NộI Dung
- Lý thuyết hạt Democritus
- Thí nghiệm Democritus để chứng minh sự tồn tại của các nguyên tử
- John Dalton và lý thuyết nguyên tử hiện đại
- Lý thuyết hạt đáp ứng lượng tử
- Nguyên tử hiện đại
Lý thuyết hạt của vật chất không được khám phá nhiều vì nó được xây dựng và công thức đó bắt đầu từ thời Hy Lạp cổ đại.
Người được cho là đã nghĩ ra ý tưởng rằng thế giới bao gồm các hạt nhỏ, không thể phân chia là nhà triết học Democritus, sống từ 460 đến 370 trước Công nguyên. Ông đã nghĩ ra một thí nghiệm để chứng minh ý tưởng của mình và trong khi thí nghiệm Democritus có vẻ quá đơn giản ngày nay, nó đã giúp khai sinh ra khái niệm nguyên tử, vốn là trung tâm của sự hiểu biết hiện đại về vật chất.
Trong các thế kỷ sau thí nghiệm, lý thuyết hạt Democritus không đạt được nhiều tiến bộ, nhưng vào đầu thế kỷ XIX, nó đã được đưa ra bởi nhà hóa học và vật lý học người Anh John Dalton (1766 - 1844).
Công việc của Dalton hầu như không thay đổi trong phần còn lại của thế kỷ cho đến khi một nhóm các nhà vật lý hiện đại bao gồm những cái tên như Thompson, Rutherford, Bohr, Planck và Einstein tham gia. Đó là khi tia lửa bắt đầu bay, và thế giới bước vào thời đại hạt nhân.
Lý thuyết hạt Democritus
Nghe có vẻ như từ "dân chủ" có thể được bắt nguồn từ tên của ông, nhưng Democritus không phải là một triết gia chính trị. Từ này thực sự xuất phát từ các từ Hy Lạp bản demo, có nghĩa là "người dân" và kratein, có nghĩa là "để cai trị."
Được biết đến như là "triết gia cười" vì tầm quan trọng to lớn mà ông đặt ra cho sự vui vẻ, Democritus đã kiếm được một từ quan trọng khác: nguyên tử. Ông gọi các hạt nhỏ tạo nên mọi thứ trong vũ trụ là nguyên tử, có nghĩa là không thể cắt hoặc không thể chia.
Đây không phải là đóng góp tiên phong duy nhất của ông cho khoa học. Democritus cũng là người đầu tiên cho rằng ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy từ Dải Ngân hà là ánh sáng kết hợp của vô số các ngôi sao riêng lẻ. Ông cũng đề xuất sự tồn tại của các hành tinh khác và thậm chí còn yêu cầu sự tồn tại của nhiều vũ trụ, một ý tưởng đang đi đầu trong khoa học ngày nay.
Theo Aristotle (384 - 322 BCE), Democritus tin rằng linh hồn con người bao gồm các nguyên tử lửa và cơ thể của các nguyên tử trái đất. Điều này trái với niềm tin của Aristotles rằng thế giới bao gồm bốn yếu tố không khí, lửa, đất và nước và tỷ lệ của các yếu tố quyết định các đặc điểm của vật chất.
Aristotle thậm chí còn tin rằng các yếu tố có thể biến đổi lẫn nhau, một ý tưởng thúc đẩy việc tìm kiếm Hòn đá triết gia trong suốt thời Trung cổ.
Thí nghiệm Democritus để chứng minh sự tồn tại của các nguyên tử
Cả Aristotle lẫn Plato đều không có ảnh hưởng như nhau (khoảng năm 429 - 347 trước Công nguyên) đã đăng ký vào lý thuyết hạt Democritus, và sẽ phải mất 2.000 năm để "triết gia cười" được coi trọng. Điều đó có thể có liên quan đến thí nghiệm mà Democritus nghĩ ra để chứng minh lý thuyết của mình, điều này ít thuyết phục hơn.
Democritus lập luận rằng nếu bạn lấy một hòn đá hoặc một vật thể khác và tiếp tục chia nó làm đôi, cuối cùng bạn sẽ đến một mảnh nhỏ đến mức không thể chia được nữa. Người ta nói rằng ông đã thực hiện thí nghiệm này với một vỏ sò, và khi ông giảm vỏ thành một loại bột mịn mà ông không còn có thể cắt thành những mảnh nhỏ hơn, ông đã xem xét bằng chứng đó là định lý của mình.
Democritus là một nhà duy vật, không giống như Plato và Aristotle, người tin rằng mục đích của các sự kiện quan trọng hơn nguyên nhân của chúng. Ông là người tiên phong trong toán học và hình học, và ông là một trong số ít người lúc đó tin rằng trái đất là hình cầu. Ngay cả khi anh ta không thể chứng minh điều đó một cách thuyết phục, thì quan niệm của anh ta về các nguyên tử tồn tại chủ yếu trong không gian trống, mỗi cái có một cái móc nhỏ kiểu khóa dán cho phép nó kết nối với các nguyên tử khác, không bị loại bỏ khỏi mô hình khoa học hiện đại của nguyên tử.
John Dalton và lý thuyết nguyên tử hiện đại
Lý thuyết Democritus có đúng không? Câu trả lời là có, nhưng nó thậm chí không được coi là khả năng cho đến năm 1800. Đó là khi John Dalton xem xét lại nó trong khi ông đang nghiên cứu Luật Sáng tác không đổi của nhà hóa học người Pháp Joseph Proust. Luật Prousts tiếp nối trực tiếp từ Luật Bảo tồn Khối lượng, đã được phát hiện bởi một nhà hóa học người Pháp khác, Antoine Lavoisier.
Định luật liên tục nói rằng một mẫu của một hợp chất tinh khiết, bất kể nó thu được như thế nào, luôn chứa các nguyên tố giống nhau trong cùng một tỷ lệ khối lượng. Dalton nhận ra điều này chỉ có thể đúng nếu vật chất bao gồm các hạt không thể phân chia, mà ông gọi là các nguyên tử (với cái gật đầu của Democritus). Dalton thực hiện bốn tuyên bố về vật chất mà cùng nhau tạo thành lý thuyết nguyên tử của mình:
Lý thuyết nguyên tử của Daltons hầu như không thay đổi trong hầu hết thế kỷ XIX.
Lý thuyết hạt đáp ứng lượng tử
Trong suốt thế kỷ XIX, một cuộc tranh luận đã nổ ra về bản chất của ánh sáng - cho dù nó lan truyền dưới dạng sóng hay hạt. Nhiều thí nghiệm đã xác nhận giả thuyết sóng, và nhiều thí nghiệm khác đã xác nhận giả thuyết sóng. Năm 1887, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi ông đang làm thí nghiệm với một máy phát tia lửa. Khám phá này tỏ ra quan trọng hơn nhiều so với Hertz nhận ra.
Trong khoảng thời gian đó, nhà vật lý người Anh J.J. Thompson đã phát hiện ra hạt hạ nguyên tử đầu tiên, electron, bằng cách kiểm tra hành vi của tia catốt. Khám phá của ông đã giúp giải thích những gì cấu thành sự phóng điện từ một tấm dẫn điện khi bạn chiếu ánh sáng vào nó - đó là hiệu ứng quang điện - nhưng không phải là nguyên nhân gây ra phóng điện cũng như tại sao cường độ của xung điện có liên quan đến tần số ánh sáng. Giải pháp phải đợi đến năm 1914.
Không ai khác ngoài Albert Einstein đã giải thích hiệu ứng quang điện theo các gói năng lượng nhỏ được gọi là lượng tử. Những điều này đã được đề xuất bởi nhà vật lý người Đức Max Planck vào năm 1900. Giải thích của Einsteins đã chứng minh lý thuyết lượng tử, và ông đã được trao giải thưởng Nobel cho nó.
Quanta, như Planck đã hình dung ra chúng, cả hai hạt và sóng cùng một lúc. Theo Planck, ánh sáng bao gồm các lượng tử gọi là photon, mỗi hạt có một năng lượng riêng được xác định bởi tần số của nó. Năm 1913, nhà vật lý người Đan Mạch Neils Bohr đã sử dụng lý thuyết Plancks để đưa ra mô hình hành tinh của nguyên tử, được đề xuất bởi nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford vào năm 1911, một nghiên cứu lượng tử.
Nguyên tử hiện đại
Trong mô hình Bohrs của nguyên tử, các electron có thể thay đổi quỹ đạo bằng cách phát ra hoặc hấp thụ một photon, nhưng vì các photon là các gói rời rạc, các electron chỉ có thể thay đổi quỹ đạo với số lượng riêng biệt. Hai nhà thí nghiệm, James Franck và Gustav Hertz, đã nghĩ ra một thí nghiệm xác nhận giả thuyết Bohrs bằng cách bắn phá các nguyên tử thủy ngân bằng electron, và họ đã làm điều đó mà không hề biết về Bohrs hoạt động.
Với hai sửa đổi, mô hình Bohrs vẫn tồn tại cho đến thời điểm hiện tại, mặc dù hầu hết các nhà vật lý hiện đại coi đó là một xấp xỉ. Việc sửa đổi đầu tiên là phát hiện ra proton của Rutherford năm 1920, và lần thứ hai là phát hiện ra neutron của nhà vật lý người Anh James Chadwick vào năm 1932.
Nguyên tử hiện đại là một sự xác nhận của lý thuyết hạt Democritus, nhưng nó cũng là một thứ gì đó của sự bác bỏ. Các nguyên tử hóa ra không thể phân chia được, và điều đó cũng đúng với các hạt cơ bản cấu thành nên chúng. Bạn có thể chia các electron, proton và neutron thành các hạt nhỏ hơn gọi là quark và thậm chí có thể chia nhỏ một quark. Cuộc hành trình xuống hố thỏ còn lâu mới kết thúc.