โครงสร้างอะตอม (วิชา สารและการเปลี่ยนแปลง)

1. 3

2. 2

3. 1

4. โครงสร้างอะตอม (วิชา สารและการเปลี่ยนแปลง) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 อาจารย์ ศรีสวัสดิ์ พานิชเจริญกิจ

5. ประโยชน์จากการเรียน เรื่องโครงสร้างอะตอม • ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ • 2. เราสามารถศึกษากาแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพิจารณาจากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว

6. โครงสร้างของอะตอมยุคแรกโครงสร้างของอะตอมยุคแรก ดีโมครีตัส ( นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้นจาก อนุภาคที่เล็กมาก  เล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้   อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธิการต่างๆ สำหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถจะแตกแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกได้  ดีโมครีตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า อะตอม (Atom)  จากภาษากรีกที่ว่า  atoms  ซึ่งมีความหมายว่า  ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ตามความคิดเห็นของเขา  อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้

7. แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตันแบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803)  จอห์น ดอลตัน (John Dalton)  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมซึ่งสรุปได้ดังนี้ 1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ หลายอนุภาค  อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้  และทำให้สูญหายไม่ได้ 2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน  เช่นมีมวลเท่ากัน  แต่จะมีสมบัติต่างจากอะตอมของธาตุอื่น 3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

8. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน การค้นพบอิเล็กตรอน เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J. Thomson: 1856-1940) พิสูจน์พบอนุภาคประจุลบ ทอมสันศึกษาแนวคิดที่ว่า ก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้ ถ้ามีสภาพเหมาะสม ซึ่งได้แก่ การจัดสภาพให้มีความต่างศักย์สูงมากๆ และความดันต่ำ โดยใช้หลอดแก้วสุญญากาศ ซึ่งประกอบด้วยวงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความต่างศักย์  10,000  โวลต์ ขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับขั้วบวก เรียกว่า แอโนด และขั้วลบ เรียกว่า  แคโทด  เมื่อผ่านไฟฟ้าเข้าไปในหลอดพบว่า เกิดลำแสงพุ่งจากแคโทด ไปยังแอโนด เรียกลำแสงนี้ว่า  รังสีแคโทด

9. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน รังสีแคโทดจะเบนเข้าหาขั้วแอโนดเสมอ ทำให้ทอมสันได้ข้อสรุปเกี่ยวกับสมบัติของรังสีแคโทดดังนี้

10. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน 1. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรง 2.มีประจุลบ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก 3. มีค่าประจุต่อมวลคงที่ จากการศึกษาเกี่ยวกับ Oil - drop Experiment ของ แอนดรูว์ มิลลิแกน พบว่า อนุภาคในรังสีแคโทดมีค่าประจุต่อมวลคงที่ 1.76  x  108คูลอมบ์ต่อกรัม ไม่ว่าจะใช้โลหะชนิดใดเป็นขั้วไฟฟ้าหรือก๊าซที่ใช้บรรจุในหลอดรังสีแคโทดก็ตาม  ดังนั้นจึงสรุปว่า อนุภาคในรังสีแคโทดเป็นอนุภาคมูลฐานของอะตอมและมีประจุลบ ต่อมาเรียกว่า อนุภาคอิเล็กตรอน ทอมสันสรุปว่า “อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่อยู่ในอะตอมของธาตุทุกชนิด”

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

12. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน  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

13. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน การค้นพบโปรตรอน เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า แสดงว่าต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกรวมอยู่ในอะตอมด้วย โกลด์สไตน์สังเกตพบรังสีแอโนด (รังสีที่มาจากอนุภาคประจุบวก) จากการดัดแปลงการทดลองของทอมสัน เมื่ออิเล็กตรอนจากกระแสไฟฟ้าวิ่งชนกลุ่มอะตอม ทําให้อะตอมไอออไนซ์ ได้อิเล็กตรอนกับอะตอมไอออนบวก (A → A+ + e)

14. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน ถ้าเจาะรูที่แผ่น Cathode จะมีอนุภาควิ่งไปด้านหลัง เรียกว่า “รังสีแคแนล”  รังสีจะเบนเข้าหาสนามไฟฟ้าลบ  มีมวลต่างๆ กัน ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊ส การทดลองของ รัทเทอร์ฟอร์ด ยืนยันการค้นพบโปรตอน โดยระดมยิงโมเลกุลไนโตรเจนด้วยอนุภาคอัลฟา ( 42He ) ทําให้ได้อนุภาคซึ่งหนักเป็น 1830 เท่าของอิเล็กตรอน และมีประจุเท่ากับอิเล็กตรอน

15. แบบจำลองอะตอมของทอมสันแบบจำลองอะตอมของทอมสัน หลังจากการค้นพบอิเล็กตรอน และโปรตอน ทอมสันจึงได้เสนอทฤษฎีอะตอมว่า "อะตอมมีลักษณะทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ และโปรตอนซึ่งมีประจุบวก กระจายอยู่ในอะตอมอย่างสม่ำเสมอ อะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับโปรตอน" แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

16. แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ในปี 1871-1937 ลอร์ด เออร์เนสท์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Lord Ernest Rutherford) นักวิทยาศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ ทดลองใช้อนุภาคแอลฟายิงไปยังแผ่นโลหะทองคำบางๆ และใช้ฉากเรืองแสงซึ่งฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟด์เป็นฉากรับอนุภาคแอลฟาเพื่อตรวจสอบว่า อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่เดินทางเป็นเส้นตรงผ่านทะลุแผ่นทองคำไปได้ มีบางอนุภาคที่เฉออกจากเส้นทางเดิม และบางอนุภาคซึ่งน้อยมากสะท้อนกลับจากเส้นทางเดิมเมื่อกระทบแผ่นทองคำ ทราบได้เพราะอนุภาคแอลฟากระทบฉากเรืองแสง

17. แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด จากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดพบว่า 1. การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่วิ่งผ่านแผ่นทองคำไปเป็นแนวเส้นตรงแสดงว่า อะตอมไม่ใช่ของแข็งทึบตัน แต่ภายในอะตอมมีที่ว่างมาก 2. อนุภาคแอลฟาบางอนุภาคที่หักเหออกจากทางเดิมเพราะภายในอะตอมมีอนุภาคที่มีมวลมากและมีประจุไฟฟ้าบวกสูงและมีขนาดเล็ก ดังนั้น เมื่ออนุภาคแอลฟาเข้าใกล้อนุภาคนี้จะถูกผลักให้เบนออกจาก ทางเดิมหรือเมื่ออนุภาคแอลฟาเข้ามากระทบอย่างจังก็จะสะท้อนกลับ

18. แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ดังนั้นเพื่ออธิบายผลการทดลอง รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่ดังนี้ “อะตอมประกอบด้วยโปรตอนรวมกันกันเป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากแต่มีมวลมากและมีประจุบวก ส่วนอิเลคตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อยมากวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง” แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

19. แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด การค้นพบนิวตรอน เซอร์เจมส์ แชดวิก (Sir James Chadwick) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนออนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้านั้นเรียกว่า นิวตรอน มีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน จากการค้นพบนิวตรอน ทำให้เราทราบว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ โปรตอน อิเลคตรอน และนิวตรอน ทำให้แบบจำลองอะตอมเปลี่ยนไปดังนี้ “อะตอมมีลักษณะทรงกลมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง และมี อิเลค ตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับโปรตอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส”

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

21. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร L = mevr = nh 2 2. อิเล็กตรอนโคจรรอบๆ โดยไม่สูญเสียพลังงาน ซึ่งเรียกว่าสถานะคงตัว โดยที่โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรจะมีค่าเป็ฯจำนวนเต็มเท่าของ nh/2ซึ่งเขียนได้ว่า L = โมเมนตัมเชิงมุม me= มวลของอิเล็กตรอน v = ความเร็ว h = ค่าคงที่ของพลังค์

22. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร 3. อิเล็กตรอนสามารถจะรับและปลดปล่อยพลังงานได้ เมื่อมีการเปลี่ยนวงโคจร โดยค่าของพลังงานจะเท่ากับ ค่าของพลังงานที่แตกต่างกันของวงโคจรทั้งสอง คือ E = h = E2 – E1 e จากวงใน  วงนอก (รับพลังงาน) E เป็น + eจากวงนอก  วงใน (คายพลังงาน) E เป็น -

23. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร 4. อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรดังกล่าวจะมีพลังงานค่าหนึ่งคงที่ และ ตลอดเวลาที่อยู่ในวงโคจรเดียวจะไม่ดูดพลังงาน หรือสูญเสียพลังงานแต่อย่างใด ค่าพลังงานนี้คำนวณได้จากสมการ เมื่อ me = มวลของอิเล็กตรอน z = เลขเชิงอะตอม n = 1, 2, 3

24. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร นิวเคลียส (p+n) e e e e e n = 4 3 2 1 แบบจำลองอะตอมตามทฤษฎีของบอห์ร แม้จะใช้ได้ดีกับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว แต่ไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีมากกว่าหนึ่งอิเล็กตรอนได้เลยนอกจากนี้วงโคจรวงกลมของอิเล็กตรอนยังไม่ตรงกับรูปร่างของโมเลกุลที่ได้จากการศึกษาทางรังสีเอกซ์อีกด้วย

25. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร การเกิดสเปกตรัม 1.  การตรวจหาสเปกตรัมถ้าเป็นสารประกอบทำโดย  การเผาสารประกอบถ้าเป็นก๊าซทำโดย นำก๊าซมาบรรจุในหลอดแก้ว แล้วปรับความดันให้ต่ำแล้วใช้พลังงานไฟฟ้าแทนการเผา 2.  สีเปลวไฟ หรือสเปกตรัม เกิดจากสาเหตุเดียวกัน ข้อแตกต่าง คือสีเปลวไฟ เป็นสีที่มองจากตาเปล่า จะเห็นเป็นสีเดียว ซึ่งเป็นสีที่เด่นชัดที่สุดสีสเปกตรัมเป็นสีที่ใช้เครื่องมือ สเปกโตรสโคป ส่องดูเปลวไฟ จะเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมหลายเส้น  และความเข้มมากที่สุดจะเป็นสีเดียวกันกับสีของเปลวไฟ3.  สีของเปลวไฟ หรือสีของสเปกตรัมเป็นสีที่เกิดที่เกิดจากส่วนที่เป็นไอออนของโลหะ หรือไอออนบวกนั่นเอง ดังเช่น Li+    สีแดง  Na+  สีเหลือง   Ca2+  สีแดงอิฐ Ba2+    สีเขียวอมเหลือง Cu2+    สีเขียวK+   สีม่วง

26. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร 4.  ธาตุแต่ละธาตุมีเส้นสเปกตรัมเป็นลักษณะเฉพาะตัวไม่ซ้ำกัน ดังรูป การจัดอิเล็กตรอนในอะตอม   จากการศึกษาแบบจำลองอะตอมของบอห์ร ทำให้ทราบว่า การจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ

27. แบบจำลองอะตอมของบอห์รแบบจำลองอะตอมของบอห์ร เวเลนซ์อิเล็กตรอน  คือ  จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดหรือสูงสุด ของแต่ละธาตุจะมีอิเล็กตรอนไม่เกิน 8 การจัดอิเล็กตรอน มีความสัมพันธ์กับการจัดหมู่และคาบอย่างไร 1.  เวเลนซ์อิเล็กตรอน จะตรงกับเลขที่ของหมู่ ดังนั้น ธาตุที่อยู่หมู่เดียวกันจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน 2.  จำนวนระดับพลังงาน จะตรงกับเลขที่ของคาบ ดังนั้น ธาตุในคาบเดียวกันจะมีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน เช่น    35Brมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนดังนี้      2 , 8 , 18 , 7    ดังนั้น  Br จะอยู่ในหมู่ที่  7  เพราะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  7  และอยู่ในคาบที่  4  เพราะมีจำนวนระดับพลังงาน  4

28. แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติม โดยใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควันตัม สร้างสมการเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ จึงสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าอะตอมของโบร์ ลักษณะสำคัญของแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอธิบายได้ดังนี้

29. แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก 1. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็วตลอดเวลาด้วยความเร็วสูง  ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่างๆ ปรากฏการณ์แบบนี้นี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่น จะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง 2. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือ รูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทุกระดับพลังงานจะเป็นรูปทรงกลม

30. แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก 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  ออร์บิทัลหรือ  10  อิเล็กตรอน f – orbital            มี   7  ออร์บิทัล   หรือ  14  อิเล็กตรอน

31. แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก 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 

32. แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

33. แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอกแบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

34. The End