Atom and Structure of Atom 2
Atom and Structure of Atom แนวคดิ ในการพฒั นาแบบจาลองอะตอม จากการศึกษาปฏิกริ ิยาเคมพี บว่า บางปฏิกริ ิยาเกดิ ง่าย บาง ปฏกิ ริ ิยาเกดิ ยาก เพราะฉะน้ัน ปฏิกริ ิยาเคมที ี่เกดิ ขนึ้ น่าจะเกย่ี วข้องกบั โครงสร้างภายในของสาร นักปราชญ์ชาวกรีกชื่อ ดโิ มเคตุส (Democritus) และลาซิปปุส (Leucippus) เชื่อว่าเม่ือย่อยสารลงเร่ือยๆ จะได้ส่วนทเี่ ลก็ ทสี่ ุดซึ่งไม่สามารถทาให้เลก็ ลงกว่าเดิมได้อกี และเรียก อนุภาคทเี่ ลก็ ทสี่ ุดว่า “อะตอม” (atom มาจากภาษากรีกคาว่า atomos แปลว่าแบ่งแยกอกี ไม่ได้) และสิ่งทเ่ี ลก็ ทสี่ ุดนีข้ องแต่ละธาตุต่างกนั จงึ ทา ให้สมบัติต่างๆของแต่ละธาตุแตกต่างกนั ไปด้วย
ประวตั ิของอะตอม มแี นวคดิ เกย่ี วกบั องค์ประกอบพืน้ ฐานของสสารต่างๆต้งั แต่ยุคโบราณ ◦ อนิ เดียโบราณ (6th century BC) สสารประกอบด้วยธาตุพืน้ ฐานต่างๆ ได้แก่ earth, water, light, wind, ether, time, space, mind and soul [soul = จติ วญิ ญาณ, soulless = ไร้ความรู้สึก] ◦ Leucippus และ Democritus (กรีก 5th century BC) อะตอมคือองค์ประกอบทย่ี ่อยทสี่ ุด ของสสาร แบ่งแยกต่อไปอกี ไม่ได้ ชนิดของอะตอมขนึ้ กบั รูปร่างของมนั เช่น smooth atoms หรือ sharp atoms 4
5
ทฤษฎอี ะตอมของดาลตัน 6 John Dalton นักวทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษ ได้เสนอแนวคดิ เกย่ี วกบั อะตอมทเ่ี รียกว่าทฤษฎอี ะตอม ในปี ค.ศ. 1803มี ใจความสาคัญว่า 1. สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคทเี่ ลก็ ทสี่ ุด ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกได้อกี เรียกว่า atom 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกนั ย่อมมสี มบัติ เหมือนกนั ทุกประการ(เช่นมมี วลเท่ากนั ) และมี สมบตั ิแตกต่างจากอะตอมของธาตุอ่ืน 3. ไม่สามารถทาให้อะตอมสูญหายหรือเกดิ ใหม่ได้
แบบจาลองอะตอมของ Thomson ศึกษาและทดลองเกย่ี วกบั การนาไฟฟ้าของแก๊สในหลอดรังสีแคโทด J.J. Thomson* 7 (1856-1940) *นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษ
การทดลองของทอมสัน หลอดรังสีแคโทด 8
หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph Jhon Thomson Thomson จงึ สรุปว่า อนุภาคไฟฟ้าทม่ี ปี ระจุลบเป็ นองค์ประกอบของ อะตอมของธาตุทุกชนิด และเรียกช่ืออนุภาคนีว้ ่า Electron จากการทดลองของ Thomson จงึ หักล้างแบบจาลองอะตอมของ Dalton “อะตอมไม่ใช่ส่ิงทเ่ี ลก็ ทส่ี ุด แต่ประกอบด้วย electron และอนุภาคอื่น” 9
แบบจาลองอะตอมของ Thomson Joseph John Thomson ทาการทดลองโดยใช้หลอดแคโธด(Chathod Ray Tube) ◦ อะตอม เป็ นทรงกลมของประจุบวก และมอี เิ ลก็ ตรอนฝังอยู่ทว่ั ทรงกลม ◦ ค้นพบค่าประจุของอเิ ลก็ ตรอน ◦ ประจุบวกเท่ากบั ประจุลบ 10
การค้นพบโปรตอน เนื่องจากอะตอมเป็ นกลางทางไฟฟ้า แสดงว่าต้องมอี นุภาค ทมี่ ปี ระจุบวกรวมอยู่ในอะตอมด้วย โกลด์สไตน์ สังเกตพบรังสีแอโนด (รังสีทม่ี าจากอนุภาคประจุบวก) จาก การดดั แปลงการทดลองของทอมสัน เมื่ออเิ ลก็ ตรอนจากกระแสไฟฟ้าวิ่งชนกลุ่มอะตอม ทาให้อะตอม ไอออไนซ์ ได้อเิ ลก็ ตรอนกบั อะตอมไอออนบวก (A → A+ + e) 11
ถ้าเจาะรูทแ่ี ผ่น Cathode จะมอี นุภาควงิ่ ไปด้านหลงั เรียกว่า “รังสีแคแนล” รังสีจะเบนเข้าหาสนามไฟฟ้าลบ มมี วลต่างๆ กนั ขนึ้ อยู่กบั ชนิดของแก๊ส การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดยืนยนั การค้นพบโปรตอน โดยระดม ยงิ โมเลกลุ ไนโตรเจนด้วยอนุภาคอลั ฟา ( 42He ) ทาให้ได้อนุภาคซึ่งหนักเป้น 1830 เท่าของอเิ ลก็ ตรอน และมปี ระจุเท่ากบั อเิ ลก็ ตรอน 12
แบบจาลองอะตอมของ Rutherford นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษ ทาการทดลองยงิ อนุภาคแอลฟาไปยงั แผน่ ทองคา บางๆมีความหนาเพียง 0.0004 mm เรียกการทดลองน้ีวา่ การกระเจิงรังสีแอลฟาของรัทเทอร์ฟอร์ด (Alpha Scattering Experiment) Ernest Rutherford (1871-1937) 13
การทดลองของ Rutherford ค.ศ. 1911(พ.ศ. 2454) Lord Ernest Ruthertford และ ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) และเออร์เนสต์ มาร์สเดน (Ernest Marsden) ร่วมกนั ทดลองเกย่ี วกบั ทศิ ทางของ การเคล่ือนทข่ี องอนุภาคแอลฟาทปี่ ระเทศองั กฤษ ในการทดลอง Rutherford ได้ใช้ อนุภาคแอลฟายงิ ไปยงั แผ่นโลหะทองคาบางๆ และใช้ฉากเรืองแสง ZnS เป็ นฉากรับ 14
Alpha Rays Lord Ernest Ruthetford นักวทิ ยาศาสตร์ชาว นิวซีแลนด์ได้ทาการการศึกษาธรรมชาตขิ อง รังสีทเี่ กดิ จากสารกมั มนั ตรังสี พบว่ามี 3 ชนิด คือ 1. รังสี เอลฟา ( α-ray) ประกอบด้วยอนุภาคทมี่ ี ประจุไฟฟ้าเป็ นบวก (+2) เป็ นนิวเคลยี สของ อะตอมของธาตุฮีเลยี ม 2. 2. รังสีเบตา (β-ray) ประกอบด้วยอเิ ลก็ ตรอนท่ี มพี ลงั งานสูง มอี านาจการผ่านทะลสุ ูงกว่ารังสี เเอลฟา ถูกก้นั โดยใช้แผ่นโลหะบางๆ 3. รังสีแกมมา (γ-ray) แสดงสมบตั เิ ป็ นคลื่น แม่เหลก็ ไฟฟ้าท่ีมคี วามยาวคลื่นส้ันมากคล้าย X-ray รังสีแกมมาไม่มมี วลไม่มปี ระจุ มอี านาจ ผ่านทะลสุ ูง ถูกก้นั ได้โดยแผ่นตะกวั่ หนา 15
การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด 16
แบบจาลองอะตอมของ Rutherford อะตอมมอี นุภาคประจุบวก(โปรตอน) รวมกนั อย่ตู รงกลางเรียกว่า นิวเคลยี ส และมี e- วงิ่ รอบๆ e- มปี ระจุรวมเท่ากบั ประจุบวก อะตอมจงึ เป็ นกลาง ปริมาตรส่วนใหญ่ของอะตอมเป็ นที่ว่าง 17
แบบจาลองอะตอมของ Rutherford อะตอมมอี นุภาคประจุบวก(โปรตอน) รวมกนั อยู่ ตรงกลางเรียกว่า นิวเคลยี ส และมี e- วง่ิ รอบๆ e- มปี ระจุรวมเท่ากบั ประจุบวก อะตอมจงึ เป็ นกลาง ปริมาตรส่วนใหญ่ของอะตอมเป็ นทว่ี ่าง จากการศึกษาแบบจาลองอะตอมของ Rutherford ทาให้ทราบว่า อะตอมประกอบไปด้วย อเิ ลก็ ตรอน และโปรตอน โดยอเิ ลก็ ตรอนจะวง่ิ อยู่รอบๆ ส่วนโปรตอนจะรวมกนั อย่ตู รงกลางเรียกว่านิวเคลยี ส และมวลของโปรตอนมี ค่ามากกว่ามวลของอเิ ลก็ ตรอนอย่ปู ระมาณ 1800 เท่า 18
การค้นพบ Neutron ในปี ค.ศ. 1930 (พ.ศ. 2473) W. Bothe และ H. Becker นักเคมชี าวเยอรมัน ได้ทดลองใช้อนุภาคแอลฟายงิ แผ่นโลหะแบริเลย่ี ม (Be) ปรากฎว่าเกดิ รังสีชนิดหนง่ึ ท่ี มอี านาจทะลุผ่านได้ดี และรังสีนีเ้ ม่ือชนกบั โมเลกลุ ของพาราฟิ นจะได้ Proton ออกมา 19
แบบจาลองอะตอมของ James Chadwick ต่อมาในปี ค.ศ. 1932(พ.ศ. 2475) James Chadwick นักวทิ ยาศาสตร์องั กฤษได้เสนอว่ารังสีที่ชน แผ่นพาราฟิ นจนได้ Proton ออกมาแสดงว่าอะตอมจะต้อง ประกอบไปด้วยอนุภาคมากกว่าโปรตอนและอเิ ลก็ ตรอน และต้งั ช่ือให้อนุภาคใหม่ทพ่ี บว่า neutron นอกจากนี้ chadwick ยงั ได้พสิ ูจน์ว่าอนุภาค neutron ไม่มปี ระจุ และ คานวณได้ว่า neutron มีมวลใกล้เคยี งกบั Proton 20
แบบจาลองอะตอมกล่มุ หมอก Erwin Shroedinger* 21 (1887 - 1961) * นกั ฟิ สิกส์ชาวออสเตรีย
แบบจาลองอะตอมกล่มุ หมอก ใชค้ วามรู้พ้ืนฐานทางกลศาสตร์ควอนตมั มาสร้างสมการคลื่น(Wave equation)เพ่ือคานวณหาโอกาสท่ีจะพบอิเลก็ ตรอนในระดบั พลงั งานต่างๆ จากสมการคล่ืนทาใหท้ ราบวา่ เราไม่สามารถบอกตาแหน่งท่ีแน่นอนของ อิเลก็ ตรอนได้ แต่อิเลก็ ตรอนจะกระจายอยทู่ ว่ั ทุกทิศทุกทางของอะตอม ดงั น้นั แบบจาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกจึงกล่าววา่ “อะตอมประกอบด้วยกล่มุ หมอกอิเลก็ ตรอนรอบนิวเคลยี ส ทม่ี ลี กั ษณะเป็ นทรงกลม บริเวณกล่มุ หมอกทบึ แสดงว่าโอกาส ทจ่ี ะพบอิเลก็ ตรอนมมี ากและบริเวณกล่มุ หมอกจาง โอกาสทีจ่ ะพบอิเลก็ ตรอนมนี ้อย” 22
แบบจาลองอะตอมของโบร์ นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ศึกษา การเกิดสเปกตรัมของธาตุ พลงั งานไอออไนเซชนั Niels Bohr (1855 - 1962) 23
ทฤษฎอี ะตอมไฮโดรเจนของบอห์ร บอห์ร (Niels Bohr: 1885-1962) เสนอแนวคิดเกยี่ วกบั โครงสร้างอะตอมของ ไฮโดรเจน โดยใช้แนวคดิ ของรัทเทอร์ฟอร์ดร่วมกบั ทฤษฎคี วอนตมั ดงั นี้ อะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วย นิวเคลยี สที่มอี เิ ลก็ ตรอนโคจร รอบๆ นิวเคลยี สเป็ นวงกลม โดยมี รัศมี r และ อเิ ลก็ ตรอนทโี่ คจรอย่นู ้ันจะ โคจรในลกั ษณะเป็ นช้ัน ๆ 24
สรุปเรื่องแบบจาลองอะตอม 25
อนุภาคมูลฐานของอะตอม อนุภาค สัญลกั ษณ์ ประจุไฟฟ้า ชนิด มวล (คูลอมบ์) ประจุไฟฟ้า (กรัม) อเิ ลก็ ตรอน e- 1.602 x 10-19 -1 9.109 x 10-28 โปรตอน P+ 1.602 x 10-19 +1 1.673 x10-24 นิวตรอน n 0 0 1.675 x 10-24 26
สัญลักษณ์นิวเคลียร์ เลขมวล (A) เลขอะตอม P+ = e- (Z) 27
สัญลกั ษณ์นิวเคลยี ร์ (Atomic symbol) เลขมวล A X สัญลักษณ์ธาตุ เลขอะตอม Z ตวั อย่าง จงเตมิ คาตอบท่ถี กู ต้องในช่องว่าง สัญลักษณ์ 115X 198X2+ 2512X+ 126C2- 25656D โปรตอน 5 8 12 6 56 นิวตรอน 6 11 13 6 200 อเิ ลก็ ตรอน 5 8-2=6 12-1=11 6+2=8 56 28
เลขอะตอม (Atomic number, Z) คือ จานวนโปรตอนในนิวเคลยี สของแต่ ละอะตอมของธาตุ Z=p @ ในอะตอมท่ี เป็ นกลาง จานวนโปรตอนเท่ากบั จานวน อเิ ลก็ ตรอน @ ดงั นัน้ เลขอะตอมจงึ บอกจานวนอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมด้วย p = e- เลขมวล (Mass number, A) คือ ผลรวมของนิวตรอนและโปรตอนทมี่ ีอยู่ ในนิวเคลยี สของอะตอมของธาตุ A = p+n เลขมวล = จานวนโปรตอน + จานวนนิวตรอน = เลขอะตอม + จานวนนิวตรอน 29
ไอโซโทป (Isotope) ไอโซโทป (Isotope) หมายถงึ อะตอมของธาตชุ นดิ เดยี วกนั ทมี่ โี ปรตอนเทา่ กนั (หรอื อเิ ล็กตรอนเทา่ กนั ) แตม่ เี ลข มวลและจานวนนวิ ตรอนตา่ งกนั (หรอื มมี วลตา่ งกนั ) เชน่ 186C , 176C และ 156C เป็ นไอโซโทปกนั (เลขอะตอม C = 6 )
ปี พ.ศ. 2480 ฟรานซสิ วลิ เลยี ม แอสตนั ไดค้ น้ พบไอโซโทป เป็ นคนแรก และธาตทุ พ่ี บคอื ไอโซโทปของนอี อน 2010Ne 2210Ne ไอโซโทปของคารบ์ อน สญั ลกั ษณ์ จานวน จานวน จานวน เลขมวล นวิ เคลยี ร์ อเิ ล็กตรอน โปรตอน นวิ ตรอน 126C 6 6 6 12 136C 6 146C 6 6 7 13 6 8 14
ไอโซโทปของธาตทุ มี่ ชี อ่ื เรยี กโดยเฉพาะ เชน่ ธาตไุ ฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป และมชี อื่ เฉพาะดงั นี้ 11H เรยี กวา่ โปรเตรยี ม ใชส้ ญั ลกั ษณ์ H 21H เรยี กวา่ ดวิ ทเี รยี ม ใชส้ ญั ลักษณ์ D 31H เรยี กวา่ ตรเิ ตรยี ม ใชส้ ญั ลักษณ์ T
ไอโซโทน (Isotone) ไอโซโทน (Isotone) หมายถงึ ธาตตุ า่ งชนดิ กนั ทม่ี จี านวนนวิ ตรอนเทา่ กนั แตม่ ี เลขมวลและเลขอะตอมไมเ่ ทา่ กนั เชน่ 188O 199F เป็ นไอโซโทนกนั มนี วิ ตรอนเทา่ กนั คอื n = 10 ธาตุ A Z n 188O 18 8 10 199F 19 9 10 จะเห็นไดว้ า่ เฉพาะ n เทา่ นัน้ ทเ่ี ทา่ กนั แต่ A และ Z ไมเ่ ทา่ กนั จงึ เป็ นไอโซโทน
ไอโซบาร์ (Isobar) ไอโซบาร์ (Isobar) หมายถงึ ธาตตุ า่ งชนดิ กนั ทมี่ เี ลขมวลเทา่ กนั แตม่ ี มวลอะตอมและจานวนนวิ ตรอนไมเ่ ทา่ กนั เชน่ 3015P กบั 3014Si เป็ นไอโซบาร์ มเี ลขมวลเทา่ กนั คอื 30 ธาตุ A Z n 3015P 30 15 15 3014Si 30 14 16
Isotone and Isobar ไอโซโทน (Isotone) คือธาตุต่างชนิดกนั ทม่ี จี านวน neutron (n) เท่ากนั ไอโซบาร์ (Isobar) คือธาตุต่างๆชนิดกนั แต่มเี ลขมวลเท่ากนั 35
สเปกตรัม( Line Spectrum) แสงที่มองเห็นประกอบด้วยคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้าซึ่งอาจมีความยาวคลื่นต่าง ๆ กนั ◦ สเปกตรัมต่อเน่ือง: แสงสีขาว Sun ประกอบไปด้วยแสงสีม่วงจนถึง H สีแดงซึ่งมคี วามยาวคล่ืนต่างกนั ◦ สเปกตรัมเส้น (สเปกตรัมของ อะตอม) แสงทป่ี ระกอบด้วยคล่ืน แม่เหลก็ ไฟฟ้าความถีเ่ ฉพาะและ ไม่ต่อเน่ืองจานวนหนึ่ง He Hg Line spectra U 36
สมบตั ิของคล่ืน ความยาวคลนื่ (Wavelength) เป็ นระยะทางระหว่างยอดคลื่นทต่ี ่อเน่ืองกนั แอมปลจิ ดู (Amplitude) เป็ นระยะทางแนวต้งั จากเส้นกง่ึ กลางของคล่ืนถึงยอดคล่ืน 37
คลื่นและสมบัตขิ องแสง 38
ทฤษฎขี องแมกซ์ เวลล์ (Maxwell’s theory) รังสีแม่เหลก็ ไฟฟ้าเป็ นรูปพลงั งานทเ่ี ปล่งออก (Emission)ในรูปของคล่ืน มี องค์ประกอบ 2 ส่วน ได้แก่ คล่ืนทางไฟฟ้า (Electric wave) และคล่ืนทางแม่เหลก็ (magneticwave) โดยคล่ืนท้งั สองจะเคลื่อนทต่ี ้งั ฉากซึ่งกนั และกนั การแผ่รังสีแม่เหลก็ ไฟฟ้า (electromagnetic radiation) เป็ นการปล่อย (emission) และ ส่งผ่าน (transmission) พลงั งาน ในรูปของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้า ความเร็วของแสง (c) ในสุญญกาศ = 3.00 x 108 m/s 39
การหักเหของแสงขาวเม่ือผ่านปริซึม 40
Electromagnetic waves แสงเป็ นรูปแบบหนึ่งของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้า แสงทป่ี ระสาทตาของคนมองเห็นได้น้ัน เรียกว่า Visible light ซ่ึงมคี วามยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร โดยปกตติ าของ คนไม่สามารถแยกสีทมี่ องเห็นจากดวงอาทติ ย์ที่อยู่ในช่วงคลื่น 400 ถงึ 700 นาโนเมตรได้ จงึ เรียกแสงจากดวงอาทติ ย์ว่าแสงขาว เม่ือผ่านแสงขาวไปบนปริซึม จะมแี ถบสีรุ้งเกดิ ขึน้ แถบ สีทเ่ี กดิ ขึน้ เรียกว่า สเปกตรัมของแสงขาว 41
สเปกตรัมคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้า 42
แสงสีต่าง ๆ ในแถบสเปกตรัมของแสง สเปกตรัม ความยาวคลื่น (nm) ม่วง 400 - 420 น้าเงิน 420 - 490 เขียว 490 - 580 เหลือง 580 - 590 สม้ 590 - 650 แดง 650 - 700
สเปกตรัมของธาตุและการแปลความหมาย 44
พลงั งานของคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้า E = h = h(c/) Max Plank E คือพลงั งาน (J) h คือค่าคงทขี่ องพลงั ส์ = 6.626x10-34 J.s (ค.ศ.1858-1947) คือความถีข่ องคล่ืน (Hz) c คือความเร็วของคล่ืน = 3.0x108 m/s คือความยาวคลื่น (m) หรือ (nm) พลงั งานของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้าจะเป็ นสัดส่วนโดยตรงกบั ความถีข่ องคลื่น 45
เม่ือ C คือความเร็วของคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้าในสุญญากาศมีค่า เท่ากบั 3.0 x 108 เมตรต่อวนิ าทจี ากสูตร ค่าพลงั งานของคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้าคานวณได้จาก ความสัมพนั ธ์ดงั นี้ E hv E hc v C
การจดั เรียงอิเลก็ ตรอน กฏข้อท่ี 1 จำนวน e- ท่ีมีได้มำกสดุ ในแตล่ ะระดบั พลงั งำน 2n2 2 8 18 32 50 ระดบั พลังงานชัน้ ท่ี 1 2 3 4 5 กฏข้อท่ี 2 จานวนอิเลก็ ตรอนชัน้ นอกสุด(valent e-) ห้ามเกิน 8 47
จานวนเวเลนต์อเิ ลก็ ตรอน บอกหมู่ 11Na = 281 17Cl = 287 20Ca = 288 2 35Br = 53I = 23V = จานวนชัน้ ของระดบั พลังงาน บอกคาบ 48
2n2 2(1)2 = 2 2(2)2 = 8 n =1 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ n =2 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ 2(3)2 = 18 n =3 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ 2(4)2 = 32 n =4 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้
ตารางแสดงระดบั พลงั งานและจานวนอเิ ล็กตรอนทม่ี ไี ดเ้ ต็มทใี่ นแตล่ ะ ระดบั พลงั งาน ระดบั พลงั งาน จานวนอเิ ล็กตรอนทมี่ ไิ ดเ้ ต็มท่ี (อนภุ าค) 1 2 2 8 เป็ นไปตามสตู ร 2n2 3 18 4 32 5 32 6 18 ไมเ่ ป็ นไปตามสตู ร 2n2 7 8
Search
