บทเรียนที่ 2 แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

จากการที่ไม่มีผู้ใดเห็นลักษณะอะตอมด้วยตาเปล่า John Dalton นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมที่เรียกว่าทฤษฎีอะตอม ในปี ค.ศ. 1803 (พ.ศ.2346) มีใจความสำคัญว่า

1. สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก เรียกว่าatom

2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ย่อมมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ(เช่นมีมวลเท่ากัน) และมีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น

3. ไม่สามารถทำให้อะตอมสูญหายหรือเกิดใหม่ได้ (กฎทรงมวล)

4. สารประกอบเกิดจากการรวมตัวทางเคมีระหว่างอะตอมของธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และจำนวนอะตอมของธาตุที่รวมตัวกันจะเป็นอัตราส่วนตัวเลขลงตัวน้อยๆ (กฎสัดส่วนคงที่)

Dalton เสนอมโนภาพของแบบจำลองอะตอมว่า อะตอมมีลักษณะทรงกลมตัน มีขนาดเล็กมาก และไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก จากแนวคิดของดอลตันที่ว่า อะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดซึ่งแบ่งแยกไม่ได้ ทำให้ได้แบบจำลองอะตอมของดอลตันเป็น “ทรงกลมที่มีขนาดเล็กที่สุด ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้”

แบบจำลองอะตอมของดอลตันใช้อธิบายเกี่ยวกับกฏทรงมวลสารสัมพันธ์ได้ จึงเป็นที่ยอมรับกันในสมัยนั้น และทำให้นักวิทยาศาสตร์เริ่มหันมาสนใจศึกษาเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น ต่อมาเมื่อการศึกษาได้พัฒนามากขึ้น พบข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น ข้อมูลใหม่ ๆ เหล่านี้บางประการก็ไม่สอดคล้องกับแนวความคิดของดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมไม่ใช่หน่วยที่เล็กที่สุด อะตอมยังสมารถมีอนุภาคย่อย ๆ ลงไปได้อีก อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันก็อาจไม่จำเป็นต้องมีสมบัติต่าง ๆ เหมือนกันทุกประการ เช่น มีมวลต่างกันได้ (คือไอโซโทป ซึ่งจะได้กล่าวในรายละเอียดต่อไป) นอกจากนี้ข้อมูลบางเรื่องก็ไม่สามารถอธิบายได้โดยแนวความคิดของดอลตัน เช่น ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด นักวิทยาศาสตร์คนต่อ ๆ มาจึงได้พยายามเสนอแบบจำลองอะตอมชนิดใหม่

เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองค้นคว้าได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น พบว่าแบบจำลองของ dalton ไม่สามารถอธิบายได้ เช่น

1. ทำไมอะตอมของธาตุต่างกันจึงมีมวลต่างกัน

2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีสมบัติต่างกันได้ (เช่น ไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป1H,2H และ3H เป็นธาตุชนิดเดียวกัน แต่มีมวลต่างกัน)

3. ทำไมธาตุจึงมีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาต่างกัน

4. ทำไมธาตุหนึ่งๆทำปฏิกิริยาได้เฉพาะบางธาตุ

5. อะตอมทำให้เกิดขึ้นใหม่หรือเปลี่ยนไปเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้ หรือสามารถสังเคราะห์อะตอมของธาตุใหม่ได้โดยอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์

ด้วยสาเหตุดังกล่าวจึงทำให้มีผู้ศึกษาค้นคว้าแบบจำลองอะตอมใหม่เพื่ออธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น

บทเรียนที่ 3 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน(1)

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

Sir Joseph John Thomson นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้รวบรวมนำการศึกษาด้านต่างของที่มีผู้สนใจค้นคว้าในสาขาต่างๆ มารวมกันเป็นแบบจำลองอะตอมใหม่ เพื่ออธิบายปรากฎการณ์ที่แบบจำลองอะตอมของดอลตันไม่สามารถอธิบายได้ การทดลองที่สำคัญคือ

1. หลอดรังสีแคโทดของ William Crookes

2. หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph Jhon Thomson

3. การหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีเม็ดน้ำมัน ของ Robert Andrews Millikan

4. หลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstrin

ปัจจุบันทราบว่าไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ ไฟฟ้าสถิต กับไฟฟ้ากระแส

ก. ไฟฟ้าสถิต หมายถึงอำนาจไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเฉพาะแห่ง เนื่องจากประจุไฟฟ้าไม่เคลื่อนที่ในวัตถุชนิดนั้น ๆ เช่น เมื่อถูแท่งพลาสติกด้วยผ้าสักหลาด แท่งพลาสติกบริเวณที่มีการถูจะแสดงอำนาจไฟฟ้าได้ การที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากขณะที่นำพลาสติกไปถูผ้าสักหลาด จะทำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในพลาสติกแยกออกจากกัน และแสดงอำนาจไฟฟ้าบวกหรือลบ แล้วแต่ว่าบริเวณนั้นจะมีประจุชนิดใดมากกว่ากัน อำนาจไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นบริเวณที่ถู

จากความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิต ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสารต่าง ๆ จะมีประจุไฟฟ้า 2 ชนิด คือประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบ การที่วัตถุไม่แสดงอำนาจไฟฟ้าหรือเป็นกลางทางไฟฟ้านั้นเป็นเพราะว่ามีปริมาณของประจุบวกและลบเท่ากัน เมื่อนำมาเชื่อมโยงกับอะตอมทำให้เชื่อกันว่าอะตอมก็ควรจะมีประจุเช่นเดียวกัน อะตอมที่เป็นกลางจะมีประจุบวกและลบเท่ากัน ดังนั้นอะตอมจึงไม่ควรจะเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด

ข. ไฟฟ้ากระแส หมายถึงอำนาจไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านตัวกลาง ตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านเรียกว่า ตัวนำ เช่น โลหะต่าง ๆ ส่วนตัวกลางที่ไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้าผ่านเรียกว่าฉนวน

การนำไฟฟ้าของสารละลาย

สารที่เป็นตัวนำ หรือ ฉนวนไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเป็นของแข็งเสมอไป อาจจะเป็นของเหลวหรือสารละลายก็ได้ ในกรณีที่เป็นสารละลาย ถ้าเป็นสารละลายที่นำไฟฟ้าได้เรียกว่า “สารละลายอิเล็กโทรไลต์(Electrolytic solution)” เช่น สารละลายกรดเกลือ ถ้านำไฟฟ้าได้มากเรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์แก่ เช่น สารละลายโซเดียมคลอไรด์ ถ้านำไฟฟ้าได้น้อยเรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์อ่อน เช่น สารละลายกรดอะซิติก ถ้าเป็นสารละลายที่ไม่นำไฟฟ้าเรียกว่า “สารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์ (Non-electrolytic solution)” เช่น สารละลายกลูโคส

ของแข็งนำไฟฟ้าได้เพราะมีประจุเคลื่อนที่ในตัวนำที่เป็นของแข็งนั้น แต่สำหรับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ นำไฟฟ้าได้ เพราะในสารละลายมีไอออนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไอออนบวก และไอออนลบ กล่าวคือ เมื่อสารละลายในน้ำจะมีการแตกตัวออกเป็นสองส่วน และมีประจุตรงกันข้ามกัน แต่ละส่วนเรียกว่า ไอออน ไอออนส่วนหนึ่งจะมีประจุไฟฟ้าบวก เรียกว่า ไอออนบวก ไอออนอีกส่วนหนึ่งจะมีประจุไฟฟ้าลบเรียกว่า ไอออนลบ (มีปริมาณเท่ากับไอออนบวก) เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า ไอออนบวกจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ และไอออนลบจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวก ไอออนบวกที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบจะไปรับประจุลบหรืออิเล็กตรอน ส่วนไอออนลบที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกจะเป็นตัวพาประจุลบไปให้ขั้วไฟฟ้า ไหลวนเวียนกันอยู่ในสารละลาย จึงก่อให้เกิดการนำไฟฟ้าขึ้น

การนำไฟฟ้าของก๊าซ

ที่ความดันปกติก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า แม้ว่าจะเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้มากขึ้น แสดงว่าก๊าซเป็นฉนวนไฟฟ้า ความต่างศักย์ที่ใช้ตามบ้านคือ 220 โวลต์ ก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า แต่ในบางโอกาสจะพบว่าก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้ เช่น การเกิดฟ้าแลบ หรือฟ้าผ่าในขณะที่มีพายุฝนฟ้าคะนอง จากการศึกษาการนำไฟฟ้าของก๊าซพบว่า ก๊าซจะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นถ้าความดันของก๊าซต่ำลง และความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้ามากขึ้น

หลอดรังสีแคโทดของ William Crookes

จากปรากฎการณ์ธรรมชาติที่แสดงให้เห็นว่า gas นำไฟฟ้าได้คือ ปรากฎการณ์ฟ้าร้อง ฟ้าผ่า นักวิทยาศาสตร์จึงได้ทำการทดลองเพื่ออธิบายการนำไฟฟ้าของ gas พบว่า ที่ความดัน 1 บรรยากาศ (1 atm) อากาศจะไม่นำไฟฟ้า แต่ถ้าลดความดันลง และเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วมากๆ gas จะนำไฟฟ้าได้ดี William Crookes ได้ประดิษฐ์อุปกรณ์เพื่อจำลองปรากฎการณ์ฟ้าร้อง ฟ้าผ่าประกอบด้วยหลอดแก้วที่บรรจุ gas ความดันต่ำ มีขั้วไฟฟ้าเป็นแผ่นโลหะ(Electrode) 2 ขั้ว ต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูง (10,000 -20,000 volte) แผ่นโลหะด้านไฟฟ้าลบเรียกว่า ขั้ว cathode แผ่นโลหะด้านไฟฟ้าบวกเรียกว่า ขั้ว anode และยังได้วางฉากเรืองแสง (ZnS ซิงค์ซัลไฟด์) ขนานไปตามยาวหลอด ดังรูป

จากผลการทดลองของ Crookes พบว่า

1.ที่ความดัน1บรรยายกาศ ไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ

2.เมื่อลดความดันลงgasภายในหลอดแก้วจะเรืองแสง

3.เมื่อลดความดันลงมากๆ บริเวณanodeจะเรืองแสงมาก

4.เมื่อนำกังหันหมุนได้ไปไว้ระหว่างขั้วanodeและcathodeใบพัดจะหมุนได้

5.เมื่อนำฉากเรืองแสงZnSไว้ระหว่างขั้วanodeและcathodeฉากด้านที่หันไปทางขั้วcathodeเรืองแสงและเกิดเงา

เพราะฉะนั้นจึงสามารถกล่าวได้ว่ามีรังสีชนิดหนึ่งพุ่งออกมาจากขั้วcathodeเป็นเส้นตรงมายังขั้วanodeเรียกรังสีนี้ว่าCathode ray Cathode rayประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบและมีมวลเพราะสามารถทำให้ใบพัดของกังหันหมุนได้

บทเรียนที่ 4 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน(2)

หลอดรังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด เป็นเครื่องมือที่ใช้ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้า ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูง และหลอดแก้วบรรจุก๊าซซึ่งมีความดันต่ำ ปลายข้างหนึ่งของหลอดแก้วจะมีขั้วไฟฟ้าแอโนด อีกปลายหนึ่งจะเป็นขั้วแคโทด เมื่อต่อไฟฟ้าให้ครบวงจรดังรูป จะสามารถตรวจสอบการไหลของไฟฟ้า รวมทั้งสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงในหลอดรังสีแคโทดได้โดยการใช้ฉากเรืองแสง

เดิมวิลเลียม ครูกส์ (William Crookes) ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผ่น เป็นขั้วไฟฟ้า หลังจากต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยให้ขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับขั้วลบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นขั้วลบเรียกแคโทดและขั้วบวกต่อกับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่าแอโนดเมื่อใช้ความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าน้อย ๆ จะพบว่ามีการนำไฟฟ้าน้อยมาก เมื่อสูบเอาก๊าซในหลอดรังสีออกจนเกือบหมดและใช้ความต่างศักย์ระหว่างขั้วประมาณ 10,000 โวลต์ จะพบว่ามีการนำไฟฟ้าได้ดียิ่งขึ้น และมีแสงสีเขียวพุ่งออกมาจากแคโทด จึงได้เรียก รังสีแคโทด รังสีนี้สามารถทำให้ ZnS เกิดการเรื่องแสงได้

โดยทั่ว ๆ ไป พบว่ารังสีแคโทดจะเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังแอโนด และรังสีนี้สามารถเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าได้

ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทดทำให้เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน(Sir Loseph John Thomson)ค .ศ. 1897 (พ.ศ. 2440) สนใจมาก และได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมอีกจำนวนมาก นอกจากนี้ยังมีนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ที่สนใจเกี่ยวกับเรื่องนี้ เช่น ยูจีน โกลด์สไตน์ (Eugene Goldstein) และวิลเฮล์ม วีน (Wilhelm Wein) เป็นต้น

ทอมสันได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมอีกจำนวนมาก โดยดัดแปลงลักษณะของหลอดรังสีแคโทดจากเดิมเล็กน้อย เช่นมีการเติมฉากเรืองแสงไว้ในหลอดรังสีด้วย ดังในรูป และทอมสันได้นำผลการทดลองในลักษณะต่าง ๆ มาสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม โดยทำเป็นขั้น ๆ ดังนี้

1. บรรจุก๊าซชนิดหนึ่งในหลอดรังสีแคโทดที่ภายในมีขั้วไฟฟ้าแอโนด และแคโทดต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูง ที่ขั้วแอโนดเจาะรูเล็ก ๆ ตรงกลาง และปลายด้านหนึ่งของหลอดรังสีมีฉากเรืองแสง ก. ทำด้วย ZnS วางไว้ นำหลอดรังสีนี้ต่อเข้ากับเครื่องสูบสูญญากาศ

ในตอนแรกความดันในหลอดแก้วมีมาก จะยังไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ฉากเรืองแสง แม้ว่าจะใช้ศักย์ไฟฟ้าสูง ๆ ต่อเมื่อลดความดันในหลอดแก้วให้ต่ำลงมาก ๆ จนเกือบเป็นสุญญากาศ จะพบว่ามีจุดเรืองแสง หรือมีจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก.

เนื่องจาก ZnS มีสมบัติพิเศษที่ว่า ถ้าอนุภาคมีประจุมากระทบจะทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้น ดังนั้นจากผลการทดลองทำให้ทอมสันตั้งสมมติฐานว่า จะต้องมีรังสีชนิดหนึ่งซึ่งมีประจุไฟฟ้าพุ่งเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดมายังฉากเรืองแสง ก. ซึ่งรังสีนี้อาจจะเกิดจากก๊าซที่มีอยู่ในหลอดแก้วนั้น หรืออาจจะเกิดจากโลหะที่ทำขั้วไฟฟ้าก็ได้ ซึ่งทอมสันยังไม่ทราบ รวมทั้งยังไม่ทราบว่ารังสีที่พุ่งออกมานั้นมีประจุเป็นอย่างไร ดังนั้นจึงได้ทดลองต่ออีก อย่างไรก็ตามเมื่อถึงขั้นนี้ทอมสันได้คาดว่าอะตอมคงจะไม่ใช่เป็นทรงกลมตันดังแบบจำลองของดอลตันแน่ แต่จะต้องมีอนุภาคเล็ก ๆ ที่มีประจุเป็นองค์ประกอบด้วย

2. เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ และต้องการจะทราบว่าประจุไฟฟ้าที่มากระทบฉากเรืองแสง ก. เป็นประจุบวกหรือลบ ทอมสันจึงได้ทดลองต่อไปโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย โดยยึดหลักที่ว่า อนุภาคที่มีประจุจะต้องเกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า ถ้าอนุภาคนั้นมีประจุบวกจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า และถ้ามีประจุลบจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก ทั้งนี้ศึกษาการเบี่ยงเบนได้จากฉากเรืองแสง

เมื่อเพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปอีก 2 ขั้ว โดยให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางของรังสีดังในรูป จากการทดลองพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. เบนไปจากตำแหน่งเดิม คือ เบี่ยงเบนขึ้นสู่ด้านบน ซึ่งถ้าลากเส้นจากขั้วไฟฟ้าจะเห็นว่ารังสีนั้นเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า แสดงว่ารังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุจึงเกิดการเบี่ยงเบนขึ้น และการที่เบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกแสดงว่า รังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากรังสีนี้เคลื่อนที่ออกมาจากขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วที่ใช้ในการทดลองว่า หลอดรังสีแคโทด

เมื่อทดลองถึงขั้นนี้ ทำให้ทอมสัน ตั้งสมมติฐานขึ้นว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ที่ส่วนหนึ่งมีประจุลบ แต่ยังไม่ทราบว่าอนุภาคที่มีประจุลบเหล่านี้เกิดจากก๊าซในหลอดรังสีหรือเกิดจากขั้วไฟฟ้า และไม่ทราบว่ารังสีแคโทดนี้จะเหมือนกันหรือไม่ จะประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่ ถ้าใช้ก๊าซต่างชนิดกันจะมีลักษณะเหมือนหรือต่างกันอย่างไร

3. ทอมสันศึกษาสมบัติขิงรังสีแคโทดต่อไป โดยหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสีนั้น ทั้งนี้อาศัยหลักที่ว่านอกจากรังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนได้ในสนามไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถเบี่ยงเบนได้ในสนามแม่เหล็กด้วย

ในตอนแรกทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนก๊าซชนิดต่าง ๆ ในหลอดรังสีแคโทดแล้วทดลองในทำนองเดียวกัน ปรากฏผลการทดลองได้ผลเหมือนเดิม และเมื่อลองเปลี่ยนชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ทำแคโทดก็ยังคงพบว่าได้ผลการทดลองเหมือนเดิม คือจะมีรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมาที่ฉากเรืองแสง ก. และรังสีเกิดการเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จึงทำให้ไม่สามารถจะพิสูจน์ว่าอนุภาคที่มีประจุลบนั้นเป็นอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่ ดังนั้นทอมสันจึงได้ทำการทดลองต่อโดยนำหลอดรังสีวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ทั้งนี้ในทิศทางของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าดังรูป ในช่วงแรกที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป จุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. จะเบี่ยงเบนขึ้นด้านบน เมื่อใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป และเพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กทีละน้อยจะพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. ค่อย ๆ มีการเบี่ยงเบนน้อยลง คือ จุดเรืองแสงค่อย ๆ กลับมาสู่ตำแหน่งเดิมของตอนที่ไม่มีสนามไฟฟ้า แสดงว่าในขณะนี้ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความแรงของสนามแม่เหล็ก จุดสว่างบนฉากเรืองแสงจึงไม่มีการเบี่ยงเบน

บทเรียนที่ 5 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน(3)

เมื่อนำความแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า และความแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคลบมาคำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคลบนั้น ปรากฏว่าได้ค่าคงที่เท่ากันทุกครั้ง ไม่ว่าทอมสันจะใช้ก๊าซชนิดใด หรือไม่ว่าจะใช้โลหะใดเป็นแคโทด คือได้

= 1.7 X 108คูลอมบ์/กรัม

จากผลการทดลองและผลการคำนวณ ทำให้ทอมสันสรุปว่า “อนุภาคลบในรังสีแคโทดจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน และอะตอมทุกชนิดย่อมจะมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบเหมือนกัน และเรียกอนุภาคลบนี้ว่าอิเล็กตรอน”

เมื่อทดลองถึงตอนนี้ทำให้ทอมสันสรุปได้ว่า อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งในขณะนั้นยังไม่ทราบ

การค้นพบโปรตอน

เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า องค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอมจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ด้วย

ออยเกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดเล็กน้อย ดังในรูป

โกลด์สไตน์ได้เลื่อนขั้วแคโทดและแอโนดมาไว้เกือบตรงกลาง แล้วเพิ่มฉากเรืองแสง ข. ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของหลอดแก้ว โดยคิดว่าการที่อนุภาคที่มีประจุลบสามารถเคลื่อนที่ผ่านขั้วแอโนดไปที่ฉากเรืองแสง ก. ได้ อนุภาคที่มีประจุบวกก็ควรจะเคลื่อนที่ผ่านแคโทดไปที่ฉากเรืองแสง ข. ได้เช่นเดียวกัน ดังนั้นจึงเจาะรูตรงกลางของขั้วแอโนดและแคโทดไว้ จากการทดลองเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งบนฉากเรืองแสง ก. และ ข. ซึ่งโกลด์สไตน์อธิบายว่าจุดสว่างที่เกิดบนฉากเรืองแสง ข. จะต้องเกิดจากรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทดไปยังฉากเรืองแสง แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซหรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่

จากการทดลองหลายครั้ง ๆ โดยการเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้ว ปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนของประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้ และเมื่อทดลองโดยเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าหลาย ๆ ชนิด แต่ใช้ก๊าซในหลอด แก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่าผลการทดลองได้อัตราส่วนของประจุต่อมวลเท่ากัน แสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซ ไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า

ต่อมาโกลด์สไตน์ได้พบว่าถ้าทำการทดลองโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจน จะได้อนุภาคบวกที่มีจำนวนประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน และเรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนว่า “โปรตอน” อะตอมของก๊าซไฮโดรเจนจะมี 1 โปรตอน และอะตอมของธาตุอื่น ๆ อนุภาคบวกจะมีมากกว่า 1 โปรตอน แต่จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน

จากผลการทดลองที่ผ่านมา ทั้งของทอมสัน และโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมดังนี้

“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอในอะตอม อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ”

บทเรียนที่ 6 การหาค่าประจุและมวลของอิเล็กตรอน

การหาค่าประจุของอิเล็กตรอน

ใน พ.ศ. 2451 โรเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert Andrews Millikan) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกาได้ทำการทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอน โดยใช้การทดลองที่เรียกว่า “Oil drop experiment”

เครื่องมือประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว ต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าบนเป็นขั้วบวก และขั้วไฟฟ้าด้านล่างเป็นขั้วลบ ขั้วไฟฟ้าทั้ง 2 ใส่ไว้ในกล่องซึ่งมีอากาศอยู่ภายใน

เมื่อพ่นหยดน้ำมันเม็ดเล็ก ๆ เข้าไประหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เนื่องจากน้ำมันแต่ละหยดมีมวล ดังนั้นจึงถูกแรงดึงดูดของโลกทำให้ตกลงมาสู่ด้านล่าง ในขณะที่เม็ดน้ำมันยังไม่มีประจุไฟฟ้า การที่จะบังคับให้เคลื่อนที่ขึ้นลงจึงยังทำไม่ได้ ดังนั้นในตอนแรกจึงต้องเติมประจุลงบนหยดน้ำมันก่อนโดยการฉายรังสีเอ็กซ์ ( X-Ray) เข้าไป รังสีเอ็กซ์จะไปชนกับอากาศภายในกล่อง ทำให้อะตอมของอากาศเกิดการแตกตัว

X-rays-------> A (g) --------> A+(g) + e-

อนุภาคบวกและอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะไปเกาะที่หยดน้ำมัน ทำให้หยดน้ำมันเกิดประจุ อิเล็กตรอนที่ไปเกาะที่หยดน้ำมันอาจจะไปเกาะเพียง 1 ตัว หรือหลายๆ ตัวก็ได้ เช่นเดียวกับอนุภาคบวกก็จะไปเกาะที่หยดน้ำมัน ซึ่งอาจจะมีอนุภาคบวกหลายตัวที่หยดน้ำมัน 1 หยด เมื่อหยดน้ำมันมีประจุในขณะที่กำลังเคลื่อนที่ลงมาด้วยแรงดึงดูดของโลก ถ้าใส่สนามไฟฟ้าเข้าไปในระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ขั้วไฟฟ้าบวกข้างบนจะดึงดูดกับหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนเกาะอยู่ ส่วนขั้วไฟฟ้าลบข้างล่างจะดึงดูดกับอนุภาคบวกทำให้หยดน้ำมันที่มีอนุภาคบวกเคลื่อนที่ลงได้เร็วขึ้น ซึ่งในที่นี้จะไม่ขอกล่าวถึงอนุภาคบวก แต่จะกล่าวถึงรายละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนเท่านั้น

ในขณะที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป หยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนเกาะอยู่จะมีประจุเป็นลบ และถูกดึงดูดให้ลอยขึ้นไปหาขั้วบวก ดังนั้นในตอนแรกหยดน้ำมันเหล่านี้จะเคลื่อนที่ลงได้ช้า และเมื่อเพิ่มศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วให้มากขึ้น จนกระทั่งแรงดึงดูดเนื่องจากขั้วไฟฟ้ากับอิเล็กตรอนบนหยดน้ำมันเท่ากับแรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก หยดน้ำมันเหล่านั้นจะลอยนิ่ง ซึ่งสามารถนำมาคำนวณค่าของประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้

ถ้า m = มวลของหยดน้ำมัน

g = ค่าคงที่ของแรงดึงดูดของโลก

F1= แรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกต่อหยดน้ำมัน

F1= mg

ถ้า E = สนามไฟฟ้า

q = ประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมัน

F2= แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าต่อหยดน้ำมัน

F2= Eq

เมื่อพิจารณาหยดน้ำมันที่ลอยนิ่ง หยดใดหยดหนึ่ง จะได้ว่า

แรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก = แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า

mg = Eq

หรือ q =

ค่า E และ g สามารถหาได้จากเครื่องมือที่ใช้ ส่วน m ซึ่งเป็นมวลของหยดน้ำมันหาได้จากสูตร m = rd

เมื่อ r = รัศมีของหยดน้ำมัน

d = ความหนาแน่นของน้ำมัน

จะเห็นได้ว่า ค่า m , g และ E สามารถหาได้ ดังนั้นจึงคำนวณประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันได้ จากการทดลองพบว่าประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันนั้นมีค่าเท่ากับ 1.60x 10-19คูลอมบ์ หรือเป็นจำนวนเท่าของ 1.60x10-19คูลอมบ์ เช่น 2x1.60x 10-19, 3 x1.60x10-19คูลอมบ์ เป็นต้น แสดงว่าจำนวนประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันที่มีค่าน้อยที่สุดคือ 1.60x10-19คูลอมบ์ จำนวนประจุอื่น ๆ จะเป็นจำนวนเท่าของ 1.60x10-19ดังนั้นค่าของประจุ 1.60x10-19คูลอมบ์ จึงเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 ตัว กล่าวคือ

ถ้ามีอิเล็กตรอน 1 ตัว เกาะบนหยดน้ำมัน จะได้ประจุ = 1.60x10-19คูลอมบ์

ถ้ามีอิเล็กตรอน 2 ตัว เกาะบนหยดน้ำมัน จะได้ประจุ = 2x1.60x10-19คูลอมบ์

ถ้ามีอิเล็กตรอน 3 ตัว เกาะบนหยดน้ำมัน จะได้ประจุ = 3x1.60x10-19คูลอมบ์

ดังนั้น จากการทดลองของมิลลิแกนได้ประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ1.60x10-19คูลอมบ์

การคำนวณหามวลของอิเล็กตรอน

จากการทดลองของทอมสันได้ค้าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน คือ

= 1.7 X 108คูลอมบ์/กรัม

จากการทดลองของมิลลิแกน

ได้ค่าประจุของอิเล็กตรอน (e) = 1.60 x 10-19คูลอมบ์

เพราะฉะนั้นหามวลของอิเล็กตรอนได้ m = 9.41 x 10-28กรัม

แบบจำลองอะตอมของทอมสันนับว่าเป็นก้าวสำคัญเกี่ยวกับการศึกษาโครงสร้างของอะตอม ทำให้ได้มโนภาพของอะตอมที่ถูกต้องยิ่งขึ้น แต่อย่างไรก็ตามแบบจำลองอะตอมของทอมสันก็ยังไม่สามารถจะอธิบายผลการทดลองใหม่ ๆ อีกเป็นจำนวนมาก ซึ่งแสดงว่ายังไม่ใช่แบบจำลองที่สมบูรณ์ เป็นผลให้มีการค้นคว้าเพิ่มเติมขึ้น และมีการเสนอแบบจำลองใหม่ ๆ ขึ้นมา

บทเรียนที่ 7 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอรด์

หลังจากนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Henri Becquerel ได้พบสารกัมมันตรังสี และเรินต์เกน (W.K. Rontgen) ค้นพบ X-ray

Lord Ernest Ruthetford นักวิทยาศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ได้ทำการการศึกษาธรรมชาติของรังสีที่เกิดจากสารกัมมันตรังสี พบว่ามี 3 ชนิด คือ

1. รังสี เอลฟา ( α-ray) ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+2) เป็นนิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียม คือประกอบด้วย Proton 2 ตัว และ Neutron 2 ตัว ( ) อำนาจผ่านทะลุวัตถุได้น้อยมาก ถูกกั้นโดยกระดาษเพียงแผ่นเดียวหรือสองแผ่น He42

2. รังสีเบตา (β-ray) ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง มีอำนาจการผ่านทะลุสูงกว่ารังสีเเอลฟา ถูกกั้นโดยใช้แผ่นโลหะบางๆ

3. รังสีแกมมา (γ-ray) แสดงสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมากคล้าย X-ray รังสีแกมมาไม่มีมวลไม่มีประจุ มีอำนาจผ่านทะลุสูง ถูกกั้นได้โดยแผ่นตะกั่วหนา

หลังจากที่ได้ศึกษาเกี่ยวกับสารกัมมันตรังสีมากขึ้น ได้มีการค้นพบรังสีต่าง ๆ ซึ่งเกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี เช่น รังสีแอลฟา (a ) เบตา (b) และแกรมมา (g) โดยเฉพาะรังสีแอลฟาซึ่งจัดว่าเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก และมีมวลมากกว่ารังสีเบตา และแกรมมา เมื่ออนุภาคแอลฟาเคลื่อนที่ไปกระทบกับอนุภาคอื่น ๆ ที่มีมวลน้อยกว่า จึงไม่ค่อยมีการเบี่ยงเบนซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์บางท่านนำเอารังสีแอลฟาไปศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม เช่น เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) นักวิทยาศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ เป็นต้น

ในปี พ.ศ. 2454 รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ทำการทดลองในประเภทอังกฤษร่วมกับ ฮันส์ ไกเกอร์ และเออร์เนส์ มาร์สเดน ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งได้จากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี เข้าไปที่แผ่นทองคำบาง ๆ

การตรวจสอบทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาหลังจากกระทบแผ่นทองคำแล้ว ทำได้โดยใช้ฉากเรืองแสงขดเป็นวงกลมล้อมรอบแผ่นทองคำไว้ โดยเว้นที่เฉพาะบริเวณที่จะให้อนุภาคแอลฟาผ่านเข้ามาเท่านั้น ทุก ๆ ครั้งที่อนุภาคแอลฟากระทบฉากเรืองแสงจะพบว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นที่ฉากเรืองแสงนั้น (อนุภาคแอลฟาคือ นิวเคลียสของธาตุฮีเลียม ซึ่งประจุบวก ดังนั้นเมื่อกระทบฉากเรืองแสงจึงมีจุดสว่างเกิดขึ้น ทำให้ทราบทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา) จากการทดลองพบว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะวิ่งเป็นแนวเส้นตรง ผ่านแผ่นทองคำไปกระทบฉากเรืองแสง ซึ่งก็คือบริเวณจุด ก. ที่อยู่หลังแผ่นทองคำในรูป บางส่วนจะเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรง คือบริเวณจุด ข. ของฉากเรืองแสง และมีน้อยครั้งมากที่อนุภาคสะท้อนกลับมากระทบฉากเรืองแสงที่จุด ค. ซึ่งอยู่หน้าแผ่นทองคำ

จากผลการทดลอง ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดแปลกใจมาก เพราะถ้านำแบบจำลองอะตอมของทอมสันมาอธิบายทิศทางที่น่าจะเกิดขึ้น เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นทองคำ อนุภาคส่วนใหญ่ควรจะเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรง ทั้งนี้ เพราะตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน อะตอมประกอบด้วยอนุภาคบวกและลบ กระจายอยู่ทั่วไปในอะตอม เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกเข้าไปในอะตอมของแผ่นทองคำ อนุภาคแอลฟาควรจะผลักกับโปรตอนซึ่งมีประจุบวกเหมือนกัน อันจะเป็นผลทำให้ทิศทางของอนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนไปดังในรูปที่ 1-12 แต่จากผลการทดลอง การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่วิ่งผ่านแผ่นทองคำเป็นแนวเส้นตรง จึงทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดแปลกใจมาก โดยเฉพาะอนุภาคแอลฟาส่วนที่สะท้อนกลับยิ่งทำให้แปลกใจมากยิ่งขึ้น ทั้งนี้เพราะการที่อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับได้แสดงว่าภายในอะตอมจะต้องมีสิ่งที่มีมวลมากขวางทางอยู่ เมื่ออนุภาคแอลฟาไปชนจึงเกิดการสะท้อนกลับ แต่จากแบบจำลองอะตอมของทอมสันภายในอะตอมไม่มีสิ่งหนึ่งสิ่งใดอยู่รวมกันเป็นกลุ่มเป็นก้อนเลย ดังนั้นการสะท้อนกลับของอนุภาคแอลฟาเป็นมุมมากกว่า 90 องศา จึงไม่มีทางเกิดขึ้นได้

แต่จากผลการทดลองของ Rutherford ปรากฎว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่วิ่งผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรง และมีส่วนที่เบี่ยงเบนออก และบางส่วนสะท้อนกลับ แสดงว่าแบบจำลองของ Thomson ไม่สอดคล้องกับผลการทดลอง Rutherford อธิบายผลการทดลองดังนี้

1. การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่วิ่งผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรงแสดงว่าอะตอมไม่ใช่ของแข็งทึบตันแต่ภายในอะตอมมีที่ว่างอยู่มาก (ผลการทดลอง จุด ก เป็นจุดที่รังสีแอลฟาผ่านช่องว่างในอะตอมไปยังฉากมาก จุดนี้เรืองแสงมาก แสดงว่าอะตอมมีช่องว่างมาก)

2. อนุภาคแอลฟาบางอนุภาคที่หักเหออกจากทางเดิมเพราะภายในอะตอมมีอนุภาคที่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวกสูง มีขนาดเล็ก ดังนั้นเมื่ออนุภาคแอลฟาเข้าใกล้อนุภาคนี้จะถูกผลักให้เบนออกจากทางเดิม หรือเมื่อนุภาคแอลฟากระทบโดยตรงก็เกิดการสะท้อนกลับ (เกิดการเรืองแสงที่จุด ข และ ค )

การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่เคลื่อนที่ผ่านอะตอมของทองคำเป็นแนวเส้นตรง แสดงว่าภายในอะตอมทองคำควรจะมีที่ว่างเป็นจำนวนมาก และการที่อนุภาคแอลฟาบางส่วนสะท้อนกลับแสดงว่าภายในอะตอมควรจะมีอนุภาคอะไรสักอย่างที่รวมกันเป็นกลุ่มก้อน และมีปริมาณมากพอ รวมทั้งมีมวลมากพอที่จะทำให้อนุภาคสะท้อนกลับเมื่อกระทบถูกได้ เนื่องจากภายในอะตอม (ในขณะนั้น) มีแต่อิเล็กตรอนและโปรตอน โดยที่อิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก รัทเทอร์ฟอร์ดจึงคิดว่าอนุภาคส่วนที่มารวมกันเป็นกลุ่มก้อนจึงน่าจะเป็นอนุภาคของโปรตอน ดังนั้นเพื่อที่จะอธิบายผลการทดลอง รัทเทอร์ฟอร์ดจึงเสนอแบบจำลองแบบใหม่ เรียกว่าแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดดังนี้

“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งก็คือโปรตอนที่รวมกันอยู่ตรงกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอนจะมีมวลน้อยและมีประจุลบ จำนวนอิเล็กตรอนจะเท่ากับจำนวนโปรตอน”

บทเรียนที่ 8 อนุภาคมูลฐานของอะตอม

อนุภาคมูลฐานของอะตอม

จากการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมในตอนแรก ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาค 2 ชนิด คือ อิเล็กตรอน และโปรตอน จนกระทั่งการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมได้พัฒนาการมากขึ้น จึงได้ทราบว่านอกจากจะมีอิเล็กตรอนและโปรตอนแล้วยังมีนิวตรอน และอนุภาคอื่น ๆ อีกหลายชนิด

ในปี พ.ศ. 2456 เฮนรี มอสเลย์ (Henry Mosley) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษสามารถหาจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในแต่ละธาตุได้ โดยศึกษาจากสเปกตรัมรังสีเอกซ์ของธาตุ เมื่อนำจำนวนโปรตอนของธาตุมาพิจารณาร่วมกับแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดในแง่มวลของอะตอม จะพบว่าแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดยังไม่ถูกต้องนัก กล่าวคือตามแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด มวลของอะตอมก็คือ มวลของนิวเคลียส หรือมวลของโปรตอนอย่างเดียวนั่นเอง ถ้านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนอย่างเดียว มวลของอะตอมก็น่าจะเท่ากับมวลของโปรตอนมารวมกัน แต่จากการทดลองหามวลของอะตอมพบว่ามวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ มักจะมีค่ามากกว่ามวลของโปรตอนเสมอ เช่น ธาตุคาร์บอนมีโปรตอน 6 ตัว ตามแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดมวลอะตอมควรจะมีค่าเป็น 6 หน่วย แต่จากการทดลองพบว่ามีมวลอะตอมถึง 12 หน่วย หรือธาตุออกซิเจนมี 8 โปรตอน แต่มีมวลอะตอม 16 หน่วย เป็นต้น จากผลการทดลองพบว่าอะตอมของธาตุส่วนใหญ่จะมีมวลเป็น 2 เท่า หรือมากกว่า 2 เท่าของโปรตอน ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดตั้งข้อสันนิษฐานว่า ภายในอะตอมน่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งซึ่งไม่ใช่โปรตอนและอิเล็กตรอนอยู่ด้วย โดยที่อนุภาคนี้จะอยู่รวมกันในนิวเคลียส และมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน รวมทั้งเป็นกลางทางไฟฟ้าด้วย ซึ่งต่อมาก็ได้มีการพิสูจน์ข้อสันนิษฐานของรัทเทอร์ฟอร์ดจนยอมรับกันว่าเป็นความจริง

ประมาณปี พ.ศ. 2456 ทอมสัน ได้ทดลองเกี่ยวกับมวลของอนุภาคบวกที่ได้จากหลอดรังสีแคโทด พบว่า ในขณะที่ใช้ก๊าซนีออนใส่ในหลอดรังสีจะสามารถหามวลของอนุภาคบวกได้ถึง 2 ค่า คือ 20 และ 22 หน่วย ซึ่งแสดงว่าก๊าซนีออนจะต้องมีอะตอม 2 ชนิด ซึ่งมีมวลไม่เท่ากัน ซึ่งต่อมา เฟรเดอริก ซอดดี (Frederick soddy) ได้ตั้งชื่ออะตอมของธาตุชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันว่า ไอโซโทป ซึ่งถือว่าผลการทดลองนี้เป็นข้อมูลสนับสนุนข้อเสนอของรัทเทอร์ฟอร์ด ที่ว่าภายในนิวเคลียสควรจะมีอนุภาคอีกอย่างหนึ่ง ซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนแต่ไม่มีประจุ

ในปี พ.ศ. 2475 เจมส์ แซดวิก (James Chadwick) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังธาตุชนิดต่าง ๆ โดยใช้เครื่องมือที่ละเอียดถูกต้องยิ่งขึ้น และพิสูจน์ได้ว่าภายในนิวเคลียสจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าอยู่ด้วย และเรียกอนุภาคนั้นว่านิวตรอน

รูปที่ 1-15 การค้นพบนิวตรอนของแชดวิค

(ก) การทดลองยิงอนุภาคแอลฟาผ่านแผ่นโลหะ

(ข) ก่อนและหลังการยิงอะตอมเบริลเลียมด้วยอนุภาคแอลฟา

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเขียนได้ดังสมการ

9Be +4He ------------> 12C +1n

จากการค้นพบนิวตรอน จึงทำให้โครงสร้างของอะตอมเปลี่ยนแปลงไปจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดเล็กน้อย ทำให้ทราบว่าภายในอะตอมจะประกอบด้วยอนุภาค 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน โปรตอน และ นิวตรอน โดยเรียกอนุภาคทั้ง 3 ชนิด ว่าเป็น อนุภาคมูลฐานของอะตอม ดังนั้นแบบจำลองอะตอมจึงเปลี่ยนไป แบบใหม่มีลักษณะดังนี้

“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันอยู่ตรงกลางของอะตอม เรียกว่า นิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับโปรตอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส”

บทเรียนที่ 9 เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป

เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป

จากการค้นพบนิวตรอนทำให้ทราบว่าแบบจำลองอะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน เพื่อความสะดวกในการเขียนโครงสร้างของอะตอม นักวิทยาศาสตร์จึงได้กำหนดสัญลักษณ์ต่าง ๆ แทนอนุภาคมูลฐานเหล่านั้นขึ้นมา คือ เลขอะตอม และเลขมวลของธาตุ

เลขอะตอม (Atomic number) ใช้สัญลักษณ์Zหมายถึง ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสของธาตุ อะตอมของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่น ๆ ธาตุชนิดเดียวกันจะต้องมีจำนวนโปรตอนหรือเลขอะตอมเท่ากัน

ถ้าอะตอมที่เป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน

เพราะฉะนั้น เลขอะตอม= จำนวนโปรตอน = จำนวนอิเล็กตรอน

แต่ถ้าอะตอมไม่เป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอนจะไม่เท่ากับโปรตอน

เช่น ไอออนบวกจะมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน

ไอออนลบ จะมีโปรตอนน้อยกว่าอิเล็กตรอน

เพราะฉะนั้น เลขอะตอม= จำนวนโปรตอน¹จำนวนอิเล็กตรอน

เลขมวล( Mass number) ใช้สัญลักษณ์เป็นAหมายถึง ผลรวมของจำนวนโปรตอน และจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส เลขมวลไม่ใช่ มวลอะตอม เลขมวลจะต้องเป็นจำนวนเต็มเสมอ แต่มวลอะตอมอาจจะเป็นเลขจำนวนเต็มหรือไม่ก็ได้

สัญลักษณ์นิวเคลียร์(Nuclear symbol) เป็นสิ่งที่ใช้เขียนแทนโครงสร้างของอะตอม โดยบอกรายละเอียดเกี่ยวกับจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม วิธีการเขียนตามข้อตกลงสากลคือ เขียนเลขอะตอมไว้มุมล่างซ้าย และเลขมวลไว้มุมบนซ้ายของสัญลักษณ์ของธาตุ

เขียนเป็นสูตรทั่ว ๆ ไปดังนี้

สัญลักษณ์นิวเคลียร์= X

X คือ สัญลักษณ์ของธาตุ

A คือ เลขมวล

Z คือ เลขอะตอม

ถ้าให้ n = จำนวนนิวตรอน

จะสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างเลขอะตอม เลขมวล และจำนวนนิวตรอนได้ดังนี้

เลขมวล= เลขอะตอม + จำนวนนิวตรอน

A = Z + n

ดังนั้นสัญลักษณ์นิวเคลียร์จึงทำให้ทราบว่าธาตุดังกล่าวนั้นมีอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน อย่างละเท่าใด

ตัวอย่างที่ 1จงคำนวณจำนวนอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ของธาตุซึ่งมีสัญลักษณ์นิวเคลียร์ดังต่อไปนี้ Na, U, C

วิธีทำจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ X A คือ เลขมวล Z คือ เลขอะตอม

A = Z + n

n = A - Z

สำหรับ Na มี A = 23 , Z = 11

เพราะฉะนั้น n = 23 - 11 = 12

มีอิเล็กตรอน = โปรตอน = 11

มีนิวตรอน = 12

สำหรับ U มี A = 235 , Z = 92

เพราะฉะนั้น n = 235 - 92 = 143

มีอิเล็กตรอน = โปรตอน = 92

มีนิวตรอน = 143

สำหรับ C มี A = 12 , Z = 6

เพราะฉะนั้น n = 12 - 6 = 6

มีอิเล็กตรอน = โปรตอน = 6

มีนิวตรอน = 6

ตัวอย่างเช่น 612C มี p = e = n =

1123Na มี p = e = n =

3580Br มี p = e = n =

ไอโซโทป(Isotope) หมายถึงอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีโปรตอนเท่ากัน (หรืออิเล็กตรอนเท่ากัน ) แต่มีเลขมวลและจำนวนนิวตรอนต่างกัน (หรือมีมวลต่างกัน)

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจจะไม่เท่ากันก็ได้ ซึ่งมีผลทำให้มวลต่างกัน อะตอมของธาตุดังกล่าวเรียกว่าเป็นไอโซโทป เช่น C, C และ C เป็นไอโซโทปกัน

จะเห็นได้ว่าคาร์บอนทั้ง 3 ชนิด มีอิเล็กตรอนและโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนและเลขมวลไม่เท่ากัน จึงเป็นไอโซโทปกัน

การอ่านชื่อไอโซโทป ให้เรียกชื่อธาตุ แล้วตามด้วยเลขมวล เช่น

C อ่านว่า คาร์บอน 12

C อ่านว่า คาร์บอน 13

C อ่านว่า คาร์บอน 14 เป็นต้น

การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ของไอโซโทป อาจจะเขียนแบบย่อได้โดยเขียนเฉพาะสัญลักษณ์ของธาตุกับเลขมวลคู่กัน เช่น C, C และ C

ไอโซโทปของธาตุบางชนิดอาจจะมีชื่อเรียกโดยเฉพาะ เช่น ธาตุไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป และมีชื่อเฉพาะดังนี้

H เรียกว่า โปรเตรียม ใช้สัญลักษณ์ H แทน H

H เรียกว่า ดิวทีเรียม ใช้สัญลักษณ์ D แทน H

H เรียกว่า ตริเตรียม ใช้สัญลักษณ์ T แทน H

ธาตุที่เป็นไอโซโทปกัน ถึงแม้ว่าจะเป็นธาตุชนิดเดียวกัน แต่มวลอะตอมจะไม่เท่ากัน รวมทั้งสมบัติทางกายภาพแตกต่างกันด้วย แต่สมบัติทางเคมีเกือบเหมือนกันทุกประการ

ธาตุชนิดหนึ่ง ๆ อาจจะมีได้หลายไอโซโทป บางไอโซโทปมีอยู่ในธรรมชาติแต่บางไอโซโทปก็สังเคราะห์ขึ้นมาทั้งนี้เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ในแง่ต่าง ๆ กัน ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ มักจะมีปริมาณในธรรมชาติไม่เท่ากัน เช่น ธาตุไฮโดรเจนในธรรมชาติจะมีโปรเตรียมอยู่ถึง 99.99 % ดังนั้น จึงมีดิวทีเรียมเพียงเล็กน้อย ส่วนตริเตรียมเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี จึงไม่เสถียร

ปัจจุบันมีการใช้ไอโซโทปเพื่อประโยชน์ในทางด้านต่าง ๆ มากขึ้น เช่น

* ใช้ C เป็นมาตรฐานเปรียบเทียบในการหามวลอะตอมของธาตุต่าง

* ใช้ C บอกอายุของวัตถุโบราณ และใช้ศึกษากลไกของการเกิดปฏิกิริยาเคมี

* ใช้ Na ในการแพทย์เพื่อตรวจวงจรของโลหิต

* ใช้ Co สำหรับเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแกมาเพื่อประโยชน์ทางการแพทย์ คือใช้รักษา โรคมะเร็ง

* ใช้ I สำหรับตรวจอาการผิดปกติของต่อมไทรอยด์ เป็นต้น

ไอโซโทน( Isotone ) หมายถึงธาตุต่างชนิดกันที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่มีเลขมวลและเลขอะตอมไม่เท่ากัน เช่น O F เป็นไอโซโทนกัน มีนิวตรอนเท่ากันคือ n = 10

ตัวอย่างเช่น613C มี p = ……….. e =……….. n = ………..

714N มี p =……….. e =……….. n = ………..

818O มี p =……….. e =……….. n = ………..

919F มี p =……….. e =……….. n = ………..

เพราะฉะนั้น ไอโซโทนของ613C คือ …………….. และไอโซโทนของ818O คือ …………….

จะเห็นได้ว่าเฉพาะ n เท่านั้นที่เท่ากัน แต่ A และ Z ไม่เท่ากัน จึงเป็นไอโซโทน

ไอโซบาร์ (Isobar) หมายถึงธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีมวลอะตอมและจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน เช่น P กับ Si มีเลขมวลเท่ากันคือ 30

ตัวอย่างเช่น614C มี p =……….. e =……….. n = ………..

714N มี p =……….. e =……….. n = ………..

612C มี p =……….. e =……….. n = ………..

512B มี p =……….. e =……….. n = ………..

เพราะฉะนั้น ไอโซบาร์ของ614C คือ ………………….. และไอโซบาร์ของ612C คือ ……………………..

จะเห็นได้ว่าเฉพาะ A เท่านั้นที่เท่ากัน แต่ Z และ n ไม่เท่ากัน จึงเป็นไอโซบาร์

จากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ Xn(เพื่อแสดงทั้ง A, Z , n ) ถ้าตัวใดตัวหนึ่งของ A, Z หรือ n

เท่ากันอีก 2 ตัวที่เหลือจะไม่เท่ากัน

เช่น ถ้า A เท่า Z และ n จะไม่เท่ากัน

ตัวอย่างที่ 2จงเลือกธาตุที่เป็นไอโซโทป ไอโซบาร์ และไอโซโทน จากธาตุที่กำหนดให้ต่อไปนี้

C, C , C , B , B , N , N , O

วิธีทำจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ที่กำหนดให้ หาค่าของ A, Z , n ได้ดังนี้

ไอโซโทปมีโปรตอนหรือ Z เท่ากัน ดังนั้นธาตุที่เป็นไอโซโทปกัน คือ C, C และ C , B และ B , N และ N

ไอโซบาร์มี A เท่ากัน ธาตุที่เป็นไอโซบาร์กัน คือ…………………………..และ ……………………………………

ไอโซโทนมี n เท่ากัน ธาตุที่เป็นไอโซโทนกันคือ ………………….และ ………………….., …………………และ……………… …………………………… และ ……………………………

บทเรียนที่ 10 คลื่น สมบัติของคลื่นและสเปกตรัมของแสง

คลื่น สมบัติของคลื่นและสเปกตรัมของแสง

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ใช้อธิบายเกี่ยวกับการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นทองคำ แต่อธิบายปัญหาบางอย่างไม่ได้ เช่น ทำไมโปรตอนซึ่งมีประจุบวกจึงรวมกันเป็นนิวเคลียสได้ และทำไมอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบจึงเคลื่อนที่รอบ ๆ นิวเคลียสได้

หลังจากการค้นพบนิวตรอน สามารถอธิบายเหตุผลที่โปรตอนสามารถรวมกันเป็นนิวเคลียสได้ 2 ลักษณะดังนี้

1.โปรตอนและนิวตรอนที่จะเปลี่ยนกลับไปกลับมาได้

ถ้า n คือ นิวตรอน และ p คือ โปรตอน จะเขียนสมการแสดงการเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาระหว่างโปรตอน และนิวตรอนได้ดังนี้

Neutron + Positive charge ® Proton

หรือ n + e ® p

และ Proton + Negative charge ® Neutron

หรือ p + e ® n

จะเห็นได้ว่า โปรตอนสามารถเปลี่ยนไปเป็นนิวตรอนได้โดยอาศัยอิเล็กตรอน และนิวตรอนสามารถเปลี่ยนเป็นโปรตอนได้โดยโปสิตรอน (e ) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรภายในนิวเคลียส เขียนเป็นสมการรวมได้ดังนี้

การที่โปรตอนและนิวตรอนสามารถจะเปลี่ยนกลับไปกลับมาได้จึงก่อให้เกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคทั้งสอง ซึ่งทำให้อนุภาคทั้งสองอยู่ด้วยกันได้ และทำให้นิงเคลียสมีความเสถียร

2.พิจารณาในแง่ของประจุเนื่องจากนิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้าจึงเป็นกลางทางไฟฟ้า นิวตรอนจึงไม่มีแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างอนุภาค ดังนั้นจึงทำหน้าที่เชื่อม (Cement) ระหว่างโปรตอนกับโปรตอน โดยการแทรกอยู่ระหว่างโปรตอนกับโปรตอนซึ่งทำให้โปรตอนอยู่ในระหว่าง ลดแรงผลักลงได้ จึงทำให้โปรตอนอยู่รวมกันได้

จะเห็นได้ว่าแบบจำลองอะตอมใหม่ที่มีนิวตรอนสามารถอธิบายการรวมตัวกันของโปรตอนในนิวเคลียสได้ แต่ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนอยู่รวมกันรอบ ๆ นิวเคลียสได้อย่างไร อิเล็กตรอนทั้งหมดอยู่รวมกันหรือมีการแบ่งกลุ่ม ๆ หรือมีตัวกลางแบบเดียวกับนิวตรอนในนิวเคลียส นอกจากนี้ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดเมื่อเผาสารประกอบชนิดต่าง ๆ สีของเปลวไฟจึงไม่เหมือนกัน

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดเรียงอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วนส่วนแรกเป็นการศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอมซึ่งจะทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้น ๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอออนไนเซชัน เพื่อจะดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว

สเปกตรัมหมายถึงอนุกรมของแถบสีหรือ หรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ทำให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้นที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ เรียงลำดับกันไป

สเปกโตรสโคป (Spectroscope) หรือสเปกโตรมิเตอร์ (Spectrometer)หมายถึง เครื่องมือที่ใช้แยกสีตามความถี่ หรือเครื่องมือที่ใช้ศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัม

สเปกตรัม แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

ก. สเปกตรัมแบบต่อเนื่อง (Continuous spectrum)เป็นสเปกตรัมที่ประกอบด้วยแถบสีที่มีความถี่ต่อเนื่องกันไปอย่างกลมกลืนกัน เช่น สเปกตรัมของแสงอาทิตย์

ข. สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง (Discontinuous spectrum)หรือเรียกเส้นสเปกตรัม ลักษณะของสเปกตรัมจะเป็นเส้นหรือแถบสีเล็ก ๆ ที่ไม่เกิดต่อเนื่องกันไป แต่มีการเว้นช่วงของความถี่ที่เส้นสเปกตรัมเกิด เช่น สเปกตรัมธาตุไฮโดรเจน ธาตุฮีเลียม เป็นต้น

สเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่องจะมีบทบาทที่สำคัญในการศึกษาโครงสร้างอะตอม เนื่องจากอะตอมของธาตุต่าง ๆ จะมีเส้นสเปกตรัมเฉพาะตัวคล้ายกับลายนิ้วมือของคนแต่ละคนที่ไม่เหมือนกันสำหรับสเปกตรัมของธาตุ ถ้าพลังงานรังสีเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอะตอมจะเรียกว่า “อะตอมมิกสเปกตรัม (Atomic spectrm) ”

ความยาวคลื่น (Wavelength) ใช้สัญลักษณ์เป็น l (อ่านว่า แลมบ์ดา) เป็นสมบัติที่สำคัญของคลื่นหมายถึง ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 รอบพอดี (คือระยะทางจากจุด ก. ถึงจุด ข. ในรูป หรือระยะทางจากจุดประปลายหนึ่งไปยังอีกปลายหนึ่ง) ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร

( m ) หรือหน่วยย่อยของเมตร เช่น นาโนเมตร (nm) โดย 1 nm = 10-9เมตร

ความถี่ของคลื่น ใช้สัญลักษณ์เป็น n (อ่านว่า นิว) หมายถึง จำนวนรอบของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในเวลา 1 วินาที ความถี่ของคลื่นจึงมีหน่วยเป็นจำนวนรอบต่อวินาที ( S-1หรือ cycle/s) หน่วยนี้มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าเฮิร์ตซ์ ( Hertz) หรือใช้สัญลักษณ์เป็น Hz

แอมปลิจูด ( Amplitude) คือ ความสูงของยอดคลื่น

คลื่นที่จะศึกษากันในที่นี้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นระหว่าง 380-750 nm ซึ่งเป็นช่วงคลื่นที่มีความยาวและความถี่ที่ประสาทตาของคนจะรับได้เรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงดังกล่าวนี้ว่า “แสงขาว (Visibel light)” สำหรับช่วงอื่น ๆ นอกจากนี้จะไม่นำมาศึกษาเนื่องจากประสาทตาไม่สามารถจะรับได้ เช่น ช่วงอัลตราไวโอเลต (Utraviolet หรือตัวอย่คือ U.V. ) อินฟาเรด (Infrared หรือตัวย่อ I.R.) และไมโครเวฟ (Microwave) เป็นต้น

ตารางที่3 สมบัติของคลื่นในช่วงความยาวต่าง ๆ กัน บางช่วง

การศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัมนี้มีมาตั้งแต่สมัยนิวตัน โดยใช้ปริซึมแยกแสงอาทิตย์ออกเป็นแถบสีรวม 7 สี ซึ่งภายหลังเคอร์ชอฟ (Gustav Krchhoff) ชาวเยอรมัน ได้ประดิษฐ์สเปกโตรสโคปขึ้น ใช้ในการแยกสเปกตรัมของแสงขาว และต่อมาบุนเซน (Robert Bunsen) ได้นำความรู้เกี่ยวกับสเปกตรัมไปวิเคราะห์แร่ชนิดต่าง ๆ ซึ่งทำให้ทราบว่าแร่นั้นมีธาตุอะไรเป็นองค์ประกอบ

เมื่อให้แสงขาวส่องผ่านปริซึม แสงขาวจะแยกออกเป็นแถบสีต่าง ๆ ต่อเนื่องกัน 7 สี เหมือนสีรุ้ง คือ สีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม และแดง นักวิทยาศาสตร์เรียกแถบสีต่อเนื่องกันทั้ง 7 สีนี้ว่า “ สเปกตรัมของแสงสีขาว ” การที่แสงขาวสามารถแยกออกเป็นสเปกตรัมสีต่าง ๆ กันก็เนื่องจากแสงขาวประกอบด้วยสีต่าง ๆ ทั้ง 7 สี ซึ่งมีความยาวคลื่นต่าง ๆ จะทำให้เกิดการหักเหตามขนาดของมุมต่าง ๆ แสงที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันจะเกิดการหักเหในปริซึมได้ไม่เท่ากัน ซึ่งทำให้เกิดการแยกออกเป็นแถบแสงสีต่าง ๆ และต่อเนื่องกันเป็นแถบสเปกตรัม

รูปที่ 1.17 แสดง คลื่นแสง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นต่างๆและสเปกตรัมของแสงขาว

ตารางที่4 แถบสีของสเปกตรัมของแสงขาว

สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงอื่น ๆ ก็มีการหักเหเมื่อผ่านปริซึมหรือผ่านตัวกลางเช่นเดียวกัน แต่ไม่สามารถมองเห็นได้เหมือนแสงขาว การศึกษาสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับความสนใจเป็นอย่างมากนักวิทยาศาสตร์ ซึ่งต่อมามักซ์ พลังค์(Max Planck)นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมัน ได้พบว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสงเป็นพลังงานรูปหนึ่งและพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีส่วนสัมพันธ์กับความถี่และความยาวของคลื่นโดยสรุปเป็นกฎว่า

“พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่นนั้น”

เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้

E a

E = h

เมื่อ E = พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (หน่วยเป็น จูล )

h = ค่าคงที่ของพลังค์ ( Plank,constant) = 6.625 x 10-34Js

= ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Hz หรือ s-1)

เรียกสมการดังกล่าวนี้ว่ากฎของพลังค์

ในการศึกษาเกี่ยวกับคลื่นโดยทั่ว ๆ ไปมักจะวัด เป็นความยาวคลื่น ซึ่งความยาวคลื่นมีส่วนสัมพันธ์กับความถี่ของคลื่นดังนี้

C =

=

เมื่อ c คือ ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสูญญากาศ หรือความเร็วแสงในสูญญากาศ

c = 2.99 x 108ms-1หรือ โดยประมาณ c = 3.0 x 108ms-1

จากความสัมพันธ์ของความยาวคลื่นของความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้สามารถเขียนกฎของพลังค์ เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความยาว และความถี่ของคลื่น ได้ดังนี้

E = h = h

เนื่องจากแสงขาวประกอบด้วยแสงสีต่าง ๆ รวม 7 สี แต่ละสีมีลักษณะเป็นแถบสเปกตรัมจึงมีความยาวคลื่นเป็นช่วง ดังนั้นค่าของความถี่และพลังงานจึงเป็นช่วงด้วย การคำนวณเกี่ยวกับพลังงานของคลื่นจึงต้องระบุความยาวคลื่นหรือความถี่ที่แน่นอนด้วย เช่น แสงสีเขียวมีความยาวคลื่นระหว่าง 490 - 580 จะมีพลังงานอยู่ระหว่าง 4.06 x 10-19และ 3.43 x 10-19จูล ถ้าแสงสีเขียวที่มีความยาวคลื่น 520 nm จะมีพลังงาน 3.82 x 10-19จูล เป็นต้น

ตารางที่5 พลังงาน ความยาว และความถี่ของแสงสีขาว

จากตารางจะเห็นได้ว่าในแสงขาวซึ่งมีสีต่าง ๆ รวม 7 สี แสงสีม่วงจะมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด แต่มีความถี่สูงสุด และมีพลังงานสูงสุด ในขณะที่แสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด แต่มีความถี่ต่ำสุดและมีพลังงานต่ำที่สุด

หรือพิจารณาจากสูตร E = h= h

ถ้า มาก และ E จะน้อย

แต่ถ้า น้อย และ E จะมาก

ตัวอย่างเพิ่มเติมที่ 1เส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจน 2 เส้น คือเส้นสีม่วงมีความยาวคลื่น 410 nm และเส้นสีน้ำเงินมีความยาวคลื่น 434 nm จะมีพลังงานต่างกันเท่าใด ?

วิธีทำจากสูตร E = h = h

c = 3.0 x 108m/s

h = 6.625 x 10-34Js

สำหรับเส้นสีม่วง ; = 410 nm = 4.10 x 10-7m

E = 6.625 x 10-34Js x = 4.85 x 10-19J

สำหรับเส้นสีม่วง ; = 434 nm = 4.34 x 10-7m

E = 6.625 x 10-34Js x

= 4.58 x 10-19J

มีพลังงานต่างกันเท่ากับ 4.85 x 10-19J - 4.58 x 10-19J = 2.7 x 10-20J

ตัวอย่างเพิ่มเติมที่ 2ธาตุชนิดหนึ่งเมื่อนำไปเผาไฟ จะเกิดเส้นสเปกตรัมหลายเส้น จากการทดลองพบว่าเส้นสเปกตรัมเส้นหนึ่งมีพลังงาน 4.0 x 10-19J สเปกตรัมเส้นดังกล่าวจะมีความยาวและความถี่คลื่นเป็นเท่าใด และมีสีอะไร

วิธีทำE = h

E = 4.0 x 10-19J

h = 6.625 x 10-34Js

c = 2.998 x 108m/s

จะได้ 4.0 x 10-19J = 6.625 x 10-34Js x

= 497 x 10-9m = 497 nm

จาก =

=

= 6.04 x 1014Hz

สเปกตรัมเส้นนี้มีความยาวคลื่น 497 นาโนเมตร ความถี่ 6.04 x 1014Hz และตรงกับสีเขียว (ช่วงสีเขียวอยู่ระหว่างความยาวคลื่น 490 - 580 นาโนเมตร)

บทเรียนที่ 11 แบบจำลองอะตอมของบอห์ร

การอธิบายการเกิดสเปกตรัม

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมที่โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส มีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส สามารถอธิบายได้แต่เพียงว่าทำไมโปรตอนจึงอยู่รวมกันเป็นนิวเคลียสได้ แต่ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมอิเล็กตรอน ซึ่งมีประจุเป็นลบเหมือนกัน จึงอยู่รวมกันรอบ ๆ นิวเคลียส ไม่ได้บอกให้ทราบว่าอิเล็กตรอนทั้งหมดเหล่านั้นอยู่ในที่เดียวกัน หรือแบ่งเป็นกลุ่ม ๆ อย่างไร และเมื่อมีการศึกษาการเผาสารซึ่งพบว่าสารประกอบที่มีโลหะต่างกัน จะให้สีของเปลวไฟต่างกัน แบบจำลองนี้ ไม่สามารถอธิบายได้ว่า สีของเปลวไฟนั้นเกิดขึ้นจากอะไร เกิดขึ้นได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อศึกษาสีของเปลวไฟด้วยสเปกโตรสโคปซึ่งจะเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมที่มีสีต่าง ๆ กัน แบบจำลองนี้ก็ไม่สามารถอธิบายได้เช่นเดียวกัน แสดงว่าแบบจำลองนี้ยังไม่ถูกต้อง นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามสร้างแบบจำลองอะตอมใหม่ขึ้นมาเพื่อใช้อธิบายปรากฎการณ์ดังกล่าว

การศึกษาสีของเปลวไฟที่เกิดขึ้นจากการเผาสาร มักจะเห็นเพียงสีเดียว เห็นเด่นชัดที่สุด ทั้งนี้เนื่องจากตาของคนไม่สามารถที่จะแยกสีที่มีความถี่ต่าง ๆ ที่ผสมกันอยู่ออกจากกันได้ จึงมองเห็นเฉพาะสีที่เด่นชัดที่สุดเพียงสีเดียวเท่านั้น แต่ถ้าใช้สเปกโตรสโคปซึ่งเป็นเครื่องมือแยกสีตามความถี่ของแสง จะเห็นเป็นเส้นที่มีสีต่าง ๆ กันหลายเส้นซึ่งเรียกว่า เส้นสเปกตรัม แต่อย่างไรก็ตามเส้นสเปกตรัมที่เด่นชัดมีความเข้มของสีมากที่สุด จะเป็นสีเดียวกับที่มองเห็นด้วยตาเปล่า

ถ้าเปรียบเทียบเทียบสเปกตรัมของสารต่าง ๆ กับสเปกตรัมของแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์จะพบว่า สเปกตรัมที่เห็นจากแสงอาทิตย์มีลักษณะเป็นแถบที่มีแสงสีเจ็ดสีต่อเนื่องกัน ที่เรียกว่าสเปกตรัมแบบต่อเนื่อง เนื่องจากเป็นสเปกตรัมของแสงขาวนั่นเอง สำหรับสเปกตรัมของหลอดฟลูออเรสเซนต์นอกจากจะเห็นเป็นแถบสีแบบสเปกตรัมของแสงขาวเป็นพื้นแล้ว ยังมีเส้นปรากฏในแถบสเปกตรัมด้วย เรียกว่าเส้นสเปกตรัม ซึ่งจัดว่าเป็นสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่อง เส้นสเปกตรัมที่เห็นเด่นชัดที่สุดคือ เส้นสีเขียว ซึ่งเกิดจากธาตุที่บรรจุไว้ในหลอด

ฟลูออเรสเซนต์นั้น ลักษณะของเส้นสเปกตรัมจะคล้ายกับสเปกตรัมที่ได้จากการเผาสาร

สำหรับลักษณะของสเปกตรัมหรือสีของเปลวไฟของสารประกอบต่าง ๆที่เกิดจากโลหะชนิดเดียวกัน จากตารางที่ผ่านมาจะเห็นได้ว่าได้เส้นสเปกตรัมที่มีลักษณะเหมือนกันทุกประการทั้งตำแหน่งของเส้นสเปกตรัม ถึงแม้ว่าจะมีอโลหะต่างชนิดกัน เช่น กรณีของสารประกอบโซเดียม ไม่ว่าจะเป็น NaCl หรือ Na2SO4จะเห็นสีของเส้นสเปกตรัมที่เด่นชัดที่สุดเป็นสีเหลองเข้มเหมือนกัน อยู่ในตำแหน่งเดียวกัน หรือมีความยาวคลื่นเท่ากัน ทั้ง ๆ ที่สารประกอบโซเดียมนั้นมีอโลหะต่างกันคือ Cl-กับ SO42-แสดงว่าเส้นสเปกตรัมนั้นไม่ได้เกิดจากอโลหะ ถ้าเกิดจากอโลหะสีหรือตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมของ NaCl หรือ Na2SO4ควรจะต่างกัน สำหรับสเปกตรัมของสารประกอบคู่อื่น ๆ ที่มีโลหะชนิดเดียวกันและมีอโลหะต่างชนิดกันก็ให้ผลเช่นเดียวกันกับกรณีของเกลือโซเดียม คือให้สเปกตรัมเหมือนกันเมื่อเป็นโลหะชนิดเดียวกัน ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า “ เส้นสเปกตรัมเกิดจากอะตอมส่วนที่เป็นโลหะไม่ได้เกิดจากส่วนที่เป็นอโลหะ”

เนื่องจากลักษณะของเส้นสเปกตรัมขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ โลหะชนิดเดียวกันจะให้สเปกตรัมที่เหมือนกัน และแตกต่างจากสเปกตรัมของโลหะอื่น ๆ สเปกตรัมของธาตุชนิดต่าง ๆ จะมีลักษณะเป็นแบบเฉพาะตัวทั้งตำแหน่ง สี และจำนวนเส้นสเปกตรัม สเปกตรัมของโลหะชนิดเดียวกัน ไม่ว่าโลหะนั้นจะเป็นธาตุบริสุทธิ์หรืออยู่ในรูปของสารประกอบจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน คือ มีจำนวนเส้นของสเปกตรัมเท่ากัน แต่ละเส้นมีสีเดียวกัน(อาจจะมีความเข้มของสีไม่เท่ากัน) และตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมแต่ละเส้นจะต้องเหมือนกัน ถ้าเป็นสเปกตรัมของโลหะต่างชนิดกันจะต้องไม่เหมือนกัน สีของสเปกตรัมและจำนวนเส้นของสเปกตรัมอาจจะเหมือนกัน แต่ตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมทั้งหมดจะต้องไม่ตรงกัน การที่สเปกตรัมเป็นสมบัติเฉพาะตัวของธาตุ ทำให้สามารถนำมาใช้ในแง่ของการวิเคราะห์ชนิดของธาตุได้ เช่น หาสเปกตรัมของแร่ต่าง ๆ เปรียบเทียบกับสเปกตรัมของธาตุที่รู้จักดีอยู่แล้วเพื่อจะวิเคราะห์ได้ว่าแร่นั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง

สเปกตรัมไม่ได้เกิดเฉพาะจากโลหะอย่างเดียวเท่านั้น อโลหะก็ให้สเปกตรัมเช่นเดียวกัน แต่เป็นสเปกตรัมที่เกิดในช่วงของความถี่ที่ตาเรามองไม่เห็น

โดยสรุป

1. สเปกตรัมเป็นสมบัติเฉพาะตัวของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ ซึ่งแตกต่างจากธาตุชนิดอื่น

2. สเปกตรัมของโลหะชนิดเดียวกันไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุบริสุทธิ์หรือในสารประกอบจะต้องมีลักษณะเหมือนกันทั้งหมด ทั้งในแง่ของจำนวนเส้นสเปกตรัม สีของแต่ละเส้น (อาจจะมีสีเข้มไม่เท่ากัน) และ ตำแหน่งของเส้นสเปกตรัม

3. สเปกตรัมของโลหะต่างชนิดกันจะไม่เหมือนกัน สีของเส้นสเปกตรัมอาจจะเหมือนกัน แต่ตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมทั้งหมดจะไม่ตรงกัน

สำหรับสารที่อยู่ในสถานะก๊าซก็สามารถจะตรวจดูสเปกตรัมได้เช่นเดียวกันแต่ไม่ใช่โดยการนำก๊าซมาเผาเหมือนกับสเปกตรัมของโลหะ สเปกตรัมของก๊าซจะทำได้โดยนำก๊าซมาบรรจุในหลอดแก้วโดยทำให้มีความดันต่ำและใช้พลังงานจากไฟฟ้าแทนการเผา เมื่อก๊าซที่บรรจุอยู่ในหลอดแก้วได้รับพลังงานเพียงพอก็จะเเรืองแสงให้สีต่าง ๆ ซึ่งตาของคนไม่สามารถจะบอกความแตกต่างได้ แต่ถ้าใช้สเปกโตรสโคปส่องดูจะเห็นเป็นเส้นสเปกตรัม เช่นเดียวกับสเปกตรัมของโลหะ ก๊าซแต่ละชนิดจะให้เส้นสเปกตรัมที่มีลักษณะไม่เหมือนกัน

เมื่อเผาสารประกอบของโลหะต่างชนิดกัน จะได้เปลวไฟที่มีสีต่าง ๆ กัน สีของเปลวไฟก็คือส่วนของพลังงานที่แปรรูปมาจากพลังงานความร้อนนั่นเอง แสดงว่าหลังจากที่สารได้รับความร้อนเข้าไปแล้วจะมีการคายพลังงานส่วนหนึ่งออกมาในรูปของแสง การที่มีสีต่าง ๆ กันแสดงว่า พลังงานที่คายออกมานั้นมีค่าไม่เท่ากัน พลังงานที่คายออกมาจะมีส่วนเกี่ยวข้องกับความถี่หรือความยาวของคลื่นแสง ตามกฎของ พลังค์ ถ้าโลหะนั้นคายพลังงานออกมาตรงกับความถี่ของแสงสีใด จะเห็นเป็นเปลวไฟสีนั้น ซึ่งถ้าดูจากสเปกโตรสโคปก็จะเห็นเป็นเส้นสีสเปกตรัมที่มีสีเดียวกัน เนื่องจากการเกิดสเปกตรัมขึ้นอยู่กับพลังงานที่คายออกมา ดังนั้นการอธิบายการเกิดสเปกตรัมจึงต้องตั้งอยู่บนสมมติฐานที่ว่า อะตอมจะต้องมีโครงสร้างที่สามารถรับพลังงานและคายพลังงานได้

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามนำแบบจำลองอะตอมต่าง ๆ ที่มีอยู่มาอธิบายการเกิดสเปกตรัมของธาตุแต่ปรากฏว่าไม่ได้ผล จึงคิดว่าแบบจำลองอะตอมที่มีอยู่นั้นยังไม่ถูกต้อง จะต้องมีการแก้ไขและเพิ่มเติมบางสิ่งบางอย่างเพื่อให้นำมาอธิบายการเกิดสเปกตรัมได้ ดังนั้นจึงสร้างสมมติฐานเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่ โดยให้โครงสร้างของอะตอมสามารถที่จะมีการถ่ายเทพลังงานได้ คือให้อะตอมเป็นทรงกลมประกอบด้วยโปนตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบ ๆ ซึ่งอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่นี้กระจายอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสในระยะต่างกัน

รูปที่ 1.18 โครงสร้างอะตอมแบบใหม่

ทั้งนี้กำหนดลักษณะของอะตอมดังนี้

1. อะตอมแบ่งออกเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นจะมีพลังงานประจำตัวซึ่งมีค่าไม่เท่ากัน เรียกว่ามีระดับพลังงานต่างกัน ระดับพลังงานภายในอะตอมจะเป็นช่วง ๆ ไม่ต่อเนื่อง

2. ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะมีพลังงานต่ำสุด (คือ E1) เรียกว่าระดับพลังงานในสภาวะพื้น (ground state) ระดับพลังงานที่ต่ออกไปอีก คือ E2, E3, . …. จะมีพลังงานสูงขึ้นตามลำดับ ระดับพลังงานนอกสุดของอะตอมจะมีพลังงานในตัวสูงสุด

รูปที่ 1.19 การจัดระดับพลังงานรอบ ๆ นิวเคลียส

ตั้งแต่ระดับพลังงาน E2, E3, . …. เป็นต้นไป เรียกรวมกันว่า Allowed state energy

3. อิเล็กตรอนที่กระจายอยู่ในระดับพลังงานเหล่านี้จะต้องมีพลังงานในตัวเท่ากับพลังงานประจำระดับนั้นจึงจะอยู่ในสภาวะที่เสถียร และสามารถโคจรอยู่ในระดับพลังงานนั้นได้ เช่น อิเล็กตรอนที่จะโคจรอยู่ในระดับพลังงานที่ 1 จะต้องมีพลังงาน E1และอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานที่ 2 จะต้องมีพลังงาน E2เป็นต้น ถ้าอิเล็กตรอนมีพลังงานเปลี่ยนไปจากเดิมจะทำให้ไม่เสถียร เช่น อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับ E1เมื่อได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นจะขึ้นไปอยู่ในชั้น E2, E3, . …. ซึ่งทำให้ไม่เสถียร อิเล็กตรอนจะพยายามกลับมาสู่ตำแหน่งเดิมเพื่อให้อยู่ในภาวะที่เสถียรตามเดิม โดยการคายพลังงานส่วนหนึ่งออกมา

พลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสประกอบด้วยพลังงานศักย์ (คือพลังงานที่เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนหรือกับนิวเคลียส) และพลังงานจลน์ (คือ พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน) ปกติอนุภาคทุกชนิดจะอยู่ในภาวะที่เสถียรที่สุดเมื่อมีพลังงานในตัวต่ำที่สุด ดังนั้นในภาวะปกติผลรวมของพลังงานทั้งสองชนิดของอิเล็กตรอนจะมีค่าต่ำสุด (สมมติให้เป็น E1ซึ่งก็คือพลังงานในสภาวะพื้น(ground state)นั่นเอง เมื่อมีการเผาหรือใสไฟฟ้าเข้าไป อะตอมจะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น ทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงขึ้นสมมติให้เป็น E2ซึ่งเรียกว่า “ภาวะกระตุ้น Excited state energy”ในภาวะที่ถูกกระตุ้นนี้อิเล็กตรอนจะมีพลังงานสูงขึ้น ซึ่งทำให้ไม่เสถียร และจะพยายามปรับตัวกลับเข้าสู่ภาวะปกติดังเดิม ในการกลับคืนสู่ภาวะปกติ หรือภาวะพื้นตามเดิมนั้น อิเล็กตรอนจะต้องคายพลังงานออกมาเท่ากับพลังงานที่ได้รับเข้าไป พลังงานจำนวนนี้จะเท่ากับผลต่างของพลังงานทั้งสองระดับ

ถ้าให้ DE = พลังงานที่อิเล็กตรอนคายออกหรือได้รับเข้าไป

DE = E2- E1

พลังงานที่อิเล็กตรอนคายออกมา (DE) ส่วนใหญ่จะปรากฏอยู่ในรูปของพลังงานแสงเป็นเส้นสเปกตรัมที่มีสีต่าง ๆ ถ้าอิเล็กตรอนมีเพียง 2 ระดับพลังงาน เส้นสเปกตรัมควรจะปรากฏเป็นเส้นเดียว แต่จากการพิจารณาเส้นสเปกตรัมของธาตุต่าง ๆ พบว่ามีมากกว่า 1 เส้น ทั้งสิ้น เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีเส้นสเปกตรัมที่ปรากฏอยู่ในช่วงแสงขาวถึง 4 เส้นด้วยกัน แต่ละเส้นจะมีความยาวคลื่นและพลังงานแตกต่างกันดังในตารางต่อไปนี้

ตารางที่6 ความยาวคลื่นและพลังงานของเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจน

พลังงานที่อิเล็กตรอนดูดและคายออกในการเปลี่ยนระดับพลังงาน

การที่ไฮโดรเจนมีเส้นสเปกตรัมให้เห็นถึง 4 เส้น แสดงว่าภายในอะตอมจะต้องไม่ได้มีเพียง 2 ระดับพลังงานเท่านั้น แต่คงจะต้องมีมากกว่านี้ และการที่ความยาวคลื่นไม่ได้ต่อเนื่องกัน แสดงว่าระดับพลังงานในอะตอมควรจะเป็นช่วงไม่ต่อเนื่องกัน ระดับพลังงานในอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องมีระดับที่ 3, 4, …. ต่อ ๆ ไป ซึ่งจัดเป็นชั้น ๆ การที่มีระดับพลังงานหลายระดับ แต่ละระดับมีค่าพลังงานคงที่ทำให้ผงต่างระหว่างระดับพลังงานคู่หนึ่ง ๆ มีค่าไม่เท่ากัน แต่เป็นค่าคงที่เช่น DE = E2- E1

DE = E3- E1

DE = E4- E1

เมื่อผลต่างของระดับพลังงานคู่หนึ่ง ๆ มีค่าไม่เท่ากัน พลังงานในส่วนที่คายออกมาจึงมีค่าไม่เท่ากันด้วย ทำให้มีเส้นสเปกตรัมได้หลายเส้น ดังในรูปต่อไปนี้

รูปที่ 1.20 แผนผังการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจน

เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นจนขึ้นไปอยู่ในระดับ E2, E3,E4และ E5ซึ่งอยู่ในภาวะที่ถูกกระตุ้นทำให้ไม่เสถียร อิเล็กตรอนจะปรับตัวให้กลับสู่ภาวะที่เสถียรตามเดิม โดยเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงาสู่ระดับพลังงานต่ำ (E1) ซึ่งจะคายพลังงานออกมาจำนวนหนึ่ง

เช่น อิเล็กตรอนจากระดับ E2กลับสู่ระดับ E1จะคายพลังงาน DE1

ตามกฎของพลังค์ พลังงานจะมีส่วนสัมพันธ์กับความยาวคลื่นคือ

DE1= E2- E1= hu1=

ดังนั้นพลังงานส่วนที่คายออกมาจะมีความยาวคลื่น l1ซึ่งในกรณีของไฮโดรเจน l1= 656 nm ตรงกับความยาวคลื่นของสีแดง จึงทำให้เห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีแดงที่ 656 nm

สำหรับการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจาก E3,E4และ E5มายัง E1ก็เช่นเดียวกัน DE2= E3- E1= hu2=

DE3= E3- E1= hu3=

DE4= E4- E1= hu4=

l2จะตรงกับความยาวคลื่น 486 nm ซึ่งเป็นความถี่ของสี้น้ำทะเล

l3จะตรงกับความยาวคลื่น 434 nm ซึ่งเป็นความถี่ของสี้น้ำเงิน

l4จะตรงกับความยาวคลื่น 410 nm ซึ่งเป็นความถี่ของสี้แดง

ดังนั้น จึงเห็นสเปกตรัมรวม 4 เส้นดังกล่าว

สีของเส้นสเปกตรัมเส้นต่างๆ จะมีความเข้มไม่เท่ากัน ซึ่งแสดงว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระดับต่าง ๆ มีความถี่ในการเกิดไม่เท่ากัน การเปลี่ยนแปลงพลังงานในช่วงใดที่เกิดมาก ความเข้มข้นของสีก็จะเข้มมาก เช่น ถ้าสีน้ำทะเลมีความเข้มของสีเห็นเด่นชัดที่สุดแสดงว่าการเปลี่ยนแปลงที่ระดับ DE2(ความยาวคลื่น 486 nm) มีความถี่มากที่สุด

เมื่อพิจารณาผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานคู่ที่อยู่ถัดกันของเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนจะได้ดังนี้

ตารางที่7 ผลต่างระหว่างพลังงานของเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจน

จะเห็นว่าผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานคู่ที่อยู่ถัดกันแต่ละคู่ ไม่เท่ากัน ความแตกต่างจะน้อยลงตามลำดับ เมื่อระดับพลังงานสูงขึ้น กล่าวได้ว่า ระดับพลังงานยิ่งสูงขึ้นจะยิ่งอยู่ชิดกันมากขึ้น ดังในรูปที่ 3 แสดงแผนผังการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจน

สรุปการเกิดสเปกตรัมของธาตุ

1.เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจะถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นซึ่งจะขึ้นไปอยู่ระดับใดย่อมขึ้นกับปริมาณพลังงานที่ได้รับ การที่อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้นนี้ทำให้อะตอมไม่เสถียร อิเล็กตรอนจึงพยายามกลับมาสู่ระดับพลังงานเดิมโดยการคายพลังงานออกมาค่าหนึ่งซึ่งเท่ากับพลังงานที่ได้รับเข้าไป พลังงานส่วนใหญ่ที่คายออกมาจะอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งปรากฎเป็นเส้นสเปกตรัมที่มีสีต่าง ๆ กันในสเปกโตรสโคป

2.การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นจะต้องเกิดระหว่างระดับพลังงานที่อยู่ถัดกัน แต่อาจจะมีการเปลี่ยนข้ามขั้นได้ จึงเป็นเป็นเหตุให้มีเส้นสเปกตรัมเกิดขึ้นได้หลายเส้น

3.ภายในอะตอมซึ่งแบ่งพลังงานเป็นชั้น ๆ ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะต่ำที่สุด และระดับพลังงานที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากที่สุดจะมีค่าสูงสุด ดังนั้นอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำจึงอยู่ใกล้นิวเคลียสมากกว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูง

4.ระดับพลังงานต่ำ ๆ จะอยู่ห่างกัน และเมื่อสูงขึ้นจะอยู่ชิดกันมากขึ้น กล่าวคือ ยิ่งระดับพลังงานสูงขึ้นจะยิ่งอยู่ชิดกันมากขึ้น

5.เส้นสเปกตรัมของธาตุ แสดงให้เห็นถึงพลังงานที่อิเล็กตรอนคายออกมาเมื่อเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า

แบบจำลองอะตอมของนีลส์ โบร์

จากผลการศึกษาเกี่ยวกับการเกิดสเปกตรัมของธาตุ ทำให้นักวิทยาศาสตร์พบว่าอิเล็กตรอนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสนั้นไม่ได้อยู่รวมกันที่เดียวทั้งหมด แต่แบ่งออกเป็นกลุ่ม ๆ ตามระดับพลังงานต่าง ๆ รอบ ๆ นิวเคลียส ในปี พ.ศ. 2428 - 2505 นีลส์ โบร์ (Neils Bohr) นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ได้นำมาสร้างแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่โดยขยายจากแบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด ดังนี้

“อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมเป็นนิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนในอะตอมวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ตามระดับพลังงาน”

แบบจำลองอะตอมของนิลส์ โบร์ ทำให้เห็นมโนภาพเกี่ยวกับการจัดอิเล็กตรอนภายในอะตอมรอบ ๆ นิวเคลียส ซึ่งเปรียบเสมือนกับระบบสุริยจักรวาลที่มีดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลาง และมีดาวเคราะห์โคจรอยู่รอบ ๆ นอกจากนี้ โบร์ยังได้กำหนดสัญลักษณ์สำหรับพลังงานชั้นต่าง ๆ ไว้ด้วย โดยให้ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดเป็นชั้น K และชั้นถัด ๆ ไปเป็นชั้น L, M, N , …… ซึ่งในปัจจุบันเรียกระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดว่าระดับพลังงาน n = 1 และระดับพลังงานถัดออกไปเป็น n = 2 , n = 3 ,n = 4,…. ตามลำดับ

รูปที่ 1.21 แบบจำลองอะตอมของโบร์

แบบจำลองอะตอมของโบร์ใช้อธิบายการเกิดสเปกตรัมได้ดี โดยเฉพาะกับอะตอมที่มีขนาดเล็ก และมีอิเล็กตรอนเดี่ยว เช่น อะตอมของไฮโดรเจน แต่สามารถใช้อธิบายอะตอมที่มีหลาย ๆ อิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้ยังทราบแต่เพียงว่าอิเล็กตรอนภายในอะตอมมีการจัดเรียงตัวเป็นชั้น ๆ ตามระดับพลังงาน แต่ไม่ทราบว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนอยู่กี่ตัว จึงได้มีการค้นคว้าเพิ่มเติม และเป็นเหตุให้แบบจำลองอะตอมเปลี่ยนไปอีก

บอห์ร เรียกทางเดินของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียส ว่าออร์บิตโดยสมมติว่า ออร์บิต เป็นวงกลม และในการเคลื่อนที่รอบวงโคจร จะไม่มีการสูญเสียหรือรับพลังงาน และได้ตั้งสมมติฐานมีใจความดังนี้

1. อะตอมใดอะตอมหนึ่ง จะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบวงโคจรที่คงที่ ได้จำนวนหนึ่งและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบ นิวเคลียสเป็นวงโคจรที่มีลักษณะเป็นวงกลม
2. อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจร จะมีพลังงานค่าหนึ่งคงที่ และในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่ในวงโคจรเดียว จะไม่มีการดูดพลังงานหรือปล่อยพลังงานออกมา
3. อิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนแปลงวงโคจรได้ ถ้าอิเล็กตรอนเปลี่ยนจากวงโคจรที่มีระดับพลังงานสูงกว่ามายังวงโคจรที่มีพลังงานต่ำกว่า ก็จะปล่อยพลังงานออกมา ในทางตรงกันข้าม ถ้าอิเล็กตรอนเปลี่ยนจากวงโคจรที่มีระดับพลังงานต่ำไปยังวงโคจรที่มีระดับพลังงานสูงจะมีการดูดพลังงานซึ่งมีค่าเท่ากับผลต่างของระดับพลังงานของวงโคจรทั้งสอง

บทเรียนที่ 12 การจัดเรียงอิเล็กตรอน

จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ

จากการศึกษาสเปกตรัมและพลังงานไอออไนเซชันของธาตุต่างๆทำให้อิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ เรียกว่าระดับพลังงานเช่น 1, 2, 3, 4, 5, 6, … หรือ K , L , M, N, O, P ตามลำดับ ในระดับพลังงานที่ 1 หรือ K shell จะอยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดและมีพลังงานต่ำที่สุด ส่วนระดับพลังงานที่ห่างออกไปจะมีพลังงานสูงขึ้นตามลำดับ

จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุดในแต่ละระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ2n2

เมื่อ n แทนลำดับที่ของระดับพลังงาน

K shell หรือ ระดับพลังงานที่ 1 จะมีอิเล็กตรอนได้ = 2(1)2= 2

L shell หรือ ระดับพลังงานที่ 2 จะมีอิเล็กตรอนได้ = 2(2)2= 8

M shell หรือ ระดับพลังงานที่ 3 จะมีอิเล็กตรอนได้ = 2(3)2= 18

N shell หรือ ระดับพลังงานที่ 4 จะมีอิเล็กตรอนได้ = 2(4)2= 32

ในระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปมากกว่าระดับพลังงานที่ 4 จะมีอิเล็กตรอนมากที่สุดได้ไม่เกิน 32 ตัว และในระดับพลังงานวงนอกสุดจะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 ระดับพลังงานที่อยู่นอกสุด เรียกว่าวาเลนซ์เชลล์(Valence shell)และอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงนอกสุดเ รียกว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอน(Valence electron ) หรือ อิเล็กตรอนวงนอกสุด

หลักการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลักต่างๆ

1. จัดอิเล็กตรอนให้เต็มในระดับพลังงานต่ำสุดก่อน
2. อิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆมีได้มากที่สุด เท่ากับ 2n2แต่มีได้ไม่เกิน 32 ตัว
3. จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานวงนอกสุดมีได้ไม่เกิน 8 ตัว
4. จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นรองสุดท้ายจะมีได้ 8 หรือ 18 ตัว
5. อิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุด เรียกว่า วาเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence electron ) มีพลังงานมากที่สุด

หมายเหตุ การจัดเรียงอิเล็กตรอนให้ใช้เลขอะตอมมาจัดเรียง

หลักการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย

การศึกษาสเปกตรัมของธาตุต่างๆ อย่างละเอียด พบว่า ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียสยังแบ่งออกเป็นระดับพลังงานย่อย(Subshell)

ระดับพลังงานย่อย (Subshell)อีกชื่อหนึ่งคือ ออร์บิทัล (Orbital) ซึ่งเป็นอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติ บริเวณรอบนิวเคลียส ซึ่งมีโอกาสสูงที่จะพบอิเล็กตรอนที่มีพลังงานเฉพาะ ระดับพลังงานย่อย เป็นระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในแต่ละระดับพลังงานหลัก โดยระดับพลังงานย่อยมี 4 ประเภทใหญ่ คือs , p , d ,fและแต่ละชนิดก็จะมีรูปร่างต่างกัน ดังรูป

โดย s มาจากคำว่า sharp

P มาจากคำว่า principal

d มาจากคำว่า diffuse

f มาจากคำว่า fundamental

จำนวนระดับพลังงานย่อยในแต่ละระดับพลังงาน ตั้งแต่ระดับพลังงานที่ 1 – 5 เป็นดังนี้

ระดับพลังงานที่ 1 มี 1 ระดับพลังงานย่อย คือ 1s

ระดับพลังงานที่ 2 มี 2 ระดับพลังงานย่อย คือ 2s2p

ระดับพลังงานที่ 3 มี 3 ระดับพลังงานย่อย คือ 3s3p3d

ระดับพลังงานที่ 4 มี 4 ระดับพลังงานย่อย คือ 4s4p4d4f

ระดับพลังงานที่ 5 มี 5 ระดับพลังงานย่อย คือ 5s5p5d5f

ตัวเลขข้างหน้าแสดงระดับพลังงานหลัก (n) ของอะตอม ระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในระดับพลังงานเดียวกันมีค่าพลังงานแตกต่างกัน และในแต่ละระดับพลังงานย่อยจะมีจำนวนออร์บิทัลแตกต่างกัน

ระดับพลังงานย่อยsมี 1 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อยpมี 3 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อยdมี 5 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อยfมี 7 ออร์บิทัล

แต่ละออร์บิทัลมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุด2 อิเล็กตรอนจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงานย่อยจึงขึ้นอยู่กับจำนวนออร์บิทัลดังนี้

ระดับพลังงานย่อยsมี 1 ออร์บิทัล มีจำนวนอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน

ระดับพลังงานย่อยpมี 3 ออร์บิทัล มีจำนวนอิเล็กตรอนได้สูงสุด 6 อิเล็กตรอน

ระดับพลังงานย่อยdมี 5 ออร์บิทัล มีจำนวนอิเล็กตรอนได้สูงสุด 10 อิเล็กตรอน

ระดับพลังงานย่อยfมี 7 ออร์บิทัล มีจำนวนอิเล็กตรอนได้สูงสุด 14 อิเล็กตรอน

การจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย มีหลักการดังนี้

1. ต้องการบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดที่ยังว่างอยู่ก่อน เช่น 1s2s2p3s…..ตามลำดับ

โดยพิจารณาจากแผนภาพ