Những thí nghiệm hóa học thay đổi thế giới

 

Phát hiện ra hạt nhân nguyên tử

Ernest Rutherford là một nhà vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phóng xạ và cấu tạo nguyên tử, ông được coi là "cha đẻ" của ngành vật lý hạt nhân. Ông đã khám phá ra rằng nguyên tử có điện tích dương tập trung trong hạt nhân nguyên tử, từ đó đặt nền móng để ông phát triển mô hình hành tinh nguyên tử. Nhờ phát hiện này, cộng với việc làm sáng tỏ hiện tượng tán xạ Rutherford trong thí nghiệm với lá vàng mà ông được giải Nobel hóa học vào năm 1908.

 

Mô hình nguyên tử của Rutherford là mô hình đầu tiên đề xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm tại tâm của nguyên tử, có thể coi là sự khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử. Sau khám phá này, việc nghiên cứu về nguyên tử được tách ra làm hai nhánh, vật lý hạt nhân nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử, và vật lý nguyên tử nghiên cứu cấu trúc của các electron bay quanh.

Tuy nhiên, mô hình Rutherford có cách nhìn cổ điển về các hạt electron bay trên quỹ đạo như các hành tinh bay quanh Mặt Trời; không thể giải thích được cấu trúc quỹ đạo của electron liên quan đến các quá trình hóa học; đặc biệt không giải thích được tại sao nguyên tử tồn tại cân bằng bền và electron không bị rơi vào trong hạt nhân. Mô hình này sau đó được thay thế bằng mô hình bán cổ điển của Neils Bohr vào năm 1913 và mô hình lượng tử về nguyên tử.

Dù cho nó không chính xác, mô hình nguyên tử Rutherford thường được dùng trong các minh họa trong các phương tiện thông tin đại chúng như là biểu tượng cho nguyên tử. Ví dụ như mô hình này được vẽ trên cờ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Ngành Tinh thể học tia X

 Mặc dù kim cương (trên, bên trái) và than chì (trên, bên phải) giống nhau về thành phần hóa học (cấu tạo hoàn toàn từ carbon) nhưng tinh thể học tia X cho thấy sự sắp xếp các nguyên tử khác nhau dẫn đến sự khác nhau về tính chất giữa chúng

 

Trong kim cương, các nguyên tử cácbon được sắp xếp theo khối tứ diện và được giữ với nhau bằng liên kết cộng hóa trị đơn, tạo cho nó kết nối mạnh theo mọi hướng. Ngược lại, than chì cấu tạo bơi các lớp chồng lên nhau, trong đó nguyên tử cacbon liên kết lục giác bằng các liên kết đơn và đôi, không có liên kết cộng hóa trị giữa các lớp.

Tinh thể học tia X là ngành khoa học xác định sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong một tinh thể dựa vào dữ liệu về sự phân tán của các tia X sau khi chiếu vào các electron của tinh thể.

Phía trên chúng ta có nhắc đến kỹ thuật nhiễu xạ tia X mà Rosalind Franklin dùng để nghiên cứu cấu tạo của phân tử ADN; và người đi tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật này là Dorothy Crowfoot Hodgkin, một trong 3 người phụ nữ duy nhất từng thắng giải Nobel Hóa học.

Bằng cách chiếu tia X lên tinh thể để lưu lại trên phim những điểm nhiễu xạ do sự giao thoa giữa các nguyên tử của tinh thể gây ra, rồi sử dụng các phép toán để tính khoảng cách và vị trí của các điểm xác định, từ đó tìm ra cấu trúc phân tử của tinh thể, Dorothy đã đưa những nghiên cứu tinh thể đi đến những kết quả mà giới khoa học trông đợi.

Bắt đầu bằng nghiên cứu về cấu trúc của pepsin, một enzim có trong tuyến nước bọt, Dorothy đã lần lượt giải mã thành công cấu trúc của cholesterol, lactoglobulin, ferritin, cấu trúc của virus gây bệnh khảm thuốc lá. Năm 1946, bà đã công bố cấu trúc phức tạp của thuốc kháng sinh penicillin. 10 năm sau, bà lại giải mã thành công cấu trúc của vitamin B12. Năm 1969 nhờ có nghiên cứu của bà mà insulin không còn là một chất khiến các nhà khoa học đau đầu.

Khó có thể nói đóng góp nào của Dorothy quan trọng hơn đóng góp nào. Nếu như việc làm sáng tỏ cấu trúc B12 đã mang lại cho bà giải Nobel hóa học bởi B12 là loại vitamin tối cần thiết giúp ngăn ngừa các bệnh thiếu máu ác tính, thì thành công trong việc phát hiện cấu trúc của penicillin lại mở ra cho các hãng dược phẩm khả năng sản xuất penicillin bán nhân tạo giúp giải quyết tình hình khan hiếm thuốc kháng sinh thời bấy giờ. Còn việc tìm ra cấu trúc ba chiều của insulin, nội tiết tố không thể thiếu trong quá trình chuyển hóa đường của cơ thể, đã góp phần duy trì cuộc sống của hàng chục triệu người mắc bệnh tiểu đường trên thế giới.

Phát hiện ra tính phóng xạ của các chất phóng xạ

Marie Curie cùng chồng Pierre trong phòng thí nghiệm.

Năm 1896, Marie Curie cùng với chồng là Pierre và nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel đã phát hiện ra rằng các hợp chất của uranium có khả năng tự phát ra những tia không không nhìn thấy được, có thể xuyên qua những vật mà tia sáng thường không đi qua được gọi là các tia phóng xạ.

Những nghiên cứu về bản chất của các hiện tượng phóng xạ chứng tỏ rằng hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ không bền, tự phân hủy và phóng ra các hạt vật chất khác nhau như hạt anpha, beta kèm theo bức xạ điện từ như tia gamma. Đồng thời với hiện tượng phóng xạ tự nhiên, người ta cũng phát hiện một số loại nguyên tử của một số nguyên tố nhân tạo cũng có khả năng phóng xạ.

Năm 1903, cả ba nhà khoa học trên đã được nhận giải Nobel Vật lý cho các nghiên cứu về bức xạ nói trên, và Marie Curie là người phụ nữ đầu tiên nhận giải này. 8 năm sau, bà nhận giải Nobel hóa học (năm 1911) cho việc khám phá ra hai nguyên tố hóa học radium và polonium trong quá trình nghiên cứu các chất phóng xạ trước đó.

Ngọc Bình Tổng hợp từ Vietnamnet