Bên trong nguyên tử có gì?

Nhỏ hơn cả nhỏ

Nguyên tử cực kỳ nhỏ. Vài triệu nguyên tử xếp cạnh nhau cũng chỉ vừa đủ trải qua dấu chấm cuối câu này.

Từ nguyên tử (atom) xuất phát từ tiếng Hy Lạp atomos, nghĩa là “không thể cắt nhỏ”. Trong một thời gian dài, người ta nghĩ nguyên tử là thứ nhỏ nhất có thể có. Rồi, bắt đầu từ năm 1897, các nhà khoa học phát hiện ra rằng nguyên tử được cấu tạo từ những phần còn nhỏ hơn.

Hạt nhân: proton và nơtron

Ở trung tâm của mọi nguyên tử là hạt nhân. Nó chứa hai loại hạt: proton, mang điện tích dương, và nơtron, hoàn toàn không mang điện.

Hạt nhân rất nhỏ so với toàn bộ nguyên tử. Nếu nguyên tử to bằng một sân vận động, hạt nhân của nó chỉ cỡ một hạt đậu ở giữa sân. Vậy mà hạt nhân chứa hơn 99,9% khối lượng nguyên tử, vì proton và nơtron nặng hơn electron rất nhiều.

Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, nên các proton trong hạt nhân đẩy lẫn nhau. Dù vậy, một lực rất mạnh chỉ tác dụng ở khoảng cách cực nhỏ vẫn giữ các proton và nơtron lại với nhau.

Electron: ở bên ngoài

Electron nhẹ hơn proton rất nhiều. Cần khoảng 1.836 electron mới bằng khối lượng của một proton. Mỗi electron mang điện tích âm.

Các điện tích trái dấu hút nhau, nên hạt nhân dương hút các electron âm. Lực hút đó giữ các electron ở gần hạt nhân.

Các electron được sắp xếp thành những lớp gọi là lớp vỏ. Lớp thứ nhất chứa tối đa 2 electron và lớp thứ hai chứa tối đa 8. Các sơ đồ thường vẽ electron như những chấm trên các vòng tròn, nhưng electron thật không chuyển động theo quỹ đạo gọn gàng như các hành tinh. Chúng trải ra thành một đám mây mờ, và mỗi lớp vỏ thực chất là một mức năng lượng.

Điện tích và khối lượng trong nháy mắt

Một proton có điện tích +1 và khối lượng khoảng 1 đơn vị khối lượng nguyên tử (u), một đơn vị rất nhỏ được tạo ra để cân nguyên tử.

Một nơtron không mang điện (0) và có khối lượng khoảng 1 u, gần như đúng bằng proton.

Một electron có điện tích −1 và khối lượng chỉ khoảng 0,0005 u. Con số này nhỏ đến mức thường được coi là bằng không.

Vì sao nguyên tử không mang điện tổng thể

Trong một nguyên tử, số electron bằng số proton. Điện tích dương và âm triệt tiêu nhau, nên toàn bộ nguyên tử trung hòa về điện.

Nguyên tử cacbon là một ví dụ tốt. Nó có 6 proton và 6 electron, nên các điện tích cân bằng. Hầu hết nguyên tử cacbon cũng có 6 nơtron. 6 electron nằm trong hai lớp vỏ: 2 ở lớp thứ nhất và 4 ở lớp thứ hai.

Các phản ứng hóa học thông thường không bao giờ làm thay đổi hạt nhân. Nguyên tử chỉ nhận, mất hoặc dùng chung electron. Nguyên tử nhận hoặc mất electron trở thành một hạt mang điện gọi là ion. Nguyên tử natri mất một electron trở thành Na⁺, còn nguyên tử clo nhận một electron trở thành Cl⁻.