Bài viết về lý thuyết nguyên tử và lý thuyết động năng
Thuyết nguyên tử
Từ hàng nghìn năm trước, người Hy Lạp cổ đại tin rằng mọi chất tinh khiết (như vàng, sắt, v.v.) đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Theo họ, nếu một chất tinh khiết được cắt thành những mảnh nhỏ, rồi những mảnh nhỏ đó lại được cắt tiếp, rồi lại cắt tiếp… và cứ thế tiếp diễn, thì sẽ có những mảnh nhỏ nhất không thể cắt nhỏ hơn nữa. Những mảnh nhỏ nhất không thể cắt nhỏ hơn nữa được gọi là nguyên tử. Nguyên tử có nghĩa là “không thể chia nhỏ” (tiếng Hy Lạp).
Vào thời điểm đó, nguyên tử được cho là không thể phân chia thêm. Nhưng sau này, một số nhà khoa học đã phát hiện ra electron và hạt nhân nguyên tử (proton và neutron), do đó giả định rằng nguyên tử không thể phân chia thêm là sai. Vì vậy, nguyên tử bao gồm các electron (mang điện tích âm) và hạt nhân nguyên tử. Electron quay quanh hạt nhân. Bên trong hạt nhân có các proton (mang điện tích dương) và neutron (trung tính hoặc không mang điện tích).
Còn một lý thuyết khác nữa, gọi là lý thuyết liên tục. Lý thuyết này cho rằng các chất tinh khiết có thể được chia nhỏ đến vô cùng. Theo lý thuyết này, không tồn tại khái niệm mảnh nhỏ nhất. Các mảnh nhỏ nhất vẫn có thể được chia nhỏ hơn nữa. Vì vậy, nó trở thành vô hạn. Vậy trong hai lý thuyết này, lý thuyết nguyên tử hay lý thuyết liên tục là đúng?
Trong vật lý, mọi lý thuyết sẽ được công nhận về mặt khoa học nếu lý thuyết đó được chứng minh bằng thực nghiệm. Vào thế kỷ 18, 19 và 20, thông qua các thí nghiệm do các nhà khoa học tiến hành, thuyết nguyên tử đã được chứng minh là đúng.
Trước tiên, hãy hiểu những khái niệm sau. Nguyên tố là những chất tinh khiết không thể phân tách thành các chất khác về mặt hóa học, ví dụ như vàng (Au), sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), natri (Na), canxi (Ca), clo (Cl), nitơ (N), oxy (O), hydro (H), v.v. Bên cạnh các nguyên tố, còn có các hợp chất. Hợp chất được cấu tạo từ các nguyên tố. Vì được cấu tạo từ các nguyên tố, nên hợp chất vẫn có thể được phân tách thành các nguyên tố khác. Ví dụ về hợp chất là nước.
Đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố là nguyên tử, trong khi đơn vị nhỏ nhất của một hợp chất là phân tử. Phân tử bao gồm các nguyên tử liên kết với nhau. Vàng nguyên chất là một ví dụ về nguyên tố. Vàng nguyên chất bao gồm các nguyên tử vàng (Au). Sắt cũng là một ví dụ về nguyên tố. Sắt bao gồm các nguyên tử sắt (Fe). Vì vậy, nguyên tố là một chất tinh khiết bao gồm các nguyên tử giống nhau.
Nước mà bạn thường thấy, cầm và uống được cấu tạo từ các phân tử nước (công thức hóa học là H₂O ) . Phân tử nước gồm hai nguyên tử hydro (H) và một nguyên tử oxy (O).
Dưới đây là một số bằng chứng chứng minh thuyết nguyên tử:
Thứ nhất, đó là nguyên lý so sánh liên tục.
Định luật so sánh phát biểu rằng nếu các nguyên tố kết hợp với nhau để tạo thành hợp chất, thì các hợp chất được tạo thành sẽ có cùng tỉ lệ khối lượng. Ví dụ, muối. Muối mà chúng ta thấy là một hợp chất gồm các phân tử muối (NaCl). Trong tự nhiên, các phân tử muối luôn được tạo thành từ 23 phần natri (Na) và 35 phần clo (Cl).
Thuyết liên tục không thể giải thích được điều đó, nhưng thuyết nguyên tử thì có thể. Theo thuyết nguyên tử, nguyên tử là những phần nhỏ nhất của một nguyên tố nên nguyên tử mới có khối lượng. Tỷ lệ khối lượng của các nguyên tố trong một hợp chất phải liên quan đến khối lượng tương đối của các nguyên tử tạo nên nguyên tố đó. Dựa trên số lượng mỗi nguyên tố tạo nên hợp chất, các nhà khoa học xác định khối lượng tương đối của các nguyên tử. Nó được gọi là tương đối vì khối lượng tương đối của một nguyên tố được so sánh với khối lượng tương đối của các nguyên tử nguyên tố khác.
Hydro là nguyên tử nhẹ nhất, vì vậy nó được dùng làm chuẩn. Khối lượng tương đối của nguyên tử hydro (H) được gán giá trị là 1. Bằng cách sử dụng khối lượng tương đối của nguyên tử hydro làm chuẩn, khối lượng tương đối của nguyên tử cacbon (C) được gán giá trị là 12.
Khối lượng tương đối của nguyên tử oxy (O) được gán giá trị là 16, v.v. (xem bảng tuần hoàn các nguyên tố). Khối lượng tương đối của nguyên tử cacbon = 12 có nghĩa là khối lượng của một nguyên tử cacbon lớn hơn 12 lần khối lượng của một nguyên tử hydro (H). Khối lượng tương đối của nguyên tử oxy = 16 có nghĩa là khối lượng của một nguyên tử oxy lớn hơn 16 lần khối lượng của một nguyên tử hydro (H).
Trong Hệ thống Quốc tế (SI), chúng ta có một chuẩn khối lượng, đó là iridi bạch kim, được lưu trữ tại các cơ quan đo lường quốc tế ở Pháp. Theo thỏa thuận quốc tế, khối lượng iridi bạch kim là 1 kg, đây là một kilogam tiêu chuẩn. Trên thang đo nguyên tử, chúng ta cũng có một chuẩn khối lượng thứ hai, đó là 12 nguyên tử cacbon. Dựa trên các thỏa thuận quốc tế, khối lượng của 1 nguyên tử cacbon 12 C là 120.000 đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất (viết tắt là u).
1 u = 1.66 x 10 -27 kg.
Khối lượng của 1 nguyên tử cacbon (C) = 12,0000 u, khối lượng của 1 nguyên tử hydro (H) = 1,0078 u, khối lượng của 1 nguyên tử oxy (O) = 15,9994 u, khối lượng của 1 nguyên tử natri = 22,9897 u, v.v. Về khối lượng nguyên tử, có thể xem đầy đủ trên bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Ngoài khối lượng nguyên tử, còn có khối lượng phân tử. Khối lượng phân tử là tổng khối lượng của các nguyên tử trong một phân tử. Ví dụ, khối lượng của một phân tử muối (NaCl) = khối lượng của một nguyên tử natri (Na) + khối lượng của một nguyên tử clo (Cl). Khối lượng của các phân tử nước (H₂O ) = khối lượng của 2 nguyên tử hydro (H) + khối lượng của một nguyên tử oxy (O).
Thứ hai, chuyển động màu nâu
Vào thời cổ đại, có một nhà sinh vật học người Anh tên là Robert Brown. Ông đã nghiên cứu phấn hoa khi được đặt trong nước (năm 1827). Nước và phấn hoa có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi. Robert Brown cảm thấy kỳ lạ khi thấy phấn hoa tự di chuyển. Điều kỳ lạ là phấn hoa di chuyển. Hướng chuyển động của phấn hoa không cố định, nhưng liên tục. Ông nghi ngờ rằng chuyển động đó là một dạng sống, nơi phấn hoa tồn tại để có thể di chuyển. Nhưng phỏng đoán của ông đã sai vì các hạt hữu cơ nhỏ như phấn hoa cũng di chuyển khi được đặt trong nước. Chuyển động này được gọi là chuyển động Brown.
Phát hiện này không thể được giải thích cho đến khi lý thuyết động học được phát triển.
Lý thuyết động học
Kinetic có nghĩa là chuyển động (tiếng Hy Lạp). Thuyết động học cho rằng mọi chất đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử và các nguyên tử hoặc phân tử đó chuyển động liên tục một cách ngẫu nhiên.
Khi chuyển động, các nguyên tử hoặc phân tử phải có vận tốc. Các nguyên tử hoặc phân tử cũng có khối lượng. Vì có khối lượng (m) và vận tốc (v), nên nguyên tử hoặc phân tử có động năng (EK) và động lượng (p). Động năng: EK = 1/2 mv² . Trong khi đó, động lượng: p = mv. Ngoài động lượng, còn có lực. Khi chuyển động, có khả năng xảy ra va chạm. Vì vậy, lực phát sinh do sự thay đổi động lượng khi xảy ra va chạm.
Có thể nói rằng lý thuyết động học dựa trên động năng, động lượng và lực. Ba yếu tố này được nghiên cứu trong môn động lực học chuyển động (các định luật Newton, xung lượng và động lượng). Điểm khác biệt là trong lý thuyết động học, chúng ta áp dụng động lực học ở cấp độ nguyên tử hoặc phân tử. Lý thuyết động học được phát triển bởi Boyle (1627-1691), Daniel Bernoulli (1700-1782), Joule (1818-1889), Kronig (1822-1879), Rudolph Clausius (1822-1888) và Clerk Maxwell (1831-1879).
Sự tồn tại của lý thuyết động học này có thể giải thích phát hiện của Brown. Theo lý thuyết động học, phấn hoa di chuyển là do các phân tử nước chuyển động nhanh đẩy nó. Số lượng phân tử nước rất lớn, vì vậy phấn hoa bị đẩy từ nhiều hướng khác nhau.
Dựa trên định luật so sánh liên tục và sự khám phá chuyển động Brown, thuyết nguyên tử ngày càng được các nhà khoa học tin tưởng. Nguyên tử là những phần tử nhỏ nhất của bất kỳ chất nào. Do đó, nguyên tử có kích thước. Kích thước của một nguyên tử là bao nhiêu?
Năm 1905, Einstein đã nghiên cứu lý thuyết về kích thước của nguyên tử. Dựa trên lý thuyết nguyên tử, lý thuyết động học và dữ liệu thu được từ các thí nghiệm, ông đã tìm ra đường kính nguyên tử vào khoảng 10⁻¹⁰ m . Như vậy, đường kính của nguyên tử được xác định thông qua tính toán. Kích thước của nguyên tử đã được phát hiện, do đó lý thuyết nguyên tử và lý thuyết động học được công nhận.
