Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố vẫn giữ được các tính chất hóa học của nguyên tố đó. Nó được cấu tạo từ proton, neutron và electron. Nguyên tử là các khối cấu thành nên vật chất. Mọi thứ xung quanh chúng ta — từ không khí, nước, đến đá, thực vật và động vật — cũng như mọi thứ bên trong cơ thể chúng ta, đều được tạo thành từ các nguyên tử.
Nguyên tử rất nhỏ, là những đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố vẫn giữ được các tính chất hóa học của nguyên tố đó. Người Hy Lạp cổ đại tin rằng chúng là những hạt nhỏ nhất tồn tại, và từ “atom” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “không thể chia nhỏ”. Một sợi tóc người có độ dày tương đương với khoảng 500.000 nguyên tử carbon xếp chồng lên nhau. Nguyên tử đơn lẻ của kim loại stronti này có thể nhìn thấy được trong bức ảnh vì nó đã hấp thụ và phát xạ lại ánh sáng laser. Các điện cực trong hình cách nhau hai milimét.
Nguyên tử không thể nhìn thấy bằng mắt thường, hay thậm chí bằng kính hiển vi quang học thông thường. Một nguyên tử quá nhỏ để có thể làm lệch sóng ánh sáng nhìn thấy, do đó nó sẽ không xuất hiện dưới các kính hiển vi sử dụng ánh sáng. Nguyên tử có thể được quan sát dưới kính hiển vi điện tử, loại kính tạo ra các sóng electron có thể tương tác với nguyên tử. Trong hình trên, nguyên tử trở nên “nhìn thấy được” vì nó đã hấp thụ và phát xạ lại ánh sáng laser.
Cấu tạo của Nguyên tử
Mỗi nguyên tử bao gồm ba loại hạt: proton, neutron và electron. Ở trung tâm của nguyên tử là một hạt nhân đặc, chứa proton và neutron, và nhỏ hơn rất nhiều so với toàn bộ nguyên tử. Nếu hạt nhân của nguyên tử có kích thước bằng một viên bi thì nguyên tử sẽ có kích thước tương đương một sân vận động thể thao.
Proton mang điện tích dương, trong khi neutron không mang điện. Hạt nhân được giữ liên kết với nhau nhờ “lực hạt nhân”. Lực này liên kết proton và neutron ở khoảng cách rất gần, tương đương kích thước của hạt nhân. Ở khoảng cách này, lực hạt nhân mạnh hơn rất nhiều so với lực đẩy điện giữa các proton (vì chúng mang điện tích cùng dấu và nếu không có lực hạt nhân, chúng sẽ đẩy nhau). Ở khoảng cách lớn hơn, lực hạt nhân nhanh chóng trở nên không đáng kể.
Số lượng proton trong hạt nhân của nguyên tử quyết định nguyên tố đó là gì. Ví dụ, một nguyên tử có một proton là hydro, trong khi một nguyên tử có tám proton là oxy. Bao quanh hạt nhân là một đám mây electron — các hạt mang điện tích âm. Hạt nhân nguyên tử và các electron được liên kết với nhau bởi các tương tác lực Coulomb — các lực trong vật lý mô tả sự hút hoặc đẩy giữa các hạt mang điện. Tuy nhiên, khi một electron nhận thêm năng lượng, nó có thể tách khỏi nguyên tử, khiến nguyên tử trở thành một ion mang điện tích dương.
Ion là gì
Các nguyên tử có cùng số electron mang điện tích âm và proton mang điện tích dương là trung hòa, vì các điện tích triệt tiêu lẫn nhau. Nếu một nguyên tử nhận thêm hoặc mất electron, nó sẽ trở thành ion. Trong khi điện trường của một nguyên tử trung hòa là yếu, thì một nguyên tử mang điện hoặc bị ion hóa có điện trường mạnh, khiến nó bị hút mạnh bởi các ion và phân tử mang điện tích trái dấu. Nguyên tử có thể bị ion hóa do va chạm với các nguyên tử khác, ion và các hạt hạ nguyên tử. Chúng cũng có thể bị ion hóa khi tiếp xúc với bức xạ gamma hoặc tia X. Bức xạ ion hóa là loại bức xạ có đủ năng lượng để bứt một electron ra khỏi nguyên tử. Nó cũng có thể làm biến đổi hóa học vật chất, ví dụ như gây tổn hại ADN trong mô sống.
Hầu hết các nguyên tử trên Trái Đất đều ổn định, chủ yếu nhờ sự cân bằng trong thành phần các hạt (neutron và proton) trong hạt nhân. Tuy nhiên, ở một số loại nguyên tử không ổn định, sự sắp xếp số lượng proton và neutron trong hạt nhân không cho phép chúng giữ chặt các hạt này với nhau. Trong trường hợp đó, nguyên tử sẽ “phân rã” và giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ (ví dụ như hạt alpha, hạt beta, tia gamma hoặc neutron). Khi được kiểm soát và sử dụng an toàn, hiện tượng này có thể mang lại nhiều lợi ích.
Ernest Rutherford: người phát minh “máy đập nguyên tử”
Năm 1917, một nhà khoa học tên là Ernest Rutherford đã phát hiện rằng bằng cách bắn chùm hạt alpha phóng xạ vào khí nitơ, nguyên tử nitơ có thể bị biến đổi thành oxy đồng thời giải phóng một hạt nhân hydro. Hạt hạ nguyên tử này (hạt nhân hydro) sau đó được đặt tên là proton.
Phát hiện của Rutherford đã dẫn đến sự phát triển của máy gia tốc hạt đầu tiên, ban đầu được gọi là “máy đập nguyên tử”. Cỗ máy mạnh mẽ này có thể gia tốc các hạt mang điện lên năng lượng rất cao dọc theo một quỹ đạo bằng điện trường, và sử dụng các nam châm mạnh để tạo ra các chùm hạt đơn mang điện. Khi các hạt chuyển động nhanh này va chạm với mục tiêu (chúng có thể di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng), các nguyên tử trong mục tiêu sẽ bị tách ra.
Máy gia tốc hạt cũng có thể được sử dụng để tạo ra vật liệu phóng xạ bằng cách bắn các hạt mang điện vào nguyên tử nhằm biến đổi chúng thành các nguyên tử khác không ổn định, chẳng hạn như techneti-99m dùng trong chẩn đoán hình ảnh y học và các đồng vị phóng xạ dùng trong điều trị ung thư có mục tiêu.
Ngày nay, máy gia tốc hạt còn được sử dụng để tiệt trùng thiết bị y tế, nghiên cứu nguồn gốc của vũ trụ (ví dụ như tại Máy Va chạm Hadron Lớn), cũng như phân tích mẫu không khí và cải thiện vật liệu nhằm tăng khả năng chống hư hại. Các loại máy gia tốc hạt khác nhau bao gồm máy cấy ion, máy gia tốc chùm electron, cyclotron, synchrotron, máy gia tốc tuyến tính (Linac) và máy gia tốc tĩnh điện.
Phân hạt nhân
Vào những năm 1930, các nhà khoa học phát hiện rằng nếu bắn một neutron vào một số nguyên tử uranium nhất định, chúng có thể bị tách thành hai phần và phát ra một số neutron, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Quá trình này được gọi là phân hạch, xuất phát từ từ Latin có nghĩa là “tách ra”. Uranium, với 92 proton, có số hiệu nguyên tử cao nhất trong tất cả các nguyên tố tự nhiên tồn tại trên Trái Đất. Uranium-235 dễ bị phân hạch hơn các đồng vị khác vì hạt nhân của nó tương đối không ổn định và dễ dàng hấp thụ một neutron, khiến nó bị vỡ thành hai nguyên tử nhẹ hơn. Tuy nhiên, chỉ khoảng 0,7% uranium tìm thấy trên Trái Đất là loại uranium này, được gọi là vật liệu có khả năng phân hạch.
Phân hạch có thể được sử dụng để tạo ra phản ứng dây chuyền hạt nhân. Mỗi lần một nguyên tử uranium-235 bị tách ra, nó giải phóng trung bình 2,5 neutron. Các neutron này có thể tiếp tục làm phân hạch các hạt nhân có khả năng phân hạch khác, giải phóng thêm nhiều neutron nữa. Tuy nhiên, các neutron “nhanh” này ban đầu di chuyển với năng lượng quá cao để có hiệu quả trong việc gây phân hạch. Việc sử dụng một “chất làm chậm” như nước hoặc than chì sẽ làm chậm neutron. Các neutron mất phần lớn năng lượng của chúng khi va chạm với các nguyên tử hydro hoặc carbon, trở thành neutron “nhiệt” hoặc “chậm”, có khả năng cao hơn trong việc làm phân hạch các hạt nhân uranium khác.
Hiện nay, kỹ thuật phân hạch hạt nhân được sử dụng để tạo ra khoảng 10% năng lượng không phát thải carbon trên thế giới — do phân hạch hạt nhân không tạo ra khí carbon dioxide.
Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp lại để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng rất lớn — một lý thuyết lần đầu tiên được hiểu rõ vào những năm 1920. Các phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong một trạng thái vật chất gọi là plasma — một loại khí nóng, mang điện, bao gồm các ion dương và các electron chuyển động tự do, có những tính chất đặc biệt khác với chất rắn, chất lỏng hay chất khí thông thường.
Mặt trời, cũng như tất cả các ngôi sao khác, được cung cấp năng lượng bởi phản ứng này. Để xảy ra nhiệt hạch, các hạt nhân cần va chạm với nhau ở nhiệt độ cực kỳ cao, khoảng một trăm triệu độ C. Nhiệt độ cao cung cấp cho chúng đủ năng lượng để vượt qua lực đẩy điện giữa chúng. Khi các hạt nhân tiến lại rất gần nhau, lực hạt nhân hút giữa chúng sẽ vượt trội so với lực đẩy điện và cho phép chúng hợp nhất. Để điều này xảy ra, các hạt nhân phải được giữ trong một không gian nhỏ nhằm tăng khả năng va chạm. Trong Mặt trời, áp suất cực lớn do lực hấp dẫn khổng lồ của nó tạo ra các điều kiện cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch.
Từ khóa: nguyên tử;
– IAEA-
