3

2

1

โครงสรา้งอะตอม (วชิา สารและการเปลี่ยนแปลง) ชัน้มธัยมศึกษาปีที่ 4

อาจารย ์ศรสีวสัดิ์ พานิชเจรญิกิจ

ประโยชน์จากการเรยีนเรื่องโครงสรา้งอะตอม

1 .ทราบสมบติัทางเคมแีละสมบติัการเปล่งแสงของธาตุ

2. เราสามารถศึกษากาแล็กซี ่(galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพจิารณาจากการศึกษาสเปกตรมัท่ีได้จากดวงดาว

 

โครงสรา้งของอะตอมยุคแรก  ดีโมครตัีส ( นักปราชญ์ชาวกรกี) ได้กล่าววา่ ทกุสิง่ทกุอยา่งประกอบขึน้จาก อนุภาคท่ีเล็กมาก  เล็กมากจนไมส่ามารถมองเห็นได้   อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเขา้ด้วยกันโดยวธิกิารต่างๆ สำาหรบัอนุภาคเองนัน้ไมม่กีารเปลี่ยนแปลงและไมส่ามารถจะแตกแยกออกเป็นชิน้สว่นท่ีเล็กลงไปอีกได้  ดีโมครตัีส ตั้งชื่ออนุภาคน้ีวา่ อะตอม (Atom)   จากภาษากรกีท่ีวา่  atoms  ซึง่มคีวามหมายวา่  ไมส่ามารถแบง่แยกได้อีก  ตามความคิดเห็นของเขา  อะตอมเป็นชิน้สว่นท่ีเล็กท่ีสดุของสสารท่ีสามารถจะคงอยูไ่ด้

แบบจำาลองอะตอมของจอห์นดอลตัน

1. ธาตปุระกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ หลายอนุภาค  อนุภาคเหล่านี้เรยีกวา่ อะตอม  ซึง่แบง่แยกไมไ่ด้  และทำาให้“ ”สญูหายไมไ่ด้

2.อะตอมของธาตชุนิดเดียวกันมีสมบติัเหมอืนกัน  เชน่มมีวลเท่ากัน  แต่จะมสีมบติัต่างจากอะตอมของธาตอ่ืุน

3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตมุากกวา่หนึ่งชนิดทำาปฏิกิรยิาเคมกัีนในอัตราสว่นท่ีเป็นเลขลงตัวน้อย ๆ

ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803)  จอห์น ดอลตัน (John Dalton)  นักวทิยาศาสตรช์าวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมซึง่สรุปได้ดังนี้

แบบจำ�ลองอะตอมของดอลตัน

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนั การค้นพบอิเล็กตรอน เซอรโ์จเซฟ จอห์น ทอมสนั (J.J. Thomson: 1856-1940) พสิจูน์พบอนุภาคประจุลบ ทอมสนั ศึกษาแนวคิดท่ีวา่ ก๊าซสามารถนำา

ไฟฟา้ได้ ถ้ามสีภาพเหมาะสม ซึง่ได้แก่ การจดัสภาพให้มคีวามต่างศักยส์งูมากๆ และความดันตำ่า โดยใช้หลอดแก้วสญุญากาศ ซึง่ประกอบด้วยวงจรไฟฟา้กระแสตรงท่ีมคีวามต่างศักย ์ 10,000  โวลต์ ขัว้ไฟฟา้ท่ีต่อกับขัว้บวก เรยีกวา่ แอโนด และขัว้ลบ เรยีกวา่  แคโทด  เมื่อผ่านไฟฟา้เขา้ไปในหลอดพบวา่ เกิดลำาแสงพุง่จากแคโทด ไปยงัแอโนด เรยีกลำาแสงน้ีวา่  รงัสแีคโทด

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนั

รงัสแีคโทดจะเบนเขา้หาขัว้แอโนดเสมอ ทำาให้ทอมสนัได้ขอ้สรุปเกี่ยวกับสมบติัของรงัสแีคโทด ดังนี้

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนั1. รงัสแีคโทดเดินทางเป็น เสน้ตรง

2. ม ีประจุลบ เบีย่งเบนในสนามไฟฟา้และสนามแมเ่หล็ก 3. มค่ีาประจุต่อมวลคงท่ี จากการศึกษาเก่ียวกับ Oil - drop Experiment ของ แอนดรูว ์มลิลิแกน พบวา่ อนุภาคในรงัสแีคโทดมค่ีาประจุต่อมวลคงท่ี 1.76  x  108 คลูอมบต่์อกรมั ไมว่า่จะใชโ้ลหะชนิดใดเป็นขัว้ไฟฟา้หรอืก๊าซท่ีใช้บรรจุในหลอดรงัสแีคโทดก็ตาม  ดังนัน้จงึสรุปวา่ อนุภาคในรงัสแีคโทดเป็นอนุภาคมูลฐานของอะตอมและมปีระจุลบ ต่อมาเรยีกวา่ อนุภาคอิเล็กตรอน

ทอมสนัสรุปวา่ “อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่อยูใ่นอะตอมของธาตทุกุชนิด”

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนั โรเบริต์ มลิลิแกน (R. Millikan : 1868-1953) หาประจุของอิเล็กตรอน โดยวดัค่าสนามไฟฟา้ท่ีทำาให้แรงดึงดดูระหวา่งประจุ (แรงคลูอมป)์ บนละอองนำ้ามนัเท่ากับค่าแรงโน้มถ่วงของโลก

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนั ค่าประจุบนละอองนำ้ามนัมค่ีา = 1.602 x 10-19 C มลิลิแกนหามวลของอิเล็กตรอนโดยe/m = 1.75882 x 108

C/g m = e / (1.75882 x 108 C/g) = (1.602 x 10-19 C) / (1.75882 x 108 C/g)

= 9.109 x 10-31 kg

“อิเล็กตรอน เป็นอนุภาค”ท่ีมปีระจุลบ มปีระจุ = 1.602 x 10-19 C มมีวล = 9.109 x 10-31 kg

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนัการค้นพบโปรตรอน เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟา้ แสดงวา่ต้องมอีนุภาคท่ีมปีระจุบวกรวมอยูใ่นอะตอมด้วย โกลด์สไตน์ สงัเกตพบรงัสแีอโนด (รงัสท่ีีมาจากอนุภาคประจุบวก) จากการดัดแปลงการทดลองของทอมสนั เมื่ออิเล็กตรอนจากกระแสไฟฟา้วิง่ชนกลุ่มอะตอม ทำาให้อะตอมไอออไนซ ์ได้อิเล็กตรอนกับอะตอมไอออนบวก

(A → A+ + e)

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนั

ถ้าเจาะรูท่ีแผ่น Cathode จะมอีนุภาควิง่ไปด้านหลัง เรยีกวา่ “รงัสแีคแนล” รงัสจีะเบนเขา้หาสนามไฟฟา้ลบ มมีวลต่างๆ กัน ขึน้อยูกั่บชนิดของแก๊ส การทดลองของ รทัเทอรฟ์อรด์ ยนืยนัการค้นพบโปรตอน โดยระดมยงิโมเลกลุไนโตรเจนด้วยอนุภาคอัลฟา ( 4

2He ) ทำาให้ได้อนุภาคซึง่หนักเป็น 1830 เท่าของอิเล็กตรอน และมปีระจุเท่ากับอิเล็กตรอน

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนัหลังจากการค้นพบอิเล็กตรอน และโปรตอน ทอมสนัจงึได้เสนอทฤษฎีอะตอมวา่

"อะตอมมลีักษณะทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนซึง่มปีระจุลบ และโปรตอนซึง่มีประจุบวก กระจายอยูใ่นอะตอมอยา่งสมำ่าเสมอ อะตอมท่ีเป็นกลางทางไฟฟา้จะมจีำานวนอิเล็กตรอนเท่ากับโปรตอน"

แบบจำ�ลองอะตอมของทอมสนั

แบบจำาลองอะตอมของรทัเทอรฟ์อรด์ ในปี 1871-1937 ลอรด์ เออรเ์นสท์ รทัเทอรฟ์อรด์ (Lord Ernest Rutherford) นักวทิยาศาสตรช์าวนิวซแีลนด์ ทดลองใชอ้นุภาคแอลฟายงิไปยงัแผ่นโลหะทองคำาบางๆ และใชฉ้ากเรอืงแสงซึง่ฉาบด้วยซงิค์ซลัไฟด์เป็นฉากรบัอนุภาคแอลฟาเพื่อตรวจสอบวา่

อนุภาคแอลฟาสว่นใหญ่เดินทางเป็นเสน้ตรงผ่านทะลแุผ่นทองคำาไปได้ มบีางอนุภาคท่ีเฉออกจากเสน้ทางเดิม และบางอนุภาคซึง่น้อยมากสะท้อนกลับจากเสน้ทางเดิมเมื่อกระทบแผ่นทองคำา ทราบได้เพราะอนุภาคแอลฟากระทบฉากเรอืงแสง

แบบจำาลองอะตอมของรทัเทอรฟ์อรด์

จากการทดลองของรทัเทอรฟ์อรด์พบวา่ 1. การท่ีอนุภาคแอลฟาสว่นใหญ่วิง่ผ่านแผ่นทองคำาไปเป็นแนวเสน้ตรงแสดงวา่ อะตอมไมใ่ช่ของแขง็ทึบตัน แต่ภายในอะตอมมท่ีีวา่งมาก 2. อนุภาคแอลฟาบางอนุภาคท่ีหักเหออกจากทางเดิมเพราะภายในอะตอมมอีนุภาคท่ีมมีวลมากและมปีระจุไฟฟา้บวกสงูและมขีนาดเล็ก ดังนัน้ เมื่ออนุภาคแอลฟาเขา้ใกล้อนุภาคนี้จะถกูผลักให้เบนออกจากทางเดิมหรอืเมื่ออนุภาคแอลฟาเขา้มากระทบอยา่งจงัก็จะสะท้อนกลับ

แบบจำาลองอะตอมของรทัเทอรฟ์อรด์ ดังนัน้ เพื่ออธบิายผลการทดลอง รทัเทอรฟ์อรด์จงึได้เสนอแบบจำาลองอะตอมขึน้มาใหมดั่งนี้ อะตอมประกอบด้วยโปรตอนรวม“กันกันเป็นนิวเคลียสอยูต่รงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากแต่มมีวลมากและมปีระจุบวก สว่นอิเลคตรอนซึง่มปีระจุลบและมมีวลน้อยมากวิง่อยูร่อบๆนิวเคลียสเป็นบรเิวณกวา้ง”

แบบจำ�ลองอะตอมของรทัเทอรฟ์อรด์

แบบจำาลองอะตอมของรทัเทอรฟ์อรด์การค้นพบนิวตรอน เซอร ์เจมส ์แชดวกิ (Sir James Chadwick) นักวทิยาศาสตรช์าวอังกฤษได้เสนออนุภาคท่ีเป็นกลางทางไฟฟา้นัน้เรยีกวา่ นิวตรอน มมีวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน จากการค้นพบนิวตรอน ทำาให้เราทราบวา่อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ โปรตอน อิเลคตรอน และนิวตรอน ทำาให้แบบจำาลองอะตอมเปลี่ยนไปดังนี้

“อะตอมมลีักษณะทรงกลมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสอยูต่รงกลาง และม ีอิเลค ตรอนซึง่มจีำานวนเท่ากับโปรตอนวิง่อยูร่อบๆนิวเคลียส”

แบบจำาลองอะตอมของบอห์รบอห์ร (Niels Bohr:

1885-1962) เสนอแนวคิดเก่ียวกับโครงสรา้งอะตอมของไฮโดรเจน โดยใชแ้นวคิดของรทัเทอรฟ์อรด์รว่มกับทฤษฎีควอนตัม ดังนี้ 1. อะตอม

ไฮโดรเจนประกอบด้วย นิวเคลียสท่ีมอิีเล็กตรอนโคจรรอบๆ นิวเคลียสเป็นวงกลมโดยม ีรศัม ีr

นิวเคลียส (p+n)

n = 4 321r

e

n คือ เลขควอมตัมมค่ีาเป็น 1, 2, 3, ...

แบบจำาลองอะตอมของบอห์ร 2. อิเล็กตรอนโคจรรอบๆ โดยไมส่ญู

เสยีพลังงาน ซึง่เรยีกวา่สถานะคงตัว โดยท่ีโมเมนตัมเชงิมุมของวงโคจรจะมค่ีาเป็ฯจำานวนเต็มเท่าของ nh/2 ซึง่เขยีนได้วา่

L = mevr = nh2

L = โมเมนตัมเชงิมุมme = มวลของอิเล็กตรอนv = ความเรว็h = ค่าคงท่ีของพลังค์

แบบจำาลองอะตอมของบอห์ร 3. อิเล็กตรอนสามารถจะรบัและปลด

ปล่อยพลังงานได้ เมื่อมกีารเปลี่ยนวงโคจร โดยค่าของพลังงานจะเท่ากับ ค่าของพลังงานท่ีแตกต่างกันของวงโคจรทั้งสอง คือ

E = h = E2 – E1e จากวงใน วงนอก (รบั

พลังงาน) E เป็น +e จากวงนอก วงใน (คายพลังงาน) E เป็น -

แบบจำาลองอะตอมของบอห์ร 4. อิเล็กตรอนท่ีอยูใ่นวงโคจรดังกล่าวจะมี

พลังงานค่าหนึ่งคงท่ี และ ตลอดเวลาท่ีอยูใ่นวงโคจรเดียวจะไมด่ดูพลังงาน หรอืสญูเสยีพลังงานแต่อยา่งใด ค่าพลังงานนี้คำานวณได้จากสมการ

เมื่อ me = มวลของอิเล็กตรอน z = เลขเชงิอะตอม n = 1, 2, 3

แบบจำาลองอะตอมตามทฤษฎีของบอห์ร แมจ้ะใชไ้ด้ดีกับอะตอมท่ีมอิีเล็กตรอนเพยีงตัวเดียว แต่ไมส่ามารถอธบิายสเปกตรมัของอะตอมท่ีมมีากกวา่หน่ึงอิเล็กตรอนได้เลย นอกจากนี้วงโคจรวงกลมของอิเล็กตรอนยงัไมต่รงกับรูปรา่งของโมเลกลุท่ีได้จากการศึกษาทางรงัสเีอกซอี์กด้วย

นิวเคลียส (p+n)

n = 4 3 2 1e

e

ee e

แบบจำาลองอะตอมของบอห์ร

แบบจำาลองอะตอมของบอห์ร การเกิดสเปกตรมั 1.  การตรวจหาสเปกตรมั ถ้าเป็นสารประกอบทำาโดย  การเผาสารประกอบถ้าเป็นก๊าซทำาโดย นำาก๊าซมาบรรจุในหลอดแก้ว แล้วปรบัความดันให้ตำ่าแล้วใชพ้ลังงานไฟฟา้แทนการเผา

2.  สเีปลวไฟ หรอืสเปกตรมั เกิดจากสาเหตุเดียวกัน ขอ้แตกต่าง คือสเีปลวไฟ เป็นสท่ีีมองจากตาเปล่า จะเห็นเป็นสเีดียว ซึง่เป็นสท่ีีเด่นชดัท่ีสดุสสีเปกตรมัเป็นสท่ีีใชเ้ครื่องมอื สเปกโตรสโคป สอ่งดูเปลวไฟ จะเห็นเป็นเสน้สเปกตรมัหลายเสน้  และความเขม้มากท่ีสดุจะเป็นสเีดียวกันกับสขีองเปลวไฟ    3.  สขีองเปลวไฟ หรอืสขีองสเปกตรมัเป็นสท่ีีเกิดท่ีเกิดจากสว่นท่ีเป็นไอออนของโลหะ หรอืไอออนบวกนัน่เอง ดังเชน่

Li+    สแีดง  Na+  สีเหลือง  

Ca2+  สแีดงอิฐ Ba2+    สเีขยีวอมเหลือง

Cu2+    สเีขยีว K+  สมีว่ง     

แบบจำาลองอะตอมของบอห์ร 4.  ธาตแุต่ละธาตมุเีสน้สเปกตรมัเป็นลักษณะเฉพาะตัวไมซ่ำ้ากัน ดังรูป การจดัอิเล็กตรอนในอะตอม   จากการศึกษาแบบจำาลองอะตอมของบอห์ร ทำาให้ทราบวา่ การจดัอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆระดับพลังงาน(n) จำานวนอิเล็คตรอนท่ีมี

ได้สงูสดุn  =  1 2n  =  2 8n  =  3 18n  =  4 32n  =  5 50n  =  6 72n  =  7 98

แบบจำาลองอะตอมของบอห์รเวเลนซอิ์เล็กตรอน  คือ  จำานวนอิเล็กตรอน

ในระดับพลังงานนอกสดุหรอืสงูสดุ ของแต่ละธาตุจะมอิีเล็กตรอนไมเ่กิน 8

การจดัอิเล็กตรอน มคีวามสมัพนัธกั์บการจดัหมูแ่ละคาบอยา่งไร

1.  เวเลนซอิ์เล็กตรอน จะตรงกับเลขที่ของหมู ่ดังนัน้ ธาตท่ีุอยูห่มูเ่ดียวกันจะมเีวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน

2.  จำานวนระดับพลังงาน จะตรงกับเลขที่ของคาบ ดังนัน้ ธาตใุนคาบเดียวกันจะมจีำานวนระดับพลังงานเท่ากัน เชน่    35Br  มกีารจดัเรยีงอิเล็กตรอนดังนี้      2 , 8 , 18 , 7    ดังนัน้  Br จะอยูใ่นหมูท่ี่  7  เพราะมเีวเลนซ์อิเล็กตรอน  7  และอยูใ่นคาบท่ี  4  เพราะมีจำานวนระดับพลังงาน  4

แบบจำาลองอะตอมของกลุ่มหมอก แบบจำาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก แบบจำาลองอะตอมของโบร ์ใชอ้ธบิายเก่ียวกับเสน้สเปกตรมัของธาตไุฮโดรเจนได้ดี แต่ไมส่ามารถอธบิายเสน้สเปกตรมัของอะตอมที่มหีลายอิเล็กตรอนได้ จงึได้มกีารศึกษาเพิม่เติม โดยใช้ความรูท้างกลศาสตรค์วนัตัม สรา้งสมการเพื่อคำานวณหาโอกาสท่ีจะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ จงึสามารถอธบิายเสน้สเปกตรมัของธาตไุด้ถกูต้องกวา่อะตอมของโบร ์ลักษณะสำาคัญของแบบจำาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอธบิายได้ดังนี้

แบบจำาลองอะตอมของกลุ่มหมอก

1. อิเล็กตรอนเคลื่อนท่ีรอบนิวเคลียสอยา่งรวดเรว็ตลอดเวลาด้วยความเรว็สงู  ด้วยรศัมไีม่แน่นอนจงึไมส่ามารถบอกตำาแหน่งท่ีแน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพยีงโอกาสท่ีจะพบอิเล็กตรอนในบรเิวณต่างๆ ปรากฏการณ์แบบนี้น้ีเรยีกวา่กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บรเิวณที่มกีลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่น จะมโีอกาสพบอิเล็กตรอนมากกวา่บรเิวณท่ีเป็นหมอกจาง 2. การเคลื่อนท่ีของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรอื รูปอ่ืน ๆ ขึน้อยูกั่บระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทกุระดับพลังงานจะเป็นรูปทรงกลม

แบบจำาลองอะตอมของกลุ่มหมอก รูปทรงต่างๆของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน จะขึน้อยูกั่บระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การใชท้ฤษฎีควนัตัม จะสามารถอธบิายการจดัเรยีงตัวของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส ได้วา่อิเล็กตรอนจดัเรยีงตัวเป็นออรบ์ทัิล(orbital) ในระดับพลังงานยอ่ย s , p , d , f  แต่ละออร์บทัิล จะบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่ ดังนี้

s – orbital     ม ี  1  ออรบ์ทัิล   หรอื  2  อิเล็กตรอน            p – orbital          ม ี  3  ออร์บทัิล   หรอื  6  อิเล็กตรอน            d – orbital          ม ี  5  ออร์บทัิล หรอื  10  อิเล็กตรอน           f – orbital            ม ี  7  ออร์บทัิล    หรอื  14  อิเล็กตรอน

แบบจำาลองอะตอมของกลุ่มหมอก แต่ละออรบ์ทัิลจะมรูีปรา่งลักษณะแตกต่างกัน ขึน้อยูกั่บการเคลื่อนท่ีของอิเล็กตรอนในออร์บทัิล และระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในออรบ์ทัิลนัน้ๆ  เชน่           s – orbital  มลีักษณะเป็นทรงกลม            p – orbital  มลีักษณะเป็นกรวยคล้ายหยดนำ้า ลักษณะแตกต่าง กัน  3  แบบ ตามจำานวนอิเล็กตรอนใน  3 ออร์บทัิล   คือ  Px , Py  ,  Pz            d – orbital  มลีักษณะและรูปทรงของกลุ่มหมอก แตกต่างกัน 5  แบบ  ตามจำานวนอิเล็กตรอนใน  5  ออรบ์ทัิล

คือ  dx2-y2 ,  dz2 ,    dxy  ,    dyz  ,   dxz 

แบบจำาลองอะตอมของกลุ่มหมอก

1s orbital

2s orbital

px orbital

py orbital

pz orbital

แบบจำาลองอะตอมของกลุ่มหมอก

dyz orbital

dxz orbital

Dx2-y2 orbital

dz2 orbital

dxy orbital

The End