แบบจำลองอะตอม

แบบจําลอง อะตอม ดอลตัล ทอมสัน รัทเทอรฟอรด โบว กลุมหมอก นางสาววรรณิสา บุญปรคม 62040112101

ใบความรู้ที่ 2 หน่วยการเรียนรู้ท่ี 1 เรื่อง อะตอมและตารางธาตุ รายวชิ า เคมี รหสั วชิ า ว30221 ช้นั มธั ยมศึกษาปี ท่ี 4 เร่ือง แบบจาลองอะตอมของทอมสัน สอนโดย ครูมธุรินทร์ สุทธิเชษฐ์ แบบจาลองอะตอมของทอมสัน ในระยะตอ่ มาหลงั จากสมยั ดอลตนั นั กวทิ ยาศาสตร์ไดท้ าการทดลองคน้ ควา้ ไดข้ อ้ มลู ใหม่ ๆ เก่ียวกบั อะตอมเพ่มิ มากข้ึน ซ่ึงแบบจาลองอะตอมของดอลตนั อธิบายไมไ่ ด้ เช่น 1. ทาไมอะตอมของธาตุตา่ ง ๆ จึงมีมวลแตกต่างกนั 2. ทาไมอะตอมสามารถแบง่ แยกไดอ้ ีก 3. ทาไมธาตุจึงมีความวอ่ งไวในการเกิดปฏิกิริยาเคมีตา่ งกนั 4. ทาไมธาตุหน่ึงทาปฏิกิริยากบั ธาตุอื่นไมไ่ ดท้ ุกธาตุ แตจ่ ะทาปฏิกิริยาไดเ้ ฉพาะบางธาตุ 5. ทาไมจานวนอะตอมของธาตุตา่ ง ๆ ที่ใชใ้ นการทาปฏิกิริยากนั จึงแตกต่างกนั 6. อะตอมทาปฏิกิริยากนั อยา่ งไรจึงเกิดสารประกอบ มีอะไรยดึ เหน่ียวระหวา่ งอะตอม เหล่าน้นั นอกจากน้ั นยงั ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอยา่ งได้ เช่น ปรากฏการณ์ที่เกิดข้ึนใน หลอดรังสีแคโทด เป็นตน้ จากสาเหตุดงั กล่าวจึงมีผพู้ ยายามศึกษาเพอ่ื สร้างแบบจาลองอะตอมข้ึนใหม่ เพื่อใชอ้ ธิบาย นกั วทิ ยาศาสตร์ที่ไดส้ ร้างแบบจาลองอะตอมตอ่ มา คือ ทอมสัน (J.J Thomson) ซ่ึงจะ กล่าวรายละเอียดต่อไป หลอดรังสีแคโทด หลอดรังสีแคโทดเป็นเคร่ืองมือสาหรับทดลองเก่ียวกบั การนาไฟฟ้ าของกา๊ ซ หลอดรังสี แคโทดประกอบดว้ ยหลอดแกว้ ซ่ึงบรรจุกา๊ ซท่ีมีความดนั ต่า ท่ีปลายท้งั สองของหลอดมีโลหะ 2 แผน่ เรียกวา่ อิเล็กโทรด (Electrode) ตอ่ กบั เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ าศกั ยส์ ู ง (High Voltage) ประมาณ 10,000 โวลต์ แผน่ โลหะที่ตอ่ จากปลายดา้ นไฟฟ้ าลบ เรียกวา่ ข้วั แคโทด (Cathode) ส่วนแผน่ โลหะที่ตอ่ จาก ปลายดา้ นไฟฟ้ าบวก เรียกวา่ ข้วั แอโนด (Anode)

รูป หลอดรังสีแคโทด รูป เจ เจ ทอมสนั กบั หลอดรังสีแคโทดในการคน้ พบอิเล็กตรอน

จากการทดลองพบวา่ ถา้ กา๊ ซท่ีอยรู่ ะหวา่ งข้วั แคโทด และข้วั แอโนดมีความดนั ปกติ กระแสไฟฟ้ าจะไมส่ ามารถไหลผา่ นไดแ้ มว้ า่ จะใชไ้ ฟฟ้ าท่ีมีคา่ ความตา่ งศกั ยส์ ูงก็ตาม แตถ่ า้ สูบเอา อากาศภายในหลอดออกจนมีความดนั ต่าพอ ก็สามารถตรวจสอบไดว้ า่ มีกระแสไฟฟ้ าไหลครบวงจร หรือกา๊ ซนาไฟฟ้ าไดน้ น่ั เอง และถา้ วางฉากเรืองแสง (ฉากฉาบดว้ ยซิงคซ์ ลั ไฟด์ (ZnS)) ไวใ้ นหลอดให้ ขนานไปตามความยาวของหลอด จะสังเกตเห็นรังสีชนิดหน่ึงพุง่ ออกจากข้วั แคโทดเป็นเส้นตรงไปยงั ข้วั แอโนด ทราบไดเ้ พราะรังสีน้ีกระทบฉากเรืองแสงแลว้ ทาใหเ้ รืองแสงข้ึน เนื่องจากรัง สีท่ีเกิดข้ึนพุง่ ออกจากข้วั แคโทดจึงเรียกวา่ รังสีแคโทด (Cathode ray) สมบัตขิ องรังสีแคโทด มีดงั น้ี 1. รังสีแคโทดสามารถทาใหฉ้ ากเรืองแสงเกิดการเรืองแสงข้ึนได้ 2. เม่ือใหร้ ังสีแคโทดอยรู่ ะหวา่ งข้วั ไฟฟ้ า รังสีแคโทดจะเบนเขา้ หาข้วั บวก แสดงวา่ รังสี แคโทดประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ าเป็นลบ ซ่ึงตอ่ มาเรียกอนุภาคน้ีวา่ อเิ ลก็ ตรอน 3. เมื่อใหร้ ังสีแคโทดอยใู่ นสนามแม่เหลก็ จะเกิดการเบ่ียงเบนจากแนวเส้นตรง 4. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากแคโทดไปยงั แอโนด ถา้ มีวตั ถุทึบแสงมาก้นั ทางเดิน ของรังสีกจ็ ะทาใหเ้ กิดเงา ดงั รูป 5. รังสีแคโทดสามารถทาใหก้ งั หนั ที่ทาดว้ ยวตั ถุท่ีมีขนาดเลก็ มาก ซ่ึงขวางทางเดินของรังสีเคล่ือนที่ หรือหมุนได้ แสดงวา่ รังสีแคโทดประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีมวล ดงั รูป

สรุปสมบตั ิของรังสีแคโทด รังสีแคโทดประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ าเป็นลบและมีมวล การค้นพบอเิ ลก็ ตรอน ในปี ค.ศ.1897 เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสนั (Sir Joseph John Thomson) นกั วทิ ยาศาสตร์ชาว องั กฤษ ไดส้ นใจปรากฏการณ์ท่ีเกิดข้ึนในหลอดรังสีแคโทด จึงใชห้ ลอดรังสีแคโทดศึกษารังสีแคโทด รูป แสดงเคร่ืองมือการทดลองของทอมสนั ในการทดลองทอมสนั ไดด้ ดั แปลงหลอดรังสีแคโทดต่างจากเดิมเลก็ นอ้ ย เช่น ภายในหลอดมี ฉากเรืองแสง และใหร้ ังสีแคโทดผา่ นช่องเล็ก ๆ เพื่อใหร้ ังสีแคโทดมีลกั ษณะเรียวเลก็ ก่อนท่ีจะผา่ น สนามไฟฟ้ า และสนามแมเ่ หลก็ ไปกระทบฉาก ทอมสันไดท้ าการทดลองโดยการนาหลอดรังสีแคโทด วางไวใ้ นสนามแม่เหล็ก และสนามไฟฟ้ า โดยใหท้ ิศทางของสนามแมเ่ หล็กต้งั ฉากกบั สนามไฟฟ้ า เมื่อ ใหร้ ังสีแคโทดผา่ นสนามไฟฟ้ า รังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนข้ึนดา้ นบนท่ีตาแหน่ง Q’ เมื่อใส่สนามแมเ่ หล็ก เขา้ ไปและเพิม่ อานาจสนามแมเ่ หลก็ ข้ึนทีละนอ้ ย จะพบวา่ รังสีแคโทดจะมีการเบ่ียงเบนนอ้ ยลง และใน ท่ีสุดรังสีแคโทดจะกลบั สู่ตาแหน่งเดิมของตอนที่ไม่มีสนามไฟฟ้ า (เป็นเส้นตรงเหมือนเดิม ) ขณะท่ีรังสี แคโทดกลบั มาสู่ตาแหน่งเดิม (Q) แสดงวา่ ความแรงของสนามไฟฟ้ าเท่ากบั ความแรงของสนามแมเ่ หลก็

อาศยั ค่าความแรงของสนามแมเ่ หลก็ และความแรงของสนามไฟฟ้ าที่กระทาต่ออนุภาคลบในรังสี แคโทด ทาใหท้ อมสันสามารถคานวณหาอตั ราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคไฟฟ้ าในรังสี แคโทดไดด้ งั น้ี e  1.76  108 คูลอมบต์ ่อกรัม เม่ือ e คือ ประจุของอนุภาค และ m คือ มวลของอนุภาค m นอกจากน้นั ทอมสนั ยงั พบวา่ ไมว่ า่ จะเปลี่ยนชนิดของกา๊ ซภายในหลอด หรือเปลี่ยนชนิดของ โลหะท่ีใช้ทาข้วั แคโทดเป็นชนิดใด รังสีแคโทดกย็ งั มีสมบตั ิเหมือนเดิม และมีค่า e/m คงท่ีเท่ากบั 1.76  108 คูลอมบต์ ่อกรัม เสมอ ทอมสันจึงสรุปวา่ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ าลบเป็นองคป์ ระกอบของอะตอม ของทุกชนิด และเรียกชื่ออนุภาคน้ีวา่ อเิ ลก็ ตรอน (Electron) และจากการทดลองทาใหท้ อมสั นสรุปได้ วา่ อะตอมไม่ใช่ส่ิงท่ีเล็กท่ีสุด แต่อะตอมจะประกอบไปดว้ ยอิเลก็ ตรอนและอนุภาคอื่น ๆ อีก ซ่ึงใน ขณะน้นั ยงั ไมท่ ราบ การค้นพบโปรตอน ออยเกน โกลดส์ ไตน์ (Eugen Goldstein) นกั ฟิ สิกส์ชาวเยอรมนั ไดแ้ สดงใหเ้ ห็นวา่ ถา้ มีการ ดดั แปลงหลอดรังสีแคโทดเลก็ นอ้ ย โดยใหข้ ้ั วแคโทดอยเู่ กือบตรงกลางและเจาะรูข้วั แคโทด จะ สังเกตเห็นรังสีดา้ นหลงั ข้วั แคโทด รูป หลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstrin รังสีน้ีเคล่ือนท่ีเป็นเส้นตรง เมื่อศึกษาสมบตั ิของรังสีทานองเดียวกบั การศึกษารังสีแคโทด พบวา่ มีสมบตั ิตรงขา้ มกบั รังสีแคโทด คือเ บ่ียงเบนในสนามแม่เหล็กในทิศทางตรงขา้ มกบั รังสีแคโทด ในสนามไฟฟ้ ารังสีน้ีเบ่ียงเบนเขา้ หาข้วั ลบ และทาใหฉ้ ากเรืองแสงเรืองแสงได้ จากขอ้ มูลที่ไดท้ าให้ สรุปไดว้ า่ รังสีที่พบใหมน่ ้ีประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ าบวก และเรียกรังสีน้ีวา่ รังสีบวก (Positive ray) หรือ รังสีแคแนล (Cannal ray)

อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ าบวกที่คน้ พบน้ีเกิดจากอะตอมของกา๊ ซถูกชนดว้ ยอนุภาคอิเล็กตรอนท่ี พุง่ มาจากแคโทด ทาใหอ้ ิเล็กตรอนของก๊าซหลุดออกไป เกิดอนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้ าบวก อนุภาคน้ีจึง เคล่ือนท่ีเขา้ หาข้วั แคโทดดงั กล่าว และโกลดส์ ไตนย์ งั พบวา่ เม่ื อเปลี่ยนชนิดของกา๊ ซอนุภาคที่มีประจุ ไฟฟ้ าบวกจะมีค่าประจุตอ่ มวล (e/m) ไม่คงท่ีข้ึนอยกู่ บั ชนิดของกา๊ ซ ท้งั น้ีเพราะวา่ อนุภาคที่มีประจุ ไฟฟ้ าบวกเกิดจากอะตอมของก๊าซแต่ละชนิดสูญเสียอิเล็กตรอนไป เมื่อถูกชนดว้ ยอิเล็กตรอนที่พุง่ มา จากแคโทด อนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้ าบวกจึงมี มวลตา่ งกนั ไปตามชนิดของก๊าซในหลอด นอกจากน้นั โกลดส์ ไตนย์ งั พบวา่ เม่ือใชก้ ๊าซไฮโดรเจน จะไดอ้ นุภาคบวกที่มีขนาดประจุเท่ากบั ประจุของอิเล็กตรอน และมีคา่ ประจุต่อมวล (e/m) สูงสุด หรือกล่าวไดว้ า่ มวลของอนุภาคบวกท่ีเกิดจากไฮโดรเจนมีคา่ ต่าสุด และเรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนวา่ โปรตอน (Proton) (อนุภาคที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนมี 1 โปรตอน แตอ่ นุภาคบวกที่เกิดจากาตุอื่น ๆ จะมีมากกวา่ 1 โปรตอน จึงไมเ่ รียกวา่ โปรตอน) จากผลการทดลองของทอมสนั โกลดส์ ไตน์ และนกั วทิ ยาศาสตร์คนอื่น ๆ ทาใหท้ อมสนั ได้ ขอ้ มูลเก่ียวกบั อะตอมมากข้ึน เข าจึงเสนอแบบจาลองของอะตอมวา่ “อะตอมมลี กั ษณะเป็ นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนซึ่งมีประจุบวก และอเิ ลก็ ตรอนซึ่งมปี ระจุลบ กระจายอยู่ทว่ั ไปอย่างสมา่ เสมอ และในอะตอมทเี่ ป็ นกลางทางไฟฟ้ าจะมจี านวนนโปรตอนเท่ากบั จานวนอเิ ลก็ ตรอน” + -+- - +- +- +- +- + +- +- -+ - + รูป แบบจาลองอะตอมของทอมสัน แบบจาลองอะตอมของทอมสนั น้ี สามารถใชอ้ ธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดข้ึนหลอดรังสีแคโทด ไดด้ งั น้ี เมื่อโลหะที่เป็นข้วั แคโทดไดร้ ับพลงั งานไฟฟ้ าท่ีมีศกั ยส์ ูง อะตอมในโลหะกจ็ ะ ใหอ้ ิเลก็ ตรอน ออกมา (เพราะภายในอะตอมมีอิเลก็ ตรอน) อิเลก็ ตรอนท่ีหลุดออกมาจะวงิ่ ไปยงั ข้วั แอโนด ในขณะท่ีวง่ิ ไปจะไปชนอะตอมของกา๊ ซภายในหลอด อะตอมของก๊าซซ่ึงมีอิเลก็ ตรอนเป็นองคป์ ระกอบเม่ือถูกชน ดว้ ยอิเลก็ ตรอนที่มีพลงั งานสูงพอ อิเล็กตรอนกจ็ ะหลุดออกมา และวง่ิ ไปยงั ข้ั วแอโนด ส่วนอะตอมของ ก๊าซท่ีเหลือกลายเป็นไอออนบวกเพราะมีโปรตอนมากกวา่ อิเลก็ ตรอนจึงวงิ่ เขา้ หาข้วั แคโทด เน่ืองจาก อิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุทุกชนิดเหมือนกนั จึงมีคา่ ประจุตอ่ มวล (e/m) เท่ากนั แตไ่ อออนบวกที่ เกิดจากก๊าซแตล่ ะชนิดไม่เท่ากนั ตวั อยา่ งการเกิดไอออนบวก เช่น

H(g)  H e He(g)  (g) He   e (g) H+ และHe+ มีมวลไม่เท่ากนั โดยHe+ มีมวลมากกวา่ H+ดงั น้นั ค่าe/m ของH+ จึงมากกวา่ ของHe+ การหาประจุของอเิ ลก็ ตรอน ในปี ค.ศ.1909 รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert A. Milikan) นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวอเมริกนั สามารถหาค่าประจุของอิเลก็ ตรอนไดโ้ ดยวธิ ีเมด็ น้ามนั (Oil-drop experiment) รูป การทดลอง หาคา่ ประจุของอิเลก็ ตรอนโดยวธิ ีเมด็ น้ามนั การทดลองของมิลลิแกนมีวธิ ีดงั น้ี เมื่อพน่ ละอองเมด็ น้ามนั เขา้ ไประหวา่ งข้วั ไฟฟ้ าท่ีปรับศกั ย์ ไดแ้ ลว้ ฉายรังสีเอกซ์ (X-ray) เขา้ ไปเพอ่ื ทาใหอ้ ะตอมของก๊าซในอากาศแตกตวั ใหอ้ ิเล็กตรอน เมด็ น้ามนั กจ็ ะจบั อิเลก็ ตรอนไวท้ าใหม้ ีประจุลบ จะมีประจุลบมากนอ้ ยแคไ่ หนข้ึนอยกู่ บั วา่ เมด็ น้ามนั จบั อิเลก็ ตรอนไวก้ ี่ตวั ถา้ ยงั ไม่ต่อข้วั ไฟฟ้ าท้งั สองเขา้ กบั เครื่องกาเนิดไฟฟ้ า เมด็ น้า มนั จะตกลงมาดว้ ยแรง โนม้ ถ่วง แต่เม่ือตอ่ ข้วั ไฟฟ้ ากบั เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ าเมด็ น้ามนั จะตกชา้ ลง หรือถูกดูดลอยข้ึนไปหาแผน่ ประจุบวก ปรับค่าความตา่ งศกั ยใ์ หพ้ อเหมาะจนเมด็ น้ามนั หยดุ นิ่งไม่ตก หรือลอยเขา้ หาแผน่ ประจุบวก ในขณะท่ีเมด็ น้ามนั ลอยอยนู่ ิ่งอยแู่ สดงวา่ แรงดึงดูดเนื่ องจากข้วั ไฟฟ้ าท่ีกระทาตอ่ เมด็ น้ามนั เทา่ กบั แรง เน่ืองจากแรงดึงดูดของโลก จากผลการทดลองน้ีสามารถคานวณหาประจุบนเมด็ น้ามนั ไดด้ งั น้ี

ถา้ F1 = แรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกท่ีกระทาตอ่ เมด็ น้ามนั F2 = แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ าท่ีกระทาต่อเมด็ น้ามนั m = มวลของเมด็ น้ามนั g = ค่าคงท่ีของแรงดึงดูดของโลก E = สนามไฟฟ้ า q = ประจุไฟฟ้ าของเมด็ น้ามนั F1 = mg F2 = Eq ในขณะท่ีเมด็ น้ามนั ลอยอยนู่ ่ิง แสดงวา่ F1 = F2 หรือ Eq = mg q  mg E ดงั น้นั ถา้ ทราบคา่ m, g และ E ก็สามารถคานวณหาคา่ ประจุ ของเมด็ น้ามนั (q) ได้ มิลลิแกน พบวา่ ประจุบนเมด็ น้ามนั มีค่าเป็นเลขจานวนเตม็ คูณดว้ ย 1.602  10-19คูลอมบ์ เช่น 1.602  10-19 คูลอมบ์ = 1  1.602  10-19 คูลอมบ์ 3.204  10-19 คูลอมบ์ = 2  1.602  10-19 คูลอมบ์ 4.806  10-19 คูลอมบ์ = 3  1.602  10-19 คูลอมบ์ 6.408  10-19 คูลอมบ์ = 4  1.602  10-19 คูลอมบ์ ซ่ึงเขาเชื่อวา่ ตวั เลข 1, 2, 3, 4, … คือจานวนอิเลก็ ตรอนในเมด็ น้ามนั เน่ืองจากค่าประจุ 1.602  10-19คูลอมบ์ มีค่านอ้ ยท่ีสุด และเป็นประจุของเมด็ น้ามนั เมื่อมีอิเลก็ ตรอน 1 ตวั ดังน้ัน ประจุของอิเลก็ ตรอนมีคา่ = 1.602  10-19คูลอมบ์ การคานวณหามวลของอเิ ลก็ ตรอน เมื่อทราบคา่ ประจุไฟฟ้ าของอิเล็กตรอน กส็ ามารถนาคา่ อตั ราส่วนประจุต่อมวลของทอมสนั มาหาค่ามวลอิเล็กตรอนได้ เมื่ออตั ราส่วนประจุตอ่ มวลของทอมสัน คือ 1.76  108คูลอมบต์ ่อกรัม

หรือ e/m = 1.76  108คูลอมบต์ อ่ กรัม แต่ e = 1.602  10-19 คูลอมบ์ 1.602  1019 = 1.76  108 m 1.602  1019 1.76  108  m= = 9.1  10-28 กรัม = 9.1  10-28 กรัม ดังน้ัน มวลของอิเล็กตรอนมีค่า

ดอลตลั ทอมสนั รัทเทอรฟอรด โบว กลมุ หมอก