Emma Midgley , Văn phòng Thông tin và Truyền thông Công chúng của IAEA
Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố mà vẫn giữ được các tính chất hóa học của nó. Nó được cấu tạo từ các proton, neutron và electron. (Ảnh: M. Magnaye)
Nguyên tử là những khối cấu tạo nên vật chất. Mọi thứ xung quanh chúng ta — từ không khí và 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.
Chúng rất nhỏ, là những đơn vị nhỏ nhất của một nguyên tố mà 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 "nguyên tử" bắt nguồn từ "không thể chia nhỏ" trong tiếng Hy Lạp. Một sợi tóc người có độ dày tương đương với 500.000 nguyên tử carbon xếp chồng lên nhau.
Nguyên tử đơn lẻ của kim loại stronti này có thể nhìn thấy trong bức ảnh này vì nó đã hấp thụ và phát xạ lại ánh sáng laser. Các điện cực trong hình cách nhau hai milimét. (Ảnh: David Nadlinger/ Đại học Oxford)
Nguyên tử không thể nhìn thấy bằng mắt thường, thậm chí cả dưới kính hiển vi thông thường. Nguyên tử quá nhỏ để làm lệch hướng sóng ánh sáng nhìn thấy được, nghĩa là nó sẽ không hiển thị dưới kính hiển vi hội tụ ánh sáng. Nguyên tử có thể được quan sát dưới kính hiển vi điện tử, loại kính hiển vi tạo ra sóng điện tử có thể tương tác với nguyên tử. Trong hình trên, nguyên tử "có thể nhìn thấy" vì nó đã hấp thụ và phát xạ lại ánh sáng của tia laser.
Các nguyên tử trông như thế nào? Các nhà khoa học đã thay đổi quan điểm của họ qua nhiều thế kỷ. (Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Nguyên tử được cấu tạo từ những gì?
Mỗi nguyên tử bao gồm ba loại hạt: proton, neutron và electron. Ở trung tâm của nguyên tử là một hạt nhân đặc, chứa các proton và neutron, và nhỏ hơn 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 bằng một sân vận động thể thao .
Proton mang điện tích dương, trong khi neutron trung tính. Hạt nhân được giữ vững nhờ "lực hạt nhân". Lực này liên kết các proton và neutron lại với nhau ở khoảng cách gần bằng kích thước của hạt nhân. Lực hạt nhân ở khoảng cách này mạnh hơn nhiều so với lực đẩy điện giữa các proton (vì chúng có điện tích bằng nhau, nếu không chúng sẽ đẩy nhau). Ở khoảng cách lớn hơn, lực hạt nhân này nhanh chóng trở nên không đáng kể.
Số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử quyết định nguyên tố đó là gì. Ví dụ, nguyên tử có một proton là hydro, trong khi 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 liên kết với nhau bằng lực Coulomb – lực trong vật lý mô tả sự đẩy hoặc hút giữa các hạt mang điện tích này. Tuy nhiên, khi một electron thu được năng lượng, nó có thể tách khỏi nguyên tử, khiến nguyên tử trở thành ion mang điện tích dương.
Nguyên tử ở trung tâm logo của IAEA có bốn electron – nghĩa là nó là Beryllium nếu ở trạng thái trung tính và không bị ion hóa. (Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Ion là gì?
Các nguyên tử có cùng số electron mang điện tích âm và số proton mang điện tích dương là trung tính, vì điện tích triệt tiêu lẫn nhau. Nếu một nguyên tử nhận hoặc mất electron, nó sẽ trở thành ion.
(Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Trong khi điện trường của một nguyên tử trung tính yếu, một nguyên tử mang điện tích hoặc bị ion hóa lại có điện trường mạnh, khiến nó bị hút mạnh bởi các ion và phân tử mang điện tích trái dấu. Các nguyên tử có thể bị ion hóa do va chạm với các nguyên tử, ion và các hạt hạ nguyên tử khác. Chúng cũng có thể bị ion hóa do tiếp xúc với bức xạ gamma hoặc tia X. Bức xạ ion hóa là bức xạ có đủ năng lượng để tách một electron ra khỏi nguyên tử. Nó cũng có thể làm biến đổi hóa học vật chất, ví dụ như làm hỏng DNA trong mô sống.
(Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Hầu hết các nguyên tử trên Trái đất đều ổn định, chủ yếu là nhờ thành phần cân bằng của các hạt (neutron và proton) trong hạt nhân của chúng.
Tuy nhiên, ở một số loại nguyên tử không bền, thành phần số lượng proton và neutron trong hạt nhân của chúng không cho phép chúng giữ các hạt này lại với nhau. Trong trường hợp này, nguyên tử "phân rã" và giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ (ví dụ như hạt alpha, hạt beta, tia gamma hoặc neutron), khi được khai thác và sử dụng an toàn, có thể mang lại nhiều lợi ích khác nhau.
(Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Ernest Rutherford: Nhà phát minh ra "Máy đập phá nguyên tử"
Năm 1917, một nhà khoa học tên là Ernest Rutherford đã phát hiện ra rằng bằng cách bắn các chùm hạt alpha phóng xạ vào khí nitơ, nguyên tử nitơ có thể được biến đổi thành oxy đồng thời giải phóng một hạt nhân hydro. Hạt hạ nguyên tử này (hạt nhân hydro) sau đó được đổi tên thành proton.
(Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Khám phá của Rutherford đã dẫn đến sự phát triển của máy gia tốc hạt đầu tiên, ban đầu được gọi là "máy phá vỡ nguyên tử". Cỗ máy mạnh mẽ này có thể gia tốc các hạt mang điện bằng cách sử dụng điện trường đến năng lượng cao dọc theo một đường đi và sử dụng nam châm mạnh để tạo ra các chùm hạt mang điện đơn lẻ. Khi các hạt chuyển động nhanh va chạm với mục tiêu (chúng có thể đi nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng), các nguyên tử trong mục tiêu sẽ bị tách ra.
Đọc thêm: Máy gia tốc hạt là gì?
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 các nguyên tử để biến đổi chúng thành các nguyên tử không ổn định khác, chẳng hạn như technetium-99m dùng trong chẩn đoán hình ảnh y tế và các đồng vị phóng xạ dùng trong điều trị ung thư có mục tiêu.
Tìm hiểu thêm về đồng vị phóng xạ tại đây .
Ngày nay, máy gia tốc hạt cũng được sử dụng để khử trùng thiết bị y tế, nghiên cứu nguồn gốc vũ trụ (ví dụ, tại Máy gia tốc hạt lớn Large Hadron Collider), cũng như để phân tích mẫu không khí và tăng cường vật liệu, làm cho chúng có khả năng chống chịu hư hại tốt hơn. Các loại máy gia tốc hạt khác nhau bao gồm máy cấy ion, máy gia tốc chùm electron, máy gia tốc cyclotron, máy gia tốc synchrotron, máy gia tốc tuyến tính ( Linac) và máy gia tốc tĩnh điện.
Phân tách nguyên tử: Phân hạch hạt nhân
Vào những năm 1930, các nhà khoa học phát hiện ra rằng nếu bắn một neutron vào một số nguyên tử urani nhất định, chúng có thể tách thành hai và phát ra một số lượng neutron nhất định, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này. Quá trình này được gọi là phân hạch, từ tiếng Latinh có nghĩa là "tách".
Uranium, với 92 proton, có số hiệu nguyên tử cao nhất trong tất cả các nguyên tố tự nhiên trên Trái đất . Uranium-235 dễ bị phân tách (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 phân tách thành hai nguyên tử nhẹ hơn. Tuy nhiên, chỉ có 0,7% lượng uranium được tìm thấy trên Trái đất là loại uranium này, được gọi là uranium có khả năng phân hạch.
Tìm hiểu thêm về uranium tại đây .
(Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Phản ứng phân hạch có thể được sử dụng để tạo ra phản ứng dây chuyền hạt nhân. Mỗi lần một nguyên tử urani-235 bị phân tách, nó giải phóng trung bình 2,5 neutron. Những neutron này có thể tiếp tục phân tách các hạt nhân phân hạch khác, giải phóng thêm nhiều neutron nữa. Tuy nhiên, những neutron "nhanh" này ban đầu mang quá nhiều năng lượng nên không hiệu quả trong việc gây ra phản ứng phân hạch. Sử dụng chất làm chậm như nước hoặc than chì sẽ làm chậm các neutron. Các neutron mất phần lớn năng lượng trong các va chạm với các nguyên tử hydro hoặc carbon để trở thành các neutron "nhiệt" hoặc "chậm", có khả năng phân tách các hạt nhân urani khác cao hơn nhiều.
Kỹ thuật phân hạch hạt nhân hiện được sử dụng để sản xuất 10% năng lượng không phát thải carbon của thế giới - vì phân hạch hạt nhân không tạo ra khí carbon dioxide.
Điều gì xảy ra với các nguyên tử trong phản ứng tổng hợp hạt nhân?
Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp để tạo thành một hạt nhân nặng hơn đồng thời giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, một lý thuyết được hiểu lần đầu tiên vào những năm 1920.
Phản ứng hợp hạch diễn ra trong trạng thái vật chất gọi là plasma — một loại khí nóng, tích điện được tạo thành từ các ion dương và các electron chuyển động tự do, có những đặc tính độc đáo khác biệt so với chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.
(Đồ họa thông tin: M. Magnaye)
Mặt trời, cùng với tất cả các ngôi sao khác, được cung cấp năng lượng bởi phản ứng này. Để hợp nhất, các hạt nhân cần va chạm với nhau ở nhiệt độ cực 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 đến rất gần nhau, lực hút hạt nhân giữa chúng sẽ lớn hơn 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 để tăng khả năng va chạm. Trong mặt trời, áp suất cực lớn do trọng lực khổng lồ của nó tạo ra các điều kiện cho phản ứng hợp nhất.
Nguồn : https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-an-atom
