You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
Có lẽ bạn biết rằng tất cả mọi vật được tạo thành từ các nguyên tử và một nguyên tử là một hạt thực sự, thực sự, thực sự, thực sự nhỏ bé. Mỗi nguyên tử đều có một lõi, được làm từ ít nhất một hạt được tích điện dương được gọi là proton, và trong phần lớn các trường hợp, một số hạt trung hoà được gọi là neutron. Lõi đó được bao quanh bởi các hạt được tích điện âm được gọi là electron. Bản sắc của một nguyên tử được xác định chỉ bởi số lượng proton trong hạt nhân của nó. Hidro là hidro bởi vì nó chỉ có 1 proton, cacbon là cacbon vì nó có 6, vàng là vàng vì nó có 79, và vân vân. Thoả mãn trong một dòng suy nghĩ tạm thời. Làm thế nào để ta biết về cấu trúc nguyên tử? Chúng ta không thể thấy proton, neutron, hoặc electron. Vì vậy, chúng ta làm một loạt các thí nghiệm và phát triển 1 mô hình cho những gì chúng ta nghĩ là có. Rồi chúng ta làm thêm các thí nghiệm và để xem chúng có đồng ý với mô hình. Nếu có, thật tuyệt. Nếu không, có lẽ nên làm một mô hình mới. Chúng ta đã có rất nhiều mô hình nguyên tử khác nhau từ Democritus ở năm 400 trước công nguyên, và gần như chắc chắn sẽ có nhiều hơn xuất hiện. Được rồi, dòng suy nghĩ đã qua. Các lõi của nguyên tử có khuynh hướng dính với nhau, nhưng các electron tự do di chuyển, và đây là lí do tại sao các nhà hoá học yêu các electron. Nếu ta có thể cưới chúng, chúng ta có lẽ sẽ làm. Nhưng các electron thì siêu lạ Chúng có vẻ cư xử như các hạt, giống những trái bóng chày nhỏ, hoặc như các cơn sóng, như sóng nước, phụ thuộc vào các thí nghiệm mà ta tiến hành. 1 trong những điều kì lạ nhất về electron là ta không thể nói chính xác chúng ở đâu. Nó không phải do ta không có thiết bị, sự không chắc chắn này là một phần của mô hình của chúng ta về các electron. Vì vậy, chúng ta không thể xác định được chúng, tốt. Nhưng ta có thể nói có 1 khả năng chắc chắn về việc tìm thấy 1 electron trong 1 không gian xung quanh nhân. Và điều đó có nghĩa rằng chúng ta có thể hỏi câu hỏi sau: Nếu ta vẽ một hình quanh nhân như vậy ta sẽ chắc chắn 95% tìm thấy một electron trong hình đó, nó sẽ trông như thế nào? Dưới đây là một vài trong số các hình dạng này. Các nhà hoá học gọi chúng là các orbitals, và mỗi orbital trông thế nào, giữa các thứ khác, phụ thuộc vào bao nhiêu năng lượng mà nó có. Orbital càng có nhiều năng lượng phần lớn mật độ của nó thì xa hơn từ hạt nhân. Nhân tiện, tại sao ta chọn 95% mà không là 100%? Đó là điều không minh bạch khác của mô hình electron. Qua một khoảng cách nhất định từ hạt nhân, khả năng tìm thấy 1 electron bắt đầu giảm nhiều hoặc ít hơn theo cấp số nhân, có nghĩa là trong khi nó tiến đến 0, nó sẽ không bao giờ thực sự chạm đến 0. Vậy, trong mỗi nguyên tử, có một số nhỏ, nhưng không phải 0, xác suất trong một khoảng thời gian rất, rất ngắn, một trong các electron của nó thì ở đầu kia của vũ trụ được biết đến. Nhưng phần lớn các electron ở gần nhân của chúng như các đám mây dày đặc điện tích âm thay đổi và di chuyển với thời gian. Làm thế nào các electron từ 1 nguyên tử tương tác với các electron của nguyên tử khác xác định hầu hết mọi thứ. Các nguyên tử có thể bỏ các electron của chúng, từ bỏ chúng cho các nguyên tử khác, hoặc chúng có thể chia sẻ electron. Và cơ năng của mạng lưới này là cái làm hoá học thú vị. Từ các đá cũ đơn giản đến vẻ đẹp phúc tạp của sự sống, bản chất của tất cả những gì ta thấy, nghe, nếm, ngửi, chạm, và thậm chí cảm giác được xác định ở mức độ nguyên tử.