คุณสมบัติบางประการของอะตอม

1. คุณสมบัติบางประการของอะตอม
(Some Properties of Atoms)
นายวุฒิพงษ์ ทับกระโทก

2. นักปราชญ์ชาวกรีก
ดิโมคริตุส (Demokritos)
อะตอม มาจากภาษากรีกว่า"atomos" ซึ่งแปลว่า "แบ่งแยกอีกไม่ได้"
โครงสร้างของอะตอมตามแนวคิดของดีโมคริตุส

3. John Dalton (ค.ศ.1766-1844)
1. สารต่างๆ ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกอีก
ไม่ได้ และสร้างขึ้นหรือทาให้สูญหายไปไม่ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีสมบัติเหมือนกันทุกประการทั้งกายภาพ
และเคมี แต่จะแตกต่างจากอะตอม
ของธาตุอื่น ๆ
3. สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป
และมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย และอะตอมของธาตุสอง
ชนิดอาจรวมตัวกันด้วยอัตราส่วนต่างๆ กัน เกิดเป็นสารประกอบ ได้หลาย
ชนิด เช่น CO2 , SO2, CH4,H2O2, C2H5OH
“ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมตันที่มีขนาดเล็กที่สุดและ
ไม่สามารถแบ่งแยกได้และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทา
ให้สูญหายไปได้ ”
แบบจาลองอะตอมของดอลตัน

4. Joseph John Thomson (ค.ศ. 1856 – 1940)
การนาไฟฟ้ าของแก๊สในหลอดรังสีแคโทด
** ก๊าซนาไฟฟ้ าได้เมื่ออยู่ในสภาวะที่มีความดันต่า
และความต่างศักย์สูงมาก

5. ดัดแปลง
เพิ่มขั้วไฟฟ้ า
ZnS
(
+
)
(-)
ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด
รังสีแคโทดบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า

6. ทอมสัน สรุปว่า “รังสีจากแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ”
เรียกว่า อิเล็กตรอน (e)
ทอมสันเปลี่ยนแก๊ส และเปลี่ยนโลหะ
คานวณหาอัตราส่วนประจุต่อมวล(e/m)
ได้เท่าเดิมทุกครั้ง
ซึ่งเท่ากับ 1.76 x 108 คูลอมบ์/กรัม

7. แบบจาลองอะตอมของทอมสัน
“อะตอม เป็นทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวกและ
อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ กระจายอยู่อย่างสม่าเสมอ ในอะตอมที่เป็นกลางทาง
ไฟฟ้าจะมีจานวนโปรตอนเท่ากับจานวนอิเล็กตรอน”

8. Robert Andrews Millikan (ค.ศ. 1868 – 1953)
โดยทดลองหยดน้ามัน
การหาประจุและมวลของอิเล็กตรอน
เครื่องพ่นหยดน้ามัน
มิลลิแกนคานวณหาค่าประจุอิเล็กตรอน(e)
เท่ากับ1.6 x 10-19 คูลอมบ์ เสมอ
แผ่นประจุบวก
แผ่นประจุลบ

9. Ernest Rutherford (ค.ศ.1871-1937)
ร่วมกับเพื่อนร่วมงานชื่อ ฮันส์ ไกเกอร์ และ
นักศึกษาปริญญาตรีชื่อ เออร์เนส มาร์สเดน
ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคา
การทดลอง
ผลการทดลอง

10. สรุปผลการทดลอง
• ส่วนใหญ่จะเดินทางเป็นเส้นตรง แสดงว่าภายในอะตอมมีที่ว่างมาก
• ส่วนน้อยจะมีการเบี่ยงเบนทิศทาง แสดงเฉียดเข้าใกล้อนุภาคที่มีประจุบวก
• นาน ๆ ครั้งจะมีการสะท้อนกลับอย่างแรงแสดงว่าภายในอะตอมมีอนุภาคที่
มีมวลและขนาดเล็ก
แบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
“อะตอม เป็ นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุ
เป็ นบวก มีมวลมาก รวมกันอยู่ตรงกลาง เรียกว่า
นิวเคลียส และนิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก ส่วนอิเล็กตรอน
ที่มีประจุเป็ นลบ มีมวลน้อย จะเคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ
นิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง”
เมื่อทาการทดลองอีกชุดพบว่าค่าประจุของ โปรตอน
เท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ และมีมวลเท่ากับ 1.67 x 10-24 กรัม

11. ทฤษฎีอะตอมของโบร์
นีลส์ โบร์ (Niels Bohr)
ได้เสนอทฤษฎีที่อธิบายสเปกตรัมแบบเส้นของอะตอมไฮโดรเจนได้สาเร็จ
ซึ่งสมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมไฮโดรเจนของโบร์อาจสรุปได้คือ
1. อิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมใดๆ จะเคลื่อนที่ในตาแหน่งที่แน่นอนรอบนิวเคลียสเป็นวง
โคจร ระยะระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสมีค่าคงที่
อะตอมไฮโดรเจน

12. 3. อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานหนึ่งๆ จะหมุนเป็นวงโคจรรอบนิวเคลียสคล้าย
ระบบสุริยจักรวาล
4. อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่า จะอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากกว่า
อิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานต่า
2. อิเล็กตรอนที่อยู่ในตาแหน่งคงที่ จะไม่แผ่รังสีพลังงานแต่ถ้าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จาก
ระดับพลังงานสูงมาสู่ตาแหน่งที่มีระดับพลังงานต่า จะแผ่รังสีพลังงานออกมา ซึ่งมีค่า
เท่ากับผลต่างระหว่างระดับพลังงานทั้งสอง คือ

13. n เป็นเลขจานวนเต็ม เรียกว่า เลขควอนตัมหลัก (principal quantum number)
แบบจาลองอะตอมของโบร์ดังกล่าวยังสามารถใช้ได้ดีกับอะตอมที่คล้ายกับ
ไฮโดรเจน เช่น He+ ,Li2+ หรือ Be3+ เป็นต้น

14. “ อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อยู่ภายในนิวเคลียส ส่วนอิเล็กตรอน
วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ในแต่ละชั้นมีระดับพลังงานเฉพาะค่าหนึ่ง ลักษณะ
คล้ายวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ซึ่งพลังงานระดับต่าสุดจะอยู่ใกล้
นิวเคลียสมากที่สุด และอิเล็กตรอนที่วงนอกสุดจะมีพลังงานมากที่สุด”
แบบจาลองอะตอมของ นิลส์ โบร์

15. ประโยชน์ที่เราสามารถนาไปประยุกต์ใช้ได้จากงานของโบร์
1. ธาตุทุกธาตุเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้น จะเปล่งแสงออกมาได้เฉพาะตัว จึงมี
ประโยชน์อย่างมากในงานเคมีวิเคราะห์ เพื่อระบุว่าตัวอย่าง (sample) นั้นมีอะตอม
ของธาตุใดเป็นองค์ประกอบ
2.หลอดไฟ แสงจากหลอดไฟเกิดจากการระดมยิงอะตอมของธาตุเช่น
ปรอท, โซเดียม ด้วยอิเล็กตรอน ดังสมการ
Hg + พลังงาน -> Hg*
Hg* -> Hg + แสงสีเขียวอมฟ้ า

16. จุดอ่อนทฤษฎีของโบร์และการค้นคว้าหาทฤษฎีใหม่
ทฤษฎีของโบร์ใช้อธิบายได้กับสเปกตรัมของอะตอมหรือ
ไอออนที่มีเพียง 1 อิเล็กตรอน เช่น H, He+, Li+ แต่ใช้อธิบายสเปกตรัม
ทั่วไปที่มีหลายอิเล็กตรอนไม่ได้ นอกจากนั้นตามทฤษฎีของโบร์จะ
อธิบายโครงสร้างของอะตอมในระดับสองมิติเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์
จึงค้นคว้าทดลองหาข้อมูลต่างๆ เพื่อใช้อธิบายโครงสร้างของอะตอม
ให้ถูกต้องยิ่งขึ้น

17. คุณสมบัติบางประการของอะตอม
อะตอมมีความเสถียร
โดยพื้นฐานอะตอมทั้งหมดมีรูปแบบที่มีอยู่ในโลกของเราที่ดารงอยู่โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงหลายพันล้านปี
อะตอมมีการรวมกัน
อะตอมรวมกันในรูปแบบโมเลกุลที่มีความเสถียรและรวมในรูปแบบของโครงสร้างของแข็ง

18. อะตอมอยู่ร่วมกันเป็ นระบบ
รูปที่ 40-2 แสดงตัวอย่างของคุณสมบัติซ้าของธาตุในการทางานของตาแหน่งในตารางธาตุ จากรูปเป็นพล็อต
พลังงานไอออไนเซชัน ขององค์ประกอบ; พลังงานที่จาเป็นในการปลดปล่อยมากที่สุด อิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้หลวม
จากอะตอมที่เป็นกลางเป็นพล็อตเป็นหน้าที่ของที่ ตาแหน่งในตารางธาตุขององค์ประกอบที่อะตอม ความคล้ายคลึง
กันที่โดดเด่นในคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพขององค์ประกอบในแต่ละคอลัมน์แนวตั้งของตารางธาตุที่มีหลักฐาน
พอที่จะทาให้อะตอมที่มีสร้างขึ้นตามกฎระเบียบอย่างเป็นระบบ
รูปที่. 40-2

19. องค์ประกอบที่จะจัดในตารางธาตุหกชั้นครบถ้วนแต่ละช่วงเวลา (และเป็นระยะเวลาที่ไม่
สมบูรณ์ที่เจ็ด) ยกเว้นสาหรับครั้งแรกที่จะเริ่มต้นในแต่ละช่วงเวลา ที่ด้านซ้ายที่มีโลหะอัลคาไล
ปฏิกิริยาสูง (ลิเธียม โซเดียมโพแทสเซียม และอื่น ๆ) และสุดท้ายทางขวาที่มีแก๊ส
เฉื่อยทาปฏิกิริยาทางเคมี (นีออนอาร์กอนคริปทอน และอื่น ๆ ) ควอนตัมฟิสิกส์คิดเป็นสัดส่วน
คุณสมบัติทางเคมีขององค์ประกอบเหล่านี้
ตัวเลขขององค์ประกอบในแต่ละช่วงมีหกช่วงคือ 2, 8, 8,
18, 18, และ 32. ควอนตัมฟิสิกส์คาดการณ์ตัวเลข
เหล่านี้

20. อะตอมเปล่งแสงและดูดกลืนแสง
เราได้เห็นแล้วว่าอะตอมสามารถอยู่เฉพาะสถานะควอนตัมที่ไม่ต่อเนื่องในแต่ละสถานะมี
พลังงานบางอย่างที่ อะตอมสามารถทาให้การเปลี่ยนแปลงจากสถานะหนึ่งไปยังสถานะอื่นโดย
การเปล่งแสง(เพื่อข้ามไปยังระดับพลังงานที่ต่ากว่า Elow) หรือโดยการดูดกลืนแสง (เพื่อข้ามไป
ยังระดับพลังงานที่สูงกว่า Ehigh) ดังที่เรากล่าวถึงตั้งแต่แรกในส่วน 39-3, แสงถูกปล่อย
ออกมาหรือถูกดูดกลืนเป็น โฟตอนที่มีพลังงาน
hf = Ehigh - Elow (40-1)
ดังนั้นปัญหาการหาความถี่ของแสงที่ปล่อยออกมาหรือถูกดูดกลืนโดยที่อะตอมจะช่วยลดปัญหา
การหาพลังงานของสถานะควอนตัมของอะตอมนั้น. ควอนตัมฟิสิกส์ช่วยให้เราในหลักการที่น้อย
ที่สุดในการคานวณพลังงานเหล่านี้

21. รูปที่. 40-3
อะตอมมีโมเมนตัมเชิงมุมและแม่เหล็ก
รูปที่ 40-3 แสดงให้เห็นว่าอนุภาคที่มีประจุลบไปในวงโคจรคงที่เป็นวงกลมรอบศูนย์กลาง
ดังที่เราได้กล่าวไว้ในส่วน 32-7, อนุภาคโคจรมีทั้งโมเมนตัมเชิงมุม L และ
(เพราะเส้นทางของมันเทียบเท่ากับวงเล็ก ๆ ในปัจจุบัน) ต่อขั้วแม่เหล็ก µ รูป 40-3
แสดงเวกเตอร์ที่ L และ µ มีมีทั้งแนวตั้งฉากกับระนาบวงโคจร แต่เพราะประจุเป็นลบ
ในชี้ทิศทางตรงข้าม

22. รูปที่. 40-3
รูปแบบของรูป 40-3 กาหนดอย่างเข้มงวดให้แบบปกติและไม่ต้องเป็นตัวแทน
ของอิเล็กตรอนในอะตอม ในฟิสิกส์ควอนตัมรูปแบบวงโคจรชนิดแข็งได้รับแทนที่
ด้วยความน่าจะเป็นรูปแบบความหนาแน่นมองเห็นที่ดีที่สุดเป็นพล็อตจุด ใน
ควอนตัมฟิสิกส์ แต่ก็ยังคงเป็นความจริงที่ว่าโดยทั่วไปแต่ละสถานะควอนตัมของ
อิเล็กตรอนในอะตอมเกี่ยวข้องกับโมเมนตัมเชิงมุม L และเป็นช่วงเวลาที่ขั้วของ
สนามแม่เหล็ก µ ที่มีทิศทางตรงข้าม (ปริมาณเวกเตอร์เหล่านั้นเป็นคู่)
อะตอมมีโมเมนตัมเชิงมุมและแม่เหล็ก

23. การทดลองของ Einstein-de Haas
รูปที่. 40-4
ในปี 1915 ก่อนที่จะมีการค้นพบของฟิสิกส์ควอนตัม,
Albert Einstein และนักฟิสิกส์ชาวดัทช์ W. J. de Haas
ดาเนินการออกแบบการทดลองมาเพื่อแสดงให้เห็นว่า
โมเมนตัมเชิงมุมและโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแต่ละคู่
Einstein และ de Haas ได้แขวนกระบอกเหล็กจาก
เส้นใยบาง ๆ ที่แสดง ในรูป 40-4 โซเลนอยด์ถูกนามาวางรอบ
ถัง แต่ไม่ได้สัมผัสกัน ในขั้นต้นในช่วงเวลาที่ขั้วแม่เหล็ก µ ของ
อะตอมของจุดในถัง ทิศทางแบบสุ่มและเพื่อให้ผลกระทบ
แม่เหล็กภายนอกของพวกเขาเสียหาย (รูป. 40-4a)

24. รูปที่. 40-4
แต่เมื่อกระแสเปิดอยู่ในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้ า (รูป. 40-4b)
เพื่อให้ สนามแม่เหล็ก B ที่มีการตั้งค่าขนานไปตามแนวยาว
ของกระบอก ช่วงเวลาที่ขั้วแม่เหล็กของอะตอมของกระบอกสูบ
ลิ่วตัวเองเป็นแถวด้วยสนามแม่เหล็ก หากโมเมนตัมเชิงมุม L
ของแต่ละอะตอมคู่กับแม่เหล็ก ขณะที่ µ แล้วช่วงเวลาที่การ
จัดตาแหน่งของแม่เหล็กอะตอมนี้จะต้องทาให้เกิดการ การจัด
ตาแหน่งของอะตอมชั่วขณะที่มุมตรงข้ามสนามแม่เหล็ก
การทดลองของ Einstein-de Haas

25. รูปที่. 40-4
ไม่มีแรงบิดภายนอกในขั้นต้นมากระทาในถัง ดังนั้นโมเมนตัม
เชิงมุมยังคงอยู่ที่ค่าเป็นศูนย์เริ่มต้น แต่เมื่อเปิดอยู่และอะตอม
เส้นเชิงมุม สักครู่เกิดแบบขนานทิศทางสวนกัน ขึ้นไป B มี
แนวโน้มที่จะให้โมเมนตัมเชิงมุมสุทธิ L ในกระบอกโดยรวม
(กากับลงในรูป. 40-4b) เพื่อรักษาโมเมนตัมเชิงมุมศูนย์
กระบอกจะเริ่มหมุนรอบแกนกลางในการเกิดโมเมนตัมเชิงมุม
Lrotในทิศทางตรงกันข้าม (รูป. 40-4b)
การทดลองของ Einstein-de Haas

26. หากไม่มีเส้นใยทรงกระบอกจะยังคงหมุนตราบเท่าที่สนามแม่เหล็กที่มีอยู่ อย่างไรก็ตามการบิดของเส้นใย
ได้อย่างรวดเร็วผลิตแรงบิดที่หยุดชั่วขณะหมุนทรงกระบอกและจากนั้นหมุนกระบอกในตรงข้าม
ทิศทางไม่มีการบิด หลังจากนั้นเส้นใยจะบิดและ ไม่บิด เป็นกระบอกสั่น เกี่ยวกับการวางแนวทางเบื้องต้น
ในการเคลื่อนไหวแบบฮาร์มอนิคเชิงมุมง่าย
การสังเกตของการหมุนของกระบอกว่าโมเมนตัมเชิงมุมและ ขณะที่ขั้วของสนามแม่เหล็กของอะตอมเป็น
คู่ในทิศทางตรงข้าม นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงอย่างมากว่าการเคลื่อนที่เชิงมุมที่เกี่ยวข้องกับ สถานะ
ควอนตัมของอะตอมจะส่งผลให้สามารถมองเห็นได้ในการหมุนของวัตถุที่มีในชีวิตประจาวัน
การทดลองของ Einstein-de Haas

27. การนาความรู้เรื่องอะตอมไปใช้ประโยชน์
 ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ
 เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่(galaxy), ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่าง ๆ โดยพิจารณาจาก
การศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว
 พลังงานอะตอม จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์