เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอม บทที่ 1 โครงสรางอะตอม Atomic Structureแนวคิดในการพัฒนาแบบจําลองอะตอม จากการศกึ ษาปฏกิ ิรยิ าเคมีพบวา บางปฏิกริ ยิ าเกดิ งาย บางปฏิกิรยิ าเกิดยาก เพราะฉะนั้นปฏิกริ ยิ าเคมที เ่ี กดิ ขนึ้ นาจะเกย่ี วขอ งกับโครงสรางภายในของสาร (Democritus) ประมาณ 500 ปกอ นคริสตศักราช นกั ปราชญช าวกรีกชื่อ ดิโมเครตสุ (Democritus) และลาซิปปสุ(Leucippus) เชอ่ื วา เมื่อยอยสารลงเรอื่ ยๆจะไดสว นทเ่ี ล็กทส่ี ุดซงึ่ ไมส ามารถทาํ ใหเ ล็กลงกวา เดิมไดอกี และเรยี กอนุภาคท่เี ล็กทสี่ ุดวา “อะตอม” (atom มาจากภาษากรกี คําวา atomos แปลวาแบง แยกอกี ไมได) และสง่ิท่เี ล็กทีส่ ุดน้ขี องแตละธาตตุ า งกันจงึ ทําใหส มบตั ิตางๆของแตล ะธาตุแตกตา งกนั ไปดวย แตค วามเชอ่ื น้ไี มไ ดรับการยอมรับจากนกั ปราชญท่ีมชี อ่ื เสียงในสมยั นน้ั (Plato และ Aristotle) แบบจําลองอะตอมเปนมโนภาพทีน่ กั วิทยาศาสตรสรางขน้ึ โดยอาศยั ขอ มูลท่ไี ดจากการทดลอง เพ่อือธิบายสมมติฐานที่ต้ังขึน้ แบบจําลองอะตอมท่สี รางขึ้นมานั้นสามารถปรับปรุงและพัฒนาเม่อื พบขอมลู ใหมทีแ่ บบจําลองเดิมไมสามารถอธิบายไดแบบจาํ ลองอะตอมของดอลตัน ในป ค.ศ. 1808 John Dalton ครสู อนวิทยาศาสตรศาสตร คณติ ศาสตร และนักปรัชญา ชาวอังกฤษไดเสนอแนวคิดเก่ียวกับอะตอมท่ีเรยี กวา ทฤษฎีอะตอม มีใจความสาํ คญั วา 1. สสารทุกชนดิ ประกอบดวยอนุภาคทเ่ี ล็กท่สี ดุ ซึ่งไมสามารถแบงแยกตอไปไดอกี เรียกวา atom 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ยอมมสี มบัตเิ หมอื นกันทุกประการ(เชนมมี วลเทากนั ) และมสี มบัติ แตกตา งจากอะตอมของธาตุอนื่สาขาวิชาเคมี -1- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เร่อื ง โครงสรางอะตอม 3. ไมส ามารถทาํ ใหอ ะตอมสญู หายหรอื เกิดใหมไ ด (กฎทรงมวล Law of conservation mass) 4. สารประกอบเกิดจากการรวมตวั ทางเคมีระหวางอะตอมของธาตตุ ัง้ แตสองชนิดข้นึ ไป และ จํานวนอะตอมของธาตุทีร่ วมตัวกันจะเปนอตั ราสวนตัวเลขลงตัวนอยๆ(กฎสดั สวนคงท่ี Law of multipleproperties) Dalton เสนอมโนภาพของแบบจําลองอะตอมวา อะตอมมีลกั ษณะทรงกลมตัน มขี นาดเลก็ มาก และไมสามารถแบงแยกไดอ กี เม่ือนกั วิทยาศาสตรไดทาํ การทดลองคนควาไดขอมูลเก่ยี วกับอะตอม มากข้นึ พบวา แบบจําลองของ Dalton ไมส ามารถอธบิ ายได เชน 1. ทาํ ไมอะตอมของธาตุตางกันจงึ มมี วลตางกนั 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมสี มบตั ิตางกนั ได (เชน ไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป 1H, 2H และ 3 H เปนธาตุชนิด เดียวกัน แตมมี วลตางกัน) 3. ทาํ ไมธาตจุ งึ มีความวอ งไวในการเกดิ ปฏกิ ิริยาตางกนั 4. ทาํ ไมธาตุหนง่ึ ๆทําปฏกิ ิรยิ าไดเ ฉพาะบางธาตุ 5. อะตอมทาํ ใหเกิดขนึ้ ใหมห รอื เปลี่ยนไปเปนอะตอมของธาตุอืน่ ได หรือสามารถสงั เคราะหอ ะตอม ของธาตุใหมไดโดยอาศยั ปฏกิ ิรยิ านวิ เคลยี รดว ยสาเหตุดงั กลา วจึงทาํ ใหม ผี ูศกึ ษาคนควาแบบจาํ ลองอะตอมใหมเ พอ่ื อธบิ ายสง่ิ ท่เี กิดข้นึอเิ ล็กตรอน ในป 1890 นักวิทยาศาสตรพ ยายามทจ่ี ะศกึ ษา Radiation เชนการปลดปลอยคลืน่ แสง การเรอื งแสงการเคลื่อนที่ของแสงในอวกาศ ซง่ึ งานวจิ ยั เหลา นที้ าํ ใหเ รามคี วามเขา ใจเก่ยี วกับโครงสรา งอะตอมไดม ากข้นึเชน การถายโอนของประจุ บวกและลบ แมเหลก็ ไฟฟา ฟารองฟาผา ซง่ึ ปรากฏการณห นึง่ ของการนาํ ไฟฟาของอากาศหลอดรังสีแคโทดของ William Crookes จากปรากฎการณธรรมชาติทแี่ สดงใหเ หน็ วา gas นาํ ไฟฟา ไดคือ ปรากฎการณฟ ารอง ฟาผา นกั วทิ ยาศาสตรจ ึงไดท ําการทดลองเพอ่ื อธบิ ายการนําไฟฟาของ gas พบวา ท่ีความดนั 1 บรรยากาศ(1 atm) อากาศจะไมนาํ ไฟฟา แตถ า ลดความดนั ลง และเพมิ่ ความตา งศักยร ะหวางขัว้ มากๆ gas จะนาํ ไฟฟาไดดี William Crookesสาขาวชิ าเคมี -2- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอม William Crookes ไดป ระดิษฐอปุ กรณเพื่อจําลองปรากฎการณฟ ารอง ฟาผา ประกอบดวยหลอดแกวท่บี รรจุ gas ความดันตาํ่ มขี ั้วไฟฟาเปน แผน โลหะ(Electrode) 2 ข้ัว ตอเขากบั เครอ่ื งกําเนิดไฟฟาทม่ี คี วามตางศกั ยสงู (10,000 -20,000 volte) แผนโลหะดานไฟฟา ลบเรียกวา ข้วั cathode แผนโลหะดานไฟฟา บวกเรยี กวา ขั้ว anode และยงั ไดวางฉากเรืองแสง (ZnS ซิงคซลั ไฟด) ขนานไปตามยาวหลอด ดังรปู หลอดรังสีแคโทดของ William Crookesจากผลการทดลองของ Crookes พบวา1. ที่ความดัน 1 บรรยายกาศ ไมเ หน็ การเปลยี่ นแปลงใดๆ2. เมอ่ื ลดความดนั ลง gas ภายในหลอดแกวจะเรอื งแสง3. เมอื่ ลดความดันลงมากๆ บริเวณ anode จะเรืองแสงมาก4. เมื่อนาํ กังหนั หมุนไดไ ปไวระหวางขั้ว anode และ cathode ใบพัดจะหมุนได5. เมื่อนําฉากเรอื งแสง ZnS ไวระหวางขัว้ anode และ cathode ฉากดานท่ีหนั ไปทางขว้ั cathode เรืองแสงและเกดิ เงาสาขาวิชาเคมี หลอดรังสแี คโทดของ William Crookes ดดั แปลงใสก ังหนั ไวด านใน -3- โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรือ่ ง โครงสรา งอะตอม หลอดรังสแี คโทดของ William Crookes ดดั แปลงใสฉากก้นั เพอื่ แสดงการเกิดเงา เพราะฉะนน้ั จึงสามารถกลาวไดว ามีรังสีชนดิ หนึง่ พงุ ออกมาจากข้วั cathode เปน เสนตรงมายงั ขว้ัanode เรยี กรงั สีนว้ี า Cathode ray Cathode ray ประกอบดว ยอนุภาคไฟฟาท่มี ีประจลุ บและมีมวลเพราะสามารถทําใหใบพัดของกงั หันหมนุ ไดแบบจาํ ลองอะตอมของทอมสัน Sir Joseph John Thomson นักวทิ ยาศาสตรช าวองั กฤษไดร วบรวมนาํ การศึกษาดานตางของท่ีมีผสู นใจคน ควาในสาขาตา งๆ มารวมกันเปน แบบจําลองอะตอมใหม เพอ่ื อธิบายปรากฎการณทแ่ี บบจาํ ลองอะตอมของดอลตนั ไมส ามารถอธบิ ายได การทดลองท่สี าํ คญั คอื 1. หลอดรงั สแี คโทดของ William Crookes 2. หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph Jhon Thomson 3. การหาคาประจุของอิเลก็ ตรอนโดยวธิ ีเมด็ น้าํ มัน ของ Robert Andrews Millikan 4. หลอดรังสแี คโทดของ Eugen Goldstrin หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph John Thomson ค.ศ. 1897 (พ.ศ. 2440) Sir Joseph Jhon Thomson นกั วิทยาศาสตรช าวอังกฤษ ไดดดั แปลงหลอด รังสแี คโทด Sir Joseph John Thomsonสาขาวชิ าเคมี -4- โรงเรียนมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรื่อง โครงสรา งอะตอม หลอดรังสีแคโทดของ Thomson ดัดแปลงมาจาก William Crookes เดิม พบวา เมื่อลดความดนั ลงจนเกือบเปน สญู ญากาศ จะมจี ุดสวา งบนฉากเรอื งแสง Thomson จึงต้งัสมมุติฐานวา รังสี cathode เปนอนภุ าคทม่ี ปี ระจุ ดงั นนั้ อนุภาคควรจะเบยี่ งเบนในสนามแมเหล็ก และสนามไฟฟา เมอ่ื นําสนามไฟฟา ภายนอก มาลอ จุดสวางบนฉากเรอื งแสงจะ เบย่ี งเบนเขาหาขัว้ บวกเสมอ เพราะฉะนั้น Thomson จึงสรปุ วา รังสี Cathode ประกอบดวยอนุภาคลบท่ี เคล่ือนท่ีออกจากขั้ว cathode ใน ลักษณะรงั สีหลอดรังสีแคโทดของ Thomson ดดั แปลงตอ ขว้ั ไฟฟาไวThomson ไดทาํ การทดลองตอ โดย 1. เปลี่ยน gas ภายในหลอดรังสี cathode โดยโลหะที่ทาํ ข้วั ยังคงเดิม พบวาไดผ ลการทดลอง เชน เดิม 2. เปลยี่ นโลหะทีใ่ ชท ําขั้ว เปนโลหะชนดิ ตางๆ แตใ ช gas ชนดิ เดมิ พบวา ไดผ ลการทดลอง เชน เดิม สรุปไดว า ไมว าจะบรรจุ gas ชนดิ ใด หรอื ใชโลหะชนิดใดมาทําข้วั หลอดรงั สี cathode จะใหร งั สีcathode ทีเ่ ปนอนภุ าคลบเหมือนกนัสาขาวชิ าเคมี -5- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอื่ ง โครงสรางอะตอม Thomson ไดท ําการทดลองตอ โดยนําหลอดรงั สี cathode วางไวใ นสนามแมเหล็กและสนามไฟฟาท่ตี ้งั ฉากกนั ดงั รูป หลอดรังสีแคโทดของ Thomson ดดั แปลงเพือ่ ใชท ําการทดลองหาคาประจตุ อมวล จากน้ันคอ ยๆเพิม่ อํานาจสนามแมเหลก็ จนรงั สี cathode ไมมกี ารเบยี่ งเบน แสดงวาขณะน้นั ความแรงของสนามไฟฟามคี าเทา กับความแรงสนามแมเ หล็ก Thomson อาศัยคา ความแรงของสนามแมเ หล็กและความแรงของสนามแมเ หลก็ ท่ีกระทําตออนภุ าคลบในรงั สี cathode หาอตั ราสว นประจุตอมวล (e / m)ของอนุภาค ได e / m = 1.759 x 108 คลู อมบตอกรัม Thomson จงึ สรปุ วา อนุภาคไฟฟา ทม่ี ีประจลุ บเปน องคประกอบของอะตอมของธาตทุ ุกชนดิ และเรียกช่อื อนุภาคน้ีวา Electron จากการทดลองของ Thomson จึงคานแบบจําลองอะตอมของ Dalton “อะตอมไมใ ชสงิ่ ทเี่ ลก็ ท่ีสุด แตประกอบดวย electron และอนุภาคอืน่ ”การหาคา ประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธเี มด็ น้าํ มัน ของ Robert Andrews Millikan ในป ค.ศ. 1909 (พ.ศ. 2452) Robert Andrews Millikan นักวิทยาศาสตร ชาวอเมริกัน ไดทดลองหาคาประจขุ องอิเลก็ ตรอนโดยวิธีเมด็ นาํ้ มนั (Oil-drop experiment)สาขาวิชาเคมี -6- โรงเรยี นมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เร่อื ง โครงสรา งอะตอม การทดลอง หาคาประจุของอเิ ล็กตรอนโดยวธิ ีเมด็ นา้ํ มนัเมื่อพนละอองเม็ดน้าํ มันเขาไป หยดนาํ้ มนั จะเคล่อื นท่ีจากบนลงลางตามแรงดงึ ดูดของโลก แตเ ม่ือฉาย X-ray จะทําใหอ ากาศภายในแตกตวั เปนอนภุ าคบวกและลบ ไปเกาะบนหยดนาํ้ มนั ทําใหหยดนํ้ามนัเกดิ ประจุ (ในการทดลองนีจ้ ะศึกษาเฉพาะหยดนาํ้ มันทมี่ ปี ระจลุ บเทานนั้ ) ดงั นน้ั เมื่อใสส นามไฟฟาเขาไปหยดน้ํามันท่ีมีประจุลบเกาะอยจู ะเคลื่อนท่ีลงมาชาลง เพราะข้วั บวกที่อยูดานบนดึงดูดเอาไว จากน้ันปรบัสนามไฟฟาจนกระทั่งแรงดึงดดู จากสนามไฟฟา (ดานบน) กบั แรงดงึ ดดู ของโลกมีคาเทา กนั หยดน้าํ มนั จะลอยน่งิ นน่ั คอืจากสมการ F1 = mg (1)เมอ่ื ถา m = มวลของหยดนํ้ามนั g = แรงดงึ ดูดของโลก F1 = แรงดงึ ดูดของโลกที่กระทําตอหยดนาํ้ มันและจากสมการ F2 = Eq (2)เมื่อ q = ประจบุ นหยดน้าํ มัน E = สนามไฟฟา F2 = แรงทส่ี นามไฟฟา กระทาํ ตอ ประจบุ นหยดนํา้ มันเมือ่ หยดน้ํามนั ลอยนิง่ สมการท่ี 1 = สมการท่ี 2 F1 = F2 mg = Eq q = (mg) / Eคา m และ E หาไดจ ากเครอื่ งมือที่ใช Millikan พบวา ประจบุ นเม็ดน้าํ มนั มีคา เปนเลขจาํ นวนเตม็ คณู ดวย 1.602 x 10-19 คูลอมบ (coulomb) Millikan จงึ นับคาประจไุ ฟฟา ของเมด็ น้าํ มนั ท่ีนอยสุดวา มคี า= 1 x 1.602x10-19 คูลอมบว า เปน ประจุของเมด็ น้ํามนั เมื่อมีอิเล็กตรอน 1 ตวัเพราะฉะนั้น ประจขุ องอเิ ลก็ ตรอนมคี า = 1.602 x 10-19 coulombสาขาวิชาเคมี -7- โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอมการหาคา มวลของอเิ ลก็ ตรอนเมอื่ ทราบคาประจุไฟฟา ของอิเล็กตรอน ก็สามารถนํามาแทนคา ในสมการของ Thomson e / m = 1.759 x 108 coulomb / gสมการของ Thomson = 1.602 x 10-19 coulombแทนคา e จาก Millikan e 9.11 x 10-28 gจะไดมวลของ electron m=หลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstein (การคน พบ Proton ) การทอี่ ะตอมทกุ ชนดิ มี electron เปน องคป ระกอบ แตอ ะตอมมคี ณุ สมบตั เิ ปน กลางทางไฟฟา ทาํ ใหนกั วิทยาศาสตรเชอื่ วาจะตอ งมีอนุภาคทีม่ ีประจุไฟฟาเปน บวกเปน องคประกอบ ในป ค.ศ. 1889 (พ.ศ.2429) Eugen Goldstrin นกั ฟส ิกสชาวเยอรมัน ไดดดั แปลงหลอดรังสี cathode ดังรูป หลอดรังสแี คโทดของ Eugen Goldstrin โดยเลอ่ื น cathode และ anode ทเ่ี จาะรูมาไวเ กือบตรงกลาง และมฉี ากเรอื งแสงอยูท่ปี ลายท้งั สองขาง เม่ือผานกระแสไฟฟาศกั ยส งู เขา ไป ปรากฎวา มีแสงสวางเกิดข้นึ บนฉากเรอื งแสงทง้ั สอง ตรงกับตาํ แหนงที่เจาะรไู ว แสดงวา มรี ังสจี ากข้วั anode ไปขว้ั cathode ผา นรูตรงกลางท่ีเจาะไวไปกระทบกับฉากเรืองแสง รงั สีนีจ้ ะเกดิ ขนึ้ พรอ มๆกับ cathode ray เรียกรังสที ี่พบใหมว า positive ray หรอื anode ray หรือcanal ray เมอื่ ทดลองหลายครั้งโดยเปล่ยี นชนิดของ gas ในหลอด พบวาอนภุ าคท่ีมีประจบุ วกเหลานม้ี ีอัตราสว นประจตุ อ มวลไมค งที่ และจะขนึ้ อยกู ับชนิดของ gas ท่ีบรรจใุ นหลอด แตถาใช gas ชนิดเดิมแลวเปลยี่ นชนดิ ขว้ั โลหะท่ที าํ anode พบวา อัตราสวนประจุตอมวลมีคาคงเดมิ Goldstien ไดสรุปผลการทดลองวา อัตราสว นประจุตอมวลข้นึ อยูกบั ชนิดของ gas (gas ตา งชนดิกนั จะมมี วลตา งกนั ) เมื่อใช Hydrogen gas จะไดอ นุภาคบวก (H+(g)) มคี า ประจุตอมวลมากทสี่ ดุ โดยทอี่ นุภาคบวกนีม้ ีคา ประจเุ ทา กับ electron (ทาํ ใหม วลของอนุภาคบวกดงั กลาวมีคาตํา่ สุด) จึงเรียกอนุภาคบวกหรอื ไอออนบวกจาก Hydrogen gas วา Proton ซึง่ มาจากภาษากรกี วา Proteinos ซ่ึงมคี วามหมายวา เปน ส่งิ สาํ คญั ส่ิงแรก (first importance)สาขาวชิ าเคมี -8- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรือ่ ง โครงสรา งอะตอมคําถามใหนกั เรยี นเปรยี บเทยี บความแตกตางระหวา ง cathode ray กับ Positive ray Cathode ray Positive ray การเกดิ ชนดิ ของประจุ ทศิ ทางการเบย่ี งเบนในสนามแมเหลก็คา e / m เมอ่ื เปลีย่ นชนิด gas Thomson เสนอแบบจาํ ลองอะตอมวา อะตอมมี แบบจาํ ลองอะตอมของ Thomsonลักษณะเปน ทรงกลม ประกอบดวยอนุภาคโปรตอนท่มี ีประจุบวกและอเิ ล็กตรอนทมี่ ีประจุลบกระจายอยทู ั่วไปอยางสมํา่ เสมอ อะตอมในสภาวะเปน กลางจะมีประจบุ วกเทา กับประจุลบ นอกจากน้ยี ังหาคา e /m ของ hydrogen gas หรือproton ไดเทา กับ 9.58 x 104 coulomb/ g แทนคา e =1.6 x 10-19 จะไดค ามวลของ proton = 1.66 x 10-24 g เมื่อเปรยี บเทียบมวลของproton กับมวลของ electron พบวามวลของ protonจะมคี ามากกวามวลของ electron ประมาณ1800 เทาแบบจําลองอะตอมของรัทเทอรฟอรด หลังจากนักวทิ ยาศาสตรช าวฝรัง่ เศส Henri Becquerel ไดพบสารกัมมนั ตรังสี และเรนิ ตเ กน (W.K.Rontgen) คน พบ X-ray Lord Ernest Ruthetford นกั วทิ ยาศาสตรช าวนวิ ซีแลนดไ ดทาํ การการศกึ ษาธรรมชาตขิ องรังสที ่ีเกิดจากสารกัมมันตรังสี พบวา มี 3 ชนิด คือ 1. รังสี เอลฟา ( α-ray) ประกอบดว ยอนุภาคทม่ี ีประจไุ ฟฟาเปน บวก (+2) เปนนวิ เคลียสของอะตอมของธาตฮุ เี ลียม คือประกอบดวย Proton 2 ตวั และ Neutron 2 ตัว ( 4 He ) อํานาจผา นทะลุวัตถุได 2นอ ยมาก ถกู ก้นั โดยกระดาษเพียงแผนเดียวหรอื สองแผน 2. รงั สีเบตา (β-ray) ประกอบดว ยอิเล็กตรอนทม่ี ีพลงั งานสูง มอี าํ นาจการผา นทะลุสูงกวารังสีเเอลฟา ถกู กน้ั โดยใชแผนโลหะบางๆ 3. รังสีแกมมา (γ-ray) แสดงสมบัติเปนคลื่นแมเหล็กไฟฟาท่มี ีความยาวคล่ืนสนั้ มากคลา ย X-rayรังสแี กมมาไมมีมวลไมม ปี ระจุ มีอาํ นาจผา นทะลสุ งู ถกู ก้ันไดโ ดยแผน ตะกั่วหนาสาขาวิชาเคมี -9- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่อื ง โครงสรา งอะตอม กมั มันตรังสี ทีพ่ บท้งั 3 ชนิด ค.ศ. 1911(พ.ศ. 2454) Lord Ernest Ruthertford และ ฮันส ไกเกอร (Hans Geiger) และเออรเ นสต มารส เดน (Ernest Marsden) รวมกันทดลอง เก่ียวกับทศิ ทางของการเคลอ่ื นทข่ี องอนุภาคแอลฟาท่ีประเทศอังกฤษ ในการ ทดลอง Rutherford ไดใ ชอ นภุ าคแอลฟายิงไปยังแผน โลหะทองคําบางๆ และใช ฉากเรอื งแสง ZnS เปน ฉากรับ ดังรูป แผนภาพแสดงการทดลองการยงิ อนภุ าคแอลฟาไปยงั แผน ทองคํา จากผลการทดลอง การตรวจสอบทิศทางของอนุภาคแอลฟา จะใชฉากเรืองแสงทีท่ ําดว ยซิงคซ ลั ไฟด เมอ่ื อนุภาคแอลฟากระทบกบั ฉากจะปรากฏแสงสวา งแวบข้ึน จากการทดลองพบวา อนุภาคแอลฟาสวนมากจะวงิ่ ผานแผนทองคาํ ไปกระทบฉากเรืองแสงที่จุด A และมอี นภุ าคแอลฟาจาํ นวนหน่งึ เบนออกจากเสนตรงทาํ ใหเกดิการเรอื งแสงทีจ่ ดุ B และ Cสาขาวชิ าเคมี -10- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอื่ ง โครงสรา งอะตอม จากการทดลองของ Rutherford ไมส ามารถใชแบบจําลองของ Thomson อธิบายได เพราะตามแบบจําลองอะตอมของ Thomson อะตอมของแผน ทองคาํ จะมี Proton และ electron กระจายอยทู ่วั ทัง้อะตอม ถา แบบจาํ ลองอะตอมของ Thomson ถกู ตอ ง เมือ่ ยิงอนุภาคแอลฟาท่มี ปี ระจุบวกเขา ไปในแผนทองคาํ อนุภาคของแอลฟาจะทะลุผานแผนทองคําและเกดิ การเรอื งแสงทจ่ี ุด A เทานัน้ และตอ งไมเกิดการเรืองแสงทจี่ ดุ B และ C แตจากผลการทดลองของ Rutherford ปรากฎวาอนุภาคแอลฟาสว นใหญวิง่ ผานแผนทองคําเปนเสนตรง และมีสว นท่เี บี่ยงเบนออก และบางสวนสะทอ นกลบั แสดงวาแบบจาํ ลองของ Thomson ไมสอดคลองกับผลการทดลอง Rutherford อธิบายผลการทดลองดงั น้ี 1. การท่อี นภุ าคแอลฟาสวนใหญว ง่ิ ผานแผนทองคาํ เปน เสนตรงแสดงวา อะตอมไมใชข องแข็งทบึ ตนั แตภายในอะตอมมที วี่ า งอยมู าก (ผลการทดลอง จุด A เปนจดุ ท่ีรงั สีแอลฟาผา นชองวา งใน อะตอมไปยังฉากมาก จดุ นเ้ี รืองแสงมาก แสดงวาอะตอมมีชอ งวางมาก) 2. อนุภาคแอลฟาบางอนภุ าคท่หี ักเหออกจากทางเดมิ เพราะภายในอะตอมมีอนุภาคที่มมี วลมากและ มปี ระจุเปนบวกสูง มขี นาดเลก็ ดงั น้นั เมือ่ อนภุ าคแอลฟาเขาใกลอนุภาคนจ้ี ะถูกผลกั ใหเ บนออก จากทางเดิม หรือเมอ่ื นุภาคแอลฟากระทบโดยตรงก็เกดิ การสะทอ นกลับ (เกิดการเรืองแสงท่ีจดุ B และ C ) ดงั นนั้ เพื่ออธิบายผลการทดลอง Rutherford จงึ เสนอแบบจาํ ลองอะตอมข้นึ มาใหมดงั น้ี อะตอมประกอบดว ยโปรตอนซ่งึ รวมตัวเปนนวิ เคลียสอยตู รงกลาง นิวเคลียสมขี นาดเล็กมากแตม ีมวลมากและมีประจุบวก สว น electron ท่มี ีประจลุ บและมมี วลนอ ยมากวิง่ อยูรอบๆนวิ เคลยี สเปนบรเิ วณกวา ง แบบจาํ ลองอะตอมของ Rutherfordสาขาวิชาเคมี -11- โรงเรียนมหิดลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอื่ ง โครงสรา งอะตอม การอธบิ ายการทดลองโดยใชแบบจาํ ลองอะตอมของ thomsonอนภุ าคมลู ฐานของ atom จากการศกึ ษาแบบจําลองอะตอมของ Rutherford ทําใหทราบวาอะตอมประกอบไปดวยอเิ ลก็ ตรอน และโปรตอน โดยอเิ ลก็ ตรอนจะวิ่งอยูรอบๆ สวนโปรตอนจะรวมกันอยูตรงกลางเรยี กวานวิ เคลยี ส และมวลของโปรตอนมีคามากกวา มวลของอเิ ล็กตรอนอยูป ระมาณ 1800 เทา จงึ สามารถกลา วไดวา มวลอะตอม = มวลของนิวเคลยี ส = มวลรวมของ proton แตจ ากการหามวลอะตอมของธาตตุ างๆพบวา มวลอะตอมของธาตยุ กเวน H มคี า มากกวา มวลของนิวเคลยี ส มากกวาเทา กบั 2 เทา ทําให Rutherford สนั นิษฐานวา ภายในนวิ เคลียสนาจะมีอนุภาคอกี ชนดิหน่ึงซึง่ มีมวลใกลเ คียงกบั Proton และเปน กลางทางไฟฟา ในปค .ศ. 1930 (พ.ศ. 2473) W. Bothe และ H. Becker นักเคมีชาวเยอรมันไดทดลองใชอนุภาคแอลฟายิงแผนโลหะแบรเิ ลย่ี ม (Be) ปรากฎวา เกิดรังสีชนิดหน่ึงทีม่ อี าํ นาจทะลผุ านไดด ี และรังสนี ้เี มอื่ ชนกบั โมเลกุลของพาราฟนจะได Proton ออกมา ตอมาในป ค.ศ. 1932(พ.ศ. 2475) JamesChadwick นักวทิ ยาศาสตรองั กฤษไดเสนอวา รงั สีที่ชนแผน พาราฟนจนไดProton ออกมาแสดงวาอะตอมจะตองประกอบไปดว ยอนภุ าคมากกวาโปรตอนและอเิ ลก็ ตรอน และต้งั ชอ่ื ใหอนภุ าคใหมท พ่ี บวา neutronนอกจากน้ี chadwick ยงั ไดพสิ ูจนวา อนุภาค neutron ไมมี James Chadwickสาขาวิชาเคมี -12- โรงเรยี นมหิดลวิทยานสุ รณ (องคการมหาชน)
James Chadwick เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอม ประจุ และคํานวณไดวา neutron มีมวลใกลเคียงกับ Protonการคนพบนวิ ตรอนของแชดวิค (ก) การทดลองยิงอนภุ าคแอลฟาผา นแผนโลหะ (ข) กอ นและหลงั การยิงอะตอมเบริลเลียมดวยอนุภาคแอลฟาปฏกิ ริ ิยานวิ เคลยี รท ี่เกดิ ขน้ึ เขียนไดดงั สามการ 12C + 1n 9Be + 4Heจากการคนพบ neutron ทาํ ใหท ราบวา atom ประกอบดว ยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ1. Electron คนพบ โดย Thomson2. Proton คนพบโดย Glodstien3. Neutron คนพบโดย Chadwickอนภุ าคทั้ง 3 ชนิดนเี้ รยี กวา อนภุ าคมลู ฐานของอะตอม ซง่ึ มสี มบัติ ดงั นี้อนุภาค สัญลักษณ มวล(กรัม) เปรียบเทยี บ ประจไุ ฟฟา ชนดิ ของประจุ มวลกับ อเิ ลก็ ตรอน (คลู อมบ) ไฟฟาอิเล็กตรอน e 9.109x10-28 1 1.602x10-19 -1 1.602x10-19 +1โปรตอน p 1.672x10-24 1836 0 -นวิ ตรอน n 1.674x10-24 1839สาขาวชิ าเคมี -13- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอมไอโซโทป คือธาตุทีม่ ีเลขอะตอมเหมือนกนั แตม ีเลขมวลตางกนั หรือธาตุท่ีมจี าํ นวน Proton เทา กัน แตม ี จาํ นวน neutron ตางกันเชน 11H (โปรเทยี ม, สญั ลักษณ H) 12H (ดิวทเี รียม, สัญลกั ษณ D) 13H (ทริเทียม, สญั ลักษณ T) H2O D2O (heavy water) T2Oการหาไอโซโทป จะใชเครื่องมือทีเ่ รียกวา Mass spectrometerสาขาวิชาเคมี แผนผังแสดงหลกั การของ เคร่อื ง Mass Spectrometer -14- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เร่ือง โครงสรา งอะตอมวธิ กี าร: เรง ไอออนบวกผา นชอ งแคบเขา ไปในสนามแมเหล็ก ทิศทางของอนุภาคจะโคง เบน การเบนไดมากนอยเพียงใดขึ้นอยกู ับมวลและประจุ¾ ถาประจุเทากัน : อนุภาคท่มี มี วลเบาจะเบนไปมากกวาอนุภาคท่ีมีมวลหนกั (หาไอโซโทป)¾ ถามวลเทา กัน : อนุภาคท่ีมีประจุมากจะเบนไปมากกวาอนุภาคท่ีมปี ระจุนอ ย (หาเลขออกซิเดชัน)เลขอะตอม เลขมวล และสัญลักษณน ิวเคลียรเลขอะตอม (Atomic number) ใชสัญลักษณเปน Z หมายถึง ตวั เลขทแ่ี สดงจาํ นวนโปรตอนท่มี ีอยูในนิวเคลยี สของธาตุ อะตอมของธาตุชนิดหนึ่งๆ จะมจี ํานวนโปรตอนเฉพาะตวั ไมซ ้าํ กบั ธาตุอน่ื ๆ ธาตชุ นดิเดยี วกันจะตอ งมจี ํานวนโปรตอนหรือเลขอะตอมเทากันถา อะตอมเปนกลาง จํานวนอเิ ล็กตรอนเทากบั จํานวนโปรตอน∴ เลขอะตอม = จํานวนโปรตอน = จํานวนอิเล็กตรอนแตถา อะตอม ไมเปนกลาง จาํ นวนอิเล็กตรอนจะไมเทากบั โปรตอนเชน ไอออนบวกจะมโี ปรตอนมากกวา อเิ ล็กตรอน ไอออนลบจะมโี ปรตอนนอ ยกวา อเิ ล็กตรอน∴ เลขอะตอม = จํานวนโปรตอน ≠ จาํ นวนอิเลก็ ตรอนเลขมวล (Mass number) ใชส ัญลกั ษณเปน A หมายถงึ ผลรวมของจํานวนโปรตอน และนิวตรอนในนวิ เคลียส เลขมวลไมใชเลขมวลอะตอม เลขมวลจะตอ งเปนจํานวนเต็มเสมอ แตม วลอะตอมอาจจะเปนเลขจาํ นวนเต็มหรอื ไมก็ไดสญั ลกั ษณน ิวเคลยี ร (Nuclear symbol) เปนสง่ิ ทีใ่ ชเ ขยี นแทนโครงสรางของอะตอมโดยบอกรายละเอียดเกี่ยวกับจาํ นวนอนุภาคมลู ฐานของอะตอม วธิ กี ารเขียนตามขอตกลงสากลคือเขียนเลขอะตอมไวมมุ ลา งซายและเลขมวลไวมมุ บนซายของสัญลักษณข องธาตุเขยี นเปนสตู รทวั่ ไปไดดังนี้ สญั ลักษณน ิวเคลียร = A X Z X คือ สญั ลักษณข องธาตุ ถาให n = จํานวนนวิ ตรอน จะสามารถหาความสมั พนั ธร ะหวางเลขอะตอม เลขมวล และจาํ นวนนวิ ตรอนไดด งั น้ี เลขมวล = เลขอะตอม + จํานวนนวิ ตรอน A = Z +n ดังนนั้ สัญลักษณน ิวเคลยี รจึงทําใหทราบวาธาตุดงั กลาวนั้นมอี ิเลก็ ตรอน โปรตอน และนวิ ตรอนอยางละเทา ใดสาขาวิชาเคมี -15- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอมไอโซโทป ไอโซโทน และไอโซบาร ไอโซโทป (Isotope) หมายถงึ อะตอมของธาตชุ นิดเดยี วกนั ทม่ี ีโปรตอนเทา กนั (หรืออิเลก็ ตรอนเทากนั ) แตมเี ลขมวลและจํานวนนิวตรอนตางกนั (หรอื มีมวลตา งกนั ) อะตอมของธาตุชนิดเดยี วกันจะมจี าํ นวนโปรตอนและอเิ ล็กตรอนเทากัน แตจํานวนนิวตรอนอาจจะไมเ ทากันก็ได ซ่ึงมีผลทําใหม วลตางกัน อะตอมของธาตุดังกลา วเรียกวา ไอโซโทปเชน C12 C13 6 6และ C14 เปนไอโซโทปกัน 6สญั ลกั ษณนิวเคลียร จาํ นวนอเิ ลก็ ตรอน จาํ นวนโปรตอน จาํ นวนนิวตรอน เลขมวล C12 6 6 6 12 6 6 6 7 13 6 6 8 14 C13 6 C14 6 จะเห็นไดค ารบอนทั้ง 3 ชนดิ มอี ิเล็กตรอนและโปรตอนเทา กนั แตม จี าํ นวนนวิ ตรอนและเลขมวลไมเทากนั จงึ เปนไอโซโทปกนั การอา นชื่อไอโซโทป ใหเรยี กชื่อธาตุ แลว ตามดวยเลขอะตอม เชน C12 อานวา คารบอน 12 6 C13 อานวา คารบอน 13 6 C14 อา นวา คารบอน 14 6 การเขยี นสัญลกั ษณนวิ เคลยี รข องไอโซโทป อาจจะเขยี นแบบยอ ไดโดยเขยี นเฉพาะ สัญลกั ษณข องธาตกุ บั เลขมวลคกู นั เชน C12 C13 C14 ไอโซโทปของธาตบางชนดิ อจจะมชี ่ือเรยี กโดยเฉพาะ เชน ธาตุไฮโดรเจน มี 3 ไอโซโทป และมชี ื่อเฉพาะดังนี้ H1 เรยี กวา โปรเตรียม ใชสัญลักษณ H แทน H1 1 1 H2 เรยี กวา ดิวทเี รียม ใชสญั ลักษณ D แทน H2 1 1 H3 เรียกวา ตรเิ ตรียม ใชส ญั ลักษณ T แทน H3 1 1 ธาตทุ ีเ่ ปนไอโซโทปกนั ถงึ แมวาจะเปน ธาตุชนิดเดียวกนั แตมวลอะตอมจะไมเทากันดวย รวมทัง้ สมบัตทิ างกายภาพแตกตา งกนั ดว ย แตสมบัติทางเคมีเกอื บเหมอื นกนั ทุกประการ ปจจบุ ันมีการใชไอโซโทป เพ่ือประโยชนในทางตา งๆ มากขน้ึ เชน - ใช C12 เปนมาตรฐานเปรียบเทียบในการหามวลอะตอมของธาตตุ างๆ - ใช 14 C บอกอายขุ องวัตถโุ บราณ และใชศกึ ษากลไกของการเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมี - ใช 24 Na ในการแพทยเ พอ่ื ตรวจวงจรของโลหิต - ใช 60 Co สําหรับเปน แหลงกาํ เนดิ รงั สีแกมมาเพ่อื ประโยชนท างการแพทยค อื ใช รกั ษาโรคมะเรง็ - ใช I131 สําหรับตรวจอาการผิดปกตขิ องตอมไธรอยดสาขาวชิ าเคมี -16- โรงเรยี นมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอม ไอโซโทปสามารถเกดิ ข้ึนไดเ องตามธรรมชาติหรือเกดิ ขนึ้ จากการสังเคราะหในหองปฏิบัติการก็ไดการหาไอโซโทป ใชเคร่ืองมอื ท่ีเรยี กวา Mass Spectrometer ซ่งึ แสดงหลกั การทํางานดงั ภาพดานลา ง Mass-spectrometer (Finnigan MAT251) for measuring stable carbon (12C/13C) and oxygen (16O/18O) isotopes in carbonaceous shells. Isotope laboratory of Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany. The engineer is checking the magnet for deflection and separation of the isotopes. The MAT251 was controlled by an Apple II computer (right).http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Mass-spectrometer_awi_hg.jpgสาขาวชิ าเคมี -17- โรงเรียนมหดิ ลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรื่อง โครงสรางอะตอม ไอโซโทน (Isotone) หมายถงึ ธาตตุ า งชนดิ กนั ท่มี ีจาํ นวนนวิ ตรอนเทากนั แตม ีเลขมวลและเลขอะตอมไมเทา กัน เชน O18 และ F19 เปน ไอโซโทนกัน มีนิวตรอนเทา กันคอื n = 10 8 9 ธาตุ เลขมวล เลขอะตอม นิวตรอน O18 18 8 10 8 F19 19 9 10 9 จะเหน็ ไดวาเฉพาะ นวิ ตรอน เทา น้นั ทเ่ี ทา กัน แต เลขอะตอม และ เลขมวล ไมเทา กนั จึงเปนไอโซโทน ไอโซบาร (Isobar) หมายถงึ ธาตุตา งชนดิ กนั ทม่ี ีเลขมวลเทากนั แตมเี ลขอะตอมและจํานวนนวิ ตรอนไมเทากัน เชน P30 กบั Si30 มีเลขมวลเทา กันเทากบั 30 15 14 ธาตุ เลขมวล เลขอะตอม นวิ ตรอน P30 30 15 15 15 Si30 30 14 16 14 จะเห็นไดว าเฉพาะ เลขมวล เทา นัน้ ทีเ่ ทากนั แต เลขอะตอม และ นิวตรอน ไมเ ทา กัน จงึ เปน ไอโซบารสาขาวชิ าเคมี -18- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่ือง โครงสรางอะตอมแบบฝกหัด 1. จงหาจาํ นวนของอเิ ล็กตรอนทมี่ ีมวลรวม 1 กรัม2. จงหามวลของอิเลก็ ตรอนจาํ นวน 12.04 x 10 23 อเิ ลก็ ตรอน3. ถา โมเลกุลของน้ํา ประกอบดวยไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซเิ จน 1 อะตอม เขียนสตู รแสดงไดเปนH2O เม่อื ไฮโดรเจนคือโปรเทียม จงเขียนสตู รของนาํ้ โดยแทนอะตอมของไฮโดรเจนดว ยดิวทเิ รียมและทริเทยี ม4. จงเขยี นสญั ลักษณน วิ เคลยี รของไอโซโทปตา งๆของธาตุ X ซ่งึ มี 9 อเิ ล็กตรอน และมีนวิ ตรอน 9 ,10และ 11 ตามลาํ ดับ5. ไอโซโทปของธาตุชนดิ หนง่ึ มีประจุในนวิ เคลยี สเปน 3 เทาของประจใุ นนิวเคลยี สของไฮโดรเจนและมีเลขมวลเปน 7 เทา ของมวลไฮโดรเจน ไอโซโทปนี้จะมอี นภุ าคมลู ฐานอยางละเทาใดสาขาวิชาเคมี -19- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่อื ง โครงสรา งอะตอมพลังงานไอออไนเซชัน (Ionization Energy) พลงั งานไอออไนเซชัน (Ionization energy; IE) หมายถงึ พลงั งานทใ่ี ชเ พือ่ ทําใหอิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของธาตุในสภาวะกาซ ธาตทุ ม่ี คี าพลงั งานไอออไนเซชันตาํ่ เปนธาตุ ทีเ่ สียอิเล็กตรอนงา ย เชนโลหะ และธาตทุ มี่ คี าพลังงานไอออไนเซชนั สูงเปน ธาตุที่เสียอิเลก็ ตรอนยาก เชน อโลหะ แนวโนมของคาพลังงานไอออไนเซชนั ลาํ ดับที่ 1 ของธาตพุ จิ ารณาไดจ ากกราฟตอไปนี้ กราฟแสดงคาพลังงานไอออไนเซชนั ของธาตุตารางตัวอยา งคาพลงั งานไอออนไนเซชันลาํ ดบั ตาง ๆ ของธาตุธาตุ IE1 IE2 IE3 พลังงานไอออไนเซชัน (MJ/mol) IE8 IE9 IE10 IE4 IE5 IE6 IE7 84.086 106.4431 H 1.318 92.047 115.389 131.442 23.0762 He 2.379 5.2573 Li 0.526 7.305 11.8224 Be 0.906 1.763 14.855 21.0135 B 0.807 2.433 3.665 25.033 32.8346 C 1.093 2.359 4.627 6.229 37.838 47.2857 N 1.407 2.862 4.585 7.482 9.452 53.274 64.3688 O 1.320 3.395 5.307 7.476 10.996 13.333 71.3439 F 1.687 3.381 6.057 8.414 11.029 15.171 17.87410 Ne 2.087 3.959 6.128 9.375 12.184 15.245 20.006สาขาวิชาเคมี -20- โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรื่อง โครงสรา งอะตอมธาตุทม่ี อี เิ ลก็ ตรอน 1 ตวั คือ ธาตไุ ฮโดรเจน (H) IE = 1,318 kJ/mol H(g) H+(g) + e- ธาตไุ ฮโดรเจนมพี ลงั งานไอออไนเซชนั เทากับ 1,318 กิโลจลู ตอโมล แสดงวาเราตอ งใหพ ลงั งานแกธาตุไฮโดรเจน 1,318 กิโลจูลตอ โมล จึงจะทําใหอ ิเล็กตรอนหลุดออกมาธาตุท่มี ีอิเลก็ ตรอนมากกวา 1 ตัว เชน ธาตลุ ิเทียม(Li) Li(g) Li+(g) + e- IE1 = 520 kJ/mol Li+(g) Li2+(g) + e- IE2 = 7,394 kJ/mol Li2+(g) Li3+(g) + e- IE3 = 11,815 kJ/mol จากการสงั เกตจากคาพลังงานไอออไนเซชนั จะพบวา IE1 คอื พลงั งานที่ใหแ กอ ะตอมเพ่ือดึงอิเล็กตรอนท่อี ยูวงนอกสุด(เวเลนซอิเล็กตรอน) มีคานอ ยท่ีสุด เพราะอิเลก็ ตรอนทีอ่ ยหู างจากนวิ เคลยี สหลุดออกไดง า ย ไมตอ งใชพลงั งานมากเพราะไดร บั แรงดงึ ดูดจากนิวเคลียสนอ ย แตอ เิ ลก็ ตรอนท่ีอยใู กลน ิวเคลยี สจะถูกดึงดดู ไวเ ราตองใชพลังงานมาก เพ่อื ท่จี ะทําใหอิเล็กตรอนนั้นหลุดออกมา ดังนนั้ คา IE3 จงึ มคี ามากท่ีสดุ ธาตุในหมูเดียวกนั พลังงานไอออไนเซชนั ลดลงจากบนลงลาง เพราะระยะหางระหวา งนวิ เคลยี สกบัเวเลนซอ เิ ล็กตรอนเพิม่ ข้นึ ทําใหแรงดึงดูดระหวา งนวิ เคลียสกับเวเลนซอิเล็กตรอนลดลง อิเลก็ ตรอนจงึ หลดุจากอะตอมไดง าย เชน ธาตใุ นหมู IA พลงั งานไอออไนเซชนั Li > Na > K > Rb > Cs > Fr ธาตุในคาบเดยี วกัน พลังงานไอออไนเซชนั เพิ่มขน้ึ จากซา ยไปขวา เพราะคา ประจุนิวเคลียสสทุ ธมิ ากขน้ึ อะตอมขนาดเลก็ จึงมีแรงดงึ ดูดระหวางนิวเคลียสกับเวเลนซอเิ ล็กตรอนมากขึ้น ทําใหอิเลก็ ตรอนหลุดยาก จงึ ตอ งใชพ ลงั งานสงู ในการดงึ อเิ ลก็ ตรอนออกจากอะตอม เชน ธาตใุ นคาบที่ 2 พลังงานไอออไนเซชันLi < Be < B < C < N < O < F ถาเราสงั เกตใหด จี ะเหน็ วา มีธาตทุ ไ่ี มเ ปน ไปตามแนวโนม ดังกลาวขา งตนธาตทุ ไ่ี มเ ปนไปตามแนวโนมพลังงานไอออไนเซชนั ของธาตใุ นตารางธาตุ เชน ธาตุเบรลิ เลยี ม(Be) และธาตไุ นโตรเจน(N)เชน Be มีพลงั งานไอออไนเซชนั มากกวา B เพราะ Be มกี ารจัดเรียงอเิ ลก็ ตรอนแบบ filled orbital(อเิ ล็กตรอนบรรจเุ ต็มในออรบิทลั ) ซึ่งเสถยี รมากจงึ ตองใชพลงั งานมากท่จี ะดงึ อเิ ลก็ ตรอนออกจากเวเลนซออรบ ิทัลสาขาวิชาเคมี -21- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอมธาตุ การจดั เรยี งอเิ ล็กตรอน แผนภาพออรบ ิทลัBe 1s22s22p1 B 1s22s2N มีพลังงานไอออไนเซชันมากกวา O เพราะ N มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ half-filled orbitals (อเิ ลก็ ตรอนบรรจเุ ต็มคร่งึ ในออรบ ิทัล) ซ่ึงเสถียรมากจึงตอ งใชพ ลังงานมากท่ีจะดงึ อิเลก็ ตรอนออกจากเวเลนซออรบ ิทัลธาตุ การจดั เรียงอเิ ล็กตรอน แผนภาพออรบทิ ัลN 1s22s22p3 O 1s22s22p4สรุปปจจยั ทม่ี ีผลตอแนวโนมของคา พลังงานไอออไนเซชนั ตามคาบกค็ อื เลขอะตอมหรอื จํานวนโปรตอนในนวิ เคลยี สสาขาวิชาเคมี -22- โรงเรียนมหิดลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรื่อง โครงสรางอะตอมลักษณะความเปน คล่นื ของแสงแสง หมายถงึ คลนื่ แมเ หลก็ ไฟฟาท่ปี ระกอบดว ยสนามแมเหล็กและสนามไฟฟาตัง้ ฉากซึ่งกนั และกันเคลื่อนที่ไปพรอ มกนั โดยทิศทางการเคลอ่ื นท่ขี องคลนื่ ต้ังฉากกบั ทิศทางของสนามทง้ั สองภาพนค้ี ัดลอกมาจาก Nick Strobel's Astronomy Notes, http://www.astronomynotes.com/, copyright 1998-2002 by Nick Strobel. ลกั ษณะความเปนคลน่ื ของแสงระบไุ ดดวยสมบตั อิ ยา งใดอยางหนึ่งใน 3 อยาง กลา วคือความยาวคล่นื ( ): ระยะระหวา งยอดคล่นื (crest) ที่อยูตดิ กนั วดั ในหนว ยความยาว เชน เมตรความถ่คี ลื่น (f): เซนตเิ มตรความเร็วคล่ืน (V): จาํ นวนการสน่ั ไหวของคลน่ื (wave oscillatation) หรอื จํานวนลูกคลืน่ ตอ วินาทีวดั ในหนว ย cm-1(Hz) สัมพนั ธกบั ความยาวคลน่ื และความถ่ีคล่นื ดงั สมการ V = f วดั ในหนว ย เมตรตอ วินาทีสาขาวชิ าเคมี -23- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่อื ง โครงสรางอะตอมกรณีของคลน่ื แสง v คอื ความเรว็ แสง c = 3x108 เมตรตอวนิ าที ซง่ึ เปน คาคงท่ี ดังน้ัน คลื่นแมเ หลก็ ไฟฟา ทีม่ คี วามยาวคล่ืนสนั้ จะมีความถ่คี ลน่ื สูง คลน่ื ท่มี ีความยาวคล่ืนยาวจะมคี วามถ่ตี ํา่ คล่ืนแมเ หล็กไฟฟา ทกุ ชนดิ ไมวาจะเปนคล่ืนวิทยุ ไมโครเวพ อินฟราเรด อัลตราไวโอเลต็ รงั สีเอก็ ซ รงั สีแกมมา ฯลฯ เคลือ่ นทด่ี วยความเรว็เทา กันหมด คอื ความเร็วแสง แมว า คลื่นแตละชนดิ ดงั กลา วจะมพี ลังงานไมเทา กนั สมบตั ิความเปน คลนื่ ของแสงไดรบั การยืนยนั จากการทดลองเก่ยี วกบั การสะทอน การหกั เห การเลย้ี วเบน และการแทรกสอดวามีอยูจริงและสามารถคํานวณผลลพั ธไดอ ยา งถูกตอ งลักษณะความเปน อนภุ าคของแสง แสง ประกอบดวยกลุมอนภุ าคขนาดเลก็ แตละอนภุ าคมมี วลนอยมากจนถอื วาปราศจากมวลเคลื่อนที่ดว ยความเร็วแสง อนภุ าคดังกลา วเราเรียกวา โฟตอน พลังงานของแตละโฟตอนมีคาเทากับ hเรยี กวาปริมาณ 1 ควอนตัม โดย h คอื คาคงทีข่ องพลงั ค = 6.63x10-34 J s และ คอื ความถี่คล่ืนแสง ผูทเ่ี สนอความคดิ วาแสงประกอบดว ยกลมุ กอนพลังงานทเี่ รียกวา ควอนตา เปน คนแรกคอืมักซ พลังค ในป 1900 ผทู ี่พิสูจนเ ปนคนแรกวา แสงประกอบดวยลําโฟตอน คือ อัลเบิรต ไอนส ไตน จากการตพี มิ พค ําอธบิ ายเก่ยี วกบั ปรากฏการณโ ฟโตอิเลก็ ทริก ในป 1905การแผร ังสีความรอน การแผรงั สขี องวัตถดุ าํ การแผร ังสีความรอน จดั วา เปนรูปแบบพ้ืนฐานของการแผร งั สคี ล่ืนแมเหล็กไฟฟา วตั ถุหรืออนุภาคใดๆทีม่ ีอณุ หภมู ิสงู กวา อณุ หภมู ิสัมบรู ณ (K) จะแผรังสคี วามรอนเสมอเนือ่ งจากอณุ หภูมิของวัตถทุ าํ ใหอะตอมและโมเลกุลภายในวัตถเุ กิดการส่ันและเคลือ่ นไหวชนกนั ตลอดเวลาการชนทาํ ใหโ มเลกุลเปล่ียนทิศทาง การเปลย่ี นทศิ ทางของโมเลกลุ เทยี บไดว ามคี วามเรง เกดิ ขึ้นน่นั เอง เมอื่อนภุ าคที่มีประจเุ กดิ ความเรงจะมกี ารแผรังสีขนาดตา งๆกนั ดงั นน้ั พบไดว า ปรมิ าณการแผรงั สีของวัตถใุ ดจะมคี วามสัมพนั ธโดยตรงกับอณุ หภมู ขิ องวัตถุนน้ั เราเรยี ก การแผรังสแี บบนี้วา การแผร ังสขี องวัตถดุ าํตัวอยา ง : เม่ือนํากระทะเหล็กไปอุนบนเตาประมาณ 2-3 นาที ลองย่นื มือไปใกลๆกระทะ จะรูสกึ ไดวา มีไอรอนมาสมั ผสั ท่ีมือความรอนดังกลาวเกิดจากการแผร งั สีอนิ ฟราเรด ของกระทะเหล็กน่นั เอง หากใหความรอ นกบักระทะเพิ่มข้นึ เรอ่ื ยๆ จนกระท่งั อุณหภูมิสงู พอ ในทส่ี ุดจะเหน็ กระทะรอนขึ้นจนเปล่ยี นเปนสีแดง ซึ่ง ณขณะนนั้ นอกจากแผรงั สีอินฟราเรดแลว ยงั เกิดการแผรงั สีในชว งวสิ ิเบิลอีกดว ยสาขาวชิ าเคมี -24- โรงเรียนมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่ือง โครงสรา งอะตอมวัตถุดาํ คอื อะไร ? วตั ถดุ าํ วธิ ีการแผรงั สผี า นรูเปด ของวัตถุ วตั ถุดาํ หมายถึง วัตถอุ ดุ มคติทส่ี ามารถดูดกลนื คล่ืนแมเหล็กไฟฟาท่มี าตกกระทบไดอยา งสมบรู ณในทางทฤษฎี เราอาจจนิ ตนาการวา เปนวัตถทุ ่ีมีลักษณะทรงกลมกลวง มีทวี่ างอยภู ายในและมรี เู ปด เล็กๆ อยู1 รู อาจทําดวยวสั ดใุ ดๆ ขนาดใดๆ กไ็ ด เพราะชนดิ และขนาดของวสั ดุทใ่ี ชไ มม ผี ลกระทบตอ การแผรงั สขี องวัตถดุ ํา ภาพทางซายแสดงสเปกตรมั ของวัตถดุ ําท่ีเกิดจากการแผรังสีของวตั ถุ ณ อณุ หภูมิตา งกัน 3 คา: 5000 K, 4000 K, และ 3000 K. เห็นไดวา วตั ถทุ ม่ี อี ุณหภมู ติ ํ่ากวา จะแผร งั สีทมี่ ีความยาวคลน่ื สูงกวาเมื่อวตั ถดุ ําเกดิ สมดลุ ของอณุ หภูมจิ ะแผร ังสีความรอนออกมาเปนสเปกตรัมทีม่ ีลักษณะเฉพาะตวั ตําแหนงสงู สุดของสเปกตรมั ณ ความยาวคลื่นคา หนง่ึ จะขน้ึ กับอณุ หภมู ขิ องวัตถุดําและคา คงทีบ่ างตวั เทา นั้น รังสที ี่หลดุ เลด็ ลอดออกมาจากรเู ปด เปนรงั สีทีถ่ ูกปลอ ยจากผนงั ไมใ ชรังสีสะทอนวัตถทุ ุกชนดิในจักรวาลจะแผร งั สใี นลกั ษณะเดยี วกับวัตถดุ ําในภาพแสดงการแผร ังสคี วามรอนในชวงวิสิเบลิ หรือ ชวงใกลวสิ ิเบลิ หากตอ งการเหน็ การแผรังสคี วามรอนในชว งคล่ืนวทิ ยุ ตอ งทาํ ใหวัตถุเยน็ ลงกวาน้ีมากๆ วตั ถุทเี่ ยน็กวา 1000 K จะแผร งั สีในชวงอนิ ฟราเรดมากกวาชว งวสิ ิเบลิสาขาวิชาเคมี -25- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรือ่ ง โครงสรา งอะตอมปรากฏการณโ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ ปรากฏการณโ ฟโตอิเลก็ ทรกิ หมายถึง ปรากฏการณที่อิเล็กตรอนในอะตอมของสสารถกู ปลดปลอ ยออกมาเม่ือสสารดูดซับคล่นื แมเหลก็ ไฟฟา (คลื่นแสง) เชน คลน่ื อัลตราไวโอเลตคลน่ื รังสเี อกซ เปน ตนอเิ ลก็ ตรอนที่หลดุ ออกมา เรยี กวา โฟโตอิเล็กตรอนปรากฏการณน ้จี ะเกิดขน้ึ ไดก ็ตอเมื่อมีคลืน่ แสงทมี่ ีความถ่ีสูงกวา คาความถ่ขี ดี เรม่ิ ของโลหะมาตกกระทบบนผิวโลหะ โดยที่โฟตอนจะถูกดูดซับเอาไว และอเิ ล็กตรอนจะถูกปลดปลอ ยออกมาซ่ึงสังเกตไดจ ากการพบวา มีกระแสไฟฟา เกิดข้ึน หากคลนื่ ทมี่ าตกกระทบมีความถี่ต่าํกวาคา ความถีข่ ีดเรมิ่ ของโลหะ ไมว าความเขม ของคล่นื แสงจะมีคา มากเทา ใดก็ตาม จะไมท าํ ใหเกดิ โฟโตอิเล็กตรอนได เพราะพลงั งานท่ีอเิ ลก็ ตรอนไดรับไมม ากพอทจ่ี ะชนะพลังงานยดึ เหนี่ยวภายในผลกึ โลหะ(ฟงกชนั งาน) ประวตั ิอยางยอ ป ค.ศ.1902 ฟลปิ ป เลนารด ศึกษาผลกระทบของความถ่ีคลืน่ แสงตอ พลังงาน จลนข องโฟโตอิเลก็ ตรอน โดยโฟกสั ลําของรงั สแี คโทดลงบนแผน โลหะบาง ภายในหลอดท่ีเกือบเปนสญุ ญากาศเพอ่ื ปลดปลอ ยอิเล็กตรอนออกมา แผน โลหะบางนเ้ี รยี กวา แผน ปลดปลอย อเิ ล็กตรอนท้ังหมดทีเ่ กิดขน้ึ ถูกรวบรวมไว ท่ีแผน โลหะอกี แผน หนงึ่ เรียกวา แผนรวบรวม กระแสโฟโตอเิ ล็กทริกทัง้ หมด วดั ไดโ ดยใชแอมปมเิ ตอร ในการทดลอง เขาไมไดวัดคา กระแสโฟโตอเิ ล็กทรกิ โดยตรง แตใ ชว ิธีตอความตา งศกั ยไฟฟาท่ีสามารถปรบั คาไดระหวา งแผน ปลดปลอยกบั แผน รวบรวม หลังจากน้นั เขาใสความตา งศักยต อ ตา นเขาไป เพ่อื ใหแ ผน รวบรวมมศี ักยเ ปน ลบเมือ่ เทยี บกับแผนปลดปลอ ย เขาเพม่ิ คาความตา งศกั ยตอตานจนกระทงั่ พบวากระแสโฟโตอิเล็กทรกิ มคี า เปนศนู ย แลวบนั ทกึ คาความตางศักยตอ ตา นสงู สุดท่อี านได สาํ หรับปริมาณกระแสไฟฟาทีถ่ กู ปลอ ยจากผิวโลหะถกู ควบคมุ โดยปรมิ าณความเขมหรือความสวา งของคลื่นแสงสาขาวชิ าเคมี -26- โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอมผลลพั ธทไ่ี ดจากการทดลอง อเิ ลก็ ตรอนท่หี ลุดจากแผน ปลดปลอ ยจะมีพลังงานจลนคา หนง่ึ เมือ่ เคลื่อนทผ่ี า นความตา งศักยต อ ตานจะมอี นั ตรกริ ิยากับความตา งศกั ยและสญู เสียพลังงานอยางตอ เนอ่ื ง จนกระทงั่ เปน ศนู ยเ ม่อื ความตา งศกั ยตอ ตานมีคาสงู สดุ ถา ใหคา สงู สุดของความตา งศักยตอ ตา นเทากบั Vo พลงั งานสงู สุดทอี่ ิเลก็ ตรอนสญู เสียจะเทากับ eVo (คา e คือ ประจุของอเิ ลก็ ตรอน เทากับ 1.6021x10-19 คูลอมบ) ซ่ึงเปนคา พลังงานจลนสูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน (K.E.max) นน่ั เอง จากการแปรคา ความถ่ีของคล่นื แสงทต่ี กกระทบ ฟลปิ ป เลนารด พบวาคาพลงั งานจลนส ูงสุดของโฟโตอิเลก็ ตรอนเพิ่มขน้ึ เมื่อความถี่ของคลน่ื แสงสูงขึน้ น่นั หมายความวา ความตางศักยต อตา นทีจ่ ะทําใหก ระแสโฟโตอิเลก็ ทริกเปนศูนยสาํ หรบั คล่ืนอลั ตราไวโอเลต(ความถสี่ ูง) ยอมมคี าสงู กวาคลื่นแสงสนี ้ําเงนิ (ความถ่ตี ่ํา)สวนจากการแปรความเขม ของคลืน่ แสง พบวา เมือ่ เพมิ่ ความเขม ของคลืน่ แสงเปนสองเทา จาํ นวนอิเล็กตรอนทหี่ ลุดจากผวิ โลหะเพิ่มเปนสองเทา เชนกัน อยางไรกต็ าม ผลการทดลองของเลนารด เปนแคเ ชิงคณุ ภาพ ไมใ ชเชงิ ปริมาณ เนอ่ื งจากการทดลองแบบนตี้ อ งใชความระมดั ระวังสงู เชน แผนโลหะที่ใชเ มือ่ ตดั แลว ตองรบี ใชทนั ทเี พราะตอ งมคี วามบรสิ ุทธส์ิ งู หากปลอ ยทงิ้ ไวแ คไ มก น่ี าทีโลหะอาจถูกออกซิไดซไ ดง ายแมว า อยูในหลอดทเ่ี กอื บเปนสุญญากาศก็ตามคาํ อธิบายปรากฏการณโฟโตอิเลก็ ทรกิ เชิงฟสิกสด ้งั เดมิ ทฤษฎีทางฟส กิ สด ้ังเดิมกลาวคอื อเิ ล็กตรอนที่ถกู ปลดปลอ ยจากผิวโลหะจะตองคอยๆสะสมพลงั งานจากคลืน่ แสงท่ตี กกระทบ จนกระทงั่ ตวั มนั เองมีพลงั งานสงู พอจนชนะพลงั งานยึดเหนยี่ วภายในผลกึ โลหะ แลวดีดตัวออกมา หากเปน ตามทฤษฎนี จ้ี ริง แปลวา คลื่นแสงท่มี คี วามเขม มากกวา(สวางกวา ) ยอมถา ยเทพลงั งานใหอิเลก็ ตรอนไดมากกวา แตจ ากผลการทดลองของเลนารด พบวาคาพลังงานจลนของอิเลก็ ตรอนทว่ี ดั ไดจากคา ความตางศักยต อ ตา น ไมขนึ้ กบั ความเขมของคลื่นแสงเลย !! ข้ึนกบั ความถเ่ี ทา น้นั นอกจากนี้ ยังพบอกี วาหากคา ของความถขี่ องคลื่นแสงนอยกวา คา ความถีข่ ีดเร่มิ ของโลหะ ไมป รากฏวามีโฟโตอิเลก็ ตรอนเกิดขน้ึ นาประหลาดนะน่ีถอื ไดว าเปนความลม เหลวของฟส กิ สเชิงคลาสสกิ อยา งหนึ่งไอนสไตนเสมอื นจดสทิ ธิบัตรในกรงุ เบริ น อธิบายปรากฏการณน ้ไี ดถ กู ตอ งเปน คนแรกในปค .ศ.1905หลังจากการทดลองของเลนารด 3 ป อัลเบิรต ไอนส ไตน ซึ่งในขณะน้นั คนุ เคยกบั ปญหาเกยี่ วกบัปรากฏการณโ ฟโตอเิ ลก็ ทรกิ และการแผร ังสขี องวตั ถุดํา ตลอดจนผลงานอ่ืนๆของพลังคเปน อยางดี เปนผูอธบิ ายปรากฏการณโ ฟโตอิเลก็ ทริกไดถ ูกตองเปนคนแรก ทาํ ใหใ นป ค.ศ.1921 (16 ปต อ มา) เขาไดรับรางวัลโนเบลจากผลงานชน้ิ นเ้ี ขาอธบิ ายวา กอ นส่ิงอืน่ ใด ตอ งถอื วา คลื่นแสงประกอบดว ยกลุมอนภุ าคทเ่ี รยี กวา \"โฟตอน\"จาํ นวนมากมายแตล ะโฟตอนมพี ลังงานขนาดเทากบั เมื่อคล่นื แสงตกกระทบผิวโลหะ (แผนปลดปลอ ย) โฟตอนจะถายเทพลังงานทั้งหมดใหอ เิ ล็กตรอนทนั ที (ตามหลกั \"ท้งั หมด หรือ ศนู ย\" ) หากพลังงานกอนนี้นอยกวา พลังงานยดึ เหนี่ยวภายในผลึก จะไมเ กดิ โฟโตอเิ ลก็ ตรอน ถา มากกวา พลงั งานยดึเหน่ียวภายในผลกึ อิเลก็ ตรอนจะรับพลังงานกอ นน้ีท้ังกอน โดยจะใชพ ลงั งานสวนหนึง่ เพือ่ ใหตวั เองหลุดจากการถูกยึดเหนย่ี ว หลังจากนัน้ จะคอยๆสูญเสียพลงั งานบางสวนขณะเคล่ือนทีม่ ายังพืน้ ผวิ โลหะ เมือ่ ถึงพ้นื ผวิ ก็สาขาวชิ าเคมี -27- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่ือง โครงสรา งอะตอมจะดีดตัวเองออกมาดวยความเรว็ คาหน่งึ อเิ ล็กตรอนทมี่ ีความเรว็ สูงสุดในขณะหลุดจะเปน อเิ ล็กตรอนทีอ่ ยใู กลพื้นผวิ สมการของไอนส ไตนเกีย่ วกบั ปรากฏการณโฟโตอเิ ล็กทริกเปนดงั นี้ หรือ เม่ือ คอื ความถข่ี องโฟตอน, คอื ความถี่ขดี เรม่ิ , h คือ คาคงที่ของพลังค, K.E.max คอื พลังงานจลนสุงสดุ ของโฟโตอเิ ล็กตรอน, คอื พลงั งานควอนตมั , คือ ฟง กชันงาน, e คือ ประจุของอิเลก็ ตรอน, V0 คอื คาสงู สดุ ของความตางศักยต อตานขอสงั เกต :โฟตอน 1 ตัว จะปลดปลอ ยอเิ ล็กตรอนได 1 ตัวเทา นั้นเพราะพลงั งานท้งั หมดของโฟตอนจะถูกดูดซบั โดยอเิ ลก็ ตรอนเพยี งตัวเดยี ว พลังงานของโฟโตอิเลก็ ตรอนแปรผนั ตรงกับความถี่ของโฟตอน(รอเบิรต เอ มัลลิแกน เปนคนพิสจู นโ ดยการทดลองในป ค.ศ.1915)สาขาวชิ าเคมี -28- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรื่อง โครงสรา งอะตอมการเกิดสเปกตรัมอะตอม การศึกษาสเปกตรมั อะตอมเพราะสเปกตรัมอะตอมเปรียบเสมอื นลายพิมพน ว้ิ มือของมนษุ ยซง่ึ ใชพิสูจนบุคคลไดเ น่อื งจากลายพมิ พน้ิวมือ แตล ะคนไมเ หมือนกนั เปน ลักษณะเฉพาะบคุ คล สเปกตรมั อะตอมก็เชนกัน เปน ลกั ษณะเฉพาะอะตอม ธาตุแตละชนิดจะมีชุดของสเปกตรมั อะตอมไมเหมอื นกันเลย ดังนนั้ เราจงึใชขอมูลท่อี านไดจ ากชุดของสเปกตรัมเพอื่ พิสูจนอะตอมไดสเปกตรัมอะตอมเกิดข้นึ ไดอ ยา งไร แบบที่ 1: เกดิ จากการเผาวัตถุแข็งหรอื วัตถเุ หลวใหรอ น เชน การเผาเกลือแกง (NaCl) จะไดไ อ รอนของโซเดียมบริสทุ ธซิ์ ่ึงจะปลอยคล่ืนแสงท่ปี ระกอบดว ยคลน่ื ทกุ ยานความถ่อี ยาง ตอ เนอ่ื ง สเปกตรัมท่เี กดิ จากวธิ ีน้เี รยี กวา สเปกตรมั ตอ เนอ่ื งแถบสวาง (continuousbright spectrum) แบบท่ี 2: เกดิ จากการเผาแกส ใหรอน แทนทจ่ี ะเปน วตั ถแุ ข็ง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธนี ้เี รยี กวา สเปกตรมั เสนสวา ง (bright line spectrum) แบบท่ี 3: เกดิ จากการปลอ ยใหค ลื่นแสงทม่ี คี วามถีต่ อ เนื่อง(จากแบบท่ี 1) ผา นแกส เยน็ สเปกตรัม ที่เกิดจากวิธนี ี้ เรยี กวา สเปกตรัมตอ เนือ่ งกบั เสน มดื (continuous spectrum with dark lines) ภาพนดี้ ดั แปลงมาจาก http://www.astro.virginia.edu/class/majewski/astr313/lectures/spectroscopy/spec.html สงั เกตตําแหนงของเสนสวางในแบบท่ี 2 จะเห็นไดว า ทุกเสน จะอยูตรงตําแหนง เดียวกบั ตําแหนงของเสน มืด ในแบบท่ี 3 ทง้ั น้เี ปน เพราะวา แกส เยน็ ซง่ึ อยใู นสภาวะปกติ (ไมถ ูกกระตุน) ดดู กลนื คลนื่ แสงท่ีมีความถค่ี า ตรงกัน กบั ความถีข่ องคลื่นทมี่ ันปลดปลอ ยออกมาขณะรอน นน่ั หมายความวา สถานะพลงั งานของแกส ตองมคี ณุ ลักษณะ อะไรบางอยา งทแ่ี นนอน และกระบวนการเปลย่ี นแปลงระดบั พลงั งานตอ งยอ นกลบั ไดสาขาวิชาเคมี -29- โรงเรยี นมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรือ่ ง โครงสรา งอะตอมสเปกตรัมของไฮโดรเจนอะตอม ทําไมตอ งสนใจสเปกตรัมของไฮโดรเจนอะตอมนกั วิทยาศาสตรใ หความสนใจศึกษาและเจาะลึกขอ มูลทมี่ าจากสเปกตรมั ของไฮโดรเจนอะตอมมากเปน พิเศษ มากกวาอะตอมของธาตุอื่น เพราะแมดวงอาทิตยมธี าตชุ นิดตางๆจํานวนมากมาย แตธ าตทุ ี่พบมากทีส่ ดุ คือ ธาตไุ ฮโดรเจน ช้ันบรรยากาศบนดวงอาทติ ยเ พยี ง 2 ชน้ั เทา นั้นท่ีมนุษยสามารถมองเห็นได คือ ชัน้ โฟโตสเฟยรก บั ชน้ั โครโมสเฟย ร เปน ชั้นบรรยากาศท่ีเยน็ เพยี งพอสําหรบั ธาตุไฮโดรเจนทีส่ ามารถมีอยไู ดในรูปอะตอม และตรงนน้ี เ่ี องทเ่ี รามองเหน็สเปกตรมั การดูดกลนื และการคายคลน่ื แสงของไฮโดรเจนอะตอม การวเิ คราะหข อ มูลจากลักษณะของสเปกตรมั เพอื่ เสนอโครงสรางอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอมกอนป ค.ศ.1913 ซงึ่ เปนปที่นีล บอหร เสนอรปู แบบโครงสรางอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอมพรอ มทง้ัแผนผงั ระดับพลงั งานในอะตอม ยังไมมใี ครพิสจู นทราบแนช ัดวา รปู แบบโครงสรางทถ่ี กู ตองควรเปน อยา งไรไดแตเ พยี งพยายามตั้งสมมติฐานแลว เสนอสมการทางคณติ ศาสตรอ ยา งงายเพอ่ื ทาํ นายตาํ แหนงของเสนสเปกตรัมใหตรงกบั ผลการวัดเทานัน้รปู แบบโครงสรางพื้นฐานท่ีนา จะนกึ ถงึ มากท่ีสดุ คอื ใหเปรยี บเทียบกับระบบสุริยะ โดยคดิ วาอะตอมไฮโดรเจนประกอบดวยนวิ เคลยี ส (เทียบไดกบั ดวงอาทติ ย) อยูต รงกง่ึ กลางของระบบ มีอิเลก็ ตรอนหนง่ึ ตัว(เทียบไดกับวาระบบนี้มีดาวเคราะหเพียงดวงเดยี ว) เคล่อื นท่รี อบนวิ เคลยี สเปนวงโคจรท่ีมรี ัศมขี นาดตา งๆโดยมีเงอื่ นไขวา อิเล็กตรอนสามารถโคจรในวงโคจรไดทลี ะวงตามที่กําหนด เราจะเรียกเปน วงท่ี 1, 2,......nจากวงในสดุ ตามลําดับ เม่ืออเิ ล็กตรอนกระโดดจากวงในวงหนงึ่ ไปยงั วงนอกอกี วงหน่งึ มนั จะดูดกลืนพลังงานคาหน่งึ ท่มี คี าแนน อน ทาํ ใหเราไดสเปกตรมั การดดู กลนื แตถาหลนลงมาจากวงนอกวงเดิมเขา สวู งในวงเดมิ มันจะปลดปลอยพลังงานดว ยคา เดียวกัน และเราจะไดส เปกตรัมการปลดปลอยกระบวนการดดู กลืนและปลดปลอยพลังงานดวยวิธีนเี้ ราอาจสรางสมการคณิตศาสตรอยางงา ยเพ่อื ทาํ นายตําแหนงสาขาวิชาเคมี -30- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่อื ง โครงสรา งอะตอมแบบจําลองโครงสรางอเิ ลก็ ตรอนของไฮโดรเจนตามทฤษฎีของบอหร ทฤษฎีของบอหรเกีย่ วกบั โครงสรา งอิเลก็ ตรอนของไฮโดรเจนอะตอมถงึ แมว าสมการของบลั เมอรจะประสบผลสําเรจ็ อยา งยงิ่ ในการทํานายตําแหนงเสนสเปกตรมั ของไฮโดรเจนอะตอมไดแ มนยาํ กต็ าม แตเราเห็นแลว วา การอาศยั แนวความคิดจากทฤษฎีคลื่นแมเ หล็กไฟฟา ดงั้ เดมิ ไมส ามารถอธิบายโครงสรา งคลายระบบสรุ ยิ ะของไฮโดรเจนอะตอมได ในป ค.ศ.1913 นลี ส บอหร ไดผ สมผสานหลกั คดิ จากทงั้ ทฤษฎเี ชิงฟส กิ สด ง้ั เดิมและทฤษฎคี วอนตัมของพลังค ซ่งึ ใชอธบิ ายโครงสรา งดงั กลา วไดถูกตอ งระดับหนง่ึ จนเปนท่ียอมรบั นานหลายปก อ นทจี่ ะเขาสูยุคของทฤษฎคี วอนตมั แผนใหมใ นป ค.ศ.1920 ของบอหรกี่ยวกบั โครงสรา งอเิ ลก็ ตรอนของไฮโดรเจนอะตอม มดี ังนี้ อะตอมจะคงสภาวะท่ปี ระกอบดว ยวงโคจรใดๆ ของอิเลก็ ตรอนไดโดยไมมกี ารปลดปลอ ยรงั สี โดยมี เง่อื นไขวา แตละวงโคจรตอ งมคี าโมเมนตมั เชงิ มุมคงทีอ่ ยคู าหนงึ่ เปนสภาวะท่ีเสถียร เรยี กวา สภาวะนิ่ง คา โมเมนตมั เชงิ มุมทเี่ ปน ไปไดจ ะเปน ไปตามเงอื่ นไขท่ีเรยี กวา เงอ่ื นไขวงโคจรควอนตัม ดังนี้ โดย mevr คอื โมเมนตัมเชิงมมุ ของอเิ ล็กตรอน, me คือ มวลของอิเลก็ ตรอน, v คอื ความเร็วของอเิ ล็กตรอน, r คอื รัศมีวงโคจรท่ี n คอื ชน้ั ของอเิ ล็กตรอน, h คือ คา คงท่ขี องพลังค, n คอื เลขจาํ นวนเตม็ บวก = 1, 2, 3,........สาขาวิชาเคมี -31- โรงเรียนมหดิ ลวทิ ยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอมโดยอาศัยหลักการพน้ื ฐานเชิงฟสกิ สด ้ังเดมิ และถอื วาอะตอมมรี ปู แบบโครงสรางคลายระบบสุริยะจําลองจะไดส ูตรอยางงา ยสําหรับรศั มวี งโคจรทเ่ี สถยี รและพลังงานในแตล ะวงโคจรของอิเล็กตรอน ดงั น้ี ,โดย r คอื รศั มวี งโคจรที่ n, En คือ พลงั งานในวงโคจรท่ี n, e คอื ประจอุ ิเลก็ ตรอน = 1.602176x10-19คลู อมบ ถา แทนคา n =1 จะได r1 = 5.3x10-9 m หรอื 5.3 nm ซ่งึ เปนคารศั มวี งในสดุ เรยี กวา รศั มีของบอหร และ E1 = -13.6 eV ซึง่ เปน คา พลังงานต่ําสดุ เรียกวา พลังงานตํา่ สดุ ตรงสภาวะพนื้ การปลดปลอ ยและการดดู กลนื รังสีของอะตอม(และใหเสน สเปกตรมั ออกมา) จะเกดิ ไดก ต็ อเมื่อ เมื่อ คอื ความถขี่ องรังส,ี Ei และ Ef คือ พลังงานของอะตอมในสภาวะเร่มิ ตน และสุดทายตามลําดบั ถา Ei มากกวา Ef ไฮโดรเจนอะตอมจะปลดปลอยโฟตอน ถา Ei นอ ยกวา Ef ไฮโดรเจนอะตอมจะดดู กลืนโฟตอนแบบจําลองอะตอมของบอหร นีล บอหร เปนคนแรกที่อธิบายวาอิเล็กตรอนไมแผคล่ืนแมเหล็กไฟฟาเม่ือโคจรรอบนิวเคลียส โดยเสนอวา อิเล็กตรอนสามารถโคจรแบบไมตกใสนิวเคลียสไดที่บางวงโคจร เปนวงโคจรที่เสถียร ในกรณีที่มีการเปลี่ยนวงโคจรเทาน้ัน ที่จะมีการปลอยพลังงานออกมา เปนโฟตอน (คลื่นแมเหล็กไฟฟาท่ีเปนอนุภาค)ซึ่งเปนท่มี าของสเปกตรมั ของธาตตุ าง ๆ สเปกตรมั ของอะตอมนส้ี ามารถอธบิ ายไดอ ยา งดโี ดยใชแบบจําลองอะตอมของบอหร เปนที่ทราบกันกอนยุคของบอหร แลววาเมื่อใหพลังงานกับสาร อะตอมแตละชนิดจะสงเสนแสงท่ีเปน เอกลักษณของอะตอมแตละชนิดออกมา เสนแสงเหลาน้ีเปนชุดเรียกวา สเปกตรัม ซึ่งจากการศึกษาโดยนักเคมแี ละนักฟสิกส สรปุ เปนสมการท่ไี ดจากการทดลอง โดยเร่ิมตน ในป 1885 บาลม เมอรไดเ สนอสูตรโดยประมวลจากขอ มูลการศกึ ษาสเปกตรัมไฮโดรเจนสาขาวิชาเคมี -32- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เร่อื ง โครงสรางอะตอม 1 = RH ⎛ 1 − 1 ⎞ λ ⎝⎜ 22 n2 ⎟⎠โดยท่ี n = 3, 4, 5, … และ RH = 1.0973732x107 m-1 (คาคงทขี่ องริดจเบิรก ) สเปกตรมั ชดุ ตาง ๆ ของอะตอมไฮโดรเจนภายหลังสตู รของบาลมเมอร มกี ารเสนอสูตรของชุดสเปกตรัมอ่นื ๆ ชดุ ของไลมาน 1 = RH ⎛1 − 1 ⎞ λ ⎝⎜ 12 n2 ⎟⎠ ชดุ ของพาสเชน 1 = RH ⎛ 1 − 1 ⎞ λ ⎝⎜ 32 n2 ⎟⎠ ชดุ ของแบร็กเกต็ ต 1 = RH ⎛ 1 − 1 ⎞ λ ⎝⎜ 42 n2 ⎠⎟บอหรไดใชทฤษฎีควอนตัมในการอธิบายสเปกตรัมที่เกิดจากอะตอมของไฮโดรเจน สมมติฐานของบอหร คือ อิเลก็ ตรอนเคล่อื นท่ีเปน วงรอบโปรตรอน โดยมีเพียงบางวงโคจรเทานั้นที่จะเสถียร พลังงานแตละระดับ (En) และรศั มวี งโคจร (rn) มีคา En = − kee2 1 2a0 n2 rn = n2h2 mkee2โดยที่ n = 1, 2, 3, … เมื่อ n = 1 วงโคจรมขี นาดเลก็ ท่สี ดุ เรียกวา รัศมขี องบอหร (Bohr Radius, a0) มีคา0.0529 nm การแผคลื่นแมเหล็กไฟฟาเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนกระโดด เปลี่ยนวงโคจรสูท่ีระดับต่ํากวา Ei-Ef= hf(ความตางระหวา งพลงั งานสถานะตน กบั สถานะปลาย) สเปกตรัมที่เกิดขึ้นทุกชุดสามารถทํานายไดดวย สูตรจากแบบจําลองอะตอมของบอหร ซ่งึ สอดคลอ งกับสูตรจากการทดลองทุกสูตรขางตน 1 = kee2 ⎛ 1 − 1 ⎞ λ 2a0hc ⎝⎜⎜ nf 2 ni 2 ⎠⎟⎟โดยที่ kee2/2a0hc มคี าเทา กับ คา คงทขี่ องริดจเบริ กที่หาไดจากการทดลอง (RH =1.0973732x107 m-1)สาขาวิชาเคมี -33- โรงเรยี นมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอม ขอบกพรองของแบบจําลองอะตอมของบอหรคือ เขาตอบไมไดวาเหตุใดจึงมีบางวงโคจรที่เสถียร?จนกระทัง่ เดอบรอยล ไดเสนอความคิดวาอิเล็กตรอนท่ีโคจรรอบนิวเคลียสในแบบจําลองอะตอมของบอหร มีพฤติกรรมเปนคล่ืนน่ิงมีความถ่ีท่ีไมตอเน่ือง (ดังกรณีคล่ืนนิ่งในเสนเชือก) คลื่นนิ่งของอิเล็กตรอน (เปนวงปด พอดี) จะเกิดข้ึนเม่ือ nλ = 2πr λ= h mvแทนคาความยาวคล่นื อนภุ าคตามทเ่ี สนอโดยเดอบรอยล mvr = n h = nh 2πเง่อื นไขนี้เปน กรณขี องวงโคจรที่เสถยี รน่ันคือโมเมนตมั เชงิ มมุ ในแบบจําลองของบอหร มคี า ไมตอเนอื่ ง แบบจําลองอะตอมของบอหรนอี้ ธบิ ายอะตอมไดด ีกวา รทั เธอรฟอรด และสามารถอธบิ ายสเปกตรัมของอะตอมไดเปน อยางดี นอกจากนก้ี ารใชท ฤษฎีควอนตมั ยังอธิบายสเปกตรมั ของ X-ray ไดดว ยในทฤษฎีควอนตัม อเิ ล็กตรอนเปนคลื่นอนุภาค ดงั นั้นแบบจําลองที่ใกลเคียงความจริงท่ีสุด จะไดมาจากการแกสมการชโรดิงเจอร เพ่ืออธิบายอิเล็กตรอนในอะตอม การแกสมการชโรดิงเจอรของอะตอมของไฮโดรเจนเปนกรณที ่ีงายที่สุดตวั อยา งคลน่ื แมเหล็กไฟฟาสาขาวิชาเคมี -34- โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอม แสงท่ีประสาทตาของมนุษยสามารถรบั รูไดเรียกวาแสงท่ีมองเหน็ ได ซงึ่ มีความยาวคล่นื อยใู นชวง400 – 700 นาโนเมตร แสงในชวงคลนื่ น้ีจะประกอบดวยแสงสตี า งๆ กนั ตามปกติประสาทตาของมนษุ ยสามารถสมั ผัสแสงบางชวงคล่นื ที่สอ งมาจากดวงอาทติ ยได จงึ มองเห็นเปน สรี วมกันซ่ึงเรยี กวา แสงขาว สเปกตรัมคลนื่ แมเ หล็กไฟฟา ท่ปี ระสาทตาของมนุษยสามารถสมั ผัสไดอ ยใู นชว งความยาวคลนื่ 400-700 นาโนเมตร ซึ่งแสดงวา แสงทีม่ องเห็นไดตามปกติมนษุ ยเ ราจะมองไมเห็นสีของแสงจากดวงอาทิตย จึงเรยี กแสงจากดวงอาทิตยวาแสงขาว ซงึ่ เปนแสงท่ปี ระสาทตาของมนษุ ยส ัมผสั ได ถา ใหแสงขาวสอ งผา นปรซิ ึม แสงขาวจะแยกออกเปน แสงสตี อเนอ่ื งกนั ซึ่งเรยี กวา สเปกตรัมของแสงขาว ตารางแสดงแสงสีตางๆ ในแถบสเปกตรมั ของแสงขาว สเปกตรมั ความยาวคลน่ื (nm) แสงสมี ว ง 400 - 420 แสงสคี ราม – นา้ํ เงิน 420 – 490 แสงสีเขยี ว 490 – 580 แสงสีเหลือง 580 – 590 แสงสแี สด (สม ) 590 – 650 แสงสีแดง 650 - 700สาขาวชิ าเคมี -35- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอื่ ง โครงสรา งอะตอม รูปแสดงการหักเหและการกระจายของแสงขาวเมอื่ ผา นปริซมึ จากรปู เมอื่ แสงขาวเคลือ่ นท่ีไปกระทบบนผิวของปริซมึ คล่นื แมเ หล็กไฟฟาที่มคี วามยาวคล่นืแตกตา งกนั ในแสงขาวจะเกิดการหกั เหทเ่ี ปนมุมแตกตางกันไป กลาวคอื คลน่ื แมเ หลก็ ไฟฟาทมี่ ีความยาวคล่นื สน้ั จะหกั เหไดม ากกวาคลนื่ แมเ หล็กไฟฟา ท่ีมีความยาวคลืน่ ยาวกวา ดังนั้น แสงขาวก็จะแยกออกเปนแถบสีกลมกลนื ตอ เนือ่ งกนั ไป 7 สี คือ สีมว ง คราม นา้ํ เงนิ เขียว เหลอื ง แสด และแดง ซ่งึ สีมว งหักเหไดม ากทสี่ ดุ และแสงสีแดงหกั เหไดนอ ยทส่ี ุดใน 7 สี เราเรียกแถบสีท่ีตอ เนอื่ งกันวา “สเปกตรัมของแสงขาว” เครอื่ งมอื สเปกโตรสโคป จัดเปน อุปกรณท ีใ่ ชแ ยกสขี องแสงตามความถี่ตา งๆ กันได ดังนั้น สขี องเปลวไฟทเ่ี กิดจากการเผาสารประกอบตา งๆ หรือโลหะทมี่ องเห็นไดด ว ยตาเปลา เพียงสเี ดยี ว เมือ่ ใชเครือ่ งสเปกโตรสโคปทาํ ใหสามารถแยกออกไดเปน หลายสีซง่ึ สแี ตล ะสจี ะแยกออกเปน เสน เรียกวา “เสน สเปกตรมั ”(line spectrum) เสน สเปกตรมั ทมี่ คี วามเขม และความชัดท่สี ุดจะเปน เสน เดยี วกบั สีของเปลวไฟทม่ี องเห็นดว ยตา เม่ือผานสเี ปลวไฟจากการเผาสาร โดยถกู โฟกัสผา นเลนสเปน ลําแสงไปกระทบท่ปี รซิ ึมจะเกดิ การหักเหของแสงดวยมมุ ทต่ี างกัน ทาํ ใหแยกแยกสีออกเปนเสน ไดโ ดยถูกบนั ทึกไวบ นแผน ฟลมสาขาวชิ าเคมี -36- โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรื่อง โครงสรา งอะตอม1. ธาตุตา งชนิดกันจะมจี ํานวนและลักษณะสีสเปกตรัมแตกตา งกัน จํานวนและสีเสนสเปกตรมั เปน สมบัติเฉพาะตวั ของธาตุ2. ธาตตุ างชนดิ กนั อาจมเี สนสเปกตรัมบางเสน มีความถเ่ี ทากนั แตพิจารณาทงั้ ชดุ จะแตกตางกนัเสนสเปกตรมั ของธาตุ และการแปรความหมายนกั วทิ ยาศาสตรยงั พบวาถา เผาสารประกอบของโลหะตางๆ ก็จะไดสเี ปลวไฟแตกตา งกนั เชน เผาสารประกอบของโซเดียมจะไดเปลวไฟสเี หลือง สารประกอบของแคลเซียมไดเปลวไฟสีแดงอฐิ ตอ มาบนุ เซนและกุสตาฟ คีรช ฮอฟฟ นกั วทิ ยาศาสตรชาวเยอรมนั ไดผลติ สเปกโทรสโคป ซ่งึ ตอมาไดใ ชเปนอุปกรณสําคญั ในการศึกษาสเปกตรัมทีไ่ ดจากการเผาสารประกอบ ทําใหสามารถหาธาตอุ งคประกอบทอ่ี ยูในสารประกอบไดเสนสเปกตรมั ของธาตุเกิดข้ึนจากการเพ่มิ พลังงานใหแ กส ารโดยการเผา เม่ือมองดว ยตาเปลาจะเหน็สีของเปลวไฟมสี เี ดน ชัดเพยี งสเี ดยี ว แตถ าใชสเปกโตรสโคปสอ งดูสเี ปลวไฟ จะปรากฏเปนเสน หลายสีเรียกวา “เสน สเปกตรมั ” ธาตุแตละชนิดจะใหเ สน สเปกตรัมตา งกนั มีลักษณะและจาํ นวนเฉพาะตวัสารประกอบของโลหะบางชนดิ เม่ือนํามาเผาจะใหสขี องเปลวไฟหรือเสนสเปกตรัมการศกึ ษาสีของเปลวไฟจากสารประกอบและเสน สเปกตรมั ของธาตบุ างชนิดเมอื่ เผาสารประกอบบางชนดิ จะเหน็ สีของเปลวไฟ และสขี องเสน สเปกตรมั แตกตางกัน ดงั นี้ สารประกอบ สีของเปลวไฟ สีของเสนสเปกตรมั BaCl2 สเี ขยี วอมเหลอื ง สเี ขยี ว Ba(NO3)2 สีเขียวอมเหลอื ง สเี ขียว สีเหลืองเขม NaCl สีเหลือง Na2SO4 สเี หลอื ง สเี หลอื งเขม CaCl2 สีแดงอิฐ สแี ดงเขม CaSO4 สีแดงอิฐ สแี ดงเขม CuCO3 สเี ขยี ว สเี ขียวเขม CuSO4 สเี ขียว สเี ขียวเขมจากขอมูลสรปุ ไดว า 1. สีของสเปกตรัมท่ีมองเห็นนั้นเกดิ จากอะตอมของโลหะที่เปน ไอออนของโลหะหรอื ไอออนบวก เชน Na+ 2. โลหะชนดิ เดยี วกันใหสสี เปกตรัมเดียวกนั โดยไมขึ้นกับชนดิ ของสารประกอบ เชน NaCl และ Na2SO4 ใหส ีเหลอื ง 3. โลหะตางชนดิ กนั ใหส ีสเปกตรมั ตางกนั เชน NaCl และ BaCl2 ใหสีสเปกตรัมตางกันสาขาวชิ าเคมี -37- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอมสเปกตรมั ขอธาตเุ กดิ ขนึ้ ไดอยา งไร เม่ือใหพลงั งานแกอะตอม(เผา) จะทําใหอเิ ลก็ ตรอนมพี ลงั งานสงู ขึ้น โดยจะข้นึ ไปอยูทรี่ ะดับพลงั งานสูงกวาเดิม เรียกวา “สภานะกระตนุ ” (E2) (ระดับใดนัน้ ข้ึนอยกู บั พลังงานท่อี ิเลก็ ตรอนรบั เขา ไป ซ่งึ ยงั ไมเกิดสเปกตรัม) แตทําใหอะตอมไมเ สถยี ร อเิ ลก็ ตรอนจงึ พยายามกลับลงมาทเ่ี ดมิ หรอื ท่เี รยี กวา “สถานะพืน้ ” (E1)โดยการคายพลงั งานออกมา ΔE = E2 – E1 รูปคลนื่ แมเหลก็ ไฟฟา ซ่ึงมคี วามยาวคลนื่ ความถ่ี และพลังงานตา งกนั ปรากฏเปนแสงสแี ละเสน สเปกตรมั ตา งๆ พลังงาน E2 (สภาวะกระตนุ ) คายพลังงานในรปู แสงเปน สเปกตรัม E1 (สภาวะพื้น)การแปลความหมายสเปกตรมั ของไฮโดรเจน ไฮโดรเจนเปน ธาตหุ นงึ่ เมื่อผา นกระแสไฟฟา เขา ไปในหลอดซง่ึ มกี าซไฮโดรเจนอยจู ะปรากฏเสนสเปกตรัมเปนเสนๆ ซ่ึงสามารถมองเหน็ ได 4 เสน แสดงวา อิเลก็ ตรอนสามารถรับและคายพลงั งานไดเ ฉพาะบางคาเทาน้ันพบวา เมอ่ื ใหพ ลงั งานกับกาซไฮโดรเจน ไฮโดรเจนจะใหส เปกตรัมออกมาจาํ นวนมาก มที ั้งที่อยูใ นชวงความยาวคล่นื ท่มี องเห็นไดแ ละไมได สําหรับเสน สเปกตรมั ที่มองเหน็ ไดจะมี 4 เสน ประกอบดว ยเสนสมี ว ง สนี ํา้เงิน สนี ํ้าทะเล และสีแดง ซ่ึงมีความยาวคลนื่ 410 , 434 , 486 และ 656 นาโนเมตร ตามลําดบัสาขาวชิ าเคมี -38- โรงเรียนมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรือ่ ง โครงสรางอะตอม รปู แสดงความยาวคล่ืนของสเปกตรัมของไฮโดรเจน รูปแสดงการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอเิ ล็กตรอนของธาตุไฮโดรเจนจากเสนสเปกตรมั สรุปไดว า อิเลก็ ตรอนนอกจากจะอยูใ นสภาวะพื้น อิเลก็ ตรอนยังสามารถอยูในสภาวะกระตนุ ไดห ลายระดับพลังงาน ซ่ึงแตล ะระดับมพี ลังงานตางกนั และผลตางของแตล ะระดับพลังงานก็ไมเทากัน ระดับพลังงานตํา่ จะมผี ลตา งของระดบั พลงั งานมาก และผลตางจะลดลงเร่ือยๆเม่ือระดับพลงั งานสงู ขึ้น ดงั ตาราง แสดงสเปกตรัมของไฮโดรเจนเสนสเปกตรัม ความยาวคลืน่ (nm) พลงั งาน (kJ) ผลตางระหวางพลังงานสมี ว ง 410 4.84 x 10-22 2.7 x 10-23สีน้าํ เงนิ 434 4.57 x 10-22 4.9 x 10-23สีน้าํ ทะเล 486 4.08 x 10-22 10.6 x 10-23สแี ดง 656 3.02 x 10-22สาขาวชิ าเคมี -39- โรงเรยี นมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เร่อื ง โครงสรา งอะตอมจากขอมลู สรุปไดว า 1. เมื่ออิเล็กตรอนไดรบั พลงั งานทเ่ี หมาะสมจะขึน้ ไปอยูในระดับพลงั งานทส่ี ูงกวา ระดับพลงั งาน เดมิ ซึง่ จะขึน้ ไปอยูใ นระดับพลังงานใดก็ขึน้ อยกู ับปริมาณพลังงานท่ไี ดรบั การทอ่ี ิเลก็ ตรอนข้นึ ไปอยใู นระดับพลงั งานใหมจะทําใหอ ะตอมไมเสถยี ร อิเล็กตรอนจงึ กลับมาอยูในระดับพลงั งาน เดิมหรือระดับพลงั งานต่ํากวา ในการเปลย่ี นตาํ แหนงอิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาเปน คลนื่ แมเหลก็ ไฟฟา 2. การเปลย่ี นระดบั พลังงานของอิเล็กตรอนไมจ าํ เปนตองเปลย่ี นระหวางระดบั พลงั งานทีอ่ ยูติดกนั อาจมกี ารเปลย่ี นขา มชน้ั กันได 3. ระดับพลงั งานทอี่ ยูต ํา่ จะอยูหา งกันมากกวา ระดบั พลงั งานสงู ระดบั พลงั งานย่ิงสูงขนึ้ จะอยูช ิดกัน มากขึ้น 4. ระดบั พลงั งานของอเิ ล็กตรอนทต่ี า่ํ ท่ีสดุ จะอยใู กลนิวเคลียส ระดับพลังงานสงู จะอยูไกลนิวเคลียส “อิเล็กตรอนจะเคลอื่ นท่ีรอบนวิ เคลียสเปนวงคลา ยกับวงโคจรของดาวเคราะหร อบดวงอาทิตย แตล ะวงจะมีพลังงานเฉพาะตัว และเรียกระดบั พลังงานของอิเลก็ ตรอนท่อี ยูใกลน ิวเคลยี สทส่ี ุด ซง่ึ มรี ะดับพลังงานต่าํ ท่ีสุดวา ระดบั พลังงาน K และระดบั พลังงานท่อี ยถู ดั ออกมาเปน L, M, N, … ตามลําดบั แตปจจุบันเรียกระดับพลงั งานทอี่ ยใู กลนวิ เคลยี สที่สดุ วา ระดับพลงั งาน n = 1 และเรียกระดบั พลังงานทอ่ี ยถู ัดไปเปน n =2 , n = 3 , n = 4 ตามลาํ ดับ ”การจดั เรยี งอิเล็กตรอนการจัดอิเลก็ ตรอนในระดับพลังงานหลัก (Shell /Energy level) จากการศึกษาเรื่องพลังงานไอออไนเซชัน ทําใหนักวิทยาศาสตรสมารถทราบวาในแตละระดับพลังงานมีจํานวนอเิ ลก็ ตรอนไดมากท่ีสดุ ก่ีอเิ ลก็ ตรอน โดยให n แทนลาํ ดบั ทขี่ องพลงั งาน ( n มคี าเปน เลขจํานวนเตม็ = 1 , 2 , 3 , ….ตามลําดบั ) จํานวนอเิ ลก็ ตรอนท่มี ไี ดม ากที่สุดในแตละระดับพลงั งาน = 2n2 ระดับพลังงาน n = 1 มจี ํานวนอเิ ลก็ ตรอนไดมากทสี่ ุด = 2n2 = 2 x 12 = 2 ระดบั พลังงาน n = 2 มีจํานวนอิเล็กตรอนไดมากทส่ี ดุ = 2n2 = 2 x 22 = 8 ระดบั พลังงาน n = 3 มจี าํ นวนอเิ ล็กตรอนไดม ากทส่ี ดุ = 2n2 = 2 x 32 = 18 ระดับพลงั งาน n = 4 มีจาํ นวนอิเลก็ ตรอนไดมากท่สี ดุ = 2n2 = 2 x 42 = 32แตสูตรการหาจํานวนอิเล็กตรอนดังกลาวใชไดกับระดับพลังงาน n = 1 ถึง n = 4 เทานั้น เพราะในระดับพลังงานตอ ๆ ไปจะมีอิเล็กตรอนไมเกิน 32 นอกจากนั้นการศึกษาคาพลังงานไอออไนเซชัน พบวาอเิ ลก็ ตรอนวงนอกซ่ึงเรยี กวา เวเลนซอเิ ล็กตรอน ของธาตตุ า ง ๆ มีไดไมเกิน 8 เวเลนซอเิ ล็กตรอน คือ จํานวนอิเลก็ ตรอนในระดบั พลงั งานนอกสุดหรือสูงสดุ ของแตล ะธาตุจะมีอิเล็กตรอนไมเ กิน 8สาขาวชิ าเคมี -40- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรื่อง โครงสรางอะตอม หลักการจดั อิเลก็ ตรอน การจดั อเิ ลก็ ตรอนจะตอ งจัดอเิ ลก็ ตรอนในระดบั พลงั งานตา่ํ สดุ กอน แลวจงึจัดในระดบั พลงั งานสงู ขน้ึ ไป และอิเล็กตรอนวงนอกตอ งไมเ กิน 8ตัวอยา ง ธาตุ Mg มีเลขอะตอม = 12 แสดงวา Mg มีโปรตอนแลอิเลก็ ตรอน = 12 ตัว ในการศกึ ษาคา IE ลาํ ดับตา ง ๆ IE1 – IE12 พบวามคี าอยู 3 กลมุ ดงั น้ีกลมุ ที่ 1 IE = 0.74, 1.45 [IE1 , IE2 ]กลมุ ที่ 2 IE = 7.73, 10.54 , 13.63 , 18.0 , 21.71 , 25.66 , 31.65 , 35.64 [IE3 … IE10 ]กลมุ ท่ี 3 IE = 170.0, 189.37 [IE11 , IE12 ]การจดั เรียงอิเลก็ ตรอนเปน 2 8 2 การจัดอเิ ลก็ ตรอน มคี วามสัมพนั ธกบั การจดั หมแู ละคาบอยา งไร 1. เวเลนซอิเลก็ ตรอน จะตรงกับเลขท่ขี องหมู ดงั นนั้ ธาตทุ อี่ ยูหมเู ดียวกนั จะมเี วเลนซอิเลก็ ตรอนเทากัน 2. จํานวนระดับพลงั งาน จะตรงกบั เลขทข่ี องคาบ ดงั น้นั ธาตุในคาบเดยี วกนั จะมจี ํานวนระดบัพลังงานเทากนั เชน 35Br มีการจัดเรียงอเิ ล็กตรอนดังน้ี 2 , 8 , 18 , 7 ดงั นั้น Br จะอยูในหมูที่ 7 เพราะมเี วเลนซอเิ ล็กตรอน 7 และอยใู นคาบท่ี 4 เพราะมจี ํานวนระดบั พลงั งาน 4หลกั การจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอน 1. จะตองจัดเรียงอเิ ลก็ ตรอนเขา ในระดับพลังงานต่ําสุดใหเ ต็มกอ น จึงจดั ใหอยรู ะดบั พลังงานถัดไป 2. เวเลนซอ เิ ลก็ ตรอนจะเกิน 8 ไมไ ด 3. จาํ นวนอเิ ล็กตรอนในระดับพลงั งานถัดเขาไปของธาตใุ นหมู IA, IIA เทา กบั 8 สวนหมู IIIA– VIIIA เทากบั 18เลขควอนตมั ออรบ ิตอล คือ ที่วา งท่ีอยูรอบนวิ เคลยี สท่ีซ่งึ เรามีโอกาสพบอเิ ลก็ ตรอนทีม่ ีพลังงานตามท่ีกําหนด ตามทฤษฎีของเวฟเมคเคนิก ระดับพลังงานของอะตอมประกอบดวย หนึ่งออรบิตอลหรือมากกวาสําหรับอะตอมท่ีมีอิเล็กตรอนมากกวา 1 อิเล็กตรอน การพิจารณาวาอิเล็กตรอนน้ันอยูระดับพลังงานใดและอยใู นระดับพลังงานประเภทใด พิจารณาจากเลขควอนตมั ซง่ึ ไดจากการแกส มการคลนื่ คือ 1) เลขควอนตัมหลัก ( principle quantum number ) เขียนแทนดวย n บอกถึงระดับพลังงาน หลกั ของอเิ ลก็ ตรอนตวั น้ัน ๆ - n มคี า ไดตั้งแต 1 , 2 , 3 ... - คา n ย่งิ สูงแสดงวาอเิ ลก็ ตรอนอยูหา งจากนวิ เคลียสและมีพลงั งานสงู ข้นึสาขาวชิ าเคมี -41- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอม 2) เลขควอนตมั โมเมนตัมเชงิ มุม ( Angular momentum quantum number ) เขียนแทนดวย lบอกใหทราบถึงระดับพลังงานยอยของอิเล็กตรอนและบอกใหทราบถึงรูปรางของออรบิตอลที่บรรจุอิเล็กตรอนตัวน้ัน คา l มีความสัมพันธกับโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน เม่ือกําหนด n เปนคาหนึ่งแลว l จะมีคาเปนเลขจํานวนเต็มตงั้ แต 0 , 1 , 2 ,.......,n-1 เชน n = 3 คา l จะมีไดเปน 0 , 1 , 2 สาํ หรบั l คาตา ง ๆ นิยมใชส ญั ลักษณแ ทนดงั น้ี l = 0 เรียกวา s l = 1 เรียกวา p l = 2 เรยี กวา d l = 3 เรียกวา f l = 4 เรยี กวา g ( ยังไมพ บธาตทุ ่มี อี ิเลก็ ตรอนในออรบติ อลน้ี ) 3) เลขควอนตัมแมเหล็ก ( Magnetic quantum number ) เขียนแทนดวย ml ใชอธิบายเสน ตาง ๆที่ปรากฏเพ่ิมเติมในอะตอมมิกสเปกตรัมชนิดเสนของอะตอมเม่ืออยูในสนามแมเหล็ก คาของ m เปนเลขจํานวนเต็ม มีคาตั้งแต -l ถึง +l เม่ือ l = 0 , m มีคา เพียงคาเดียวคือ m = 0 ดังน้ันเชลลยอย sมเี พียงหน่ึงออรบ ิตอล เรียกวา s ออรบิตอล เม่อื l = 1 ( เชลลยอ ย p ) m มคี าทา กบั -1 , 0 , +1 ซึ่งมี 3 ออรบิตอล และถา l = 2 ( เชลลยอย d ) m มีคา -2 , -1 , 0 , +1 , +2 ซึ่งมี 5 ออรบิตอลดว ยกัน คา ของ m ระบุทิศทางของกลมุ หมอกอเิ ลก็ ตรอน จาํ นวนของทิศทางที่เปนไปไดสัมพันธกับรูปรางของกลุมหมอกอเิ ล็กตรอน ซึ่งกําหนดโดยคาของ l ดังน้ัน เม่ือ l = 0 ( เชลลยอย s ) m มีเพียงคาเดยี วคือ m = 0 หมายความวา กลุมเชลลยอย s นี้ มีทิศทางไดเพียง 1 ทิศทางเทาน้ัน เม่ือ l = 1( เชลลยอย p ) m มีคา = -1 , 0 , +1 หมายความวาเชลลยอยนี้มีได 3 ทิศทาง และเม่ือ l = 2 (เชลลยอย d ) หมายความวาเชลลยอยน้ี มีได 5 ทิศทาง 4) เลขควอนตัมสปน ( Spin quantum number ) เขียนแทนดวย ms เกี่ยวของกับโมเมนตัม เชิงมมุ ภายในของอิเล็กตรอน ( เนอ่ื งจากสปน ) ms = +s , -s เม่ือ s = ½ หมายถึงสปบของอิเลก็ ตรอน เม่ืออิเล็กตรอนมีคา ms = +1/2 และ -1/2 เราเรียกวาอิเล็กตรอนอยูในสถานะ สปนข้ึน (spinup) และ สปน ลง (spin down) ตามลําดับสาขาวิชาเคมี รูปท่ี 1-12 s ออรบ ิตอล -42- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่ือง โครงสรา งอะตอม รูปท่ี 1-13 p ออรบิตอล รูปท่ี 1-14 d ออรบติ อลการจดั อิเล็กตรอนในระดับพลงั งานยอ ย (subshell / energy sublevel) จากการศกึ ษาสเปกตรมั และกลศาสตรค วอนตัมของคลนื่ ทําใหท ราบวา ระดบั พลังงานของอิเลก็ ตรอน ในระดับพลังงานเดยี วกนั ยังแบงเปน ระดบั พลงั งานยอยตางๆ ซ่ึงมี 4 ระดับพลังงานยอ ย ไดแก s , p , d , f subshell แตละระดบั พลงั งานยอย จะมจี าํ นวนอเิ ล็กตรอนตา งๆ กันดังน้ี ระดับพลังงานหลกั ระดับพลังงานยอ ย จาํ นวนอเิ ลก็ ตรอน n=1 1s 2 n=2 2s 2 n=3 2p 6 3s 2 n=4 3p 6 3d 10สาขาวชิ าเคมี 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 -43- โรงเรยี นมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรางอะตอม การจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานยอ ยตอ งอาศัยหลกั การตางๆ ดังนี้หลักของเพาลี ( Pauli , s exclusion principle ) กลา ววา “ไมม ีอเิ ล็กตรอนคหู นึ่งคูใดในอะตอมเดยี วกนั ท่มี เี ลขควอนตัมท้งั สเ่ี หมอื นกนั ทุกประการแตจะมีเหมือนกันมากท่ีสุด 3 คา ” เชน 2 อิเล็กตรอน ใน 1s ( 1s2 ) จะมีเลขควอนตัม n , l , mlเหมือนกนั ดงั นี้ อเิ ลก็ ตรอนท่ี 1 n = 1 , l = 0 , ml = 0 , ms = +1/2 อเิ ลก็ ตรอนท่ี 2 n = 1 , l = 0 , ml = 0 , ms = -1/2กฎของฮุนด ( Hund ,s rule ) กลา ววา “ การเติมอเิ ล็กตรอนในออรบ ิตอลยอย ( โดยเฉพาะออรบิตอลที่มีพลังงานเทากัน ) ใหเติมอเิ ล็กตรอนเด่ียว ๆ ( 1 อเิ ล็กตรอน ) กอ น แลวจึงเติมอิเล็กตรอนใหเขาคูกนั และอิเล็กตรอนเดี่ยวนั้นตองมสี ปน เหมือนกัน ” เชน มี 3 อิเล็กตรอนทีต่ องเติมใน p –ออรบ ติ อลตามกฎของฮนุ ดตอ งเตมิ แบบนี้ ↑ ↑↑ ถามี 4 อิเลก็ ตรอน จะเปน ↑↓ ↑ ↑ อิเล็กตรอนท่ี 4หลักของเอาฟบาว ( Aufbau principle ) การบรรจุอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่ง ๆในออรบ ติ อลท่ีเหมาะสม จะใชหลักดังนี้ 1. ใชหลักของเพาลี ในการบรรจุอเิ ล็กตรอนในออรบติ อลซ่ึงจะเขยี นแทนดว ยสัญลักษณ Οหรอื ก็ได สว นอเิ ลก็ ตรอนจะใชล กู ศร เชน ↑ สาํ หรบั สปน ข้นึ และ ↓ สาํ หรับสปนลง ดงั นนั้ ถาออรบิตอลมีอิเล็กตรอนอยูเต็ม จะเขียนแทนดวยรูปภาพ ↑↓ เรียกอิเล็กตรอนท้ังสองวา อิเล็กตรอนคู( paired electron ) ถามีอิเล็กตรอนเพียงคร่ึงหน่ึง นิยมเขียนเปนสปนข้ึน ↑ และเรียกอิเล็กตรอนวาอิเล็กตรอนเดีย่ ว 2. บรรจุอเิ ล็กตรอนของอะตอมนั้นเขาไปในออรบิตอลตา ง ๆ จนครบจํานวนอเิ ล็กตรอนทม่ี ีอยูโดยบรรจุอิเล็กตรอนในออรบิตอลที่มีพลังงานต่ําท่ีสุดท่ียังวางอยูเสียกอน ( คือ 1s , 2s , 2p , 3s , …ตามลาํ ดับ ) เพราะจะทาํ ใหพ ลงั งานรวมทัง้ หมดมีคาต่ําท่ีสุด ซ่ึงหมายถึงวาการจัดตัวแบบนี้จะทําใหอะตอมมสี ถานะเสถียรที่สดุสาขาวิชาเคมี -44- โรงเรยี นมหิดลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอ่ื ง โครงสรา งอะตอม 3. ถา มอี อรบ ิตอลทม่ี พี ลงั งานเทา ๆ กนั มากกวาหน่งึ ขึน้ ไป ( เชน p –ออรบิตอล หรอื d –ออรบิตอล ) การบรรจุอิเล็กตรอนจะอาศัยกฎของฮุนด ซ่ึงกลาววา “ การบรรจอุ ิเลก็ ตรอนในออรบิตอลที่มีระดับพลังงานเทา กนั (degenerate orbital)จะบรรจุในลกั ษณะท่ีทาํ ใหม ีอิเล็กตรอนเดย่ี วมากทส่ี ุดเทาทีจ่ ะมากได ” 4. ในกรณีทีร่ ะดบั พลงั งานเปน ดีเจนเนอเรต ถา ทกุ ๆ ออรบ ิตอลในระดับพลงั งานเดียวกนั นั้นมีอิเล็กตรอนอยเู ตม็ ( 2 อิเลก็ ตรอนตอ 1 ออรบิตอล ) เราเรียกการเรียงตวั แบบน้วี าเปนการบรรจุเตม็( filled configuration ) แตถาทุก ๆ ออรบิตอลมีอิเล็กตรอนอยูเพียงครึ่งเดียว ( 1 อิเล็กตรอน )เหมือนกันหมด เราเรียกวาเปน การบรรจุคร่ึง ( half- filled configuration ) อะตอมที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบบรรจุเต็มและบรรจุครึ่ง มักจะมีเสถียรภาพมากกวาอะตอมที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบอื่น ๆ เชน 2p3 เสถียรกวา 2p4 และ 3d10 เสียรกวา 3d9 แตถาเปรียบเทียบเสถียรภาพระหวางแบบบรรจุเต็มและแบบบรรจุครงึ่ แลว แบบบรรจเุ ต็มจะเสถยี รกวาแบบบรรจคุ รง่ึ การจัดเรยี งอิเลก็ ตรอนในแตล ะออรบ ิทลั จะเขาตามระดับพลังงานตาํ่ ไปสงู ซ่งึ ไปตามแผนผังดังนี้เรียงลําดับพลงั งานไดด ังน้ี 1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , … ดงั แผนผังขา งลางสาขาวชิ าเคมี -45- โรงเรียนมหดิ ลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรอื่ ง โครงสรา งอะตอม ตวั อยางการจัดเรียงอิเลก็ ตรอนในระดบั พลังงานยอ ยของอะตอมตางๆ1. การจัดเรียงอเิ ล็กตรอนเลขอะตอม ธาตุ การจัดอเิ ลก็ ตรอน การเรยี งตวั ใน 2p-ออรบ ิตอล 1s2 2s2 2p1 5B 1s2 2s2 2p2 ↑ ↑ 6C 1s2 2s2 2p3 ↑↑ ↑ 7N 1s2 2s2 2p4 ↑↑ ↑ 8O 1s2 2s2 2p5 ↑↓ ↑ ↑↓ 9F 1s2 2s2 2p6 ↑↓ ↑↓ 10 Ne ↑↓ ↑↓สาขาวชิ าเคมี -46- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานุสรณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เร่ือง โครงสรางอะตอมแบบจาํ ลองอะตอมแบบกลุม หมอก เน่ืองจากแบบจาํ ลองอะตอมของโบรม ีขอ จาํ กัดทีไ่ มสามารถใชอ ธิบายสเปกตรัมของอะตอมทีม่ หี ลายอเิ ล็กตรอนได นักวิทยาศาสตรจ ึงไดศึกษาเพิ่มเตมิ จนไดข อ มลู เพยี งพอท่ีจะเชอื่ วา อเิ ล็กตรอนมสี มบตั เิ ปนท้งัอนภุ าคและคล่นื โดยเคลอื่ นทรี่ อบเคลยี สในลกั ษณะของคล่ืนนิ่ง บรเิ วณท่ีพบอเิ ลก็ ตรอนพบไดหลายลักษณะเปน รปู ทรงตา งๆ ตามระดับพลงั งานของอเิ ลก็ ตรอน จากการใชค วามรูท างกลศาสตรค วอนตมั สรางสมการข้นึ เพือ่ คาํ นวณหาโอกาสทีจ่ ะพบอิเล็กตรอนในระดบั พลงั งานตา งๆ พบวา แบบจาํ ลองนส้ี ามารถอธิบายเสนสเปกตรัมของธาตไุ ดถูกตอ งกวาแบบจําลองอะตอมของโบร อิเลก็ ตรอนมีขนาดเลก็ มากและเคล่อื นท่อี ยางรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทงั้ อะตอม จึงไมสามารถบอกตาํ แหนง ที่แนน อนของอิเลก็ ตรอนได อยางไรก็ตามนกั วทิ ยาศาสตรพ บวา มโี อกาสทีจ่ ะพบอเิ ลก็ ตรอนรอบนวิ เคลียสบางบริเวณเทา นน้ั ทําใหสรางมโนภาพไดวาอะตอมประกอบดวยกลุม หมอกของอิเลก็ ตรอนรอบนิวเคลียส ท่ีมาของแบบจําลองอะตอมแบบกลุมหมอก เกิดขนึ้ จาก นักฟส กิ สชาวออสเตรีย เออรว ิน ชโรดิงเงอร (Erwin Schrödinger ) ไดเ สนอ สมการคล่นื ของชโรดงิ เงอร (Schrödinger wave equation ) ทแี่ สดงพฤตกิ รรมของอิเลก็ ตรอนทเ่ี ปน ไดทัง้ คล่นื และอนุภาค ผลงานช้นิ นีน้ ําไปสกู ารศึกษาอนุภาคทเ่ี ล็กกวา อะตอมหรอื ทเ่ี รียกกันวา การศกึ ษาดาน กลศาสตรค วอนตัม (quantum mechanics) หรือ กลศาสตรของคลน่ื (wavemachanics) การใชสมการชโรดงิ เงอรตอ งอาศัยแคลคลู ัสข้ันสงู ซึ่งจะไมก ลา วในท่ีน้ี แตเราจะนาํ ผลทไี่ ดม าอธบิ ายโครงสรา งของอิเลก็ ตรอน โดยเร่ิมจากโครงสรา งอิเลก็ ตรอนของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งมีขนาดเล็กท่สี ุดกอ น การแกสมการชโรดงิ เงอรท าํ ใหเ กดิ อนกุ รมของฟง กชนั ทางคณิตศาสตรท เ่ี รียกวา ฟงกชนั คล่นื(wave function) แทนดว ยสญั ลกั ษณ ( psi อักษรกรีก อานวา ไซ) แมวา ฟง กชนั คลน่ื เองไมม ีความหมายทางกายภาพ แตค า กําลงั สองของฟงกช นั คล่นื 2 จะใหข อ มูลเกย่ี วกับบรเิ วณของอิเล็กตรอนที่อยใู นระดับพลังงานที่เปน ไปได (allowed energy state) สาํ หรบั อิเลก็ ตรอนของอะตอมไฮโดรเจนจะมีพลังงานในระดบั ที่เปนไดตามแบบจาํ ลองของโบรท ที่ าํ นายเอาไว โดยแบบจําลองนตี้ ั้งสมมติฐานวาอิเลก็ ตรอนมีวงโคจรรอบนิวเคลยี สโดยมีรัศมคี าหนง่ึ แตแ บบจําลองของกลศาสตรควอนตัมน้ี ไมส ามารถแสดงบรเิ วณของอิเลก็ ตรอนอยางา ยๆได ซงึ่ จากหลกั ความไมแ นน อนแสดงใหเหน็ วาถา รูคา โมเมนตัมของอิเล็กตรอนไดอ ยางแมนยาํ เราจะไมร ูตาํ แหนงทแ่ี นนอนของอเิ ล็กตรอนน้นั ดงั นนั้ จึงไมค วรคิดจะหาตําแหนงสาขาวชิ าเคมี -47- โรงเรยี นมหดิ ลวิทยานสุ รณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวชิ า ว30131 เรื่อง โครงสรา งอะตอมของอเิ ล็กตรอนแตล ะตวั ทีอ่ ยรู อบนิวเคลียส แตค วรจะแสดงเปนโอกาสหรือความเปนไปไดท จี่ ะพบอเิ ลก็ ตรอนในบริเวณรอบนวิ เคลยี สน้นั วาเปนเชน ใด คา 2 ทีใ่ ดทหี่ นงึ่ ในท่ีวา งจงึ หมายถงึ โอกาสที่จะพบอเิ ล็กตรอนท่ีนนั้ ดว ย ดวยเหตุนจี้ งึ เรียก 2 วา ความหนาแนน ที่เปน ไปได (probability density) การแสดงความเปนไปไดทีจ่ ะพบอิเลก็ ตรอนทบ่ี รเิ วณตางๆของอะตอมเปน ดังรปู ซ่งึ จดุ เล็กๆ แสดงโอกาสท่ีจะพบอิเล็กตรอน ถาจดุ มคี วามเขม มากแสดงวาคา 2 หรือความหนาแนน อิเล็กตรอน (electrondensity) มคี าสูงแบบจาํ ลองอะตอมแบบกลมุ หมอกอาจสรปุ ไดด ังน้ี1. อเิ ล็กตรอนไมสามารถว่ิงรอบนิวเคลียสดว ยรศั มที แี่ นนอน บางคร้งั เขาใกลบางครั้งออกหาง จงึ ไมส ามารถบอกตําแหนง ทีแ่ นนอนได แตถ าบอกไดแ ตเพยี งที่พบอเิ ล็กตรอนตาํ แหนง ตา งๆภายในอะตอมและอิเลก็ ตรอนท่ีเคลอ่ื นที่เร็วมากจนเหมือนกบั อเิ ลก็ ตรอนอยูท่ัวไปในอะตอมลกั ษณะนี้เรียกวา \"กลมุ หมอก\"2.กลุม หมอกองอิเล็กตรอนในระดบั พลังงานตา งๆจะมรี ปู ทรงตางกันขนึ้ อยกู บั จาํ นวนอเิ ลก็ ตรอน และระดบัพลังงานอเิ ลก็ ตรอน3.กลมุ หมอกท่มี อี เิ ล็กตรอนระดับพลังงานตํา่ จะอยใู กลน ิวเคลยี สสวนอิเล็กตรอนที่มรี ะดบั พลังงานสงู จะอยูไกลนวิ เคลียส4.อิเล็กตรอนแตล ะตวั ไมไ ดอยใู นระดับพลังงานใดพลังงานหนึง่ คงท่ี5.อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดบั พลังงานบรเิ วณท่ีมโี อกาสพบอเิ ลก็ ตรอน (ออรบ ทิ ลั ) อเิ ล็กตรอนในแตล ะระดับพลังงานของวงโคจรหนึง่ ๆประกอบดวยระดบั พลงั งานยอ ย (subenergylevels) ซ่ึงเปนบรเิ วณท่ีพบอเิ ล็กตรอนหนาแนน โดยอิเลก็ ตรอนเคลอื่ นทไ่ี ปเปน ลกั ษณะรูปรา งแบบตางๆกนัรอบนวิ เคลยี ส เรียกบรเิ วณนี้วาออรบิทัลอะตอม ซึ่งรปู รางออรบทิ ัลมีหลายแบบและมีช่ือเรยี กตางกันเชน s ,p , d และ f ออรบ ิทัล เปน ตนสาขาวิชาเคมี -48- โรงเรียนมหิดลวทิ ยานสุ รณ (องคการมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เร่ือง โครงสรางอะตอมรูปรา งของ s ออรบทิ ัล รูปรางของ s ออรบทิ ัล มลี ักษณะเปน ทรงกลม (spherically symmetrical) ลอมรอบนิวเคลียสเหมือนกนั ทกุ ทศิ ทาง เชน ไฮโดรเจนอะตอมในสภาวะพ้ืน มีอเิ ลก็ ตรอนเคลือ่ นท่ีลอ มรอบนวิ เคลยี สในลกั ษณะท่ีเปนทรงกลมปกคลมุ โดยรอบนิวเคลยี สดังรปู รูปรา งของ s ออรบิทลัรปู รา งของ p ออรบ ิทัล รูปรา งของ p ออรบทิ ัล p ออรบ ทิ ลั มีลักษณะเปน พู (lobe) สองพูอยูค นละขา งของนิวเคลยี ส บางครง้ั เรยี กวามรี ปู รางแบบดมั เบล (dumbbell shaped) ซง่ึ อิเลก็ ตรอนของอะตอมจะเคลอื่ นทอ่ี ยูใ นพูท้งั สองเปนเวลาเทา ๆกนั และตรงบริเวณนวิ เคลยี สจะไมพบอเิ ล็กตรอนอีกเลย เน่อื งจาก p ออรบทิ ลั มที ศิ ทางตางกนั 3 ทิศทาง จงึ มชี ่ือเรียกแตกตา งกันเปน px , py และ pz ออรบทิ ลั ซ่งึ ทัง้ สามออรบ ิทัลน้ีจะตัง้ ฉากซง่ึ กนั และกัน ในแนวแกน x, yและ z การกําหนดทิศทางของออรบิทลั จึงใชแกน x, y และ z เปน ตัวกาํ หนดและระบชุ ่อื ของ p ออรบ ทิ ัล เชนออรบ ทิ ัล px หมายถึง p ออรบ ทิ ัล ทมี่ ีพูท้ังสองอยูใ นแนวแกน x เปนตนสาขาวิชาเคมี -49- โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
เอกสารประกอบการสอน รายวิชา ว30131 เรือ่ ง โครงสรางอะตอม ในระดบั พลงั งาน n เดียวกัน px , py , pz ออรบิทัลท้งั สามนจ้ี ะมรี ะดับพลังงานเทา กนั เราเรียกปรากฏการณท ีอ่ อรบทิ ัลมีระดบั พลงั งานเทากนั นวี้ า ดเี จนเนอเรซี (degeneracy) สว นออรบทิ ลั ที่มีระดับพลงั งานเทากนั เรียกวา ดีเจนเนอเรท ออรบทิ ัล (degenerate orbitals)รูปรา งของ d ออรบ ทิ ลัd ออรบ ทิ ัล มที ง้ั หมด 5 ออรบทิ ลั แตละออรบ ิทลั มรี ูปรางและการจัดตวั ในทว่ี า ง 3 มิติในทศิ ทางตโดาxยงyกมนัีนวิ จเงึคมลชียี อื่สเอรยียูตกรแงตจกดุ ตกาึง่ งกกลนั าเงปรนะหdวxาyง,พdู yz ,dzx ,dx2 - y2 และ dz2 สอ่ี อรบ ทิ ลั แรกมพี ู 4 พอู ยตู รงกนั ขาม dxy , dyz ,dzx ออรบ ทิ ัลมีพูท้งั สีอ่ ยรู ะหวา งแกนบนระนาบ xy ,yz และ xz ตามลาํ ดบั สวน ,dx2 - y2 ออรบิทัล มีพูสี่พอู ยูในแนวแกนบนระนาบ xy สาํ หรับ dz2 ออรบทิ ลั มีรูปรา งแตกตางจาก d ออรบ ทิ ลั อน่ื ๆ ท่ีกลา วไปแลวคือมพี ู 2 พู อยูบนแกน z และมีวงแหวนบนระนาบ xyลอมรอบตรงกงึ่ กลางของรอยตอระหวา งพูd ออรบทิ ลั ทั้งหาทีอ่ ยูใ นระดับพลังงาน n เดยี วกนั จะมพี ลังงานเทากันหรอื มดี ีเจนเนอเรซีเชนเดียวกบั p ออรบทิ ัลทไ่ี ดกลาวไปแลว รปู รา งของ d ออรบิทัลสาขาวิชาเคมี -50- โรงเรยี นมหิดลวิทยานุสรณ (องคก ารมหาชน)
Search
