Năm 1911, Ernest Rutherford phát hiện hạt nhân nguyên tử khi thực hiện thí nghiệm bắn phá một lá vàng mỏng bằng chùm hạt alpha phát ra từ radium. Khám phá này là tiền đề để Rutherford xây dựng mô hình hành tinh nguyên tử sau này.
Ernest Rutherford sinh ra ở New Zealand vào năm 1871, trong một gia đình gồm 12 người con. Ngay từ lúc còn nhỏ, ông đã phải làm việc tích cực để giúp cha mẹ canh tác ruộng đồng. Nhờ thành tích học tập xuất sắc ở trường trung học, ông giành được một suất học bổng của Đại học New Zealand. Sau khi tốt nghiệp, ông tiếp tục nhận một học bổng khác để trở thành nghiên cứu sinh tại Đại học Cambridge (Anh) vào năm 1894. Thời điểm biết tin mình có thể sang Anh du học, ông đang ở ngoài vườn giúp cha nhổ khoai tây. “Đây sẽ là những củ khoai cuối cùng con nhổ trên cánh đồng này”, Rutherford mừng rỡ nói với cha.
Trong thời gian ở Đại học Cambridge, Rutherford làm việc trong Phòng thí nghiệm Cavendish cùng với J.J. Thomson, người phát hiện ra electron. Tài năng của Ruthherford nhanh chóng được công nhận với nhiều công trình nghiên cứu nổi bật và ông trở thành giáo sư của Đại học McGill ở Montreal (Canada) vào năm 1898. Tại đó, ông xác định bức xạ alpha và beta là hai loại bức xạ riêng biệt, đồng thời nghiên cứu một số tính chất của chúng, mặc dù ông không biết bản chất của hạt alpha là hạt nhân nguyên tử Heli (He2+).
Năm 1901, Rutherford và nhà hóa học Frederick Soddy phát hiện nguyên tố phóng xạ có thể phân rã thành một nguyên tố khác. Khám phá này mang lại cho Rutherford giải thưởng Nobel Hóa học năm 1908. Nhưng trong suốt sự nghiệp nghiên cứu khoa học, Rutherford thường nói về mình là một nhà vật lý, không phải nhà hóa học.
Phát hiện hạt nhân nguyên tử
Năm 1907, Rutherford trở về Anh, công tác tại Đại học Manchester. Năm 1909, Rutherford và học trò tên là Ernest Marsden thực hiện thí nghiệm về tán xạ hạt alpha. Rutherford dùng một nguồn phóng xạ alpha, cụ thể là radium, đặt trong một hộp bằng chì có khe hở hẹp để tạo ra chùm hạt alpha nhỏ. Ông bắn chùm hạt alpha vào một lá vàng cực mỏng sao cho nó có thể xem như một lớp nguyên tử vàng. Sau lá vàng ông đặt một màn chắn huỳnh quang hình vòng cung phủ hợp chất kẽm sunfua (ZnS). Hợp chất này sẽ phát sáng khi va chạm với các hạt tích điện – trong thí nghiệm này là hạt alpha.
Rutherford giao nhiệm vụ cho Marsden quan sát và ghi chép vị trí của những chấm sáng trên màn chắn khi hạt alpha va đập với nó trong căn phòng tối. Dựa vào vị trí xuất hiện những chấm sáng, Rutherford nhận thấy đa số hạt alpha bay xuyên qua lá vàng mỏng với hướng di chuyển không đổi. Một số hạt alpha bị lệch hướng, chứng tỏ có va chạm trước khi bay ra khỏi lá vàng.
Điều thú vị là có một số rất ít hạt alpha bật ngược trở lại với góc tán xạ lớn hơn 90 độ do va chạm trực diện với một vật mang khối lượng nào đó. “Điều này giống như bạn bắn súng vào một tờ giấy mỏng và thấy vài viên đạn quay ngược về phía bạn”, Rutherford mô tả lại kết quả thí nghiệm một cách đầy hình tượng.
Hiện tượng trên không thể giải thích bằng mô hình nguyên tử đang thịnh hành vào thời điểm đó gọi là “mô hình bánh pudding” do J.J. Thomson đề xuất. Trong mô hình nguyên tử của J.J. Thomson, các electron được cho là bị mắc kẹt trong một khối vật chất tích điện dương, như nho khô trong một cái bánh pudding. Nhưng kiểu sắp xếp này chỉ gây ra một góc tán xạ nhỏ, không giống những gì Marsden đã quan sát.
Sau khi suy nghĩ kỹ về kết quả thí nghiệm, Rutherford đưa ra kết luận cuối cùng. Rutherford cho rằng một số hạt alpha bị lệch hướng do chịu tác động của một lượng lớn điện tích dương tập trung trong một không gian rất nhỏ ở trung tâm nguyên tử vàng. Các electron của nguyên tử quay quanh lõi trung tâm, giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời. Phần lõi này được gọi là hạt nhân nguyên tử.
Rutherford thực hiện các phép toán để ước lượng kích thước của hạt nhân. Ông nhận thấy nó chỉ lớn bằng khoảng 1/100.000 kích thước nguyên tử. Do đó, nguyên tử chủ yếu là không gian trống.
Tháng 3/1911, Rutherford trình bày kết quả nghiên cứu tại một cuộc họp của Hội Văn học và Triết học Manchester. Tháng 5/1911, ông xuất bản một bài báo về việc khám phá hạt nhân nguyên tử trên tạp chí Philosophical Magazine. Trong đó, ông đề xuất mô hình hành tinh nguyên tử với nội dung cơ bản như sau: (1) Nguyên tử gồm một hạt nhân chiếm thể tích cực nhỏ ở chính giữa, tại đó tập trung điện tích dương và gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử, (2) Xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động theo quỹ đạo giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời. (3) Tổng điện tích âm của các electron bằng tổng điện tích dương của hạt nhân nên bình thường nguyên tử trung hòa về điện.
Tuy nhiên, hạn chế của mô hình hành tinh nguyên tử là nó không giải thích được tính bền vững của các nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của chúng. Cụ thể, theo phương trình Maxwell, electron bức xạ năng lượng liên tục dưới dạng sóng điện từ khi quay quanh hạt nhân. Như vậy năng lượng và vận tốc của electron phải giảm dần theo thời gian và bị hút về phía hạt nhân. Do đó nguyên tử không thể tồn tại bền vững, hoàn toàn trái ngược với thực tế.
Năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr người Đan Mạch vận dụng thuyết lượng tử ánh sáng vào hệ thống nguyên tử, đề xuất một mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bohr. Mô hình này giải thích được sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử, đặc biệt là nguyên tử hydro. Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford, nhưng ông cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật đặc biệt có tính lượng tử mà ông đề ra dưới dạng hai tiên đề: (1) Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. (2) Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.
Mặc dù thí nghiệm của Rutherford không thể xác định được hạt nhân cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn bao gồm proton và neutron, nhưng khám phá của ông vẫn vô cùng quan trọng và tiền đề cho sự phát triển của vật lý hạt nhân hiện đại sau này.
