Transcript Document

Atomic Structure
โครงสร้ างอะตอม
By
Ukrit Chaimongkon
Division of Physics School of Science
University of Phayao
(Sir Joseph John "J. J." Thomson)
เซอร์ โจเซฟ จอห์ น เจ. เจ. ทอมสัน
เสนอว่ า
”อะตอมประกอบไปด้ วยประจุ บ วกและมี
อิเล็กตรอนอยู่ภายในอะตอม”
(ทอมสัน ค้ นพบอิเล็กตรอน โดยได้ รับการยืนยันจากรั ทเทอร์ ฟอร์ ด )
แบบจาลองพลัมพุดดิง
(plum-pudding model)
ของ
เจ. เจ. ทอมสัน
Geiger–Marsden Experiment
The gold foil experiment was originally conducted by Hans Geiger (left) and
Ernest Marsden (right) under the supervision of Ernest Rutherford at the
University of Manchester
แบบจาลองพลัมพุดดิง
(plum-pudding model)
ของ
เจ. เจ. ทอมสัน
ผลที่ได้ จากการสังเกต
- อนุภาค He2+ จะสะท้ อนเป็ นมุมกว้ าง
- ถ้ าเปลี่ยนไปใช้ แผ่ นฟอยร์ ชนิดต่ างๆ กัน มุมกระเจิงจะขึน้ อยู่
กับประจุของอะตอมรวมในแต่ ละธาตุ ถ้ าประจุของนิวเคลียส
เหมือนกัน ประจุจะมีค่าเพิ่มขึน้ ตามตารางธาตุ
- ประจุของนิวเคลียสจะเป็ นจานวนเท่ าของ + e นัน้ คือ เลข
อะตอม (Z = เลขอะตอม)
(ปั จจุบันเราทราบว่ าโปรตอนมีประจุ +e ของนิวเคลียส และ Z = จานวนโปรตอนในนิวไคลด์ )
Lord Ernest Rutherford
ผู้ได้ รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี “สำหรั บกำร
วิจัยกำรสลำยตัวของธำตุเคมี และศำสตร์ เคมี
ด้ ำนสำรกัมมันตรั งสี”
-ศึกษาสมบัติของสารกัมมันตรั งสี และบอก
ความแตกต่ างระหว่ าง อนุ ภาคแอลฟา
และเบตา
- ค้ นพบโปรตอนจากปฏิกิริยา
4
2
He  147 N  178 O  11H ( proton)
สูตรการกระเจิงของรั ทเทอร์ ฟอร์ ด
Ni ntZ 2e4
…………………(1)
N   
2 2
2
4
(8 0 ) r KE sin ( / 2)
N   
Ni 
n
Z
r
KE 
t
จำนวนอนุภำคแอลฟำต่อหน่วยพื ้นที่ที่ตกกระทบบนฉำก ณ มุมกระจจง 
จำนวนอนุภำคแอลฟำทั ้ หมดที่ตกกระทบล บนฉำก
จำนวนอะตอมต่อหน่วยปรงมำตรขอ แผ่นฟอยร์
จลขอะตอมขอ แผ่นฟอยร์
ระยะทำ ระหว่ำ ฉำกถึ แผ่นฟอยร์
พลั ำนจลน์ขอ อนุภำคแอลฟำ
ควำมหนำขอ แผ่นฟอยร์
สมกำร (1)
ตร กับ กำรวัด ขอ
Geiger และ Marsden และสนับสนุน
ก ำ ร ค้ น พ บ นง ว จ ค ลี ย ส ข อ
รัทจทอร์ ฟอร์ ด
จำกรู ป มี อ นุ ภ ำคแอลฟำที่ จ ข้ ำชน
0.14 % จกงดมุมกระจจง ที่มีมุม
มำกกว่ำ 1 O (Nuclear Dimensions)
ภาพแสดงผลการกระเจิงของรั ทเทอร์ ฟอร์ ด
วงธีกำรยง อนุภำคแอลฟำจข้ ำไปในนงวจคลียสทำให้ จรำทรำบขนำดขอ นงวจคลียส โดยให้ R
จป็ นระยะอนุภำคแอลฟำจข้ ำใกล้ นงวจคลียสมำกที่สดุ ที่มมุ กระจจง 180 O และมีพลั ำน
จลน์ที่จปลี่ยนจป็ นศักย์ไฟฟ้ำ
…………………(2)
ถ้ ำให้ ประจุขอ อนุภำคแอลฟำมีคำ่ 2e และขอ นงวจคลียสมีคำ่ ประจุ Ze จะได้ วำ่
…………………(3)
พลั ำนจลน์สู สุดขอ อนุภำคแอลฟำมีคำ่ 7.7 MeV (1.2 x 10-12J) และ 41
 9.0 109 N  m2 / C2
0
…………………(4)
โดยที่ 1 MeV = 1.602 x 10-19 J และถ้ ำจลขอะตอมขอ ทอ (Z) มีค่ำจท่ำกับ 79
จะได้ วำ่
…………………(5)
วงโคจรของอิเล็กตรอน (Electron Orbit)
ตำมพลศำสตร์ ดั ้ จดงมขอ ไฮโดรจจนอะตอม องจล็กตรอน
จคลื่อนที่จป็ นว รี มีแร สูศ่ นู ย์กลำ จป็ น
mv 2
FC 
r
…………………(6)
ถ้ ำแร ระหว่ำ องจล็กตรอนและนงวจคลียสจป็ นแร ทำ ไฟฟ้ำ
1 e2
Fe 
4 0 r 2
…………………(7)
จ ื่อนไขพลศำสตร์ สำหรับโคจรที่จสถียร
FC  Fe
…………………(9)
mv 2
r
1 e2

4 0 r 2
…………………(10)
…………………(11)
พลั ำนทั ้ หมดในไฮโดรจจนอะตอมจกงดจำกกำรรวมพลั ำนศักย์และพลั ำนจลน์
…………………(12)
…………………(13)
…………………(14)
แทนค่ำ v จำก (12) ใน (13) จะได้
…………………(15)
…………………(16)
ความล้ มเหลวของฟิ สิกส์ แผนเดิม (The Failure of Classical Physics)
อง จ ล็ ก ตรอนตำมฟง สง ก ส์ แ ผนจดง ม อง จ ล็ ก ตรอนมี ค วำมจร่ จะปล่ อ ยคลื่ น
แม่จหล็กไฟฟ้ำออกมำทำให้ พลั ำนขอ องจล็กตรอนลดระดับพลั ำนล จน
รวมตัวกันกับนงวจคลียส โดยมีทงศทำ กำรจคลื่อนที่จป็ นรูปก้ นหอยดั ภำพ
สเปกตรัมของอะตอม(Atomic Spectra)
-กำรจกงดสจปกตรัมขอ อะตอมไม่สำมำรถอธงบำยด้ วยฟง สงกส์แผนจดงม
- แพล ค์ได้ ได้ สั จกตพฤตงกรรมนี ้ แต่ไม่ได้ อธงบำยธรรมชำตงขอ กำรแผ่รั สี
- สจปกตรัมที่จกงดขึ ้นจฉพำะจท่ำนัน้ ขึ ้นอยูก่ บั ก๊ ำซที่บรรจุภำยหลอดจท่ำนัน้
Absorption Spectrum
3
6
2
5
2
2
4
Emission Spectrum
สจปกตรัมขอ ธำตุตำ่ ๆ
2
Redshift & Blueshift
การเคลื่อนที่ของเส้ นดูดกลืนในแถบสเปกตรั ม
อนุกรมของสเปกตรัม
- Balmer จป็ นผู้ค้นพบสมกำรทำ คณงตศำสตร์ ที่ใช้ อธงบำยจส้ นสจปกตรัมขอ ธำตุ
Balmer series
 1 1 
 R 2  2 

2 ni 
1
จมื่อ
…………………(17)
n  3, 4, 5...
R  Rydberg constant  1.907 107 m1
สจปตรัมขอ บัลจมอร์ จะอยูใ่ นช่ว 656.2 486.08 434.00 nm... (มอ จห็นได้ ) นอกจำกนี ้ยั อยู่
ในย่ำน ultraviolet และ infrared
H  n = 3
H  n = 4
ข้ อจำกัดขอ อนุกรม H  n =  ควำมยำวคลื่นมีคำ่
R
4
Lyman series
1 1 
 R 2  2 

1 n 
n  2, 3, 4...
1
……(18)
Paschen series
1 1 
 R  2  2  ……(19)

3 n 
n  4, 5, 6...
1
(a) Electron transitions for the Hydrogen atom
Brackett series
 1 1
 R 2  2 

4 n 
n  5, 6, 7...
1
……(20)
Pfund series
1 1 
 R 2  2 

5 n 
n  6, 7, 8...
1
(b) Electron transitions and their resulting wavelengths for
hydrogen. Energy levels are not to scale
……(21)
อะตอมของบอห์ ร (The Bohr Atom)
- รำยระจอียดขอ คลื่นสสำรในทฤษฎีนี ้จหมือนกับ De Broglie แต่ Borh นำมำ
พงจำรณำในวงธีที่แตกต่ำ แต่ได้ ผลจหมือนกัน โดยจรง่มพงจำรณำจำก De Broglie
wave length
h

 mv
พงจำรณำองจล็กตรอนที่ควำมจร็วน้ อย ๆ ให้
…………………(22)
 1
h

mv
…………………(23)
แทน ควำมจร็วองจล็กตรอนจำก (11) ใน (23)
…………………(11)
ควำมยำวคลื่นว โคจรขอ องจล็กตรอน คือ
…………………(24)
แทนค่ำรัศมีขอ องจล็กตรอนจำกตัวอย่ำ ที่ 1 ล ใน (24) ควำมยำวคลืน่ ขอ e
……………(25)
ถ้ ำควำมยำวคลื่นจท่ำกับจส้ นรอบว ขอ กำรโคจรขอ e
……………(26)
องจล็กตรอนใน H อะตอม มีควำมยำวคลื่นจท่ำกับ องจล็กตรอน 1 ตัว และพบว่ำ
ควำมยำวคลื่นและจส้ นรัศมีว โคจรจป็ น loop สัมพันธ์กนั ดั รูป
จรำจะสรุ ปได้ ว่ำรัศมีว โคจรขอ องจล็กตรอนจป็ นจำนวนจท่ำขอ ควำมยำวคลื่น
ขอ De Broglie โดยที่
2 r

n
…………………(27)
จำกที่กล่ำวมำข้ ำ ต้ นองจล็กตรอนจป็ นได้ ทั ้ คลื่นและอนุภำค
2 r  n
ในกำรอธงบำยควำมสัมพันธ์ ระหว่ำ องจล็กตรอนและคลื่นนง่ ต้ อ ใช้ กลศำสตร์
ควอนตัมขอ กำรโคจรจข้ ำมำช่วยทำให้ (27) มีคำ่ จป็ น
n  2 rn ; n  1, 2,3...
…………………(27)
จมื่อ rn คือรัศมีว โคจรที่ n โดยจำนวนจต็ม n จรี ยกว่ำจลขควอนตัมขอ ว โคจร
และแทน (24) ใน (27)
…………………(28)
…………………(29)
จรำจรี ยกรัศมีว โคจรว แรก จรี ยกว่ำ รัศมีขอ Bohr (a0)
h2 0
a0  r1 
 me2
…………………(30)
และสำมำรถจขียนรัศมีขอ องจล็กตรอนชันถั
้ ด ๆ ไปในรู ปขอ รัศมี Bohr (a0)
ดั นี ้
…………………(31)
(a) คลื่นองจล็กตรอนที่พอดี
2 rn  n
(b) ควำมยำวคลื่นองจล็กตรอนที่ไม่พอดี
2 rn  n
องจล็กตรอนจะต้ อ มีควำมยำวคลื่นที่ล ตัว กับรัศมี และจลขควอนตัมหลักและ
ควำมจร็วขอ องจล็กตรอน
ระดับพลังงาน และสเปกตรัม (Energy Levels and Spectra)
ว โคจรขอ องจล็กตรอนมีหลำยระดับพลั ำนตำมสมกำร
n
แทนค่ำ rn ขอ (29) ล ใน (16)
…………………(16)
n
…………………(32)
จรำจรี ยก (32) ว่ำระดับพลั ำนขอ ไฮโดรจจนอะตอม
และระดับพลั ำน E2 , E3 , E4, .. จรี ยกว่ำสถำนะกระตุ้น (Excited States)
และ ำนที่ใช้ ดึ องจล็กตรอนจำกสถำนะพื ้นไปยั ระดับพลั ำนที่สู กว่ำจรี ยกว่ำ
พลั ำนกระตุ้น (Ionization Energy)
ระดับพลั ำนขอ ไฮโดรจจนอะตอม
จำกระดับพลั ำนอะตอมที่มีสมบัตง quantization
พลั ำนจรง่มต้ น – พลั ำนสุดท้ ำย = พลั ำนขอ โฟตอน
…………………(33)
จำกสมกำรที่ (32) จะได้ วำ่
…………………(34)
จำก
จะได้
……………(35)
Spectral lines originate in transitions between energy levels. Shown are the spectral
series of hydrogen. When n = ∞ , the electron is free.
Thank you for your attention !