แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
- อะตอมมีทรงกลมมีขนาดเล็กที่สุด ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายได้อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมมีสมบัติเหมือนกัน มีมวลเท่าๆ กัน แต่มีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น ๆสารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่า 1 ชนิด ทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วน
ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803) จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม
เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ ซึ่งสรุปได้ดังนี้
1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
จอห์น ดอลตัน ชาวอังกฤษ เสนอทฤษฎีอะตอมของดอลตัน
- อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด แบ่งแยกอีกไม่ได้
- อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน
- อะตอมต้องเกิดจากสารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมตัวกันทางเคมี
ทฤษฎีอะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์ค้นพบข้อมูลบางประการที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้
แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาและทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซโดยใช้หลอดรังสีแคโทด
เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาและทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซโดยใช้หลอดรังสีแคโทด
หลอดรังสีแคโทด
เป็นเครื่องที่ใช่ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าโดยหลอดรังสีแคโทดจะมีความดันต่ำมาก และความต่างศักย์สูงมาก วิลเลียม ครูกส์ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผ่นเป็นขั้วไฟฟ้า โดยต่อขั้วไฟฟ้าลบกับขั้วลบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แคโทด และต่อขั้วไฟฟ้าบวกเข้ากับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แอโนด
การค้นพบอิเล็กตรอน
เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ดัดแปลงหลอดรังสีใหม่ ดังรูป
"รังสีพุ่งจากด้าแคโทดไปยังด้านแอโนด และจะมีรังสีส่วนหนึ่งทะลุออกไปกระทบกับฉากเรืองแสง"
หลังจากนั้นทอมสันได้เพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดดังรูป
ปรากฎว่า รังสีนี้จะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก แสดงว่า รังสีนี้ต้องเป็นประจุลบ แต่ไม่ทราบว่าเกิดจากก๊าซในหลอดรังสีแคโทด หรือเกิดจากขั้วไฟฟ้าทอมสันจึงทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด พบว่า ไม่ว่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอดหรือใช้โลหะใดเป็นแคโทด จะได้ผลการทดลองเหมือนเดิม จึงสรุปได้ว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า "อิเล็กตรอน"
การค้นพบโปรตอน
เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอม จะต้องมีประจุบวกด้วย ออยแกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด
ผลการทดลองของโกสไตน์
เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งฉากเรืองแสง ก. และฉากเรืองแสง ข.
โกลสไตน์ได้อธิบายว่า จุดเรืองแสงที่เกิดขึ้นบนฉากเรืองแสง ก. จะต้องเกิดจากที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทด ไปยังฉากเรืองแสง แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซ หรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่
โกลสไตน์ได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้วปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้และเมื่อทดลองเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วไฟฟ้าหลายๆชนิดแต่ให้ก๊าซในหลอดแก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่า ผลการทดลองได้อัตราส่วนประจุต่อมวลเท่ากันแสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า
สรุปแบบจำลองของทอมสัน
จากผลการทดลอง ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ กระจัดกระจายอย่างสม่ำเสมอในอะตอมอะตอมที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ( นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ) ไปที่แผ่นโลหะบาง ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนุภาคนี้ สามารถวิ่งผ่านได้เป็นจำนวนมาก แต่จะมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นอนุภาคที่กระเจิง ( การที่อนุภาคเบนจากแนวการเคลื่อนที่จากที่เดิมไปยังทิศทางต่างๆกัน ) ไปจากแนวเดิมหรือสะท้อนกลับทางเดิม
จุด X เป็นจุดที่อนุภาคแอลฟาผ่านไปยังฉากในแนวเส้นตรง แสดงว่า ภายในอะตอมน่าจะมีพื้นที่ว่างเป็นจำนวนมาก เพราะ อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ทะลุผ่านแผนทองคำเป็นแนวเส้นตร ง
• จุด Y อนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนเล็กน้อย แสดงว่าภายในอะตอมควรมีอนุภาคบางอย่างรวมกันเป็นกลุ่มก้อนขนาดเล็ก มีมวลมากพอที่ทำให้อนุภาคแอลฟาวิ่งไปเฉียดแล้วเบี่ยงเบน
• จุด Z อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับ แสดงว่าในอะตอมจะมีอนุภาคบางอย่างที่เป็นกลุ่มก้อน มีทวลมากพอที่ทำให้อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับ
การค้นพบนิวตรอน
สาเหตุที่ค้นพบนิวตรอน
1. เนื่อจากมวลของอะตอมต่าง มักเป็น 2 เท่า หรือมากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตรอนรวมรัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่า น่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียส และอนุภาคนี้ต้องมีมวลใกล้เคียงกันกับมวลของโปรตรอนมาก และต้องเป็นกลางทางไฟฟ้า
2. ทอมสันศึกษาหามวลของอนุภาคบวกของ Ne ปรากฎว่า อนุภาคบวกนี้มีมวล 2 เท่า ผลการทดลองนี้สนับสนุนว่าจะต้องมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียสเชดวิก ได้ยิงอนุภาคแอลฟาไปยัง Be ปรากฎว่าได้อนุภาคชนิดนึ่งออกมาซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตรอนและไม่มีประจุไฟฟ้า เรียกอนุภาคนี้ว่า "นิวตรอน"
จากการทดลองนี้ รัทเธอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า " อะตอมมีลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลางเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมโดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นที่ว่างเปล่า"แต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือ1.อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้พลังงานจลน์ลดลง ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด จึงไม่สูญเสียพลังงาน และไปรวมอยู่ที่นิวเคลียส2. อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เมื่อวิ่งวนรอบนิวเคลียสจะจัดการเรียงตัวอย่างไร3. ประจุบวกที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส จะอยู่กันได้อย่างไร ทั้งๆที่เกิดแรงผลัก
แบบจำลองอะตอมของบอห์ร
นีลส์ บอห์ร
จากความรู้เรื่องสเปกตรัม นีลส์ บอห์ร ได้เสนอแบบจำลองขึ้นมาใหม่โดยปรับปรุงแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด เพื่อให้เห็นลักษณะของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส เป็นวงคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ดังรูป
สรุปแบบจำลองอะตอมของบอห์ร
1. อิเล็กตรอนจะอยู่เป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นเรียกว่า “ ระดับพลังงาน ”
2. แต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุได้ดังนี
จำนวนอิเล็กตรอน = 2n2
3. อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน ( Valence electron ) จะเป็นอิเล็กตรอนทีเกิดปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้
4. อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงใน อยู่ใกล้นิวเคลียสจะเสถียรมาก เพราะประจุบวกจากนิวเคลียสดึงดูด
เอาไว้อย่างดี ส่วนอิเล็กตรอนระดับพลังงานวงนอกจะไม่เสถียรเพราะนิวเคลียสส่งแรงไปดึงดูดได้น้อยมาก จึงทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้หลุดออกจากอะตอมได้ง่าย
5. ระดับพลังงานวงในจะอยู่ห่างกันมาก ส่วนระดับพลังงานวงนอกจะอยู่ชิดกันมาก
6. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนในระดับถัดกัน อาจเปลี่ยนข้ามระดับพลังงานก็ได้
การเกิดสเปกครัม
เส้นสเปกตรัม คือแสงที่เป็นเส้นหรือแถบที่แสดงออกมาเป็นสี โดยการแผ่รังสีที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านปริซึม แผ่นเกรตติ้ง หรือสเปกโตรสโคป เห็นเป็นสีได้ 7 สี ซึ่งไม่มีความต่อเนื่องกัน มีการเว้นช่วงความถี่และมีความยาวคลื่นแตกต่างกันจนเกิดเป็นแถบ ๆ เรียงกันไป
เส้นสเปกตรัมเป็นหนึ่งในประเภทของสเปกตรัมจาก 2 ประเภท ได้แก่ สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง (Continuous spectrum) และสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ซึ่งสเปกตรัมต่อเนื่องนั้นจะมีแถบสีที่เกิดขึ้นต่อเนื่องกันไป เช่น สเปกตรัมจากวัตถุดำ ซึ่งหมายถึงวัตถุที่มีคุณสมบัติดูดกลืนแสง ไม่สามารถสะท้อนได้ ทึบตัน สามารถหมายถึงดาวฤกษ์ ซึ่งก็คือดวงอาทิตย์ และยังหมายถึงไส้หลอดไฟต่าง ๆ เป็นต้น ส่วนเส้นสเปกตรัมถือเป็นสเปกตรัมไม่ต่อเนื่องที่มีการแผ่รังสีเป็นแถบ ๆ เส้น ๆ เว้นระยะไปและมีความถี่และความยาวคลื่นบางครั้ง ไม่มีความต่อเนื่องกันเลย เช่น สเปคตรัมของอะตอมไฮโดรเจน
แบบที่ 1: เกิดจากการเผาวัตถุแข็งหรือวัตถุเหลวให้ร้อน เช่น การเผาเกลือแกง (NaCl) จะได้ไอร้อนของโซเดียมบริสุทธิ์ีซึ่งจะปล่อยคลื่นแสงที่ประกอบด้วยคลื่นทุกย่านความถี่อย่างต่อเนื่อง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องแถบสว่าง (continuous bright spectrum)
แบบที่ 2: เกิดจากการเผาแก๊สให้ร้อน แทนที่จะเป็นวัตถุแข็ง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมเส้นสว่าง (bright line spectrum)
แบบที่ 3: เกิดจากการปล่อยให้คลื่นแสงที่มีความถี่ต่อเนื่อง(จากแบบที่ 1) ผ่านแก๊สเย็น สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้ เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องกับเส้นมืด (continuous spectrum with dark lines)
โปรดสังเกตตำแหน่งของเส้นสว่างในแบบที่ 2 จะเห็นได้ว่า ทุกเส้นจะอยู่ตรงตำแหน่งเดียวกับตำแหน่งของเส้นมืด ในแบบที่ 3 ทั้งนี้เป็นเพราะว่า แก๊สเย็นซึ่งอยู่ในสภาวะปกติ (ไม่ถูกกระตุ้น) ดูดกลืนคลื่นแสงที่มีความถี่ค่าตรงกัน กับความถี่ของคลื่นที่มันปลดปล่อยออกมาขณะร้อน นั่นหมายความว่า สถานะพลังงานของแก๊สต้องมีคุณลักษณะ อะไรบางอย่างที่แน่นอน และกระบวนการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานต้องย้อนกลับได้
แล้วสถานะที่ว่านี้ต้องเป็นอย่างไร??? ลองพิจารณาตัวอย่างสเปกตรัมของไฮโดรเจนอะตอมในหน้าถัดไป เผื่อได้คำตอบ
ตัวอย่างสเปกตรัมอะตอมแบบเส้นสว่างของธาตุบางตัว
สรุปว่า สเปกตรัมอะตอมเกิดจากการคายคลื่นแสงของอะตอมขณะร้อน ถ้าเป็นอะตอมของวัตถุแข็งหรือเหลวร้อนจะให้สเปกตรัมต่อเนื่องแถบสว่าง ถ้าเป็นอะตอมของแก๊สร้อนจะให้สเปกตรัมเส้นสว่าง แต่ถ้าเป็นอะตอมของแก๊สเย็น จะได้สเปกตรัมแบบเส้นมืด ซึ่งเกิดจากการดูดกลืนคลื่นแสง
หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอน
1. จะต้องจัดเรียงอิเล็กตรอนเข้าในระดับพลังงานต่ำสุดให้เต็มก่อน จึงจัดให้อยู่ระดับพลังงานถัดไป
2. เวเลนซ์อิเล็กตรอนจะเกิน 8 ไม่ได้
3. จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดเข้าไปของธาตุในหมู่ IA , IIA เท่ากับ 8 ส่วนหมู่ IIIA – VIIIA เท่ากับ 18
แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติม โดยใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควันตัม สร้างสมการเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ จึงสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าอะตอมของโบร์ ลักษณะสำคัญของแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอธิบายได้ดังนี้
1. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็วตลอดเวลาด้วยความเร็วสูง ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่างๆ ปรากฏการณ์แบบนี้นี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่น จะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง
2. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทุกระดับพลังงานจะเป็นรูปทรงกลม
รูปทรงต่างๆของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน จะขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การใช้ทฤษฎีควันตัม จะสามารถอธิบายการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส ได้ว่าอิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเป็นออร์บิทัล(orbital) ในระดับพลังงานย่อย s , p , d , f แต่ละออร์บิทัล จะบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่ ดังนี้
s – orbital มี 1 ออร์บิทัล หรือ 2 อิเล็กตรอน
p – orbital มี 3 ออร์บิทัล หรือ 6 อิเล็กตรอน
d – orbital มี 5 ออร์บิทัล หรือ 10 อิเล็กตรอน
f – orbital มี 7 ออร์บิทัล หรือ 14 อิเล็กตรอน
แต่ละออร์บิทัลจะมีรูปร่างลักษณะแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล และระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลนั้นๆ เช่น
s – orbital มีลักษณะเป็นทรงกลม
p – orbital มีลักษณะเป็นกรวยคล้ายหยดน้ำ ลักษณะแตกต่างกัน 3 แบบ ตามจำนวนอิเล็กตรอนใน 3 ออร์บิทัล คือ Px , Py , Pz
d – orbital มีลักษณะและรูปทรงของกลุ่มหมอก แตกต่างกัน 5 แบบ ตามจำนวนอิเล็กตรอนใน 5 ออร์บิทัล คือ dx2-y2 , dz2 , dxy , dyz , dxz
