Transcript โครงสร้างอะตอม (พี่เบิร์ด)

Atomic Structure
Tanawat Attachaipanich
M.5/5 MWIT 19
Dalton hypothesis
เสนอแนวคิดเกีย
่ วกับอะตอม
1. อะตอมในธาตุชนิดเดียวกัน สมบัต ิ
เหมือนกัน
2. อะตอมในธาตุตา่ งชนิด สมบัตต
ิ า่ งกัน
3. อะตอมไม่สามารถสร ้างขึน
้ หรือถูก
ทาลาย
4. สารประกอบเกิดจากอัตราสว่ นของ
Dalton Atomic Model
Hard sphere
No internal structure
Is it true?
Magnetic Property?
Is it true?
Nuclear reaction?
Is it true?
Isotope?
Cathode Ray
Cathode ray acted like light
Cathode ray travel in straight line
Cathode Ray
Cathode ray is a particle
J.J. Thomson
The discovery of electron
Electron Property
Electron is a negative charge
Electron Property
Not change if change gas
Millikan
Electron Mass
Electron Property
Electron charge = 1.6x10-19 คู ลอมบ ์
Electron mass = 9.1x10-28
กร ัม
Problem
ในอีก 100 ปี ข ้างหน ้าได ้มีการค ้นพบ
อนุภาค MWIT ซงึ่ เป็ นอนุภาคทีม
่ ี
ประจุขน
ึ้ โดยทราบว่าอนุภาคชนิดนี้ม ี
ค่า อัตราสว่ นประจุ : มวล เป็ น 1 คู
ลอมบ์ : 2 กรัม ซงึ่ เมือ
่ ทาการทดลอง
โดยการหาประจุของอนุภาคดังกล่าว
โดยใชวิ้ ธห
ี ยดน้ ามันของมิลลิแกน
โดยผลการทดลองได ้ค่ามาหลายค่า
คือ 2 คูลอมบ์, 4 คูลอมบ์, 6 คูลอมบ์
J.J. Thomson Atomic Model
Proton
Discovered by Goldstein
Positive ray, Canal ray, Anode ray
Positive ray
Proton properties
Change if change gas (Why?)
e/m of hydrogen gas=
Proton charge=
coulomb
Proton mass=
Discovery of Nucleus
Rutherford experiment
น้อยมาก
ส่วน
ใหญ่
Comparison model
Thomson model
Result(Rutherford)
Comparison model
Thomson model
Rutherford model
Rutherford Atomic Model
Rutherford Atomic Model
อะไรคือจุดด ้อยของ
Rutherford Atomic
Model
Rutherford Atomic Model
ี
1.Electron จะสูญเสย
พลังงานแล ้วชนนิวเคลียส
2.จะได ้สเปกตรัม
แบบต่อเนือ
่ ง
Neutron
Discovered by Chadwick
The equation is
Summary
Blackbody radiation
More temperature more wavelength max
Planck Quantum Theory
C=λυ
E=hc/λ
E=hυ
C=3x108 m/s
h=6.626x10-34 Js
Problems
จงคานวณหาพลังงานของรังส ี X ซงึ่
มีความยาวคลืน
่ 25.5 nm
คลืน
่ หนึง่ มีพลังงาน
kJ/mol คลืน
่ นีอ
้ ยูใ่ นชว่ ง visible
light หรือไม่
2
2.438x10
Photoelectric
Photoelectric
Comparison to classical theory
Classical theory
พลังงานจลน์ photoelectron
ขึน
้ กับความเข ้มของแสงทีใ่ ช ้
Experiment result
พลังงานจลน์ photoelectron
ขึน
้ กับความถีข
่ องแสงทีใ่ ช ้
Photoelectric
h υ= h υ0+Ek
Photoelectric
1. แสงต ้องมีความถีม
่ ากกว่า threshold
frequency
2. พลังงานจลน์ของ photoelectron
แปรตามความถี่
3. จานวนของ photoelectron แปรตาม
ความเข ้ม
4. threshold frequency ขึน
้ กับชนิด
ของโลหะ
Problem
เมือ
่ ฉายรังส ี Ultraviolet ทีม
่ ี
ความยาวคลืน
่ 36 nm แก่
โลหะเงินพบว่ามีพลังงาน
-18
จลน์สงู สุด 4.77x10 J จง
หาความถีข
่ ด
ี เริม
่ ของโลหะ
เงิน
The end of classical theory
อะไรคือจุดด ้อย
ของ classical
theory
The end of classical theory
ี
1. Electron จะสูญเสย
พลังงานแล ้วชนนิวเคลียส
2. ไม่สอดคล ้องกับ
ปรากฏการณ์วัตถุดา
3. ไม่สอดคล ้องกับ
ปรากฏการณ์ Photoelectric
Bohr theory
1.ทาไม electron จึงไม่ยบ
ุ รวมกับ
นิวเคลียส
2.สเปกตรัมเกิดขึน
้ ได ้อย่างไร
Bohr theory(1)
1.Electron โคจรรอบนิวเคลียสด ้วย path คงที่ ที่
Ground state
2.เมือ
่ ได ้รับพลังงานจะอยูท
่ ี่ Excited state แต่ไม่
เสถียรจะคายพลังงานและกลับมาอยูท
่ ี่ Ground
state
Spectrum
Hydrogen spectrum
Visible light
Rydberg constant
Problems
้ ่ 3 ของอนุกรมใดมี
สเปกตรัมเสนที
ความถีม
่ ากทีส
่ ด
ุ
้ ่ 5 ใน
จงหาพลังงานของสเปกตรัมเสนที
อนุกรมของพาสเชนต์
Bohr theory(2)
Electron จะโคจรรอบนิวเคลียส
ั ้ พลังงานเท่านัน
บนชน
้ ด ้วย
โมเมนตัมเชงิ มุม
Bohr theory
1. ให ้ถือว่าอะตอมมีลก
ั ษณะดัง
รัทเทอร์ฟอร์ดกล่าวไว ้ คือ มี
นิวเคลียสอยูแ
่ กนกลาง มีอเิ ล็กตรอน
โคจรล ้อมรอบ
2. Bohr ตัง้ สมมุตฐิ านว่า อิเล็กตรอน
โคจรล ้อมรอบเป็ นวงกลมหลายๆ วง
แต่ละวงแทนด ้วยตัวเลข 1, 2, 3…
หรือตัวอักษร K, L, M…..
Bohr theory
4. ตราบใด
ทีอ
่ เิ ล็กตรอนโคจรรอบ
นิวเคลียสอยูน
่ ัน
้ จะไม่มก
ี ารดูดกลืน
และปล่อยพลังงานออกมา ซงึ่ ตรงข ้าม
กับทฤษฎีดงั ้ เดิม
5. Bohr ตัง้ สมมุตฐิ านว่า อิเล็กตรอนจะ
อยูไ่ ด ้เฉพาะวงโคจรทีท
่ าให ้มันมี
โมเมนตัมเชงิ มุม
Bohr theory
6. ตัง
้ สมมุตฐิ านว่า
อิเล็กตรอนจะ
ดูดกลืนหรือคายพลังงานออกมา
เฉพาะ เมือ
่ อิเล็กตรอนมีการ
เคลือ
่ นย ้ายจากวงโคจรหนึง่ ไปยัง
อีกวงโคจรหนึง่ โดยค่าพลังงานที่
ดูดกลื
ปล่อE
ยออกมา
DEนหรือ=
- E จะ =
เท่ากับผลต่างระหว่fางวงโคจรทั
i ง้
h
Bohr theory
อะไรคือจุดด ้อย
ของ Bohr
theory
Bohr theory
1.ทาไมอิเล็กตรอนมีระดับ
พลังงานทีแ
่ น่นอน ทาไม
Quantisation
2. แบบจาลองอะตอมนี้
้ ้ดีกบ
ประยุกต์ใชได
ั อะตอม
ไฮโดรเจนเท่านัน
้
Problem
ธาตุชนิดหนึง่ ๆ จะมีเสน้
สเปกตรัมทีม
่ ค
ี วามยาวคลืน
่ ที่
จาเพาะ จงวิเคราะห์วา่ เพราะ
เหตุใดธาตุชนิดหนึง่ ๆ จึงไม่ม ี
้
เสนสเปกตรั
มในทุกชว่ งความ
ยาวคลืน
่ (2 คะแนน)
De Broglie hypothesis
แสง(คลืน
่ ) มีสมบัตเิ ป็ น
(photon)
อนุภาค
Electron(อนุภาค) มีสมบัตเิ ป็ น
่ กัน
คลืน
่ เชน
Particle wave duality
1.อนุภาคอิเล็กตรอนมีสมบัตค
ิ วาม
เป็ นคลืน
่ แทรกอยูด
่ ้วย
2.โมเมนตัมของวัตถุใด ๆ ทีเ่ คลือ
่ นที่
ั สว่ นกลับกับความยาว
จะเป็ นสด
คลืน
่
Wave
Particle wave duality
n=5
n เป็ นจานวนเต็ม
n ไม่เป็ นจานวนเต็ม
2r = n 
Particle wave duality
Problem
จากสมมติฐานของเดอบรอยซงึ่
กล่าวว่า “อิเล็กตรอนมีสมบัตเิ ป็ น
้
คลืน
่ โดยจานวนคลืน
่ และเสนรอ
บวงมีเงือ
่ นไขทีว่ า่ 2r = n โดย
n เป็ นเลขจานวนเต็ม” จงอธิบายว่า
เพราะเหตุใด n จึงต ้องเป็ นเลข
จานวนเต็ม และถ ้าไม่เป็ นเลข
De Broglie wavelenght
For particles: E = mc2 (Einstein)
For light: E = hn = hc / 
mc = h / 
 = h / mc
 = h / mev
Prove Bohr equation
 = h / mev
2r = n
2r = n h / mev
mevr = nh / 2
The Uncertainty principle
By Heisenberg
่
้
เป็ นไปไม่ได้ทจะระบุ
ี
ทงั
ตาแหน่ งและค่าโมเม
นตัมของอนุ ภาคพร ้อม
ๆ กัน ด้วยความถู กต้อง
แน่ นอน
The Uncertainty principle
The Uncertainty principle
∆p∆x ≥ h / 4 
∆p∆x เรียกว่า ผลคูณความ
คลาดเคลือ
่ น
∆p คือ ความคลาดเคลือ
่ นของ
โมเมนตัม
∆x คือ ความคลาดเคลือ
่ นของ
The Schrodinger Equation
Y is a wave function
Y2 is a probability density
Y +Y
A
B
Y2
Y -Y
A
B
Quantum Numbers
Use to solve the Schrodinger
equation
1.เลขควอนตัมหลัก(n)
2.เลขควอนตัมโมเมนตัมเชงิ มุม(l)
3.เลขควอนตัมแม่เหล็ก(ml)
4.เลขควอนตัมสปิ น(ms)
Principal Quantum number
ั ลักษณ์ n
ใชส้ ญ
โดย n เป็ นเลขจานวนเต็ม ซงึ่
แสดงถึงระดับพลังงานหลัก
Subshell Quantum number
ั ลักษณ์ l
ใชส้ ญ
โดย l เป็ นเลขจานวนเต็ม มีคา่ ตัง้ แต่ 0
จนถึง n-1
ซงึ่ แสดงถึงรูปร่างของกลุม
่ หมอก electron
รอบนิวเคลียส
Magnetic Quantum number
ั ลักษณ์ ml
ใชส้ ญ
โดย ml เป็ นเลขจานวนเต็ม มีคา่ ตัง้ แต่ -l จนถึง l
ซงึ่ แสดงถึงทิศทางของกลุม
่ หมอก electron รอบ
นิวเคลียส
S orbital
Magnetic Quantum number
Magnetic Quantum number
Problem
Spin Quantum number
ั ลักษณ์ ms
ใชส้ ญ
โดย ms เป็ นเลขจานวนเต็ม มีคา่ -1/2 จนถึง 1/2
ซงึ่ แสดงถึงทิศทางการสปิ นของ electron
The Pauli Exclusion Principle
หลักกการของเพาลี ซึง่
กล่าวว่า ในอะตอมหนึ่ งๆ
จะไม่มอ
ี เิ ล็กตรอน 2
่
อนุ ภาคใด ๆทีมีเลข
ควอนตัมทัง้ 4 เหมือนกัน
Electron Configuration
Electron Configuration
1. บรรจุอเิ ล็กตรอนเข ้าไปในออร์บท
ิ ัลทีม
่ ี
พลังงานตา่ สุดก่อน(Aufbau principle)
2 .ถ ้าออร์บท
ิ ัลมีพลังงานเท่ากันหลายออร์
้
บิทัลการบรรจุอเิ ล็กตรอนจะใชกฎของฮุ
นด์
(Hund’s rule) ซงึ่ กล่าวว่า “การบรรจุ
อิเล็ก-ตรอนในออร์บท
ิ ัล ทีม
่ รี ะดับพลังงาน
เท่ากัน(degenerate orbitals) จะบรรจุใน
ลักษณะทีท
่ าให ้มีอเิ ล็กตรอนเดีย
่ วมาก
ทีส
่ ด
ุ ”
Advanced Problem
ทาไมไฮโดรเจนมี
electron เพียงตัว
เดียวแต่กลับมี
สเปคตรัมหลายเสน้
อะไรคือความแตกต่าง
ระหว่างวงโคจรของ
อิเล็กตรอนตามทฤษฏี
ของ Bohr และแบบ
ออร์บต
ิ ล
ั ทีไ่ ด ้จาก
ข ้อสอบคัดเลือก
ตัวแทนศูนย์เพือ
่
ไปแข่งขันเคมี
โอลิมปิ กระดับชาติ
โฟตอนมี
โมเมนตัมหรือไม่
ทาไม electron ใน porbital ถึงกระโดดข ้าม
Node ได ้
ทาไม electron ถึง
ี พลังงาน
ไม่สญ
ู เสย
แล ้วยุบมารวมกับ
นิวเคลียส
ข ้อสอบ
ภาคทฤษฎีเคมี
โอลิมปิ กระดับชาติ
ครัง้ ที่ 4
อะตอมของธาตุในอนุกรม “hypotransition”
(ซงึ่ รอคอยการค ้นพบในอนาคต) มี
อิเล็กตรอนอยูใ่ น g ออร์บต
ิ ล
ั
1. เลขอะตอมของธาตุตวั แรกในอนุกรมนี้
คือเท่าไร
2. จะมีธาตุในอนุกรมนีอ
้ ยูก
่ ธี่ าตุ
3. จงเขียนโครงสร ้างอิเล็กตรอนของธาตุ
ตัวแรกในอนุกรมนี้
4. จะมีธาตุกต
ี่ วั ในอนุกรมนีท
้ ม
ี่ ส
ี มบัตเิ ป็ น
diamagnetic
เลขคลืน
่ คือ -1 (หน่วยเป็ น cm-1)ถ ้า
อะตอมของธาตุหนึง่ ในอนุกรมนีใ้ ห ้เสน้
สเปคตรัมความยาวคลืน
่ 250 nm 400
nm 667 nm และจากการคานวณทาง
ทฤษฏีทานายว่าเมือ
่ อะตอมถูกกระตุ ้น
จะมีสภาวะถูกกระตุ ้นได ้เพียง 2
สถานะ
1.เขียนแผนภาพแสดงระดับพลังงาน
เพือ
่ อธิบายว่าเหตุใดจึงเห็นสเปกตรัม
3 เสน้ และให ้เขียนชว่ งความยาวคลืน
่