แบบจำลองอะตอมทางทฤษฎีมีอยู่ 5 แบบ ดังนี้
1.แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
John Dalton นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ
ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803) จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ ซึ่งสรุปได้ดังนี้
1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
ทฤษฎีอะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์ค้นพบข้อมูล
บางประการที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้
ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน
2.แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ( Sir Joseph John Thomson )
ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ได้มีการค้นพบรังสีชนิดหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า รังสีแคโทด (cathode ray) ที่ได้จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชื่อ Julius Plicker ซึ่งใช้หลอดแก้วที่สูบอากาศออก และมีอิเล็กโตรด 2 อันอยู่คนละข้าง (แอโนดเป็นขั้วไฟฟ้าบวก และแคโทดเป็นขั้วไฟฟ้าลบ) ของหลอดแก้ว และต่อไปยังไฟฟ้าที่มีศักย์สูง ทำให้เกิดรังสีขึ้นภายในหลอดแก้ว เรียกว่า รังสีแคโทด
และในปี 1897 ได้มีผู้ทำการทดลองเกี่ยวกับรังสีแคโทดนี้ โดยค้นพบว่ามีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ ซึ่งต่อมาเรียกว่า "อิเล็กตรอน" จากรังสีแคโทด เขาผู้นี้คือ เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ( Sir Joseph John Thomson ) ดังนั้นความเชื่อที่เข้าใจกันว่าอะตอมแบ่งแยกอีกไม่ได้ จึงไม่ถูกต้องอีกต่อไป และ ทอมสันได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่ ดังนี้"อะตอมมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบ อะตอมโดยปกติอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งทำให้ทั้งสองประจุนี้มีจำนวนเท่ากันและกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอภายในอะตอม โดยมีการจัดเรียงที่ทำให้อะตอมมีสภาพเสถียรมากที่สุด" ดังรูป
แต่แบบจำลองอะตอมของทอมสันนี้ยังไม่สามารถอธิบายข้อสงสัยบางอย่างได้ เช่น ประจุไฟฟ้าบวก อยู่กันได้อย่างไรในอะตอม และ ไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติอื่นๆของอะตอม ตัวอย่างเช่น สเปกตรัมที่แผ่ออกมาจากธาตุ จึงมีนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาค้นคว้าและทดลองเพื่อหาข้อเท็จจริงต่อมา และปัจจุบันก็ได้ทราบว่าแบบจำลองนี้ไม่ถูกต้อง
3.แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford)
ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ( นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ) ไปที่แผ่นโลหะบาง ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนุภาคนี้ สามารถวิ่งผ่านได้เป็นจำนวนมาก แต่จะมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นอนุภาคที่กระเจิง ( การที่อนุภาคเบนจากแนวการเคลื่อนที่จากที่เดิมไปยังทิศทางต่างๆกัน ) ไปจากแนวเดิมหรือสะท้อนกลับทางเดิม
จากการทดลองนี้ รัทเธอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า " อะตอมมีลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลางเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมโดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นที่ว่างเปล่า" แต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือ
1.อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้พลังงานจลน์ลดลง ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด จึงไม่สูญเสียพลังงาน และไปรวมอยู่ที่นิวเคลียส
2. อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เมื่อวิ่งวนรอบนิวเคลียสจะจัดการเรียงตัวอย่างไร
3. ประจุบวกที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส จะอยู่กันได้อย่างไร ทั้งๆที่เกิดแรงผลัก
4.แบบจำลองอะตอมของโบร์
นีล โบร์
นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาเรื่องเกี่ยวกับอะตอม โดยได้เสนอแบบจำลองอะตอมจากการทดลองที่เกิดขึ้น ซึ่งแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ดได้รับการยอมรับแต่ก็ยังไม่สมบูรณ์ จึงมีผู้พยายามหาคำอธิบายเพิ่มเติม โดยในปี 1913 นีล โบร์ (Niels Bohr) ได้นำทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมมาประยุกต์ใช้ในการทดลอง เพื่อพัฒนาแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด แต่ในการทดลองของเขาสามารถอธิบายได้เฉพาะอะตอมของไฮโดรเจนที่มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว โดยได้เสนอแบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจนว่า
1. อิเล็กตรอนจะวิ่งวนเป็นวงกลมรอบนิวเคลียส โดยมีวงโคจรบางวงที่มีอิเล็กตรอนไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในวงโคจรดังกล่าว
2. อิเล็กตรอนจะรับหรือปล่อยพลังงานออกมา เมื่อมีการเปลี่ยนวงโคจรที่กล่าวในข้อที่ 1 พลังงานที่อิเล็กตรอนรับหรือปล่อยออกมาจะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ซึ่งสมมติฐานของโบร์ สามารถอธิบายปัญหาปรากฏการณ์ของอะตอมไฮโดรเจนได้ คือ
1. เหตุผลที่อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของไฮโดรเจนได้โดยไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพราะอิเล็กตรอนโคจรในระดับพลังงานของอะตอมบางวง ซึ่งวงในสุดจะเสถียร
2. สเปกตรัมของไฮโดรเจนเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน จากสถานะกระตุ้นมายังสถานะต่ำกว่า หรือสถานะพื้น จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อาจเห็นเป็นเส้นสว่างที่ไม่ต่อเนื่อง และอาจมีความถี่อื่นๆ อีกที่ตามองไม่เห็น
สเปกตรัมเป็นแสงที่ถูกแยกกระจายออกเป็นแถบสีต่าง ๆ และแสงเป็นรูปหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แถบสีต่างๆในแถบสเปคตรัมของแสง
สเปกตรัม
|
ความยาวคลื่น (nm)
|
ม่วง
น้ำเงิน
เขียว
เหลือง
ส้ม
แดง
|
400 - 420
420 - 490
490 - 580
580 - 590
590 - 650
650 - 700
|
สเปกตรัมของธาตุ
แมกซ์ พลังค์ได้เสนอทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) และอธิบายเกี่ยวกับการเปล่งรังสีว่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมามีลักษณะเป็นกลุ่มๆ ซึ่งประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ เรียกว่า ควอนตัม (quantum) ขนาดของควอนตัมขึ้นกับความถี่ของรังสี และแต่ละควอนตัมมีพลังงาน (E) โดยที่ E เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ (u) ดังนี้
E=hν
E = พลังงาน 1 ควอนตัมแสง(J)
h = ค่าคงที่ของพลังค์ (6.62x10-34 Js)
ν= ค่าความถี่ ( s-1)
5.แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr) มีข้อจำกัดที่ไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ได้มีการศึกษาเพิ่มเติมจนได้ข้อมูลที่เชื่อว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น โดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในลักษณะของคลื่นนิ่ง บริเวณที่พบอิเล็กตรอนได้พบได้หลายลักษณะเป็นรูปทรงต่าง ๆ ตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอน จากการใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัมสร้างสมการขึ้นเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ พบว่าแบบจำลองนี้อธิบายเส้นสเปกตรัมได้ดีกว่าแบบจำลองอะตอมของโบร์ โดยแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกกล่าวไว้ดังนี้
1. อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมได้
2. มีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้น ทำให้สร้างมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส
3. บริเวณที่กลุ่มหมอกทึบแสดงว่าโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มหมอกจาง”
การแสดงแบบจำลองอะตอมในลักษณะที่แสดงถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนทำได้ยาก แต่จะแสดงในลักษณะที่เป็นลูกกลมแทน เช่น ลูกปิงปองหรือลูกกลมพลาสติก เพื่อให้สะดวกต่อการจินตนาการถึงอะตอมของธาตุได้ง่าย
ในปี ค.ศ. 1924 หลุยส์ เดอ บรอยส์ (Lois de Brolie) ให้ความเห็นว่า “ถ้าแสงมีพฤติกรรมคล้ายกับว่าประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ (โฟตอน : photon) ดังนั้นอนุภาคขนาดเล็กก็สามารถประพฤติตัวได้ทำนองเดียวกัน คือมีสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค” ด้วยสมมติฐานนี้ ทำให้โครงสร้างของอะตอมมีความกระจ่างชัดมากขึ้นและสามารถเข้าใจปรากฏการณ์บางอย่างที่ขัดต่อทฤษฎีอะตอมของโบร์ได้ เช่น อธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดอิเล็กตรอนจึงไม่ถูกโปรตอนดึงดูดเข้าไปในนิวเคลียส โดยพิจารณาว่าอิเล็กตรอนประพฤติตัวเป็นคลื่นนิ่งรอบนิวเคลียสนั่นเอง และอธิบายได้ว่าในการเกิดพันธะเคมี เพราะเหตุใดอิเล็กตรอนจึงเข้าคู่กันได้โดยไม่ผลักกัน โดยให้พิจารราว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นซึ่งสามารถเกิดการแทรกสอดกันได้
เมื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในวงโคจรที่เสถียรคือเป็นคลื่นนิ่ง ความยาวของเส้นรอบวงจะมีค่าเป็นจำนวนเท่าของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนนั้น ซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีของโบร์ ระดับชั้นของวงโคจรแบ่งเป็นชุดหลักได้เป็นระดับชั้น (shell) K , L , M , N , O , . . . หรือเรียกว่าระดับพลังงานที่ 1 , 2 , 3 , . . . ตามลำดับโดยที่ระดับพลังงานที่ 1 จะมีค่าพลังงานต่ำสุด นั่นคือจะต้องใช้พลังงานมากที่สุดในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม เนื่องจากมีวงโคจรอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด และในแต่ละระดับชั้นจะมีอิเล็กตรอนเป็นจำนวนไม่เกิน 2n2 คือมีจำนวนเป็น 2 , 8 , 18 , 32 ตามลำดับ (เมื่อ n คือระดับพลังงาน) โดยอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด (valence electron) จะมีได้ไม่เกิน 8 อิเล็กตรอน
ระดับพลังงานย่อย s , p , d , f สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2 , 6 , 10 , 14 อิเล็กตรอนตามลำดับ โดยอิเล็กตรอนจะอยู่ด้วยกันเป็นคู่กระจายอยู่ในออร์บิทัล (orbital) หรือระดับพลังงานที่เป็นค่าโมเมนตัมเชิงแม่เหล็ก (m) ที่ระดับพลังงานย่อย s , p , d และ f กระจายออกมา โดยค่าโมเมนตัมเชิงแม่เหล็กจะมีค่าตั้งแต่ – l ถึง l
ระดับพลังงานย่อย s , p , d และ f จึงบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2 , 6 , 10 , 14 อิเล็กตรอน ตามลำดับ ส่วนอิเล็กตรอนที่เข้าคู่กันนั้นจะมีทิศทางการหมุนตรงข้ามกัน (s) เพื่อให้เกิดการดึงดูดทางแม่เหล็กกันได้ จึงมีการหมุนเป็น 2 ค่า คือ +
ดังนั้นแต่ละอิเล็กตรอนจะมีค่าพลังงานที่ไม่ซ้ำกันเลย พิจารณาจากตัวเลขระดับพลังงานต่าง ๆ ได้แก่ ระดับพลังงานหลัก ระดับพลังงานย่อย ค่าโมเมนตัมเชิงแม่เหล็ก และการหมุนของอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกตัวเลขจ่าง ๆ นี้ว่า “เลขควอนตัม” (quantum number) และจะเรียกระดับพลังงานต่าง ๆ โดยระบุระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย เช่น 2s คือระดับพลังงานย่อย s ที่อยู่ในระดับพลังงานหลัก n = 2 เป็นต้น
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น