Lý do nguyên tử có hình dạng giống quả cầu nhỏ trong ảnh chụp kính hiển vi

Trong sách giáo khoa vật lý và hóa học, người ta thường miêu tả nguyên tử qua hai hình ảnh đối lập: một đám mây electron mờ ảo theo cơ học lượng tử hoặc những dãy hạt tròn trịa đều đặn như bi sắt chụp từ kính hiển vi quét chui hầm. Cả hai cách thể hiện này đều đúng và phản ánh những phương pháp đo đạc khác nhau của khoa học hiện đại.

Giới hạn của ánh sáng và sự ra đời của kính hiển vi chuyên dụng

Mắt người và các ống kính quang học thông thường không bao giờ ghi lại được hình ảnh trực tiếp của một nguyên tử. Theo NASA, bước sóng ánh sáng khả kiến nằm trong khoảng 380 đến 700 nanômét, trong khi bán kính nguyên tử chỉ từ 0,1 đến 0,2 nanômét. Bước sóng ánh sáng lớn gấp hàng nghìn lần khiến nó lướt qua nguyên tử mà không để lại phản xạ. Giới hạn của kính hiển vi quang học thông thường chỉ dừng lại ở mức 400 nanômét.

Để khắc phục, hai nhà khoa học Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại phòng thí nghiệm IBM ở Zurich đã phát minh ra kính hiển vi quét chui hầm (STM), mang về giải Nobel Vật lý năm 1986. Thiết bị này không dùng ánh sáng mà vận hành bằng một đầu kim siêu sắc nhọn có phần đỉnh chỉ vỏn vẹn một nguyên tử. Khi đưa lại gần bề mặt ở khoảng cách khoảng một nanômét, các electron rò rỉ qua khoảng trống thông qua hiệu ứng chui hầm lượng tử.

Vào năm 1985, Jerry Tersoff và Donald Hamann chứng minh rằng dòng điện này phản ánh mật độ trạng thái electron cục bộ, tạo ra biểu đồ độ cao được tô màu nhân tạo để cho ra hình ảnh trực quan.

Nguyên nhân tạo nên hình dáng quả cầu

Có ba lý do chính khiến các điểm dữ liệu hiển thị dưới dạng quả cầu tròn trịa:

Thứ nhất, cấu trúc tự nhiên của nguyên tử. Năm 1927, nhà vật lý Albrecht Unsöld chứng minh rằng các nguyên tử có phân lớp orbital đóng kín hoặc lấp đầy một nửa sở hữu sự phân bố điện tích đối xứng hình cầu hoàn hảo, triệt tiêu phương hướng ưu tiên như ở các khí hiếm neon hay argon.

Thứ hai là hiệu ứng chập đầu dò (tip convolution). Đầu dò cơ học có kích thước hữu hạn và mang đám mây electron riêng, khiến mọi cấu trúc gồ ghề bị làm nhòe và bo tròn. Đỉnh cao nhất của nguyên tử truyền dòng điện mạnh nhất, khiến thiết bị chỉ bắt trọn phần chỏm cầu trên cùng.

Thứ ba là sự dao động nhiệt liên tục. Các nguyên tử luôn rung lắc quanh vị trí cân bằng thay vì đứng yên, khiến hình ảnh ghi lại thực chất là vị trí trung bình. Nghiên cứu năm 2021 tại Đại học Cornell xác nhận vệt mờ tròn trịa còn lại chính là sự rung lắc nhiệt và thăng giáng lượng tử.

Phá vỡ ảo ảnh khối cầu

Khi công nghệ nâng cấp, hình ảnh khối cầu có thể thay đổi. Năm 1987, Randall Feenstra chứng minh chỉ cần đảo chiều điện áp phân cực trên tinh thể gallium arsenide, một nửa số đốm tròn sẽ biến mất. Đến năm 2009, nhóm của Leo Gross tại IBM Zurich gắn một phân tử carbon monoxide lên đầu kim AFM để quét qua phân tử pentacene, lần đầu tiên hé lộ cấu trúc năm chiếc vòng phẳng cùng các liên kết hóa học rõ nét, vượt qua hình ảnh viên bi tròn đơn điệu ban đầu.