2.1 แบบจำลองอะตอม

2.1 แบบจำลองอะตอม

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
ในปีพ.ศ.2346 จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมี ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1.ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน เช่น มีมวลเท่ากัน แต่จะมีสมบัติแตกต่างกันจากอะตอมของธาตุอื่น
3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

แบบจำลองอะตอมตามทฤษฎีดอลตัน

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง ต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้น และค้นพบว่ามีข้อมูลบางประการไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของดอลตัน เช่นพบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้ อะตอมสามารถแบ่งแยกได้ แนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ได้มีการค้นพบรังสีชนิดหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า รังสีแคโทด (cathode ray) ที่ได้จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชื่อ Julius Plicker ซึ่งใช้หลอดแก้วที่สูบอากาศออก และมีอิเล็กโตรด 2 อันอยู่คนละข้าง (แอโนดเป็นขั้วไฟฟ้าบวก และแคโทดเป็นขั้วไฟฟ้าลบ) ของหลอดแก้ว และต่อไปยังไฟฟ้าที่มีศักย์สูง ทำให้เกิดรังสีขึ้นภายในหลอดแก้ว เรียกว่า รังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด

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 ประจุไฟฟ้าบวกอยู่กันได้อย่างไรในอะตอม และไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติอื่นๆของอะตอม ตัวอย่างเช่น สเปกตรัมที่แผ่ออกมาจากธาตุ ในช่วงเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเพิ่มเติมและมีข้อมูลเพิ่มขึ้น ซึ่งแบบจำลองอะตอมของทอมสันไม่สามารถอธิบายได้

แบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด

เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ( นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ) ไปที่แผ่นโลหะบาง ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนุภาคนี้ สามารถวิ่งผ่านได้เป็นจำนวนมาก แต่จะมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นอนุภาคที่กระเจิง ( การที่อนุภาคเบนจากแนวการเคลื่อนที่จากที่เดิมไปยังทิศทางต่างๆกัน ) ไปจากแนวเดิมหรือสะท้อนกลับทางเดิม

จากการทดลองนี้ รัทเธอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า " อะตอมมีลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลางเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นที่ว่างเปล่า"แต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือ

1.อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้พลังงานจลน์ลดลง ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด จึงไม่สูญเสียพลังงาน และไปรวมอยู่ที่นิวเคลียส

2. อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เมื่อวิ่งวนรอบนิวเคลียสจะจัดการเรียงตัวอย่างไร

3. ประจุบวกที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส จะอยู่กันได้อย่างไร ทั้งๆที่เกิดแรงผลัก

รูปแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด 

แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์
นีลส์โบร์ได้เสนอแบบจำลองอะตอม โดยอาศัยทฤษฎีของพลังค์และอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ ที่เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับความถี่ของคลื่น ( ควอนตัม ) รวมทั้งความรู้เรื่องของเส้นสเปกตรัม

เรื่องเส้นสเปกตรัม
เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงาน จึงขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น ทำให้อะตอมไม่เสถียร อิเล็กตรอนจึงคาย พลังงานเท่ากับพลังงานที่ได้รับเข้าไปพลังงานส่วนใหญ่ที่คายออกอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏเป็นเส้น สเปกตรัม 2. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน อาจมีการเปลี่ยนข้ามขั้นได้ 3. อิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียส 4. ระดับพลังงาต่ำอยู่ห่างกันมากกว่าระดับพลังงานสูง ระดับพลังงานยิ่งสูงขึ้นจะยิ่งอยู่ชิดกันมากขึ้น
สรุปแบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์
1.อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆตามระดับพลังงานและแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุด
ยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น

อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน
n =  1   ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2 , n = 3,…….ตามลำดับ  หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M  ,N  ,O ,  P , Q ….

รูปแบบจำลองอะตอมของนีลโบร์

แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

จากแบบจำลองอะตอมของโบร์ ไม่สามารถอธิบายสมบัติบางอย่างของธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงมีการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาคการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาค

สรุปแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองนี้เชื่อว่า
1. อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่เคลื่อนที่ไปรอบๆนิวเคลียสเป็นรูปทรงต่างๆตามระดับพลังงาน
2. ไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนไ้ด้ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่รวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม
3. อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส บริเวณที่มีหมอกทึบแสดงว่ามีโอกาสพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีหมอกจาง ดังรูปที่แสดงไว้