แบบจำลองอะตอม

      1.1.1 แบบจำลองอะตอม  ( Atomic  model )  คือ มโนภาพที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นจากข้อมูลที่ได้จากการทดลอง  เพื่อใช้อธิบายลักษณะของอะตอมหรือรายละเอียดของโครงสร้างอะตอม

Ø แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เป็นนักเคมีคนแรกที่เสนอแนวคิดที่เกี่ยวกับอะตอม มีสาระสำคัญสรุปได้ดังนี้

1.สารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กเรียกว่า อะตอม แบ่งแยกไม่ได้ จะสร้างขึ้นใหม่ หรือทำลายให้สูญหายไปไม่ได้

2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมมีสมบัติเหมือนกันมีมวลเท่ากัน แต่จะแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่นๆ

3.สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตุ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปทำปฎิกิริยากัน ในอัตราที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

ดังนั้น จอห์น ดอลตัน จึงเสนอแบบจำลองอะตอมดังนี้

 

“ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม มีขนาดเล็กมากและไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ”

แบบจำลองอะตอมของจอห์น ดอลตัน

Ø แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

ได้จากผลการทดลองของนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่สนใจการทดลองหลอดรังสีแคโทด

ซึ่งมีการทดลองและค้นพบดั้งนี้

	หลอดรังสีแคโทดกับการค้นพบอิเล็กตรอน

 

               ในปี ค.ศ. 1897  เซอร์ โจเซพ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สในหลอดรังสีแคโทด ดังรูป

              

                                            

รูป 1.1 หลอดรังสีแคโทด

ทำการทดลองโดยสูบอากาศออกจากหลอดแก้วเพื่อลดความดัน จนเกือบเป็นสุญญากาศและเพิ่มศักย์ไฟฟ้าให้สูงขึ้นถึง 10,000 โวลต์ ก๊าซจะนำไฟฟ้าได้ ผลการทดลองปรากฏว่าฉากเรืองแสงได้ แสดงว่ามีอนุภาคอยู่ในอะตอม

ต่อมาได้มีการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ เพื่อให้รังสีมีลักษณะเรียวเล็ก โดยการพุ่งผ่านรูกลมที่เจาะด้านแอโนด ดังรูป

           รูป 1.2 หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลงแล้ว

เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดแก้วที่บรรจุแก๊สภายใต้ความดันต่ำเกือบเป็นสุญญากาศและความต่างศักย์สูง จะเกิดการเรืองแสงขึ้น ลำแสงนี้จะผ่านจากขั้วแคโทดไปที่แอโนด ไปเรืองแสงบนฉากที่วางอยู่

ต่อมาทอมสันได้ดัดแปลงอุปกรณ์เพิ่มเติมโดยการเพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปอีก 2 ขั้ว เพื่อให้เกิดสนามไฟฟ้า ดังรูป

รูป 1.3 หลอดรังสีแคโทดที่มีขั้วไฟฟ้าในหลอดเพิ่มอีก 2 ขั้ว

จากผลการทดลองพบว่า ลำแสงแบนออกจากขั้วลบเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า และจะเห็นจุดเรืองแสงเบี่ยงแบนออกจากแนวเดิม

ทอมสันจึงได้เสนอข้อสรุปจากผลการทดลองว่า  “อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ และเรียกอนุภาคชนิดนี้ว่า อิเล็กตรอน”

	หลอดรังสีแคโทดกับการค้นพบโปรตอน

 

ออยเกน  โกลด์ชไตน์     ได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่  ดังรูป

รูป 1.4 หลอดรังสีแคโทดกับอนุภาคบวก

ผลการทดลองพบว่า ลำแสงเบี่ยงเบนออกจากขั้วบวกและวิ่งเข้าหาขั้วลบ ถ้าทดลองใช้แก๊สไฮโดรเจน จะได้อนุภาคบวกที่มีประจุเท่ากับอิเล็กตรอนพอดี เรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนนี้ว่า “ โปรตอน ”

จากผลการทดลองทั้งหมดทอมสันจึงเสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้

	“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอน  ซึ่งมีประจุบวก และ อิเล็กตรอน ซึ่งมีประจุลบ  กระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ อะตอมในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ”

 

                              

แบบจำลองอะตอมของ เจ เจ  ทอมสัน

Ø แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

การเสนอแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด มาจากผลการทดลองดังนี้

รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ทำการทดลอง โดยการยิงรังสีแอลฟาซึ่งมีประจุบวกไปยังแผ่นทองคำบางๆ โดยให้ฉากเรืองแสงโค้งเป็นวงรอบแผ่นโลหะทองคำดังรูป

     รูป 1.5 การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

จากการทดลอง รัทเทอร์ฟอร์ดสรุปได้ว่า

1.         อนุภาคส่วนใหญ่จะวิ่งเป็นเส้นตรงทะลุผ่านแผ่นทองคำไปกระทบฉากที่อยู่ด้านหลัง แสดงว่าอะตอมจะต้องมีช่องว่างมาก

2.         อนุภาคส่วนน้อยจะเบี่ยงแบนไปจากแนวเส้นตรง เพราะว่ามีอนุภาคแอลฟาเคลื่อนที่เข้าไปใกล้หรือเฉียดกลุ่มประจุบวกทำให้เกิดการผลักกันจึงทำให้อนุภาคแอลฟาเบนไปจากเส้นตรง

3.         อนุภาคส่วนน้อยจะสะท้อนกลับมากระทบฉากบริเวณด้านหน้าแผ่นทองคำ ในทิศทางเดิม แสดงว่าอนุภาคแอลฟา จะต้องไปกระทบกับประจุบวกหรือกลุ่มประจุบวก

จากผลการทดลองรัทเทอร์ฟอร์ดจึงเสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้

                                                                           “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง                                                                 นิวเคลียสมีขนาดเล็กแต่มีมวลมากและมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอน                                                                      ซึ่งมีประจุลบจะวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง"     

              

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบฝึกหัด

1.   ถ้าแบบจำลองของดาลตันถูก  ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดควรเป็นอย่างไร

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2.   ถ้าแบบจำลองของทอมสันถูก  ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดควรเป็นอย่างไร

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

	การค้นพบนิวตรอน

 

สาเหตุที่ค้นพบนิวตรอน

1.  เนื่องจากมวลของอะตอมต่างๆ  มักจะเป็น  2  เท่า  หรือมากกว่า  2  เท่า  ของมวลโปรตอนรวม  รัทเทอร์ฟอร์ด  จึงสันนิษฐานว่า  น่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียส  และอนุภาคนี้ต้องมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอนมากและต้องเป็นกลางทางไฟฟ้า

2.  ทอมสันศึกษาหามวลอนุภาคบวกของ  Na  ปรากฏว่า  อนุภาคบวกนี้มีมวล  2  ค่า  ผลการทดลองดังนี้  สนับสนุนว่าจะต้องมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียส

3.  เซอร์เจมส์ แซดวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ไปยังอะตอมของธาตุ Be  ปรากฏว่าได้อนุภาคชนิดหนึ่งออกมา  ซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตรอนและไม่มีประจุไฟฟ้า  เรียกอนุภาคนี้ว่า  “ นิวตรอน ”

Ø แบบจำลองอะตอมของโบร์

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในลักษณะใด นักวิทยาศาสตร์จึงได้พยายามทดลองหา โดยการศึกษาสเปกตรัมของธาตุและสารประกอบ ดังนี้

สเปกตรัมของธาตุ (Spectrum) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นต่างๆกัน

ความยาวคลื่น คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ ใช้สัญลักษณ์ l อ่านว่า แลมบ์ดา

ความถี่ของคลื่น คือ จำนวนรอบของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดหนึ่งในเวลา 1 วินาที ใช้สัญลักษณ์ u อ่านว่า นิว

สเปกตรัมของแสงขาว คือ แสงสีต่างๆ ที่ปรากฏอย่างต่อเนื่อง เมื่อผ่านแสงขาว (แสงจากดวงอาทิตย์) ไปยังปริซึมเนื่องจากแสงขาวเดินทางผ่านตัวกลางจะเกิดการหักเหของแสง

 

ตาราง 1.1 แสดงแสงสีต่างๆ ในแถบสเปกตรัมของแสงขาว

สี	ความยาวคลื่น (nm)
ม่วง	400-420
น้ำเงิน	420-490
เขียว	490-580
เหลือง	580-590
ส้ม	590-650
แดง	650-700

มักซ์ พลังค์ ได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสรุปว่า “พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่นนั้น” เขียนความสัมพันธ์ได้ ดังนี้

E   =  hu

                                                                    u   =   C

                                                                                l

                                                            

     \    E   =  h  ^C

                                                                                   ^l                                                                                                                     

เมื่อ        E            คือ พลังงานมีหน่วยเป็นจูล

h             คือ ค่าคงที่ของแพลงค์ มีค่าเท่ากับ 6.625 x 10^-34  จูลวินาที (Js)    

C            คือ ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในสูญญากาศมีค่าเท่ากับ 3 x 10⁸ เมตรต่อวินาที (ms^-1)

u           คือ ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีหน่วยเป็นเฮิร์ตซ์ (Hz) หรือรอบต่อวินาที (s^-1)

l           คือ ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร (m) หรือ นาโนเมตร (nm) โดย 1 nm  =  10^-9  m

การเกิดเส้นสเปกตรัมของธาตุ

สถานะพื้น (ground state) หมายถึงอะตอมที่อิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวอยู่ในระดับพลังงานต่ำ  อะตอมในสถานะพื้นจะมีความเสถียรเนื่องจากมีพลังงานต่ำ

สถานะกระตุ้น (excited state)หมายถึงอะตอมที่ได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น  ทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้อยู่ในระดับพลังงานสูงขึ้น  ที่สถานะกระตุ้นอะตอมจะไม่เสถียร  เนื่องจากมีพลังงานสูง

อะตอมที่ได้รับพลังงาน  เช่น  จากการเผา  หรือจากกระแสไฟฟ้า  อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากสถานะพื้นไปสู่สถานะกระตุ้นซึ่งไม่เสถียร  จึงต้องคายพลังงานออกมา  ซึ่งพลังงานที่คายออกมาจะอยู่ในรูปพลังงานแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  เมื่อผ่านปริซึมหรือสเปกโตรสโคปจะแยกแสงออกเป็นเส้นสเปกตรัม

การที่ธาตุแต่ละชนิดให้เส้นสเปกตรัมออกมาหลายเส้น  แสดงว่าอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีหลายระดับพลังงาน  ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะมีพลังงานต่ำ  ส่วนระดับพลังงานที่อยู่ห่างนิวเคลียสจะมีพลังงานสูง  เมื่ออิเล็กตรอนคายพลังงานอาจคายพลังงานได้หลายช่วงความยาวคลื่น  จึงมองเห็นเส้นสเปกตรัมได้หลายเส้น

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาสเปกตรัมของแก๊ส โดยใช้อะตอมของไฮโดรเจนเป็นตัวอย่างในการแปลความหมายของเส้นสเปกตรัม เพราะเป็นอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเดียว จากการทดลองหลายครั้งพบว่าอะตอมของไฮโดรเจนให้เส้นสเปกตรัมได้หลายเส้นที่มีลักษณะเหมือนกันทุกครั้ง จึงสรุปได้ว่าอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนขึ้นไปอยู่ในสถานะกระตุ้นที่มีพลังงานแตกต่างกันได้หลายระดับ

จากการศึกษาสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจน สามารถนำมาสรุปได้ว่า

1.    เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิม แต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นกับปริมาณพลังงานที่ได้รับ การที่อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานใหม่ทำให้อะตอมไม่เสถียร อิเล็กตรอนจะกลับมาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งในการเปลี่ยนตำแหน่งนี้อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดเป็นเส้นสเปกตรัม

2. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไปยังระดับพลังงานที่อยู่ติดกันอาจมีการเปลี่ยนข้ามระดับได้ แต่เมื่ออิเล็กตรอนรับพลังงานแล้วจะขึ้นไปอยู่ระหว่างระดับพลังงานไม่ได้ จะต้องขึ้นไปอยู่ในระดับใดระดับหนึ่งเสมอ

3. ผลต่างของพลังงานระหว่างระดับพลังงานต่ำจะมีค่ามากกว่าผลต่างของพลังงานระหว่างระดับพลังงานที่สูงขึ้นไป

นีลส์ โบร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ได้นำความรู้เรื่องสเปกตรัมมาสร้างแบบจำลองขึ้นใหม่ เพื่อใช้อธิบายลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส โดยกล่าวว่า

“อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสอยู่ตรงกลางมี  P  และ  n  อยู่ภายใน  ส่วน  e  จะเคลื่อนที่อยู่โดยรอบเป็นระดับชั้นพลังงาน”

แบบจำลองอะตอมของนีลส์ โบร์