Transcript 1. วิวัฒนาการของโครงสร้างอะตอม

โครงสร้ างอะตอม
Atomic Structure
1. Dalton Hypothesis on the
Structure of the Atom
สสารในโลกประกอบด้ วยอะตอม โมเลกุลและ
ไอออน John Dalton ได้ เสนอแนวความคิดหรือ
สมมุตฐิ านเกีย่ วกับอะตอม ขึน้ มาครั้งแรก(first
atomic hypothesis) ในปี ค.ศ. 1805 สมมุตฐิ าน
ของดัลตัน ประกอบด้ วยข้ อสรุปพืน้ ฐาน 5 ประการ คือ
Dalton’s Hypothesis :
1. อะตอม เป็ นอนุภาคซึ่งเป็ นองค์ ประกอบของ
สสาร ไม่ สามารถแบ่ งย่ อยให้ เล็กลงต่ อไปได้ อีก
(อนุภาคทีเ่ ล็กทีส่ ุ ดของสสาร เรียกว่ า อะตอม
นั่นคืออะตอมจะไม่ มี internal structure)
2. อะตอมทั้งหมดของธาตุชนิดหนึ่ง จะมีสมบัติ
ต่ าง ๆ เหมือนกัน
3. อะตอมของธาตุต่างชนิดกัน จะมีมวลและ
สมบัติต่างๆ ต่ างกัน
4. สารประกอบชนิดหนึ่งจะประกอบด้ วย
อะตอมต่ างชนิดกันมารวมกัน โดยมีอตั รา
ส่ วนจานวนอะตอมของแต่ ละธาตุคงทีเ่ สมอ
5. ปฏิกริ ิยาเคมีหนึ่งๆ อะตอมจะไม่ สามารถ
ถูกสร้ างขึน้ ใหม่ หรือถูกทาลายให้ สูญสลาย
ได้
แต่ จะเกิดการเปลีย่ นแปลงในคู่ร่วมปฏิกริ ิยานั้นเพือ่
เกิดสารประกอบใหม่
ดัลตัน พิจารณาอะตอมเสมือน BILLARD
BALLS ซึ่งเป็ น “hard sphere
2. J.J. Thomson’s “Plum Pudding”
Model of the Atom :
ค.ศ. 1859-1886 ได้ มี
นักวิทยาศาสตร์ 3 ท่ านศึกษาเกีย่ วกับหลอดรังสี
แคโทดและสมบัติของรังสี นีซ้ ึ่งเป็ นการค้ นพบ
อิเล็กตรอน
แผ่ นโลหะ โมเลกุลก๊าซ
cathode
แผ่ นโลหะ
anode
ฉากเรืองแสง ZnS
แหล่ งพลังงานสู ง
ค.ศ. 1879 เจ เจ ทอมสั น ได้ ทดลองเกีย่ วกับ
หลอดรังสี แคโทด เพือ่ หาค่ า ของอิเล็กตรอน
11
e
พบว่ า m = -1.76x10 คูลอมบ์ /กิโลกรัม
ต่ อมา แอนดรู มิลลิแกน ได้ หาค่ าประจุและนา้ หนัก
ของอิเล็กตรอน พบว่ า e = -1.6 x10-19
คูลอมบ์
19
1
.
60
x
10
-31
m =
 9.10x10 กิโลกรัม
11
1.76 x10

ค.ศ. 1886 โกลด์ สไตน์ ได้ ค้นพบโปรตอน
จากการทดลองเกีย่ วกับหลอดรังสี แคโทด พบว่ า
มีอนุภาคเคลือ่ นที่ตรงข้ ามกับรังสี แคโทด
เรียกว่ า รังสี แคนนอน หรือ รังสี บวก พร้ อมศึกษา
สมบัติของรังสี ชนิดนี้ และได้ มีการทดลองหา ค่ า
ของโปรตอนในเวลาต่ อมา โดยบรรจุก๊าซ H2 ในหลอด
โมเลกุลของก๊ าซ
Cathode
Anode
ฉากเรืองแสง
รังสี แคโทด(รังสี e-)
รังสี แคนนอน
(รังสี โปรตอนหรือรังสี บวก)
จากผลการทดลองทั้งหมดเกีย่ วกับหลอดรังสี แคโทด
เจเจ ทอมสั น จึงได้ เสนอแบบจาลองอะตอม :
อะตอมมีลกั ษณะเหมือนลูกแตงโม(แทนพลัมพุดดิง)
ประกอบด้ วยอิเล็คตรอนซึ่งเป็ นอนุภาคลบ ฝังกระจายอยู่
ทั่วไปในเนือ้ ของโปรตอนด้ วยจานวน
เท่ ากัน (อิเล็กตรอนถูกล้อมรอบด้ วยโปรตอนซึ่งกระจาย
อยู่ทวั่ ไปเป็ นเนือ้ ของอะตอม) และมวลของ อะตอม
ส่ วนใหญ่ มาจากมวลของโปรตอน
-
Positively
Charged Jelly
- --
อิเล็กตรอน
ซึ่งมีประจุลบ
+ - + - + - +
+
- + -
ปัจจุบันไม่ เป็ นทีเ่ ชื่อถือแล้ ว เพราะไม่ สามารถอธิบาย
ปรากฏการณ์ ต่างๆ ได้ ถึงแม้ แบบจาลองนีไ้ ม่ ได้ ระบุถงึ
อนุภาคนิวตรอน แต่ ทอมสั นก็ได้ เสนอต่ อมาว่ ายังมีอกี
1 อนุภาค เนื่องจากประจุสมดุล แต่ มวล > e- + p ที่
ไม่ มปี ระจุเป็ นส่ วนประกอบของอะตอม เนื่องจากประจุ
สมดุล แต่ มวล > มวล e- + p แต่ ไม่ มีหลักฐานจาก
การทดลองพิสูจน์ ได้ ค.ศ. 1911 รัทเทอร์ ฟอร์ ด
ค้ นพบนิวเคลียส
3. Rutherford’s Experiment : Discovery of
the Nucleus :
ค.ศ. 1911 รัทเทอร์ ฟอร์ ด ได้ พสิ ู จน์ ว่าแบบ
จาลองอะตอมของทอมสั นไม่ ถูกต้ อง โดยทาการ
ทดลองยิงอนุภาคอัลฟา ซึ่งเป็ น He2+ จาก
แหล่ งกาเนิดซึ่งเป็ นธาตุ Ra ไปชนแผ่ นทองคาบางๆ
แล้ วสั งเกตตาแหน่ งที่เกิดการเรืองแสง จากฉาก
เรืองแสง (ZnS หรือ CdS)
แผ่ นทองคาบาง ๆ
4
2 He
(ค)
รังสี a
แหล่ งกาเนิด
รังสี (Ra)
ฉากเรืองแสง ZnS
(ข)
>>
>
(ก)
(ข)
ผลการทดลองพบว่ า
อนุภาคส่ วนใหญ่ จะทะลุ
ผ่ านแผ่ นทองคา
(แสดงว่ าอะตอมมีพนื้ ที่ว่าง
เป็ นส่ วนใหญ่ ) มีจานวนน้ อยมาก (few particles) ที่
สะท้ อนเป็ นมุมกว้ าง
และมีจานวนน้ อยมากๆ
(1 ในล้ านอนุภาค) ที่สะท้ อนกลับทิศทางเดิม
แสดงว่ ามวลของอะตอม
ส่ วนใหญ่ มาจากแกนกลาง
(core) ที่มีขนาดเล็กมากแต่ มีความหนาแน่ นของประจุ
บวกสู งมาก ซึ่งอนุภาคอัลฟาสะท้ อนกลับทิศทางเดิมได้
เนื่องจากแรงผลักระหว่ างอนุภาคอัลฟากับนิวเคลียสที่มี
ประจุบวก)
มีอนุภาคอัลฟาสะท้ อนกลับทิศทางเดิม
ได้ อย่ างไร !!!
“ It was quite the most incredible event that
ever happened to me in my life..”
เป็ นส่ วนหนึ่ง จากบันทึกของรัทเทอร์ ฟอร์ ด
(ค)
e-
(ข)
(ก)
++
+++
+++
(ค)
e-
(ข)
ผลการทดลองนีไ้ ม่ สามารถอธิบายได้ โดย
ใช้ แบบจาลองอะตอมของทอมสั น
‘ ‘ถ้ าสมมุตวิ ่ าแบบจาลองอะตอมของทอมสั น ถูกต้ อง
อนุภาคอัลฟาหนึ่งๆ ควรจะทะลุผ่านแผ่ นโลหะ หรือ
อย่ างมากก็จะเบี่ยงเบนเล็กน้ อย
เนื่องจากแรงผลัก
ระหว่ างอนุภาคบวกกับบวกของโปรตอน’’
+ - +
- + + - + - + - +
+ - +
จากผลการทดลอง รัทเทอร์ ฟอร์ ด
ได้ เสนอแบบจาลองอะตอมใหม่
อะตอมประกอบด้ วยนิวเคลียสซึ่งเป็ นอนุภาคบวก
(โปรตอน)
รวมกันเป็ นกลุ่มเล็กๆอยู่ตรงกลางมี
อิเล็กตรอนโคจรล้ อมรอบด้ วยจานวนที่เท่ ากันปริมาตร
ของนิวเคลียสเล็กมาก เมื่อเทียบกับปริมาตรของอะตอม
แต่ มวลส่ วนใหญ่ ของอะตอมมาจากมวลของนิวเคลียส (
อิเล็กตรอนเบามาก)

Electron Cloud
+
Nucleus
ค.ศ.1903 เจมส์ แชดวิกค์ ( James
Chadwick) ค้ นพบนิวตรอน โดยปล่ อยรังสี อลั ฟา
2+
( H e )
วิง่ ไปชนแผ่นโลหะ
B e
4
9
He

Be
4
2
12
1
C

n
6
0
4. Simple Basic Structure of the Atom :
เนื่องจากมวลของอะตอมเบามาก ไม่ สามารถ
วัดออกมาเป็ นกรัมได้ มวลของอะตอมจึงเป็ นมวล
สั มพัทธ์ เรียกว่ า Atomic Mass Unit (a.m.u.) เป็ น
สเกลของมวล โดยมวลของอะตอมทีเ่ บาทีส่ ุ ด (H)
มีค่าประมาณ1 Unit (1 a.m.u.)
กาหนดให้ 1 a.m.u. = 112 ของมวล 12C
12C
มวลของ
= 12 a.m.u.

-24
โดย 1 a.m.u.
= 1.6606x10 g
มวลส่ วนใหญ่ ของอะตอมมาจากมวลของ
นิวเคลียส ซึ่งประกอบด้ วย (1) โปรตอน
(2) นิวตรอน
และมวลของอนุภาคทั้ง 2 รวมกัน เรียกว่ า mass
number ของอะตอม ส่ วนจานวนโปรตอนในนิวเคลียส
เรียกว่ า atomic number (Z) ของอะตอม ซึ่งเท่ ากับ
จานวนอิเล็กตรอน
Simple Structure of Atom :
อะตอมประกอบด้ วยอนุภาคมูลฐาน 3 อนุภาคคือ
อนุภาค
มวล ก.ก.
สั
ม
พั
ท
ธ์
-24
โปรตอน 1.6725x10
นิวตรอน 1.6748x10-24
อิเล็กตรอน 9.10x10-31
มวล ประจุ
a.m.u
+1
+1
1 /1840
+1
0
1
อนุภาค
ประจุ
ตาแหน่ ง
คูลอมบ์
โปรตอน +1.6x10-19
นิวตรอน 0
-19
อิเล็กตรอน 1.6x10
นิวเคลียส
นิวเคลียส
โคจรล้ อมรอบนิวเคลียส
ถึงแม้ จะมีผลการทดลองยืนยันน่ าเชื่อถือได้
แบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ ฟอร์ ด ก็ยงั ไม่
สามารถตอบคาถาม 2 ประการต่ อไปนีไ้ ด้
1) ทาไมอิเล็กตรอน ซึ่งมีประจุตรงข้ ามกับ
นิวเคลียสจึงไม่ ถูกดูดยุบไปรวมกับ
นิวเคลียส
2)
จากฟิ สิ กส์ ด้งั เดิม ถ้ า e - เคลือ่ นที่รอบ
นิวเคลียสแบบนี้
จะปล่ อยพลังงานออกมาใน
รูปสนามแม่ เหล็กตลอดเวลา
(ทานองเดียว
กับ e- เคลือ่ นที่รอบขดลวดไฟฟ้า)และพลัง
งานของ e ก็ควรจะค่ อยๆ ลดลงเรื่อยๆ จน
กระทั่ง
eยุบรวมกับนิวเคลียสในทีส่ ุ ด
แต่ ทาไม e
จึงเคลือ่ นทีอ่ ยู่ได้ โดยพลังงานไม่ หมด”
ฟิ สิ กส์ แผนใหม่ สามารถตอบคาถามนีไ้ ด้
ซึ่งเริ่มจากการศึกษาเรื่องของแสง
จากผลการทดลองของ J.J.Balmer เกีย่ วกับ
สเปกตรัมของ H พบว่ ารังสี ที่ถูกเปล่ งออกมา
นั้น มีความถีเ่ ป็ นชุ ดๆ (discrete) และได้ เสนอ
สู ตรคานวณพลังงานของรังสี ชุดต่ าง ๆ ดังนี้
1
1
5
~
 = 1.09678x10 ( n  n ) cm
1
2
2
1
2
n1, n2 = เลขจานวนเต็ม, n2 > n1 เสมอ
รัทเทอร์ ฟอร์ ดไม่ สามารถอธิบายผลการ
ทดลองของ Balmer นีไ้ ด้ โดยใช้ ทฤษฏีด้งั เดิม
ต่ อมา Niel Bohr ได้ศึกษาเกีย่ วกับ H-spectrum
และสามารถอธิบายผลการทดลองนีไ้ ด้ โดยใช้
ทฤษฎีควอนตัมของ Planck มาอธิบายแทน
Classical theory พร้ อมเสนอแบบจาลองอะตอม
ซึ่งสอดคล้ องกับผลการทดลองเกีย่ วกับ H spectrum โดย Bohr ได้ ต้งั สมมุตฐิ าน
สรุ ปได้ ดงั นี้
1. การเคลียร์ ที่ของ e- รอบนิวเคลียสเป็ นวงๆ อยู่ได้ โดย
ไม่ ยุบรวมกับนิวเคลียนสจะเกิดขึน้ ได้ เมื่อโมเมนตัม
เชิงมุมของ e - ในวงโคจรนั้นมีค่าแน่ นอน คือ เป็ น
จานวนเท่ าของค่ าคงที่ค่าหนึ่ง h
คือ
2
เมื่อ h = Planck constant
สาหรับการเคลือ่ นที่เป็ นวงกลมของ
e- ที่มีรัศมี r ถ้ า e- มีมวล m และ
ความเร็ว v เขียนได้ ว่า
mvr

 
h n = เลขจานวนเต็ม
n 2
1, 2, 3 ……. ต
mvr = โมเมนตัมเชิงมุม
เรี ยกเลขควอนตัมหลัก (principal quantum number)
ซึ่งบ่ งถึง สมบัติและระดับพลังงานของ e- ในวงโคจรหนึ่ง ๆ
“ การเคลือ่ นที่เป็ นวงโคจรแบบนี้
ไม่ มีการสู ญเสี ยพลังงาน ”
2. เมื่อ e- เปลีย่ นวงโคจร จะมีการดูดกลืนหรือ
เปล่ ง
รังสี แม่ เหล็กไฟฟ้า
Eสูง
Eตา่ กว่า
เปล่ ง
Eตา่
Eสูงกว่า
ดูด
ความถีข่ องรังสี ทดี่ ูดหรือเปล่ งออกมา = ผลต่ าง
ระหว่ างระดับพลังงานทั้งสอง
เมื่อใช้ ทฤษฎี
ควอนตัม จะได้ ๗ DE๗ = h
5.
แบบจาลองอะตอมของโบร์
ต่ อมา ค.ศ. 1913 Neils Bohr เป็ นคนแรก
ที่อธิบายถึงวิธีที่อเิ ล็กตรอนจัดเรียงตัวในอะตอม
และสามารถอธิบายปรากฏการณ์
เกีย่ วกับสเปกตรัมของไฮโดรเจนได้
โดยใช้ ทฤษฎีควันตัมของ
P l a n c k แทนทฤษฎีด้งั เดิมพร้ อมเสนอแบบจาลอง
อะตอมให้ สอดคล้ องกับผลการทดลองของ B a l m e r
ซึ่งเกีย่ วกับสเปกตรัมของไฮโดรเจน
อะตอมประกอบด้ วยนิวเคลียสซึ่งมี n และ p อยู่ตรง
กลางและมีอเิ ล็กตรอนโคจรล้ อมรอบเป็ นวง ๆ
โดยระดับพลังงานทีอ่ ยู่ไกลจากนิวเคลียสจะชิดกัน
มากขึน้ และ วงแรก (n = 1) มีพลังงานตา่ สุ ด
The Simple Bohr Model :
+
อิเล็กตรอนของอะตอม H
โคจรรอบนิวเคลียสด้ วย
path ทีค่ งที่
Bohr Structure of the Atom :
n=1 +
n = 2 นิวเคลียส
ระดับพลังงาน
ตามจริงแล้ วอิเล็กตรอน
โคจรเป็ นทรงกลม
(ไม่ ใช่ เป็ นวงกลม)
6. การจัดเรียงของธาตุในตารางธาตุตาม
เลขอะตอม
Z = เลขอะตอม = จานวนโปรตอน
= จานวนอิเล็กตรอน
แสดงว่ าธาตุแรกในตารางธาตุ,
H มีอเิ ล็กตรอน = 1 อนุภาค
โปรตอน = 1 อนุภาค
ธาตุที่ 2, He มีอเิ ล็กตรอน = 2 อนุภาค
โปรตอน = 2
อนุภาค
n=1
1p
2p
3p
n=1
H
+
He
ถ้ าไม่ พจิ ารณาถึงนิวตรอนชั่วคราว!!!!
n=1
n=2
Li
ธาตุที่ 3 ที่ระดับ n =1 มีอเิ ล็กตรอน = 2 อนุภาค
ที่ระดับ n =2 มีอเิ ล็กตรอน = 1 อนุภาค
จัดเรียงในทานองเดียวกันกับธาตุลาดับถัดไป ได้ ผลดัง
ตาราง
1
2
3
4
5
Hydrogen (H) - 1 6 Carbon
Helium (He) - 2 2,4
Lithium (Li) - 2,17 Nitrogen
Beryllium (Be) - 2,22,5
Boron (B) - 2,38 Oxygen
2,6
9 Fluorine
(C) (N) -
(O) (F) -
11 Sodium (Na) 2,8,1
12 Magnesium (Mg)2,8,2
13 Aluminium (Na) 16
2,8,3
14 Silicon
(Si) - 17
18
2,8,4
15 Phosphorus (P) - 19
20
2,8,5
Silicon (Si) - 2,8,6
Chlorine (Cl) - 2,8,7
Argon (Ar) - 2,8,8
Potassium (K) - 2,8,8
Calcium (Ca) - 2,8,,8
จานวนอิเล็กตรอน
ในแต่ ละระดับพลังงาน = 2n2
= 2 เมื่อ n = 1
= 8 เมื่อ n = 2
= 18 เมื่อ n = 3
= 32 เมื่อ n = 4
7. นิวตรอนและไอโซโทป
ไอโซโทป :
ธาตุชนิดเดียวกันทีม่ ีจานวนโปรตอน
และอิเล็กตรอนเท่ ากัน แต่ ต่างกันที่
จานวนนิวตรอน(เลขมวลต่ างกัน)
Isotopes of Hydrogen :
จานวน
ไอโซโทป โปรตอน อิเล็กตรอน นิวตรอน
ไฮโดรเจน
1
1
ดิวเทอเรียม 1
1
ทริเทียม
1
1
0
1
2