Tại sao các Electron không bị hút vào hạt nhân nguyên tử?

Như các bạn đều đã biết, trong một nguyên tử thì có các Electron (mang điện tích âm) luôn luôn quay xung quanh hạt nhân. Trong hạt nhân thì có các Proton (mang điện tích dương) và Neutron (không mang điện tích).

Vậy bạn đã bao giờ tự đặt ra câu hỏi là tại sao mà các Electron lại không bị hút vào các hạt nhân nguyên tử hay không? Trong khi chúng mang điện tích trái dấu mà ta?

Vâng, bạn có thể đặt ra câu hỏi này với giáo viên Vật Lý, tuy nhiên trong bài viết này chúng ta sẽ tự đi tìm câu trả lời xem sao nhé !

#1. Nguyên tử hoạt động như thế nào?

Khi còn đi học thời cấp 2 chúng ta được dạy rằng: Các Electron quay xung quanh hạt nhân giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời vậy.

Tuy nhiên đây lại là một cách ví von đã khá lỗi thời, không còn đúng với vật lý lượng tử hiện đại nữa. Và cũng bởi không ai giải thích vì sao nó lại như vậy nên lý thuyết đó đã được chúng ta chấp nhận như một lẽ dĩ nhiên về cách hoạt động của vật chất.

Vậy nên bây giờ, chúng ta hãy cùng “làm mới” lại suy nghĩ về cách hoạt động của nguyên tử nhé !

Vào năm 1920, nhà vật lý Niels Bohr đã cố gắng giải thích tại sao các Electron cứ quay mãi xung quanh hạt nhân mà không bị hết năng lượng.

Câu hỏi này thực sự trở nên hóc búa vào thời điểm đó vì người ta luôn cho rằng, các Electron giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Mãi đến năm 1927, khi Werner Heisenberg cho ra đời nguyên lý bất định thì mọi việc mới trở nên sáng tỏ hơn.

Theo đó, Electron không còn được coi như một hạt vật lý mà nó trở thành một đối tượng lượng tử không có vị trí và vận tốc xác định khi chuyển động xung quanh hạt nhân nữa, nó được miêu tả dưới hình dạng một đám mây xác suất, tức là người ta không thể biết được vị trí và quỹ đạo của các Electron trong một thời điểm nhất định.

Thay vào đó, họ có thể tính được xác suất bao nhiêu phần trăm nó sẽ xuất hiện ở đâu trong một thời điểm. Khi Electron hoạt động trong nguyên tử, các nguyên tử đó được coi như một hệ khép kín và ở trong một hệ khép kín thì năng lượng luôn được bảo toàn.

Ví dụ:

Khi một hạt Proton được hình thành trong không gian, ngay lập tức nó sẽ bắt lấy 1 điện từ trái dấu từ môi trường bên ngoài. Khi bị hút vào, điện từ này ngay lập tức hoạt động giống như một đám mây mù bao quanh Proton đó và chỉ có thể được tính toán bằng hàm xác suất.

Điều này có nghĩa là các Electron sẽ vừa là hạt vừa là sóng. Từ thời khắc nguyên tử hình thành, các Electron đã chuyển động xung quanh hạt nhân giống như một làn sóng và sóng thì không bao giờ dừng lại !

#2. Tại sao các Electron không bị hút vào trong hạt nhân nguyên tử?

Quay lại với câu hỏi chính của chúng ta ngày hôm nay!

Đám mây Electron sau khi được tạo ra sẽ tương tác với Proton bằng lực điện tử trái dấu và bản chất của lực này chính là sự trao đổi liên tục giữa các Photon với nhau.

Nếu khoảng cách giữa đám mây điện tử và hạt Proton luôn không đổi, tức là nguyên tử đang hoạt động ổn định.

Trong trường hợp năng lượng của nguyên tử thay đổi, ví dụ như nguyên tử đó nhận thêm một photon từ môi trường bên ngoài thì lúc đó khoảng cách giữa đám mây và Proton bên trong sẽ xa hơn và thể tích của đám mây xung quanh nguyên tử cũng tăng lên.

Khi ở thể tích lớn hơn, động năng của đám mây giảm đi, thay vào đó thế đang lại tăng lên, cho tới khi mức năng lượng giảm xuống, đám mây đó sẽ trở lại thể tích ban đầu và một hạt Photon sẽ bị bắn ra ngoài.

Như vậy ta có thể thấy, đám mây có thể tích càng nhỏ, động năng của Electron càng cao và để bảo toàn năng lượng thế năng của nguyên tử sẽ giảm đi.

Do đó “động năng chính là rào cản ngăn không cho các Electron bị hút vào hạt nhân nguyên tử“ và ngược lại khi thể tích đám mây tăng lên, thế năng của nguyên tử cũng tăng lên, lúc này nó trở thành năng lượng kéo giữ chân các Electron không bị bay ra ngoài nguyên tử!

Nếu bạn nào chưa hiểu thế năng hoạt động như thế nào thì hãy hình dung đến một vận động viên cử tạ nhé, thế năng sẽ tăng lên khi khoảng cách giữa hai vật tăng lên.

Như vậy, một chiếc tạ khi được nhấc lên khỏi mặt đất, thế năng của nó bắt đầu tăng lên, đây là nguyên nhân tại sao mặc dù trọng lượng của tạ luôn không đổi, nhưng khi nhất lên cao thì càng khó!

Đối với một nguyên tử cũng vậy, các Electron sẽ không bị hút vào hoặc bay đi xa khỏi hạt nhân nguyên tử trừ một số trường hợp đặc biệt. Ví dụ như nguyên tử này phân rã thành nguyên tử khác, lúc đó các Electron sẽ bị hút vào hạt nhân nguyên tử, nguyên nhân là do lúc này hạt nhân bị dư thừa Proton.

Hạt Proton dư thừa này sẽ hút electron vào tạo thành hạt Nơtron. Khi được sinh ra khối lượng của một hạt Nơtron sẽ nặng hơn tổng khối lượng của Proton và Electron cộng lại. Vì vậy nếu muốn quá trình này xảy ra bạn phải bù đắp thêm năng lượng và khối lượng cho nó.

Như vậy ta có thể kết luận được là các Electron không quay xung quanh hạt nhân giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời, mà nó hoạt động giống như một đám mây xác suất.

Khi thể tích đám mây càng lớn thì xác suất tìm thấy 1 hạt càng nhỏ, nhưng không bao giờ bằng 0, còn khi thể tích giảm xuống thì xác suất tìm thấy 1 hạt càng cao, nhưng không bao giờ bằng 100%

Okay, hi vọng là câu trả lời trong bài viết này sẽ hữu ích với bạn !

Đọc thêm:

• Phóng xạ là gì? Chất phóng xạ nguy hiểm đến mức nào?
• [KHOA HỌC] Bạn đã biết gì về đơn vị NĂM ÁNH SÁNG rồi?

CTV: Nguyễn Trường Thành – Blogchiasekienthuc.com
Tham khảo: Thư viện thiên văn