แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr)  มีข้อจำกัดที่ไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ได้มีการศึกษาเพิ่มเติมจนได้ข้อมูลที่เชื่อว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น  โดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในลักษณะของคลื่นนิ่ง  บริเวณที่พบอิเล็กตรอนได้พบได้หลายลักษณะเป็นรูปทรงต่าง ๆ ตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอน  จากการใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัมสร้างสมการขึ้นเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ พบว่าแบบจำลองนี้อธิบายเส้นสเปกตรัมได้ดีกว่าแบบจำลองอะตอมของโบร์  โดยแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกกล่าวไว้ดังนี้ 1.  อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม  จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมได้ 2.  มีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้น  ทำให้สร้างมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส 3.  บริเวณที่กลุ่มหมอกทึบแสดงว่าโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มหมอกจาง”

advanced chemistry flame test part 1A

flame test

แบบจำลองอะตอมของโบร์

คลื่นและสมบัติของแสง
	จากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้ทราบถึงการจัดโครงสร้างของอนุภาคต่าง ๆ ในนิวเคลียส แต่ไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในลักษณะใด  นักวิทยาศาสตร์ในลำดับต่อมาได้หาวิธีทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส  วิธีหนึ่งก็คือการศึกษาสมบัติและปรากฏการณ์ของคลื่นและแสง  แล้วนำมาสร้างเป็นแบบจำลอง คลื่นชนิดต่าง ๆ เช่น  คลื่นแสง  คลื่นเสียง  มีสมบัติสำคัญ  2  ประการ  คือ  ความยาวคลื่นและความถี่
คลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นต่าง ๆ กัน  ดังรูปต่อไปนี้ แสงที่ประสาทตาคนรับได้เรียกว่า “แสงที่มองเห็นได้” (visible light) ซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง  400 – 700 nm  แสงในช่วงคลื่นนี้ประกอบด้วยแสงสีต่าง ๆ กัน  ตามปกติประสาทตาของคนสามารถสัมผัสแสงบางช่วงคลื่นที่ส่องมาจากดวงอาทิตย์ได้  แต่ไม่สามารถแยกเป็นสีต่าง ๆ จึงมองเห็นเป็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่า “แสงขา

อนุภาคในอะตอม

	อนุภาคมูลฐานของอะตอม
James Chadwick รางวัลโนเบล (Nobel Prize) สาขาฟิสิกส์ ในปี ค.ศ.1935 United Kingdom Liverpool University Liverpool, United Kingdom มีชีวิตอยู่ระหว่างปี ค.ศ.1891 -1974	ในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดสรุปว่าอะตอมมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบ  ดังนั้น  การคิดมวลอะตอมควรคิดจากมวลโปรตอนรวมกับมวลของอิเล็กตรอน  แต่มวลของอิเล็กตรอนน้อยมาก  การคิดมวลอะตอมจึงคิดจากมวลโปรตอน  พบว่ามวลโปรตอน 1 โปรตอนเท่ากับ 1.7 x 10–24 กรัม  หรือคิดเป็น  1  หน่วยมวลอะตอม (1 amu = 1 atomic mass unit)  ดังนั้นมวลอะตอมควรมีค่าเท่ากับหรือใกล้เคียงกับจำนวนโปรตอน  แต่จากการทดลองกลับพบว่ามวลอะตอมจริง ๆ มีค่าเป็น  2  เท่าหรือมากกว่า  2  เท่าของจำนวนโปรตอน  ในปี พ.ศ. 2463 (หรือค.ศ.1920)  รัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอความเห็นว่าน่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลโปรตอน ต่อมาในปี พ.ศ. 2475 (ค.ศ. 1932)  เจมส์ แชดวิก (James Chadwick)  ได้ค้นพบอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง  ไม่มีประจุไฟฟ้า  และตั้งชื่อว่า “นิวตรอน” (neutron)  นิวตรอนมีมวลมากกว่าโปรตอนเล็กน้อย  โดยมีมวลเท่ากับ 1.675 x 10–24 กรัม  และรัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอว่านิวตรอนเป็นอนุภาคที่อยู่ในนิวเคลียสของอะตอม  ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พบว่าโปรตอนและนิวตรอนอัดกันแน่นอยู่ในนิวเคลียสยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์ (nuclear force)  และอนุภาคที่ประกอบเป็นนิวเคลียสเรียกว่า “นิวคลีออน” (nucleon)
อนุภาคในอะตอม	ในปัจจุบันพบว่าในอะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ มากกว่า  30  ชนิด  และแบ่งออกเป็น  2  ประเภท  ดังนี้ 1.  อนุภาคที่ไม่เสถียร (unstable particles)  เป็นอนุภาคที่ไม่อยู่ตัว  สลายตัวได้ง่าย อนุภาคเหล่านี้เกิดจากการยิงนิวเคลียสของอะตอมด้วยอนุภาคชนิดต่าง ๆ  ตัวอย่างอนุภาคที่ไม่เสถียรได้แก่  positron , antiproton , neutrino  เป็นต้น 2.  อนุภาคที่เสถียร (stable particles)  เป็นอนุภาคที่อยู่ตัว  ไม่สลายตัว  มี  3  ชนิดคือ โปรตอน  นิวตรอน  และอิเล็กตรอน  เรียกอนุภาคทั้งสามว่า “อนุภาคมูลฐานของอะตอม”
อนุภาค สัญลักษณ์ ประจุไฟฟ้า (C) ชนิดประจุไฟฟ้า มวล (กรัม) อิเล็กตรอน e 1.602 x 10–19 -1 9.109 x 10–28 โปรตอน p 1.602 x 10–19 +1 1.673 x 10–24 นิวตรอน n 0 0 1.673 x 10–24
เลขอะตอม เลขมวล และสัญลักษณ์นิวเคลียร์
	1.  เลขอะตอม (Atomic number) คือตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนของธาตุ  ใช้สัญลักษณ์ Z  นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่หาเลขอะตอมได้คือ เฮนรี โมสลีย์  เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ  เลขอะตอมเป็นค่าเฉพาะสำหรับธาตุหนึ่ง ๆ ธาตุแต่ละชนิดมีเลขอะตอมไม่ซ้ำกัน  ดังนั้นเลขอะตอมจึงบอกชนิดของธาตุได้ 2.  เลขมวล (Mass number) คือตัวเลขที่แสดงผลรวมของจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอน  มีสัญลักษณ์ A  เลขมวลจะมีค่าใกล้เคียงกับมวลอะตอม (Atomic mass)  แต่เลขมวลเป็นเลขจำนวนเต็มเสมอ  ส่วนมวลอะตอมอาจเป็นจำนวนเต็มหรือทศนิยมก็ได้  และเลขมวลไม่เป็นค่าเฉพาะสำหรับธาตุ  ธาตุต่างชนิดกันอาจมีเลขมวลเท่ากันได้   เลขมวล = จำนวนโปรตอน  +  จำนวนนิวตรอน   3.  สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (nuclear symbol) เป็นสัญลักษณ์ที่แสดงให้ทราบว่าอะตอมของธาตุ  1  อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานอย่างละกี่อนุภาค  โดยเขียนสัญลักษณ์ของธาตุซึ่งแสดงเลขมวลที่มุมบนด้านซ้าย  และเขียนเลขอะตอมที่มุมล่างด้านซ้าย  เช่น                                                                        p   =  12                    p   =  6                 p   =  8             e– =  12                    e–  =  6                 e–  =  10             n   =  12                    n   =  6                 n   =  8   จากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ทำให้ทราบจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม  โดยจำนวนโปรตอนดูจากเลขอะตอม  อะตอมอยู่ในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจึงมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน  ส่วนจำนวนนิวตรอน  =  เลขมวล – เลขอะตอม  Back to Top
ไอโซโทป ไอโซโทน และไอโซบาร์
	ไอโซโทป (Isotope)  หมายถึงอะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน  แต่มีเลขมวลต่างกัน  หรืออะตอมของธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากัน  แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน อะตอมที่มีเลขมวลหรือจำนวนโปรตอนแต่ละจำนวนเรียกว่า  1  ไอโซโทป  ตัวอย่างไอโซโทป  เช่น  ไฮโดรเจนมี  3  ไอโซโทปคือ     ,    ,                                                                              p   =  1                      p   =  1                 p   =  1             e– =  1                      e–  =  1                 e–  =  1             n   =  0                      n   =  1                 n   = 2             protium (H)               deuterium (D)      tritium (T) ไอโซโทน (Isotone) หมายถึงอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน  มีเลขอะตอมและเลขมวลต่างกัน  แต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน                                                      p   =  6                      p   =  7             e– =  6                      e–  =  7             n   =  7 *                   n   =  7 *   ไอโซบาร์ (Isobar) หมายถึงอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน  แต่มีเลขมวลเท่ากัน                                                    p   =  6                      p   =  7             e– =  6                      e–  =  7             n   =  8                      n   =  7
ตารางที่ 1 สรุปความหมายของไอโซโทป  ไอโซโทน  ไอโซบาร์ ชนิด เลขอะตอม เลขมวล จำนวนนิวตรอน จำนวนโปรตอน ชนิดของธาตุ ไอโซโทป เท่ากัน ต่างกัน ต่างกัน เท่ากัน ชนิดเดียวกัน ไอโซโทน ต่างกัน ต่างกัน เท่ากัน ต่างกัน ต่างชนิดกัน ไอโซบาร์ ต่างกัน เท่ากัน ต่างกัน ต่างกัน ต่างชนิดกัน

แบบจำลองอะตอมรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
ในปี พ.ศ. 2453 (ค.ศ. 1910)  เซอร์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด  (Sir Ernest Rutherford)  ได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมของทอมสัน  และเกิดความสงสัยว่าอะตอมจะมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสันจริงหรือไม่  โดยตั้งสมมติฐานว่า “ถ้าอะตอมมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสันจริง  ดังนั้นเมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเข้าไปในอะตอม  แอลฟาทุกอนุภาคจะทะลุผ่านเป็นเส้นตรงทั้งหมดเนื่องจากอะตอมมีความหนาแน่นสม่ำเสมอเหมือนกันหมดทั้งอะตอม” เพื่อพิสูจน์สมมติฐานนี้  รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ โดยมีความหนาไม่เกิน 10–4 cm  โดยมีฉากสารเรืองแสงรองรับ  ปรากฏผลการทดลองดังนี้ 1.  อนุภาคส่วนมากเคลื่อนที่ทะลุผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรง 2.  อนุภาคส่วนน้อยเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรง 3.  อนุภาคส่วนน้อยมากสะท้อนกลับมาด้านหน้าของแผ่นทองคำ	Ernest_Rutherford รางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี ค.ศ.1908 United Kingdom and New Zealand Victoria University Manchester, United Kingdom มีชีวิตอยู่ระหว่าง ค.ศ. 1871 -1937
ถ้าแบบจำลองอะตอมของทอมสันถูกต้อง  เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ นี้  อนุภาคแอลฟาควรพุ่งทะลุผ่านเป็นเส้นตรงทั้งหมดหรือเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อย  เพราะอนุภาคแอลฟามีประจุบวกจะเบี่ยงเบนเมื่อกระทบกับประจุบวกที่กระจายอยู่ในอะตอม  แต่แบบจำลองอะตอมของทอมสันอธิบายผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่ได้  รัทเทอร์ฟอร์ดจึงเสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่ดังนี้ “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง  นิวเคลียสมีขนาดเล็กแต่มีมวลมาก  และมีประจุบวก  ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อยมากวิ่งอยู่รอบ ๆนิวเคลียส”	แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
การอธิบายโครงสร้างอะตอมด้วยแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด จากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสามารถอธิบายได้ว่า เมื่อผ่านอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกและมวลมากให้เดินทางเป็นเส้นตรงไปยังแผ่นทองคำ อนุภาคแอลฟาส่วนมากจะเคลื่อนที่ผ่านไปยังที่ว่างซึ่งมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่ แต่อิเล็กตรอนมีมวลน้อยมากจึงไม่มีผลต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา อนุภาคแอลฟาบางส่วนที่เคลื่อนที่ใกล้นิวเคลียสทำให้เบี่ยงเบนออกจากที่เดิม และอนุภาคที่กระทบกับนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกและมวลมากจึงสะท้อนกลับ การที่อนุภาคแอลฟาจำนวนน้อยมากสะท้อนกลับทำให้เชื่อว่านิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก แบบจำลองอะตอมของดอลตัน แบบจำลองอะตอมของทอมสัน แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอรด์ เปรียบเทียบแบบจำลองอะตอมของดอลตัน ทอมสัน และรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

การนำไฟฟ้าของแก๊ส
ปกติแก๊สเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี  ปรากฏการณ์ที่ยืนยันได้ว่าแก๊สนำไฟฟ้าได้ก็คือการเกิดฟ้าแลบ  ฟ้าผ่า  แก๊สนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นเมื่อแก๊สมีความดันต่ำ ๆ  และมีความต่างศักย์ของขั้วไฟฟ้าสูง ๆ แก๊สนำไฟฟ้าได้เพราะแก๊สสามารถแตกตัวเป็นไอออนบวกและอิเล็กตรอน  เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าศักย์สูง ๆ เช่น  แก๊สฮีเลียม (He)  และแก๊สไฮโดรเจน (H₂)  จะเกิดการแตกตัวดังสมการ

                                                     He(g)                  He⁺(g)   +   e^–

                                                       H(g)                  H⁺(g)   +   e^–

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน การวิเคราะห์รังสีบวกของทอมสัน	Joseph John Thomson รางวัลโนเบล (Nobel Prize) สาขาฟิสิกส์ ในปีค.ศ. 1906 United Kingdom University of Cambridge Cambridge, United Kingdom มีชีวิตอยู่ระหว่างปี 1856 - 1940
ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด รังสีแคโทดบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก ของสนามไฟฟ้า	เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson)  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด  จึงทำการทดลองเกียวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี พ.ศ. 2440 (ค.ศ. 1897)  และได้สรุปสมบัติของรังสีไว้หลายประการ  ดังนี้ 1.  รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด  เนื่องจากรังสีแคโทดทำให้เกิดเงาดำของวัตถุได้  ถ้านำวัตถุไปขวางทางเดินของรังสี  2.  รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีมวล เนื่องจากรังสีทำให้ใบพัดที่ขวางทางเดินของรังสีหมุนได้เหมือนถูกลมพัด 3.  รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ  เนื่องจากเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จากผลการทดลองนี้  ทอมสันอธิบายได้ว่า  อะตอมของโลหะที่ขั้วแคโทดเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอม  อิเล็กตรอนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ภายในหลอด  ถ้าเคลื่อนที่ชนอะตอมของแก๊สจะทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมของแก๊สหลุดออกจากอะตอม  อิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดและจากแก๊สซึ่งเป็นประจุลบจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแอโนด  ขณะเคลื่อนที่ถ้ากระทบฉากที่ฉาบสารเรืองแสง  เช่น  ZnS  ทำให้ฉากเกิดการเรืองแสง  ซึ่งทอมสันสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่า “อิเล็กตรอน”  และยังได้หาค่าอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอิเล็กตรอนโดยใช้สยามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าช่วยในการหา  ซึ่งได้ค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ  1.76 x 108 C/g  ค่าอัตราส่วน e/m นี้จะมีค่าคงที่ ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่เป็นขั้วแคโทด  และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สที่บรรจุอยู่ในหลอดรังสีแคโทด  แสดงว่าในรังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบเหมือนกันหมดคือ อิเล็กตรอน นั่นเอง  ทอมสันจึงสรุปว่า “อิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบส่วนหนึ่งของอะตอม  และอิเล็กตรอนของทุกอะตอมจะมีสมบัติเหมือนกัน”
	การค้นพบโปรตอน
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน การวิเคราะห์รังสีบวกของทอมสัน	ในปี พ.ศ. 2409 (ค.ศ. 1866) ออยเกน  โกลด์ชไตน์  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน  ได้ทำการทดลองโดยเจาะรูที่ขั้วแคโทดในหลอดรังสีแคโทด  พบว่าเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดจะมีอนุภาคชนิดหนึ่งเคลื่อน ที่เป็นเส้นตรงไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดผ่านรูของ ขั้วแคโทด  และทำให้ฉากด้านหลังขั้วแคโทดเรืองแสงได้  โกลด์ชไตน์ได้ตั้งชื่อว่า “รังสีแคแนล” (canal ray)  หรือ “รังสีบวก” (positive ray)  สมบัติของรังสีบวกมีดังนี้ 1.  เดินทางเป็นเส้นตรงไปยังขั้วแคโทด 2.  เมื่อผ่านรังสีนี้ไปยังสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า  รังสีนี้จะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงข้ามกับรังสีแคโทด  แสดงว่ารังสีนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก 3.  มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่คงที่  ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สในหลอด  และถ้าเป็นแก๊สไฮโดรเจนรังสีนี้จะมีอัตราส่วนประจุต่อมวลสูงสุด  เรียกอนุภาคบวกในรังสีแคแนลของไฮโดรเจนว่า “โปรตอน” 4.  มีมวลมากกว่ารังสีแคโทด  เนื่องจากความเร็วในการเคลื่อนที่ต่ำกว่ารังสีแคโทด ทอมสันได้วิเคราะห์การทดลองของโกลด์ ชไตน์ และการทดลองของทอมสัน  จึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า “อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป  อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ”