chemistry: 2.1.แบบจำลองอะตอม

แบบจำลองอะตอม
เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมาก อีกทั้งไม่มีใครเคยมองเห็นอะตอมมาก่อน เมื่อนักวิทยาศาตร์พัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีกำลังขยายสูงมากนำมาใช้งานร่วมกับคอมพิวเตอร์ จึงสามารถถ่ายภาพที่เชื่อว่าเป็นภาพภายนอกของอะตอมได้ดังรูป 1.1

รูป 1.1 ภาพถ่ายอะตอมของทองคำด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

          จากภาพนี้ก็ยังไม่สามารถบอกรายละเอียดภายในอะตอมได้ การศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับอะตอมจึงเป็นการแปลผลจากข้อมูลที่ได้จากการทดลองและนำมาสร้างเป็นนโมภาพหรือแบบจำลอง

           - นักเรียนคิดว่าแบบจำลองที่สร้างขึ้นมานั้นสามารถปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่เพราะเหตุใด

1.1.1 แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
          ในปี พ.ศ.2346 จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่งๆ ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
          1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ หลายอนุภาคอนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
          2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน เช่น มีมวลเท่ากัน แต่จะมีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
          3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
          ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง ต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นและค้นพบข้อมูลบางประการที่ไม่สอดคล้องกับแนวคิดของดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้ อะตอมสามารถแบ่งแยกได้นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาจึงได้ศึกษาเพิ่มเติมแล้วสร้างแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่ นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไปว่านักวิทยาศาสตร์พัฒนาแบบจำลองอะตอมโดยมีผลการทดลองหรือข้อมูลใดช่วยสนับสนุนแนวคิดเหล่านั้น

1.1.2 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
          จากการพบว่ามีข้อมูลบางประการไม่สอดคล้องกับแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมของดอลตัน นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมและสร้างแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่ แต่ก็ยังไม่มีข้อมูลที่ให้รายละเอียดภายในอะตอม รวมทั้งมีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนที่สนใจศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊ส โดยทำการทดลองผ่านไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปในหลอดแก้วบรรจุแก๊สความดันต่ำ เพราะที่ภาวะนี้มีจำนวนอะตอมของแก๊สไม่หนาแน่นทำให้ง่ายต่อการศึกษา พบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านหลอด ขณะเดียวกันก็จะเกิดรังสีพุ่งออกจากแคโทดไปยังแอโนด รังสีนี้เรียกว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วชนิดนี้ว่า หลอดรังสีแคโทด

รูป 1.2 หลอดรังสีแคโทด

ในปี พ.ศ. 2540 เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ทำการทดลองบรรจุแก๊สชนิดหนึ่งไว้ในหลอดแก้วที่ต่อไว้กับเครื่องสูบอากาศเพื่อลดความดันภายในหลอด ที่แอโนดเจาะรูตรงกลางและต่อไว้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงศักย์สูง ที่ปลายหลอดมีฉากเรืองแสงวางขวางอยู่ ดังรูป 1.3 พบว่าเมื่อลดความดันในหลอดแก้วให้ต่ำลงมากๆ จนเกือบเป็นสูญญากาศ จะมีจุดสว่างเกิดขึ้นตรงบริเวณศูนย์กลางของฉากเรืองแสง

รูป 1.3 หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลงแล้ว

รูป 1.4 หลอดรังสีแคโทดที่มีขั้วไฟฟ้าในหลอดเพิ่มขึ้นอีกสองขั้ว

          ทอมสันทำการทดลองต่อโดยเพิ่มขั้วไฟฟ้าอีก 2 ขั้วในแนวดิ่ง ดังรูป 1.4 ปรากฎว่าตำแหน่งของจุดสว่างบนฉากเรืองแสงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จึงสรุปว่ารังสีจากแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ

          เมื่อทอมสันทดลองเปลี่ยนชนิดของแก๊สที่บรรจุในหลอดและโลหะที่ใช้เป็นแคโทด พบว่ารังสีที่เกิดขึ้นยังคงประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมากที่ฉากเรืองแสงเหมือนเดิม เมื่อคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคพบว่าได้ค่าเท่ากับ   $\displaystyle 1.76x10^8$ คูลอมบ์ต่อกรัมทุกครั้ง จากผลการทดลองและการคำนวณช่วยให้ทอมสันสรุปได้ว่าอะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ และเรียกอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน

           จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์พบว่าอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าและมีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่าอะตอมต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวกด้วย

          ออยเกน โกลด์ชไตน์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยเจาะรูตรงกลางขั้วแอโนดและแคโทด และเลื่อนขั้วทั้งสองมาไว้เกือบตรงกลางหลอดรวมทั้งเพื่อฉากเรืองแสงที่ปลายทั้งสองด้านของหลอดดังรูป 1.5

รูป 1.5 หลอดรังสีแคโทดกับอนุภาคบวก

เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอด ปรากฎว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นบนฉากเรืองแสงทั้งสองด้าน อธิบายได้ว่ารังสีที่ไปกระทบกับฉากเรืองแสงบริเวณด้านหลังแคโทดต้องเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก เมื่อทำการทดลองกับแก๊สอีกหลายชนิด พบว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนของประจุต่อมวลไม่คงที่ นอกจากนี้ยังพบว่าถ้าบรรจุแก๊สไฮโดรเจนไว้ในหลอดรังสีแคโทด จะได้อนุภาคบวกที่มีประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์เรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนนี้ว่า โปรตอน
จากผลการทดลองดังกล่าวทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงเสนอแบบจำลองของอะตอมว่า อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ

รูป 1.6 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

           - แบบจำลองอะตอมของทอมสันใช้อธิบายผลการทดลองที่กล่าวมาแล้วได้อย่างไร

          ตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน เมื่ออะตอมของโลหะที่เป็นแคโทดได้รับพลังงานไฟฟ้าที่มีศักย์สูง จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากอะตอมของโลหะและวิ่งไปชนกับอะตอมของแก๊สที่อยู่ภายในหลอดอย่างต่อเนื่องทำให้อะตอมของแก๊สแตกตัวได้อนุภาคที่มีประจุบวกเกิดขึ้นอิเล็กตรอนทั้งหมดจะวิ่งไปยังแอโนด ส่วนอนุภาคที่มีประจุบวกจะวิ่งไปยังแคโทด เนื่องจากอะตอมของแก๊สแต่ละชนิดมีมวลไม่เท่ากัน จึงทำให้มีค่าประจุต่อมวลของอนุภาคบวกของแก๊สแต่ละชนิดมีค่าแตกต่างกัน
          รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้ทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอนเมื่อปี พ.ศ.2451 และพบว่าอิเล็กตรอนมีประจุเท่ากับ    $\displaystyle 1.60x10^{ - 19}$ คูลอมบ์ และคำนวณหามวลได้เท่ากับ   $\displaystyle 9.11x10^{ - 28}$ กรัม ซึ่งเป็นค่าน้อยมาก

          ผลการทดลองของทอมสันและโกลด์ชไตน์ พร้อมทั้งข้อเสนอเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมของทอมสัน นับเป็นก้าวสำคัญเกี่ยวกับการศึกษาเรื่องอะตอมต่อจากดอลตัน และถือได้ว่าทอมสันเป็นคนแรกที่เสนอรายละเอียดภายในอะตอม ซึ่งทำให้ได้มโนภาพของอะตอมชัดเจนขึ้น อย่างไรก็ตามในเวลาต่อมาแบบจำลองอะตอมของทอมสันก็ไม่สามารถใช้อธิบายโครงสร้างของอะตอมได้อย่างครอบคลุมนักเรียนคิดว่าเป็นเพราะเหตุใด

1.1.3 แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

ลอร์ดเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ และฮันส์ ไกเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ศึกษาและพิสูจน์แบบจำลองอะตอมของทอมสันเมื่อปี พ.ศ.2454 โดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบางๆ และใช้ฉากเรืองแสงที่เคลือบด้วยซิงค์ซัลไฟด์โค้งเป็นวงล้อมรอบแผ่นทองคำเพื่อตรวจจับอนุภาคแอลฟา จากผลการทดลองพบว่าส่วนใหญ่จะเกิดการเรืองแสงบนฉากที่อยู่บริเวณด้านหลังของแผ่นทองคำ มีบางครั้งเกิดการเรืองแสงบริเวณด้านหลัง และมีการเรืองแสงบริเวณด้านหน้าของแผ่นทองคำด้วยแต่น้อยครั้งมาก ดังรูป 1.7

รูป 1.7 การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

จากผลการทดลองนี้ ถ้าอธิบายตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน อนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกน่าจะผลักกับโปรตอนทำให้เกิดการเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรงได้บ้าง แต่ไม่น่าจะมีอนุภาคสะท้อนกลับมากระทบฉากบริเวณด้านหน้าได้ ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงอธิบายลักษณะภายในอะตอมว่า การที่อนุภาคแอลฟาวิ่งผ่านแผ่นทองคำไปได้เป็นส่วนใหญ่ แสดงว่าภายในอะตอมต้องมีที่ว่างอยู่เป็นบริเวณกว้าง การที่อนุภาคแอลฟาบางอนุภาคเบี่ยงเบนหรือสะท้อนกลับมาบริเวณด้านหน้าของฉากเรืองแสง แสดงว่าบริเวณตรงกลางของอะตอมน่าจะมีอนุภาคที่มีประจุบวกและมีมวลสูงมากกว่าอนุภาคแอลฟา รัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ว่า อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กมากอยู่ตรงกลางและมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โดยมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆ ดังรูป 1.8

รูป 1.8 แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

- แบบจำลองที่รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอขึ้นใหม่ใช้อธิบายผลการทดลองได้อย่างไร

ตามแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด นิวเคลียสของอะตอมซึ่งอยู่ตรงกลางมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของอะตอม อนุภาคแอลฟาจึงมีโอกาสชนนิวเคลียสได้น้อยมากส่วนอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีมวลน้อยมาก การชนกับอิเล็กตรอนจึงไม่มีผลทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาเปลี่ยนไป อนุภาคส่วนใหญ่จึงวิ่งผ่านทะลุแผ่นทองคำไปเป็นแนวตรง มีบางครั้งที่อนุภาคแอลฟาวิ่งเฉียดนิวเคลียสซึ่งจะถูกประจุของนิวเคลียสผลักให้เบนไปจากแนวเส้นตรงส่วนอนุภาคแอลฟาที่วิ่งตรงไปยังนิวเคลียสซึ่งมีมวลมากก็จะถูกผลักให้สะท้อนกลับ ดังแสดงในรูป 1.9

รูป 1.9 การใช้แบบจำลองอธิบายผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

          ตามแนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดจะพบว่ามวลส่วนใหญ่ของอะตอมคือมวลของนิวเคลียสนั่นเอง ส่วนอิเล็กตรอนถึงแม้จะเป็นส่วนประกอบที่ทำให้อะตอมมีขนาดใหญ่แต่ก็มีมวลน้อย จนถือว่าไม่มีผลต่อมวลของอะตอม

           - แนวคิดเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมของดอลตันทอมสัน และรัทเทอร์ฟอร์ด แตกต่างกันอย่างไร

1.1.3.1 อนุภาคมูลฐานของอะตอม
          จากการศึกษารายละเอียดภายในอะตอม ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนและโปรตอน ตามแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดมวลของอะตอมคือมวลของนิวเคลียส ถ้านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนเพียงชนิดเดียว มวลของนิวเคลียสน่าจะเท่ากับมวลของโปรตอนรวมกัน แต่จากผลการทดลองพบว่าธาตุต่างๆ มีมวลของอะตอมมากกว่ามวลของโปรตอนรวมกัน เช่น ธาตุคาร์บอนมีมวลของโปรตอนรวมกัน 6 หน่วย แต่มวลของอะตอมมีค่า 12 หน่วย นอกจากนี้ยังพบว่ามวลของธาตุส่วนใหญ่มีค่าเป็น 2 เท่าหรือมากกว่า 2 เท่าหรือมากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตอนทั้งหมดรวมกัน รัทเทอร์ฟอร์ดจึงสันนิษฐานว่าน่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียส อนุภาคนี้ควรมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอนและเป็นกลางทางไฟฟ้า
          ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาหามวลของอนุภาคบวกของแก๊สนีออนที่บรรจุในหลอดรังสีแคโทดเมื่อปี พ.ศ. 2456 พบว่าอนุภาคบวดมีมวล 2 ค่าคือ 20 และ 22 หน่วย แสดงว่านีออนประกอบด้วยอะตอม 2 ชนิดที่มีมวลไม่เท่ากัน ผลการทดลองนี้เป็นข้อมูลอีกประการหนึ่งที่สนับสนุนข้อเสนอของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่ามีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งในนิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนแต่ไม่มีประจุ และในอะตอมชนิดเดียวกันอาจมีอนุภาคชนิดนี้ไม่เท่ากัน
          ต่อมาในปี พ.ศ. 2475 เซอร์เจมส์ แชดวิกนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังอะตอมของธาตุต่างๆ และทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเที่ยงตรงสูง ทำให้มั่นใจว่าในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าอยู่จริงและเรียกว่า นิวตรอน การค้นพบนิวตรอนช่วยให้ความรู้เกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอมชัดเจนขึ้น ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สำคัญสามชนิด คือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน อนุภาคทั้งสามชนิดนี้เรียกว่า อนุภาคมูลฐานของอะตอม ซึ่งมีสมบัติดังแสดงในตาราง 1.1

ตาราง 1.1 อนุภาคมูลฐานของอะตอม

อนุภาค	สัญลักษณ์	ประจุไฟฟ้า (คูลอมบ์)	ชนิดประจุไฟฟ้า	มวล (กรัม)
อิเล็กตรอน	e	$\displaystyle 1.602x10^{ - 19}$	-1	$\displaystyle 9.109x10^{ - 28}$
โปรตอน	p	$\displaystyle 1.602x10^{ - 19}$	+1	$\displaystyle 1.673x10^{ - 24}$
นิวตรอน	n	0	0	$\displaystyle 1.675x10^{ - 24}$

           - จากข้อมูลในตาราง นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่าอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน มีสมบัติใดคล้ายคลึงกัน และอนุภาคชนิดใดบ้างที่มีผลต่อมวลของอะตอม

1.1.3.2 เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป
          จากผลงานของนักวิทยาศาสตร์ ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับจำนวนโปรตอนเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียส อะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่นๆ ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนเรียกว่า เลขอะตอม (Z) เนื่องจากมวลของอะตอมส่วนใหญ่เป็นมวลของนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน จึงเรียกผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนว่า เลขมวล (A) เช่น คาร์บอน มีจำนวนโปรตอน 6 จึงมีเลขอะตอมเท่ากับ 6 และมีจำนวนนิวตรอน 6 และ 7 จึงมีเลขมวลเป็น 12 และ 13 ตามลำดับ
          อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจมีได้หลายค่า ทำให้อะตอมของธาตุเดียวกันมีมวลต่างกัน เฟรเดอริก ซอดดี นักเคมีชาวอังกฤษ เรียกอะตอมของธาตุเดียวกันที่มีเลขมวลต่างกันว่า ไอโซโทป ธาตุชนิดหนึ่งอาจมีหลายไอโซโทป บางไอโซโทปมีอยู่ในธรรมชาติและบางไอโซโทปได้จากการสังเคราะห์ เช่น ไฮโดรเจน มี 3 ไอโซโทป มีเลขมวล 1 2 และ 3 มีชื่อเฉพาะว่า โปรเทียมดิวทีเรียม และ ทริเทียม ไฮโดรเจนที่เกิดในธรรมชาติมีปริมาณโปรเทียมอยู่ถึงร้อยละ 99.99 ส่วนดิวทีเรียมมีปริมาณน้อยมาก สำหรับทริเทียมเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี
          สัญลักษณ์ของธาตุที่เขียนโดยแสดงรายละเอียดเกี่ยวกับจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม เรียกว่า สัญลักษณ์นิวเคลียร์  วิธีเขียนที่ตกลงกันเป็นสากลเป็นดังนี้

          เขียนเลขอะตอมไว้มุมล่างซ้ายและเลขมวลไว้มุมบนซ้ายของสัญลักษณ์ เช่น ไฮโดรเจน เขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ได้เป็น $\displaystyle {}_1^1 H{}_1^2 H$ และ $\displaystyle {}_1^3 H$ ตามลำดับ คาร์บอนมีเลขอะตอม 6 มี 3 ไอโซโทป ซึ่งมีเลขมวล 12    13   และ 14 สัญลักษณ์นิวเคลียร์จึงเป็น $\displaystyle {}_6^{12} C{}_6^{13} C$ และ $\displaystyle {}_6^{14} C$ สัญลักษณ์นิวเคลียร์ของไอโซโทปต่างๆ อาจเขียนอย่างย่อโดยเขียนเฉพาะสัญลักษณ์ของธาตุกับเลขมวลก็ได้ เช่น ไอโซโทปของ H จะเขียนเป็น $\displaystyle {}^1H{}^2H$ และ $\displaystyle {}^3H$ สำหรับ C จะเขียนเป็น $\displaystyle {}^{12}C{}^{13}C$ และ $\displaystyle {}^{14}C$

แบบฝึกหัด 1.1

1. จงหาจำนวนของอิเล็กตรอนที่มีมวลรวม 1 กรัม

2. จงหามวลของอิเล็กตรอนจำนวน $\displaystyle 12.04x10^{23}$ อิเล็กตรอน

3. ถ้าโมเลกุลของน้ำประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม เขียนสูตรแสดงได้เป็น $\displaystyle H_2 O$ เมื่อไฮโดรเจนคือโปรเทียม จงเขียนสูตรของน้ำโดยแทนอะตอมของไฮโดรเจนด้วยดิวทิเรียมและทริเทียม

4. จงเขียนสัญลักษณ์นิงเคลียร์ของไอโซโทปต่างๆ ของธาตุ X ซึ่งมี 9 อิเล็กตรอน และมีนิวตรอน 9 10 และ 11

5. ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่งมีประจุในนิวเคลียสเป็น 3 เท่าของประจุในนิวเคลียสของไฮโดรเจนและมีเลขมวลเป็น 7 เท่าของเลขมวลไฮโดรเจน ไอโซเทปนี้จะมีอนุภาคมูลฐานอย่างละเท่าใด

1.1.4 แบบจำลองอะตอมของโบร์
เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในลักษณะใดนักวิทยาศาสตร์จึงหาวิธีทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนแล้วนำมาสร้างเป็นแบบจำลองวิธีการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการหาข้อมูลคือ การศึกษาสเปกตรัมของสารประกอบและธาตุซึ่งจะได้ศึกษาต่อไป

1.1.4.1 คลื่นและสมบัติของคลื่นแสง
คลื่นชนิดต่างๆ เช่น คลื่นแสง คลื่นเสียง มีสมบัติที่สำคัญ 2 ประการคือ ความยาวคลื่น (ดูรูป 1.10) ซึ่งหมายถึงระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ มีหน่วยเป็นเมตร (m) หรือหน่วยย่อยของเมตร เช่น นาโนเมตร (m) และ ความถี่ของคลื่น หมายถึง จำนวนรอบของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในเวลา 1 วินาที ความถี่ของคลื่นจึงมีหน่วยเป็นจำนวนรอบต่อวินาที

รูป 1.10 คลื่นและความยาวคลื่น

คลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นต่างๆ กัน ดังรูป 1.1

รูป 1.11 สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          แสงที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้เรียกว่าแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 - 700 นาโนเมตร แสงในช่วงคลื่นนี้จะประกอบด้วยแสงสีต่างๆ กัน ตามปกติประสาทตาของมนุษย์สามารถสัมผัสแสงบางช่วงคลื่นที่ส่องมาจากดวงอาทิตย์ได้ แต่ไม่สามารถแยกเป็นสีต่างๆ ได้ จึงมองเห็นเป็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่า แสงขาว
           - นักเรียนคิดว่าเราสามารถแยกแสงขาวออกเป็นแสงสีอื่นๆ ได้หรือไม่ อย่างไร

1.1.4.2 สเปกตรัม
          ถ้าให้แสงอาทิตย์ซึ่งเป็นแสงขาวส่องผ่านปริซึมแสงขาวจากดวงอาทิตย์จะแยกออกเป็นแสงสีรุ้งต่อเนื่องกันเรียกว่า แถบสเปกตรัมของแสงขาว (ดูรูป 1.12)

รูป 1.12 การหักเหของแสงขาวเมื่อผ่านปริซึม

ปรากฎการณ์นี้อธิบายได้ว่าเมื่อแสงเดินทางจากอากาศผ่านตัวกลางชนิดหนึ่งจะเกิดการหักเห ดังนั้นเมื่อแสงขาวส่องผ่านปริซึม แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะหักเหผ่านปริซึมได้ไม่เท่ากัน เกิดเป็นแถบสีรุ้งต่อเนื่องกันแสงสีรุ้งเหล่านี้มีความยาวคลื่นดังตาราง 1.2

ตาราง 1.2 แสงสีต่างๆ ในแถบสเปกตรัมของแสงขาว

สเปกตรัม	ความยาวคลื่น (nm)
แสงสีม่วง แสงสีคราม - น้ำเงิน แสงสีเขียว แสงสีเหลือง แสงสีแสด (ส้ม) แสงสีแดง	400-420 420-490 580-590 590-650 590-650 650-700

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นในช่วงอื่นก็เกิดการหักเหได้ แต่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า มักซ์ พลังค์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ข้อสรุปเกี่ยวกับความถี่ของคลื่นนั้นว่า พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่น ดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้
                                            E   = h V
          เมื่อ    E     คือพลังงาน มีหน่วยเป็น จูล
          h    คือค่าคงที่ของพลังค์ มีค่า $\displaystyle 6.626x10^{ - 34}$ จูลวินาที
          V    คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์
                    นอกจากนี้ความถี่ของคลื่นยังมีความสัมพันธ์กับความยาวคลื่นดังต่อไปนี้
                                                         $\displaystyle V = \frac{c}{\lambda }$
          เมื่อ c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสูญญากาศ ซึ่งเท่ากับ $\displaystyle 2.997x10^8$ เมตรต่อวินาที (อาจใช้ $\displaystyle 3.0x10^8$ เมตรต่อวินาที) และ $\displaystyle \lambda$ คือความยาวคลื่น ดังนั้นค่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงคำนวนได้จากความสัมพันธ์ดังนี้
                                                       $\displaystyle E = \frac{{hc}}{\lambda }$
           - จากข้อมูลในตาราง 1.2 แสงสีใดมีพลังงานสูงสุดและแสงสีใดมีพลังงานต่ำสุด

          นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่าถ้าเผาสารประกอบของโลหะชนิดต่างๆ ก็จะได้สีเปลวไฟแตกต่างกัน เช่น เผาสารประกอบของโซเดียมจะได้เปลวไฟสีเหลือง สารประกอบของแคลเซียมได้เปลวไฟสีแดงอิฐ ต่อมาบุนเซนและกุสตาฟ คีร์ชฮอฟฟ์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ผลิตสเปกโทรสโคป ซึ่งต่อมาได้ใช้เป็นอุปกรณ์สำคัญในการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากการเผาสารประกอบ ทำให้สามารถหาธาตุองค์ประกอบที่อยู่ในสารประกอบได้
          1.1.4.3 สเปกตรัมของธาตุและการแปลความหมาย
           จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ในเรื่องสเปกรัมของธาตุ ช่วยให้ทราบว่าธาตุต่างชนิดกันจะให้สเปกตรัมต่างกัน ในตอนนี้นักเรียนจะได้ศึกษาสเปกตรัมของธาตุบางชนิดจากการทดลองต่อไปนี้

การทดลอง 1.1 การศึกษาสีของเปลวไฟจากสารประกอบและเส้นสเปกตรัมของธาตุบางชนิด
ตอนที่ 1 สีของเปลวไฟจากสารประกอบบางชนิด
          1. ล้างลวดนิโครมในกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้นแล้วเผาให้ร้อน ทำซ้ำอีกหลายครั้งจนลวดนิโครมสะอาด ซึ่งสังเกตได้จากสีของเปลวไฟไม่เปลี่ยนแปลง
          2. จุ่มลวดนิโครมที่สะอาดในกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น แล้วนำไปแตะผงโซเดียมคลอไรด์ที่บดละเอียด และเผาในเปลวไฟโดยตรง สังเกตุสีของเปลวไฟ
          3. ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 1 และ 2 โดยใช้สารชนิดอื่นแทนโซเดียมคลอไรด์

ตอนที่ 2 เส้นสเปกตรัมของธาตุบางชนิด
          1. ใช้แผ่นเกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์ (ห้ามส่องดูดวงอาทิตย์โดยตรง) ส่งเกตสิ่งที่ปรากฎ แล้วส่องดูแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ เปรียบเทียบสีที่สังเกตได้จากการดูแสงทั้งสองแหล่ง
           2. ต่อหลอดบรรจุแก๊สไฮโดรเจนเข้ากับวงจรไฟฟ้าให้ครบวงจร ดังรูป 1.13 ใช้กระดาษสีดำบังทางด้านหลัง แล้วใช้แผ่นเกรตติงส่องดูที่หลอดบรรจุแก๊สไฮโดรเจนขณะที่กำลังเรืองแสง สังเกตเส้นสเปกตรัมที่ปราก
           3. ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 2 แต่เปลี่ยนหลอดบรรจุแก๊สไฮโดรเจนเป็นหลอดบรรจุแก๊สนีออนและไอปรอท สังเกตเส้นสเปกตรัมที่ปรากฎ

รูป 1.13 การจัดอุปกรณ์เพื่อศึกษาเส้นสเปกตรัมของธาตุ

          - เมื่อเผาสารประกอบของโลหะชนิดเดียวกัน จะให้เปลวไฟสีเดียวกันหรือไม่ และสีของเปลวไฟที่ปรากฎนั้นเป็นสีที่เกิดจากองค์ประกอบใดในสารประกอบ
          - สเปกตรัมที่เห็นจากการใช้แผ่นเกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์กับแสงไฟจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ เหมือนกันหรือแตกต่างกันอย่างไร เพราะเหตุใด
          - เส้นสเปกตรัมของแก๊สไฮโดรเจน แก๊สนี้ออนและไอปรอทแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร

          จากผลการทดลองคงสังเกตเห็นว่าสเปกตรัมจากแสงอาทิตย์มีแสงสีต่อเนื่องกันเป็น แถบสเปกตรัม ส่วนสเปกตรัมที่มองเห็นจากหลอดฟลูออเรสเซนต์นอกจากจะมองเห็นแถบสเปกตรัมของสีต่างๆ เป็นพื้นแล้ว ยังมีเส้นสีต่างๆ ปรากฎในแถบสเปกตรัมด้วย และจากการสังเกตสเปกตรัมของแก๊สไฮโดรเจน นีออน และไอปรอท พบว่าธาตุแต่ละชนิดให้สเปกตรัมที่มีแสงสีต่างกันและมีจำนวนเส้นสีเฉพาะตัวเส้นสีต่างๆ นี้เรียกว่า เส้นสเปกตรัม (ดูรูป 1.14)
          นักเรียนเคยทราบมาแล้วว่า การสังเกตใดๆ ที่อาศัยประสาทสัมผัสเพียงอย่างเดียวอาจได้ผลคลาดเคลื่อนจากความจริง เช่น การดูสีของเปลวไฟด้วยตาเปล่าอาจมองเห็นสีได้ไม่ชัดเจนและบอกไม่ได้ว่าเป็นสีจากธาตุใด ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธีตรวจเส้นสเปกตรัมของธาตุแทนการดูสีของเปลวไฟด้วยตาเปล่า
          จากการทดลองเมื่อเผาสารประกอบของโลหะชนิดเดียวกันจะสังเกตเห็นสีของเปลวไฟเป็นสีเดียวกันเสมอจึงอาจกล่าวได้ว่าสีของเปลวไฟเกิดจากองค์ประกอบที่เป็นโลหะในสารประกอบชนิดนั้น สำหรับสารที่เป็นแก๊สอาจตรวจสเปกตรัมได้โดยบรรจุแก๊สในหลอดแก้วที่มีความดันต่ำและใช้พลังงานไฟฟ้าแทนการเผา เมื่อธาตุเหล่านั้นได้รับพลังงานก็จะเปล่งแสงเป็นสีต่างๆ หลายสี เมื่อสีเหล่านั้นรวมกันแล้วจะสังเกตเห็นเป็นสีเดียวซึ่งตาของเราไม่สามารถบอกความแตกต่างได้ แต่เมื่อใช้แผ่นเกรตติงส่องดูก็จะเห็นเส้นสเปกตรัมของแต่ละธาตุที่มีลักษณะไม่เหมือนกัน นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่าเส้นสเปกตรัมเกิดขึ้นได้อย่างไร
          ปรากฎการณ์นี้อธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวอยู่ในระดับพลังงานต่ำกล่าวได้ว่าอะตอมอยู่ใน สถานะพื้น เมื่ออะตอมได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นเรียกว่าอะตอมอยู่ใน สถานะกระตุ้น ที่สถานะนี้อะตอมจะไม่เสถียรเนื่องจากมีพลังงานสูง อิเล็กตรอนจึงคายพลังงานออกมาส่วนหนึ่งเพื่อลดพลังงานออกจากอะตอมแล้วกลับเข้าสู่ระดับที่มีพลังงานต่ำกว่าในสถานะกระตุ้น ซึ่งจะทำให้อะตอมเสถียรมากขึ้น พลังงานส่วนใหญ่ที่คายออกมาจะปรากฎในรูปพลังงานแสง ถ้าแสงสีเหล่านี้แยกออกจากกันอย่างชัดเจนจะปรากฎเป็นเส้นสเปกตรัม (ดูรูป 1.14) แต่ถ้าแสงสีที่ปรากฎออกมาเป็นลักษณะต่อเนื่องกันเช่นเดียวกับรุ้งกินน้ำ หรือจากไส้หลอดไฟฟ้าซึ่งเป็นโลหะร้อนและมีอะตอมอยู่กันอย่างหนาแน่น จะให้สเปกตรัมเป็นแถบสเปกตรัมซึ่งยากแก่การวิเคราะห์และแปลผล

รูป 1.14 เส้นสเปกตรัมของธาตุบางธาตุ

การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนระหว่างสถานะพื้นกับสถานะกระตุ้น อาจเปรียบเทียบได้กับการขึ้นบันได ดังรูป 1.15 เราทราบแล้วว่าพลังงานศักย์ ณ บันได แต่ละขั้นมีค่าไม่เท่ากัน ขณะที่ยืนอยู่บนบันไดขั้นต่ำจะมีพลังงานศักย์ต่ำกว่าเมื่อยืนอยู่บนขั้นสูง ผลต่างของพลังงานระหว่างบันไดสองขั้นมีค่าเฉพาะตัวที่แน่นอน และผลต่างระหว่างพลังงานของขั้นบันไดที่อยู่ห่างกันมากก็จะมีค่ามากเช่น ผลต่างของพลังงานระหว่างขั้นที่ 1 กับขั้นที่ 3 มีค่ามากกว่าผลต่างของพลังงานระหว่างขั้นที่ 1 กับขั้นที่ 2 หรืออาจสรุปได้ว่าผลต่างของพลังงานศักย์ระหว่างขั้นบันไดจะมีค่าเฉพาะตัวและขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความสูงของขั้นบันได

รูป 1.15 การขึ้นบันได

              สำหรับการขึ้นบันไดนั้นเราจะต้องก้าวขึ้นอย่างน้อยทีละขั้น การก้าวขึ้นทีละครึ่งขั้นจะทำให้ยังคงอยู่บนขั้นเดิมเนื่องจากไม่มีที่พักเท้าระหว่างขั้นบันได อย่างไรก็ตามเราไม่จำเป็นต้องขึ้นบันไดทีละขั้นเสมอไป บางคนอาจจะขึ้นจากขั้นที่ 1 ไปขั้นที่ 3 หรือจากขั้นที่ 1 ไปขั้นที่ 4 ก็ได้ ถ้าข้ามขั้นมากพลังงานที่เปลี่ยนแปลงก็จะมีค่ามาก
          นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาสเปกตรัมของแก๊ส เพราะว่ามีอะตอมอยู่ห่างกัน และใช้อะตอมไฮโดรเจนเนื่องจากมี 1 อิเล็กตรอน พบว่ามีเส้นสเปกตรัมที่ปรากฎ ในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้โดยมีความยาวคลื่น 410    434    486   และ 656 นาโนเมตร ตามลำดับ นอกจากนี้การศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอมของธาตุอื่นๆ ก็พบว่าอิเล็กตรอนในอะตอมของแต่ละธาตุคายพลังงานได้บางค่า และมีเส้นสเปกตรัมเฉพาะตัวไม่ซ้ำกัน ดังรูป 1.14 นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่าพลังงานของเส้นสปกตรัมแต่ละเส้นของอะตอมไฮโดรเจนมีค่าเท่าไรและเส้นสเปกตรัมใดมีพลังงานต่ำที่สุด
          การที่นักวิทยาศาสตร์ใช้อะตอมของไฮโดรเจนเป็นตัวอย่างในการแปลความหมายของเส้นสเปกตรัม เพราะเป็นอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเดียว จากการทดลองหลายครั้งพบว่าอะตอมของไฮโดรเจนให้เส้นสเปกตรัมได้หลายเส้นที่มีลักษณะเหมือนกันทุกครั้ง จึงสรุปได้ว่าอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนขึ้นไปอยู่ในสถานะกระตุ้นที่มีพลังงานแตกต่างกันได้หลายระดับ ค่าพลังงานของเส้นสเปกตรัมแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมจากระดับพลังงานสูงมายังระดับพลังงานต่ำดังรูป 1.16

รูป 1.16 การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจน

เนื่องจากเราเปรียบเทียบระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเหมือนขั้นบันได โดยทั่วไประยะระหว่างบันไดแต่ละขั้นจะเท่ากัน นักเรียนคิดว่าการเปรียบเทียบเช่นนั้นถูกต้องหรือไม่และความมแตกต่างของพลังงานของอิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงานที่อยู่ถัดกันมีค่าเท่ากันตลอดหรือไม่

ตาราง 1.3 ผลต่างระหว่างพลังงานของเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน

          จากข้อมูลในตาราง 1.3 แสดงว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากัน ความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลงเมื่อระดับพลังงานสูงขึ้น จากเหตุผลที่อธิบายมานี้ช่วยสรุปได้ว่า
          1. เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิม แต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นกับปริมาณพลังงานที่ได้รับ การที่อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานใหม่ทำให้อะตอม อิเล็กตรอนจะกลับมาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งในการเปลี่ยนตำแหน่งนี้อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมา การดูดหรือคายพลังงานจะต้องมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของพลังค์ โดยค่าต่ำสุดจะเท่ากับความถี่ของอิเล็กตรอนนั้นคูณด้วยค่าคงที่ของพลังค์ ดังที่กล่าวมาแล้ว
          2. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไปยังระดับพลังงานที่อยู่ติดกัน อาจมีการเปลี่ยนข้ามระดับได้ แต่เมื่ออิเล็กตรอนรับพลังงานแล้วจะขึ้นไปอยู่ระหว่างระดับพลังงานไม่ได้ จะต้องขึ้นไปอยู่ในระดับใดระดับหนึ่งเสมอ
          3. ผลต่างของพลังงานระหว่างระดับพลังงานต่ำ จะมีค่ามากกว่าผลต่างของพลังงานระหว่างระดับพลังงานที่สูงขึ้นไป
          จากความรู้เรื่องการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการเกิดสเปกตรัม ช่วยให้นีลส์ โบร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมได้ โดยกล่าวว่า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดซึ่งมีพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่าระดับ K และระดับพลังงานที่อยู่ถัดออกมาเรียกเป็น L M   N... ตามลำดับ(ดังรูป 1.17) ต่อมาได้มีการใช้ตัวเลขแสดงถึงระดับพลังงานของอิเล็กตรอน คือ n=1 หมายถึงระดับพลังงานที่ 1 ซึ่งอยู่ใกล้กับนิวเคลียสที่สุด และชั้นถัดออกมาเป็น n=2 หมายถึงระดับพลังงานที่ 2 ต่อจากนั้น n=3   4 ... หมายถึงระดับพลังงานที่ 3   4 และสูงขึ้นไปตามลำดับ

รูป 1.17 แบบจำลองอะตอมของโบร์แสดงระดับพลังงานของอิเล็กตรอน

          แบบจำลองอะตอมของโบร์ พัฒนามาจากการค้นพบสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอะตอมที่มี 1 อิเล็กตรอน แต่ไม่สามารถใช้อธิบายอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องศึกษาค้นคว้าเพิ่มเติมเพื่อเสนอแบบจำลองอะตอมใหม่

แบบฝึกหัด 1.2
1. เส้นสเปกตรัมสีแดงของโพแทสเซียมมีความถี่ $\displaystyle 3.91x10^{14} Hz$ จะมีความยาวคลื่นเป็นเท่าใด
2. เส้นสเปกตรัมเส้นหนึ่งของธาตุซีเซียมมีความยาวคลื่น 456 nm ความถี่ของสเปกตรัมเส้นนี้มีค่าเป็นเท่าใด และปรากฎเป็นสีใด
3. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 300 nm จะปรากฎในช่วงคลื่นของแสงที่มองเห็นได้หรือไม่ มีความถี่และพลังงานเท่าใด
4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ $\displaystyle 8.5x10^{14} Hz$ จะมีพลังงานและความยาวคลื่นเท่าใด
5. เหตุใดเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนจึงมีหลายเส้นทั้งๆ ที่เป็นธาตุที่มีเพียง 1 อิเล็กตรอน

1.1.5 แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
          เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของโบร์มีข้อจำกัดที่ไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมจนได้ข้อมูลเพียงพอที่จะเชื่อว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น โดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในลักษณะของคลื่นนิ่งบริเวณที่พบอิเล็กตรอนพบได้หลายลักษณะเป็นรูปทรงต่างๆ ตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอน จากการใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัมสร้างสมการขึ้นเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ พบว่าแบบจำลองนี้สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองอะตอมของโบร์
          อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้น ทำให้สร้างมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกทึบแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มหมอกจาง ดังรูป 1.18 (แต่ละจุดคือ 1 โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน)

รูป 1.18 ภาพ 2 มิติแสดงกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอมที่มี 1 อิเล็กตรอน

           แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกที่แสดงถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสทำได้ยาก โดยทั่วไปจึงคิดถึงอะตอมในลักษณะทรงกลมและใช้ลูกกลม เช่น ลูกปิงปอง หรือลูกกลมพลาสติกเป็นแบบจำลองแทนอะตอมของธาตุ แต่นักเรียนควรระลึกไว้เสมอว่าการใช้แบบจำลองเช่นนี้เพียงเพื่อช่วยให้เกิดจินตนาการได้ง่ายขึ้นเท่านั้น
          โครงสร้างอะตอมตามแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกสามารถใช้อธิบายสมบัติต่างๆ ของอะตอมได้อย่างกว้างขวาง แต่ทั้งนี้ไม่ใช่ข้อยุติในการศึกษาทดลองเกี่ยวกับอะตอม เพราะเป็นที่ยอมรับกันแล้วว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องตลอดไป ดังนั้นในอนาคตจึงอาจมีแบบจำลองอะตอมใหม่ที่ใช้อธิบายโครงสร้างอะตอมได้เหมาะสมและดีกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

1.1.6 การจัดอิเล็กตรอนในอะตอม
          จากการศึกษาแบบจำลองอะตอมโดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์ขั้นสูงที่เรียกว่าสมการคลื่น คำนวณหาค่าพลังงานของอิเล็กตรอน ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆ และอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไร ในแต่ละระดับพลังงานจะมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าใด ให้นักเรียนพิจารณาข้อมูลแสดงการจัดอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุดังตาราง 1.4

ตาราง 1.4 แสดงการจัดอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุ

ธาตุ	เลขอะตอม	จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน
ธาตุ	เลขอะตอม	n = 1	n = 2	n = 3	n = 4
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2	1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8	1 2 3 4 5 6 7 8

           - ระดับพลังงานที่ 3(n = 3) มีจำนวนอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเท่าไร

          เมื่อพิจารณาข้อมูลในตาราง 1.4 จะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 1 มีได้มากที่สุด 2 อิเล็กตรอนระดับพลังงานที่   3 นั้น จากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีได้มากที่สุด 18 อิเล็กตรอน นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้แต่ละระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ $\displaystyle 2n^2$ เมื่อ n คือ ตัวเลขแสดงระดับพลังงาน
          นักเรียนคิดว่าธาตุ K และ Ca ซึ่งมีเลขอะตอม 19 และ 20 ตามลำดับ มีจำนวนระดับพลังงานเท่าใด และในแต่ระดับพลังงานมีจำนวนอิเล็กตรอนอยู่เท่าใด
          นักเรียนบางคนอาจคิดว่าการจัดอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น K 2 8 9 และ Ca 2 8 10 ทั้งนี้เพราะในระดับพลังงานที่ 3 ควรมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดถึง 18 อิเล็กตรอน แต่จากข้อมูลและประจักษ์พยานหลายอย่างทำให้ทราบว่าการจัดอิเล็กตรอนของสองธาตุนี้เป็นดังนี้ K 2 8 8 1 และ Ca 2 8 8 2 ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของทั้งสองธาตุนี้มีเพียง 8 อิเล็กตรอน และส่วนที่เพิ่มมาอีก 1 หรือ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ก่อนที่ระดับพลังงานที่ 3 จะมีอิเล็กตรอนครบ 18 ข้อมูลดังกล่าวนี้จะอธิบายได้ว่าอย่างไร
          จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์โดยอาศัยสมบัติที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอน และใช้ความรู้เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม เพื่อนำไปอธิบายโคร้างสร้างอะตอม ทำให้ทราบว่าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานหรือวาง (shell) ต่างๆ กัน และในระดับพลังงานเดียวกันยังมีการแบ่งเป็นระดับพลังงานย่อย (sub shell) ต่างๆ ซึ่งกำหนดเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับด้วย ตัวอย่างจำนวนระดับพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในแต่ละระดับพลังงานตั้งแต่ระดับพลังงานที่ 1 - 4 เป็นดังนี้
          ระดับพลังงานที่ 1 (n = 1) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s
          ระดับพลังงานที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p
          ระดับพลังงานที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d
          ระดับพลังงานที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f
ตัวอย่างระดับพลังงานและระดับพลังงานย่อยของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน แสดงดังรูป 1.19

รูป 1.19 แผนภาพระดับพลังงานของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนซึ่งวัดในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสจึงมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกัน บริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสสูงที่จะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่า ออร์บิทัล ออร์บิทัลมีชื่อและรูปร่างแตกต่างกัน โดยที่ s ออร์บิทัลมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสเท่ากันทุกทิศทาง ทำให้มองเห็นว่าออร์บิทัลนี้มีรูปร่างเป็นทรงกลมรอบนิวเคลียส p ออร์บิทัลมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน x y และ z จึงเรียกว่า $\displaystyle p_x$ $\displaystyle p_y$ และ $\displaystyle p_z$ ออร์บิทัลตามลำดับออร์บิทัลทั้งสามนี้มีรูปร่างคล้ายดัมเบลล์ มีพลังงานเท่ากันแต่มีทิศทางแตกต่างกัน ส่วน d ออร์บิทัลมีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น โดยสองออร์บิทัลคือ $\displaystyle d_{z^2 }$ และ $\displaystyle d_{x^2 } _{ - y^2 }$ มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน z และแกน x กับแกน y ตามลำดับ ส่วนอีกสามออร์บิทัลคือ $\displaystyle d_{xy} d_{yz} d_{xz}$ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะอยู่ในบริเวณระหว่างแกน x กับ y แกน y กับ z และแกน x กับ z ตามลำดับ รูปร่างออร์บิทัล s p และ d แสดงได้ดังตัวอย่างในรูป 1.20

รูป 1.20 รูปร่างออร์บิทัล s p และ d

          ในกรณีของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในระดับพลังงานเดียวกันจะมีพลังงานแตกต่างกันดังแสดงในรูป 1.19 และในแต่ละระดับพลังงานย่อยจะมีจำนวนออร์บิทัลแตกต่างกันดังนี้
          ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิลทัล
          ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิลทัล
          ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออร์บิลทัล
          ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิลทัล
          นักเรียนคิดว่าในแต่ละออร์บิทัลจะมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่าใด จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในออร์บิทัลที่อยู่ในระดับพลังงานย่อย s p d และ f มีค่าเท่าใด ให้พิจารณาจากข้อมูลในตาราง 1.5

ตาราง 1.5 ระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย และในแต่ละระดับพลังงาน

          จากความรู้ที่กล่าวมาแล้ว เมื่อนำมาใช้บรรจุอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งๆ ลงในออร์บิทัลที่เหมาะสมมีหลักการสำคัญที่ต้องนำมาใช้พิจารณาเพิ่มเติมดังนี้
          1. ใช้หลักการกีดกันของเพาลีที่กล่าวว่า อิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใด ในออร์บิทัลเดียวกันจะต้องมีสมบัติไม่เหมือนกันอย่างน้อยอิเล็กตรอนคู่นั้นต้องมีลักษณะการหมุนรอบตัวเองแตกต่างกัน โดยตัวหนึ่งหมุนตามเข็มนาฬิกาและอีกตัวหนึ่งหมุนทวนเข็มนาฬิกาเพื่อให้ระบุได้ว่าเป็นอิเล็กตรอนตัวใดเมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงาน ระดับพลังงานย่อยและออร์บิทัลเดียวกัน ดังนั้นจึงกำหนดให้บรรจุอิเล็กตรอน ลงในออร์บิทัลได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน ถ้าในที่นี้เขียนแทนออร์บิทัลด้วย   อิเล็กตรอนเขียนแทนด้วยลูกศรอิเล็กตรอนในออร์บิทัลจึงเขียนแสดงได้เป็น      หรือ      โดยหัวลูกศรแสดงทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอน 1 ใน 2 แบบที่เป็นไปได้คือการหมุนตามหรือทวนเข็มนาฬิกาในกรณีมีอิเล็กตรอนอยู่เต็มออร์บิทัล การเขียนที่ยอมรับได้คือ       ถ้าเขียนเป็น    หรือ        จัดว่าไม่สอดคล้องตามหลักการกีดกันของเพาลี
          2. การบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ (ตามหลักของเอาฟบาว) คือ 1s 2s 2p 3s.... ตามลำดับ เพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำสุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด ในกรณีที่มีหลายออร์บิทัลและแต่ละออร์บิทัลมีพลังงานเท่ากัน เช่น 2p ออร์บิทัล ซึ่งออร์บิทัลทั้งสามมีพลังงานเท่ากัน ให้บรรจุอิเล็กตรอนในลักษณะที่ทำให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้ (ตามกฎของฮุนด์) เมื่อมีอิเล็กตรอนเหลือจึงบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่เต็มออร์บิทัลนั้น เช่น มี 2 อิเล็กตรอนใน 2p ออร์บิทัล ให้บรรจุอิเล็กตรอนดังนี้     และถ้ามี 4 อิเล็กตรอนใน 2p ออร์บิทัล จะบรรจุอิเล็กตรอนได้เป็น

          3. อะตอมของธาตุที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนเต็มในทุกๆ ออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันเรียกว่า การบรรจุเต็ม ถ้ามีอิเล็กตรอนอยู่เพียงครึ่งเดียวเรียกว่า การบรรจุครึ่ง การบรรจุเต็มหรือการบรรจุครึ่งจะทำให้อะตอมมีความเสถียรกว่าการบรรจุแบบอื่นๆ ตัวอย่างของออร์บิทัลที่บรรจุเต็มและบรรจุครึ่งแสดงได้ดังนี้

          ในกรณีที่อะตอมมีหลายอิเล็กตรอนการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ตามลำดับระดับพลังงานจากต่ำไปสูงอาจใช้แผนภาพดังนี้

          ในกรณีของไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอนเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะพื้นอิเล็กตรอนอาจอยู่ใน 1s ออร์บิทัลซึ่งมีพลังงานต่ำที่สุด จึงเขียนแผนภาพแสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลได้ดังนี้

          เพื่อความสะดวกจึงอาจเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดอิเล็กตรอนในออร์บิทัลได้เป็น $\displaystyle ls^1$ โดยมีความหมายดังนี้

          ฮีเลียนมี 2 อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนทั้งหมดจึงเข้าไปอยู่ใน 1s ออร์บิทัล และบรรจุในลักษณะที่ทำให้อิเล็กตรอนมีทิศทางการหมุนรอบตัวเองแตกต่างกันตามหลักของเพาลีเขียนแผนภาพแสดงได้ดังนี้
        หรือ $\displaystyle ls^2$
          สำหรับธาตุ Li Be B C N    O F และ Ne ซึ่งมีอิเล็กตรอน 3 4 5 6 7 8 9 และ 10 ตามลำดับ เขียนแผนภาพแสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลได้ดังนี้

          อิเล็กตอรนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน ดังนั้นธาตุเบริลเลียมจึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 และฟลูออรีนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7

การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่เป็นไปตามหลักการนั้น ตัวอย่างเช่น ธาตุ Cr เลขอะตอม 24 เขียนแผนภาพแสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ได้ดังนี้
            $\displaystyle ls^2$    $\displaystyle 2s^2$    $\displaystyle 2p^6$    $\displaystyle 3s^2$    $\displaystyle 3p^6$    $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle 3d^5$ ไม่ใช่   $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^4$
หรือ Cu มีเลขอะตอม 29 บรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ได้ดังนี้
            $\displaystyle ls^2$    $\displaystyle 2s^2$    $\displaystyle 2p^6$    $\displaystyle 3s^2$    $\displaystyle 3p^6$    $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle  3d^{10}$ ไม่ใช่   $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^9$
          การที่บรรจุอิเล็กตรอนของธาตุ Cr เป็น $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle 3d^5$    โดยมีอิเล็กตรอนใน 3d ออร์บิทัล 5 อิเล็กตรอนนั้นเป็นการบรรจุครึ่ง ซึ่งทำให้อะตอมเสถียรกว่าการบรรจุแบบ $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^4$ ส่วนธาตุ Cu ซึ่งบรรจุอิเล็กตรอนเป็น $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle  3d^{10}$     จะเสถียรกว่าที่เป็น $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^9$ เพราะว่า 3d ออร์บิทัลมีจำนวนอิเล็กตรอนเต็มทุกออร์บิทัลคือ 10 อิเล็กตรอนซึ่งเป็นการบรรจุเต็ม

ที่มา : vcharkarn

2.1.แบบจำลองอะตอม

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

กฤษฏา จ่อเปิดเวที4ภาคถกใช้3สารเคมีก่อนออกกฎคุม

รายงานการละเมิด