5 โครงสร้างอะตอม รูปสรุปอะไรประกอบด้วยที่คุณไม่รู้?

อะตอม

สสารประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม  เนื่องจากอะตอมส่วนมากมีโครงสร้างที่เสถียร  อะตอมจึงเป็นองค์ประกอบของทุกสิ่งในจักรวาล  

โครงสร้างของอะตอม  ตรงใจกลางหรือนิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอน(ซึ่งมีประจุเป็นบวก)  และนิวตรอน(ซึ่งไม่มีประจุ)  อนุภาคที่มีประจุเป็นลบเรียกว่าอิเล็กตรอน   ซึ่งโคจรรอบนิวเคลียสในแต่ละชั้นหรือเชลล์

เลชนิวคลีออน   จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส  คือ เลขนิวคลีออนของอะตอม

ไอโซโทป   อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันประกอบด้วยจำนวนโปรตอนเท่ากัน  แต่ธาตุบางชนิดอาจมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน  เรียกธาตุนั้นว่า ไอโซโทป

การชนกันของอนุภาค   นักวิทยาศาสตร์ค้นพบอนุภาคใหม่ๆ โดยการยิงอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมด้วยความเร็วสูง  การชนกันทำให้เกิดอนุภาคใหม่ในช่วงสั้นๆ  

ควาร์ก  นิวตรอนกับโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าเรียกว่า ควาร์ก  ซึ่งเกาะติดกันด้วยอนุภาคเล็กเรียกว่า กลูออน  “ดาวน์” ควาก์ มีประจุหนึ่งในส่ามของประจุลบ  และ  “อัป”  ควาร์กมีประจุสองในสามของประจุบวก

โครงสร้างอะตอม

              ดีโมครีตัส ( นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้นจาก อนุภาคที่เล็กมาก  เล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้   อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธิการต่างๆ สำหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถจะแตกแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกได้  ดีโมครี- ตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า อะตอม (Atom)   จากภาษากรีกที่ว่า  atoms  ซึ่งมีความหมายว่า  ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก   ตามความคิดเห็นของเขา  อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้

ภาพการแปรียบเทียบขนาดของอะตอม

ประโยชน์จากการเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอม

1. ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ
2. เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพิจารณาจากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว

แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน

จอห์น    ดอลตัน    นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมโดยอาศัยข้อมูลจากการทดลองที่พอจะศึกษาได้และนับว่าเป็นทฤษฎีแรกที่เกี่ยวกับอะตอมที่พอจะเชื่อถือได้   ซึ่งมีใจความดังนี้

• สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “ อะตอม”
• อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้    และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้
• อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ
• อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน
• ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ    โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย    เช่น     CO   CO 2

จากทฤษฎีอะตอมของดาลตัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

( ตามทฤษฎีอะตอมของดอลตัน อะตอมในแนวคิดปัจจุบัน ข้อ 1, 3, 4 ใช้ไม่ได้ในปัจจุบัน)
ข้อ 1. อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน เป็นต้น
ข้อ 3 – 4 อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีคุณสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน กล่าวคือมีมวลไม่เท่ากัน ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป ในเรื่อง ” ไอโซโทรป”

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

• ทอมสัน    ค้นพบ อิเล็กตรอน
• การทดลองของรอเบิร์ด   แอนดรูส์  มิลลิแกน   ได้ผลการทดลองว่า อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ   1.60 x 10 -19 คูลอมบ์ และอิเล็กตรอนมีมวลเท่ากับ 9.11  x  10 -28 กรัม
• โกลด์สไตน์    ค้นพบ โปรตอน

จากผลการทดลองของทอมสัน    โกลด์สไตน์   ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้นเขาจึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า

• อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม
• อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด    แต่อะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน  และอนุภาคอื่นๆอีก
• อะตอมประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นลบ    อนุภาคโปรตอนมีประจุเป็นบวก
• อะตอมจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ
• อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า   เพราะ มีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ

จากทฤษฎีอะตอมของทอมสัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

อะตอมจะประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันอยู่อย่างหนาแน่นอยู่ตรงกลางนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากมีมวลมาก และมีประจุบวกส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบและมีมวลน้อยมาก   จะวิ่งรอบนิวเคลียสเป็นวงกว้าง การค้นพบนิวตรอน   เนื่องจากมวลของอะตอมส่วนใหญ่อยู่ที่นิวเคลียสซึ่งเป็นมวลของโปรตอนแต่โปรตอนมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสเท่านั้น   แสดงว่าต้องมีอนุภาคซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้าแต่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนอยู่ในอะตอมด้วย  เจมส์   แชวิก   นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ  จึงศึกษาทดลองเพิ่มเติมจนพบนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า   อะตอมของธาตุทุกชนิดในโลกจะมีนิวตรอนเสมอ    ยกเว้นอะตอมของไฮโดรเจนในรูปของไอโซโทป 

สรุปแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง

จากทฤษฎีอะตอมของ รัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษษเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอโอไนเซชัน เพื่อดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว

สเปกตรัม หมายถึง อนุกรมของแถบสีหรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ซึ่งทำให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆเรียงลำดับกันไป

นีลส์โบร์   ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา สรุปได้ดังนี้
1 . อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน  และแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว
2. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุดยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น   ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น          
3. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน  n =  1   ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2, n = 3,… ตามลำดับ   หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M , N  ,O ,  P , Q ….

จากทฤษฎีอะตอมของ นีลส์โบร์ แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

เป็นแบบจำลองที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นไปได้มากที่สุดทั้งนี้ได้จากการประมวลผลการทดลองและข้อมูลต่างๆ   อะตอมภายหลังจากที่นีลส์โบร์  ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา อาจสรุปได้ดังนี้
1. อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน  บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนได้   แต่ถ้าบอกได้แต่เพียงที่พบอิเล็กตรอนตำแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่วไป ในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า ” กลุ่มหมอก”
2. กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน
3. กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส
4. อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่
5. อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน

ลักษณะแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

สรุปแบบจำลองอะตอม