แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของ ทอมสนั

แบบจำลองอะตอมของทอมสนั Sir Joseph John Thomson นกั วิทยำศำสตร์ชำวอังกฤษไดร้ วบรวมนำ กำรศกึ ษำด้ำนต่ำง ๆ ของผูส้ นใจคน้ ควำ้ ในแต่ละสำขำมำรวมกันเปน็ แบบจำลองอะตอมใหม่ เพอ่ื อธิบำยปรำกฏกำรณท์ แ่ี บบจำลองอะตอมขอ งดอลตันไม่สำมำรถอธิบำยได้ กำรทดลองทีส่ ำคัญ คือ 1.หลอดรงั สีแคโทดของ William Crookers 2.หลอดรังสแี คโทดของ Sir Joseph John Thomson 3.กำรหำค่ำประจุของอเิ ลก็ ตรอนโดยวธิ เี มด็ นำมนั ของ Robert Andrews Millikan 4.หลอดรังสแี คโทดของ Eugen Goldstrin

1.หลอดรงั สแี คโทดของ William Crookers จำกปรำกฏกำรณ์ธรรมชำติท่ีแสดงใหเ้ ห็นวำ่ แก๊สนำไฟฟำ้ ได้ คอื ปรำกฏกำรณฟ์ ำ้ รอ้ ง ฟำ้ ผำ่ นักวทิ ยำศำสตรจ์ ึงได้ทำกำรทดลองเพอื่ อธิบำย กำรนำไฟฟำ้ ของแก๊สพบว่ำ ทีค่ วำมดนั 1 บรรยำกำศ (1 atm) อำกำศจะไม่ นำไฟฟำ้ แต่ถำ้ ลดควำมดันลง และเพม่ิ ควำมตำ่ งศกั ย์ระหวำ่ งขัวมำก ๆ แก๊สจะนำไฟฟ้ำได้ดี William Crookers ได้ประดษิ ฐ์อุปกรณเ์ พอื่ จำลอง ปรำกฏกำรณฟ์ ้ำร้อง ฟำ้ ผ่ำ ประกอบด้วยหลอดแก้วทีบ่ รรจุแก๊สควำมดันตำ่ มขี ัวไฟฟำ้ เป็นแผน่ โลหะ (Electrode) 2 ขวั ตอ่ เข้ำกับเคร่ืองกำเนิดไฟฟำ้ ที่ มคี วำมต่ำงศกั ยส์ ูง (10,000 – 20,000 volte) แผ่นโลหะดำ้ นไฟฟ้ำลบ เรยี กวำ่ ขัว cathode แผ่นโลหะดำ้ นไฟฟำ้ บวกเรียกวำ่ ขัว anode และยงั ได้วำงฉำกเรอื งแสง (ZnS ซิงค์ซัลไฟด์) ขนำนไปตำมแนวยำวของหลอด จำกกำรทดลองของ Crookers พบวำ่ 1.ทค่ี วำมดัน 1 บรรยำกำศ ไม่เหน็ กำรเปลีย่ นแปลงใด ๆ 2.เมือ่ ลดควำมดันลง แก๊สภำยในหลอดแก้วจะเรืองแสง 3.เมอ่ื ลดควำมดันลงมำก ๆ บรเิ วณ anode จะเรืองแสงมำก 4.เมื่อนำ หมุนไดไ้ ปไวร้ ะหวำ่ งขวั anode และ cathode ใบพดั จะหมุนได้ 5.เม่ือนำฉำกเรืองแสง ZnS ไวร้ ะหวำ่ งขัว anode และ cathode ฉำก ด้ำนทีห่ ันไปทำงขัว cathode เรืองแสงและเกิดเงำ เพรำะฉะนันจึงสำมำรถกลำ่ วได้วำ่ มรี ังสีชนิดหน่ึงพงุ่ ออกมำจำกขวั cathode เป็นเส้นตรงมำยังขวั anode เรยี กรังสีนีว่ำ cathode ray cathode ray ประกอบดว้ ยอนภุ ำคไฟฟำ้ ทีม่ ีประจุลบและมมี วลเพรำะ สำมำรถทำใหใ้ บพัดของกงั หนั หมุนได้

2.หลอดรงั สีแคโทดของ Sir Joseph John Thomson ค.ศ. 1897 (พ.ศ. 2440) Sir Joseph John Thomson นักวิทยำศำสตร์ชำวองั กฤษ ไดด้ ัดแปลงหลอดรังสแี คโทด พบว่ำเมื่อลด ควำมดนั ลงจนเกอื บเปน็ สญู ญำกำศ จะมีจดุ สวำ่ งบนฉำกเรืองแสง Thomson จงึ ตังสมมุติฐำนว่ำ รังสี cathode เป็นอนุภำคที่มีประจุ ดงั นัน อนุภำคควรจะเบย่ี งเบนในสนำมแม่เหลก็ และสนำมไฟฟำ้ เมือ่ นำสนำมไฟฟำ้ ภำยนอกมำล่อ จุดสวำ่ งบนฉำกเรืองแสงจะ เบย่ี งเบนเข้ำหำขวั บวกเสมอ เพรำะฉะนัน Thomson จงึ สรุปวำ่ รงั สี cathode ประกอบด้วยอนุภำคลบทเ่ี คลื่อนท่ีออกจำกขัว cathode ใน ลักษณะรงั สี Thomson ไดท้ ำกำรทดลองต่อโดย เปลี่ยนแก๊สภำยในหลอดรังสี cathode โดยโลหะท่ีทำขวั ยังคงเดิม พบว่ำ ได้ผลกำรทดลองเช่นเดมิ เปลีย่ นโลหะทีใ่ ช้ทำขัวเป็นโลหะชนิดต่ำง ๆ แตใ่ ชแ้ ก๊สชนิดเดิม พบว่ำได้ผล กำรทดลองเช่นเดมิ

สรุปได้วำ่ ไมว่ ่ำจะบรรจุแกส๊ ชนิดใดหรอื ใช้โลหะชนดิ ใดมำทำขัว หลอด รังสี cathode จะให้รงั สี cathode ท่ีเปน็ อนภุ ำคลบเหมอื นกนั Thomson ไดท้ ำกำรทดลองต่อโดยนำหลอดรงั สี cathode วำงไว้ใน สนำมแมเ่ หล็กและสนำมไฟฟ้ำทต่ี งั ฉำกกนั จำกนันคอ่ ย ๆ เพมิ่ อำนำจ สนำมแมเ่ หลก็ จน รังสี cathode ไม่มกี ำรเบี่ยงเบนแสดงว่ำควำมแรงของ สนำมไฟฟ้ำมคี ่ำเท่ำกับควำมแรงสนำมแมเ่ หล็ก Thomson อำศัยค่ำควำม แรงของสนำมแมเ่ หล็กและควำมแรงของสนำมไฟฟำ้ ทกี่ ระทำต่ออนุภำคลบ ในรงั สี cathode หำอตั รำส่วนประจุตอ่ มวล (e/m) ของอนุภำคได้ e/m = 1.759 x 108 คูลอมบต์ ่อกรัม Thomson จงึ สรปุ ว่ำ อนุภำคไฟฟ้ำทม่ี ีประจลุ บเป็นองค์ประกอบของ อะตอมของธำตุทุกชนดิ และเรยี กช่ืออนุภำคนีว่ำ อเิ ลก็ ตรอน (Electron) 3.กำรหำคำ่ ประจขุ องอเิ ลก็ ตรอนโดยวธิ เี มด็ นำมันของ Robert Andrews Millikan ในปี ค.ศ.1909 (พ.ศ.2452) Robert Andrews Millikan นกั วทิ ยำศำสตร์ชำวอเมรกิ นั ได้ทดลองหำค่ำประจุของ อเิ ลก็ ตรอนโดยวธิ เี ม็ดนำมัน (Oil-drop experiment) เม่ือพ่นละอองเม็ด นำมนั เขำ้ ไปหยดนำมนั จะเคลือ่ นทจี่ ำกบนลงล่ำงตำมแรงดงึ ดดู ของโลกแต่ เม่อื ฉำย X-ray จะทำใหอ้ ำกำศภำย (ในแตกตัวเป็นอนุภำคบวกและลบไป เกำะบนหยดนำมันท่ีมีประจุลบเทำ่ นัน) ดงั นันเมื่อใส่สนำมไฟฟ้ำเข้ำไปหยด นำมนั ทม่ี ีประจลุ บเกำะอยจู่ ะเคลอื่ นท่ีลงมำช้ำลงเพรำะขัวบวกทอี่ ยูด่ ำ้ นบน ดึงดูดเอำไวจ้ ำกนันปรบั สนำมไฟฟ้ำจนกระทงั แรงดึงดูดจำกสนำมไฟฟ้ำ (ด้ำนบน)กบั แรงดึงดูดของโลกมีค่ำเท่ำกันหยดนำมนั จะลอยนิง่ นันคือ

จำกสมกำร F1 = mg (1) เม่ือถ้ำ m = มวลของหยดนำมัน g = แรงดงึ ดูดของโลก F1 = แรงดงึ ดูดของโลกทีก่ ระทำตอ่ หยดนำมัน และจำกสมกำร F2 = Eq (2) เมื่อ q = ประจุบนหยดนำมัน E = สนำมไฟฟำ้ F2 = แรงที่สนำมไฟฟำ้ กระทำต่อประจุบนหยดนำมนั เมื่อหยดนำมันลอยนิ่ง สมกำรท่ี 1 = สมกำรท่ี 2 F1 = F2 mg = Eq q = (mg) /E คำ่ m และ E หำได้จำกเครือ่ งมือทใ่ี ช้ Milikan พบว่ำประจบุ นเมด็ นำมนั ที่นอ้ ยสดุ ว่ำมีคำ่ เป็นเลขจำนวนเต็มคูณด้วย 1.602 x 10-19 คูลอมบ์ (coulomb) Milikan จงึ นบั ค่ำประจุไฟฟ้ำของเม็ดนำมนั ท่ีน้อยสุดวำ่ มคี ่ำ = 1 x 1.602 x 10-19 คลู อมบว์ ่ำเป็นประจุของเมด็ นำมันเมอื่ มีอเิ ล็กตรอน 1 ตัว เพรำะฉะนนั ประจุของอเิ ลก็ ตรอนมีคำ่ = 1 x 1.602 x 10- 19 coulomb

กำรหำคำ่ มวลของอเิ ลก็ ตรอน เมอื่ ทรำบค่ำประจไุ ฟฟำ้ ของอิเล็กตรอนก็สำมำรถนำมำแทนคำ่ ใน สมกำรของThomson สมกำรของ Thomson e/m = 1.759 x108 coulomb / g แทนคำ่ e จำกMilikan e = 1.602 x 10-19 coulomb จะได้มวลของ electron m = 9.11 xx10-28 g 4.หลอดรงั สแี คโทดของ Eugen Goldstein (กำรคน้ พบ Proton) กำรท่ีอะตอมทุกชนิดมี electron เป็นองค์ประกอบแต่อะตอมมี คณุ สมบตั เิ ป็นกลำงทำงไฟฟำ้ ทำใหน้ ักวิทยำศำสตร์เชอื่ วำ่ จะต้องมอี นภุ ำคทม่ี ี ประจุไฟฟ้ำเปน็ บวกเปน็ องค์ประกอบในปี ค.ศ. 1889 (พ.ศ. /2429) Eugen Goldstrin นกั ฟิสิกส์ชำวเยอรมันไดด้ ัดแปลงหลอดรังสี cathode ดงั รูป ภำพท่ี 2 แสดงหลอดรงั สีแคโทดของ Eugen Goldstrin

โดยเลอ่ื น cathode และ anode ทเ่ี จำะรูมำไวเ้ กือบตรงกลำง และมีฉำกเรอ่ื งแสงอยทู่ ป่ี ลำยทังสองข้ำงเมือ่ ผำ่ นกระแสไฟฟ้ำศักดิ์สูงเขำ้ ไป ปรำกฏวำ่ มแี สงสวำ่ งเกิดขึนบนฉำกเรอื่ งแสงทังสองตรงกับตำแหนง่ ที่เจำะรู ไว้แสดงวำ่ มีรงั สจี ำกขัว anode ไปขวั cathode ผ่ำนรูตรงกลำงทเี่ จำะไว้ กระทบกับฉำกเรืองแสงรงั สนี ีจะเกิดขึนพรอ้ มๆกบั cathode ray เรยี กรังสี ทพ่ี บใหม่วำ่ positive ray หรือ anode ray หรือ canal ray เม่ือทดลองหลำยครังโดยเปลีย่ นชนิดของ gas ในหลอดพบวำ่ อนภุ ำคทม่ี ีประจบุ วกเหล่ำนีมอี ัตรำส่วนประจตุ อ่ มวลไมค่ งท่แี ละจะขนึ กับชนิด ของ gas ที่บรรจุในหลอดแต่ถำ้ ใช้ gas ชนิดเดมิ แล้วเปลีย่ นชนิดขวั โลหะท่ี ทำ anode พบวำ่ อัตรำสว่ นตอ่ ประจุต่อมวลมีค่ำคงเดิม Goldstien ได้สรปุ ผลกำรทดลองว่ำอตั รำสว่ นประจตุ อ่ มวลขึนอยู่กับ ชนดิ ของ gas (gas ต่ำงชนดิ กันจะมีผลมวลต่ำงกัน) เมอื่ ใช้ Hydrogen gas จะไดอ้ นุภำค(H+ (g) มคี ำ่ ประจตุ อ่ มวลมำก ท่สี ุดโดยที่อนุภำคบวกนมี คี ำ่ ประจุเทำ่ กบั electron (ทำให้มวลของอนภุ ำค บวกดังกล่ำวมีค่ำต่ำสดุ ) จงึ เรียกอนุภำคบวกหรือไอออนบวกจำก Hydogen gas ว่ำ Proton ซึง่ มำจำกภำษำกรีกว่ำ Proteinos ซงึ่ มีควำมหมำยเปน็ ส่งิ สำคัญสงิ่ แรก(fist importance) Thomson เสนอแบบจำลองอะตอมว่ำ “อะตอมมลี กั ษณะเป็น ทรงกลมประกอบด้วยอนภุ ำคโปรตรอนที่มปี ระจบุ วกและอเิ ล็กตรอนท่มี ี ประจลุ บกระจำยอยู่ท่วั ไปอยำ่ งสม่ำเสมออะตอมในสภำวะเป็นกลำงจะมปี ระจุ บวกเท่ำกับประจลุ บนอก” จำกนยี งั หำค่ำ e / m ของ hydrogas หรอื Proton ได้เท่ำกับ 9.58 x 104 coulomb/ g แทนค่ำ e = 1.6 x 10- 19 จะได้คำ่ มวลของ proton = 1.66 x 10-24 g เม่อื เปรยี บเทียบมวลของ

proton กับมวลของ electron พบวำ่ มวลของ proton จะมีค่ำมำกกว่ำมวล ของ electron ประมำณ 1800 เทำ่ ภำพท่ี 3 แสดงแบบจำลองอะตอมของทอมสนั (Thomson)