Nguyên tử là gì? Cấu trúc và nguồn gốc nguyên tử

Mọi vật chất trên trái đất hay trong vũ trụ đều được cấu tạo bắt nguồn từ một thứ gọi là nguyên tử. Chúng ta thường biết tới vụ nổ Big Bang hình thành vũ trụ hay các hạt proton, nơtron,… Vậy những điều này có liên hệ gì với nhau? Hãy cùng Vimi tìm hiểu qua bài viết này để biết nguyên tử là gì cũng như cấu trúc cấu tạo và nguồn gốc của nguyên tử nhé.

1. Nguyên tử là gì?

Nguyên tử là một hạt vật chất, nó xác định duy nhất một nguyên tố hóa học. Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân trung tâm được bao quanh bởi một hoặc nhiều electron mang điện tích âm.

Hạt nhân mang điện tích dương và chứa một hoặc nhiều hạt tương đối nặng được gọi là proton và nơtron. Bất cứ thứ gì trong không gian và bất cứ thứ gì có khối lượng đều được tạo thành từ các nguyên tử.

2. Proton và Nơtron là gì?

Proton và nơtron là các hạt hạ nguyên tử tạo nên trung tâm của nguyên tử, hay hạt nhân nguyên tử của nó. Một proton có điện tích dương. Số proton trong hạt nhân nguyên tử là số hiệu nguyên tử của nguyên tố hóa học. Số nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được tìm thấy trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.

Ví dụ, Natri có 11 proton, và số hiệu nguyên tử của nó là 11. Một proton có khối lượng ký hiệu là mp, xấp xỉ 1,673 x 10-27 kilôgam (kg).

Một nơtron trung hòa về điện và có khối lượng ký hiệu là mn, xấp xỉ 1,675 x 10-27 kg.

Khối lượng của một proton hoặc nơtron tăng lên khi hạt vật chất đạt được tốc độ cực đại. Ví dụ như trong cyclotron hoặc máy gia tốc tuyến tính.

3. Cấu trúc của nguyên tử là gì?

Tổng khối lượng của một nguyên tử bao gồm proton, nơtron và electron. Nó gọi là khối lượng nguyên tử hoặc trọng lượng nguyên tử. Khối lượng hoặc trọng lượng nguyên tử được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử. Các electron chỉ đóng góp một phần rất nhỏ vào khối lượng của cấu trúc nguyên tử. Tuy nhiên, chúng đóng một vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học tạo ra phân tử.

Đối với hầu hết các mục đích, trọng lượng nguyên tử có thể được tính bằng số proton cộng với số nơtron. Vì số lượng nơtron trong một nguyên tử có thể khác nhau, nên có thể có các trọng lượng nguyên tử khác nhau đối với hầu hết các nguyên tố. Các proton và electron có điện tích bằng nhau và trái dấu. Các proton mang điện tích dương và electron mang điện tích âm.

Thông thường, các nguyên tử có số proton và electron bằng nhau, mang lại cho chúng điện tích trung hòa. Các nguyên tử có cùng số proton nhưng số nơtron khác nhau đại diện cho cùng một nguyên tố được gọi là đồng vị của nguyên tố đó.

Đồng vị của một nguyên tố được xác định bằng tổng số proton và nơtron. Ví dụ, sau đây là hai đồng vị của nguyên tử Cacbon:

• Carbon 12 là đồng vị phổ biến nhất, không phóng xạ của carbon.
• Carbon 14 là một đồng vị carbon phóng xạ, ít phổ biến hơn.

Nguyên tử trung hòa duy nhất không có nơtron là nguyên tử Hydro. Nó chỉ có một electron và một proton.

4. Ai đã phát hiện ra cấu tạo của nguyên tử?

Theo CERN – Hội đồng Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu, các nguyên tử được tạo ra cách đây 13,7 tỷ năm trong vài phút đầu tiên sau vụ nổ Big Bang. Vũ trụ mới nguội đi và giãn nở, tạo điều kiện cho các electron và quark (những hạt nhỏ hơn tạo nên proton và nơtron) hình thành.

Một phần triệu giây sau đó, các quark tập hợp lại để tạo thành proton và nơtron, chúng kết hợp lại để tạo thành hạt nhân của nguyên tử. Nhà vật lý Ernest Rutherford đã phát triển một mô hình ban đầu của nguyên tử vào năm 1912. Ông là người đầu tiên cho rằng nguyên tử giống như các hệ mặt trời thu nhỏ.

Ngoại trừ việc thay vì trọng lực đóng vai trò là lực hấp dẫn thì các điện tích trái dấu phục vụ cho chức năng này. Trong nguyên tử Rutherford của thuyết nguyên tử, các electron quay quanh hạt nhân theo những đường tròn.

Một nhà vật lý khác, Niels Bohr, đã sửa lại mô hình nguyên tử của Rutherford vào năm 1913. Nguyên tử Bohr bao gồm các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân ở những khoảng cách trung bình cụ thể. Những khoảng cách này được biểu diễn bằng các hình cầu, được gọi là vỏ bao quanh hạt nhân. Electron có thể di chuyển từ vỏ này sang vỏ khác.

5. Năng lượng nguyên tử

Khi liên kết giữa các hạt trong hạt nhân bị phá vỡ, một lượng lớn năng lượng được giải phóng. Quá trình phá vỡ các liên kết này được gọi là quá trình phân hạch hạt nhân. Các nhà máy điện hạt nhân sử dụng quá trình phân hạch để tách các nguyên tử uranium và tạo ra điện. Uranium được sử dụng để phân hạch vì các nguyên tử của nó tách ra tương đối dễ dàng.

Điện hạt nhân được coi là nguồn năng lượng sạch vì quá trình phân hạch không thải ra khí nhà kính. Đây là một nguồn năng lượng khả thi cho các trung tâm dữ liệu CNTT đang tìm cách giảm lượng khí thải carbon của họ.

6. Nguyên tử là gì trong cuộc sống hàng ngày?

Bây giờ bạn đã biết nguyên tử là gì và nguyên tử là cấu trúc cực kỳ quan trọng tạo nên tất cả các vật chất trên trái đất. Các nguyên tử có trong cơ thể chúng ta và chúng liên kết với nhau để tạo thành các phân tử, tạo nên vật chất.

Nói một cách đơn giản, không có nguyên tử thì thế giới sẽ không hoạt động. Nguyên tử tạo nên vật chất và vật chất tạo nên mọi thứ trên thế giới. Dưới đây là một số ví dụ về cách các nguyên tử ảnh hưởng đến thế giới:

• Nguyên tử oxy có trong không khí và duy trì sự sống vì chúng ta cần oxy để thở.
• Các nguyên tử cacbon đioxit được giải phóng khỏi cơ thể chúng ta và thực vật hấp thụ CO2 để chúng có thể quang hợp.
• Nguyên tử hiđro và nguyên tử oxi liên kết với nhau tạo thành H2O là nước. Nước rất quan trọng trên thế giới (uống, làm sạch, nấu ăn, vận chuyển). Nếu không có nước, chúng ta sẽ không thể tồn tại.
• Các nguyên tử đứng đầu liên kết với nhau và tạo nên chì mà chúng ta dùng làm bút chì.
• Các nguyên tử đồng, nguyên tử nhôm, nguyên tử niken,… tất cả tạo nên kim loại được sử dụng cho nhiều thứ trong cuộc sống hàng ngày.

7. Lời kết

Như vậy, qua những kiến thức mà Vimi đã hỗ trợ cho độc giả về nguyên tử là gì, cấu trúc và người đã phát hiện ra cấu tạo nguyên tử là ai cũng như những biểu hiện của nguyên tử trong thực tế cuộc sống. Hy vọng với chia sẻ này, các bạn đã bổ sung cho mình những kiến thức bổ ích về nguyên tử.