โครงสร้างอะตอม 1

1. โครงสร้างอะตอม 1 Atomic structures

2. โครงสร้างของอะตอมยุคแรกโครงสร้างของอะตอมยุคแรก ลิวซิพพุส (Leucippus: ca.450 BC) และ ดิโมคริตุส (Democritus: ca. 470-380 BC) สองนักปราชญ์ชาวกรีก ได้เสนอทฤษฎีแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมว่า “สารทั้งปวงมีองค์ประกอบพื้นฐานที่เล็กที่สุด เรียกว่า อะตอม (มาจากคำว่า atomos แปลว่า แยกไม่ได้ หรือ แบ่งไม่ได้)” A = “ไม่” , tomos = “แบ่งได้”

3. ทฤษฎีอะตอมของดาลตัน จอห์น ดาลตัน (John Dalton: 1766-1844) นักเคมีชาวอังกฤษ : เสนอแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมดังนี้ 1. สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่แบ่งแยกไม่ได้เรียกว่า อะตอม 2. อะตอมไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายได้ 3. ธาตุประกอบด้วยอะตอมเพียงชนิดเดียว อะตอมของธาตุชนิด เดียวกันมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ และแตกต่างจากอะตอม ของธาตุชนิดอื่นๆ

4. แม้ว่าทฤษฎีอะตอมของดาลตันจะไม่ถูกต้อง แต่ได้สร้างความรู้ พื้นฐานเกี่ยวกับธาตุซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาและพัฒนาความรู้ทาง เคมีในยุคนั้นเป็นอย่างมาก

5. ทฤษฎีอะตอมของทอมสัน การค้นพบอิเล็กตรอน เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J. Thomson: 1856-1940) พิสูจน์พบอนุภาคประจุลบ

6. เมื่อผ่านกระแสไฟระหว่างขั้วไฟฟ้าลบ (Cathode) และขั้วไฟฟ้าบวก (Anode) ในหลอดสุญญากาศ แล้วเกิด การเรืองแสง (เรียกว่ารังสีแคโธด หรือ Cathode Ray) ที่บริเวณขั้วบวกแอโนด  เมื่อให้สนามไฟฟ้า รังสีนี้จะเบนเข้าหาสนามไฟฟ้าบวก  รังสีแคโธด คือ รังสีที่เกิดจากอนุภาคประจุลบ  อนุภาคประจุลบ คือ อิเล็กตรอน

7. e = 1.76 x 108 C/g m ทอมสันพยายามหามวลของอิเล็กตรอน โดยวัดพลังงานที่ทำ ให้รังสีแคโธดเบนออก ซึ่งก็คือค่า “อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน” ไม่ว่าจะนำแก๊สชนิดใดมาใช้ ก็จะได้อัตราส่วนนี้เสมอ ทอมสันสรุปว่า “อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่อยู่ใน อะตอมของธาตุทุกชนิด”

8. โรเบิร์ต มิลลิแกน (R. Millikan : 1868-1953) หาประจุของอิเล็กตรอน โดยวัดค่าสนามไฟฟ้าที่ทำให้แรงดึงดูดระหว่างประจุ (แรงคูลอมป์) บนละอองน้ำมันเท่ากับค่าแรงโน้มถ่วงของโลก

9.  ค่าประจุบนละอองน้ำมันมีค่า = 1.602 x 10-19 C  มิลลิแกนหามวลของอิเล็กตรอนโดย e/m = 1.75882 x 108 C/g m = e / (1.75882 x 108 C/g) = (1.602 x 10-19 C) / (1.75882 x 108 C/g) = 9.109 x 10-31 kg “อิเล็กตรอน” เป็นอนุภาคที่มีประจุลบ มีประจุ = 1.602 x 10-19 C มีมวล = 9.109 x 10-31 kg

10. การคนพบโปรตอน เนื่องจากอะตอมเปนกลางทางไฟฟา แสดงว่าตองมีอนุภาค ที่มีประจุบวกรวมอยู่ในอะตอมด้วย โกลดสไตน สังเกตพบรังสีแอโนด (รังสีที่มาจากอนุภาคประจุบวก) จากการดัดแปลงการทดลองของทอมสัน เมื่ออิเล็กตรอนจากกระแสไฟฟาวิ่งชนกลุมอะตอม ทําใหอะตอมไอออไนซ ไดอิเล็กตรอนกับอะตอมไอออนบวก (A → A+ + e)

11. ถ้าเจาะรูที่แผ่น Cathode จะมีอนุภาควิ่งไปด้านหลัง เรียกว่า “รังสีแคแนล”  รังสีจะเบนเข้าหาสนามไฟฟ้าลบ มีมวลต่างๆ กัน ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊ส การทดลองของรัทเทอรฟอรดยืนยันการคนพบโปรตอน โดยระดมยิงโมเลกุลไนโตรเจนดวยอนุภาคอัลฟา ( 42He ) ทําใหไดอนุภาคซึ่งหนักเปน 1830 เทาของอิเล็กตรอน และมีประจุเทากับอิเล็กตรอน

12. หลังจากการคนพบอิเล็กตรอน และโปรตอน ทอมสันจึงไดเสนอทฤษฎีอะตอม “อะตอมเปนทรงกลมประกอบดวย อิเล็กตรอน และ โปรตอน อนุภาคทั้งสองอยูกระจัดกระจายทั่วบริเวณอะตอม อยางสม่ำเสมอในสภาพที่เปนกลางทางไฟฟา”

13. ทฤษฎีอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดทฤษฎีอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อี อาร รัทเทอรฟอรด (1871-1937) ศึกษาการกระเจิงของรังสีแอลฟา โดยการระดมยิงรังสีแอลฟา ( 42He2+, อนุภาคประจุบวก) ผานแผนทองคําบางๆ แลวสังเกตจุดเรืองแสงบนฉาก

14. การทดลองของรัทเทอรฟอรดพบวาการทดลองของรัทเทอรฟอรดพบวา รังสีสวนใหญทะลุผาน รังสีสวนนอยที่เบี่ยงเบน และเกิกการสะทอนกลับ เพราะฉะนั้น แบบจำลองของทอมสันจึงอธิบายการทดลอง ของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่ได้ เขาจึงเสนอแบบจำลองอะตอมแบบใหม่ซึ่ง มีลักษณะดังนี้ 1. อะตอมเปนทรงกลม เนื้อที่สวนใหญเป็นชองวาง 2. อนุภาคประจุบวกทั้งหมดรวมกันอยูตรงกลาง เรียกวา “นิวเคลียส”

15. 3. มีอิเล็กตรอนโคจรเปนวงลอมรอบนิวเคลียส 4. มีจํานวนอิเล็กตรอนเทากับจํานวนอนุภาคประจุบวก (โปรตอน) ในนิวเคลียส เนื่องจากขอมูลทางแมสสเปกโทรกราฟบอกวา ผลรวม ของมวลของโปรตอนและอิเล็กตรอนของธาตุทุกชนิด จะน้อย กวามวลอะตอมเสมอ

16. - - - - p+n การคนพบนิวตรอน เซอร เจมส แชดวิค (Sir James Chadwick: ค.ศ. 1932) ไดพบอนุภาคใหมที่เปนกลางทางไฟฟา และมีมวลใกลเคียงกับโปรตอน เรียกวา “นิวตรอน” (Neutron) จากการค้นพบอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ทำให้แบบ จำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสมบูรณ์ขึ้น ดังรูป

17. โครงสร้างของอะตอมยุคหลังโครงสร้างของอะตอมยุคหลัง การเปลี่ยนแปลงจากยุคฟสิกสแผนเดิมไปสูยุคทฤษฎีควอนตัม จากทบ.ของรัทเทอร์ฟอร์ด อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเมื่อ เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส จะมีการสูญเสียพลังงานในรูปของการแผ่รังสี ทำให้อะตอมยุบ และอิเล็กตรอนจะคงอยู่ไม่ได้ แต่ความจริง e ยังอยู่ในอะตอมได้ แต่เดิมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะใช้ทบ. แม่เหล็กไฟฟ้า ของ Maxwell (ทบ.คลื่นแสง)

18. ทฤษฎีของแมกซเวลล (Maxwell’s theory) รังสีแมเหล็กไฟฟาเปนรูปพลังงานที่เปลงออก (Emission) ในรูปของคลื่น มีองคประกอบ 2 สวน ไดแก คลื่นทางไฟฟา (Electric wave) และคลื่นทางแมเหล็ก (magnetic wave) โดยคลื่นทั้งสองจะเคลื่อนที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน

19. สมบัติของคลื่น  คลื่น (Wave) เปนรูปแบบการเคลื่อนที่ของพลังงานที่มี ลักษณะซ้ำกันเปนคาบๆ (Period)  ความเร็วของคลื่นขึ้นกับชนิดของคลื่นและธรรมชาติของตัวกลาง ที่คลื่นเคลื่อนที่ • องคประกอบที่สําคัญของคลื่น มีดังตอไปนี้ • 1. ความยาวคลื่น (wavelength, λ) เปนระยะทางจากยอดคลื่นหนึ่งถึงอีกยอดคลื่นหนึ่ง • 2. ความถี่คลื่น (frequency, ν) เปนจํานวนคลื่นที่ผานจุดหนึ่งใน 1 วินาที • 3. ความเร็วคลื่น (velocity, c) เปนระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ใน 1 วินาที • 4. แอมพลิจูด (amplitude) เปนความสูงของยอดคลื่น

20. คลื่นแมเหล็กไฟฟาเดินทางดวยความเร็วเท่ากับความเร็วของแสง (c) = 3.0 x 108 m/s

21. ν = เลขคลื่น = 1 (cm-1) λ c = λν λ = ความยาวคลื่น (nm) ν = ความถี่ (Hz หรือ s-1)

22. ทบ.Maxwell อธิบายการเปลงรังสี ความรอนของวัตถุดําไมได เพราะทฤษฎีนี้ถือวา แสงเปนคลื่นแมเหล็กไฟฟา • เปลงออกมาจากการสั่นสะเทือนของอนุภาคที่มีประจุ • จึงมีความถี่เปนคาตอเนื่อง •  ยิ่งความถี่สูง ความเขมของแสงจะยิ่งสูงขึ้นดวย การเปลงแสงไมขึ้นกับความถี่ วัตถุจะเปลงแสงสีน้ำเงิน-มวงเทานั้น (λ นอย) แตในการทดลองจริง : วัตถุที่มีอุณหภูมิหนึ่งๆ จะเปลง แสงที่มีความเขม สูงสุดในชวง ความถี่หนึ่งเทานั้น อธิบายไดดวย “ทฤษฎีควอนตัม”

23. แสดงวา วัตถุรอนเปลงแสง เมื่อมีความเขมที่ความยาวคลื่นเฉพาะคาหนึ่ง

24. การแผ่รังสีของวัตถุดำ(Black-body radiation) วัตถุดำ หมายถึง วัตถุใดๆ ที่สามารถดูดกลืนและคายพลังงาน ที่มากระทบได้ทั้งหมด (ไม่มีจริง)  เมื่อให้ความร้อนกับวัตถุดำมากขึ้น ทำให้มีการเปล่งรังสีมากขึ้น  ความเข้มของรังสี ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุ  สีของรังสีที่เปล่งออกมา ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

25. ทฤษฎีควอนตัมของพลังค์ทฤษฎีควอนตัมของพลังค์ แมกซ์ พลังค์ (Max Planck: 1858-1947) เสนอว่าการดูดกลืนหรือปลดปล่อยพลังงานของวัตถุดำจำกัดได้เพียงบางค่าเท่านั้น หรือเป็นกลุ่มก้อนเรียกว่า ควอนตัม (Quantum) โดยค่าพลังงานเป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ (ν) ตามสมการ E  υ E = hυ เมื่อ h คือ ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.625 x 10-34 จูลวินาที

26. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (ค.ศ. 1905) ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ใช้แนวคิดของพลังค์ อธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าว โดยตั้งสมมติฐานว่า แสงไม่ได้มีพฤติกรรมของคลื่น แต่แสงมีพฤติกรรมเสมือนอนุภาค เรียกว่า โฟตอน(Photon) ซึ่งมีพลังงานเท่ากับ hν • ปรากฎการณ์ที่ ē หลุดจากผิวหน้าของโลหะ เมื่อโลหะถูกฉาย แสงที่ความถี่ (ν) มากกว่า ค่าความถี่ขีดเริ่ม (ν0-threshold value) ของโลหะ

27. Etotal = ho + K.E. = ho + ½ mv2 พลังงานน้อยที่สุดของโฟตอนที่ทำให้ e หลุดจากผิวโลหะ เท่ากับแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส คือ Ε = hν° e ที่หลุดออกมาจากปรากฏการณ์นี้ เรียกว่า “โฟโตอิเล็กตรอน” พลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการทำให้เกิดโฟโคอิเล็กตรอน คือ

28. ความเข้มแสงมาก  จำนวนโฟตอนมาก  จำนวนโฟโต อิเล็กตรอนมาก ho Slope = h

29. สเปกตรัมของไฮโดรเจน เมื่อประจุอิเล็กตรอนชนกับแก๊สไฮโดรเจนที่อยู่ในหลอด จะเกิดการเรืองแสง และเมื่อแสงจากหลอดผ่านสลิทและปริซึมจะหักเหได้เส้นสเปกตรัม ซึ่งเป็นสเปกตรัมเปล่งออกมา (Emission spectrum) ของไฮโดรเจน

30. รูปแบบของสเปกตรัมของไฮโดรเจนจะมีลักษณะเป็นเส้นๆ (line spectrum) ไม่ต่อเนื่อง จึงเกิดคำถามว่า 1. ทำไมแสงจึงเปล่งออกมาจากแก๊สไฮโดรเจน 2. ทำไมแสงเปล่งออกจึงมีความยาวคลื่นเพียงบางค่าเท่านั้น

31. ระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนอยู่มีลักษณะเป็นชั้นๆ ไม่ต่อเนื่อง ระดับชั้นของพลังงาน โดยที่ n เป็นเลขจำนวนเต็ม โดยปกติ อิเล็กตรอนในอะตอมจะอยู่ในระดับพลังงานต่ำสุดที่เรียกว่า “สถานะพื้น”(ground state)

32. เมื่ออะตอมได้รับพลังงานความร้อนจากไฟฟ้าศักย์สูง อิเล็กตรอนในอะตอมจะได้รับพลังงานเพิ่ม และไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น เรียกว่า สถานะกระตุ้น (excited state) สถานะกระตุ้น (excited state) h e สถานะพื้น (ground state) กระบวนการดูดกลืนพลังงานโดยอิเล็กตรอน

33. เมื่ออิเล็กตรอนกลับมาที่เดิม ก็ต้องปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของพลังงานรังสี ปรากฏเป็น สเปกตรัม e E2 สถานะกระตุ้น (excited state) E = E2 – E1 = h E1 สถานะพื้น (ground state) กระบวนการคายพลังงานโดยอิเล็กตรอน เกิดเป็น สเปกตรัม ความยาวคลื่นของสเปกตรัมเปล่งออก  ΔE.

34. นิวเคลียส (p+n) e n = 4 321 r ทฤษฎีอะตอมไฮโดรเจนของบอห์ร บอห์ร (Niels Bohr: 1885-1962) เสนอแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมของไฮโดรเจน โดยใช้แนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดร่วมกับทฤษฎีควอนตัม ดังนี้ • อะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วย • นิวเคลียสที่มีอิเล็กตรอนโคจรรอบๆ นิวเคลียสเป็นวงกลมโดยมี รัศมี r n คือ เลขควอมตัมมีค่าเป็น 1, 2, 3, ...

35. L = mevr = nh 2 2. อิเล็กตรอนโคจรรอบๆ โดยไม่สูญเสียพลังงาน ซึ่งเรียกว่าสถานะ คงตัว โดยที่โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรจะมีค่าเป็ฯจำนวนเต็มเท่า ของ nhซึ่งเขียนได้ว่า 2 L = โมเมนตัมเชิงมุม me= มวลของอิเล็กตรอน v = ความเร็ว h = ค่าคงที่ของพลังค์

36. 3. อิเล็กตรอนสามารถจะรับและปลดปล่อยพลังงานได้ เมื่อมีการ เปลี่ยนวงโคจร โดยค่าของพลังงานจะเท่ากับ ค่าของพลังงาน ที่แตกต่างกันของวงโคจรทั้งสอง คือ E = h = E2 – E1 eจากวงใน  วงนอก (รับพลังงาน) E เป็น + eจากวงนอก  วงใน (คายพลังงาน) E เป็น -

37. 4. อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรดังกล่าวจะมีพลังงานค่าหนึ่งคงที่ และ ตลอดเวลาที่อยู่ในวงโคจรเดียวจะไม่ดูดพลังงาน หรือสูญเสีย พลังงานแต่อย่างใด ค่าพลังงานนี้คำนวณได้จากสมการ เมื่อ me = มวลของอิเล็กตรอน z = เลขเชิงอะตอม n = 1, 2, 3

38. สำหรับ H จากสมการ ค่าในวงเล็บจะเป็นค่าค่งที่ = 2.18 x 10-11 erg หรือ 13.61 ev สำหรับรัศมีของอิเล็กตรอนในวงโคจรที่มีเลขควอนตัม n คือ r = n2a0 a0คือ ค่าคงที่ เรียกว่า “รัศมีอะตอมไฮโดรเจนของบอห์ร”

39. ทฤษฎี Bohr มีข้อจำกัด คือใช้ได้ดีกับ H และไอออนที่มี ē เท่า H (He+, Li2+) เท่านั้น สมการ Rydberg ใช้ได้กับทุกอะตอม • = ความถี่ (Hz) • = เลขคลื่น (cm-1)  = ความยาวคลื่น (cm, nm) R = Rydberg constant = 109,678 cm-1

40. อนุกรมในสเปกตรัมอะตอม H ตามสมการของ Rydberg

41. อนุกรมในสเปกตรัมอะตอม H

42. นิวเคลียส (p+n) e e e e e n = 4 321 แบบจำลองอะตอมตามทฤษฎีของบอห์ร แม้จะใช้ได้ดีกับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว แต่ไม่สามารถอธิบาย สเปกตรัมของอะตอมที่มีมากกว่าหนึ่งอิเล็กตรอนได้เลย นอกจากนี้วงโคจรวงกลมของอิเล็กตรอนยังไม่ตรงกับรูปร่าง ของโมเลกุลที่ได้จากการศึกษาทางรังสีเอกซ์อีกด้วย

43. โครงสรางอะตอมตามหลักกลศาสตรคลื่นโครงสรางอะตอมตามหลักกลศาสตรคลื่น เดอบรอยล แสดงใหเห็นวาอิเล็กตรอนมีสมบัติเปนทั้งคลื่น และอนุภาค หรือที่เรียกวา ทวิภาวะ (dual nature) เมื่อเปนคลื่น ; v = λν เมื่อเปนอนุภาค ; λ = h/mv

44. p.x  h/4 ไฮเซนเบิรก เสนอหลักความไมแนนอน (uncertainty principle) โดยมีใจความวา “ เราไมอาจทราบตําแหนงและความเร็วของอนุภาคเล็กๆ ขณะ เคลื่อนที่ ไดอยางถูกตองแนนอนทั้งสองอยางในเวลาเดียวกัน” ∆x คือ ความไมแนนอนของตําแหนง ∆p คือ ความไมแนนอนของโมเมนตัม

45. Schrodinger เออ! สมการมัน แก้ยากนะ งั้นเอาไปใช้เลยดีกว่าเนอะ อธิบายธรรมชาติของ e ในอะตอม พบเลขควอนตัม (มี 4 ค่า)

46. 1.เลขควอนตัมหลัก(Principal quantum number) • สัญลักษณ์ คือ n • แสดงระดับพลังงานหลัก • เป็นเลขจำนวนเต็ม (n = 1, 2, 3,……..) • เดิมเรียก Shell K, L, M

47. 2.เลขควอนตัมเชิงมุม(Angularmomentum quantum number) • สัญลักษณ์ คือ l • บอกระดับพลังงานยอยของ e • l มีคา 0 ถึง (n – 1) เช่น n = 1, l = 0 n = 2, l = 0, 1 n = 3, l = 0, 1, 2 n = 4, l = 0, 1, 2, 3

48. l =0 เรียกว่า s – orbital (sharp) l =1 เรียกว่า p – orbital (prinsiple) l =2 เรียกว่า d – orbital (diffuse) l =3 เรียกว่า f – orbital (fundamental)

49. 3.เลขควอนตัมแม่เหล็ก(Magnetic quantum number) • สัญลักษณ์ คือ ml • บอกทิศทางการกระจายตัวของ e ในช่องว่าง ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก • มีค่าตั้งแต่ -lถึง +lหรือ 2l + 1 • แต่ละค่าของ l จะมีระดับพลังงานเท่ากัน เรียกว่า degeneracy

50. 2