สรุปแบบจำลองอะตอม

เร่อื ง แบบจำลองอะตอมของดอลตัน แบบจำลองอะตอม เนอื่ งจากอะตอมมขี นาดเลก็ มาก อีกทงั้ ไมม ีใครเคยมองเหน็ อะตอมมากอน การศกึ ษาเรื่องราว เกี่ยวกบั อะตอมจงึ เปนการแปลผลจากขอ มูลที่ไดจากการทดลองและนำมาสรางเปนนโมภาพหรือ แบบจำลอง แบบจำลองอะตอมของดอลตนั ในป พ.ศ.2346 จอหน ดอลตัน นกั วทิ ยาศาสตรชาวอังกฤษไดเ สนอทฤษฎีอะตอมเพ่ือใชอ ธบิ าย เกยี่ วกับการเปลีย่ นแปลมวลของสารกอนและหลงั ทำปฏกิ ิริยา รวมทง้ั อตั ราสวนโดยมวลของธาตทุ รี่ วมกนั เปน สารประกอบหนึง่ ๆ ซึ่งมสี าระสำคญั ดังนี้ 1. ธาตุประกอบดวยอนุภาคเลก็ ๆ หลายอนภุ าคอนุภาคเหลา นี้เรยี กวา อะตอม ซ่ึงแบงแยกและทำ ใหสญู หายไมได 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบตั หิ มือนกนั เชน มีมวลเทา กนั แตจ ะมสี มบตั ิแตกตางจาก อะตอมของธาตุอ่นื 3. สารประกอบเกดิ จากอะตอมของธาตมุ ากกวา หนึง่ ชนดิ ทำปฏิกริ ยิ าเคมีกนั ในอตั ราสว นท่เี ปน เลขลงตัวนอยๆ ทฤษฎอี ะตอมของดอลตันชว ยใหน ักวิทยาศาสตรในสมยั นั้นสามารถอธบิ ายลักษณะและสมบัตขิ อง อะตอมไดเพียงระดับหน่ึง ตอมาไดมีการศึกษาเกี่ยวกบั อะตอมเพ่ิมขึน้ และคนพบขอ มูลบางประการท่ไี ม สอดคลอ งกับแนวคิดของดอลตัน เชน พบวา อะตอมของธาตชุ นิดเดยี วกันอาจมีมวลแตกตางกนั ได อะตอม สามารถแบงแยกไดน ักวทิ ยาศาสตรร ุนตอ มาจงึ ไดศึกษาเพ่มิ ติมแลวสรา งแบบจำลองอะตอมขนึ้ ใหม นักเรียนจะไดศึกษาตอไปวานักวทิ ยาศาสตรพัฒนาแบบจำลองอะตอมโดยมผี ลการทดลองหรอื ขอมลู ใดชวย สนับสนุนแนวคดิ เหลา น้ัน จกทฤษฎีอะตอมของดาลตนั แบบจำลองอะตอมมลี ักษณะดังรูป

แบบจำลองอะตอมทอมสัน ในป พ.ศ. 2540 เซอรโจเซฟ จอหน ทอมสนั นักวิทยาศาสตรชาวอังกฤษ ทำการทดลองบรรจแุ กส ชนิดหนงึ่ ไวในหลอดแกว ทีต่ อไวก บั เครื่องสบู อากาศเพื่อลดความดนั ภายในหลอด ที่แอโนดเจาะรตู รงกลาง และตอ ไวก บั เครอื่ งกำเนิดไฟฟากระแสตรงศักยส งู ท่ีปลายหลอดมีฉากเรอื งแสงวางขวางอยู ดงั รปู 1:2 พบวาเมือ่ ลดความดนั ในหลอดแกวใหต่ำลงมากๆ จนเกอื บเปนสญู ญากาศ จะมจี ุดสวางเกิดขน้ึ ตรงบริเวณศูนยก ลางของฉากเร่ืองแสง ทอมสนั ทำการทดลองตอโดยเพมิ่ ขัว้ ไฟฟา อีก 2 ข้วั ในแนวดิ่ง ดังรูป 1.3 ปรากฏวาตำแหนง ของจดุ สวา งบนฉากเรืองแสงเบนเขาหาขวั้ บวกของสนามไฟฟา จึงสรุปวารังสีจากแคโทดประกอบดว ย อนภุ าคทม่ี ีประจุไฟฟา ลบ เม่ือทอมสันทดลองเปลย่ี นชนดิ ของแกส ท่บี รรจุในหลอดและโลหะที่ใชเ ปนแคโทด พบวารงั สที ีเ่ กดิ ข้ึนยังคงประกอบดว ยอนภุ าคทมี่ ปี ระจุลบพุงมากที่ฉากเรืองแสงเหมอื นเดิม เมื่อคำนวณหา อัตราสวนของประจุตอมวล (e/m) ของอนภุ าคพบวาไดคา เทา กบั 1.76x108 คูลอมบตอกรมั ทุกคร้งั จาก ผลการทดลองและการคำนวณชว ยใหทอมสนั สรปุ ไดวอะตอมทุกชนิดมอี นุภาคท่ีมีประจุลบเปน องคป ระกอบ และเรยี กอนุภาคนวี้ า อเิ ลก็ ตรอน จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตรพบวาอะตอมเปน กลาง ทางไฟฟาและมอี ิเล็กตรอนซึ่งเปน อนุภาคท่ีมปี ระจลุ บเปนองคป ระกอบ จึงเชื่อวา อะตอมตอ งประกอบดว ย อนภุ าคท่มี ีประจุบวกดว ย

ออยเกน โกลดช ไตน นกั วิทยศาสตรช าวเยอรมนั ไดด ัดแปลงหลอดรังสีแคโทคโดยเจาะรตู รงกลางขว้ั แอโนด และแคโทด และเล่ือนข้ัวทั้งสองมาไวเ กือบตรงกลางหลอดรวมท้ังเพ่ือฉากเร่ืองแสงท่ีปลายทงั้ สองดานของ หลอดดังรปู 1.4 เม่อื ผา นกระแสไฟฟา เขาไปในหลอด ปรากฎวามีจดุ สวา งเกิดขึน้ บนฉากเรืองแสงทง้ั สองดาน อธิบายไดวารงั สที ี่ไปกระทบกับฉากเรืองแสงบริเวณดานหลังแคโหดตอ งเปนอนภุ าคท่ีมีประจุบวก เม่อื ทำ การทดลองกบั แกส อีกหลายชนดิ พบวาอนภุ าคทมี่ ีประจบุ วกเหลา นมี้ ีอัตราสว นของประจุตอมวลไมคงที่ นอกจากนี้ยังพบวาถาบรรจแุ กส ไฮโดรเจนไวในหลอดรังสแี คโทด จะไดอนภุ าคบวกที่มปี ระจุเทา กับประจุ ของอิเลก็ ตรอน นักวิทยศาสตรเ รียกอนภุ าคบวกท่ีเกิดจากแกสไฮโดรเจนน้วี า โปรตอน จากผลการทดลองดังกลาวทำใหทอมสันสรปุ วา อะตอมเปนรูปทรงกลมประกอบดว ยเนอื้ อะตอม ซ่งึ มปี ระจุบวกและมอี เิ ล็กตรอนซึ่งมปี ระจลุ บกระจายอยูทว่ั ไป อะตอมในสภาพท่เี ปนกลางทางไฟฟาจะมี จำนวนประจบุ วกเทากับจำนวนประจุลบ รอเบิรต แอนดรสู  มิลลิแกน นักวทิ ยาศาสตรชาวอเมริกัน พบวาอิเลก็ ตรอนมีประจเุ ทากับ 1.60×10-19 คูลอมบ และคำนวณหามวลไดเทกบั 9.11 ×10-28กรมั ซ่ึงเปน คา นอ ยมาก

แบบจำลองอะตอมรัทเทอรฟอรด ลอรดเออรเ นสต รัทเทอรฟอรด นักวิทยาศาสตรช าวอังกฤษ และฮันส ไกเกอร นกั วิทยาศาสตร ชาวเยอรมนั ไดศ ึกษาและพสิ ูจนแบบจำลองอะตอมของทอมสนั เม่อื ป พ.ศ.2454 โดยการยิงอนุภาคแอลฟา ไปยังแผนทองคำบาง ๆ และใชฉ ากเรืองแสงทเ่ี คลือบดว ยซิงคซลั ไฟดโคง เปนวงลอมรอบแผน ทองคำเพื่อ ตรวจจบั อนภุ าคแอลฟา จากผลการทดลองพบวาสวนใหญจะเกดิ การเรื่องแสงบนฉากที่อยูบรเิ วณดานหลัง ของแผนทองคำ มีบางครง้ั เกิดการเรื่องแสงบริเวณดานหลัง และมีการเร่อื งแสงบรเิ วณดานหนา ของแผน ทองคำดว ยแตนอยครง้ั มาก ดังรปู 1.6 จากผลการทดลอง ถาอธิบายตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน อนภุ าคแอลฟาซึ่งมีประจุบวก นา จะผลักกับโปรตอนทำใหเ กิดการเบีย่ งเบนไปจกแนวเสนตรงไดบาง แตไ มน าจะมีอนภุ าคสะทอนกลบั มา กระทบฉากบรวิ ณดานหนาได ดังนัน้ รทั เทอรฟอรดจงึ อธิบายลกั ษณะภายในอะตอมวา การทอ่ี นภุ าค แอลฟาวง่ิ บนแผน ทองคำไปไดเ ปนสว นใหญ แสดงวาภายในอะตอมตองมที วี่ า งอยูเปน บริเวณกวาง การท่ี อนุภาคแอลฟาบางอนภุ าคเบี่ยงเบนหรือสะทอนกลับมาบริเวณดา นหนา ของฉากเร่อื งแสง แสดงวาบรเิ วณ ตรงกลางของอะตอมนาจะมีอนภุ าคท่ีมีประจุบวกและมมี วลสงู มากกวา อนุภาคแอลฟา รัทเทอรฟอรด ได เสนอแบบจำลองอะตอมใหม อะตอมประกอบดว ยนิวเคลยี สทม่ี ีขนาดเล็กมากอยูตรงกลางและมีประจุ ไฟฟาเปน บวก โดยมอี เิ ล็กตรอนวง่ิ อยรู อบๆ ดังรปู 1.7

ตามแบบจำลองของรทั เทอรฟอรด นิวเคลยี สของอะตอมซ่ึงอยตู รงกลางมีขนาดเล็กมากเมือ่ เทียบ กบั ขนาดของอะตอม อนุภาคแอลฟาจึงมีโอกาสชนนิวเคลียสไดน อ ยมากสว นอเิ ลก็ ตรอนทีอ่ ยรู อบนิวเคลยี ส มีมวลนอ ยมาก การชนกบั อิเล็กตรอนจงึ ไมม ีผลทำใหท ิศทางการเคล่ือนท่ีของอนภุ าคแอลฟาเปลย่ี นไป อนุภาคสวนใหญจ งึ วิง่ ผา นทะลแุ ผนทองคำไปเปน แนวตรง มบี างครั้งทอี่ นุภาคแอลฟาวิง่ เฉยี ดนิวเคลียสซงึ่ จะถูกประจขุ องนิวเคลยี สผลักใหเ บนไปจากแนวเสนตรงสว นอนุภาคแอลฟาทวี่ ่งิ ตรงไปยังนิวเคลยี สซึง่ มีมวล มากก็จะถูกผลักใหส ะทอ นกลับ ดงั แสดงในรปู 1.8 ตามแนวคิดของรัทเทอรฟ อรดจะพบวา มวลสว นใหญของอะตอมคือมวลของนิวเคลียสน่ันเอง สวนอเิ ลก็ ตรอนถึงแมจ ะเปนสวนประกอบทท่ี ำใหอ ะตอมมขี นาดใหญแ ตก็มีมวลนอย จนถือวาไมมผี ลตอ มวลของอะตอม

แบบจำลองอะตอมโบว เน่ืองจากแบบจำลองอะตอมของรทั เทอรฟอรดไมไดอธบิ ายวาอิเล็กตรอนรอบนวิ เคลียสอยใู น ลกั ษณะใดนักวทิ ยาศาสตรจงึ หาวธิ ีทดลองเพื่อรวบรวมขอ มูลเกี่ยวกับตำแหนงของอิเล็กตรอนโดย การศกึ ษาสเปกตรัมของสารประกอบและธาตุ สเปกตรัม หมายถึง แถบสีหรอื เสน ท่ีไดจ ากการผานพลังงานรังสีเขา ไปในชดุ ศกึ ษา เชน ปริซึม ซึ่งทำใหพลงั งานรงั สีแยกออกเปนแถบหรอื เปนเสน ที่มคี วามยาวคลื่นตา ง ๆ เรยี งลำดบั กันไป แสงที่ประสาทตาของมนุษยสามารถรับรูไ ดเรยี กวา แสงที่มองเห็นได ซึง่ มีความยาวคลนื่ อยูใ นชวง 400 -700 นาโนเมตร แตไสมารถแยกเปน สีตา งๆ ได จึงมองเห็นเปน สรี วมกันซงึ่ เรียกวา แสงขาว สเปกตรัมของธาตแุ ละการแปลความหมาย สรุปไดวา 1. เมื่ออิเล็กตรอนไดรับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยูในระดับพลังงานที่สูง กวาระดับพลังงานเดิม แตจะอยูในระดับใดขึ้นกับปริมาณพลังงานที่ไดรับ การที่อิเล็กตรอนขึ้นไปอยูในระดับ พลังงานใหมทำใหอะตอมอิเล็กตรอนจะกลับมาอยูในระดับพลังงานที่ต่ำกวา ซึ่งในการเปลี่ยนตำแหนงนี้ อิเลก็ ตรอนจะคายพลงั งานออกมา การดดู หรอื คายพลงั งานจะตอ งมีคาเฉพาะตามทฤษฎขี องพลังค 2. การเปลย่ี นระดับพลงั งานของอเิ ล็กตรอนไมจ ำเปน ตอ งเปล่ยี นไปยงั ระดับพลงั งานท่อี ยูติดกนั อาจมีการเปลีย่ นขามระดบั ได 3. ผลตางของพลงั งานระหวา งระดับพลงั งานต่ำ จะมีคามากกวา ผลตา งของพลงั งานระหวา งระดับ พลงั งานทีส่ งู ขึ้นไป

จากความรเู ร่ืองการเปล่ยี นแปลงระดบั พลงั งานของอิเลก็ ตรอนและการเกดิ สเปกตรมั ชวยใหน ลี ส โบร นักวทิ ยาศาสตรชาวเดนมารก สรา งแบบจำลองอะตอมเพื่อใชอธบิ ายพฤติกรรมของอเิ ลก็ ตรอนใน อะตอมได โดยกลาววา อิเล็กตรอนจะเคล่อื นทีร่ อบนิวเคลียสเปนวงคลายกับวงโคจรของดาวเคราะห รอบดวงอาทิตย แตละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว ระดับพลังงานของอิเลก็ ตรอนท่ีอยใู กลนวิ เคลยี ส ทส่ี ุดซง่ึ มีพลงั งานต่ำทสี่ ดุ เรยี กวาระดบั K และระดับพลงั งานท่ีอยถู ัดออกมาเรยี กเปน L M ... ตามลำดบั (คังรูป 1.9) ตอมาไดม กี ารใชตวั เลขแสดงถึงระดับพลังงานของอเิ ลก็ ตรอน คือ n=1 หมายถงึ ระดับพลังานที่ 1 ซงึ่ อยใู กลกับนิวเคลยี สที่สดุ และชน้ั ถดั ออกมาเปน n=2 หมายถึงระดับพลงั งาน ที่ 2 ตอจากนน้ั n=3 4...หมายถึงระดบั พลังงานที่ 3 4 และสูงขึน้ ไปตามลำดบั แบบจำลองอะตอมของโบร พัฒนามาจากการคนพบสเปกตรมั ของอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเปน อะตอม ที่มี 1 อิเล็กตรอน แตไมส ามารถใชอธบิ ายอะตอมที่มหี ลายอเิ ล็กตรอนได นักวทิ ยาศาสตรจ งึ จำเปน ตองศึกษาคนควาเพม่ิ เติมเพ่ือเสนอแบบจำลองอะตอมใหม

แบบจำลองอะตอมแบบกลุมหมอก เนือ่ งจากแบบจำลองอะตอมของโบรมขี อจำกดั ท่ีไมส ามารถใชอ ธบิ ายสเปกตรมั ของอะตอมท่มี ี หลายอเิ ลก็ ตรอนได นกั วทิ ยาศาสตรจ ึงไดศกึ ษาเพ่ิมเตมิ จนไดข อมลู เพยี งพอที่จะเชื่อวาอิเล็กตรอนมีสมบตั ิ เปนทงั้ อนุภาคและคลืน่ โดยเคลือ่ นทร่ี อบนิวเคลียสในลกั ษณะของคล่ืนน่ิงบรเิ วณท่ีพบอิเล็กตรอนพบได หลายลักษณะเปนรูปทรงตา ง ๆ ตามระดบั พลงั งานของอิเล็กตรอน จากการใชความรูทางกลศาสตร ควอนตัมสรา งสมการข้ึนเพื่อคำนวณหาโกสท่จี ะพบอิเล็กตรอนในระดบั พลังงานตา งๆ พบวา แบบจำลอง นี้สามารถอธิบายเสนสเปกตรัมของธาตุไดถกู ตองกวา แบบจำลองอะตอมของโบร อเิ ลก็ ตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลอื่ นที่อยางรวดเรว็ ตลอดเวลาไปท่วั ท้งั อะตอม จึงไมสามารถบอก ตำแหนง ทแ่ี นนอนของอเิ ล็กตรอนได อยา งไรก็ตามนกั วิทยาศาสตรพ บวา มโี อกาสท่จี ะพบอิเล็กตรอนรอบ นิวเคลียสบางบริเวณเทา นนั้ ทำใหสรา งมโนภาพไดวาอะตอมประกอบดว ยกลมุ หมอกทึบแสดงวามโี อกาสที่ จะพบอเิ ล็กตรอนไดมากกวาบรเิ วณท่ีมกี ลมุ หมอกจาง ดังรูป 1.10 (แตละจดุ คอื 1 โอกาสท่ีจะพบ อิเล็กตรอน) แบบจำลองอะตอมแบบกลุมหมอกท่ีแสดงถึงความหนาแนนของอิเลก็ ตรอนรอบนวิ เคลยี สทำได ยาก โดยทว่ั ไปจึงคิดถึงอะตอมในลักษณะทรงกลมและใชล ูกกลม เชน ลกู ปงปอง หรอื ลูกกลมพลาสตกิ เปน แบบจำลองแทนอะตอมของธาตุ แตนักเรียนควรระลกึ ไวเ สมอวา การใชแ บบจำลองเชนน้ีเพียงเพ่อื ชวยให เกดิ จินตนาการไดง ายขึ้นเทาน้ัน โครงสรา งอะตอมตามแบบจำลองอะตอมแบบกลมุ หมอกสามารถใชอธิบายสมบัตติ างๆ ของ อะตอมไดอยา งกวา งขวาง แตท้งั นีไ้ มใชขอ ยุติในการศกึ ษาทดลองเกี่ยวกบั อะตอม เพราะเปนท่ียอมรับกัน แลว วาความรทู างวทิ ยศาสตรมกี ารพัฒนาอยา งตอ เนื่องตลอดไป ดังนัน้ ในอนาคตจงึ อาจมีแบบจำลอง อะตอมใหมท ่ีใชอธบิ ายโครงสรา งอะตอมไดเหมาะสมและดีกวา ท่เี ปนอยูในปจจุบัน