Nguyên tử từng được hình dung gồm một hạt nhân đặc, rắn chắc với các electron đang bay xung quanh. Tuy nhiên, hình ảnh này ngay lập tức dẫn đến một câu hỏi: Làm thế nào các electron có thể quay quanh hạt nhân mà không bao giờ chậm lại? Đây là một câu hỏi nhức nhối vào đầu thế kỷ 20, và việc tìm kiếm câu trả lời cuối cùng đã dẫn đến sự phát triển của cơ học lượng tử.
Vào đầu thế kỷ 20, sau vô số thí nghiệm, các nhà vật lý bắt đầu xây dựng một bức tranh nhất quán về nguyên tử. Họ nhận ra rằng mỗi nguyên tử có một hạt nhân đặc, nặng, mang điện tích dương được bao quanh bởi một đám mây các electron nhỏ, mang điện tích âm. Với bức tranh tổng thể đó, bước tiếp theo là họ cố gắng tạo ra một mô hình chi tiết hơn.
Trong những nỗ lực đầu tiên, các nhà khoa học đã lấy cảm hứng từ hệ Mặt trời, có một "hạt nhân" (Mặt Trời) đặc và được bao quanh bởi một "đám mây" các hạt nhỏ hơn (các hành tinh). Nhưng mô hình này lại dẫn đến hai vấn đề lớn.
Thứ nhất, một hạt mang điện nếu được tăng tốc sẽ phát ra bức xạ điện từ. Theo Đại học Tennessee ở Knoxville, vì electron là các hạt mang điện và chúng tăng tốc trong quá trình di chuyển quanh quỹ đạo, cho nên chúng sẽ phát ra bức xạ. Sự phát xạ này sẽ khiến electron mất năng lượng và nhanh chóng xoắn vào và va chạm với hạt nhân. Vào đầu những năm 1900, các nhà vật lý ước tính rằng một electron chuyển động xoắn như vậy sẽ mất chưa đến một phần nghìn tỷ giây, tương đương với một picosecond, để va vào hạt nhân. Vì các nguyên tử rõ ràng tồn tại lâu hơn một picosecond, nên mô hình này không hoạt động.
Vấn đề thứ hai tinh tế hơn liên quan đến bản chất của bức xạ. Các nhà khoa học biết rằng các nguyên tử phát ra bức xạ có tần số rất rời rạc, cụ thể. Trong khi đó, nếu electron quay theo mô hình hệ Mặt trời, chúng phải phát ra tất cả các loại bước sóng.
Lời giải lượng tử
Nhà vật lý học nổi tiếng người Đan Mạch Niels Bohr là người đầu tiên đề xuất một giải pháp cho vấn đề này. Vào năm 1913, ông đề xuất rằng các electron trong một nguyên tử không thể có quỹ đạo bất kỳ. Thay vào đó, chúng phải bị khóa vào các quỹ đạo ở những khoảng cách rất cụ thể tính từ hạt nhân. Ngoài ra, ông đề xuất rằng có một khoảng cách tối thiểu mà một electron có thể đạt được và nó không thể di chuyển gần hạt nhân hơn nữa.
Ông ấy không phải ngẫu hứng khi đưa ra những ý tưởng này. Hơn một thập kỷ trước đó, nhà vật lý học người Đức Max Planck đã đề xuất rằng sự phát ra bức xạ có thể được "lượng tử hóa", nghĩa là một vật thể chỉ có thể hấp thụ hoặc phát ra bức xạ thành các khối rời rạc, chứ không có giá trị bất kỳ. Nhưng kích thước nhỏ nhất của các khối rời rạc này là một hằng số, được gọi là hằng số Planck. Trước đây, các nhà khoa học nghĩ rằng các bức xạ như vậy là liên tục, nghĩa là các hạt có thể bức xạ ở bất kỳ tần số nào.
Hằng số Planck có cùng đơn vị với moment góc, hay là moment của một vật thể chuyển động theo hình tròn. Vì vậy, Bohr đã áp dụng ý tưởng này cho các electron quay quanh hạt nhân, nói rằng moment góc của một electron có quỹ đạo nhỏ nhất sẽ bằng hính xác một hằng số Planck. Các quỹ đạo cao hơn có thể có giá trị nguyên - gấp đôi, hoặc gấp ba, hoặc bất kỳ bội số nguyên nào khác của hằng số Planck, nhưng không bao giờ có giá trị phân số.
Để hiểu được lý do tại sao electron có một quỹ đạo tối thiểu và các quỹ đạo cao hơn được xác định rõ ràng, cần phải có sự phát triển đầy đủ của cơ học lượng tử. Electron, giống như tất cả các hạt vật chất, hoạt động như cả hạt và sóng. Mặc dù chúng ta có thể hình dung một electron quanh quanh hạt nhân giống như một hành tinh nhỏ quay quanh Mặt trời, nhưng chúng ta cũng có thể dễ dàng hình dung nó như một sóng bao bọc lấy hạt nhân đó.
Trong một không gian hẹp, sóng phải tuân theo các quy tắc đặc biệt. Chúng không thể có bước sóng bất kỳ mà phải được tạo thành từ sóng dừng thích hợp với không gian đó. Giống như khi chơi đàn guitar: nếu bạn ghim chặt hai đầu dây đàn, thì chỉ có một số bước sóng nhất định mới tạo ra các nốt riêng biệt.
Những phát triển trong tương lai của cơ học lượng tử sẽ tiếp tục cải tiến hình ảnh này, nhưng điểm cơ bản vẫn giữ nguyên: Electron không thể đến gần hạt nhân hơn vì bản chất lượng tử của nó sẽ không cho phép nó chiếm ít không gian hơn.
Tổng năng lượng
Chúng ta có một cách hoàn toàn khác để xem xét tình huống electron không rơi vào hạt nhân là tính đến tất cả các năng lượng liên quan. Một electron quay quanh hạt nhân bị hút về phía hạt nhân do lực điện. Nhưng electron đó cũng có động năng, thứ khiến nó đi ra xa hạt nhân.
Đối với một nguyên tử ổn định, hai thứ này sẽ cân bằng. Trong thực tế, tổng năng lượng của một electron trên quỹ đạo, là sự kết hợp giữa động năng và thế năng của nó, là âm. Điều đó có nghĩa là bạn phải cung cấp năng lượng cho nguyên tử nếu muốn loại bỏ electron. Tình huống tương tự cũng xảy ra với các hành tinh quay quanh Mặt trời: Để loại bỏ một hành tinh khỏi hệ Mặt trời, bạn phải cung cấp thêm năng lượng cho hệ thống.
Như vậy, nếu tưởng tượng một electron "rơi" về phía hạt nhân do bị hút bởi lực điện, thì do các quy tắc của cơ học lượng tử, nó không bao giờ có thể chạm đến hạt nhân. Vì vậy, nó bị mắc kẹt và mãi mãi quay quanh hạt nhân. Kịch bản này được phép về vật lý, vì tổng năng lượng của hệ thống là âm, nghĩa là nó ổn định và được liên kết với nhau, tạo thành một nguyên tử bền vững.
Theo Livescience
