Nguyên tử không nhìn thấy được bằng mắt thường hay kính hiển vi quang học, vì nó nhỏ cỡ 0,1–0,5 nanomet, nhỏ hơn bước sóng ánh sáng nhìn thấy hàng nghìn lần. Nhưng từ thập niên 1950–1980, con người đã "thấy" nguyên tử bằng những cách khác: kính hiển vi ion trường, kính hiển vi điện tử, và đặc biệt là kính hiển vi quét xuyên hầm (STM, 1981), dò bề mặt bằng một mũi kim nhọn tới cỡ một nguyên tử. Năm 1989, các nhà khoa học IBM còn xếp 35 nguyên tử xenon thành chữ — lần đầu con người sắp đặt từng nguyên tử theo ý mình.
Nguyên tử nhỏ đến mức nào
Một nguyên tử có đường kính cỡ một phần mười tỉ mét. Để dễ hình dung:
- Bề dày một sợi tóc (khoảng 70–80 micromet) chứa vài trăm nghìn nguyên tử xếp thành hàng.
- Nếu phóng to một quả táo lên cỡ Trái Đất, thì mỗi nguyên tử trong quả táo cũng chỉ to cỡ một quả nho.
- Hạt nhân nằm ở tâm còn nhỏ hơn nguyên tử chừng mười nghìn đến một trăm nghìn lần. Nếu nguyên tử to bằng sân vận động, hạt nhân chỉ như hạt đậu giữa sân; phần còn lại là vùng các electron.
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng khoảng 400–700 nanomet. Ánh sáng không thể "vẽ" lại chi tiết nhỏ hơn khoảng một nửa bước sóng của nó — giới hạn mà Ernst Abbe chỉ ra năm 1873. Dùng ánh sáng để nhìn nguyên tử cũng như dùng chổi quét nhà để cảm nhận từng hạt cát: công cụ quá thô so với vật cần đo.
Biết nguyên tử có thật trước khi thấy nó
Ý tưởng nguyên tử có từ thời cổ Hy Lạp: Leucippus và Democritus (thế kỷ 5 TCN) cho rằng vật chất gồm những hạt không chia cắt được, gọi là atomos. Nhưng đó là suy luận triết học, không có thí nghiệm.
Đầu thế kỷ 19, John Dalton dùng nguyên tử để giải thích vì sao các chất kết hợp với nhau theo tỉ lệ khối lượng cố định. Hoá học thế kỷ 19 vận hành rất tốt với giả thuyết nguyên tử, nhưng ngay tới cuối thế kỷ ấy vẫn có những nhà khoa học lớn như Ernst Mach hoài nghi nguyên tử có thật hay chỉ là công cụ tính toán tiện lợi.
Chuyển động Brown: bằng chứng từ những hạt phấn
Năm 1827, nhà thực vật học Robert Brown thấy những hạt nhỏ phóng thích từ hạt phấn hoa lơ lửng trong nước chuyển động run rẩy không ngừng dưới kính hiển vi. Năm 1905, Albert Einstein giải thích: các hạt bị vô số phân tử nước va đập ngẫu nhiên từ mọi phía. Ông đưa ra công thức dự đoán hạt trôi được bao xa theo thời gian.
Năm 1908, Jean Perrin ở Pháp làm thí nghiệm tỉ mỉ, đo chuyển động của hạt và xác nhận dự đoán của Einstein, từ đó tính ra số Avogadro khớp với các phương pháp khác. Đây được xem là bằng chứng quyết định cho sự tồn tại thật của nguyên tử và phân tử; Perrin nhận giải Nobel Vật lý năm 1926. Thú vị là: người ta chứng minh nguyên tử có thật bằng cách nhìn những hạt to hơn chúng hàng nghìn lần bị chúng xô đẩy — đúng tinh thần "không thấy vật, nhưng thấy dấu vết".
Rutherford và cái hạt nhân bé xíu
Năm 1909–1911, trong phòng thí nghiệm của Ernest Rutherford ở Manchester, Hans Geiger và Ernest Marsden bắn hạt alpha vào lá vàng mỏng. Phần lớn đi xuyên qua, nhưng thỉnh thoảng có hạt bật ngược lại. Rutherford kết luận năm 1911 rằng khối lượng nguyên tử dồn vào một hạt nhân rất nhỏ ở tâm. Lại một lần nữa, cấu trúc vô hình được dựng lại từ đường đi của những thứ bắn vào nó.
Những lần đầu tiên "thấy" nguyên tử
| Năm | Kỹ thuật / sự kiện | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| 1931–1933 | Ernst Ruska và Max Knoll chế tạo kính hiển vi điện tử | Dùng chùm electron bước sóng ngắn hơn ánh sáng rất nhiều |
| 1955 | Erwin Müller dùng kính hiển vi ion trường | Lần đầu thấy được từng nguyên tử trên đầu một mũi kim kim loại |
| 1970 | Albert Crewe chụp từng nguyên tử nặng bằng kính hiển vi điện tử quét truyền qua | Nguyên tử đơn lẻ hiện thành chấm sáng |
| 1981 | Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (IBM Zürich) chế tạo kính hiển vi quét xuyên hầm | Thấy và dò bề mặt ở cấp nguyên tử; Nobel 1986, chung với Ruska |
| 1986 | Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) | Dò được cả bề mặt không dẫn điện |
| 1989 | Don Eigler và Erhard Schweizer (IBM) xếp 35 nguyên tử xenon thành chữ | Lần đầu sắp đặt từng nguyên tử |
| 2009 | Nhóm IBM Zürich chụp phân tử pentacene bằng AFM | Thấy rõ khung liên kết hoá học của một phân tử |
Kính hiển vi quét xuyên hầm: "sờ" thay vì "nhìn"
STM không dùng ánh sáng hay thấu kính. Nó có một mũi kim kim loại cực nhọn, lý tưởng chỉ có một nguyên tử ở đầu, đưa lại sát bề mặt mẫu cách chưa tới một nanomet. Đặt một hiệu điện thế nhỏ, electron "xuyên hầm" qua khe trống — một hiệu ứng lượng tử không có trong đời thường — tạo ra dòng điện cực nhỏ. Dòng điện này thay đổi rất mạnh theo khoảng cách. Quét mũi kim qua lại trên bề mặt, giữ dòng điện không đổi bằng cách nâng hạ mũi kim, máy tính vẽ ra bản đồ độ cao: từng nguyên tử hiện thành những gò nhỏ.
Vì vậy, "ảnh nguyên tử" thật ra là bản đồ dựng từ phép đo, giống bản đồ địa hình vẽ từ dữ liệu độ cao. Màu trong ảnh là màu do người dựng ảnh chọn. Nguyên tử không có "màu" theo nghĩa thông thường, vì màu sắc là thứ xuất hiện khi rất nhiều nguyên tử cùng tương tác với ánh sáng.
Có thấy một nguyên tử bằng mắt được không?
Có một trường hợp gây tò mò. Năm 2018, nghiên cứu sinh David Nadlinger ở Đại học Oxford đoạt giải cuộc thi ảnh khoa học của Hội đồng Nghiên cứu Kỹ thuật và Khoa học Vật lý Anh (EPSRC) với bức "Một nguyên tử trong bẫy ion": một nguyên tử stronti được giữ lơ lửng bằng điện trường trong buồng chân không, chiếu laser xanh tím nên nó hấp thụ và phát lại ánh sáng liên tục. Một máy ảnh thường phơi sáng lâu chụp được chấm sáng nhỏ ấy giữa hai điện cực.
Nhưng cần hiểu đúng: ta thấy ánh sáng nguyên tử phát ra, như thấy một ngôi sao xa là một chấm sáng, chứ không thấy hình dạng hay cấu trúc của nó. Chấm sáng trong ảnh to hơn nguyên tử rất nhiều lần.
Góc nhìn hôm nay: chơi với thế giới nguyên tử
Năm 2013, IBM công bố bộ phim hoạt hình ngắn A Boy and His Atom (Cậu bé và nguyên tử) — được ghi nhận là phim stop-motion nhỏ nhất thế giới, làm bằng cách di chuyển từng phân tử cacbon monoxit trên bề mặt đồng dưới kính STM, chụp từng khung hình. Phim dài khoảng một phút rưỡi, xem miễn phí trên mạng, là cách tuyệt vời để cho trẻ thấy nguyên tử là có thật.
Muốn tự trải nghiệm ý tưởng "thấy dấu vết thay vì thấy vật", bạn có thể làm thí nghiệm chuyển động Brown: nhỏ một giọt sữa pha loãng lên lam kính, soi ở 400 lần. Các hạt mỡ nhỏ sẽ rung lắc không ngừng — đó là những va chạm của vô số phân tử nước mà bạn không thấy. Bạn đang nhìn đúng thứ Perrin đã dùng để chứng minh nguyên tử có thật hơn một trăm năm trước.
Sách nên đọc: Bảy bài học ngắn về vật lý của Carlo Rovelli (đã có bản tiếng Việt) và những bài phổ thông trên trang của CERN về cấu trúc vật chất.
Câu hỏi thường gặp
Nguyên tử có nhìn thấy được không?
Không thể thấy nguyên tử bằng mắt thường hay kính hiển vi quang học, vì nó nhỏ hơn bước sóng ánh sáng hàng nghìn lần. Các nhà khoa học "thấy" nguyên tử bằng kính hiển vi điện tử, kính hiển vi quét xuyên hầm và kính hiển vi lực nguyên tử. Ảnh tạo ra là bản đồ dựng từ phép đo, không phải ảnh chụp bằng ánh sáng.
Ai là người đầu tiên nhìn thấy nguyên tử?
Erwin Müller thường được ghi nhận là người đầu tiên thấy từng nguyên tử, bằng kính hiển vi ion trường năm 1955. Năm 1981, Gerd Binnig và Heinrich Rohrer phát minh kính hiển vi quét xuyên hầm, giúp quan sát bề mặt ở cấp nguyên tử phổ biến hơn nhiều và đoạt giải Nobel năm 1986.
Nguyên tử to bao nhiêu?
Đường kính nguyên tử vào khoảng 0,1–0,5 nanomet, tức một phần mười tỉ mét. Bề dày một sợi tóc chứa vài trăm nghìn nguyên tử xếp hàng. Hạt nhân ở tâm còn nhỏ hơn nguyên tử khoảng mười nghìn đến một trăm nghìn lần.
Làm sao biết nguyên tử có thật khi không thấy?
Năm 1905, Einstein giải thích chuyển động Brown — hạt nhỏ trong nước rung lắc không ngừng — là do các phân tử va đập. Năm 1908, Jean Perrin đo đạc và xác nhận, cho bằng chứng quyết định về sự tồn tại của nguyên tử. Thí nghiệm của Rutherford năm 1911 tiếp tục cho thấy cấu trúc bên trong nguyên tử.
Ảnh nguyên tử có màu thật không?
Không. Ảnh nguyên tử từ kính hiển vi quét xuyên hầm hay lực nguyên tử là bản đồ số đo, màu sắc do người dựng ảnh chọn để dễ nhìn. Màu là tính chất xuất hiện khi rất nhiều nguyên tử cùng tương tác với ánh sáng, một nguyên tử đơn lẻ không có màu theo nghĩa thông thường.
