บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ

อะตอมและตารางธาตุ

แบบจำลองอะตอม

          ในสมัยโบราณมีนักปราชญ์ชาวกรีกชื่อ ดิโคริตุส ( Democritus ) เชื่อว่าเมื่อย่อยสารลงเรื่ออย ๆ จะได้ส่วนที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถทำให้เล็กลงกว่าเดิมได้อีก และเรียกอนุภาคขนาดเล็กที่สุดว่า อะตอม ซึ่งคำว่า "อะตอม"( atom ) เป็นคำซึ่งมาจากภาษากรีกว่า ( atomas ) แปลว่า แบ่งแยกอีกไม่ได้

1.แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

   สสารทั้งหลายประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด จะไม่สามารถมองเห็นได้และจะไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงกว่านั้นได้อีก แต่ในสมัยนั้นก็ยังไม่มีการทดลอง เพื่อพิสูจน์และสนับสนุนแนวความคิดดังกล่าว

         แบบจำลองอะตอม ( Atomic model ) เนื่องจากอะตมมีขนาดเล็กมาก ซึ่งสายตามนุษย์ไม่อาจมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเครื่องมือที่เรียกว่า atomic force microscope (AFM) ซึ่ใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนในการสร้างเป็นภาพลักษณ์พื้นผิวที่เป็นเชิงโครงสร้างระดับอะตอม โดยการผ่านแสงเลเซอร์ไปที่ส่วนปลายแหลมขนาดระดับอะตอมที่อยู่ใต้คาน และเมื่อคานลากส่วนปลายแหลมกวาดผ่านไปทั่วผิวที่เป็นโครงสร้างระดับอะตอมของวัตถุ เครื่องจะสามารถตรวจวัดความสูงต่ำของพื้นผิว การปรับตำแหน่งของคานจะทำให้ลำแสงเลเซอร์ที่จะสะท้อนจากคานเปลี่ยนตำแหน่งไปด้วย ซึ่งจะถูกนำมาแปรสัญญาณเพื่อสร้างเป็นภาพพื้นผิวที่มีลักษณะเชิงโครงระดับอะตอมแสดงบนจอภาพได้

2.แบบจำลองของทอมสัน

ในปีพ.ศ. 2346 จอห์น ดอลตัน ( John Dalton ) นักวิทยาศตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีว่า อะตอมมีลักษณะทรงกลม ภายในว่างเปล่า เป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุด แบ่งแยกไม่ได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายได้ อะตอมของธาตุชนิด

เดียวกันย่อมมีสมบัติเหมือนกัน มีมวลเท่าๆกัน แต่จะมีสมบัติแตกต่างกันจากอะตอมของธาตุอื่น

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน  นักวิทยาศตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาและทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟเาชองก๊าซโดยใช้หลอดรังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด

       เป็นเครื่องที่ใช่ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าโดยหลอดรังสีแคโทดจะมีความดันต่ำมาก และความต่างศักย์สูงมาก วิลเลียม ครูกส์ ( SirWilliam Crookes ) ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผ่นเป็นขั้วไฟฟ้า โดยต่อขั้วไฟฟ้าลบกับขั้วลบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แคโทด และต่อขั้วไฟฟ้าบวกเข้ากับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แอโนด

การค้นพบอิเล็กตรอน

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ดัดแปลงหลอดรังสีใหม่

รังสีพุ่งจากด้าแคโทดไปยังด้านแอโนด และจะมีรังสีส่วนหนึ่งทะุลุออกไปกระทบกับฉากเรืองแสง

หลังจากนั้นทอมสันได้เพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทด 

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

ผลการทดลองของออยแกน โกสไตน์

 เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งฉากเรืองแสง ก. และฉากเรืองแสง ข.

       โกลสไตน์ได้อธิบายว่า  จุดเรืองแสงที่เกิดขึ้นบนฉากเรืองแสง ก. จะต้องเกิดจากที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทด ไปยังฉากเรืองแสง  แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซ หรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่

       โกลสไตน์ได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้วปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้และเมื่อทดลองเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วไฟฟ้าหลายๆชนิดแต่ให้ก๊าซในหลอดแก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่า ผลการทดลองได้อัตราส่วนประจุต่อมวลเท่ากันแสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซ

ไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า

สรุปแบบจำลองของทอมสัน

       จากผลการทดลอง ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้  

      "อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ กระจัดกระจายอย่างสม่ำเสมอในอะตอมอะตอมที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ"

ข้อแตกต่าง	รังสีแคแนล	รังสีแคโทด
1. การเกิด	เกิดจากอะตอมของแก๊ส	เกิดจากอะตอมของโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทดและแก๊ส
2. ชนิดประจุ	ประจุบวก	ประจุลบ
3. การเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก	เกิดตรงข้ามกับรังสีแคโทด	เกิดการเบี่ยงเบนออกจากแนวเส้นตรง
4. ทิศทางของรังสี	พุ่งจากขั้วบวก (แอโนด)   ไปยังขั้วลบ (แคโทด)	พุ่งจากขั้วลบ (แคโนด) ไปยังขั้วบวก (แอโนด)
5. ประจุ / มวลเมื่อเปลี่ยนแก็ส	ไม่คงที่	ตงที่เสมอ
6. ชื่อเรียก	รังสีบวก	รังสีลบ

3.แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

ลอร์ดเออร์เนสท์รัทเทอร์ฟอร์ด ( Lord Ernest Rutherford ) นักวิทยาศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ และฮันส์ ไกเกอร์ และมาร์สเคน ได้ทดลองใช้อนุภาคแอลฟายิงไปยังแผ่นโลหะทองคำบางๆ และใช้ฉากเรืองแสงซึ่งฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟด์ ( ZnS ) โค้งเป็นวงกลมเป็นฉากรับแอลฟาเพื่อตรวจสอบทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา

ผลการทดลอง สรุปได้ดังนี้

•  จุด X เป็นจุดที่อนุภาคแอลฟาผ่านไปยังฉากในแนวเส้นตรง แสดงว่า  ภายในอะตอมน่าจะมีพื้นที่ว่างเป็นจำนวนมาก เพราะ อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ทะลุผ่านแผนทองคำเป็นแนวเส้นตรง

•  จุด Y อนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนเล็กน้อย แสดงว่าภายในอะตอมควรมีอนุภาคบางอย่างรวมกันเป็นกลุ่มก้อนขนาดเล็ก มีมวลมากพอที่ทำให้อนุภาคแอลฟาวิ่งไปเฉียดแล้วเบี่ยงเบน

•  จุด Z อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับ แสดงว่าในอะตอมจะมีอนุภาคบางอย่างที่เป็นกลุ่มก้อน มีทวลมากพอที่ทำให้อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับ

การค้นพบนิวตรอน

สาเหตุที่ค้นพบนิวตรอน

1. เนื่อจากมวลของอะตอมต่าง มักเป็น 2 เท่า หรือมากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตรอนรวม

    รัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่า น่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียส และอนุภาคนี้

    ต้องมีมวลใกล้เคียงกันกับมวลของโปรตรอนมาก และต้องเป็นกลางทางไฟฟ้า

2. ทอมสันศึกษาหามวลของอนุภาคบวกของ Ne ปรากฎว่า อนุภาคบวกนี้มีมวล 2 เท่า

    ผลการทดลองนี้สนับสนุนว่าจะต้องมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งอยู่ในนิวเคลียส

    เชดวิก ได้ยิงอนุภาคแอลฟาไปยัง Be ปรากฎว่าได้อนุภาคชนิดนึ่งออกมา

    ซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตรอนและไม่มีประจุไฟฟ้า เรียกอนุภาคนี้ว่า "นิวตรอน"

กล่าวว่า จากการค้นพบนิวตรอนนี้ ทำให้ทราบว่าในอะตอมประกอบไปด้วยอนุภาค 3 ชนิด คือ โปรตอน อิเล็กตรอนและนิวตรอน โดยเรียนอนุภาคทั้ง 3 ชนิดนี้ว่า "อนุภาคมูลฐานของอะตอม"

สรุปแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง

อนุภาคมูลฐานของอะตอม 

อนุภาค	ประจุ(หน่วย)	ประจุ(C)	มวล(g)	มวล(amu)
อิเล็กตรอน	-1	1.6 x 10-19	0.000549	9.1096 x 10-28
โปรตรอน	+1	1.6 x 10-19	1.007277	1.6726 x 10-24
นิวตรอน	0	0	1.008665	1.6749 x 10

เลขมวล ( Mass number ) หมายถึง ผลบวกของโปรตอน และนิวตรอนในนิวเคลียส

เลขอะตอม ( Atpmic number ) หมายถึง จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่ง = จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม

ไอออน (Ion)

           คือ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากอะตอมเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน ประจุไฟฟ้ามี 2 ชนิด ดังนี้

1. ไอออนบวก ( ation ) คือ อนุภาคที่มีโปรตอน มากกว่า อิเล็กตรอน

2. ไอออนลบ ( anion ) คือ อนุภาคที่มีโปรตอน น้อยกว่า อิเล็กตรอน

      1. ไอโซโทป ( Isotope )

        หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน   แต่มีเลขมวลต่างกัน

      2. ไอโซโทน   ( Isotone )

       หมายถึง  อะตอมของธาตุต่างชนิดกันแต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน

      3. ไอโซบาร์ (  Isobar ) 

       หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน   แต่มีเลขอะตอมไม่เท่ากัน

      4. ไอโซอิเล็กทรอนิกส์ ( Isoelectronic )

       หมายถึง อะตอมของธาตุหรือไอออนที่มรจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน

4.แบบจำลองอะตอมของโบว์

โบร์ได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมขึ้นมาโดยนำแบบจำลองอะตอมของรัทฟอร์ดมาแก้ไข เขาศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป

ผลการทดลอง        

อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ

สรุปผลการทดลอง         

การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง ๆ

แต่ก่อนที่จะศึกษาสเปกตรัมควรต้องมีความใจเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความยาวคลื่น ( Wave length ) ใช้สัญลักษณ์ (λ) แลมบ์ดา คือ ระยะที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ ( มีหน่วยเป็น เมตรหรือนาโนเมตร )

ความถี่คลื่น ใช้สัญลักษณ์ (V) นิว คือ จำนวนรอบของคลื่นที่่ผ่านจุดใดจุหนึ่งในเวลา 1 วินาที ( มีหน่วยเป็นจำนวนรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)  s-1 )

เมื่อ  E คือ พลังงานของคลื่นมีหน่วยเป็น ( J ) จูล

              H คือ ค่าคงตัวของพลังค์ มีค่า =   6.625 x 10 ^-34 J.s 

      

        V คือ ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือเฮิร์ตซ์ ( Hz )

ในการศึกษาเกี่ยวกับคลื่นทั่วไป พบว่า ความยาวคลื่นจะมีความสัมพันธ์กับความถี่ของคลื่น ดังนี้

 

เมื่อ c คือ ความเร็วของคลื่นแม่เหล็ไฟฟ้าในสุญญากาศ มีค่า = ความเร็วของคลื่นแสง มีค่า = 3 x 10 8 m/s หรือ เขียนหน่วยเป็น ms-1

สรุปได้ว่า

"คลื่นที่มีความยาวคลื่นมาก จะมีความถี่น้อย และพลังงานคลื่นน้อย"

"คลื่นที่มีความยาวคลื่นน้อย จะมีความถี่มาก และพลังงานคลื่นมาก"

สเปกตรัม ( Spectrum )

         หมายถึง แถบสี แถบแสงส หรือเส้นสีของพลังงานในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สเปกตรัม มี 2 ชนิด คือ

1. สเปกตรัมต่อเนื่อง ( Continuousspectrum ) เป็นสเปกตรัมที่ประกอบด้วยแถบของสีที่ต่อเนื่องกันไปจากสีหนึ่งไปยังอีกสีหนึ่ง โดยจะมองไม่เห็นช่องว่างระหว่างสีเลย

2. สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง ( Discontinuous spectrum ) เป็นสเปกตรัมที่มีลักษณะเป็นเส้นสีสว่างบนพื้นสีดำมืดบางที่เรียกว่าเส้นสเปกตรัม โดยมองเห็นเป็นเส้นสีเรียงจากเส้นหนึ่งไปยังอีกเส้นหนึ่ง

สรุปสเปกตรัม

1. สเปคตรัมเป็นสมบัติเฉพาะตัวของธาตุชนิดหนึ่งๆ ซึ่งแตกต่างจากธาตุชนิดอื่น2. สเปคตรัมของโลหะชนิดเดียวกัน มีสี และตำแหน่งของสเปคตรัมเหมือนกัน

3. สเปคตรัมของโลหะต่างชนิดกัน จะไม่เหมือนกัน

4.สีของเปลวไฟที่ได้จากการเผาสารคือส่วนของพลังงานที่แปรรูปมาจากพลังงานความร้อนที่สารได้รับความร้อนแล้วคายออกมาในรูปของแสง

“ แสงสีต่างกันแสดงว่าคายพลังงานออกมาไม่เท่ากัน(มีความถี่และความยาวคลื่นต่างกัน)”

สรุปแบบจำลองอะตอมของโบร์

1. อิเลคตรอนจะอยู่กันเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นเรียกว่า “ระดับพลังงาน”

2. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเลคตรอน (Valent electron)จะเป็นอิเลคตรอน

    ที่เกิดปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้

3. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงในอยู่ใกล้นิวเคลียส จะเสถียรมากเพราะประจุบวกจากนิวเคลียสดึงดูด

    ไว้อย่างดี ส่วนอิเลคตรอนระดับพลังงานวงนอจะไม่เสถียรเพราะนิวเคลียสส่งแรงไปดึงดูดได้น้อยมาก

4. ระดับการพลังงานวงในจะอยู่ห่างกันมาก ส่วนระดับพลังงานวงนอกจะอยู่ชิดกันมาก

5. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเลคตรอน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนในระดับถัดกัน อาจเปลี่ยนข้ามระดับ

     พลังงานกันก็ได้

5.แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของโบร์ใช้อธิบายได้ดีเฉพาะธาตุไฮโรเจนซึ่งมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ดังนั้นถ้าธาตุมีหลายอิเล็กตรอน ทฤษฏีของโบร์ไม่สามารถอธิบายได้ นักวิทยาศาสตร์จึงค้นคว้า ทดลองจนเกิดเป็นแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก ซึ่งมีลักษณะดังนี้

1. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสด้วยความเร็วสูง วงโคจรไม่จำเป็นต้องเป็นวงกลมเสมอ
2. ไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้
3. บริเวณกลุ่มหมอกหนาทึบ แสดงว่ามีโอกาสพบอิเล็กตรอนบริเวณนั้นมาก และบริเวณที่กลุ่มหมอกจาง แสดงว่ามีโอกาพบอิเล็กตรอนน้อย

"อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส มีลักษณะทรงกลม บรอเวณกลุ่มหมอกทึบแสดงว่ามีโอกาศพบอิเล็กตรอนมาก และบริเวณที่กลุ่มหมอกจางมีโอกาศที่จะพบอิเล็กตรอนน้อย"