Nguyên tử là gì?

1. Khái niệm về nguyên tử

Nguyên tử là đơn vị cơ bản cấu tạo nên vật chất. Mỗi nguyên tố hóa học được tạo thành từ những nguyên tử giống nhau về cấu tạo và tính chất . Nghiên cứu về cấu trúc nguyên tử giúp hiểu sâu hơn về các phản ứng hóa học, liên kết và tính chất vật lý của các chất. Lý thuyết về cấu trúc nguyên tử đầu tiên được John Dalton đề xuất vào đầu thế kỷ 19 .

2. Cấu tạo của nguyên tử

Một nguyên tử gồm hai phần chính: hạt nhân nằm ở tâm, chứa các proton mang điện tích dương và các nơtron không mang điện, và vỏ nguyên tử bao quanh hạt nhân, chứa các electron mang điện tích âm . Proton và nơtron có khối lượng gần bằng nhau, khoảng 1.67 × 10−24 gam, được định nghĩa là 1 đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) . Mỗi electron có điện tích âm (-1) bằng điện tích dương của proton (+1) . Trong nguyên tử trung hòa, số proton bằng số electron .

3. Kích thước và khối lượng của nguyên tử

Bán kính hạt nhân nguyên tử rất nhỏ, chỉ khoảng 1.2 × 10−15 m (1.2 fm) . Mặc dù hạt nhân chỉ chiếm một phần rất nhỏ thể tích nguyên tử nhưng lại chứa hầu hết khối lượng của nguyên tử . Bán kính nguyên tử lớn hơn bán kính hạt nhân khoảng 10.000 lần .

4. Cấu hình electron trong nguyên tử

Các electron trong nguyên tử được sắp xếp vào các lớp và phân lớp khác nhau. Trạng thái cơ bản của nguyên tử có các electron lấp đầy các phân lớp theo nguyên lý Aufbau, quy tắc Hund và nguyên lý loại trừ Pauli . Cấu hình electron quyết định nhiều tính chất hóa học của nguyên tố như khả năng liên kết, từ tính . Các nguyên tố trong cùng một nhóm có cấu hình electron tương tự nhau .

5. Đặc điểm của hạt nhân nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và nơtron được liên kết chặt chẽ với nhau nhờ lực hạt nhân mạnh . Lực hạt nhân mạnh là lực hấp dẫn rất lớn, mạnh gấp khoảng 100 lần lực đẩy Coulomb giữa các proton mang điện tích cùng dấu . Tuy nhiên, lực hạt nhân chỉ tác dụng trong phạm vi rất ngắn, khoảng 10-15 m . Ngoài ra, còn có lực hạt nhân yếu gây ra sự phân rã phóng xạ của một số hạt nhân không bền .

6. Số nguyên tử và nguyên tử khối

Số proton trong hạt nhân xác định số hiệu nguyên tử Z của nguyên tố . Nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể có số nơtron khác nhau, gọi là các đồng vị. Tổng số proton và nơtron trong hạt nhân gọi là số khối A . Khối lượng nguyên tử được tính bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (amu), xấp xỉ bằng số khối A . Sự chênh lệch nhỏ giữa khối lượng nguyên tử và số khối là do năng lượng liên kết hạt nhân .

7. Sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử

Nguyên tử và phân tử tuy đều là những hạt cực nhỏ nhưng có sự khác biệt rõ rệt. Nguyên tử là đơn vị cơ bản nhất của một nguyên tố, không thể phân chia thành những phần nhỏ hơn mà vẫn giữ được tính chất hóa học. Trong khi đó, phân tử được tạo thành từ các nguyên tử liên kết với nhau qua liên kết hóa học . Tính chất của phân tử phụ thuộc vào thành phần và cách sắp xếp các nguyên tử trong phân tử.

8. Ứng dụng của năng lượng nguyên tử

Năng lượng nguyên tử có nhiều ứng dụng quan trọng trong y tế, nông nghiệp, công nghiệp . Chẳng hạn, đồng vị phóng xạ được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư. Năng lượng hạt nhân được tạo ra từ phản ứng phân hạch hoặc tổng hợp hạt nhân, có thể được sử dụng để sản xuất điện . Tuy nhiên, việc phát triển và sử dụng năng lượng nguyên tử cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro cần được kiểm soát chặt chẽ.

9. Kết luận

Tóm lại, nguyên tử là đơn vị cơ bản cấu tạo nên vật chất, gồm hạt nhân chứa proton, nơtron và vỏ nguyên tử chứa electron. Cấu trúc nguyên tử và sự sắp xếp electron quyết định tính chất của các nguyên tố hóa học. Nghiên cứu về nguyên tử đóng vai trò nền tảng cho sự phát triển của hóa học, vật lý và nhiều ngành khoa học khác. Những ứng dụng của năng lượng nguyên tử đang và sẽ còn đem lại nhiều lợi ích to lớn cho nhân loại.