ฟิสิกส์แผนใหม่chalongc/274111/physicatom1.doc · web view1 ต อข...
TRANSCRIPT
บทท 15ฟสกสอะตอม
การศกษาเรองราวเกยวกบโครงสรางอะตอม เปนการคาดคะเนหรอสนนษฐาน โดยอาศยขอมลทไดจากการทดลองมาเปนแนวทางในการสรางแบบจำาลองของอะตอม เพอนำาแบบจำาลองทคดขนนไปอธบายเรองราวเกยวกบอะตอม
15.1 โครงสรางสสารจากการสงเกตสงตางๆ รอบตวจะพบวา มคณสมบตแตกตาง
กนไป ไมวาจะเปน สถานะ ส สมบตทางเคม จากความแตกตางดงกลาว ไดมนกวทยาศาสตรหลายทานพยายามหาคำาตอบวาเนองจากอะไร
เมอประมาณ พ.ศ. 93 ลซพพส นกปราชญชาวกรกไดเสนอแนวความคดวา ถาระยะทางหรอมวลสารเปนสงทแบงไปไดจำากด เมอแบงตอไปๆ จะไดหนวยทเลกทสดทมองไมเหนเรยกวา อะตอม“ ”
ดโมเครตส (พ.ศ.83-173) นกปราชญชาวกรก ไดขยายแนวความคดเกยวกบโครงสรางของลซพส ออกไปอก และยงเสนอแนวความคดเกยวกบโครงสรางของสสาร โดยกลาววา เมอนำาวตถชนหนงมาแบงยอยๆ เปนชนเลกๆ จนในทสดแบงแยกไมไดอกตอไป เรยกหนวยทเลกทสดวา อะตอม “ ” โดยกลาววา
1.อะตอมของสสารทกชนด จะมเนอของอะตอมเหมอนกน2.แมวาอะตอมของสสารแตละชนดจะมเนอเหมอนกน
แตมขนาด รปราง และการจดเรยงตวทแตกตางกน มผลทำาใหเกดสสารตางชนดกน
3.ระหวางอะตอมเปนทวาง อะตอมสามารถเคลอนทไปมาระหวางทวางนได
1
1
ในเวลาใกลเคยงกนมอกแนวคดหนง เสนอโดยเอมเพโดคลส (ประมาณพ.ศ. 53-113) ซงกลาวสรรพสงในธรรมชาตประกอบดวยสารมลฐานสชนดคอ ดน นำา ลม ไฟ ในอตราสวนตางๆกน และเปนสงทมอยอยางตอเนองไมเปลยนแปลง แนวความคดนเปนทยอมรบของอรสโตเตล (ประมาณ พ.ศ. 159-221) ซงเปนนกปราชญชาวกรก โดยอรสโตเตลกลาววา
1.สสารทกชนดมเนอตอเนองกนไปโดยไมมชองวางในเนอสาร2.สสารทกชนดสามารถแบงเปนชนเลกเทาใดกไมจำากด3.ทกสรรพสงประกอบดวยมลฐาน 4 อยาง คอ ดน นำา
ลม ไฟ โดยสารทกชนดจะมองคประกอบมลฐานนเหมอนกนแตในอตราสวนทแตกตางกนไป สสารชนดหนงเปลยนไปเปนสสารอกชนดหนงได ถาเปลยนองคประกอบมลฐานทงสน
จากความคดของอรสโตเตลน ไดมผพยายามเปลยนสสาร โดยการเปลยนแปลงอตราสวนขององคประกอบพนฐานทงส จดประสงคหลกคอการเปลยนโลหะราคาถกใหเปนโลหะราคาแพง เชนการเปลยนตะกวหรอเหลกใหเปนทองคำา แตไมมผใดทำาได เราเรยกวาชวงเวลานวายค เลนแรแปรธาต“ ” แตผลจากความเขาใจนทำาใหเกดความรทางเคมขนและคนพบสสารมากมาย เชน แอลกอฮอล กรดและเกลอของธาตหลายชนด นอกจากนยงไดประดษฐเครองมอทางเคมขนหลายแบบ ซงบางแบบยงใชจนถงปจจบน
จะเหนวาแนวความคดเกยวกบอะตอมในสมยนนมมาก ซงลวนไดมาจากการจนตนาการ แตไมมแนวคดใดทยอมรบกนวาถกตองทสด และถกเถยงกนเพอหาแบบจำาลองทถกตองจนเวลาผานไปประมาณ เกอบสองพนป
ในศตวรรษท 17 การศกษาและโครงสรางของอะตอมของสาร อยในรปการทดลองมากกวาอยในจนตนาการดงเชนแตกอน
2
2
เชน นกวทยาศาสตรชอ ทอรเชอร (Torricelli) สามารถประดษฐเครองสบอากาศ ซงสามารถสบอากาศออกจากหลอดแกวจนเกอบหมด แสดงใหเหนจรงวาสญญากาศหรอสภาพวางเปลามจรง ประกอบกบการทดลองของกาลเลโอและทฤษฎกลศาสตรของนวตนแสดงใหเหนวา คำาสอนของอรสโตเตลหลายตอนไมจรง ทำาใหความเชอถอตอแนวคดและคำาสอนอรสโตเตลเสอมลง ตอมา นกวทยาศาสตรชอ โรเบรต บอยว (Robert Boyle) คนพบกฏของกาซ ซงกลาววา ทอณหภมคงท ความดนของกาซคณกบปรมาตร“ของกาซมคาคงท โดย” กฎนไดจากสมมตฐานทวา กาซจะประกอบดวยอนภาคเลกๆ ทวงดวยอตราเรวสง จากนนไมนาน นวทยาศาสตรชอ เบอนร (Bernouli) อาศยกฎการเคลอนทของนวตน สามารถพสจนกฎของบอยลโดยไมตองทำาการทดลอง แสดงใหเหนวาสมมตฐานทวากาซประกอบดวยมวลเลก (ซงตอมาเรยกวา โมเลกล)นนเปนจรง นเปนการพสจนครงแรกวา แนวความคดเรองอะตอมเปนจรง ดวยเหตนบอยลจงเสนอความคดวา สารปร“ะกอบทางเคมเกดจากการรวมตวระหวางอนภาคของสารตงแตสองชนดขนไปมารวมกน”
ในศตวรรษตอมา ความรทางเคมไดพฒนาขนมากมาย จนสามารถอธบายคำาบางคำาไดเชน ธาตและสารประกอบ โดยมคำาอธบายวา ธาตคอสารบรสทธ และสารประกอบเกดจากธาตตงแตสองชนดมารวมกนนอกจากนยงมนกเคมหลายทานไดใหแนวความคด จนตงเปนกฎและทฤษฎจนเปนทยอมรบจนถงปจจบน เชน ลาววซเอ นกเคมชาวฝรงเศสไดเสนอ กฎทรงมวลสาร ซงกลาววา ในปฏกรยา“ใดๆ มวลสารรวมกอนและหลงปฏกรยาใดๆยอมมคาเทากน ” และในปลายศตวรรษท 18 ไดคนพบกฎสดสวนคงทซงกลาววา สสาร“เกดจากการรวมตวกนของธาตดวยสดสวนคงท”
จากความรตางๆ ดงกลาวมาน เปนพนฐานให จอนห ดาลตน (John Dalton) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษ ไดตงทฤษฎอะตอมหรอ
3
3
แบบจำาลองขนเปนคนแรกในป พ.ศ 2351 ทฤษฎนเรยกวา “ทฤษฎอะตอมของดาลตน ” มใจความวา
1.สสารยอมประกอบดวยอนภาคขนาดเลก เรยกวา อะตอม “ ” (Atom) ซงจะแบงยอยโดยวธการใดๆ ใหเลกลงไปอก
กวานอกไมไดแลว2.อะตอมของธาตเดยวกนยอมมคณสมบตทางเคมและ
ฟสกสเหมอนกนทกประการ และทกอะตอมของธาตเดยวกนยอมมนำาหนกเทากนดวย
3.อะตอมของธาตตางชนดกน จะมคณสมบตทางเคม ฟสกส และนำาหนกตางกน
4.อะตอมชนดหนงจะเปลยนไปเปนอะตอมชนดอนไมได แตอะตอมของธาตหนงๆ อาจรวมกบอะตอมของธาตอนได ในสดสวนทคงตว เปนเลขลงตวนอยๆ
นอกจากน ดาลตนยงไดแสดงสญญาลกษณอะตอมของธาตบางชนด และแสดงการรวมกนระหวางอะตอมของธาตตางๆ เปนสารประกอบ ดงรป 15.1
รป 15.1 แสดงลญลกษณอะตอมของดาลตน
ออกซเจน ไนโตรเจน
กำามะถน คารบอนกรดซลฟรค
4
4
นกวทยาศาสตรในสมยนนไดทดสอบทฤษฎอะตอมของดาลตน พบวามขอบกพรองหลายประการเชนไมสามารถนำาไปใชอธบายหรอขจดขอสงสยบางประการได ดงสรปตอไปน
1. ทำาไมธาตหนงๆ จงไมทำาปฏกรยากบธาตทกชนด แตจะทำาปฏกรยาเฉพาะบางธาตเทานน และทำาไมธาตตางชนดกน จงมความวองไวในการทำาปฏกรยาตางกน
2. ทำาไมอะตอมของธาตชนดตาง จงมมวลตางกน3. การเกดสารประกอบนน อะตอมของธาตทำาปฏกรยากน
อยางไร และมสงใดยดเหนยวใหอะตอมเกาะกนได4. ทำาไมไฮโดรเจน 1 อะตอมจงทำาปฏกรยากบคลอรนเพยง 1
อะตอม เกดเปน แตออกซเจน 1 อะตอม ตองใชไฮโดรเจน ถง 2 อะตอม จงจะเกดเปนนำา เปนตน
5. อะตอมในสารประกอบอยกนไดอยางไรตอมายงพบความจรงหลายอยาง ทไมเปนไปตามทฤษฎอะตอม
ของดาลตน อาท อะตอมของธาตหนง สามารถทำาใหสลายกลายเปนอะตอมของธาตอกชนดหนงได โดยอาศยวธการทางนวเคลยรและอะตอมของธาตชนดเดยวกนไมจำาเปนตองมคณสมบตเหมอนกน
เราจะสงเกตเหนความตางและความเหมอนของแบบจำาลองอะตอม ของนกปราชญแตละคน ดงน
1. แนวความคดของดโมเครตส และดาลตน เหมอนกนตรงทวา อะตอมเปนสงท เลกทสดแบงแยกไมได (ซงในปจจบนพบวาไมถกตอง)
2. แนวคดของดโมเครตส ตางจากดาลตนตรงทวา ดโมเครตสกลาววาอะตอมของสารทกชนดจะเหมอนกนทกประการ แตดาลตนกลาววาธาตชนดเดยวกนอะตอมเหมอนกน แตธาตตางชนดกนอะตอมจะตางกน
5
5
3. ทฤษฎอะตอมของดโมเครตสเปนผลจากจนตนาการ แตของดาลตนเปนผลมาจากการทดลองซงสรปมาไดจากการทดลองจรงๆ
แนวคดเกยวกบอะตอมของนกปราชญสมยโบราณนน แมจะไมมแนวคดใดทถกตอง แตแนวคดทงหมดเปนพนฐานสำาคญของการศกษาอะตอมตอมาจนถงปจจบน
คำาถามเสรมความเขาใจ1. ใครเปนคนแรกทเสนอทฤษฎอะตอมเปนคนแรก ทฤษฎ
นนมเนอหาอยางไร2. ทฤษฎอะตอมของดาลตนและดโมเครตส ตางกน และ
เหมอนกน อยางไร
15.2 การคนพบอเลกตรอนป พ.ศ. พ.ศ. 2398 นกวทยาศาสตรสามารถประดษฐ
เคร องสบอากาศสำาเรจ เมอใชสบอากาศออกจากหลอดแกวจนเหลอประมาณ 0.01 % ของความดนอากาศ และตอศกยไฟฟาสงๆ เทากบขวของหลอด ( ภายในหลอดมความดนตำา ) จะปรากฏแสงเขยวเรองจางๆ บรเวณผนงหลอด ดงรป 15.2 แตสรปไมไดวา แสงเขยวเรอนนมากจากทใด
รป 15.2 แสดงอปกรณคนพบรงสแคโทด ปตอมา ครกส ไดงอหลอด พบวาแสงเขยวจะเกดมากทผนงหลอดตรงขามกบขวลบ(แคโทด) จงสรปไดวา แสงดงกลาวออก
6
6
จากขวแคโทด เรยกแสงนวา รงสแคโทด ครกสไดศกษาสมบต“ ”ของรงสแคโทดจนพบวา รงสแคโทเดนทางเปนเสนตรงและไมเบยงเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟา ดงรป 15.3
รป 10.3 แสดงหลอดความดนตำาทดดงอ ในป พ.ศ. 2440 ทอมสน ( J.J. Thomson) ชาวองกฤษ
ทดลองและสรปวา รงสแคโทดเปนลำาอนภาคทมประจไฟฟาเปนลบ นอกจากนนทอมสนยงไดทดลองวดประจตอมวล ( ) ของอนภาคนได อนภาคตวนตอมาเรยกวา อเลกตรอน “ ”และยงพบวาโลหะทกชนดใหรงสแคโทดเหมอนกนหมด จงสรปไดวา อะตอมสามารถแบงยอยออกได และอเลกตรอนกคอ องคประกอบหนงของอะตอม
15.3 การทดลองหาประจตอมวลอเลกตรอนของทอมสนทอมสน ไดศกษาคณสมบตของอเลกตรอน จนหาประจ
ตอมวลของอเลกตรอนไดสำาเรจ ดงรายละเอยดดงน1 ตอขวบวกและลบ (ขวแอโนดและแคโทด) ของหลอด
สญญากาศเขากบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสตรงความตางศกยสงมากๆ จะเกดอนภาคหรอรงสแคโทดออกจากขวแคโทด อนภาพแคโทดจะถกเรงดวยความตางศกยระหวาง C กบ A อนภาคแคโทดบางตวจะทะลชองเลกๆ ของทรงกระบอก A และ D พงตรงไปกระทบสารเรองแสงเหนเปนจดเลกๆ ทผนงหลอด ดงรป 15.4
7
7
รปแสดง 15.4 แสดงลำารงสแคโทด 2. ใสสนามแมเหลก ขนาดคงทในทศพงเขาตงฉากกบลำา
รงสแคโทด ดงรป 15.5 จะพบวาจดสวางจะเลอนไปจากตำาแหนงเดม เมอสงเกตจะเหนลำาอนภาคขณะเคลอนทในบรเวณสนามแมเหลกจะโคงเปนวงกลม วดรศมความโคง บนทกไว
รป 15.5 แสดงรงสแคโทดเมอใสสนามแมเหลกทศดงรป
จากรป 15.5 เนองจากอนภาคแคโทดในบรเวณสนามแมเหลกเคลอนทเปนสวนโคงวงกลม ดงนนเนองแรงจากสนามแมเหลก จะเปนแรงสศนยกลาง เขยนในรปสมการไดวา
( 15.1 )เมอ คอขนาดของแรงเนองจากสนามแมเหลก
เทากบ โดย เปนมมระหวางความเรวของอนภาคแคโทด กบสนามแมเหลก
สวน คอขนาดของแรงสศนยกลาง ซงเทากบ โดย คอมวลของอนภาคแคโทดในหนวยกโลกรม สวน คอรศมสวนโคงวงกลมในหนวยเมตร
8
8
เมอแทนในสมการ ( 15.1 ) จะได
( 15.2 )
สมการ ( 15.2 ) จะทำาใหเราหาคาประจตอมวลของอนภาครงสแคโทดได สำาหรบคา และ เราวดไดแลวจากขนตอนทดลองขอ 2 จงขาดแต ซงเราจะหาไดจากขนตอนทดลอง 3
3. ตอแผนโลหะ P และ Q เขากบขวลบและบวกแบตเตอรตามลำาดบ จะเกดสนามไฟฟาทศพงลงในระหวางแผนโลหะ ทำาใหเกดแรงทางไฟฟากระทำากบอนภาคแคโทดในทศตรงขามกบแรงแมเหลก เมอปรบความตางศกยจนแรงทางไฟฟาสมดลกบแรงทางแมเหลก ( ) ซงขณะนนแนวการเคลอนทของอนภาคแคโทดเปนแนวเสนตรงเหมอน ดงรป 15.6
รป 15.6 แสดงแนวทางเดนอนภาคแคโทด เมอสมดลระหวาง และ
จาก เปนแรงกระทำาตออนภาคแคโทดเนองจากสนาม
ไฟฟา หาขนาดแรงนจากสมการ . เมอ เปนประจของอนภาคแคโทด สวน เปนขนาดสนามไฟฟา ณ บรเวณนน
สมการ ( ) เขยนใหมเปน ปรบเปน
(15.3)นำาสมการ( ) แทนสมการ ( ) จะได
9
9
(15.4 )
ในการทดลอง = ความตางศกยระหวางแผนโลหะ หนวย โวลท
= ขนาดสนามแมเหลก หนวย เทสลา ( T)
= รศมความโคง หนวย เมตร ( m )
= ระยะระหวางแผนโลหะ หนวย เมตร ( m )
จากการทดลองทอมสนพบวา ได เสมอ และจากการทดลองน ทอมสนสรปวา แทจรง อะตอม“ยงแบงยอยเลกลงไปไดอก โดยอเลกตรอนเปนสวนประกอบหนว ” ( นอกจากอเลกตรอนแลว ภายในอะตอมอาจมสงอน หรอมเพยงอเลกตรอนอยางเดยว กเปนได )
ตวอยางท 9.1 ในการทดลองของทอมสน พบวาเมอใช รงสแคโทดจะเคลอนทเปนทางโคงวงกลมรศม
9.13 cm แตเมอปอนความตางศกย 322 โวลต แกแผนโลหะขนานซงหางกน 1 cm รงสแคโทดจะเดนทางเปนแนวตรงเหมอนเดม จงหา
วธคด จาก เมอ ;
; แทนคา
10
10
= ตอบ
15.4 การทดลองของมลลแกน แมวาทอมสนจะหาปรมาณประจและมวลของรงส
แคโทด(หรออเลกตรอน )ไมสำาเรจ แตตอมาไมนาน มลลแกน นกฟสกสชาวอเมรกน หาไดสำาเรจ ตามรป 10.6 ก เปนเครองมอทมลลแกนใชทดลอง เมอฉดหรอป มนำามน ละอองหยดนำามนทออกมาแมจะมขนาดแตกตางกน แตขณะตกลงลางอยางมความเรงจะเสยดสกบอากาศเสยความเปนกลางทางไฟฟา เกดประจบวกหรอลบบนหยดนำามน ปรมาณตางๆ กน ถาปอนความตางศกยไฟฟาใหแผนโลหะขนาน AB จะเกดสนามไฟฟาขนาดตามสมการ ทศดงลง สนามไฟฟานจะทำาใหเกดแรงไฟฟากระทำาตอหยดนำามนมขนาดตามสมการ แรงนกระทำาตอหยดนำามนทมประจบวกในทศลง แตมทศขนสำาหรบหยดนำามนทมประจลบ ดงรป 10.6 ข ทำาใหหยดนำามนทมประจบวกตกลงอยางรวดเรว สวนหยดนำามนทมประจลบจะตกชาลง หรออาจลอยขนบน หรออาจอยนง
รป 15.6 แสดงเครองมอของมลลแกน
ในการทดลองแตละครง ตองเลอกหยดทมประจลบหยดใดหยดหนง แลวเพมหรอลดความตางศกยระหวางแผนโลหะขนานจนหยดนำามนทเลอกนนลอยนง หรอลอยลงดวยความเรวคงท หรอลอยขนดวยความเรวคงท อยางใดอยางหนง เพราะในขณะนนผลรวมแรงตางๆทกระทำาตอหยดนำามน(แรงลพธ ) จะเปนศนยตามกฏขอหนงของนวตน ซงเขยนเปนสมการไดวา
11
11
หรอ
ยายขาง ปรบเปน ( 15.5 )
เมอ คอปรมาณประจบนหยดนำามนทงหยด ในหนวยคลอมบ
คอมวลหยดนำามนทงหยด ในหนวยกโลกรม
คอ ความตางศกยระหวางแผนโลหะขนาน ในหนวยโวลท
คอ ระยะหางระหวางแผนขนาน ในหนวยเมตร
จากการทดลองหลายๆ ครง มลลแกนพบวา ปรมาณประจ ทหาได จะเปน หรอ หรอ หรอ
เปนจำานวนเตมเทาของ เสมอ และไมเคยไดคาลกษณะอนเลย
มลลแกนจงสรปได สาเหตทหยดนำามนทมประจลบ เพราะไดรบอเลกตรอนเพมเขามาเปนจำานวน 1 ตว หรอ 2 ตว หรอ 3 ตว หรอเปนจำานวนเตมเทาของตว นนคอประจของอเลกตรอนแตละตวเปน นนเอง
โดยอาศยคาประจตอมวลจากการทดลองของทอมสน มลลแกนสามารถหามวลของอเลกตรอนไดดงน
จาก แทนคา จะได
จากความสำาเรจของมลลแกน ทำาใหเราทราบวาจนถงปจจบน
วา อเลกตรอนมประจชนดลบ เปนปรมาณ และมมวล
12
12
ตวอยางท 10.2 ในการทดลองมลลแกน ตองใชความตางศกดระหวางแผนโลหะ โวลต จงจะทำาใหหยดนำามนมวล
ตกลงดวยความเรวคงท ถาแผนโลหะหางกน 1 เซนตเมตร และไมคำานงแรงตานของอากาศหรอแรงใดๆ
1. หยดนำามนมประจเทาไร 2. หยดนำามนรบอเลกตรอนเขามากตว
วธคด แทนคาในสมการ ( ) หาประจ ดงน ตอบ
และหยดนำามนหยดนรบอเลกตรอน ตว ตอบ15.5 แบบจำาลองอะตอมทอมสน
ในป พ.ศ. 2447 ทอมสน เสนอวา อะตอมในภาวะปกตจะเปนกลางทางไฟฟา ลกษณะเปนทรงกลมโดยมเนอเปนประจบวก และมอเลกตรอนกระจายภายในเปนจำานวนททำาใหผลรวมของประจลบเทากบผลรวมของประจบวก อะตอมของธาตทกชนดประกอบดวยอเลกตรอนและเนออะตอมเหมอนกน แตมจำานวนไมเทากน ดงแสดงในรป 15.7
Z = 1 Z= 3 Z = 2 Z = 4
รป 15.7 แสดงแบบจำาลองอะตอมของทอมสน
แบบจำาลองอะตอมของทอมสน แมสามารถอธบายบางปรากฏการณเกยวอะตอมได แตไมสามารถทำานายสมบตอนๆ ของอะตอม และแบบจำาลองยงมขอบกพรองหลายอยาง เชน อธบายไมไดวาประจบวกในเนออะตอมอยกนไดอยางไร
13
13
15.6 แบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด รทเทอรฟอรด (Sir Earnest Rutherford) นกวทยาศาสตรชาว
องกฤษ ไดทดลองเพอทดสอบแบบจำาลองอะตอมของทอมสน โดยรทเทอรฟอรดเสนอวา ถาอะตอมเปนตามแบบจำาลองของทอมสน เมอยงอนภาคแอลฟาผานอะตอมซงปกตเปนกลางทางไฟฟาเพราะปรมาณประจบวกและประลบเทากน จงมแรงกระทำาตออนภาคแอลฟานอยมาก ทศทางของอนภาคแอลฟาสวนใหญหรอเกอบทงหมดตองไมเบน อาจมบางสวน( นอยมาก ๆ ) ทเบนเปนมมนอย ๆ ไมวาจะยงอนภาคแอลฟาผานอะตอมในทศทางใดกตาม ดงรป 15.8
รปท 15.8 แสดงการกระเจงของอนภาคแอลฟา ถาแบบจำาลองอะตอมของทอมสนเปนจรง
แตเมอทดลองจรงรทเทอรฟอรดพบวา อนภาคสวนใหญไมเบน มบางสวนเทานนทเบน ( เหมอนคาดการณไว) แตทสรางความประหลาดใจใหรทเทอรฟอรดมากกคอ อนภาคแอลฟาสวนนอยทเบนไปนน มทงเบนเปนมมนอย ๆ ไปถงมมโตมาก ๆ และบางตวสะทอนกลบทศตรงขาม ดงรป 15.9 ซงกรณดงกลาวนจะเกดไมได ถาอะตอมเปนตามแบบจำาลองของทอมสน
รป 15.9 แสดงผลการกระเจงจรง ของอนภาคแอลฟา
โดยอาศยขอมลจาการทดลอง รทเทอรฟอรดจงสรปวา ลกษณะอะตอมไมเปนตามแบบจำาลองของทอมสน และยงเสนอ
14
14
แบบจำาลองอะตอมขนใหม โดยเสนอวา อะตอมมแกนกลางเรยกวา “นวเคลยส ” ซงมขนาดเลกมากๆ และมประจบวก สวนอเลกตรอนจะเคลอนทเปนวงๆ รอบ ๆ นวเคลยส ดงตวอยางอะตอมไฮโดรเจน ในรปท 15.10
รปท 15.10 แบบจำาลองอะตอมไฮโดรเจน ของรทเทอรฟอรด
รทเทอรฟอรดสามารถคำานวณรศมอะตอมไดประมาณ เมตร สวนนวเคลยสมเสนผาศนยกลางประมาณ เมตร อยางไรกตามแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดยงมขอบกพรองบางประการทไมสามารถอธบายได ดงตอไปน
1 เหตใดอเลกตรอนจงวงวนรอบนวเคลยสไดโดยไมเสยพลงงาน เพราะตามทฤษฏของแมกเวลลซงกลาววา อนภาคทมประจขณะเคลอนทดวยความเรงจะตองปลดปลอยพลงงานออกมาในรปของคลนแมเหลกไฟฟา ดงนนขณะอเลกตรอนวงวนรอบนวเคลยสซงเปนการเคลอนทดวยความเรง ตองสญเสยและปลดปลอยพลงงานในรปคลนแมเหลกไฟฟาออกมา รศมวงโคจรตองลดลง ๆ จนเขารวมกบนวเคลยสในทสด ดงรป 15.11
15
15
รป 15.11 แสดงอะตอมไมเสถยร
2 เหตใดประจบวกจงอดกนรวมกนอยในนวเคลยสไดซงมขนาดเลกมาก ๆ ได โดยไมแตกกระจาย และถามนอยได จะเรยงตวกนอยางไร เพราะเราทราบดวาประจบวกจะทำาใหเกดแรงผลกทางไฟฟากระทำาระหวางกน ยงประจบวกใกลกนมาก ๆ แรงผลกทางไฟฟายงมากมาย สามารถผลกใหประจบวกแตกกระจายออกจากกนได
15.7 สเปตรมอะตอม ถาใชเกรตตงสองดหลอดบรรจแกสรอน จะเหนเสนเสปกตรม
สวางเปนเสนๆ ไมตอเนองมสตางๆ กน ในป พ.ศ. 2428 บลเมอร (J.J. Balmer ) ชาวสวส พบวาแกสไฮโดรเจนรอนใหเสนสเปกตรมมองเหนดวยตาเปลา 4 เสน คอ สแดง สเขยว สนำาเงน และสมวงตามลำาดบ ตอจากนเปนสเปกตรมตอเนอง ดงรป 15.12 นอกจากน บลเมอรสามารถกำาหนดสมการใชหาความยาวคลนของเสนเสปตรม แตละเสนไดดงน
( 15.6 )
โดย = 364.56 นาโนเมตร และ = 3 , 4 , 5 , 6 ,… เมอใชสมการ ( 15.6 ) คำานวณความยาวคลนทงสเสนของแกสไฮโดรเจนรอน ไดเทากบ
16
16
เมตร เมตร เมตร เมตร ตามลำาดบ นยมเรยก , และ ตามลำาดบ เนองจากความยาวคลนเรยงกนอยางมระเบยบ จงเรยกลมเสนสเปกตรมนวา “อนกรมบาลเมอร” (Balmer series )
รปท 15.12 อนกรมบลเมอร ในชดสเปกตรมไฮโดรเจน
ตอมาในป พ.ศ. 2433 รดเบรก (Rydberg ) ชาวสวเดน ไดคดสมการหาความยาวคลนอนกรมบลเมอรขนใหม ดงน
(15.7)
เมอ คอคาคงทของรดเบอรก (Rydberg constant ) มคาเทากบ และ = 3 , 4 , 5 , 6 ,… ตามลำาดบ เมอแทน = 3 , 4 , 5 และ 6 ในสมการ ( ) จะไดความยาวคลนสเปกตรมของเสนสแดง เขยว นำาเงน และสมวง เทากบคาทคำานวณไดจากสมการ ( ) ของบลเมอร และเมอแทนคา = 7 , 8 , 9 , … , ในสมการ ( ) จะไดความยาวคลนเสนสเปกตรม เสนอนๆ ของอนกรมน ซงความยาวคลนจะลดลงตามลำาดบ จนถงความยาวคลนเสนสดทาย
ซงเทากบ เมตร สวนถดจากนไปจะเปนสเปกตรมตอเนอง เนองจากความยาวคลนสเปกตรม 4 เสนแรกเทานน อยในชวงความยาวคลนทตามนษยรบรได เราจงมองเหนเฉพาะ 4 เสนแรก สวนเสนอน ๆ มองไมเหน
ตอมามผคนพบสเปกตรมของแกสไฮโดรเจนรอนเพมอก 4 อนกรม ซงสามารถใชสมการ ( ) ของรดเบอรกคำานวณ
17
17
หาความยาวคลนแตละเสน ของทกอนกรม ไดถกตอง เมอนำาอนกรมของบาลเมอรมาจดเรยงรวมกบอนกรมทพบเพมอก 4 อนกรม ไดดงน
ชดท 1 เรยกวา “อนกรมไลมาน” (Lyman Series ) มองไมเหนดวยตาเปลาเพราะสเปกตรมทกเสนของอนกรมนมความยาวคลนในชวงรงสเหนอมวง ( Ultra violet ) และหาไดจากสมการ
( 15.8 )
ชดท 2 เรยกวา “อนกรมบาลเมอร” (Balmer serires ) มองดวยตาเปลาเหนเพยง 4 เสนแรกเทานน คอ เสนสแดง เขยว นำาเงน และ มวง เสนอน ๆ มองไมเหนเพราะมความยาวคลนในชวงรงสใตแดง(Infrared) และหาไดจากสมการ
( 15.9 )
ชดท 3 เรยกวา “อนกรมพาสเลน” (Paschen series) ทกเสนมองไมเหนดวยตาเปลาเพราะมความคลนในชวงใตแดง และหาไดจากสมการ
(15.10 )
ชด 4 เรยกวา “อนกรมแบรกเกต ” ทกเสนมองไมเหนดวยตาเปลาเพราะมความคลนในชวงใตแดง และหาไดจากสมการ
( 15.11)
ชด 5 เรยกวา “อนกรมฟนด”(Pfund series)
18
18
( 15.12 )
เนองจากไฮโดรเจนเปนธาตเบาทสด สเปกตรมทออกมาจงสมพนธโดยตรงกบโครงสรางภายในของอะตอมไฮโดรเจน
ตวอยางท 15.3 จงหาความยาวคลนสเปกตรมเสนแรกและเสนสดทาย ของอนกรม ไลมาน และ แบรกเกต วธทำา หาความยาวคลนเสนแรก ของอนกรมไลมาน โดยแทน
ลงในสมการ(15.8)
หาความยาวคลนเสนสดทาย ของอนกรมไลมาน โดยแทน ลงในสมการ(15.8)
หาความยาวคลนเสนแรก ของอนกรมแบรกเกต โดยแทน ลงในสมการ(15.11)
หาความยาวคลนเสนสดทาย ของอนกรมแบรกเกต โดยแทน ลงในสมการ(15.11)
19
19
20
20