồng vị do bác sĩ Margaret Todd đưa ra nhằm gọi tên một cách phù hợp cho những nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố. J.J. Thomson nghĩ ra một kĩ thuật nhằm tách nguyên tử có các đồng vị khác nhau khi ông nghiên cứu trên khí ion hóa, và sau đó dẫn tới khám phá ra đồng vị bền.
Trong khi đó năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr đề xuất là các electron bị giam giữ trên những quỹ đạo bị lượng tử hóa nhất định, và chúng có thể nhảy qua lại giữa những quỹ đạo này, nhưng không thể rơi xoắn ốc vào trong hay ra ngoài trong những quỹ đạo trung gian. Một electron phải hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng cụ thể khi chuyển dịch giữa hai trạng thái này. Khi ánh sáng từ nguồn vật liệu nung nóng truyền qua một lăng kính, nó bị tách ra thành phổ nhiều tia đơn sắc. Lý thuyết Bohr đã giải thích thành công sự tách ra thành nhiều vạch phổ hydro tương ứng với sự chuyển dịch electron giữa các orbital.
Sau đấy trong cùng năm Henry Moseley cung cấp thêm chứng cứ thực nghiệm ủng hộ lý thuyết Niels Bohr. Những kết quả thí nghiệm này cũng tinh chỉnh mô hình 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 trên bảng tuần hoàn. Cho đến tận khi có các 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 chấp nhận trong mô hình nguyên tử hiện đại ngày nay.
Liên kết hóa học giữa các nguyên tử đến lượt được giải thích bởi Gilbert Newton Lewis năm 1916, bằng tương tác giữa các electron trong chúng. Khi đã biết tính chất hóa học của các nguyên tố lặp lại tuần hoàn trên bảng tuần hoàn, năm 1919 nhà hóa học Irving Langmuir đề xuất tính tuần hoàn có thể giải thích được nếu electron trong một nguyên tử được kết nối hay nhóm lại theo một cách nào đó. Nhóm các electron được cho là chiếm giữ vào một tập hợp lớp vỏ electron quanh hạt nhân.
Thí nghiệm Stern–Gerlach thực hiện năm 1922 mang đến kết 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 trên màn thu tuân theo hướng của động lượng nguyên tử, hay spin lượng tử. Nếu hướng của spin là phân bố ngẫu nhiên, thì trên màn thu sẽ thu được một dải bạc liên tục. Tuy vậy, hai nhà vật lý lại thu được kết quả là có hai phần rõ rệt, chỉ phụ thuộc vào spin nguyên tử định hướng lên hay xuống.
Năm 1924, Louis de Broglie dựa trên ý tưởng của Einstein về sóng điện từ có lúc thể hiện tính chất hạt (photon) và đề xuất ngược lại là mọi hạt có tính chất dạng sóng của chúng. Năm 1926, Erwin Schrödinger sử dụng đề xuất này nhằm phát triển mô hình toán học về nguyên tử miêu tả các electron như dạng sóng ba chiều hơn là các hạt điểm. Một hệ quả của cách sử dụng các hàm sóng miêu tả hành xử của hạt đó là về mặt toán học không thể nhận được giá trị chính xác về cả vị trí và động lượng của một hạt trong cùng một thời gian; đây chính là nội dung của nguyên lý bất định do nhà vật lý Werner Heisenberg phát biểu năm 1926. Trong khái niệm này, mỗi khi chúng ta đo chính xác vị trí của hạt chúng ta sẽ chỉ nhận được một khoảng các giá trị có thể cho động lượng, và ngược lại. Mô hình này cũng giải thích được những kết quả thực nghiệm về hành xử của nguyên tử mà những mô hình khác không làm được, như là những cấu trúc xác định và dải phổ của những nguyên tử lớn hơn nguyên tử hydro. Từ đó, mô hình hành tinh nguyên tử miêu tả các electron quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân bị bác bỏ và thay thế vào đó là các electron ở những vùng gọi là orbital nguyên tử tương ứng với xác suất phân bố của electron.
Các phổ kế khối lượng phát minh ra đã cho phép đo được chính xác khối lượng của nguyên tử. Thiết bị này sử dụng một nam châm 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 các 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. Để giải thích cho sự khác biệt kỳ lạ về khối lượng đồng vị phải đợi đến tận khi khám phá 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 khi bắn phá hạt nhân nguyên tử Beryli bằng các hạt alpha. Do vậy các đồng vị được giải thích như là các nguyên tố có cùng số proton và khác nhau về số neutron ở hạt nhân của chúng.