Mô hình nguyên tử

Mô hình nguyên tử, còn được gọi là hành tinh nguyên tử hay mô hình nguyên tử Rutherford, là một lý thuyết về cấu tạo nguyên tử được đề xuất bởi nhà vật lý người New Zealand là Ernest Rutherford (1871–1937) vào sau năm 1911.

Theo mô hình nguyên tử này, hạt nhân mang điện tích dương rất nhỏ, tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử ở trung tâm; các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân trên các quỹ đạo tương tự như các hành tinh quay quanh Mặt Trời.

Lịch sử phát triển

Trước khi năm 1911, người ta cho rằng nguyên tử có cấu trúc theo mô hình mứt mận của J. J. Thomson, gồm các hạt mang điện tích dương xen kẽ với các electron, tạo thành một hỗn hợp tương tự như thành phần của mứt mận (Plum pudding model).

Vào năm 1909, dưới sự chỉ đạo của Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden đã thực hiện thí nghiệm, được biết đến với tên gọi là thí nghiệm Rutherford, tại Đại học Manchester. Họ chiếu các hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo lượng hạt alpha bị phản xạ, truyền và tán xạ. Họ đã phát hiện ra một phần nhỏ các hạt alpha đã bị phản hồi lại.

Nếu cấu trúc của nguyên tử thực sự giống như mô hình 'mứt mận', thì hiện tượng phản hồi sẽ rất yếu, vì nguyên tử là một môi trường hỗn hợp giữa điện tích âm (của electron) và điện tích dương (của proton), làm cho nguyên tử trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa nguyên tử và các hạt alpha.

Vào năm 1911, Rutherford đã giải thích kết quả của thí nghiệm với giả thuyết rằng nguyên tử chứa một hạt nhân nhỏ mang điện tích dương ở trong lõi, với các electron mang điện tích âm xung quanh di chuyển trên các quỹ đạo khác nhau, xung quanh là các khoảng trống. Khi đó, hạt alpha không gặp lực Coulomb khi nó ở xa bên ngoài nguyên tử, nhưng khi nó lại gần hạt nhân mang điện tích dương trong lõi thì nó sẽ bị đẩy đi do cả hai hạt alpha và hạt nhân đều mang điện tích dương. Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách, hạt nhân cần phải có kích thước nhỏ để tạo ra lực đẩy lớn ở các khoảng cách nhỏ giữa hạt alpha và hạt nhân.

Có ảnh hưởng

Mô hình nguyên tử của Rutherford là mô hình đầu tiên đề xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm ở trung tâm của nguyên tử, coi như là sự khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử. Sau khi khám phá này, việc nghiên cứu về nguyên tử đã được chia thành hai nhánh, vật lý hạt nhân nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử, và vật lý nguyên tử nghiên cứu cấu trúc của các electron bay quanh.

Tuy nhiên, mô hình Rutherford nhìn nhận cổ điển về các electron bay trên quỹ đạo giống như các hành tinh bay quanh Mặt Trời; không thể giải thích được cấu trúc quỹ đạo của electron liên quan đến các quá trình hóa học; đặc biệt không giải thích được tại sao nguyên tử tồn tại ổn định và electron không rơi vào trong hạt nhân. Mô hình này sau đó được thay thế bằng mô hình bán cổ điển của Niels Bohr vào năm 1913 và mô hình lượng tử về nguyên tử.

Mặc dù không chính xác, mô hình nguyên tử Rutherford thường được sử dụng trong các minh họa trên các phương tiện truyền thông đại chúng như là biểu tượng cho nguyên tử. Ví dụ, mô hình này được vẽ trên cờ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.