อะตอมและตารางธาตุ..

อะตอมและตารางธาตุ

ววิ ฒั นาการของแบบจาลองอะตอม แนวคดิ ในการพฒั นาแบบจาลองอะตอม นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวกรีก ชื่อ ดีโมคริตุส (Democritus) ไดเ้ สนอ แนวคิดวา่ “เมื่อแบ่งสารใหม้ ีขนาดเลก็ ลงเร่ือยๆ ในท่ีสุดจะไดห้ น่วย ยอ่ ย ซ่ึงไม่สามารถแบ่งใหเ้ ลก็ ลงไปไดอ้ ีกหน่วยยอ่ ยเรียกวา่ อะตอม (atom) อะตอม(atom)เป็นอนุภาคท่ีเลก็ ที่สุดของธาตุ

อะตอมมีขนาดเลก็ มาก จากการคานวณพบวา่ เสน้ ผา่ นศนู ยก์ ลาง ประมาณ 10-8 เซนติเมตร และไม่สามารถมองเห็นไดด้ ว้ ยตาเปลา่ เมื่อเร่ิมตน้ ของปี พ.ศ.2497 ไดม้ ีการใชก้ ลอ้ งจุลทรรศนอ์ ิเลก็ ตรอนท่ีมีกาลงั ขยายสูงมาก เพ่ือ ถ่ายภาพของอะตอม แมว้ า่ จะสามารถถา่ ยภาพของอะตอม ได้ แตย่ งั ไม่สามารถบอกรายละเอียด ภายในอะตอมได้ การศึกษาเร่ืองราว เกี่ยวกบั อะตอมจึงเป็นการแปลผลจาก ขอ้ มูลท่ีไดจ้ ากการทดลองและนามาสร้าง เป็ นมโนภาพหรื อแบบจาลองอะตอม

แบบจาลองอะตอมของดอลตนั จอห์น ดอลตนั ไดเ้ สนอทฤษฎีอะตอม มีสาระสาคญั ดงั น้ี 1.สสารทุกชนิดประกอบดว้ ยอนุภาคท่ีเลก็ ท่ีสุด ซ่ึงไม่สามารถทาใหส้ ูญหายหรือเกิดข้ึนมา ใหม่ได้ และไม่สามารถแบ่งแยกไดอ้ ีก เรียก อะตอม 2.อะตอมของธาตุเดียวกนั ยอ่ มมีสมบตั ิเหมือนกนั ทุกประการ และมีสมบตั ิแตกต่างไปจาก อะตอมของธาตุอ่ืน 3.สารประกอบเกิดจากการรวมตวั ทางเคมีระหวา่ งอะตอมของธาตุมากกวา่ 1 ชนิด ดว้ ย อตั ราส่วนของจานวนอะตอมเป็นเลขลงตวั นอ้ ยๆ ดงั น้นั แบบจาลองอะตอมตามทฤษฎีของดอลตนั จึงสรุปไดด้ งั น้ี “อะตอมมลี กั ษณะเป็ นทรงกลมมีขนาดเลก็ มาก และไม่สามารถแบ่งแยกได้อกี ” แบบจาลองอะตอมของดอลตนั

ข้อบกพร่องของทฤษฎอี ะตอมของดอลตนั 1. อะตอมประกอบดว้ ยอนุภาคมลู ฐาน 3 อนุภาค คือ โปรตอน นิวตรอน และ อิเลก็ ตรอน ซ่ึงไม่สอดคลอ้ งกบั แนวคิดของดอลตนั เน่ืองจากอะตอมสามารถแบ่งแยกเป็น อนุภาคเลก็ ๆ ได้ 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกนั อาจมีสมบตั ิต่างกนั ได้ เช่น ธาตุไฮโดรเจน มี 3 ไอโซโทป คือ 3 , 2 แล11 Hะ เป็นธาตุชนิดเดียวกนั แต่มวลต่างกนั 1 H 1 H 3. อะตอมทาใหเ้ กิดข้ึนใหม่ได้ หรือเปลี่ยนไปเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้ หรือสามารถ สังเคราะห์อะตอมของธาตุใหม่ได้ โดยอาศยั ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ข้อบกพร่องของดอลตันสามารถนามาอธิบายกฎทรงมวลและกฎสัดส่วนคงทไ่ี ด้ 1. ผลรวมของมวลของสารก่อนและหลงั ปฏิกิริยาเท่ากนั เพราะจานวนอะตอม ไม่ไดส้ ูญหาย หรือเกิดข้ึนใหม่ 2. การที่อตั ราส่วนโดยมวลของธาตุท่ีรวมกนั เป็นสารประกอบคงท่ี เพราะเมื่ออะตอม ของธาตุต่างชนิดรวมกนั เป็นสารประกอบ จะรวมกนั ดว้ ยอตั ราส่วนของจานวนอะตอม คงท่ี และเน่ืองจากอะตอมของธาตุชนิดเดียวกนั มีสมบตั ิเหมือนกนั มีมวลเท่ากนั อตั ราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกนั เป็นสารประกอบจึงคงที่ดว้ ย

แบบจาลองอะตอมของทอมสัน การนาไฟฟ้ าของแก๊ส ท่ีความดนั ปกติ 1 บรรยากาศ อากาศและแก๊สต่าง ๆ จะไม่นาไฟฟ้ า แตถ่ า้ ลด ความดนั ของแก๊สใหต้ ่าลงและเพิ่มความต่างศกั ยร์ ะหวา่ งข้วั ไฟฟ้ ามากข้ึน แกส๊ จะนา ไฟฟ้ าไดด้ ี ปรากฏการณ์ธรรมชาติท่ีแสดงวา่ แกส๊ นาไฟฟ้ าไดค้ ือ การเกิดฟ้ าแลบ หรือฟ้ าผา่ ในวนั ท่ีมีฝนฟ้ าคะนอง

หลอดรังสีแคโทด (cathode – ray tube) เซอร์ วลิ เลยี ม ครูกส์ เป็นผปู้ ระดิษฐห์ ลอดรังสีแคโทด ประกอบดว้ ย หลอดแกว้ บรรจุแก๊สท่ีมีความดนั ต่า มีข้วั ไฟฟ้ า 2 ข้วั เป็นแผน่ โลหะ ซ่ึงต่อเขา้ กบั ข้วั + หรือแอโนด (anode) และข้วั - หรือแคโทด (Cathode) ของเคร่ืองกาเนิด ไฟฟ้ ากระแสตรงที่มีความต่างศกั ยส์ ูง10,000– 20,000 โวลต์ รังสีชนิดหน่ึงพุง่ ออกมาจากแคโทด แคโทด รังสีแคโทด แอโนด เป็นแนวเส้นตรงมายงั แอโนด เรียก รังสีท่ีเกิดข้ึนวา่ “รังสีแคโทด” เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ าศกั ยส์ ูง หลอดรังสีแคโทด

สมบัตขิ องรังสีแคโทด 1. รังสีแคโทดสามารถเกิดการเรืองแสงไดท้ ี่ฉากเรืองแสง ฉากเรืองแสงจะฉาบดว้ ยซิงคซ์ ลั ไฟด์ (ZnS)‫‏‬ 2. รังสีแคโทดสามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้ า โดยจะเบนเขา้ หาข้วั บวก รังสีแคโทดประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีประจุลบ + แอโนด (+)‫‏‬ แคโทด (-)‫‏‬ - 3. เมื่อรังสีแคโทดอยใู่ นสนามแม่เหลก็ รังสีแคโทดจะเกิดการเบ่ียงเบนจากแนวเสน้ ตรง แอโนด (+)‫‏‬ แคโทด (-)‫‏‬ SN

4. รังสีแคโทดจะเดินทางเป็นเส้นตรง จากแคโทดไปยงั แอโนด ถา้ มีวตั ถุมาก้นั ระหวา่ งข้วั แอโนดและแคโทด จะ สามารถทาใหเ้ กิดเงาไดท้ ่ีฝั่งตรงขา้ มกบั ข้วั แคโทด 5. รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีมวล พิสูจนไ์ ดจ้ ากการนากงั หนั ที่มีขนาดเลก็ มา วางไวร้ ะหวา่ งข้วั แคโทดและข้วั แอโนด จะทาใหเ้ กิดการเคลื่อนที่ หรือการหมุน ของกงั หนั

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสนั ไดท้ าการดดั แปลงหลอดรังสีแคโทด โดยเจาะรูข้วั แอโนดตรงกลาง มีฉากเรืองแสงซิงคซ์ ลั ไฟดว์ างขวางท่ีปลายหลอด แคโทด แอโนด ฉากเรืองแสง เคร่ืองสูบสุญญาอากาศ 10,000 V เครื่องกาเนิดไฟฟ้ าศกั ยส์ ูง ทอมสันต้งั สมมติฐานวา่ มีรังสีชนิดหน่ึงพงุ่ เป็นเส้นตรงมาจากแคโทดไปยงั ข้วั แอโนด

ทอมสนั จึงทาการทดลองโดยการเพ่มิ ข้วั ไฟฟ้ าเขา้ ไปอีก 2 ข้วั แคโทด แอโนด + ฉากเรืองแสง 10,000 V - เครื่องสูบสุญญาอากาศ เครื่องกาเนิดไฟฟ้ าศกั ยส์ ูง 10 V รังสีมีการเบนเขา้ หาข้วั บวก หรือข้วั แอโนด ทอมสนั จึงเรียกรังสีน้ีวา่ “รังสีแคโทด” รังสีท่ีมีประจะไฟฟ้ าเป็นลบ ทอมสันไดท้ าการทดลองต่อ โดยเปล่ียนชนิดของแก๊สและโลหะที่ใชเ้ ป็นข้วั ในหลอด รังสีแคโทด พบวา่ มีรังสีพุง่ ออกจากข้วั แคโทดไปยงั ข้วั แอโนดเหมือนเดิม

การทดลองหาค่าประจุต่อมวลของอนุภาคลบ โดยเอาสนามไฟฟ้ าและสนามแม่เหลก็ มาต้งั ฉากกนั แคโทด แอโนด +N ฉากเรืองแสง 10,000 V S - เครื่องสูบสุญญาอากาศ เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ าศกั ยส์ ูง 10 V พบวา่ อนุภาคลบไม่เบี่ยงเบนไปจากแนวเดิม ในภาวะเช่นน้ีแสดงวา่ แรงจาก สนามแม่เหลก็ และแรงจากสนามไฟฟ้ าสมดุลกนั ทาใหท้ อมสันสามารถคานวณหา อตั ราส่วนประจุตอ่ มวล  e  ของอนุภาคลบในรังสีแคโทดได้ และเรียกอนุภาคลบ  m  น้ีวา่ “อิเลก็ ตรอน”  e  ของอิเลก็ ตรอน = 1.76  108 คูลอมบต์ ่อกรัม m e แทนประจุ หน่วย คูลอมป์ (C) m แทนมวล หน่วย กรัม (g)

การหาค่าประจุของอเิ ลก็ ตรอนของมลิ แิ กน -e X-ray โรเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน ไดท้ า การทดลองหาค่าประจุอิเลก็ ตรอนโดย ใชว้ ธิ ี “หยดน้ามนั ” (oil – drop) experiment) ถา้ ยงั ไม่ผา่ นกระแสไฟฟ้ า ละอองหยดน้ามนั จะตกลง ตามแนวโนม้ ถ่วงของโลก แต่เม่ือผา่ นไฟฟ้ าเขา้ ไป หยดน้ามนั จะตกชา้ ลง ดงั น้นั จึงปรับคา่ ความต่างศกั ย์ ใหเ้ หมาะสม จนกระทง่ั หยดน้ามนั ลอยนิ่ง แรงดึงดูดท่ีเกิดจากข้วั ไฟฟ้ าเท่ากบั แรงดึงดูดของโลก

ค่าประจุไฟฟ้ าที่ไดจ้ ะมีคา่ เท่ากบั 1.6  10-19 คูลอมบ์ (แสดงวา่ มีอิเลก็ ตรอน 1 ตวั )‫‏‬ 3.2  10-19 คูลอมบ์ (แสดงวา่ มีอิเลก็ ตรอน 2 ตวั 2  1.6  10-19 คูลอมบ)์ ‫‏‬ 4.8  10-19 คูลอมบ์ (แสดงวา่ มีอิเลก็ ตรอน 3 ตวั 3  1.6  10-19 คูลอมบ)์ ‫‏‬ 6.4  10-19 คูลอมบ์ (แสดงวา่ มีอิเลก็ ตรอน 4 ตวั 4  1.6  10-19 คูลอมบ)์ ‫‏‬ จากการทดลองพบวา่ ประจุไฟฟ้ าบนหยดน้ามนั จะมีค่าไม่เท่ากนั แต่ทุกค่าจะมีค่าคงท่ีคา่ หน่ึง ประจุของอิเลก็ ตรอน (e-) = 1.6  10-19 คูลอมบ์

จากการทดลองของทอมสนั ท่ีทราบวา่  e  ของอิเลก็ ตรอน = 1.76  108 คลู อมบต์ อ่ กรัม m โดยแทนค่า e = 1.60  10-19 คูลอมบ์ สามารถหาค่ามวล (m) ของอิเลก็ ตรอนได้ m = 1.60  10-19 C = 9.11  10-28 g 1.76  108 C/g สรุป มีประจุ 1.6  10-19 คูลอมบ์ ตอ่ 1 อิเลก็ ตรอน มีมวล 9.11  10-28 กรัม ตอ่ 1 อิเลก็ ตรอน อิเลก็ ตรอน อิเลก็ ตรอน

ตัวอย่าง อิเลก็ ตรอน 10 กรัม จะมีจานวนอิเลก็ ตรอนเท่าไร ตวั อย่าง จานวนอิเลก็ ตรอนจานวน 1.806  1024 อิเลก็ ตรอน มีมวลกี่กรัม

การค้นพบอนุภาคโปรตอนของโกลด์สไตน์ ออยเกน โกลดช์ ไตน์ ไดด้ ดั แปลงหลอดรังสีแคโทด แคโทด แอโนด ฉากเรืองแสง ข 10,000 V ฉากเรืองแสง ก เครื่องกาเนิดไฟฟ้ าศกั ยส์ ูง มีจุดสวา่ งเกิดข้ึนบนฉากเรืองแสงที่สองตรงกบั ตาแหน่งท่ีเจาะรูไว้ แสดงวา่ มีรังสีมุ่งไป ทางดา้ นแคโทด และผา่ นรูท่ีเจาะไวต้ รงกลางไปกระทบฉากเรืองแสง ข รังสี ชนิดน้ีจะ เกิดข้ึนพร้อมๆ กบั รังสีแคโทด “รังสีบวก (positive ray) รังสีแอโนด (anode ray) หรือรังสีแคแนล (canal ray)”

โกลดช์ ไตน์ ไดท้ าการทดลองหลาย ๆ คร้ัง โดยการเปล่ียนชนิดของแก๊สในหลอด พบวา่ อนุภาคท่ีมีประจุบวกมีอตั ราส่วนประจุต่อมวลไม่คงที่ และข้ึนอยกู่ บั ชนิดของแกส๊ ที่บรรจุในหลอด โกลดช์ ไตน์ ไดส้ รุปและการทดลองวา่ อตั ราส่วนประจุต่อมวล  e  ของอนุภาคบวกข้ึนอยกู่ บั ชนิดของแกส๊ m อนุภาคบวกน้ีมีประจุเท่ากบั ประจุของอิเลก็ ตรอน จึงเรียกอนุภาคบวก หรือไอออนบวกน้ีวา่ “โปรตอน” สรุป 1.รังสีบวกจะเคลื่อนท่ีในแนวตรงในทิศทางตรงกนั ขา้ มกบั รังสีแคโทด 2.รังสีบวกประกอบดว้ ยอนุภาคที่มีมวล ซ่ึงเกิดจากอนุภาคบวกหรือไอออนบวกของแก๊ส 3.รังสีบวกเคล่ือนท่ีทะลุผา่ นโลหะไม่ได้

สรุป 4. รังสีบวกสามารถเบ่ียงเบนในสนามแม่เหลก็ และสนามไฟฟ้ าในทิศทางตรงกนั ขา้ มกบั รังสีแคโทด + +p NS -e -e +p สนามแม่เหลก็ - สนามไฟฟ้ า 5. ค่าประจุต่อมวล  e  ข้ึนอยกู่ บั ชนิดของแก๊ส แต่ไม่ข้ึนอยกู่ บั ชนิดของโลหะท่ีมาทาข้วั ไฟฟ้ า (แอโนด) m

ทอมสันจึงเสนอแบบจาลองอะตอมว่า อะตอมมีลกั ษณะเป็นทรงกลม ประกอบดว้ ยอนุภาคโปรตอน (proton) ซ่ึงมีประจุ บวกและอิเลก็ ตรอน (electron) ซ่ึงมีประจุลบ กระจายอยทู่ ว่ั ไปอยา่ งสม่าเสมอ อะตอม ในสภาพท่ีเป็นกลางทางไฟฟ้ าจะมีประจุบวกเท่ากบั จานวนประจุลบ -+ +- -+- - -+ + + แบบจาลองอะตอมของทอมสัน

แบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ลอร์ด เธอร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ไดม้ ีการศึกษาคน้ ควา้ พบวา่ สารกมั มนั ตรังสีเป็นสาร (ธาตุ)ท่ีมีสมบตั ิในการแผร่ ังสีไดเ้ อง รังสีที่เกิดจากการสลายตวั สารกมั มนั ตภาพรังสี มีอยู่ 3 ชนิด คือ 1. รังสีแอลฟา (, 4 He)‫‏‬ 2 มีประจุไฟฟ้ า +2 มีอานาจในการทะลุผา่ นนอ้ ยมาก สามารถผา่ นอากาศได้ ระยะทางประมาณ 3–5 มิลลิเมตรเท่าน้นั สามารถถกู ก้นั ไดด้ ว้ ยกระดาษ 1–2 แผน่ และเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้ า โดยเบนเขา้ หาข้วั ลบ

2. รังสีบีตา (β)‫‏‬ เป็นอนุภาคที่ประกอบดว้ ยอิเลก็ ตรอนมีประจุลบ มีมวลเท่ากบั มวลของอิเลก็ ตรอน มีอานาจทะลุผา่ นสูง สามารถผา่ นอากาศไดป้ ระมาณ 1-3 เมตร ถกู นั ไดด้ ว้ ยแผน่ โลหะ และเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้ าโดยเบนเขา้ หาข้วั บวก 3. รังสีแกมมา (γ)‫‏‬ เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ า ไม่มีประจุและไม่มีมวล มีสมบตั ิคลา้ ยรังสี เอกซ์ จดั เป็นคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ ามีอานาจในการทะลุทะลวงสูงมาก สามารถผา่ นแผน่ อะลมู ิเนียมหนา ๆ ได้ จะตอ้ งใชแ้ ผน่ ตะกว่ั หนาจึงจะสามารถก้นั ได้

การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ร่วมกบั อนั ส์ ไกเกอร์ และเออร์เนสต์ มาร์สเดน โดยการ ยงิ อนุภาคแอลฟาไปยงั แผน่ ทองคาบาง ๆ แหลง่ กาเนิด ค.อนุภาคแอลฟา 1. แสดงวา่ อนุภาคแอลฟาตอ้ งวงิ่ ไปในท่ีวา่ ง อนุภาคแอลฟา จานวนนอ้ ยมาก ของอะตอม ดงั น้นั ภายในอะตอมตอ้ งมีที่วา่ งอ ยเู่ ป็นบริเวณกวา้ ง แผน่ 2. แสดงวา่ อนุภาคแอลฟาวง่ิ ผา่ นเขา้ ไปใกลก้ บั ทองคา ส่ิงท่ีมีประจุบวก เหมือนอนุภาคแอลฟา และ ฉากเรืองแสง ข.อนุภาคแอลฟา ก.อนุภาคแอลฟา ส่ิงน้นั จะตอ้ งมีมวลมาก (รัทเทอร์ฟอร์ด ฉาบดว้ ย ZnS จานวนนอ้ ย จานวนมาก เรียกวา่ นิวเคลียส) แต่การท่ีอนุภาคแอลฟา เบี่ยงเบนไปนอ้ ยมากแสดงวา่ นิวเคลียสมี ขนาดเลก็ มาก โอกาสท่ีอนุภาคแอลฟาจะวง่ิ เขา้ ไปใกลห้ รือชนกบั นิวเคลียสจึงมีนอ้ ย 3. แสดงวา่ อนุภาคแอลฟาวงิ่ มาชนกบั นิวเคลียสในทิศทางตรงกบั นิวเคลียสพอดี จึงจะเกิดการสะทอ้ น กลบั แต่โอกาสท่ีอนุภาคแอลฟาวงิ่ เขา้ ไปชนและสะทอ้ นกลบั มีนอ้ ย นิวเคลียสมีขนาดเลก็ มีมวลมาก น่าจะประกอบดว้ ยโปรตอนมากกวา่ อิเลก็ ตรอน เพราะอิเลก็ ตรอนมีมวลนอ้ ยมาก จะไม่มีผลตอ่ การสะทอ้ นกลบั ของอนุภาคแอลฟา

รัทเทอร์ฟอร์ดจึงไดเ้ สนอแบบจาลองใหม่วา่ - “อะตอมประกอบดว้ ยนิวเคลียสท่ีมีโปรตอน - ++ ++ - รวมกนั อยตู่ รงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเลก็ แตม่ ี - - มวลมาก และมีประจุบวก ส่วนอิเลก็ ตรอนซ่ึง - มีประจุลบและมีมวลนอ้ ยมากจะเคลื่อนที่อยู่ รอบ ๆ นิวเคลียสเป็นบริเวณกวา้ ง” แบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด แบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายไม่ไดว้ า่ ทาไมโปรตอนจึง รวมอยใู่ นนิวเคลียสท่ีมีขนาดเลก็ ๆ ได้ ท้งั ๆ ที่โปรตอนเองเกิดแรงผลกั ระหวา่ ง กนั ได้ และไม่สามารถอธิบายไดว้ า่ ทาไมอิเลก็ ตรอนที่วงิ่ รอบ ๆ นิวเคลียสจึงไม่ ถกู นิวเคลียสดูดเขา้ ไปท้งั ๆ ที่มีแรงดึงดูดระหวา่ งประจุต่างกนั

การค้นพบนิวตรอนของเจมส์ แซดวกิ จากทดลองธาตุต่าง ๆ จะมีมวลอะตอมมากกวา่ มวลของโปรตอนรวมกนั เสมอ ส่วนมากแลว้ มวล อะตอมของธาตุจะมีค่าเป็น 2 เท่า หรือมากกวา่ 2 เท่า ของมวลของโปรตอนรวมกนั ท้งั หมด รัทเทอร์ฟอร์ดจึงไดส้ นั นิษฐานวา่ น่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหน่ึงอยใู่ นนิวเคลียส อนุภาคชนิดน้ีควรมี มวลใกลเ้ คียงกบั มวลของโปรตอน และมีสมบตั ิเป็นกลางทางไฟฟ้ าจึงไม่รบกวนประจุในนิวเคลียส จึงทาใหม้ วลอะตอมมีมวลเพิ่มไปจากมวลของโปรตอนรวมกนั เซอร์ เจมส์ แซควคิ ไดท้ ดลองคน้ พบอนุภาคท่ีเป็นกลางทางไฟฟ้ าในนิวเคลียสของอะตอม อนุภาคแอลฟา นิวตรอน โปรตรอน แหล่งกาเนิดอนุภาคแอลฟา แผน่ โลหะ Li, B หรือ Be พาราฟิ น จะมีอนุภาคชนิดใหม่ท่ีไม่มีประจุหลุดออกมา และมวลของอนุภาคตวั ใหม่น้ีมี คา่ ใกลเ้ คียงกบั มวลของโปรตอน จึงเรียกอนุภาคชนิดใหม่น้ีวา่ “นิวตรอน (neutron)”

แซควิคคานวณมวลของนิวตรอนได้ 1.675  10-24 g (มวลของนิวตรอนมากกวา่ 1 มวลของโปรตอนเลก็ นอ้ ย) จากการคน้ พบนิวตรอน ทาใหแ้ บบจาลองประกอบดว้ ยอนุภาคอยา่ งนอ้ ย 3 ชนิด คือ อิเลก็ ตรอน (e-) โปรตอน (p) และนิวตรอน (n) เรียกอนุภาคที่เป็นองคป์ ระกอบของอะตอมท้งั สามน้ีวา่ “อนุภาคมลู ฐานของอะตอม (fundamental particles of atoms)” “อะตอมมีลกั ษณะเป็นทรงกลม +pn - ประกอบดว้ ยโปรตอน และนิวตรอน รวมกนั อยตู่ ะรางกลางกลายเป็นนิวเคลียส และมีอิเลก็ ตรอนเคล่ือนที่อยรู่ อบ ๆ นิวเคลียส โดยมีจานวนอิเลก็ ตรอนเท่ากบั จานวนโปรตอน”

ตารางแสดงอนุภาคมูลฐานของอะตอม อนุภาค สัญลกั ษณ์ ประจุไฟฟ้ า ชนิด มวล ตาแหน่ง (คูลอมบ์)‫‏‬ ประจุไฟฟ้ า (กรัม) อิเลก็ ตรอน e- วิง่ รอบนิวเคลียส โปรตอน p 1.602  10-19 -1 9.109  10-28 n 1.602  10-19 +1 ในนิวเคลียส นิวตรอน 0 1.673  10-24 ในนิวเคลียส 0 1.675  10-24

จงเขียนเคร่ืองหมาย หรือ  หน้าข้อความต่อไปนี้ ......... 1. แบบจาลองอะตอมของดอลตนั เป็นลกั ษณะทรงกลมวา่ งเปล่า ......... 2. แบบจาลองอะตอมของทอมสนั มีลกั ษณะเป็นกลุ่มหมอก .......... 3. แซควคิ เป็นคนคน้ พบนิวตรอน ......... 4. การทดลองของมิลลิแกน ทาใหท้ ราบค่าประจุของอิเลก็ ตรอน .......... 5. อนุภาคที่ใชใ้ นการยงิ ของการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด คือ อนุภาคบีตา .......... 6. ประจุ (e-) ท่ีไดจ้ ากการทดลองของมิลลิแกนมีค่าเท่ากบั 1.602  10-19 คลู อมป์ .......... 7. รังสีที่พงุ่ ออกมาจากข้วั แคโทด คือรังสีแคโทด .......... 8. รังสีท่ีพงุ่ ออกมาจากข้วั แอโนด คือ Canal Ray .......... 9. อนุภาคมูลฐานของอะตอมประกอบดว้ ย อิเลก็ ตรอนและโปรตอนเท่าน้นั .......... 10. อนุภาคนิวตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ

การศึกษาอนุภาคมูลฐานของอะตอมและสัญลกั ษณ์นิวเคลยี ร์ สัญลกั ษณ์นิวเคลยี ร์ สัญลกั ษณ์นิวเคลยี ร์ เป็นสัญลกั ษณ์ที่แสดงจานวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม (จานวนโปรตอน จานวนอิเลก็ ตรอน และจานวนนิวตรอน) เลขมวล XA สัญลกั ษณ์ของธาตุ เลขมวล = จานวนโปรตอน + จานวนนิวตรอน Z เลขอะตอม เลขอะตอม = จานวนโปรตอน

เลขอะตอม (atomic number) เป็นค่าเฉพาะของธาตุแต่ละชนิดแสดงจานวนโปรตอนในนิวเคลียส 1 อะตอมของ ธาตุน้นั ซ่ึงอะตอมของธาตุชนิดเดียวกนั จะตอ้ งมีจานวนโปรตอนเท่ากนั เสมอ ถ้าจานวนโปรตอนเปลย่ี นไปจะเกดิ เป็ นธาตุใหม่ซ่ึงมเี ลขอะตอมเปลยี่ นไปจากเดมิ เลขอะตอม = จานวนโปรตอนซึ่งเท่ากบั จานวนอเิ ลก็ ตรอน

เลขมวล (mass number) เป็นตวั เลขแสดงผลบวกของโปรตอนกบั นิวตรอนของธาตุ ถา้ ทราบเลขอะตอมจะ สามารถหาจานวนนิวตรอนของอะตอมได้ เลขมวล = จานวนโปรตอน + จานวนนิวตรอน

ตวั อย่าง จงคานวณหาจานวนโปรตอน อิเลก็ ตรอนและนิวตรอนของธาตุต่าง ๆ ตอ่ ไปน้ี 23 Na เลขอะตอม (Z)‫‏‬ 11 11 เลขมวล (A)‫‏‬ 23 จานวนโปรตอน จานวนอิเลก็ ตรอน 11 จานวนนิวตรอน 11 23–11 = 12 35 Cl เลขอะตอม (Z)‫‏‬ 17 17 เลขมวล (A)‫‏‬ 35 จานวนโปรตอน จานวนอิเลก็ ตรอน 17 จานวนนิวตรอน 17 35–17 = 18

ไอออน (ion) คือ อนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้ า เกิดจากจานวนโปรตอนกบั จานวนอิเลก็ ตรอนภายในอะตอม แตกตา่ งกนั เนื่องจากจานวนอิเลก็ ตรอนเปลี่ยนไป ไอเกอิดอจนากบอวะกตอ(มcใaหtอ้ ioิเลnก็ )ตรอนไป ทาใหป้ ระจุไฟฟ้ าเป็นบวกเท่ากบั จานวนอิเลก็ ตรอนที่ ใหไ้ ป Na+ หรือ 23 Na+ เม่ือธาตุโซเดียมให้ 1 อิเลก็ ตรอน 11 Ca2+ หรือ 40 Ca 2+ เมื่อธาตุแคลเซียมให้ 2 อิเลก็ ตรอน 20 Al3+ หรือ 2173Al3+ เมื่อธาตุอะลูมิเนียมให้ 3 อิเลก็ ตรอน ไอออนลบ (anion) เกิดจากอะตอมรับอิเลก็ ตรอน จะมีประจุลบเท่ากบั จานวนที่รับ เกิดกบั ธาตุท่ีมีสมบตั ิเป็นอโลหะ Cl- หรือ 35 Cl− เม่ือธาตุคลอรีนรับ 1 อิเลก็ ตรอน O2- หรือ 17 เมื่อธาตุออกซิเจนรับ 2 อิเลก็ ตรอน N3- หรือ O2− เมื่อธาตุไนโตรเจนรับ 3 อิเลก็ ตรอน 16 8 3− 14 N 7

ไอโซโทน (Isotone) คือ อะตอมของธาตุต่างชนิดกนั แต่มีจานวนนิวตรอนเท่ากนั เช่น มีจานว199นFนิวตรอ1น88 Oเท่ากนั คือ 10 ธาตุท้งั สองเป็ นไอโซโทนกนั ไอโซบาร์ (Isobar) คือ อะตอมของธาตุต่างชนิดกนั มีเลขมวลเท่ากนั แตม่ ีเลขอะตอมไม่เท่ากนั เช่น 40 K 40 Ar 19 18 มีเลขมวลเท่ากนั คือ 40 ธาตุท้งั สองเป็นไอโซบาร์กนั

แบบจาลองอะตอมของโบร์ การศึกษาสเปกตรัมของสารประกอบและธาตุซ่ึงจะเกี่ยวขอ้ งกบั จานวนอิเลก็ ตรอน การจดั อิเลก็ ตรอน และพลงั งานของอิเลก็ ตรอนในอะตอมหน่ึงๆ รวมเรียกวา่ “โครงสร้างของอเิ ลก็ ตรอน” คลน่ื และสมบตั ิของคลนื่ แสง แสงเป็นคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ า แสงท่ีตามองเห็นได้ เรียกวา่ “แสงขาว” มีความยาวคล่ืน อยใู่ นช่วง 400 – 700 nm ลกั ษณะสาคญั ของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้ า คือ ความยาวคล่ืน แอมพลิจูดหรือความสูงของ คล่ืน ความถี่ และความเร็วของคลื่น

ความยาวคลื่น แอมพลิจดู คล่ืน 1 รอบ ความยาวคลน่ื (wave length) ระยะทางท่ีคล่ืนเคล่ือนที่ครบหน่ึงรอบพอดี สัญลกั ษณ์  มีหน่วยเป็น เมตร นาโนเมตร (nm) แอมพลจิ ูด (amplitude) ความสูงของยอดคล่ืน หรือ ความลึกของทอ้ งคล่ืน สัญลกั ษณ์ a

ความยาวคลื่น แอมพลิจดู ความถข่ี องคลนื่ คล่ืน 1 รอบ จานวนรอบท่ีคล่ืนเคลื่อนท่ีผา่ นจุดหน่ึงในเวลา 1 วนิ าที สัญลกั ษณ์  (นิว) มีหน่วยคือ จานวนรอบตอ่ วนิ าที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz) ความเร็วของคลน่ื ระยะทางที่คล่ืนเคล่ือนท่ีไดร้ ะยะเวลา 1 วินาที สัญลกั ษณ์ c มีหน่วยคือ เมตรต่อวนิ าที (m/s) ในสุญญากาศคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ าทุกชนิดจะมีความเร็วเท่ากนั คือ 2.9979  108 เมตรตอ่ วินาที หรือ 3  108 เมตรตอ่ วนิ าที

ความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความยาวคล่ืน ความถ่ีของคล่ืน และความเร็วของคล่ืน c =  = c λ ความยาวคลื่นแปรผกผนั กบั ความถ่ีของคล่ืน  = 1 ν ดงั น้นั คล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้ าที่มีความยาวคล่ืนส้ัน จะมีความถี่มาก คลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ าท่ีมีความยาวคล่ืนยาว จะมีความถ่ีนอ้ ย

ตัวอย่าง จงคานวณหาขอ้ มลู ต่อไปน้ี 1. ความถี่ของคลื่นแสงที่มีความยาวคล่ืน 408 นาโนเมตร = c λ  = 3  108 m/s 408  10-9 m = 7.35  1014 s-1 ตวั อย่าง ดงั น้นั คล่ืนท่ีมีความยาว 408 นาโนเมตร มีความถี่ 7.35  1014 Hz 2. ความยาวคลื่นในหน่วยเมตรและนาโนเมตร (nm) ของคล่ืนท่ีมีความถ่ี 1.015  108 Hz  = c ν  = 3  108 m/s = 3 m 1.015  108 s-1 ดงั น้นั คลื่นท่ีมีความถ่ี 1.015  108 Hz มีความยาวคล่ืน 3 เมตร 3  109 nm

เม่ือนาทุกคา่ ของช่วงความถี่หรือความยาวคลื่นของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้ ามารวมกนั จะไดส้ เปกตรัมคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ า ความยาวคล่ืนของคล่ืนวทิ ยุ > ไมโครเวฟ > คลื่นเรดาร์ > อินฟราเรด > แสงท่ีมองเห็นได้ > อลั ตราไวโอเลต > เอกซ์ > แกมมา ความยาวถ่ีของคล่ืนวิทยุ < ไมโครเวฟ < คลื่นเรดาร์ < อินฟราเรด < แสงที่มองเห็นได้ < อลั ตราไวโอเลต < เอกซ์ < แกมมา

สเปกตรัม ถา้ แสงขาวส่องผา่ นปริซึม แสงขาวจะแยกออกเป็นแสงสีต่อเน่ืองกนั เรียกวา่ สเปกตรัมของแสงขาว ตารางแสดงแสงสีต่าง ๆ ในแถบสเปกตรัมของแสงขาว สีของสเปกตรัม ความยาวคลน่ื (nm)‫‏‬ ม่วง 400 – 420 คราม – น้าเงิน 420 – 490 เขียว 490 – 580 เหลือง 580 – 590 ส้ม 590 – 650 แดง 650 – 700 สีม่วงจะหกั เหมากที่สุด และสีแดงจะหกั เหนอ้ ยที่สุด เรียกแถบสีท่ีต่อเน่ืองกนั วา่ แถบสเปกตรัม การเผาสารประกอบต่างๆ หรือโลหะ เครื่องมือสเปกโทรสโคป จะแยกสีออกเป็นหลายสี ซ่ึงแต่ละสีจะ แยกออกเป็นเสน้ เรียกวา่ เส้นสเปกตรัม ธาตุแต่ละชนิดให้สเปกตรัมทีม่ แี สงสีต่างกนั และมจี านวนเส้นสีเฉพาะตัว

พลงั งานของคลน่ื แม่เหลก็ ไฟฟ้ า การอธิบายเก่ียวกบั การเคล่ือนท่ีของอิเลก็ ตรอนจะอาศยั สมบตั ิของแสงที่เป็นไดท้ ้งั คล่ืนและอนุภาค เรียกวา่ โฟตอน มักซ์ พลงั ค์ ไดศ้ ึกษาพลงั งานของคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ า “พลงั งานของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้ าจะเป็นสดั ส่วนโดยตรงกบั ความถี่ของคลื่นน้นั ” ความสมั พนั ธส์ ามารถเขียนเป็นสมการของพลงั ค์ ไดด้ งั น้ี E = h E = พลงั งานของคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้ า หน่วย จูล (J)‫‏‬ E = hc โดย  c=λ h = คา่ คงที่ของพลงั ค์ = 6.625  10-34 จูลวินาที (Js)‫‏‬ λ  = ความถี่ของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้ า หน่วย รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)‫‏‬ c = ความเร็วของแสงในสุญญากาศ = 2.997  108 เมตรตอ่ วนิ าที 3.0 108 m/s พลงั งานแปรผนั ตรงกบั ความถี่ แต่แปรผกผนั กบั ความยาวคล่ืน

ตวั อย่าง แสงสีเหลืองมีความยาวคล่ืน 600 นาโนเมตร จะมีพลงั งานเท่าไร E= hc λ E = 6.625  10-34 Js 3  108 m/s = 3.31  10-19 J ดงั น้นั แสงสีเหลืองมีความ6ย0าว0คล่ืน106-900m นาโนเมตร มีพลงั งาน 3.31  10-19 J ตวั อย่าง แสงสีม่วงมีพลงั งาน 4.97  10-19 จูล จะมีความยาวคลื่นและความถี่เท่าไร E = c ν = h = 4.97  10-19 J = 7.5  1014 s-1 = 3  108 m/s = 4  10-7 m 7.5  1014 s-1 6.625  10-34 Js ดงั น้นั แสงสีม่วงมีพลงั งาน 4.97  10-19 J มีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร ความถี่ 7.5  1014 Hz

เส้ นสเปกตรัมของธาตุและการแปลความหมาย การเพ่ิมพลงั งานใหแ้ ก่สารโดยการเผา เม่ือมองดว้ ยตาเปล่าจะเห็นสีของเปลวไฟมีสีเด่นชดั เพยี งสีเดียว แต่ ถา้ ใชส้ เปกโทรสโคปส่องดูสีเปลวไฟ จะปรากฏเป็นเส้นหลายสี เรียกวา่ เส้นสเปกตรัม ธาตุแต่ละชนิดจะใหส้ เปกตรัมต่างกนั มีลกั ษณะและจานวนเส้นเฉพาะตวั ตารางแสดงสีของสเปกตรัมทเี่ กดิ จากการเผาธาตุบางชนดิ สารประกอบของ สีของเปลวไฟ สีของสเปกตรัม Li แดง แดง Na เหลือง เหลือง K ม่วง ม่วง Ca แดงอิฐ แดงเขม้ Sr แดงสด แดงสด Ba เขียวแกมเหลือง เขียวแกมเหลือง Cu เขียวมรกต เขียวเขม้

การเกดิ สเปกตรัมของธาตุและการแปลความหมาย สเปกตรัมต่อเน่ือง เป็นสเปกตรัมท่ีเห็นเป็นแถบสีต่อเน่ืองกนั เช่น สเปกตรัมจากดวงอาทิตย์ สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง เป็นสเปกตรัมที่เห็นเป็นเส้นไม่ต่อเนื่องกนั เช่น สเปกตรัมที่เกิดจากหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ การอธิบายการเกดิ เส้นสเปกตรัมจากการเผาสาร นีลส์ โบร์ ไดเ้ สนอขอ้ สนั นิษฐานเก่ียวกบั การเกิดเสน้ สเปกตรัมวา่ อิเลก็ ตรอนจะมีพลงั งานเฉพาะค่าๆ หน่ึงเท่าน้นั ในอะตอม เรียกวา่ ระดบั พลงั งาน (energy level) ของอิเลก็ ตรอน สถานะพนื้ (ground state) คือ ระดบั พลงั งานท่ีอะตอมจะเสถียร พลงั งานรวมของอิเลก็ ตรอนมีค่า สถานะกระตุ้น (excited state) คือ เมื่ออิเลก็ ตรอนไตด่าร้ สับุดพลงั งานเพม่ิ ข้ึน อิเลก็ ตรอนจะดดู กลืนพลงั งานไว้ ทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนถกู กระตุน้ และเคล่ือนยา้ ยไปสู่ระดบั พลงั งานท่ีสูงกวา่ อิเลก็ ตรอนจะไม่เสถียรอิเลก็ ตรอน พยายามปรับตวั กลบั คืนสู่สถานะพ้นื โดยการคายพลงั งานออกมาส่วนหน่ึงเพอ่ื ลดพลงั งานลง แลว้ กลบั สู่ระดบั พลงั งานที่ต่ากวา่

ไม่เสถยี ร E2 (สถานะกระตุน้ ) ดูดพลงั งาน = E คายพลงั งาน = E e- E1 (สถานะพ้ืน)

การเกดิ สเปกตรัมของธาตุและการแปลความหมาย ม่วง คราม น้าเงิน เขียว เหลือง สม้ แดง

การแปลความหมายสเปกตรัมของไฮโดรเจน โบร์ ไดท้ าการศึกษาเสน้ สเปกตรัมของไฮโดรเจน โดยการกระตุน้ แก๊สไฮโดรเจนดว้ ยพลงั งานไฟฟ้ าแทนการเผา E4 E3 E2 E1 E0 สเปกตรัม ความยาวคลื่น (นาโนเมตร)‫‏‬ ีส ่มวง 410 ีส ้นาเ ิงน 486 ีส ้นาเ ิงน 434 ีสอแดง 656

การเปลย่ี นแปลงระดับ เส้ น ความยาวคลนื่ พลงั งานทค่ี ายออกมา ผลต่างระหว่างพลงั งานของเส้น พลงั งานของอเิ ลก็ ตรอน สเปกตรัม (nm)‫‏‬ สเปกตรัมที่อย่ถู ดั กนั (kJ)‫‏‬ E= hc E4  E0 ม่วง 410 λ 2.7  10-23 = (E4-E3)‫‏‬ E3  E0 434 4.9  10-23 = (E3-E2)‫‏‬ E2  E0 น้าเงิน 486 4.84  10-22 10.6  10-23 = (E2-E1)‫‏‬ E1  E0 น้าทะเล 656 4.57  10-22 แดง 4.08  10-22 3.02  10-22 1. เม่ืออิเลก็ ตรอนไดร้ ับพลงั งานที่เหมาะสม จะข้ึนไปอยใู่ นระดบั พลงั งานที่สูงกวา่ ในระดบั พลงั งาน ใหม่จะทาใหอ้ ะตอมไม่เสถียร อิเลก็ ตรอนจึงกลบั มาอยใู่ นระดบั พลงั งานท่ีต่ากวา่ ซ่ึงการเปล่ียนตาแหน่ง อิเลก็ ตรอนจะคายพลงั งานออกมาเป็นคล่ืนแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ าและตอ้ งมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของพลงั ค์ 2. การเปล่ียนระดบั พลงั งานของอิเลก็ ตรอนไม่จาเป็นตอ้ งเปลี่ยนระหวา่ งระดบั พลงั งานท่ีอยตู่ ิดกนั อาจมีการเปล่ียนขา้ มระดบั พลงั งานกไ็ ด้ 3. ระดบั พลงั งานที่อยตู่ ่าจะอยหู่ ่างกนั มากกวา่ ระดบั พลงั งานสูง ระดบั พลงั งานยงิ่ สูงข้ึนจะอยชู่ ิดกนั มากข้ึน