Nguyên tử đúng là gần như khoảng trống: gần hết khối lượng dồn vào một hạt nhân cực nhỏ, còn phần lớn thể tích là vùng các điện tử di chuyển. Nhưng mình không đi xuyên tường được vì lớp điện tử ngoài cùng của nguyên tử trên tay đẩy lớp điện tử của nguyên tử trên tường rất mạnh, và các điện tử không chịu dồn chung vào một trạng thái. Sự cứng của đồ vật là lực, không phải là chất liệu đặc kín.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Đây là một trong những câu hỏi mà khi nghe lần đầu, mình thấy cả thế giới bỗng mềm đi một chút. Tập này mình kể người ta phát hiện nguyên tử rỗng như thế nào, và vì sao dù rỗng, cái bàn vẫn đỡ được bát cơm của bạn.
Nguyên tử rỗng đến mức nào?
Nếu phóng to một nguyên tử lên bằng cả một sân vận động, thì hạt nhân ở giữa chỉ cỡ một hạt đậu nhỏ đặt ở giữa sân. Các điện tử thì ở rải rác đâu đó quanh các khán đài, và chúng còn nhỏ hơn hạt nhân rất nhiều. Phần còn lại, gần như toàn bộ sân vận động, là khoảng trống.
Vậy mà hạt đậu nhỏ đó chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử. Hạt nhân đặc tới mức khó tưởng tượng: một thìa cà phê chất liệu đặc như hạt nhân sẽ nặng tới hàng trăm triệu tấn.
Cơ thể bạn, cái bàn, bức tường đều làm từ những nguyên tử như vậy. Nếu có cách ép hết khoảng trống ra khỏi mọi nguyên tử trong cơ thể người, phần còn lại sẽ nhỏ hơn một hạt bụi rất nhiều.
Nghe thì có vẻ như vật chất gần như không tồn tại. Nhưng như mình sẽ nói ngay đây, khoảng trống trong nguyên tử không phải khoảng trống bình thường.
Thí nghiệm lá vàng phát hiện ra hạt nhân
Đầu thế kỷ hai mươi, nhiều nhà khoa học hình dung nguyên tử giống một chiếc bánh có điện dương trải đều, điện tử cắm vào như những hạt nho khô. Nhóm của nhà vật lý Ernest Rutherford quyết định kiểm tra bằng cách bắn những hạt nhỏ mang điện dương vào một lá vàng mỏng.
Nếu nguyên tử là chiếc bánh đều đặn, các hạt bắn vào sẽ xuyên qua, chỉ bị lệch một chút. Phần lớn đúng là xuyên qua. Nhưng thỉnh thoảng có hạt bị bật ngược trở lại, như thể va phải thứ gì rất cứng.
Rutherford về sau mô tả sự ngạc nhiên đó bằng một hình ảnh nổi tiếng: giống như bắn một viên đạn pháo vào tờ giấy lụa mà viên đạn bật ngược lại trúng mình.
Cách giải thích duy nhất là toàn bộ điện dương và gần hết khối lượng của nguyên tử dồn vào một điểm rất nhỏ ở giữa. Phần lớn hạt bắn vào đi qua khoảng trống, chỉ vài hạt tình cờ bay thẳng vào điểm nhỏ đó mới bị bật lại. Hạt nhân nguyên tử được phát hiện như vậy.
Vậy cái gì làm đồ vật cứng?
Hãy nghĩ tới hai thanh nam châm cùng cực quay vào nhau. Chúng chưa chạm, nhưng bạn không đẩy chúng sát được. Có một thứ vô hình chặn lại. Sự cứng của đồ vật cũng đến từ những lực vô hình như vậy, mạnh hơn rất nhiều.
Vùng quanh hạt nhân không trống rỗng theo nghĩa thông thường. Các điện tử không phải những viên bi nhỏ bay theo quỹ đạo, mà giống một đám mây phủ khắp vùng đó. Khi tay bạn áp vào tường, đám mây điện tử của nguyên tử trên da tiến sát đám mây điện tử của nguyên tử trên tường. Cả hai cùng mang điện âm, nên đẩy nhau.
Còn một lý do nữa, đến từ vật lý lượng tử: hai điện tử không thể cùng ở một trạng thái giống hệt nhau. Nhà vật lý Wolfgang Pauli đã phát biểu điều này thành một nguyên lý. Nó có nghĩa là không thể ép hai đám mây điện tử chồng vào nhau mà không tốn một năng lượng rất lớn.
Hai lý do đó cộng lại khiến nguyên tử của tay và của tường giữ khoảng cách với nhau. Tường không lọt qua tay, không phải vì nó đặc, mà vì nó đẩy.
Mình có thật sự chạm vào thứ gì không?
Theo một nghĩa nào đó, không. Khi bạn nói mình chạm vào tường, điều thật sự xảy ra là các điện tử của tay và của tường đến đủ gần để lực đẩy trở nên mạnh, và các dây thần kinh trên da cảm nhận áp lực đó thành cảm giác chạm.
Các nguyên tử của bạn và của tường chưa bao giờ trộn vào nhau. Luôn còn một khoảng cách cực nhỏ. Cảm giác cứng, mềm, nhám, trơn đều là cách não diễn giải những lực đẩy ở khoảng cách đó.
Nghe có vẻ triết lý, nhưng nó có ý nghĩa thực tế. Chính lực đẩy điện tử quyết định vì sao kim loại cứng, cao su đàn hồi, nước chảy. Mỗi loại vật liệu có cách sắp xếp nguyên tử và cách các đám mây điện tử liên kết với nhau khác nhau.
Khi bạn ngồi trên ghế, bạn đang lơ lửng trên một lớp lực đẩy cực mỏng. Ngồi vững như vậy là nhờ hàng tỉ tỉ nguyên tử đồng loạt đẩy lên.
Có thứ gì đi xuyên qua được vật chất không?
Có, và rất nhiều. Ánh sáng đi xuyên qua kính vì cấu trúc của kính không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được. Tia X đi xuyên qua da thịt nhưng bị xương chặn lại nhiều hơn, nhờ đó bác sĩ chụp được phim xương.
Còn có một loại hạt cực kỳ nhỏ gọi là nơ tri nô, được Mặt Trời tạo ra với số lượng khổng lồ. Mỗi giây có vô số nơ tri nô đi xuyên qua cơ thể bạn, xuyên cả Trái Đất, mà gần như không va chạm với thứ gì. Chúng không mang điện nên không bị những đám mây điện tử đẩy lại. Để bắt được chúng, các nhà khoa học phải xây những máy dò khổng lồ đặt sâu dưới lòng đất.
Với con người thì khác. Cơ thể chúng ta làm từ chính những nguyên tử có mây điện tử, nên không thể đi xuyên qua vật khác được, dù cả hai đều gần như rỗng.
Lần tới đặt tay lên bàn, bạn thử nghĩ rằng thứ bạn cảm nhận là một bức tường lực vô hình, chứ không phải một khối chất đặc. Bạn có thấy cái bàn quen thuộc bỗng lạ đi không?
Câu hỏi thường gặp
Điện tử có quay quanh hạt nhân như hành tinh quanh Mặt Trời không?
Hình ảnh đó giúp dễ hình dung nhưng không chính xác. Theo vật lý lượng tử, điện tử không có quỹ đạo rõ ràng mà tồn tại như một đám mây xác suất quanh hạt nhân, cho biết khả năng tìm thấy nó ở từng vùng.
Hạt nhân nguyên tử gồm những gì?
Hạt nhân gồm các hạt pờ rô tôn mang điện dương và nơ trôn không mang điện, được giữ với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Số pờ rô tôn quyết định nguyên tử đó là nguyên tố nào.
Vì sao khi ép mạnh một vật lại không co nhỏ mãi được?
Vì lực đẩy giữa các đám mây điện tử tăng rất nhanh khi chúng bị ép gần nhau. Chỉ trong những ngôi sao chết cực đặc, lực hấp dẫn khổng lồ mới thắng được lực này và ép vật chất lại.
Sao nơ trôn là gì?
Là tàn dư của một số ngôi sao lớn sau khi nổ, nơi vật chất bị ép chặt tới mức gần như đặc như hạt nhân nguyên tử. Một thìa vật chất sao nơ trôn nặng tới hàng trăm triệu tấn.
Nguyên tử có nhìn thấy được không?
Không thể thấy bằng mắt thường hay kính hiển vi quang học. Nhưng các loại kính hiển vi đặc biệt như kính hiển vi quét xuyên hầm có thể tạo ra hình ảnh cho thấy vị trí từng nguyên tử trên bề mặt vật liệu.
