TỪ NCUYÊN TỬ ĐẾN PHÂN TỬ
Sự đa dạng của vật chất tồn tại trong thiên nhiên có đồng nghĩa rằng chính số kiểu dáng khác biệt nhau của các nguyên tử cũng nhiều vô hạn như thế hay không?
Theo cứ liệu của nhà triết học Simplicius (thế kỷ VI) thì quan niệm của Leucippus và sau đó là của người bạn, người học trò của ông là Democritus đối với vấn đề đó là: ''Số lượng các nguyên tử trong thiên nhiên là vô hạn… Các nguyên tử có vô số hình dạng. Số lượng các hình dạng là vô hạn vì trong thiên nhiên không có co sở nào để cho số đó phải là một số hữu hạn xác định, để nó phải bằng chừng này chứ không bằng chừng kia''.
Tuy nhiên Aristotle cũng đã nhận ra rằng để giải thích các hiện tượng mà ta quan sát không nhất thiết phải đòi hỏi đến vô số các loại nguyên tử khác nhau, vì chỉ cần số lượng hữu hạn loại nguyên tố là đủ để chứng minh mọi thứ rồi''.
Ở điểm này thì Aristotle đúng. Hiện nay ta biết rằng số lượng các nguyên tố đúng là hữu hạn - chỉ lớn hơn con số 100 một chút mà thôi. Đa số vật chất được tạo thành từ các phân tử, là những liên kết khác nhau của các nguyên tử. Ví dụ phân tử khí cacbon được tạo thành từ một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxy (CO2), phân tử nước được tạo thành từ hai nguyên tử hyđro và một nguyên tử oxy (H2O), v.v... Nhưng điều đó thì chỉ bây giờ ta mới biết. Còn ở thế kỷ XVIII khi nhà vật lý học, hóa học, khí tượng học người Anh John Dalton bắt đầu nghiên cứu các tính chất của những hạt nhỏ nhất, thì người ta mới chỉ biết về các nguyên tử và phân tử như đã biết từ hai nghìn năm về trước. Mặc dù vậy, nhà bác học đã không sợ lời thách thức của thiên nhiên, dám “cân đong” cái mà mắt không thể nhìn thấy.
Trước đó không lâu nhà hóa học người Pháp Antoine Laurent de Lavoisier (1743 - 1794) đã tìm ra quy luật bảo toàn khối lượng trong các phản ứng hóa học và lần đầu tiên phân biệt vật chất thành các nguyên tố hóa học và các hợp chất hóa học. Dalton còn đi xa hơn. Ông làm sống lại lý thuyết nguyên tử ông đã đưa ra những định đề sau đây làm cơ sở cho lý thuyết của mình.
1. Mọi chất hóa học đều được tạo thành từ các hạt nhỏ nhất gọi là nguyên tử.
2. Các nguyên tử của một nguyên tố hóa học nào đó thì có khối lượng bằng nhau và tính chất hóa học như nhau.
3. Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau thì có khối lượng khác nhau và các tính chất hóa học khác nhau.
4. Các nguyên tử có thể kết hợp để làm thành hợp chất theo một tỷ số giữa những số nguyên.
Ta có thể xác định khối lượng của một nguyên tử cụ thể nào hay không? Trước kia không ai dám nghĩ đó có thể là hiện thực. Và chính ngay các nguyên tử có tồn tại thực không? Về vấn đề này Dalton không hề nghi ngờ. Ông tin chắc vào sự tồn tại của các nguyên tử đến mức đôi khi ông tưởng như chính mắt ông nhìn thấy chúng. Nhà toán học ngồi bên bàn và vẽ hình nguyên tử:
Nguyên tử oxy ¡
Nguyên tử hyđro ¤
Dalton không ''cân đong'' được các nguyên tử. Ông quyết định tìm cách xác định khối lượng tương đối của chúng, tức là, nếu xem khối lượng của nguyên tử hyđro là đơn vị chẳng hạn thì khối lượng các nguyên tử khác sẽ bằng bao nhiêu đơn vị đó – tức đem chúng so với khối lượng của nguyên tử hyđro.
Vào thời gian đó người ta đã biết thành phần của nhiều hợp chất hóa học. Ví dụ nước được tạo thành từ hyđro và oxy. Phân tích hóa học cho thấy để tạo thành nước thì 1g hyđro phải kết họp với 8g oxy. Dalton là người đầu tiên đã cố thử giải thích vấn đề đó. Ông quyết định xuất phát từ ''nguyên lý đon giản''. Nếu ta chỉ biết một hợp chất gồm hai nguyên tố cho trước A và B thì loại hợp chất này được tạo thành từ những phần tử lượng nguyên tử (mà Dalton gọi là ''các nguyên tử phức tạp'') kiểu AB. Tiếp theo là các tổ hợp AB2 hay A2B. Do đó nếu biết hai hay ba hợp chất từ các nguyên tố cho trước thì phân tử của chúng được mô tả bằng hai hay ba công thức.
Dựa vào nguyên tắc này Dalton cho rằng phân tử nước là lưỡng nguyên tử và có công thức HO (theo ký hiệu hiện nay). Từ đó suy ra rằng hyđro và 8g oxy chứa số hạt bằng nhau. Nếu điều đó là đúng thì có nghĩa là mỗi nguyên tử oxy nặng hơn nguyên tử hyđro 8 lần. Như vậy Dalton đã thu được giá trị khối lượng tương đối của oxy.
Nghiên cứu tiếp các hợp chất hóa học khác cho phép Dalton lập thành một bảng các khối lượng tương đối của tất cả các nguyên tố hóa học. Năm 1803 ông công bố kết quả những nghiên cứu này. Nhà bác học ý thức được mình là người tiên phong đi vào lãnh vực khoa học hoàn toàn mới mẻ chưa từng được biết đến, cho nên trong thông báo của mình ông đã chỉ rõ: ''Theo tôi biết thì việc xác định trọng lượng tỷ đối của các hạt cực nhỏ là một đối tượng nghiên cứu hoàn toàn mới. Tôi bắt đầu công việc này chưa lâu và đã đạt được một số kết quả''. Ý nghĩa công trình nghiên cứu của ông khó ai đánh giá được vì trong khoa học thời đó chưa từng có cái gì tương tự. Lần đầu tiên, bằng trí tuệ của mình con người đã tiến công vào thế giới vi mô và đã mô tả định lượng bằng con số những điều mà mắt người không thể nhìn thấy.
Tuy nhiên ''nguyên lý đơn giản'' mà Dalton dựa vào cũng không phải thật đúng. Vì trong một số trường hợp dựa vào “nguyên lý” đó ta thu được những kết quả đúng song trong nhiều trường hợp thì kết quả lại sai. Ngay cả công thức phân tử nước do Dalton đưa ra cũng sai, và do đó cả khối lượng tương đối của nguyên tử oxy cũng không đúng. Những sai sót này được nhà bác học người Ý Amedeo Avogadro phát hiện và sửa chữa. Năm 1811 xuất hiện một công trình khoa học của Avogadro với tiêu đề ''Lược khảo phương pháp xác định khối lượng tương đối của các phân tử cơ bản của vật thể và tỷ số mà chúng kết hợp với nhau trong một hợp chất (tác giả coi nguyên tử là ''phân tử cơ bản''). Trong công trình này ông chỉ ra rằng mọi vấn đề có liên quan đến việc xác định khối lượng tương đối của các hạt vật chất sẽ dễ dàng được giải quyết nếu đưa vào giả thiết: trong những điều kiện như nhau thì số lượng phân tử chứa trong các thể tích như nhau của một loại khí bất kỳ sẽ bằng nhau. Đó chính là định luật Avogadro ngày nay. Từ định luật này ta có thể suy ra rằng tỷ số giữa các khối lượng của các phân tử chất khí trùng với tỷ số giữa các mật độ của các phân tử này với điều kiện áp suất và nhiệt dộ như nhau. Thực vậy, nếu m = 
V là khối lượng chất khí gồm N phân tử, thì khối lượng một phân tử là:
Viết biểu thức này cho hai chất khí (có thể tích bằng nhau và có các điều kiện như nhau), rồi lấy hai biểu thức dó chia cho nhau thì ta được:
Như vậy Avogadro tìm ra lời giải rất đơn giản cho bài toán xác định khối lượng tương đối của phân tử. Để thực hiện điều đó ta chỉ cần biết mật độ của các chất khí tương ứng. Để làm ví dụ, ông đã tính khối lượng tương đối của phân tử oxy. Thế vào thức (mà ông đã thu được ở mật độ của oxy và của hyđro, nhà bác học đi đến kết luận: khối lượng phân tử oxy vượt khối lượng phân tử hyđro khoảng 15 lần (sau đó ít lâu người ta đã thu được con số chính xác hơn: 16 lần).
Khái niệm về khối lượng tương đối của phân tử vẫn còn được sử dụng cho đến nay. Có điều ngày nay (từ năm 1960) khi tính khối lượng tương đối người ta đã sử dụng làm ''đơn vị” không phải khối lượng nguyên tử hyđro mà là 1/12 khối lượng nguyên tử cacbon (nó được gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, ký hiệu là u và bằng 1,6605655(86). 10-27kg) tức là:
Trong đó Mr là khối lượng tương đối của phân tử. Biểu thức cuối cùng này cho phép ta biểu thị khối lượng của phân tử bằng các đơn vị khối lượng nguyên tử).
mo = Mru (1)
Bước tiếp theo trong việc phát triển các khái niệm về phân tử là xác định thành phần của phân tử trong các hợp chất khác nhau, cụ thể là của nước. Để thực hiện điều đó Avogadro đã sử dụng một kết quả thực nghiệm do nhà hóa học người Pháp Joseph Louis Gay – Lussac (1778 - 1850) thu được trước đó vài năm. Năm 1808 Gay - Lussac thấy rằng đề tạo ra hơi nước có thề tích 2V thì trong phản ứng phải có sự tham gia của hyđro thể tích 2V và oxy thể tích V. Ta có thể mô tả điều đó bằng sơ đồ sau:
2V (hydro) + V (oxy) -> 2 V (nước).
Trước phát hiện định luật Avogadro điều này chưa nói lên được gì nhiều. Và các nguyên tử hyđro ở dạng khí có thể nằm cách xa nhau gấp hai lần so với các nguyên tủ oxy ở dạng khí, do đó hạt mà ta tìm thấy trong các thể tích có thể không liên quan gì đến số lượng các phân tử. Nhưng sau khi xác lập được định luật Avogadro thì tình thế thay đổi rõ rệt. Các thể tích khí bằng nhau (trong điều kiện như nhau) thì chứa số lượng các phân tử bằng nhau. Giả sử trong thể tích V có N phân tử, khi đó trong thể tích 2V sẽ có 2N phân tử và phương trình trên sẽ có dạng:
2N (hyđro) + N (oxy) -> 2N (nước);
hay (sau khi giản ước đi N):
2 phân tử hyđro + 1 phân tủ oxy -> 2 phân tử nước.
Phân tích hệ thức trên, Avogadro đi đến kết luận là các phân tử hyđro và oxy đều là lưỡng nguyên tử. Nếu giả thử tình hình không phải như vậy, mà phân tử hyđro và oxy đều là đơn nguyên tử, thì ta phải có:
2H + O = H2O.
Nghĩa là chỉ một phân tử nước được tạo thành! Trong khi đó thực tế lại thu được hai phân tử nước. Nếu các phân tử hyđro và oxy đều là lưỡng nguyên tử thì ta sẽ có ngay phương trình đúng:
2H2 + O2 = 2H2O.
Như vậy Avogadro lần đầu tiên đã giải quyết được vấn đề mỗi phân tử hyđro. Oxy và nước được cấu thành bởi mấy nguyên tử.
Sau đó bản thân ông rồi đến nhiều nhà bác học khác nữa đã xác định được cấu trúc của những phân tử còn lại. Người ta thấy rằng số lượng nguyên tử trong các phân tử có thể đạt tới vài chục, và trong số trường hợp riêng biệt, lên tới vài trăm và vài nghìn (một số vitamin và protein).
Mặc dù kết quả Avogadro thu được rất quan trọng, song còn nhiều nhà bác học ở thế kỷ XIX vẫn chưa tin hẳn. Phần đông số họ vẫn tiếp tục nghi ngờ về sự tồn tại các nguyên tử trong thực tế, bởi vì vẫn như trước đây không có ai nhìn thấy chúng. Nhà hóa học người Pháp Jean-Baptiste Dumas (1800 - 1884) đã viết: ''Nếu tôi có thẩm quyền thì tôi đã loại thuật ngữ ''nguyên tử'' ra khỏi các danh từ khoa học vì tôi tin chắc chắn rằng nó vượt ra ngoài giới hạn kiểm chứng bằng thực nghiệm, mà ngành hóa học thì không được vượt ra ngoài giới hạn được thực nghiệm kiểm chứng''.
Trong khi đó năm 1827 nhờ thực vật học người Anh Robert Brown (1773 - 1858) đã có một phát hiện đóng vai trò rất quan trọng đối với học thuyết nguyên tử và phân tử.
Nhìn qua kính hiển vi thể huyền phù (thể) của phấn hoa lơ lửng trong nước, ông quan sát được một hiện tượng kỳ lạ: các hạt của thể treo chuyển động liên tục theo các quỹ đạo kỳ quặc nhất. Về sau sự chuyển động hỗn độn của các hạt nhỏ lơ lửng trong chất lỏng được gọi là chuyển động Brown.
Người ta đã không hiểu lý do của chuyển động này ngay. Phải qua gần nửa thế kỷ nhà bác học người Bỉ Ignace Carbonnelle mới đưa ra giả thiết rằng chuyển động Brown là do sự va chạm của các phân tử trong môi trường chất lỏng xung quanh các hạt nhỏ lơ lửng gây nên.
Trong quá trình nghiên cứu chuyển động Brown người ta đã xác định được chuyển động này là phổ quát (vì người ta có thể quan sát được nó đối với mọi loại vật thể lơ lửng dưới dạng bụi trong chất lỏng), không ngừng (vì người ta có thể quan sát được nó trong một bình kín hàng tuần, hàng tháng/ hàng năm) và hỗn độn (không có thứ tự nào). Và sự chuyển động của các hạt Brown, thậm chí của các hạt nằm khá gần nhau cũng hoàn toàn độc lập, cho nên không thể nói được rằng có các dòng chảy nào đó trong chính chất lỏng là lý do sinh ra chuyển động Brown. Tất cả điều đó chứng tỏ rằng phân tử của chất lỏng luôn ở trong trạng thái chuyền động liên tục hỗn độn.
Lý thuyết chuyển động Brown về mặt định lượng chỉ đến năm 1905 mới xuất hiện. Tác giả của nó là Albert Eintein. Lập phương trình mô tả chuyển động Brown và giải phương trình đó, nhà bác học đã thu được hệ thức:
Trong đó 2> là giá trị trung bình của bình phương độ xê dịch của hạt Brown dọc theo trục X trong thời gian t; T là nhiệt độ tuyệt đối của chất lỏng, b là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào kích thước các hạt Brown và vào độ nhớt của chất lỏng, còn NA là hằng số Avogadro. Hằng số này cho biết đơn vị khối lượng nguyên tử u nhỏ hơn 1g bao nhiêu lần. Biết được hằng số này bằng bao nhiêu, ta có thể tính ngay được tất cả các khối lượng tương đối của nguyên tử và phân tử bằng gam và kilôgam.
Để xác định hằng số avogadro bằng phương pháp Einstein, chỉ cần đo các giá trị ,b, T và t rồi thế chúng vào công thức (2). Nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng người Mỹ Abraham Pais (sinh năm 1918) đã viết: ''Ta không bao giờ hết ngạc nhiên về kết quả thu được như từ hư vô này: Hãy chuẩn bị thể huyền phù của các hạt dạng cầu lơ lủng, kích thước khá lớn so với đường kính các phân tử bình thường, hãy cầm lấy chiếc đồng hồ đo giây, chiếc kính hiển vi và xin mời xác định hằng số Avogadro!''.
Lý thuyết của Einstein đã được nhà vật lý người Pháp Jean Baptiste Perrin (1870 - 1942) chứng minh bằng thực nghiệm. Ông bắt đầu tiến hành các thí nghiệm từ năm 1908 và làm tiền trong vài năm. Cứ qua mỗi khoảng thời gian nhất định (
= 30 giây) Perrin lại đánh dấu vị trí của hạt Brown mà ông quan sát được qua kính hiển vi, và sau đó ông nối những vị trí này bằng những đoạn thẳng.
Các phép đo của Perrin cho ta kết quả: hằng số Avogadro NA = 6.1023. Đo hằng số này bằng các phương pháp khác cũng cho ta kết quả như vậy (Giá trị hằng số Avogadro ngày nay là NA= 6,022045(31). 1023).
Việc biết hằng số Avogadro cho phép xác định khối lượng mo của các nguyên tử và phân tử riêng biệt, và bằng cách chia khối lượng của vật thể m cho mo ta sẽ có số hạt trong vật thể này.
Các thí nghiệm về chuyển động Brown đã buộc Withelm Friedrich Ostwald phải thú nhận ''chúng làm cho ngay cả nhà khoa học thận trọng cũng phải công nhận rằng cấu trúc nguyên tử của vật chất đã được xác nhận bằng thực nghiệm''.
Perrin dã được nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1926 do các công trình về chuyển động Brown. Tổng kết các kết quả thí nghiệm của mình, năm 1912 ông đã tuyên bố: ''Lý thuyết nguyên tử đã toàn thắng''. Chưa từng bao giờ có nhiều đến thế những người vốn chống đối thuyết này, nay buộc phải từ bỏ những quan điểm vốn được coi là vững chắc và hữu ích trong suốt những thời kì dai dẳng đến thế”…
Để xác định kích thước các phân tử người ta đã thực hiện một loạt thí nghiệm. Một trong các thí nghiệm đó được nhà vật lý người Anh, huân tước Rayleigh tức John William Strutt (l842 - 1919) thực hiện. Ông để trên mặt nước một giọt dầu. Giọt dầu bắt đầu loang ra và tạo thành một màng, nó loang ra mãi và màng càng ngày càng mỏng hơn. Sau một thời gian nó thôi không loang tiếp nữa. Rayleigh cho rằng điều đó xảy ra khi các phân tử của dầu đã tạo thành một lớp đơn phân tử, tức là một màng mỏng có độ dày là một phân tử. Lấy thể tích giọt dầu chia cho diện tích màng, ông thu được đường kính của một phân tử dầu. Đường kính đó bằng khoảng 1,6.10-9m.
Nguyên tử và phân tử ta không thể thấy được bằng mắt thường vì khả năng phân giải của mắt không hơn 0,1mm và như vậy là lớn hon nhiều so với kích thước của các hạt này. Kính hiển vi quang học có thể đạt độ phóng đại tới 1500 lần cho nên nhờ kính hiển vi quang học người ta có thể phân biệt các cấu trúc có khoảng cách giữa các hạt là 2.10-7m. Nhưng ngay cả khoảng cách này cũng lớn hơn kích thước nguyên tử rất nhiều. Vào giữa thế kỷ XX người ta đã chế tạo ra kính hiển vi điện tử, trong đó thay vào chỗ các tia sáng, người ta sử dụng các chùm điện tử được gia tốc. Qua kính hiển vi điện tử ta có thể quan sát và chụp lại hình ảnh các đối tượng được phóng đại tới 106 lần.
Khả năng phân giải của các kính hiển vi này đạt tới có phần mươi của nanômet (1nm = 109m), do đó có thể thấy được những hình ảnh các cấu trúc nguyên tử. Con người đã nhìn thấy những cái mà suốt 2500 năm qua tư tưởng như về nguyên tắc không thể nhìn thấy được.
Khoa học không đứng yên một chỗ. Đã xuất hiện những kính hiển vi quét, trong đó bộ thu của thiết bị quan sát là một mũi kim nhọn, dịch chuyển trên mặt vật thể ta nghiên cứu và sẽ phản ứng ngay đối với sự thay đổi của lực hút về phía các nguyên tử hay phân tử của mũi kim đó. Khả năng phân giải của chiếc kính hiển vi này đã là có phần trăm của nanômet. Việc quan sát được những cấu trúc có kích thước có nanômét và nhỏ hơn cho phép thiết kế các thiết bị điện tử siêu nhỏ. Các liên kết hóa học sẽ đóng vai trò dây dẫn trong những cấu trúc này, còn những bộ phận ''chiếc máy tính phân tử” này là những cụm phân tử nối với nhau bởi những liên kết hóa học.
Phép đo cỡ nanômet sẽ trở thành cơ sở của công nghệ tương lai - công nghệ nano ở thế kỷ XXI.
CÓ BAO NHIÊU PHÂN TỬ TRONG MỘT VIÊN PHẤN?
Giả sử ta có một viên phấn khối lượng m = 10g. Ta có thể xác định được có bao nhiêu nguyên tử trong viên phấn đó hay không? Rất đơn giản. Để thực hiện điều đó ta chỉ dựa vào bảng tuần hoàn D.I.Mendeleyev, trong đó có ghi những khối lượng nguyên tử tương đối. Phấn là canxi cacbonat (CaC03). Cộng các khối lượng nguyên tử tương đối của canxi (40) và cacbon (12) với khối lượng nguyên tử Oxy (16) nhân 3, ta sẽ có kết quả là 100. Vậy khối lượng một nguyên tử phấn là m0 = 100u.
Nhưng một đơn vị khối lượng nguyên tử trong NA = 6.1023 lần nhỏ hơn 1g. Do đó khối lượng của chính nguyên tử này tính bằng g là:
Để tính số lượng phân tử trong viên phấn ta cần biết khối lượng toàn viên phấn lớn hơn khối lượng một phân tử bao nhiêu lần.
Vậy:
Con số này lớn đến mức nếu mỗi giây ta tách khỏi viên phấn một tỷ phân tử, thì ta phải cần tới 2 triệu năm mới tách hết được số phân tử này của viên phấn!
Trong thực tế, một viên phấn chỉ dùng được nhiều nhất là vài ngày. Ta hãy thử tính xem, sau một bài toán ta giải trên bảng bằng phấn thì trên bảng có bao nhiêu phân tử phấn dính lại?
