แบบจำลองอะตอมของจอร์น ดอลตัน

ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803)  จอห์น ดอลตัน (John Dalton)  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม

เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ  ซึ่งสรุปได้ดังนี้

1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้

2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น

3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

จอห์น ดอลตัน ชาวอังกฤษ เสนอทฤษฎีอะตอมของดอลตัน

– อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด แบ่งแยกอีกไม่ได้

– อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน    

-อะตอมต้องเกิดจากสารประกอบเกิดจากอะตอม

ของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมตัวกันทางเคมี

 

 

 

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์ค้นพบข้อมูล 

บางประการที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน  เช่น  พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้  

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

ทรงกลมตันมีขนาดเล็กที่สุดซึ้งแบ่งแยกอีกไม่ได้

 

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี  แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมทาง    กลศาสตร์ควอนตัม แล้วสร้างสมการสำหรับใช้คำนวณโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ ขึ้นมาจนได้แบบจำลองใหม่      ที่เรียกว่า แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

                                                                                      แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

 

สรุปแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

  1.อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน  บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอน
ได้ แต่ถ้าบอกได้แต่เพียง  ที่พบอิเล็กตรอนตำแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่วไปในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า “กลุ่มหมอก”

     2.กลุ่มหมอกองอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน

      3.กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส

   4.อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่

      5.อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน

แบบจำลองอะตอมของโบร์

 

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาเรื่องเกี่ยวกับอะตอม โดยได้เสนอแบบจำลองอะตอมจากการทดลองที่เกิดขึ้น ซึ่งแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ดได้รับการยอมรับแต่ก็ยังไม่สมบูรณ์ จึงมีผู้พยายามหาคำอธิบายเพิ่มเติม โดยในปี 1913 นีล โบร์ (Niels Bohr) นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ได้ทำการศึกษาการเกิดสเปกตรัมของก๊าซไฮโดรเจน และได้สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นวงคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว และเรียกระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด ซึ่งมีระดับพลังงานต่ำที่สุด เรียกว่า ระดับพลังงาน K และเรียกระดับพลังงานถัดออกมาว่า ระดับพลังงาน L,M,N,…      ตามลำดับ

วิธีทำการทดลอง
            เขาศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป
  สเปกตรัม หมายถึง อนุกรมของแถบสีหรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ซึ่งทำให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆเรียงลำดับกันไป

ผลการทดลอง
          อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ

สรุปผลการทดลอง
          การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง ๆ
  ระดับพลังงานแต่ละชั้น

                            เมื่อ     2.18 X 10-18 J = ค่าคงที่ของริดเบิร์ก(Rydberg constant)
                                                             n = เลขควอนตัมหลัก = 1, 2, 3

นีลส์ โบร์   ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา สรุปได้ดังนี้
1. อิเลคตรอนจะอยู่กันเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นเรียกว่า “ระดับพลังงาน”
2. แต่ละระดับพลังงานจะมีอิเลคตรอนบรรจุได้ดังนี้

   จำนวนอิเลคตรอน = 2n2                                       

  ระดับพลังงาน K
  ระดับพลังงาน L
  ระดับพลังงาน M
  ระดับพลังงาน N

    ระดับพลังงาน O
  ระดับพลังงาน P
  ระดับพลังงาน Q
3. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเลคตรอน (Valent electron) จะเป็นอิเลคตรอนที่เกิดปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้
4. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงในอยู่ใกล้นิวเคลียส จะเสถียรมาก เพราะประจุบวกจากนิวเคลียสดึงดูดไว้อย่างดี ส่วนอิเลคตรอนระดับพลังงานวงนอก จะไม่เสถียร เพราะนิวเคลียสส่งแรงไปดึงดูดได้น้อยมาก อิเลคตรอนพวกนี้จึงมีพลังงานสูงหลุดออกจากอะตอมได้ง่าย

 5. ระดับการพลังงานวงในจะอยู่ห่างกันมาก ส่วนระดับพลังงานวงนอกจะอยู่ชิดกันมาก
   6. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเลคตรอน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนในระดับถัดกัน อาจเปลี่ยน  ข้ามระดับพลังงานกันก็ได้

 

แบบจำลองอะตอมของนิลส์ โบร์

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

ในปี ค.ศ.1909 รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ทำการทดลองร่วมกับฮันส์ไกเกอร์และเออร์เนสต์ มาร์เดน เพื่อศึกษาว่าถ้ายิงอนุภาคแอลฟาที่เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีและอนุภาคที่มีประจุบวกไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ จะได้ผลอย่างไร โดยก่อนการทดลองรัทเทอร์ฟอร์ดได้ใช้แบบจำลองอะตอมของทอมสันคาดคะเนผลการทดลองคืออะตอมของแผ่นทองคำมีโปรตอนกระจายอยู่ทั่วไปในอะตอม ดังนั้นเมื่อยิงอนุภาคแอลฟาเข้าใกล้กับโปรตอนของแผ่นทองคำซึ่งมีประจุบวกเหมือนกันจะผลักกันการเคลื่อนที่ ของอนุภาคแอลฟาน่าจะเบนไปจากแนวเดิมเป็นส่วนมาก มีส่วนน้อยที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่ไม่มีอนุภาคแอลฟาสะท้อน กลับมา

ผลการทดลอง
          อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะเดินทางเป็นเส้นตรง ส่วนน้อยจะมีการเบี่ยงเบนทิศทาง และนาน ๆ ครั้งจะมีการสะท้อนกลับอย่างแรง

สรุปผลการทดลอง
          – ส่วนใหญ่จะเดินทางเป็นเส้นตรง แสดงได้ว่าภายในอะตอมจะต้องมีที่ว่างมากมาย
          – ส่วนน้อยจะมีการเบี่ยงเบนทิศทาง แสดงว่าภายในต้องมีอนุภาคที่เป็นบวกอยู่แต่มีขนาดเล็กนิดเดียว
          – นาน ๆ ครั้งจะมีการสะท้อนกลับอย่างแรง แสดงว่าต้องมีอนุภาคที่มีมวลมากแต่มีขนาดเล็กรวมกันเป็นกลุ่มอยู่ภายในอะตอม

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง

แบบจำลองอะตอมตามทัศนะของทอมสัน

 

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด  จึงทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี พ.ศ. 2440 (ค.ศ. 1897)ทอมสันศึกษาแนวคิดที่ว่า ก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้ ถ้ามีสภาพเหมาะสม ซึ่งได้แก่ การจัดสภาพให้มีความต่างศักย์สูงมากๆ และความดันต่ำ โดยใช้หลอดแก้วสุญญากาศ ซึ่งประกอบด้วยวงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความต่างศักย์  10,000  โวลต์ ขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับขั้วบวก เรียกว่า แอโนด และขั้วลบ เรียกว่า  แคโทด  เมื่อผ่านไฟฟ้าเข้าไปในหลอดพบว่า เกิดลำแสงพุ่งจากแคโทด ไปยังแอโนด เรียกลำแสงนี้ว่า  รังสีแคโทด

ในปี  1895 หลังจากทอมสันได้ค้นพบอิเลคตรอน(จากการหาค่าประจุต่อมวลของอนุภาคในรังสีแคโทด) และเชื่อว่าอะตอมแบ่งแยกได้ โดยมีอิเลคตรอน เป็นส่วนประกอบหนึ่งของอะตอม  ทอมสันจึงสร้างแบบจำลองอะตอม ซึ่งแบบจำลองอะตอมของทอมสันจะมีลักษณะดังนี้
1. อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม
2. เนื้ออะตอมส่วนใหญ่จะเป็นประจุไฟฟ้าบวกและมีประจุลบกระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ
3. ภาวะปกติอะตอมจะเป็นกลางทางไฟฟ้า(มีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับประจุไฟฟ้าลบ)
4. ภาวะปกติอิเลคตรอนจะอยู่นิ่งในอะตอม

อย่างไรก็ตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน มีข้อบกพร่องอยู่หลาย ประการ เช่น
1.ไม่สามารถอธิบายได้ว่าประจุไฟฟ้าบวกยึดกันอยู่ได้อย่างไรทั้งๆที่มีแรงผลักทางคูลอบ์มซึ่งกันและกัน
2.ไม่สามารถอธิบายการเกิดสเปกตรัมได้
3.ธาตุนีออน(Neon)ซึ่งมีอิเลคตรอน 10 ตัว ธาตุโซเดียม(Na)มีอิเลคตรอน 11 ตัวการจัดเรียงตัวของอะตอมก็น่าจะคล้ายๆกันแต่ทำไมอิเลคตรอนตัวที่ 11 ของโซเดียมจึงหลุดจากอะตอมได้ง่ายกว่าอิเลคตรอนตัวที่ 10 ของธาตุนีออน
4.อธิบายไม่ได้ว่าทำไมโซเดียมจึงทำปฏิกริยากับธาตุอื่นๆได้ดีกว่านีออนทั้งๆที่การจัดเรียงตัวของอะตอมคล้ายๆกัน

การค้นพบอิเล็กตรอน 

ทอมสัน ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด พบว่าไม่ว่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอดหรือใช้โลหะใดเป็นแคโทด จะได้รังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ พุ่งมาที่ฉากเรืองแสงเหมือนเดิม เมื่อคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาค จะได้ค่าคงที่ทุกครั้งเท่ากับ 1.76 x 108 คูลอมบ์ต่อกรัม สรุปว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า อิเล็กตรอน

การเบนของรังสีแคโทดเข้าหาขั้วบวก

นอกจากนั้นทอมสันยังพบว่าไม่ว่าจะจะเปลี่ยนชนิดของก๊าซหลอด หรือเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทดเป็นชนิดใด รังสีแคโทดก็ยังมีสมบัติเหมือนเดิม ค่าประต่อมวลก็คงที่เสมอ   

                         ทอมสันสรุปว่า  อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบเป็นองค์ประกอบ ของ อะตอมของธาตุทุกชนิด  เรียกอนุภาคนี้ว่า  อิเล็กตรอน จากการทดลองของทอมสัน  สรุปได้ว่า  อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด แต่อะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน  และอนุภาคอื่นๆอีก

 

อะตอม (Atom)

Posted: สิงหาคม 11, 2010 in Uncategorized

อะตอม (กรีก: άτομον; อังกฤษ: Atom) คือหน่วยพื้นฐานของสสาร ประกอบด้วยส่วนของนิวเคลียสที่หนาแน่นมากอยู่ตรงศูนย์กลาง ล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆของอิเล็กตรอนประจุลบ นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยส่วนประสมระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกกับนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า (ยกเว้นในกรณีของ ไฮโดรเจน-1 ซึ่งเป็นนิวไคลด์ชนิดเดียวที่เสถียรโดยไม่มีนิวตรอนเลย) อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทำนองเดียวกัน กลุ่มของอะตอมสามารถดึงดูดกันและกันก่อตัวเป็นโมเลกุลได้ อะตอมหนึ่งๆ ที่มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่าๆ กันจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มิฉะนั้นแล้วมันอาจมีประจุเป็นบวกหรือลบก็ได้ เรียกว่า ไอออน เราจัดประเภทของอะตอมด้วยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียส จำนวนโปรตอนเป็นตัวบ่งบอกคุณสมบัติทางเคมี และจำนวนนิวตรอนบ่งบอกความเป็นไอโซโทป[1]

คำว่า อะตอม มาจากภาษากรีกว่า ἄτομος/átomos, α-τεμνω ซึ่งมีความหมายว่า ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป หลักการของอะตอมในฐานะส่วนประกอบเล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไปเสนอขึ้นครั้งแรกโดยนักปรัชญาชาวอินเดียและนักปรัชญาชาวกรีก ในคริสต์ศตวรรษที่ 17-18 นักเคมีเริ่มวางแนวคิดทางกายภาพจากหลักการนี้โดยแสดงให้เห็นว่าวัตถุหนึ่งๆ ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกต่อไปด้วยกระบวนการทางเคมี ระหว่างช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 และต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ค้นพบส่วนประกอบย่อยของอะตอมและโครงสร้างภายในของอะตอม ซึ่งเป็นการแสดงว่า “อะตอม” ยังสามารถแบ่งแยกได้ หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นหลักการที่นำมาใช้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมได้เป็นผลสำเร็จ[2][3]

ตามความเข้าใจในปัจจุบัน อะตอมเป็นวัตถุขนาดเล็กมากที่มีมวลน้อยมากๆ เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยวๆ ได้โดยอาศัยเครื่องมือพิเศษ เช่น scanning tunneling microscope มวลประมาณ 99.9% ของอะตอมจะกระจุกรวมกันอยู่ในนิวเคลียส[note 1] โดยมีโปรตอนและนิวตรอนเป็นมวลที่เหลือประมาณเท่าๆ กัน ธาตุแต่ละตัวจะมีอย่างน้อยหนึ่งไอโซโทปที่มีนิวเคลียสซึ่งไม่เสถียรและเกิดการเสื่อมสลายโดยการแผ่รังสี ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการแปลงรูปทางนิวเคลียร์ที่ทำให้จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไป[4] อิเล็กตรอนที่โคจรรอบอะตอมจะมีระดับพลังงานที่เสถียรอยู่จำนวนหนึ่งในลักษณะของวงโคจรอะตอม และสามารถเปลี่ยนแปลงระดับไปมาระหว่างกันได้โดยการดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกับระดับพลังงานที่ต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ และมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอม

Hello world!

Posted: กรกฎาคม 7, 2010 in Uncategorized

Welcome to WordPress.com. This is your first post. Edit or delete it and start blogging!