โครงสรางอะตอม ( Atomic structures )

กลมสาระการเรยนรวทยาศาสตร รายวชา เคมพนฐาน ( ว 31102)

โดยครสกญญา นาคอน

โรงเรยนเฉลมพระเกยรตสมเดจพระศรนครนทร กาญจนบร

1

ลวซพพส (Leucippus: ca.450 BC) และ ดโมครตส (Democritus: ca. 470-380 BC) สองนกปราชญชาวกรก ไดเสนอทฤษฎแนวคดเกยวกบอะตอมวา

โครงสรางของอะตอมยคแรก

“สารทงปวงมองคประกอบพนฐานทเลกทสด เรยกวา อะตอม (มาจากค าวา atomos แปลวา แยกไมได หรอ

แบงไมได)”

A = “ไม” , tomos = “แบงได”

2

จอหน ดอลตน (John Dalton: 1766-1844) นกเคมชาวองกฤษ : เสนอแนวคดเกยวกบทฤษฎอะตอมดงน

ทฤษฎอะตอมของดอลตน

1. สสารทกชนดประกอบดวยอนภาคทแบงแยกไมไดเรยกวา อะตอม

2. อะตอมไมสามารถสรางขนใหมหรอท าลายได

3. ธาตประกอบดวยอะตอมเพยงชนดเดยว อะตอมของธาตชนด เดยวกนมสมบตเหมอนกนทกประการ และแตกตางจากอะตอม ของธาตชนดอนๆ

3

แมวาทฤษฎอะตอมของดาลตนจะไมถกตอง แตไดสรางความร พนฐานเกยวกบธาตซงเปนประโยชนตอการศกษาและพฒนาความรทาง เคมในยคนนเปนอยางมาก

John Dalton

ทฤษฎอะตอมของดอลตน 4

ทฤษฎอะตอมของทอมสน

เซอรโจเซฟ จอหน ทอมสน (J.J. Thomson: 1856-1940) พสจนพบอนภาคประจลบ

การคนพบอเลกตรอน

5

เมอผานกระแสไฟระหวางขวไฟฟาลบ (Cathode) และขวไฟฟาบวก (Anode) ในหลอดสญญากาศ แลวเกด การเรองแสง (เรยกวารงสแคโธด หรอ Cathode Ray) ทบรเวณขวบวกแอโนด

รงสแคโธด คอ รงสทเกดจากอนภาคประจลบ

เมอใหสนามไฟฟา รงสนจะเบนเขาหาสนามไฟฟาบวก

อนภาคประจลบ คอ อเลกตรอน

ทฤษฎอะตอมของทอมสน 6

ทอมสนพยายามหามวลของอเลกตรอน โดยวดพลงงานทท า ใหรงสแคโธดเบนออก ซงกคอคา “อตราสวนประจตอมวลของอเลกตรอน”

e = 1.76 x 108 C/g m

ไมวาจะน าแก๏สชนดใดมาใช กจะไดอตราสวนนเสมอ

ทอมสนสรปวา “อเลกตรอนเปนอนภาคมลฐานทอยใน อะตอมของธาตทกชนด”

ทฤษฎอะตอมของทอมสน 7

โรเบรต มลลแกน (R. Millikan : 1868-1953) หาประจของอเลกตรอน โดยวดคาสนามไฟฟาทท าใหแรงดงดดระหวางประจ (แรงคลอมป) บนละอองน ามนเทากบคาแรงโนมถวงของโลก

8

คาประจบนละอองน ามนมคา = 1.602 x 10-19 C

มลลแกนหามวลของอเลกตรอนโดย

e/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

“อเลกตรอน” เปนอนภาคทมประจลบ มประจ = 1.602 x 10-19 C มมวล = 9.109 x 10-31 kg

9

การคนพบโปรตอน

เนองจากอะตอมเปนกลางทางไฟฟา แสดงวาตองมอนภาค ทมประจบวกรวมอยในอะตอมดวย

โกลดสไตน สงเกตพบรงสแอโนด (รงสทมาจากอนภาคประจบวก) จากการดดแปลงการทดลองของทอมสน เมออเลกตรอนจากกระแสไฟฟาวงชนกลมอะตอม ท าใหอะตอม ไอออไนซ ไดอเลกตรอนกบอะตอมไอออนบวก

(A → A+ + e)

10

ถาเจาะรทแผน Cathode จะมอนภาควงไปดานหลง เรยกวา “รงสแคแนล”

รงสจะเบนเขาหาสนามไฟฟาลบ

มมวลตางๆ กน ขนอยกบชนดของแก๏ส

การทดลองของรทเทอรฟอรดยนยนการคนพบโปรตอน โดยระดมยงโมเลกลไนโตรเจนดวยอนภาคอลฟา ( 42He ) ท าใหไดอนภาคซงหนกเปน 1830 เทาของอเลกตรอน และมประจเทากบอเลกตรอน

11

หลงจากการคนพบอเลกตรอน และโปรตอน ทอมสนจงไดเสนอทฤษฎอะตอม

“อะตอมเปนทรงกลมประกอบดวย อเลกตรอน และ โปรตอน อนภาคทงสองอยกระจดกระจายทวบรเวณอะตอมอยางสมาเสมอในสภาพ ทเปนกลางทางไฟฟา”

J.J. Thomson

ทฤษฎอะตอมของทอมสน 12

ทฤษฎอะตอมของรทเทอรฟอรด

อ อาร รทเทอรฟอรด (1871-1937) ศกษาการกระเจงของรงสแอลฟา โดยการระดมยงรงสแอลฟา ( 42He2+, อนภาคประจบวก) ผานแผนทองค าบางๆ แลวสงเกตจดเรองแสงบนฉาก

13

การทดลองของรทเทอรฟอรด 14

การทดลองของรทเทอรฟอรดพบวา

รงสสวนใหญทะลผาน

รงสสวนนอยทเบยงเบน และเกกการสะทอนกลบ

เพราะฉะนน แบบจ าลองของทอมสนจงอธบายการทดลอง ของรทเทอรฟอรดไมได เขาจงเสนอแบบจ าลองอะตอมแบบใหมซง มลกษณะดงน

1. อะตอมเปนทรงกลม เนอทสวนใหญเปนชองวาง

2. อนภาคประจบวกทงหมดรวมกนอยตรงกลาง เรยกวา “นวเคลยส”

ทฤษฎอะตอมของรทเทอรฟอรด 15

3. มอเลกตรอนโคจรเปนวงลอมรอบนวเคลยส

4. มจ านวนอเลกตรอนเทากบจ านวนอนภาคประจบวก (โปรตอน) ในนวเคลยส

เนองจากขอมลทางแมสสเปกโทรกราฟบอกวา ผลรวม ของมวลของโปรตอนและอเลกตรอนของธาตทกชนด จะนอยกวามวลอะตอมเสมอ

Ernest Rutherford

16

การคนพบนวตรอน

เซอร เจมส แชดวค (Sir James Chadwick: ค.ศ. 1932) ไดพบอนภาคใหมทเปนกลางทางไฟฟา และมมวลใกลเคยงกบโปรตอน เรยกวา “นวตรอน” (Neutron)

จากการคนพบอเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน ท าใหแบบ จ าลองอะตอมของรทเทอรฟอรดสมบรณขน ดงรป

p+n

-

-

- -

17

จากการคนพบนวตรอนโดย แชดวก ท าใหเราทราบวา อะตอมประกอบดวย อนภาค 3 ชนด คอ โปรตอน อเลกตรอน และนวตรอน และอนภาคทงสามเราถอวาเปนอนภาคมลฐานของอะตอม จากการคนพบนวตรอนของแชดวก ท าใหแบบจ าลองอะตอมเปลยนไป ดงน

“อะตอมมลกษณะเปนทรงกลมประกอบดวยโปรตอนและนวตรอน รวมตวกนเปนนวเคลยสอยตรงกลาง และมอเลกตรอนซงมจานวนเทากบโปรตอนวงอยรอบๆ นวเคลยส”

p+n

-

-

- -

18

สมบตของอนภาคมลฐาน

อนภาค สญลกษณ ชนดของประจ

ประจไฟฟา

(คลอมบ)

มวล

(g)

อเลกตรอน e -1 1.602 x 10-19 9.109 x 10-28

โปรตอน p +1 1.602 x 10-19 1.673 x 10-24

นวตรอน n 0 0 1.675 x 10-24

19

เลขอะตอม

เลขอะตอม (Atomic number) หมายถง จ านวนโปรตอนทอยภายในนวเคลยส แตเนองจากในอะตอมทเปนกลางจ านวนโปรตอนเทากบจ านวนอเลกตรอน ดงนน เลขอะตอมอาจหมายถงจ านวนอเลกตรอนกได

ใชสญลกษณ Z แทน เลขอะตอมมคาเปนเลขจ านวนเตมเสมอ

กรณทอะตอมไมเปนกลางจานวนโปรตอนจะไมเทากบจานวนอเลกตรอน อะตอมทไมเปนกลาง ไดแก ไอออนบวก ไอออนลบ

20

เลขมวล

เลขมวล (Mass number) หมายถง ผลบวกของจ านวนโปรตอนกบนวตรอนภายในนวเคลยส ใชสญลกษณ A แทน เลขมวลไมใชเลขอะตอม แตมคาใกลเคยงกน

21

การเขยนสญลกษณนวเคลยรของธาต

สญลกษณนวเคลยร เปนสญลกษณทบอกรายละเอยดเกยวกบจ านวนอนภาคมลฐานของอะตอม ซงมหลกการเขยนดงน

ให X คอ สญลกษณของธาต A คอ เลขมวล = โปรตอน+นวตรอนในนวเคลยส Z คอ เลขอะตอม = จ านวนโปรตอนในนวเคลยส

สญลกษณนวเคลยร คอ X

A Z

สญลกษณนวเคลยร 22

ตวอยางสญลกษณนวเคลยรของธาต

C Cl U

N K Ge

12 6

14 7

35 17

235 92

39 19

72 32

สญลกษณนวเคลยร 23

ไอโซโทป (Isotope) คอ ธาตทมเลขอะตอมเหมอนกนแตเลขมวลตางกน หรอธาตทมจ านวนโปรตอนเหมอนกนแตนวตรอนตางกน เชน

ธาตไฮโดรเจน ม 3 ไอโซโทป คอ

H เรยกวา โปรเทยม H เรยกวา ดวเทอเรยม H เรยกวา ทรเทยม

1 1 2 1 3 1

ไอโซโทป (Isotope) 24

• 14C ใชค านวณหาอายของวตถโบราณ หรอซาก ดกด าบรรพและ ศกษากลไกการเกดปฏกรยา

• 24Na ใชตรวจอตราการไหลเวยนของโลหต

• 60Co ใหรงสแกมมาซงใชในการถนอมอาหารและรกษาโรคมะเรง

• 131I ใชตรวจสอบความผดปกตของตอมไทรอยด

• 32P ใชศกษาความตองการปยของพช

• 238U ใชค านวณอายแร

• 198Au ใชตรวจตบและไขกระดก

ประโยชนของไอโซโทป 25

ไอโซโทน (Isotone) ไอโซโทน คอ ธาตทมนวตรอนเหมอนกน แต

โปรตอนตางกน เชน K Ca

เปนไอโซโทนกน เพราะตางกมจ านวนนวตรอนเทากบ 20

39 19

40 20

ไอโซโทน 26

ไอโซบาร (Isobar) • ไอโซบาร คอ ธาตทมเลขมวลเหมอนกนแตเลข

อะตอมตางกน เชน

C N

เปนไอโซบารกน

14 6

14 7

27 ไอโซบาร

แบบฝกหดเพมเตม

1. จากสญลกษณนวเคลยรทก าหนดใหจงหาอนภาคมลฐานของอะตอม

Na p = Al3+ p = At- p = n = n = n = e- = e- = e- = Br p = P3- p = Ra+ p = n = n = n = e- = e- = e- =

23 11

27 13

210 85

80 35

31 15

226 88

28

2. จงหาเลขมวลของธาตตอไปน

1) X3+ มอเลกตรอน 28 อเลกตรอน มนวตรอน 29 นวตรอน ..........

2) X มเลขมวลเปน 2 เทาของ Na ...........................

3) 11X+ มจ านวนนวตรอนเทากบนวตรอนของ O ...................

4) 19X- มจ านวนนวตรอนนอยกวาอเลกตรอน 3 ตว............

23 11

16 8

29

3. จงหาเลขอะตอมของธาตตอไปน 1) X2+ มจ านวนอเลกตรอนเทากบ 36 ..................... 2) X อยหม2มจ านวนอเลกตรอนอยในระดบพลงงานสงสด เทากบ 4 ..................... 3) X- มจ านวนอเลกตรอนเทากบ 18 ..................... 4) X อยหม 3 คาบท 4 ................................

30

4. จงเขยนสญลกษณนวเคลยรของไอโซโทปตางๆ ของธาต X ซงม

9 อเลกตรอน และมนวตรอน 9 10 และ 11 ตามล าดบ

......................................................................................................................................................................................................................................

5. ไอโซโทปของธาตชนดหนงมประจในนวเคลยสเปน 3 เทาของประจในนวเคลยสของไฮโดรเจนและมเลขมวลเปน 7 เทาของเลขมวลไฮโดรเจน ไอโซโทปนจะมอนภาคมลฐาน อยางละเทาใด

......................................................................................................................................................................................................................................

31

จากการทดลองของรทเทอรฟอรด และการคนพบนวตรอนของ แชดวก ท าใหทราบวา โปรตอนและนวตรอนอยรวมกนในนวเคลยสของอะตอม แตยงไมทราบวา การจดอเลกตรอนในอะตอมเปนอยางไร..

ดงนน การศกษาเกยวกบสเปกตรมจงเปนขอมลส าคญ

ทน าไปสการน าเสนอแบบจ าลองอะตอมของโบร

32

แบบจ าลองอะตอมของโบร

Niels Bohr (1855 - 1962)

นกวทยาศาสตรชาวเดนมารก ศกษา การเกดสเปกตรมของธาต พลงงานไอออไนเซชน

33

คลนและสมบตของคลน

ความยาวคลน (wavelenth) สญลกษณ แลมบดา) คอ ระยะระหวางยอดคลนหรอ

ระยะทางทเคลอนทครบ 1 รอบพอด ความยาวคลนมหนวยเปนเมตร (m) หรอหนวยยอยของเมตร เชน เซนตเมตร(cm) นาโนเมตร (nm) (1 nm = 10-9m)

34

แอมปลจด (Amplitude) คอ ความสงของคลน ความถของคลน (Frequency) สญลกษณ นว) หมายถง

จ านวนคลนทผานจดจดหนงในเวลา 1 วนาท ดงนน ความถของคลนจงมหนวยเปนรอบตอวนาท (s-1) หรอ Cycle/s หรอเรยกอกอยางหนงวา เฮรตซ สญลกษณ Hz

คลนและสมบตของคลน 35

คลนแมเหลกไฟฟาประกอบดวยคลนหลายชนดทม

ความยาวคลน และความถตางๆ กนเปนชวงกวาง

คลนทประสาทตาของเราสามารถรบไดมความยาวคลนตงแต 400 nm ถง 700 nm เทานน

คลนแมเหลกไฟฟาในชวงนเรยกวา แสงขาว

คลนและสมบตของคลน 36

สเปกตรม (spectrum)

• สเปกตรม หมายถง แถบสหรอเสนสทไดจากการผานพลงงานแสงเขาไปในสเปกโตรสโคป แลวท าใหพลงงานแสงแยกออกเปนแถบสทเรยงกนตามความยาวคลน หรอไดเสนสทม คาความยาวคลนคาใดคาหนง

• สเปกโตรสโคป คอ เครองมอทใชแยกสของแสงตามความถหรอตามความยาวคลน หรอเปนเครองมอทใชศกษาเกยวกบสเปกตรม

สเปกตรม 37

รปสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา

สเปกตรม 38

การหกเหของแสงขาวผานปรซม

• ถาใหแสงอาทตยซงเปนแสงขาวสองผานปรซมแสงขาวจากดวงอาทตย จะแยกออกเปนแสงสรงตอเนองกน เรยกวา

แถบสเปกตรมของแสงขาว

สเปกตรม 39

ความยาวคลนของสเปกตรมตางๆ

สของสเปกตรม ความยาวคลน (nm)

มวง

คราม – น าเงน

เขยว

เหลอง

แสด (สม)

แดง

400 – 420

420 – 490

490 – 580

580 – 590

590 – 650

650 - 700

สเปกตรม 40

• มกซ พลงค นกวทยาศาสตรชาวเยอรมน ไดศกษาพลงงานของคลนแมเหลกไฟฟา และสรปวา

“ พลงงานของคลนแมเหลกไฟฟาจะเปนสดสวนโดยตรงกบความถของคลนนน ”

เมอ E คอ พลงงานของคลนแมเหลกไฟฟา (J)

h คอ คาคงทของพลงคมคา 6.625x10-34J.s

คอ ความถของคลนแมเหลกไฟฟา มหนวยเปน รอบตอวนาท(s-1) หรอเฮรตซ (Hz)

E = h

41

• แตเนองจากความยาวคลนกบความถสมพนธกน ดงน

= C

เมอ c คอ ความเรวของแสงในสญญากาศมคาเทากบ 3.0x108 m/s

E =

hc

42

• ถาผานแสงขาวไปยงแทงปรซมสามเหลยมจะถกแยกเปนสตางๆ กน ซงแสงสทตางกนนจะมพลงงานไมเทากน โดยเฉพาะสแดงจะมความยาวคลนมากสด มความถต าสด

• แสงทเปนคลนสนจะมความถสงกวาแสงทเปนคลนยาว

• แสงทเปนคลนสนจะมพลงงานสงกวาแสงทเปนคลนยาว

43

ตวอยางการคานวณ

ตวอยางท 1 คลนแสงของธาต x มความยาวคลน 2x10-5 m

และมความถ 3x104 s-1 จงหาพลงงาน

วธท า สตร E = h

= 6.625 x10-34J.s x 3 x104s-1

= 19.87 x 10-30J

= 1.987 x 10-29J

ดงนน พลงงานมคา 1.987x10-29จล Ans

44

1. จงเรยงล าดบแสงสตางๆ ในแสงขาวตามความถและพลงงานจากนอยไปมาก

2. เสนสเปกตรมสแดงของโพแทสเซยมมความถ 3.9 x1014 Hz จะมความยาวคลนเปนเทาใด

3. เสนสเปกตรมเสนหนงของธาตซเซยมมความยาวคลน 456 nm ความถของสเปกตรมเสนนมคาเทาใด และปรากฏเปนสใด

4. คลนแมเหลกไฟฟาทมความถ 8.5 x104 Hz จะมพลงงานและความยาวคลนเทาใด

แบบฝกหด 45

โครงสรางของอะตอมยคหลง

การเปลยนแปลงจากยคฟสกสแผนเดมไปสยคทฤษฎควอนตม

จากทบ.ของรทเทอรฟอรด อเลกตรอนซงมประจไฟฟาเมอ เคลอนทรอบนวเคลยส จะมการสญเสยพลงงานในรปของการแผรงส ท าใหอะตอมยบ และอเลกตรอนจะคงอยไมได แตความจรง e ยงอยในอะตอมได

แตเดมการเคลอนทของอเลกตรอนจะใชทบ. แมเหลกไฟฟา ของ Maxwell (ทบ.คลนแสง)

46

ทฤษฎของแมกซเวลล (Maxwell’s theory)

รงสแมเหลกไฟฟาเปนรปพลงงานทเปลงออก (Emission) ในรปของคลน มองคประกอบ 2 สวน ไดแก คลนทางไฟฟา (Electric wave) และคลนทางแมเหลก (magnetic wave) โดยคลนทงสองจะเคลอนทตงฉากซงกนและกน

47

สมบตของคลน

คลน (Wave) เปนรปแบบการเคลอนทของพลงงานทม ลกษณะซ ากนเปนคาบๆ (Period)

ความเรวของคลนขนกบชนดของคลนและธรรมชาตของตวกลาง ทคลนเคลอนท

องคประกอบทส าคญของคลน มดงตอไปน 1. ความยาวคลน (wavelength, λ) เปนระยะทางจากยอดคลนหนงถงอกยอดคลนหนง 2. ความถคลน (frequency, ν) เปนจ านวนคลนทผานจดหนงใน 1 วนาท 3. ความเรวคลน (velocity, c) เปนระยะทางทคลนเคลอนทใน 1 วนาท 4. แอมพลจด (amplitude) เปนความสงของยอดคลน

48

คลนแมเหลกไฟฟาเดนทางดวยความเรวเทากบความเรวของแสง (c) = 3.0 x 108 m/s

49

λ = ความยาวคลน (nm) ν = ความถ (Hz หรอ s-1)

c = λν

ν = เลขคลน = 1 (cm-1) λ

50

ทบ.Maxwell อธบายการเปลงรงส ความรอนของวตถด าไมได เพราะทฤษฎนถอวา แสงเปนคลนแมเหลกไฟฟา เปลงออกมาจากการสนสะเทอนของอนภาคทมประจ จงมความถเปนคาตอเนอง ยงความถสง ความเขมของแสงจะยงสงขนดวย

การเปลงแสงไมขนกบความถ วตถจะเปลงแสงสน าเงน-มวงเทานน (λ นอย)

แตในการทดลองจรง : วตถทมอณหภมหนงๆ จะเปลง แสงทมความเขม สงสดในชวงความถหนงเทานน

อธบายไดดวย “ทฤษฎควอนตม”

51

แสดงวา วตถรอนเปลงแสง เมอมความเขมทความยาวคลนเฉพาะคาหนง

52

การแผรงสของวตถดา (Black-body radiation)

วตถด า หมายถง วตถใดๆ ทสามารถดดกลนและคายพลงงาน ทมากระทบไดทงหมด (ไมมจรง)

เมอใหความรอนกบวตถด ามากขน ท าใหมการเปลงรงสมากขน

ความเขมของรงส ขนอยกบอณหภมของวตถ

สของรงสทเปลงออกมา ขนอยกบอณหภม

53

ทฤษฎควอนตมของพลงค

แมกซ พลงค (Max Planck: 1858-1947) เสนอวาการดดกลนหรอปลดปลอยพลงงานของวตถด าจ ากดไดเพยงบางคาเทานน หรอเปนกลมกอนเรยกวา ควอนตม (Quantum) โดยคาพลงงานเปนปฏภาคโดยตรงกบความถ (ν) ตามสมการ

E υ E = hυ

เมอ h คอ คาคงทของพลงค = 6.625 x 10-34 จลวนาท

54

ปรากฏการณโฟโตอเลกทรก (ค.ศ. 1905)

ปรากฎการณท ē หลดจากผวหนาของโลหะ เมอโลหะถกฉาย แสงทความถ (ν) มากกวา คาความถขดเรม (ν0-threshold value) ของโลหะ

ไอนสไตน (Albert Einstein) ใชแนวคดของพลงค อธบายปรากฏการณดงกลาว โดยตงสมมตฐานวา แสงไมไดมพฤตกรรมของคลน แตแสงมพฤตกรรมเสมอนอนภาค เรยกวา โฟตอน (Photon) ซงมพลงงานเทากบ hν

55

พลงงานนอยทสดของโฟตอนทท าให e หลดจากผวโลหะ เทากบแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส คอ

Ε = hν°

e ทหลดออกมาจากปรากฏการณน เรยกวา “โฟโตอเลกตรอน”

พลงงานทงหมดทใชในการท าใหเกดโฟโคอเลกตรอน คอ

Etotal = ho + K.E. = ho + ½ mv2

56

ความเขมแสงมาก จ านวนโฟตอนมาก จ านวนโฟโต อเลกตรอนมาก

Slope = h ho

57

สเปกตรมของไฮโดรเจน

เมอประจอเลกตรอนชนกบแก๏สไฮโดรเจนทอยในหลอด จะเกดการเรองแสง และเมอแสงจากหลอดผานสลทและปรซมจะหกเหไดเสนสเปกตรม ซงเปนสเปกตรมเปลงออกมา (Emission spectrum) ของไฮโดรเจน

58

รปแบบของสเปกตรมของไฮโดรเจนจะมลกษณะเปนเสนๆ (line spectrum) ไมตอเนอง

จงเกดค าถามวา 1. ท าไมแสงจงเปลงออกมาจากแก๏สไฮโดรเจน 2. ท าไมแสงเปลงออกจงมความยาวคลนเพยงบางคาเทานน

59

ระดบพลงงานทอเลกตรอนอยมลกษณะเปนชนๆ ไมตอเนอง

ระดบชนของพลงงาน โดยท n เปนเลขจานวนเตม

โดยปกต อเลกตรอนในอะตอมจะอยในระดบพลงงานตาสดทเรยกวา “สถานะพน” (ground state)

60

เมออะตอมไดรบพลงงานความรอนจากไฟฟาศกยสง อเลกตรอนในอะตอมจะไดรบพลงงานเพม และไปอยในระดบพลงงานทสงขน เรยกวา สถานะกระตน (excited state)

สถานะกระตน (excited state)

สถานะพน (ground state)

e

h

กระบวนการดดกลนพลงงานโดยอเลกตรอน

61

เมออเลกตรอนกลบมาทเดม กตองปลอยพลงงานสวนเกนออกมาในรปของพลงงานรงส ปรากฏเปน สเปกตรม

สถานะกระตน (excited state)

สถานะพน (ground state)

e

E = E2 – E1

= h

E2

E1

กระบวนการคายพลงงานโดยอเลกตรอน เกดเปน สเปกตรม

ความยาวคลนของสเปกตรมเปลงออก ΔE.

62

ทฤษฎอะตอมไฮโดรเจนของบอหร

บอหร (Niels Bohr: 1885-1962) เสนอแนวคดเกยวกบโครงสรางอะตอมของไฮโดรเจน โดยใชแนวคดของรทเทอรฟอรดรวมกบทฤษฎควอนตม ดงน

นวเคลยส (p+n)

n = 4 321 r

e

1. อะตอมไฮโดรเจนประกอบดวย นวเคลยสทมอเลกตรอนโคจรรอบๆ

นวเคลยสเปนวงกลมโดยม รศม r

n คอ เลขควอมตมมคาเปน 1, 2, 3, ...

63

2. อเลกตรอนโคจรรอบๆ โดยไมสญเสยพลงงาน ซงเรยกวาสถานะ คงตว โดยทโมเมนตมเชงมมของวงโคจรจะมคาเปฯจ านวนเตมเทา ของ nh ซงเขยนไดวา 2

L = mevr = nh

2

L = โมเมนตมเชงมม me = มวลของอเลกตรอน v = ความเรว h = คาคงทของพลงค

64

3. อเลกตรอนสามารถจะรบและปลดปลอยพลงงานได เมอมการ เปลยนวงโคจร โดยคาของพลงงานจะเทากบ คาของพลงงาน ทแตกตางกนของวงโคจรทงสอง คอ

E = h = E2 – E1

e จากวงใน วงนอก (รบพลงงาน) E เปน +

e จากวงนอก วงใน (คายพลงงาน) E เปน -

65

4. อเลกตรอนทอยในวงโคจรดงกลาวจะมพลงงานคาหนงคงท และ ตลอดเวลาทอยในวงโคจรเดยวจะไมดดพลงงาน หรอสญเสย พลงงานแตอยางใด คาพลงงานนค านวณไดจากสมการ

เมอ me = มวลของอเลกตรอน z = เลขเชงอะตอม n = 1, 2, 3

66

ส าหรบ H จากสมการ คาในวงเลบจะเปนคาคงท = 2.18 x 10-11 erg หรอ 13.61 ev

ส าหรบรศมของอเลกตรอนในวงโคจรทมเลขควอนตม n คอ

r = n2a0

a0 คอ คาคงท เรยกวา “รศมอะตอมไฮโดรเจนของบอหร”

67

ทฤษฎ Bohr มขอจ ากด คอใชไดดกบ H และไอออนทม ē เทา H (He+, Li2+) เทานน

สมการ Rydberg ใชไดกบทกอะตอม

= ความถ (Hz) = เลขคลน (cm-1) = ความยาวคลน (cm, nm) R = Rydberg constant = 109,678 cm-1

68

อนกรมในสเปกตรมอะตอม H

ตามสมการของ Rydberg

ชออนกรม na nb ชวง

Lyman 1 2, 3, 4,…. UV

Balmer 2 3, 4, 5,…. Visible

Paschen 3 4, 5, 6,….

Bragget 4 5, 6, 7,…. Infra red

Fund 5 6, 7, 8,….

69

อนกรมในสเปกตรมอะตอม H 70

แบบจ าลองอะตอมตามทฤษฎของบอหร แมจะใชไดดกบอะตอมทมอเลกตรอนเพยงตวเดยว แตไมสามารถอธบายสเปกตรมของอะตอมทมมากกวาหนงอเลกตรอนไดเลยนอกจากนวงโคจรวงกลมของอเลกตรอนยงไมตรงกบรปรางของโมเลกลทไดจากการศกษาทางรงสเอกซอกดวย

นวเคลยส (p+n)

n = 4 321

e e

e e e

71

โครงสรางอะตอมตามหลกกลศาสตรคลน

เดอบรอยล แสดงใหเหนวาอเลกตรอนมสมบตเปนทงคลน และอนภาค หรอทเรยกวา ทวภาวะ (dual nature)

เมอเปนคลน ; v = λν

เมอเปนอนภาค ; λ = h/mv

72

ไฮเซนเบรก เสนอหลกความไมแนนอน (uncertainty

principle) โดยมใจความวา

“ เราไมอาจทราบตาแหนงและความเรวของอนภาคเลกๆ ขณะ เคลอนท ไดอยางถกตองแนนอนทงสองอยางในเวลาเดยวกน”

p.x h/4

∆x คอ ความไมแนนอนของต าแหนง ∆p คอ ความไมแนนอนของโมเมนตม

73

แบบจาลองอะตอมกลมหมอก

Erwin Shroedinger* (1887 - 1961)

* นกฟสกสชาวออสเตรย

74

ใชความรพนฐานทางกลศาสตรควอนตม มาสรางสมการคลน(Wave equation)

เพอค านวณหาโอกาสทจะพบอเลกตรอนในระดบพลงงานตางๆ จากสมการคลนท าใหทราบวา เราไมสามารถบอกต าแหนงทแนนอนของ อเลกตรอนได แตอเลกตรอนจะกระจายอยทวทกทศทกทางของอะตอม ดงนนแบบจ าลองอะตอมแบบกลมหมอกจงกลาววา “อะตอมประกอบดวยกลมหมอกอเลกตรอนรอบนวเคลยส ทมลกษณะเปนทรงกลม บรเวณกลมหมอกทบแสดงวาโอกาส ทจะพบอเลกตรอนมมากและบรเวณกลมหมอกจาง โอกาสทจะพบอเลกตรอนมนอย”

75

การจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม

n = 1 ม e- = 2 = 2x1 = 2x12

n = 2 ม e- = 8 = 2x4 = 2x22

n = 3 ม e- =18 = 2x9 = 2x32

n = 4 ม e- = 32 = 2x16 = 2x42

n = 5 ม e- = 50 = 2x25 = 2x52

n = 6 ม e- = 72 = 2x36 = 2x62

n = 7 ม e- = 98 = 2x49 = 2x72

ขอแม e- ทอยวงนอกสดมไดไมเกน 8

e-ทอยถดจากวงนอกสดมไดไมเกน18

2n2

n=ระดบพลงงาน

76

ตวอยางการ

3Li = 2 , 1

11Na = 2 , 8 , 1

19K = 2 , 8 , 8 , 1

37Rb = 2 , 8 , 18 , 8 , 1

55Cs = 2 , 8 , 18, , 18 , 8 , 1

87Fr = 2 , 8 , 18 , 32 , 18 , 8 , 1

ดงนน ธาตดงกลาวจงอยหม IA

Valence e-

บอกใหรวาอยหมใด +8

+32

+18

+8

+18

I , II ,VIII A

77

การจดอเลกตรอนของธาต 78

การจดอเลกตรอนในระดบพลงงานยอย Sub-shell , Orbital

จากการเสนอแบบจ าลองอะตอมในปจจบนนวา มลกษณะเปนกลมหมอก และจากการค านวณพลงงานของ e- ในระดบสงตอไป พบวา e- ไมไดจดเปน Shell อยางทโบรเสนอไว

กลาวคอ e- ในแตละ Shell หรอ Orbital โดยมขอแมวา e- ในแตละ Orbital จะมได ไมเกน 2e- และมรปรางแตกตางไปตามความหนาแนนของ e- ดงน

79

Orbital

ระดบวงยอย s เรมตงแต n=1,จงม 1 วงยอยและม e-=2 e-

ระดบวงยอย p เรมตงแต n=2,จงม 3 วงยอยและม e-=6e-

ระดบวงยอย d เรมตงแต n=3,จงม 5 วงยอยและม e-=10e-

ระดบวงยอย f เรมตงแต n=4,จงม 7 วงยอยและม e-=14e-

80

การจดอเลกตรอนในอะตอม

ระดบพลงงานหลก ระดบพลงงานยอย

81

การจดอเลกตรอนในอะตอม

ระดบพลงงาน ระดบพลงงานยอย จานวนอเลกตรอนสงสด

ในระดบพลงงานยอย

จานวนอเลกตรอนสงสด

ในระดบพลงงาน

1 s 2 2 2 s

p

2

6 8

3 s

p

d

2

6

10

18

82

การจดอเลกตรอนในอะตอม

ระดบพลงงาน ระดบพลงงานยอย จานวนอเลกตรอนสงสด

ในระดบพลงงานยอย

จานวนอเลกตรอนสงสด

ในระดบพลงงาน

4 s

p

d

f

2

6

10

14

32

83

การจดอเลกตรอนในอะตอม 84

การจดอเลกตรอนในอะตอม 85

จานวน e ทบรรจในระดบพลงงานตาง ๆ

ระดบหลก (n) ม ē ไดไมเกน 2n2

ระดบพลงงาน n = 1 ม ē ไดไมเกน 2(1)2 = 2 ē

ระดบพลงงาน n = 2 ม ē ไดไมเกน 2(2)2 = 8 ē

ระดบพลงงาน n = 3 ม ē ไดไมเกน 2(3)2 = 18 ē

ระดบพลงงาน n = 4 ม ē ไดไมเกน 2(4)2 = 32 ē

86

แตละออรบตอลสามารถบรรจ e ไดไมเกน 2 e เทานน

s-orbital ม 1 ออรบตอล บรรจไดมากสด 2 e

p-orbital ม 3 ออรบตอล บรรจไดมากสด 6 e

d-orbital ม 5 ออรบตอล บรรจไดมากสด 10 e

f-orbital ม 7 ออรบตอล บรรจไดมากสด 14 e

จานวน e ทบรรจในแตละออรบตอล 87

การบรรจ e-ในแตละ Orbital

มหลกการดงน

1. หลกการกดกนของเพาล (Pauli esilusion principle)

e- คหนงคใดในออบทลเดยวกนจะตองมสมบตไมเหมอนกนอยางนอย e- คนน จะตองมทศทางการหมนรอบตวเองไมเหมอนกน ตวหนงหมนตามเขมนาฬกา อกตวหนงหมนทวนเขมนาฬกา จงกาหนดไววา

88

1) ใช แทน Orbital

2) ในแตละ จะบรรจ e- ไดสงสด 2 e-

3) ก าหนดให e- แทนลกศร =

แตไมเขยน หรอ

89

2.อาฟบาว (Aufbau)

ใหบรรจ e-ลงใน Orbital ทมพลงงานต าสดและวางกอนเสมอ เรมตงแต

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

90

วธบรรจอเลกตรอนในอะตอมออรบทลตามแนวลกศร

91

3. กฎของฮน (Hund’s rule)

1. ในกรณทมธาตมหลาย ในแตละ จะมพลงงานเทากน เชน 2p ม 3 ใหบรรจ e- เดยวมากทสดเทาทมากได เมอม e- เหลอใหบรรจ e- เปนคเตม นน เชน

ม 2e-

3e-

4e-

2. อะตอมของธาตทม e- บรรจเตมในทกๆ มพลงงาน เทากน เรยกวา การบรรจเตม แตถาม e- อยเพยงครงเดยวเรยกวาบรรจครง มผลท าใหเกดการเสถยร

92

93

ตวอยาง การบรรจอเลกตรอน

#e- 1s 2s 2px 2py 2pz 3s

H 1 1s1

He 2 1s2

Li 3 1s2 2s1

C 6 1s2 2s2 2p2

O 8 1s2 2s2 2p4

Ne 10 1s2 2s2 2p6

Na 11 1s2 2s2 2p6 3s1 หรอ [Ne] 3s1

แบบฝกหด

1. จงเขยนผงการจดเรยงอเลกตรอนในระดบพลงงานยอย 2. จงแสดงการจดเรยงอเลกตรอนของธาตตอไปน 38Sr 46Pd 53I 78Pt 3. ถาธาต A B และ C มการจดอเลกตรอนดงน ธาต A 1s2

2s2 2p6 3s2 3p2

B 1s2 2s2 2p6 3s2

C 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

ก. ธาต A B และ C มเลขอะตอมเทาใด ข. ธาตแตละชนดมอเลกตรอนอยในระดบพลงงานใดบาง

และมจานวนเทาใด

94

Quantum Numbers (เลขควนตม)

The Principal Quantum Number : n The Angular Momentum Quantum Number : l

The Magnetic Quantum Number : ml

The Electron Spin Quantum Number : ms

95

สญลกษณ คอ n

แสดงระดบพลงงานหลก

เปนเลขจ านวนเตม (n = 1, 2, 3,……..) เดมเรยก Shell K, L, M

1. เลขควอนตมหลก (Principal quantum number)

เลขควอนตมหลก 96

สญลกษณ คอ l บอกระดบพลงงานยอยของ e l มคา 0 ถง (n – 1)

เชน n = 1, l = 0 n = 2, l = 0, 1 n = 3, l = 0, 1, 2 n = 4, l = 0, 1, 2, 3

2. เลขควอนตมเชงมม (Angular momentum quantum number)

เลขควอนตมเชงมม 97

l = 0 เรยกวา s – orbital (sharp)

l = 1 เรยกวา p – orbital (prinsiple)

l = 2 เรยกวา d – orbital (diffuse)

l = 3 เรยกวา f – orbital (fundamental)

เลขควอนตมเชงมม 98

สญลกษณ คอ ml

บอกทศทางการกระจายตวของ e ในชองวาง ภายใตอทธพลของสนามแมเหลก

มคาตงแต -l ถง +l หรอ 2l + 1

แตละคาของ l จะมระดบพลงงานเทากน เรยกวา degeneracy

3. เลขควอนตมแมเหลก (Magnetic quantum number)

เลขควอนตมแมเหลก 99

2

เลขควอนตมแมเหลก 100

สญลกษณ คอ ms

แสดงถงทศของการหมนรอบตวเอง (spin) ของ e

มเพยง 2 คา คอ +1/2 (หมนทวนเขมนาฬกา)

และ -1/2 (หมนตามเขมนาฬกา)

3. เลขควอนตมเชงสปน (Spin quantum number)

101

Spin ขน

Spin ลง

ms = +1/2

ทวนเขม

ms = -1/2

ตามเขม

102

จ านวนออรบทล (ดจาก ml ทงหมด) = 4 จ านวนอเลกตรอนทงหมดทเปนไปได = 8

(ดจากจ านวนชดของเลขควอนตมซงเทากบ 2 เทาของจ านวนออรบทล)

103

ตวอยาง เลขควอนตมทเปนไปไดถา n=2

n

l

ml

ms

2

s (l=0) p (l=1)

0 –1 0 +1

-½, ½ -½, ½ -½, ½ -½, ½

l = 0 n–1

ml = –l l

ms = –½,+½

เลขควอนตม

2,0,0,-½

2,0,0, ½

2,1,-1,-½

2,1,-1, ½

2,1,0,-½

2,1,0, ½

2,1,1,-½

2,1,1, ½

คอ บรเวณท มโอกาสพบ ē มากทสด รอบนวเคลยส

(ความหนาแนน ē ≈ 90%)

ออรบทลอะตอม (Atomic Orbital)

s - orbital

เปนทรงกลม การกระจาย ē เทากนทกทศทกทาง ไดจาก l = 0

ถา n = 1 1s - ออรบทล

ถา n = 2 2s - ออรบทล

104

105

p - orbital

ม ml 3 คา คอ (+1, 0, -1)

p -orbital จงมได 3 orbital

ขนกบระยะทาง และ ทศทาง

106

d - orbital

ม ml 5 คา คอ (+2, +1, 0, -1, -2)

โอกาสทจะพบ e ขนกบระยะทางและทศทาง ดงรป

107

f - orbital

ม ml 7 คา คอ (+3, +2, +1, 0, -1, -2, -3)

108

ววฒนาการแบบจ าลองอะตอม 109

จบแลวนะคะ

110