Download
1 / 53
580 likes | 1.14k Views
Models of the Atom. ดิโมคริตุส. “ เมื่อย่อยสารลงเรื่อยๆ จะได้ส่วนที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถทำให้เล็กลงได้อีก และเรียกอนุภาคที่เล็กที่สุดนี้ว่า อะตอม ”. จอห์น ดอลตัน (John Dalton).
E N D
ดิโมคริตุส “ เมื่อย่อยสารลงเรื่อยๆ จะได้ส่วนที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถทำให้เล็กลงได้อีก และเรียกอนุภาคที่เล็กที่สุดนี้ว่า อะตอม”
จอห์น ดอลตัน (John Dalton) สารแต่ละชนิดประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ แบ่งแยกต่อไปอีกไม่ได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายให้สูญหายไปเรียกว่า อะตอม อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ย่อมมีสมบัติเหมือน กันทุกประการ และมีสมบัติต่างจากอะตอมของธาตุอื่น สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปด้วยสัดส่วนที่คงที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ John Dalton, 1803
แบบจำลองอะตอมของดอลตันแบบจำลองอะตอมของดอลตัน “ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม มีขนาดเล็กมากและไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ”
ต่อมา นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองได้ข้อมูลใหม่ๆ เกี่ยวกับอะตอมเพิ่มมากขึ้น ซึ่งแบบจำลองอะตอมของดอลตันอธิบายไม่ได้ เช่น ทำไมอะตอมของธาตุมีมวลแตกต่างกัน ทำไมอะตอมสามารถแบ่งแยกได้อีก ทำไมธาตุจึงมีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่างกัน
ทำไมธาตุหนึ่งทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นไม่ได้ทุกธาตุ แต่ทำปฏิกิริยาได้เฉพาะบางธาตุ ทำไมจำนวนอะตอมของธาตุที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาจึงแตกต่างกัน อะตอมทำปฏิกิริยากันอย่างไรจึงเกิดสารประกอบ มีอะไรยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมเหล่านั้น
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน (J.J Thomson)
หลอดรังสีแคโทด (Cathode-ray tube) แต่ถ้าสูบเอาอากาศภายในหลอดออกจนมีความดันต่ำพอ จะสามารถตรวจสอบได้ว่ามีกระแสไฟฟ้าไหลครบวงจรหรือ ก๊าซนำไฟฟ้าได้ ถ้าก๊าซที่อยู่ระหว่างขั้วแคโทด และแอโนดมีความดันปกติ กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลผ่านได้
หลอดรังสีแคโทด (Cathode-ray tube) ถ้าวางฉากเรืองแสงที่ฉาบด้วย ZnS ไว้ในหลอดให้ขนานไปตามความยาวของหลอด จะสังเกตเห็นรังสีชนิดหนึ่งพุ่งออกจากขั้วแคโทดเป็นเส้นตรงไปยังขั้วแอโนด เนื่องจากรังสีที่เกิดขึ้นพุ่งออกจากขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีนี้ว่า “ รังสีแคโทด ”
สมบัติของรังสีแคโทด 1. สามารถทำให้ฉากเรืองแสงเกิดการเรืองแสงได้ 2. เมื่อให้รังสีแคโทดอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้า รังสีแคโทดจะเบนเข้าหาขั้วบวก รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ซึ่งต่อมาเรียกว่า อิเล็กตรอน
สมบัติของรังสีแคโทด (ต่อ) 3. เมื่อให้รังสีแคโทดอยู่ในสนามแม่เหล็กจะเกิดการเบี่ยงเบนจากแนวเส้นตรง 4. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากแคโทดไปยังแอโนด ถ้ามีวัตถุทึบแสงมากั้นทางเดินของรังสีจะทำให้เกิดเงา
สมบัติของรังสีแคโทด (ต่อ) 5. รังสีแคโทดสามารถทำให้กังหันที่ทำด้วยวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งขวางทางเดินของรังสีเคลื่อนที่หรือหมุนได้ แสดงว่า รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีมวล
การค้นพบอิเล็กตรอน ทอมสันสนใจปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด จึงได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด ดังนี้ ให้ภายในหลอดมีฉากเรืองแสง ให้รังสีแคโทดผ่านช่องเล็กๆ เพื่อให้รังสีแคโทดมีลักษณะเรียว เล็กก่อนที่จะผ่านสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
การค้นพบอิเล็กตรอน (ต่อ) ทอมสันทำการทดลองโดย นำหลอดรังสีแคโทดมาวางไว้ในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า โดยให้ทิศทางของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าตั้งฉากกัน
การค้นพบอิเล็กตรอน (ต่อ) เมื่อให้รังสีแคโทดผ่านสนามไฟฟ้า จะพบว่ารังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนขึ้นด้านบน
เมื่อให้รังสีแคโทดผ่านสนามไฟฟ้าเมื่อให้รังสีแคโทดผ่านสนามไฟฟ้า
การค้นพบอิเล็กตรอน (ต่อ) เมื่อใส่สนามแม่เหล็กเข้าไปและเพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กขึ้นทีละน้อย พบว่ารังสีแคโทดจะมีการเบี่ยงเบนน้อยลง และจะกลับสู่ตำแหน่งเดิมของตอนที่ไม่มีสนามไฟฟ้า (คือตำแหน่ง Q)
การค้นพบอิเล็กตรอน (ต่อ) ขณะที่รังสีแคโทดกลับมาสู่ตำแหน่งเดิม แสดงว่าความแรงของสนามไฟฟ้าเท่ากับความแรงของสนามแม่เหล็ก ทำให้ทอมสันสามารถคำนวณหา ค่าอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคไฟฟ้าในรังสีแคโทด e/m = 1.76 x 108 คูลอมบ์ต่อกรัม e คือ ประจุอนุภาค, m คือ มวลของอนุภาค
การค้นพบอิเล็กตรอน (ต่อ) เมื่อทอมสันลองเปลี่ยนชนิดของก๊าซภายในหลอด หรือชนิดของโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทด ก็ยังพบว่ารังสีแคโทดมีสมบัติเหมือน เดิม และมีค่า e/m คงที่เท่ากับ 1.76 x 108คูลอมบ์/กรัม เสมอ “ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เป็นองค์ประกอบของอะตอมทุกชนิด และเรียกชื่ออนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน (Electron) ”
การค้นพบโปรตอน ออยเกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) ได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ โดยให้ขั้วแคโทดอยู่เกือบตรงกลางและเจาะรูขั้วแคโทด ดังรูป จะสังเกตเห็นรังสีด้านหลังขั้วแคโทด
การค้นพบโปรตอน (ต่อ) รังสีนี้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง และมีสมบัติตรงข้ามกับรังสีแคโทด เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กในทิศทางตรงข้ามกับรังสีแคโทด ในสนามไฟฟ้ารังสีนี้เบี่ยงเบนเข้าหาขั้วลบ
การค้นพบโปรตอน (ต่อ) จากข้อมูลที่ได้ทำให้สรุปได้ว่า รังสีที่พบนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก และเรียกรังสีนี้ว่า รังสีบวก (Positive ray) หรือ รังสีแคแนล (Cannal ray)
การค้นพบโปรตอน (ต่อ) อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจาก อะตอมของก๊าซถูกชนด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่พุ่งมาจากแคโทด ทำให้อิเล็กตรอนของก๊าซหลุดออกไป เกิดอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก อนุภาคนี้จึงเคลื่อนที่เข้าหาขั้วแคโทดดังกล่าว
การค้นพบโปรตอน (ต่อ) โกลด์สไตน์ยังพบอีกว่า เมื่อเปลี่ยนชนิดของก๊าซ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกจะมีค่าประจุต่อมวล (e/m)ไม่คงที่ ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซ เมื่อใช้ก๊าซไฮโดรเจน จะได้อนุภาคบวกที่มีประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอนและมีค่าประจุต่อมวล (e/m) สูงสุด เท่ากับ 9.58 x 104 c/gหรือมวลของอนุภาคบวกที่เกิดจากไฮโดรเจนมีค่าต่ำสุด เรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนว่า โปรตอน (Proton)
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน (J.J Thomson) “ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนซึ่งมีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ กระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ และในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน ”
แต่แบบจำลองอะตอมของทอมสันนี้ยังไม่สามารถอธิบายข้อสงสัยบางอย่างและคุณสมบัติอื่นๆของอะตอมได้ ตัวอย่างเช่น ประจุไฟฟ้าบวก อยู่กันได้อย่างไรในอะตอม สเปกตรัมที่แผ่ออกมาจากธาตุ จึงมีนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาค้นคว้าและทดลองเพื่อหาข้อเท็จจริงต่อมา และปัจจุบันก็ได้ทราบว่าแบบจำลองนี้ไม่ถูกต้อง
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด รัทเทอร์ฟอร์ดได้ใช้อนุภาคแอลฟายิงไปยังแผ่นโลหะทองคำบางๆ และใช้ฉากเรืองแสงซึ่งฉาบไว้ด้วย ZnS เป็นฉากรับ Ernest Rutherford, 1911
การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
รัทเทอร์ฟอร์ดได้อธิบายผลการทดลอง ดังนี้ 1. การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่วิ่งผ่านอะตอมของแผ่นทองคำเป็นแนวเส้นตรง แสดงว่าอะตอมไม่ใช่ของแข็งทึบตัน แต่มีที่ว่างอยู่มาก
2. อนุภาคแอลฟาบางอนุภาคที่เบนออกจากทางเดิม เพราะภายในอะตอมมีอนุภาคที่มีมวลมากและมีประจุไฟฟ้าบวกสูงมีขนาดเล็ก ดังนั้นเมื่ออนุภาคแอลฟาเข้าใกล้จะถูกผลักให้เบนออกจากทางเดิม หรือเมื่ออนุภาคแอลฟาเข้ามากระทบอย่างจังก็จะสะท้อนกลับ
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบด้วยโปรตอนซึ่งรวมกันเป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก แต่มีมวลมากและมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อยมากวิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง
แต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือแต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือ 1. อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้พลังงานจลน์ลดลง ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด จึงไม่สูญเสียพลังงาน และไปรวมอยู่ที่นิวเคลียส 2. อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เมื่อวิ่งวนรอบนิวเคลียสจะจัดการเรียงตัวอย่างไร 3. ประจุบวกที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส จะอยู่กันได้อย่างไร ทั้งๆที่เกิดแรงผลัก
การค้นพบนิวตรอน ปี 1930 โบเทและเบคเกอร์ ได้ทดลองใช้อนุภาคแอลฟายิงโลหะเบริลเลียม พบว่าเกิดรังสีชนิดหนึ่งที่มีอำนาจผ่านทะลุได้ดี และเมื่อชนกับโมเลกุลของพาราฟินจะได้โปรตอนออกมา ปี 1932 เจมส์ แซดวิก ได้เสนอว่ารังสีที่ไปชนพาราฟินจนได้โปรตอนนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาค และให้ชื่อว่า นิวตรอน (Neutron)
การค้นพบนิวตรอน (ต่อ) จากการค้นพบนิวตรอนของแซดวิก ทำให้ทราบว่า อะตอมประกอบด้วยอนุภาค 3 ชนิด คือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน อนุภาคทั้งสามนี้ถือว่าเป็น อนุภาคมูลฐานของอะตอม “ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับโปรตอนวิ่งอยู่รอบๆ ” P n
แบบจำลองอะตอมของโบร์ ในปี 1913 นีล โบร์ (Niels Bohr) ได้นำทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมมาประยุกต์ใช้ในการทดลอง เพื่อพัฒนาแบบจำลองอะตอม Niels Bohr, 1913
แบบจำลองอะตอมของโบร์ เรียกวงโคจรของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด และมีพลังงานต่ำสุดว่า ชั้น K และวงโคจรที่ถัดออกมาซึ่งมีระดับพลังงานสูงขึ้นว่าชั้น L, M, N, O … ตามลำดับ ในปัจจุบันเรียกว่าระดับพลังงาน n = 1, n = 2, n = 3… ตามลำดับ
สเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอมไฮโดรเจนสเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอมไฮโดรเจน 7.3
แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก เนื่องจากแบบจำลองของโบร์ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ได้ข้อมูลเพิ่มเติมที่เชื่อถือได้ว่าอิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงดังที่โบร์เสนอ
แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก 1. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไม่มีทิศทางแน่นอน และไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ บอกได้เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่าง ๆ เท่านั้น 2. โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานไม่เหมือนกัน ขึ้นกับจำนวนอิเล็กตรอนและระดับพลังงานของ อิเล็กตรอนนั้น 3. อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานในพลังงานหนึ่งคงที่ แต่เปลี่ยนระดับพลังงานตลอดเวลา
แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก “ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียส และรอบๆ นิวเคลียสมีกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรูปทรงต่างๆ ตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนห่อหุ้มอยู่ บริเวณกลุ่มหมอกทึบมีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่กลุ่มหมอกจาง ”
สมบัติของอนุภาคมูลฐานบางชนิดของอะตอมสมบัติของอนุภาคมูลฐานบางชนิดของอะตอม 1 amu = 1.66 x 10-24 g
เลขอะตอม (Atomic number) หมายถึง จำนวนโปรตอนที่อยู่ภายในนิวเคลียส แต่เนื่องจากในอะตอมที่เป็นกลาง จำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน ดังนั้นเลขอะตอมจึงอาจหมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนก็ได้ ใช้สัญลักษณ์ Z แทน
เลขมวล (Mass number) หมายถึง ผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนภายในนิวเคลียสใช้สัญลักษณ์ A แทน
สัญลักษณ์นิวเคลียร์ บอกจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม มีหลักการเขียนดังนี้ ให้ X เป็นสัญลักษณ์ของธาตุ เลขมวล AZX เช่น 199F เลขอะตอม
ไอโซโทป (Isotope) คือ อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีเลขมวลต่างกัน หรือมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
ธาตุไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป 11H โปรเทียม 21H ดิวทีเรียม 31H ทริเทียม เช่น 168O, 178O, 188O
-ดูกลไกการเกิดปฏิกิริยา-ดูกลไกการเกิดปฏิกิริยา ประโยชน์ของไอโซโทป 14C ใช้คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณหรืออายุของซากดึกดำบรรพ์
Na-24 (คายรังสี เบตา)ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด ทดสอบการอุดตันของเส้นเลือด • (ติดตามการไหลเวียนของเกลือในกระแสเลือด) • I-131(คายรังสี เบตา) ทดสอบการทำงานของต่อมไทรอยด์ • (ติดตามการดูดซับของ 131Iในต่อมไทรอยด์) Co-60 (คายรังสี β และ γ) ใช้ในการถนอมอาหารและใช้ในการรักษาโดยการทำลายเซลล์มะเร็งในร่างกาย
