ประวัติการค้นพบอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอน (electron)

เมื่อปี ค.ศ.1833 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับแยกสลายไฟฟ้า (electrolysis) โดยผ่านเข้ากระแสไฟฟ้าเข้าไปในสารละลายชี้ให้เห็นว่าสารละลายต่างๆ ประกอบด้วยอะตอม เมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าอะตอมบางส่วนหลุดออกมาซึ่งเป็นอนุภาคไฟฟ้า ดังนั้นโครงสร้างภายในของอะตอมจะต้องเกี่ยวข้องกับอนุภาคไฟฟ้าซึ่งต่อ มาทอมสัน (J.J. Thomson) ได้ใช้หลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube) ซึ่งเป็นหลอดแก้วภายในบรรจุแก๊สความดันต่ำ ขั้วอิเล็กโทรดที่ท้าด้วยโลหะเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าที่มีศักย์สูงๆ จะสังเกตว่ามีการไหลของกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยมีทิศทางการไหลจากขั้วแคโทด (ขั้วลบ) และทะลุผ่านขั้วของแอโนด (ขั้วบวก) ไปกระทบกันฉากที่เคลือบด้วยสารเรืองแสงท้าให้เห็นเป็นแสงสว่างเกิดขึ้น เรียกรังสีที่เกิดขึ้นนี้ว่า รังสีแคโทด (cathode ray) ดังรูป

รังสีแคโทด
ที่มา: http://enchemcom1a.wordpress.com

นอกจากนี้ทอมสัน ยังพบว่ารังสีแคโทดสามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและในสนามแม่เหล็ก โดยลำรังสีนี้จะเบนเข้าหาขั้วไฟฟ้าบวก ทอมสันจึงสรุปว่าล้ารังสีแคโทด เป็นอนุภาคประจุลบ เรียกอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน และสามารถคำนวณหาอัตราของประจุต่อมวล (e/m) ของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ 1.78×108คูลอมบ์ต่อกรัม โดยอาศัยการวัดความโค้งของล้ารังสีแคโทด ต่อมาในปี ค.ศ.1908 มิลลิแกน (R. A. Millikan) ได้ท้าการทดลองหาประจุของอิเล็กตรอนโดยใช้หยดน้ำมัน (oil drop eperiment) สามารถหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ 1.60×10-19คูลอมบ์และสามารถคำนวณหามวลของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ 9.11×10-31กิโลกรัม ดังรูป

การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน
ที่มา: http://iiyamkub.blogspot.com/2012/01/robert-andrew-millikan.html

เจ เจ ทอมสัน (J.J. Thomson)

วิธีทำการทดลองและผลการทดลอง

หลอดรังสีแคโทด เป็นหลอดแก้วที่สูบอากาศออกหมด แล้วบรรจุแก๊สเข้าไป เมื่อให้กระแสไฟฟ้า 10,000 โวลต์ แล้ววางฉากเรืองแสงที่ฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟต์(ZnS) ไว้ภายในหลอด จะเห็นเส้นเรืองสีเขียวพุ่งจากแคโทดไปยังแอโนด เรียกรังสีนี้ว่า "รังสีแคโทด"

เพื่อความมั่นใจว่ารังสีนั้นพุ่งจากแคโทดไปยังแอโนดจริง เขาจึงดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ ทำให้เขาเห็นรังสีพุ่งเป็นเส้นตรงมาจากแคโทดไปกระทบกับฉากเรืองแสง

เขาทำการทดลองต่อไป เพื่อทดสอบสมบัติของรังสีนี้ โดยเพิ่มขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วเพื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก เขาจึงสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ

นอกจากนี้ เขาได้ทดลองให้รังสีแคโทดอยู่ในสนามแม่เหล็ก ปรากฎว่ารังสีเบนไปอีกทิศทางหนึ่งซึ่งตรงกันข้ามกับรังสีแคโทดที่อยู่ในสนามไฟฟ้า

จะได้ว่า เมื่อรังสีแคโทดอยู่ในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก รังสีจะเบนไปจากแนวเดิม โดยรังสีจะวิ่งไปหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า ส่วนสนามแม่เหล็กนั้นรังสีวิ่งไปหาขั้วใต้ ดังนั้นเขาจึงผ่านสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไปยังรังสีแคโทด แล้วใช้อีกสนามหนึ่งมาทำให้รังสีเบนกลับเป็นเส้นตรงเหมือนเดิม แรงผลักของไฟฟ้าจะบอกว่ามีกี่ประจุ ส่วนแรงผลักจากสนามแม่เหล็กนั้นจะบอกว่าอนุภาคมีน้ำหนักเท่าใด เขาจึงหาอัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนได้

สรุปผลการทดลอง
อิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบร่วมที่พบในธาตุใดก็ได้ เพราะเมื่อเขาทำการทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้เป็นขั้วแคโทด และเปลี่ยนชนิดของแก๊สที่บรรจุ แต่ผลการทดลองยังได้เหมือนเดิม
อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ
อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.76 108คูลอมบ์ต่อกรัม

การทดลองหยดน้ำมัน(oil drop eperiment)ของมิลลิแกน

รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Millikan)

มิลลิแกน ได้ทำการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีหยดน้ำมัน ทำได้โดย พ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอกซ์ไปดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของแก๊สในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะหยดน้ำมัน พบว่า แต่ละหยดน้ำมันมีอิเล็กตรอนมาเกาะจำนวนไม่เท่ากัน นั่นคือ หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะติดเพียงตัวเดียว บางหยดก็มีมากกว่า 1 ตัว หยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก จากนั้นให้กระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นประจุบวกและลบ แผ่นประจุลบซึ่งอยู่ด้านล่างผลักหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนมาเกาะจนหยุดนิ่ง ซึ่งดูได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์(microscope) แสดงว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงจากสนามไฟฟ้า แล้วคำนวณหาค่าประจุ

จากผลการทดลองมิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้คือ 1.60 10-19คูลอมบ์ ซึ่งเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน
จากการทดลองของมิลลิแกน เราทราบค่า e = 1.60 10-19คูลอมบ ์
จากการทดลองของทอมสัน เราทราบค่า e/m = 1.76 108คูลอมบ์/กรัม
แทนค่า 1.60 10-19/m = 1.76 108
m = 9.11 10-28กรัม
ดังนั้น เราจะทราบมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 10-28กรัม

ขอบคุณข้อมูลจาก

http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry1/atomic_structure/electron.htm

http://boonmawong.wordpress.com

สมบัติของอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอน (Electron) อนุภาคชนิดนี้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสของอะตอมของธาตุด้วยความเร็วสูงในวงโคจร ที่เฉพาะของมัน เป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักน้อย หนักประมาณ เท่าของน้ำหนักของโปรตอนอิเล็กตรอนจะได้รับแรงดึง ดูดจากโปรตอนในนิวเคลียสถ้าอิเล็กตรอนเหล่านั้นได้รับพลังงานเพิ่มมันอาจจะ กระโดดออกไปยังเซลล์ต่อไปได้ อิเล็กตรอนในเซลล์รอบนอกสุดมีบทบาทสำคัญมากทั้งในด้านคุณสมบัติทางฟิสิกส์ และเคมี โดยเฉพาะในด้านไฟฟ้า อิเล็กตรอนในเซลล์นี้เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน ถ้าอิเล็กตรอนในเซลล์นี้ได้รับพลังงานเพิ่มมันจะกระโดดหายไปจากอะตอมของธาตุ ทำให้อะตอมมีลักษณะพร่องอิเล็กตรอนจึงมี ีสภาพทางไฟฟ้าเป็นบวก ในทางตรงกันข้ามถ้ามันสูญเสีย

พลังงาน มันจะ ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มทำให้มีสภาพ ทางไฟฟ้าเป็นลบ ดังนั้นอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เคลื่อนที่ได้ จึงทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า โดยปกติสารที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน สารใดสูญเสียอิเล็กตรอนจะมี คุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นบวก สารใดที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นลบ

การทดลอง กับหลอดรังสีของครูก (Crookes tube) ครั้งแรกแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของอนุภาคอิเล็กตรอน

หลอดแก้วภาชนะบรรจุขณะกำลังเรืองแสงจากลำอิเล็กตรอนสีเขียว

http://th.wikipedia.org/wiki

การเกิดอิเล็กตรอนอิสระ

เนื่องจากอิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสจะวิ่งด้วยความเร็วสูง จึงทำให้อิเล็กตรอนสามารถที่จะเหวี่ยงตัวเองออกจาก วงโคจร ได้เสมอด้วยแรงหนีศูนย์กลาง แต่ภายใน นิวเคลียสมีโปรตอน ซึ่งเป็นประจุบวก จะช่วยดึงอิเล็กตรอนเอาไว้ ไม่ให้หลุดจากวงโคจรไปได้ง่าย ๆ อย่างไรก็ตาม ถ้ามีแรงภายนอกมากพอมา กระทำเข้ากับแรงหนีศูนย์กลาง อิเล็กตรอนที่จะถูกดึงออกจากวงโคจรกลายเป็นอิเล็ก ตรอนอิสระได้การที่อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ออกจากวงโคจรได้นั้นทำให้อะตอมนั้นขาดอิเล็กตรอนไปและจะเหลือโปรตอน มากกว่าอิเล็กตรอน โปรตอนจะอยู่โดดเดี่ยวไม่ได้มันจึงดึงอิเล็กตรอนของอะตอมถัดไป เข้ามาในอะตอม ของมันทำให้อะตอมถัดไปขาดอิเล็กตรอนอีกจะเป็นไปแบบนี้เรื่อยๆการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งก็คือ การเคลื่อนที่ของไฟฟ้านั่นเอง

ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ

พลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านตัวนำไปโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ต่อเนื่องกันไปเรื่อย ๆ ตลอดสายตัวนำ เนื่องจากอะตอมอยู่ชิดกันมากและวงโคจรของอิเล็กตรอนจะซ้อนทับกัน อิเล็กตรอนอิสระจึงไม่ต้องเคลื่อนที่ไปไกลขณะที่อิเล็กตรอนเข้าไปอยู่ในวงโคจรอันใหม่ มันจะส่งผ่านพลังงาน เพื่อให้อิเล็กตรอนตัวถัดไปหลุดเป็นอิสระแม้อิเล็กตรอนจะดูเหมือนเคลื่อนที่ช้าก็ตาม แต่การส่งพลังงานจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่งจะรวดเร็วมาก ในอัตราความเร็ว 186,000 ไมล์ / วินาที หรือ 300,000 กิโลเมตร / วินาที

โดยสรุปสมบัติของอิเล็กตรอน

1. อิเล็กตรอนนั้นจัดได้ว่าเป็นอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่ง อิเล็กตรอนอยู่ในตระกูลเลปตอน (lepton)
2. เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากับ−1.602176565(35)×10−19คูลอมบ์
3. มีมวลประมาณ9.10938291(40)×10−31กิโลกรัม
4. อิเล็กตรอนมีค่าสปิน s = 1/2 ทำให้เป็นเฟอร์มิออนชนิดหนึ่ง
5. อิเล็กตรอนเป็นปฏิยานุภาค (anti-matter) ของโพซิตรอน

ข้อมูลจาก
http://www.trueplookpanya.com/new/cms_detail/knowledge/19921
http://th.wikipedia.org/wiki

ปรากฏการณ์คอมป์ตัน (Compton effect)

การแสดงปรากฏการณ์แสง ที่แสดงออกมาหลังจากปี 1905 ก็ชัดเจนแล้วว่า แสงเป็นก้อนพลังงานที่เรียกว่า โฟตอน (โดยไอน์สไตน์) แต่การอธิบายแบบโมเมนตัมต้องรอถึง 18 ปี ที่คอมป์ตันแสดงให้เห็นว่าแสงก็มีโมเมนตัม ทำการทดลองในปี 1923 ภาพแสดงการทดลองแสดงได้ดังภาพ

การทดลองของคอมป์ตัน

http://www.kruphysics.com/2010/05/compton-effect.html

ภาพจำลองแสดงสิ่งที่เกิดภายในหลอดการทดลองของคอมป์ตันอาจดูได้จากภาพ

การเกิดปรากฎการณ์คอมป์ตัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโมเมนตัมของโฟตอนมีการเปลี่ยนแปลง

ปรากฏการณ์คอมป์ตัน เป็นปรากฎการณ์สนับสนุนแนวคิดไอน์สไตน์ที่กล่าวว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอนุภาค โดย คอมป์ตัน นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ทดลองฉายรังสีเอกซ์ความยาวคลื่นความถี่ค่าเดียว ไปชนกับอิเล็กตรอนของแท่งแกรไฟต์ พบว่ามีนอกจากจะมีรังสีเอกซ์เดิมที่กระเจิงออกมาแล้ว ยังมีอิเล็กตรอนของแท่งแกรไฟต์กระเจิงเพิ่มออกมาด้วย ดังรูป โดยรังสีเอกซ์ที่กระเจิงเพิ่มออกมานั้นมีทั้งกรณีความยาว คลื่นเท่าเดิมและมากกว่าเดิม ปรากฏการณ์นี้ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฏีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในการอธิบาย คอมป์ตัน ใช้แนวความคิดควอนตัมพลังงาน ดังนี้

1. รังสีเอกซ์ประกอบด้วยก้อนพลังงาน (โฟตอน) จึงชนกับอิเล็กตรอนแกรไฟต์ แบบอนุภาคกับอนุภาค เราสามารถใช้กฏอนุรักษ์โมเมนตัมและพลังงานได้

2. การชนจะมีได้ 2 แบบ คือ ชนแบบยืดหยุ่น ซึ่งทำให้ ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมามีค่าเท่าเดิม และชนแบบไม่ยืดหยุ่นซึ่งทำให้ ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมามีค่ามากกว่าเดิม

คอมป์ตัน ใช้แนวคิดดังกล่าวสร้างสมการเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ ซึ่งพบว่าสมการดังกล่าวสามารถอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ได้ถูกต้อง คอมป์ตันจึงสรุปว่า เมื่อแสงและรังสีเอกซ์ ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสเปกตรัมอื่นๆ เช่น คลื่นวิทยุ รังสีอินฟาเรด รังสีอัลตราไวโอเลต ไมโครเวฟ และรังสีแกมม่า ก็สามารถประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้เช่นกัน

เรียบเรียงจาก

http://www.kruphysics.com/2010/05/compton-effect.html

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/virtualeperiment/virtual1/compton2/Comptonthai.html

http://atomic1073.wordpress.com

การเกิดรังสีเอกซ์

สมบัติของรังสีเอ็กซ์

รังสีเอกซ์ (-ray หรือ Röntgen ray) เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีความยาวคลื่นในช่วง 10 ถึง 0.01 นาโนเมตร ตรงกับความถี่ในช่วง 30 ถึง 30,000 พีต้าเฮิตซ์ (1015เฮิตซ์) ในเบื้องต้นมีการใช้ช้รังสีเอกซ์สำหรับถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัยโรค และงานผลึกศาสตร์ (crystallography) รังสีเอกซ์เป็นการแผ่รังสีแบบแตกตัวเป็นไอออน และมีอันตรายต่อมนุษย์

ทฤษฎีอิเล็กตรอนสมัยปัจจุบัน อธิบายถึงการเกิดรังสีเอกซ์ว่า ธาตุประกอบด้วยอะตอมจำนวนมากในอะตอมแต่ละตัวมีนิวเคลียสเป็นใจกลาง และมีอิเล็กตรอนวิ่งวนเป็นชั้นๆ ธาตุเบาจะมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่น้อยชั้น และธาตุหนักจะมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่หลายชั้น เมื่ออะตอมธาตุหนักถูกยิงด้วยกระแสอิเล็กตรอน จะทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในถูกชนกระเด็นออกมาวิ่งวนอยู่รอบนอกซึ่งมี ภาวะไม่เสถียรและจะหลุดตกไปวิ่งวนอยู่ชั้นในอีก พร้อมกับปล่อยพลังงานออกในรูปรังสี ถ้าอิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไปมีพลังงานมาก ก็จะเข้าไปชนอิเล็กตรอนในชั้นลึกๆ ทำให้ได้รังสีที่มีพลังงานมาก เรียกว่า ฮาร์ดเอกซเรย์ (hard -ray) ถ้าอิเล็กตรอนที่ใช้ยิงมีพลังงานน้อยเข้าไปได้ไม่ลึกนัก จะให้รังสีที่เรียกว่า ซอฟต์เอกซเรย์ (soft -ray)

หลอดรังสีเอ็กซ์

http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/quantum/quantum2/quantum_19.htm

ประวัติการค้นพบรังสีเอ็กซ์

ค้นพบครั้งแรกในปี พ.ศ.2438 โดยเรินต์เกน(Roentgen) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ที่พบรังสีนี้โดยบังเอิญขณะศึกษากระแสผ่านก๊าซ (gaseous discharge) ในหลอดรังสีแคโทด โดยขณะที่เขาใช้กระดาษดำคลุมหลอดรังสีแคโทด เพื่อศึกษาความทึบแสงของแผ่นกระดาษในห้องทดลองที่มืดสนิท เขาสังเกตว่าแร่แบเรียมแพลทิโนไซยาไนด์ ที่วางอยู่ห่างจากหลอดรังสีแคโทดประมาณหนึ่งมีแสงเรืองเกิดขึ้น ซึ่งขณะนั้นนักวิทยาศาสตร์ทราบว่าแร่นี้จะเรืองแสงได้เมื่อรับรังสีอัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ขณะทดลองไม่มีแหล่งกำเนิดรังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีแคโทดก็ไม่สามารถเดินทางจากหลอดสุญญากาศไปยังก้อนแร่ได้เพราะรังสีแคโทดทะลุ ผ่านอากาศได้ไกลเพียง 2-3 เซนติเมตรเท่านั้น เรินต์เกนจึงสรุปว่า สิ่งที่ทำให้ก้อนแร่ดังกล่าวเรืองแสงจะต้องเป็นรังสีบางอย่างที่ซึ่งไม่มี ผู้ใดรู้จักมาก่อน และรังสีนี้ต้องมาจากหลอดรังสีแคโทด และมีอำนาจทะลุผ่านสูงจนสามารถผ่านกระดาษดำไปยังก้อนแร่ได้ เรินต์เกนเรียกรังสีนี้ว่า รังสีเอกซ์

การศึกษาต่อมาพบว่า รังสีเอกซ์สามารถทะลุผ่านวัตถุที่ไม่หนาจนเกินไป และมีความหนาแน่นน้อยได้ เช่น กระดาษ ไม้ เนื้อเยื่อของคนและสัตว์ แต่ถ้าวัตถุมีความหนาแน่นมากๆ เช่น แพลทินัม ตะกั่ว กระดูก อำนาจทะลุผ่านก็จะลดลง รังสีเอกซ์เมื่อผ่านไปในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะ ไม่มีการเบี่ยงเบนใดๆ แสดงว่ารังสีเอกซ์อาจเป็นคลื่นหรือนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ในขณะนั้นทราบว่า ไม่มีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าใดมีอำนาจทะลุผ่านเท่ารังสีเอกซ์ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่ารังสีเอกซ์น่าจะเป็นคลื่นมากกว่า

Wilhelm Conrad Röntgen นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน (27 มีนาคม 1845– 10 กุมภาพันธ์ 1923)

http://en.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_R%C3%B6ntgen

ชนิดของรังสีเอกซ์

รังสีเอกซ์แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ

1. รังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ (Characteristic – rays)

เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งเข้าชนเป้าทังสเตน ก็จะเกิดการชนกับอิเล็กตรอนที่อยู่วงโคจรในของเป้า ถ้าพลังงานของอิเล็กตรอนตัวที่วิ่งชน มีพลังงานมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่อยู่วงโคจรในของเป้า ก็จะทำให้อิเล็กตรอนวงนั้นหลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจากวงโคจรอื่นที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากกว่าจะวิ่งเข้าไปแทนที่ พร้อมทั้งคายพลังงานออกมาในรูปรังสีเอกซ์ลักษณะ เฉพาะ

ถ้าพิจารณาถึงการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้น L ไปชั้น K จะมีการคายพลังงานเป็นโฟตอนของรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะเส้น KLคือ

EL- EK = =

เมื่อ

EK, EL เป็นค่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้น K และชั้น L ของอะตอม เป็นความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะเส้น KL

EKL = 10.2 (Z – 1)2

เมื่อ

EKL คือค่าพลังงานของรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะเส้น KL ในหน่วย eV Z คือเลขอะตอมของธาตุต่าง ๆ

2. รังสีเอกซ์จากการถูกหน่วง (Bremsstrahlung)

Ek = =

โดยที่=เมื่อแทนค่าจะได้ว่า

=   =

เมื่อคือความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วหลอด และเมื่อแทนค่า h , c และ e ลงในสมการข้างต้น จะได้

=   (เมตร) =

เรียบเรียงจาก
http://www.myfirstbrain.com/student_view.asp?ID=76495
http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/quantum/quantum2/quantum_19.htm
http://th.wikipedia.org/wiki
http://en.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_R%C3%B6ntgen
http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/quantum/quantum2/quantum_22.htm

การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน (Electron Diffraction)

ภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน

http://fineartamerica.com/products/electron-diffraction-pattern-andrew-lambert-photography-greeting-card.html

ในปี ค.ศ. 1927 หลังจากที่ เดอ บรอยล์ ได้เสนอทฤษฎีคลื่นสสารแล้ว มีนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันสองคน คือ ดาร์วิสสัน (C. Davisson) และ เจอร์เมอร์ (L. H. Germer) ได้ทำ การทดลองให้เห็นว่าอิเล็กตรอนก็สามารถสร้างปรากฏการณ์ การเลี้ยวเบนได้ เช่นเดียวกับคลื่นแสง โดยใช้ผลึกของนิเกิล แทนกระจกเกรตติ้ง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอนุภาคเช่นอิเล็กตรอนก็มีคุณสมบัติเป็นคลื่นได้ ซึ่งผลการทดลองนี้ เป็นการยืนยันและสนับสนุนทฤษฎีคลื่นสสารของ หลุยส์ เดอบรอยล์ ได้เป็นอย่างดี การทดลองของเขากระทำ โดยวิธีการ ซึ่งคล้ายคลึงกับการเลี้ยวเบนของแสงบนกระจกเกรตติ้ง แต่จากการประมาณว่า ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก ดังนั้น หากกระจกเกรตติ้งมีระยะห่างของเกรตติ้งมากๆ จะไม่สามารถให้ผลการทดลองที่ดีได้ จึงมีการใช้โครงสร้างของผลึกโลหะ เช่น นิเกิล มาใช้แทนกระจกเกรตติ้ง เนื่องจากระยะห่างระหว่างอะตอมของผลึก มีขนาดเล็กมากตามต้องการ ผลึกนิเกิลจึงทำ หน้าที่แทนกระจกเกรตติ้ง โดยเป็นตัวสะท้อนลำอนุภาคอิเล็กตรอน ดังแสดงในรูป

โดยอิเล็กตรอนจะถูกยิงออกมาจากส่วนที่เรียกว่า “ปืนอิเล็กตรอน” และถูกเร่ง ภายในสนามไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ V โวลต์ เพื่อให้อิเล็กตรอนพุ่งเข้าชนแผ่นผลึกรูปเดี่ยวของโลหะนิเกิล ซึ่งอิเล็กตรอนจะชนกับอะตอมของนิเกิล แล้วสะท้อนกลับออกมา ปริมาณและลักษณะการกระจายของอิเล็กตรอนที่เลี้ยวเบนจากผลึกนิเกิลเหล่านี้ สามารถตรวจวัด และหาได้โดยใช้เครื่องมือตรวจวัด(Detector) โดยที่เครื่องมือตรวจวัดนี้ สามารถที่จะปรับเปลี่ยนตำ แหน่งของการตรวจวัด เพื่อให้สามารถรับอิเล็กตรอนซึ่งสะท้อนออกมา ที่มุม θ ต่างๆกันได้

ดังนั้นถ้าหากกำหนดให้ d เป็นระยะห่างระหว่างอะตอมในผลึกของนิเกิล ในทำนองเดียวกันกับการเลี้ยวเบนของแสงที่ตกกระทบกระจกเกรตติ้ง จะได้ว่าเครื่องตรวจวัดอิเล็กตรอนหรืออิเล็กตรอนดีเทคเตอร์ (electron detector)นี้ ควรบอกให้เราทราบว่า ค่าปริมาณของอิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนดีเทคเตอร์ สามารถรับได้สูงสุดจะอยู่ที่มุม θ ซึ่งผลต่างของระยะทางของคลื่นอิเล็กตรอนสองคลื่น ที่อยู่ถัดกันมีค่าเป็นจำนวนเท่าของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน กล่าวคือ

จากหลักการข้างต้น ทำให้เราสามารถอธิบายการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนได้ แต่การทดลองจริงๆ แล้วดาร์วิสสัน และเจอร์เมอร์ได้มีวิธีการทดลองที่ซับซ้อนกว่านี้มาก เพราะอิเล็กตรอนมีการสะท้อน และหักเหที่ผิวรอยต่อระหว่างผลึกนิกเกิล และสุญญากาศได้ อย่างไรก็ดี ผลการ คำนวณของดาร์วิสสัน และเจอร์เมอร์ ให้ผลที่ตรงกับการทดลอง และต่อมาได้มีการปรับปรุงอุปกรณ์การทดลองนี้ ให้เป็นเครื่องมือที่สามารถใช้วัดหาระยะห่างระหว่างอะตอมและโครงสร้างของโมเลกุลของสารต่างๆ เราเรียกอุปกรณ์นี้ว่า“เครื่องมือวัดการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน”

การทดลอง

การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนนี้จะอธิบายสมบัติความเป็นคลื่นของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะทดลองให้เห็นได้ในระดับห้องปฏิบัติการ โดยอิเล็กตรอนควรจะแสดงให้เห็นถึงสมบัติของคลื่นซึ่งก็คือการเลี้ยวเบนหรือการแทรกสอด ซึ่งสมบัติเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้นถ้าเราพิจารณาให้อิเล็กตรอนเป็นอนุภาค ในการทดลองเราทดลองโดยใช้หลอดสุญญากาศ ที่ฉาบด้วยฉากเรืองแสง ดังภาพ

http://www.schoolphysics.co.uk/

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นที่สั้นมาก ดังนั้นวัตถุที่จะทำให้เกิดการเลี่ยวเบนของคลื่นอิเล็กตรอนจะต้องมีขนาดเล็กมาก คล้ายกับในกรณีของรังสีเอ็กซ์ (-rays) ที่ต้องใช้โครงสร้างของผลึกอะตอม (atomic lattice) ในการทำให้เกิดปรากฎการณ์นี้ จากการศึกษาของเดวิสสันและเจเมอร์ที่กล่าวมาข้างต้น ทำให้เราสามารถที่จะประยุกต์การทดลองในระดับห้องปฏิบัติการได้โดย

ลำอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจากปืนอิเล็กตรอน (electron gun) ที่มีความต่างศักย์ระหว่าง3500 V ถึง 5000 Vเคลื่อนที่ไปตกกระทบกับฟิล์มบางของแกรไฟต์ตามภาพข้างบน อิเล็กตรอนจะเลี้ยวเบนจากผลึกอะตอมของคาร์บอน ทำให้ได้ลำแสงสีเขียวเป็นวงกลมบนฉากรับตามภาพข้างล่างนี้ ซึ่งเราสามารถที่จะคำนวณหาความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนได้

ภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนโดยใช้ความต่างศักย์ต่ำด้านซ้าย และความต่างศักย์สูงด้านขวา ในการเร่งอิเล็กตรอน
http://www.schoolphysics.co.uk/

จากผลการทดลองดังกล่าวนี้ จึงทำ ให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจคุณสมบัติของอิเล็กตรอนที่เป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค เรียกว่า “สมบัติคู่”(Duality property) โดยคุณสมบัติทั้งสองนี้ขัดแย้งกัน แต่สามารถมีอยู่ได้ในสิ่งเดียวกัน ดังนั้นการทดลองของดาร์วิสสัน และเจอร์เมอร์ จึงเป็นการพิสูจน์ คุณสมบัติคู่ของอิเล็กตรอน ตามที่เดอ บรอยส์ได้เสนอไว้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscope)

http://www.microscopic.center.sci.buu.ac.th/service-TEM.html

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในปัจจุบันมี 2 ชนิดด้วยกัน

1. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน(Transmission Electron Microscope: TEM)

เป็นเครื่องมือที่อาศัยลำแสงอิเล็กตรอนส่องผ่านตัวอย่าง ที่ผ่านการตรียมตัวอย่างและตัดให้มีลักษณะบางเป็นพิเศษ 60 - 90 nm ซึ่งมีกำลังขยายสูงมากถึง 620,000 เท่า และใช้ศึกษาโครงสร้างหรือองค์ประกอบของเชลล์ต่าง ๆ และตัวอย่างทางวัสดุศาสตร์

เอิร์นสต์ รุสกา สร้างสำเร็จเป็นคนแรก ในปี ค.ศ.1932 ใช้ในการศึกษาโครงสร้างภายในของเซลล์โดยลำแสงอิเล็กตรอนจะส่องผ่านเซลล์ หรือวัตถุตัวอย่างที่ศึกษา ซึ่งต้องมีลักษณะบางเป็นพิเศษ ขั้นตอนในการเตรียมตัวอย่างที่ศึกษายุ่งยาก

Ernst Ruska

http://www.rw.ac.th/~kruchon/lesson/light/topic5-serm2.htm

หลักการทำงานของ TEM

ลำแสงอิเล็กตรอนเกิดจากการผ่านกระแสไฟฟ้า แรงสูง เข้าไปในขดลวดทังสเตน (Tungsten filament) ทำให้มีอิเล็กตรอนวิ่งออกมาจากส่วนปลายของ filament จากนั้นจะวิ่งตรงไปยังวัตถุ ซึ่งลำแสงอิเล็กตรอนที่วิ่งผ่านวัตถุจะวิ่งไปยังเลนส์ใกล้วัตถุ (Objective lens) และจะถูกขยายสัญญาณให้ใหญ่ขึ้นโดย Objective lens สุดท้ายอิเล็กตรอนจะไปกระตุ้นโมเลกุลของซิงค์ซัลไฟด์ (Zinc sulfide) ที่ฉาบอยู่บนฉากรับภาพ (Fluorescence screen) ทำให้เกิดเป็นภาพ 2 มิติ โดยที่วัตถุที่มีค่าเลขอะตอม (Atomic number) มากนั้น ภาพที่ได้จะเห็นเป็นสีดำ ส่วนวัตถุที่มีค่าเลขอะตอมน้อย ภาพที่เห็นจะเป็นสีขาว

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscope)

http://www.microscopic.center.sci.buu.ac.th/service-TEM.html

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในปัจจุบันมี 2 ชนิดด้วยกัน

1. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน (Transmission Electron Microscope: TEM)

เป็นเครื่องมือที่อาศัยลำแสงอิเล็กตรอนส่องผ่านตัวอย่าง ที่ผ่านการตรียมตัวอย่างและตัดให้มีลักษณะบางเป็นพิเศษ 60 - 90 nm ซึ่งมีกำลังขยายสูงมากถึง 620,000 เท่า และใช้ศึกษาโครงสร้างหรือองค์ประกอบของเชลล์ต่าง ๆ และตัวอย่างทางวัสดุศาสตร์

เอิร์นสต์ รุสกา สร้างสำเร็จเป็นคนแรก ในปี ค.ศ.1932 ใช้ในการศึกษาโครงสร้างภายในของเซลล์โดยลำแสงอิเล็กตรอนจะส่องผ่านเซลล์ หรือวัตถุตัวอย่างที่ศึกษา ซึ่งต้องมีลักษณะบางเป็นพิเศษ ขั้นตอนในการเตรียมตัวอย่างที่ศึกษายุ่งยาก

Ernst Ruska

http://www.rw.ac.th/~kruchon/lesson/light/topic5-serm2.htm

หลักการทำงานของ TEM

ลำแสงอิเล็กตรอนเกิดจากการผ่านกระแสไฟฟ้าแรงสูง เข้าไปในขดลวดทังสเตน (Tungsten filament) ทำให้มีอิเล็กตรอนวิ่งออกมาจากส่วนปลายของ filament จากนั้นจะวิ่งตรงไปยังวัตถุ ซึ่งลำแสงอิเล็กตรอนที่วิ่งผ่านวัตถุจะวิ่งไปยังเลนส์ใกล้วัตถุ (Objective lens) และจะถูกขยายสัญญาณให้ใหญ่ขึ้นโดย Objective lens สุดท้ายอิเล็กตรอนจะไปกระตุ้นโมเลกุลของซิงค์ซัลไฟด์ (Zinc sulfide) ที่ฉาบอยู่บนฉากรับภาพ (Fluorescence screen) ทำให้เกิดเป็นภาพ 2 มิติ โดยที่วัตถุที่มีค่าเลขอะตอม (Atomic number) มากนั้น ภาพที่ได้จะเห็นเป็นสีดำ ส่วนวัตถุที่มีค่าเลขอะตอมน้อย ภาพที่เห็นจะเป็นสีขาว

http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit4-5.html

2. กล้องจุลทรรศน์ชนิดส่องกราด (Scanning Electron Microscope: SEM)

เอ็ม วอน เอนเดนนี (M Von Andenne) สร้างเสร็จในปี ค.ศ. 1938 โดยใช้ศึกษาผิวของเซลล์หรือผิวของตัวอย่างวัตถุที่นำมาศึกษา โดยลำแสงอิเล็กตรอนจะส่องกราดไปบนผิวของวัตถุ ทำให้ได้ภาพซึ่งมีลักษณะเป็นภาพ 3 มิติ

หลักการทำงานของ SEM

เกิดจากการที่ Primary electron วิ่งไปกระทบพื้นผิวของวัตถุ ทำให้มีการสะท้อนกลับของพลังงานในรูปแบบต่างๆ เช่น back-scatter electron, รังสีเอ็กซ์ (-ray) หรือ secondary electron เป็นต้น และในลำกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องกราด จะมีตัวรับสัญญาณที่ทำหน้าที่รับและเปลี่ยน secondary electron ให้เป็นสัญญาณอิเล็กตรอน (electrical signal) แล้วส่งสัญญาณไปยังจอภาพ (Cathode ray tube) เพื่อทำให้เกิดภาพที่ตามองเห็นได้ โดยภาพที่ออกมานั้นจะมีลักษณะ 3 มิติ จากนั้นจะบันทึกภาพลง Photographic

เครื่อง SEM (Scanning Electron Microscope)

http://www.rdi.ku.ac.th/cl/webpages/microscopeinstru.htm

ตัวอย่างภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องกราด(Scanning Electron Microscope)

http://www.rw.ac.th/~kruchon/lesson/light/topic5-serm2.htm

เปรียบเทียบการทำงานของกล้องจุลทรรศน์ TEM และ SEM

ตารางเปรียบเทียบกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

ข้อมูลจาก
http://www.rw.ac.th/~kruchon/lesson/light/topic5-serm2.htm
http://www.microscopic.center.sci.buu.ac.th/service-TEM.html
http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit4-5.html
http://www.rdi.ku.ac.th/cl/webpages/microscopeinstru.htm