Mọi vật thể mà chúng ta nhìn thấy và chạm vào – từ chiếc bàn, cơ thể chúng ta, cho đến những hành tinh xa xôi – đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Nhưng có một sự thật gây kinh ngạc: về bản chất, tất cả những vật thể rắn chắc đó lại chủ yếu là không gian trống rỗng. Vậy tại sao lại như vậy?
Thí Nghiệm Lá Vàng và Khám Phá Vĩ Đại Của Rutherford
Khái niệm về một nguyên tử rỗng bắt nguồn từ một trong những thí nghiệm quan trọng nhất của vật lý học, được thực hiện bởi nhà vật lý người New Zealand, Ernest Rutherford. Thí nghiệm này được gọi là "thí nghiệm lá vàng".
Thiết lập: Rutherford đã bắn các hạt alpha (có điện tích dương) vào một lá vàng cực mỏng. Ông đặt một màn hình huỳnh quang bao quanh để quan sát xem các hạt này sẽ đi đâu sau khi xuyên qua lá vàng.
Kết quả bất ngờ: Hầu hết các hạt alpha đều đi xuyên thẳng qua lá vàng mà không gặp bất kỳ trở ngại nào, như thể lá vàng không hề tồn tại. Chỉ một số rất ít (khoảng 1 trên 8000 hạt) bị lệch hướng, và một số cực hiếm bị bật ngược trở lại.
Kết luận: Từ kết quả này, Rutherford đã phát triển một lý thuyết đột phá: hầu hết khối lượng của một nguyên tử đều tập trung tại một hạt nhân cực kỳ nhỏ, mang điện tích dương ở trung tâm, trong khi phần còn lại của nguyên tử chủ yếu là không gian trống rỗng, với các electron mang điện tích âm quay xung quanh.
Nguyên Tử Rỗng Đến Mức Nào?
Để dễ hình dung, hãy lấy ví dụ về nguyên tử đơn giản nhất: Hydro. Nó được tạo ra từ một proton duy nhất (hạt nhân) và một electron quay xung quanh.
Bán kính của toàn bộ nguyên tử Hydro là khoảng 0.53 × 10⁻¹⁰ mét.
Trong khi đó, bán kính của hạt nhân (proton) chỉ khoảng 0.84 × 10⁻¹⁵ mét.
Sau khi tính toán, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một nguyên tử chiếm tới 99.9999999999996% là không gian trống rỗng.
Đây là một phép so sánh để bạn dễ hình dung: Nếu hạt nhân của nguyên tử Hydro được phóng to bằng kích thước của một quả bóng đá, thì electron duy nhất của nó sẽ được tìm thấy ở khoảng cách gần 3 km! Toàn bộ không gian khổng lồ ở giữa là một khoảng trống rỗng.
Tại Sao Nguyên Tử Không Sụp Đổ?
Vậy tại sao các electron mang điện tích âm không bị hút thẳng vào hạt nhân mang điện tích dương, khiến nguyên tử sụp đổ? Câu trả lời nằm ở các quy luật của cơ học lượng tử.
Các electron bị giữ lại trên quỹ đạo của chúng bởi lực điện từ. Nói một cách rất đơn giản, các electron chỉ có thể tồn tại ở những mức năng lượng cụ thể, tương ứng với những quỹ đạo nhất định. Chúng có đủ năng lượng để "chống lại" lực hút của hạt nhân và duy trì khoảng cách đó. Nếu chúng mất đi năng lượng này, chúng sẽ bị hút vào hạt nhân, và vật chất sẽ sụp đổ.
Khi Vật Chất Thực Sự "Sụp Đổ": Sao Neutron
Trạng thái sụp đổ của vật chất không chỉ là lý thuyết. Nó thực sự xảy ra trong vũ trụ, ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt nhất, ví dụ như sao neutron.
Người ta tin rằng, chỉ một muỗng cà phê vật chất của một ngôi sao neutron cũng sẽ nặng tới vài triệu tấn.
Vì vậy, lần tới khi bạn chạm vào một vật thể rắn, hãy nhớ rằng bạn không thực sự chạm vào "vật chất" của nó. Bạn đang cảm nhận lực đẩy điện từ giữa các electron trong tay bạn và các electron của vật thể đó. Về cơ bản, bạn đang lơ lửng trên một biển không gian trống rỗng.
