Hai nguyên tử của cùng một nguyên tố

Hai nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học thường không giống nhau. Trước hết, có một loạt các trạng thái khả dĩ mà các electron của một nguyên tử có thể chiếm giữ. Hai nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể khác nhau nếu các electron của chúng ở các trạng thái khác nhau. Nếu một nguyên tử đồng có một electron ở trạng thái kích thích và một nguyên tử đồng khác có tất cả các electron ở trạng thái cơ bản, thì hai nguyên tử này khác nhau. Nguyên tử đồng bị kích thích sẽ phát ra một chút ánh sáng khi electron thư giãn trở lại trạng thái cơ bản, còn nguyên tử đồng đã ở trạng thái cơ bản thì không. Vì trạng thái của các electron trong nguyên tử quyết định bản chất của liên kết hóa học mà nguyên tử đó trải qua, nên hai nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể phản ứng khác nhau nếu chúng ở các trạng thái khác nhau. Ví dụ, một nguyên tử natri trung tính (giả sử từ một khối kim loại natri) phản ứng với nước mạnh hơn nhiều so với một nguyên tử natri bị ion hóa (giả sử từ một chút muối). Các nhà hóa học biết rất rõ điều này. Không đủ để nói những nguyên tử nào có liên quan nếu bạn muốn mô tả và dự đoán đầy đủ một phản ứng. Bạn cũng phải chỉ định trạng thái ion hóa/kích thích của các electron trong nguyên tử. Ngay cả khi để yên, một nguyên tử thường không có số lượng proton và electron bằng nhau.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu hai nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có các electron ở cùng trạng thái. Sau đó, chúng có giống hệt nhau không? Không, chúng vẫn không giống nhau. Hai nguyên tử của cùng một nguyên tố và ở cùng trạng thái điện tử có thể di chuyển hoặc quay với tốc độ khác nhau, điều này ảnh hưởng đến khả năng liên kết hóa học của chúng. Các nguyên tử chuyển động chậm hơn (chẳng hạn như các nguyên tử trong sắt đặc) có thời gian để hình thành các liên kết ổn định, trong khi các nguyên tử chuyển động nhanh hơn (chẳng hạn như các nguyên tử trong sắt lỏng) không thể hình thành các liên kết ổn định như vậy. Một nguyên tử thiếc chuyển động chậm hoạt động khác với một nguyên tử thiếc chuyển động nhanh.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu hai nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có các electron ở cùng trạng thái và các nguyên tử đều chuyển động và quay với cùng tốc độ. Sau đó, chúng có giống hệt nhau không? Không. Mặc dù hai nguyên tử như vậy về cơ bản giống hệt nhau về mặt hóa học (chúng sẽ phản ứng hóa học theo cùng một cách), nhưng chúng không hoàn toàn giống nhau. Có nhiều thứ cho nguyên tử hơn là các electron. Còn có hạt nhân. Hạt nhân của một nguyên tử chứa neutron và proton liên kết chặt chẽ với nhau. Cùng một nguyên tố hóa học có thể có số nơtron khác nhau mà vẫn là cùng một nguyên tố. Chúng tôi gọi các nguyên tử của cùng một nguyên tố với số lượng neutron khác nhau là “đồng vị”. Mặc dù đồng vị cụ thể có liên quan không ảnh hưởng đến cách một nguyên tử sẽ phản ứng hóa học, nhưng nó xác định nguyên tử sẽ hành xử như thế nào trong các phản ứng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân phổ biến nhất trên trái đất là phân rã phóng xạ. Một số đồng vị phân rã rất nhanh thành các nguyên tố khác và phát ra bức xạ, trong khi các đồng vị khác thì không. Nếu bạn đang xác định niên đại bằng carbon, thì thực tế là nguyên tử carbon-12 không giống với nguyên tử carbon-14 là điều cần thiết cho quá trình xác định niên đại. Chỉ cần đếm số lượng nguyên tử carbon trong một mẫu sẽ không cung cấp cho bạn bất kỳ thông tin nào về tuổi của mẫu. Thay vào đó, bạn sẽ phải đếm số lượng các đồng vị carbon khác nhau.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu hai nguyên tử là cùng một nguyên tố, có các electron ở cùng trạng thái, chuyển động và quay với cùng tốc độ và có cùng số nơtron; thì chúng có giống nhau không? Không. Giống như các electron, neutron và proton trong hạt nhân có thể ở các trạng thái kích thích khác nhau. Ngoài ra, toàn bộ hạt nhân có thể quay và dao động ở nhiều tốc độ khác nhau. Do đó, ngay cả khi tất cả những thứ khác giống hệt nhau, hai nguyên tử vàng có thể có hạt nhân của chúng ở các trạng thái kích thích khác nhau và hành xử khác nhau trong các phản ứng hạt nhân.

Nói một cách ngắn gọn, rất khó để có hai nguyên tử của cùng một nguyên tố giống hệt nhau. Trên thực tế, thành công trong việc thu hút một nhóm nguyên tử rất gần giống hệt nhau đã xứng đáng nhận được giải thưởng Nobel. Như đã nói, đừng nghĩ rằng các nguyên tử có những bản sắc riêng biệt ngoài những gì đã được đề cập ở đây. Nếu hai nguyên tử cacbon ở cùng một trạng thái phân tử, nguyên tử, điện tử và hạt nhân, thì hai nguyên tử cacbon đó giống hệt nhau, bất kể chúng đến từ đâu hoặc điều gì đã xảy ra với chúng trong quá khứ.

Cảm ơn bạn đã đọc tại Bảo Khang Electric