Atomic Models

แบบจำลองอะตอม ( Atomic models ) ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803) จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษไดเ้ สนอ ทฤษฎีอะตอม เพ่อื ใชอ้ ธิบายเกีย่ วกับการเปลยี่ นแปลงของสารกอ่ นและหลังทำปฏกิ ิริยา รวมทง้ั อัตราส่วน โดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ ซง่ึ สรุปได้ดงั นี้ 1. ธาตุประกอบด้วยอนภุ าคเลก็ ๆ หลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านว้ี ่า “อะตอม” ซงึ่ แบง่ แยกและทำใหส้ ูญ หายไม่ได้ 2. อะตอมของธาตชุ นดิ เดียวกันมสี มบัตเิ หมือนกัน แตจ่ ะมสี มบัติ แตกตา่ งจากอะตอมของธาตุอนื่ 3. สารประกอบเกดิ จากอะตอมของธาตมุ ากกว่าหน่ึงชนิดทำปฏิกริ ยิ า เคมีกนั ในอัตราสว่ นที่เป็นเลขลงตัว นอ้ ย ๆ จอห์น ดอลตนั ชาวอังกฤษ เสนอทฤษฎีอะตอมของดอลตัน - อะตอมเปน็ อนุภาคที่เล็กที่สดุ แบง่ แยกอีกไม่ได้ - อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบตั เิ หมือนกัน - อะตอมต้องเกิดจากสารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุต้งั แต่ 2 ชนิดขนึ้ ไปมารวมตัวกนั ทางเคมี

ทฤษฎอี ะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัตขิ องอะตอมได้เพียงระดับหนง่ึ แตต่ ่อมา นักวทิ ยาศาสตร์ค้นพบข้อมลู บางประการทไี่ ม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตนั เช่น พบวา่ อะตอม ของธาตุชนิดเดียวกันอาจมมี วลแตกต่างกนั ได้ แบบจำลองอะตอมของทอมสนั เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสนั นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาและทดลองเกี่ยวกบั การนำไฟฟ้า ของก๊าซโดยใชห้ ลอดรงั สีแคโทด หลอดรังสแี คโทด เปน็ เครือ่ งทใ่ี ชท่ ดลองเกย่ี วกับการนำไฟฟ้าโดยหลอดรงั สีแคโทดจะมีความดันต่ำมาก และความตา่ งศักยส์ ูงมาก วิลเลียม ครกู สไ์ ดส้ ร้างหลอดรังสแี คโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผน่ เป็น ขว้ั ไฟฟา้ โดยต่อขว้ั ไฟฟ้าลบกับข้ัวลบของเคร่อื งกำเนิดไฟฟา้ เรยี กวา่ แคโทด และต่อข้ัวไฟฟา้ บวกเขา้ กับ ข้ัวบวกของเครอื่ งกำเนิดไฟฟ้าเรยี กวา่ แอโนด เซอรโ์ จเซฟ จอหน์ ทอมสนั ดัดแปลงหลอดรังสใี หม่ ดงั รูป

รังสีพุ่งจากด้านแคโทดไปยังด้านแอโนด และจะมรี งั สีสว่ นหนึง่ ทะลุออกไปกระทบกับฉากเรอื งแสง ปรากฎวา่ รงั สีนี้จะเบีย่ งเบนเข้าหาขั้วบวก แสดงว่า รงั สนี ้ีตอ้ งเปน็ ประจลุ บ แต่ไมท่ ราบว่าเกิดจากกา๊ ซใน หลอดรังสีแคโทด หรอื เกดิ จากขวั้ ไฟฟ้าทอมสันจงึ ทำการทดลองเก่ียวกับการนำไฟฟ้าของกา๊ ซในหลอดรังสี แคโทด พบวา่ ไมว่ ่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอดหรือใชโ้ ลหะใดเป็นแคโทด จะได้ผลการทดลองเหมือนเดิม จงึ สรุปไดว้ า่ อะตอมทกุ ชนิดมีอนภุ าคทมี่ ีประจลุ บเป็นองค์ประกอบ เรยี กวา่ \"อเิ ล็กตรอน\" สรุปแบบจำลองของทอมสัน จากผลการทดลอง ทงั้ ของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกยี่ วกบั อะตอมมากขึน้ จึงได้ เสนอแบบจำลองอะตอม ดงั นี้ อะตอมมลี ักษณะเปน็ ทรงกลมประกอบดว้ ยอนุภาคโปรตอนท่ีมีประจุไฟฟา้ เป็นบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนท่มี ีประจไุ ฟฟ้าเปน็ ลบ กระจดั กระจายอยา่ งสมำ่ เสมอในอะตอมอะตอมทม่ี ี สภาพเป็นกลางทางไฟฟา้ จะมีจำนวนประจุบวกเท่ากบั จำนวนประจลุ บ

แบบจำลองอะตอมของรทั เทอร์ฟอร์ด ไดท้ ำการทดลองยงิ อนภุ าคแอลฟา ( นิวเคลียสของอะตอมฮเี ลยี ม ) ไปที่แผ่นโลหะบาง ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนภุ าคน้ี สามารถว่ิงผา่ นไดเ้ ปน็ จำนวนมาก แต่จะมีเพียงสว่ นน้อยท่เี ปน็ อนุภาคท่ีกระเจิง จากการทดลองน้ี รัทเธอรฟ์ อร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า \" อะตอมมีลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกทร่ี วมกันอยู่ที่ศนู ย์กลางเรยี กว่า นิวเคลยี ส ซงึ่ ถือว่าเป็นทร่ี วมของมวลเกือบ ทง้ั หมดของอะตอมโดยมีอเิ ล็กตรอนเคล่ือนท่ีรอบๆนวิ เคลียสด้วยระยะหา่ งจากนวิ เคลียสมาก เม่ือเทียบกับ ขนาดของนวิ เคลียส และระหวา่ งนิวเคลียสกบั อิเล็กตรอนเปน็ ทว่ี ่างเปล่า\"

แบบจำลองอะตอมของบอห์ร ศึกษาสเปกตรมั การเปลง่ แสงของธาตุ โดยบรรจแุ ก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนน้ั ให้ พลังงานเขา้ ไป อเิ ล็กตรอนเคลอ่ื นจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแกส๊ ไฮโดรเจน จากน้ันเปลง่ แสงออกมาผา่ น ปรซิ ึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสตี า่ ง ๆ ตกบนฉากรับภาพ อิเลก็ ตรอนเคลอ่ื นจากขั้วบวกไปข้วั ลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากน้ันเปลง่ แสงออกมาผ่านปรซิ ึมทำ ให้เราเหน็ เป็นเส้นสเปกตรมั สีตา่ ง ๆ ตกบนฉากรบั ภาพ การเปลง่ แสงของธาตไุ ฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลยี่ นระดับพลังงานจากวงโคจรสงู ไปสวู่ งโคจรตำ่ พร้อมทัง้ คายพลงั งานในรูปแสงสตี ่าง ๆ จากความร้เู ก่ียวกับการเปล่ียนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ในอะตอมไฮโดรเจน ทํา ใหโ้ บรเ์ สนอแบบจํา ลองอะตอมวา่ อเิ ล็กตรอนจะเคลื่อนท่ีรอบนวิ เคลียสเป็นวง คล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์และในแตล่ ะวงจะมีระดบั พลงั งานเฉพาะตัว

แบบจำลองอะตอมแบบกล่มุ หมอก แบบจำลองอะตอมแบบกล่มุ หมอก แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธบิ ายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรมั ของธาตุ ไฮโดรเจนได้ดี แตไ่ มส่ ามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมทีม่ ีหลายอเิ ล็กตรอนได้ จงึ ได้มกี ารศึกษา เพิ่มเติม โดยใช้ความรูท้ างกลศาสตรค์ วันตมั สรา้ งสมการเพื่อคำนวณหาโอกาสท่จี ะพบอิเล็กตรอนในระดับ พลงั งานตา่ งๆ จึงสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุไดถ้ กู ต้องกวา่ อะตอมของโบร์ ลกั ษณะสำคัญของ แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอธิบายไดด้ งั น้ี 1. อเิ ลก็ ตรอนเคลื่อนทีร่ อบนิวเคลียสอยา่ งรวดเรว็ ตลอดเวลาด้วยความเรว็ สูง ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจงึ ไม่ สามารถบอกตำแหนง่ ทแี่ นน่ อนของอิเล็กตรอนไดบ้ อกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอเิ ลก็ ตรอนในบรเิ วณตา่ งๆ ปรากฏการณแ์ บบนี้นเ้ี รียกว่ากลุ่มหมอกของอเิ ล็กตรอน บรเิ วณทม่ี กี ลุม่ หมอกอเิ ลก็ ตรอนหนาแนน่ จะมี โอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณทีเ่ ป็นหมอกจาง 2. การเคลื่อนที่ของอเิ ล็กตรอนรอบนวิ เคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอนื่ ๆ ขน้ึ อยู่กับระดับพลังงานของ อิเลก็ ตรอน แตผ่ ลรวมของกลุม่ หมอกของอิเล็กตรอนทกุ ระดับพลังงานจะเปน็ รูปทรงกลม รูปทรงต่างๆของกลมุ่ หมอกอิเล็กตรอน จะขน้ึ อยกู่ ับระดับพลงั งานของอเิ ลก็ ตรอน การใชท้ ฤษฎคี วันตัม จะ สามารถอธิบายการจัดเรยี งตัวของอิเลก็ ตรอนรอบนิวเคลียส ไดว้ ่าอเิ ล็กตรอนจัดเรียงตัวเปน็ ออร์บิทัล (orbital) ในระดับพลังงานย่อย s , p , d , f แตล่ ะออร์บิทัล จะบรรจอุ ิเล็กตรอนเป็นคู่ ดังน้ี s – orbital มี 1 ออร์บทิ ัล หรือ 2 อิเลก็ ตรอน p – orbital มี 3 ออร์บิทลั หรือ 6 อิเลก็ ตรอน d – orbital มี 5 ออร์บิทัล หรือ 10 อเิ ลก็ ตรอน f – orbital มี 7 ออร์บทิ ัล หรือ 14 อเิ ลก็ ตรอน แตล่ ะออรบ์ ิทลั จะมรี ูปร่างลกั ษณะแตกต่างกนั ขึ้นอย่กู ับการเคลอื่ นที่ของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล และระดบั พลังงานของอิเล็กตรอนในออร์บิทลั น้นั ๆ เช่น

s – orbital มลี กั ษณะเปน็ ทรงกลม p – orbital มลี กั ษณะเป็นกรวยคลา้ ยหยดน้ำ ลกั ษณะแตกต่างกัน 3 แบบ ตามจำนวนอเิ ล็กตรอน ใน 3 ออร์บทิ ลั คือ Px , Py , Pz d – orbital มลี ักษณะและรปู ทรงของกลมุ่ หมอก แตกตา่ งกนั 5 แบบ ตามจำนวนอเิ ลก็ ตรอนใน 5 ออร์บิทัล คือ dx2-y2 , dz2 , dxy , dyz , dxz สรปุ แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก บรเิ วณท่มี คี วามหนาแน่นของหมอกมากเป็นบรเิ วณที่มีโอกาศในการพบอิเล็กตรอน มาก แต่ไมแ่ น่นอน