แบบจําลองอะตอม - rmutphysics · 2015-11-18 ·...

แบบจาลองอะตอม

โดย ครเกษศรนทร พลหาญ

กลมสาระการเรยนรวทยาศาสตร

โรงเรยนทพราชวทยา

ดโมครตส และลซพปส นกปราชญชาวกรกเชอวาถา

แบงสารใหมขนาดเลกลงเรอยๆ ในทสดจะไดหนวย

ยอย ซงไมสามารถแบงใหเลกลงไดอก และเรยก

หนวยยอยนวา อะตอม

อะตอม (Atom) คอ หนวยพนฐานของสสาร

ภาพจาลองอะตอมของทองคาทสรางขนจากเครองมอ

atomic force microscope (AFM)

มารจกแบบจาลองอะตอมกนกอนเลยจะ

แบบจาลองอะตอม คอ มโนภาพทนกวทยาศาสตรสรางขน

เพออธบายลกษณะของอะตอม โดยไดจากการแปลผลจาก

ขอมลทไดจากการทดลอง และนามาสรางเปนมโนภาพหรอ

แบบจาลอง

ทฤษฎอะตอมของดอลตน

1.ธาต ประกอบดวยอนภาคเลกๆ เรยกวา อะตอม อะตอม

แบงแยกและทาใหสญหายไมได

2. อะตอมของธาตชนดเดยวกนมสมบตเหมอนกน แตมสมบต

แตกตางจากอะตอมของธาตอน

3. สารประกอบ เกดจากอะตอมของธาตมากกวาหนงชนดทา

ปฏกรยากนในอตราสวนทเปนเลขลงตวนอยๆ

แบบจาลองอะตอมของดอลตน มลกษณะเปนทรงกลมทบตน

การนาไฟฟาของของแขง ของเหลว และกาซ

การนาไฟฟาของกาซ

กาซทภาวะปกตไมนาไฟฟา แตกาซจะนาไฟฟาไดเมออย

ในภาวะ

1. ลดความดนของกาซใหตามากๆ

2. เพมความตางศกดระหวางขวไฟฟาใหสงมากๆ

การทดลองเกยวกบรงสแคโทดพบวา เมอลดความดนของกาซใหตามากๆและเพมความตางศกยระหวาง

ขวไฟฟาใหสงมากๆ จะมรงสแคโทดพงมาจากขวแคโทดไปยงแอโนด

ภาพการทดลองของออยเกน โกลดชไตน

จากการทดลองหลายครง ๆ

- โดยการเปลยนชนดของแกสในหลอดแกว ปรากฏวาอนภาคทมประจ

บวกเหลานม อตราสวนของประจตอมวลไมเทากน ขนอยกบชนดของ

แกสทใช

- เมอทดลองโดย เปลยนโลหะทใชทาขวไฟฟาหลาย ๆ ชนด แตใชแกส

ในหลอดแกวชนดเดยวกน ปรากฏวาผลการทดลองได อตราสวนของ

ประจตอมวลเทากน

*แสดงวาอนภาคบวกในหลอดรงสแคโทดเกดจากแกส ไมไดเกด

จากขวไฟฟา

- เมอผานรงสนไปยงสนามแมเหลกและสนามไฟฟา รงสนจะเบยงเบนไปในทศทางตรงขามกบรงสแคโทด แสดงวารงสนประกอบดวยอนภาคทมประจไฟฟาเปนบวก

- อนภาคทมประจบวกเหลานมอตราสวนประจตอมวล (e/m) ไมคงท และถาบรรจแกสไฮโดรเจนไวในหลอดรงสแคโทด จะไดอนภาคทมประจไฟฟาบวกเทากบประจไฟฟาลบ เรยกอนภาคบวกในรงสแคแนลของไฮโดรเจนวา “โปรตอน”

“โปรตอน” มอนภาคทมประจเปน

บวก มมวล 1.66 x 10-24 g

สรปการทดลองของออยเกน โกลดชไตน

1. พบอนภาคทมประจบวก

2. ประจบวกเหลานมอตราสวนประจ/มวลไมคงท ขนกบ

ชนดของแกสทบรรจในหลอดรงสแคโทด

3. เรยกประจบวกนวา โปรตอน

การทดลองของทอมสน

การทดสอบสมบตของรงสแคโทด

สรปการทดลองของทอมสน

1. รงสแคโทดประกอบดวยอนภาคทมประจลบ

2. หาอตราสวนประจ/มวล ไดคาคงทเทากบ

1.76 X 108 คลอมบตอกรม

3. อะตอมทกชนดประกอบดวยอนภาคทมประจลบเปน

องคประกอบ เรยกอนภาคนวา อเลกตรอน

แบบจาลองอะตอมของทอมสน

อะตอมเปนรปทรงกลม ประกอบดวยเนออะตอมซงมประจ

บวกและมอเลกตรอนซงเปนประจลบกระจายอยทวไป

อะตอมในสภาพทเปนกลางทางไฟฟาจะมจานวนประจบวก

เทากบจานวนประจลบ

การหามวลของอเลคตรอน

ป 2451 รอเบรต แอนดรส มลลแกน หาคาประจของ

อเลคตรอนไดเทากบ 1.60 x 10 -19 คลอมบ

นาไปแทนคาใน e/m = 1.76 X 108 คลอมบตอกรม

หามวลของอเลคตรอนไดเทากบ 9.11 x 10 -28 กรม

ในป พ.ศ. 2453 เซอร เออรเนสต รทเทอรฟอรด (Sir Ernest Rutherford) ไดศกษาแบบจาลองอะตอมของทอมสน และเกด

ความสงสยวาอะตอมจะมโครงสรางตามแบบจาลองของทอมสนจรง

หรอไม โดยตงสมมตฐานวา

“ถาอะตอมมโครงสรางตามแบบจาลองของทอมสนจรง ดงนนเมอยง

อนภาคแอลฟาซงมประจไฟฟาเปนบวกเขาไปในอะตอม แอลฟาทก

อนภาคจะทะลผานเปนเสนตรงทงหมดเนองจากอะตอมมความหนาแนน

สมาเสมอเหมอนกนหมดทงอะตอม”

การทดลองของรทเทอรฟอรด

เพอพสจนสมมตฐานน รทเทอรฟอรดไดทาการทดลองยงอนภาคแอลฟาไปยงแผน

ทองคาบาง ๆ โดยมความหนาไมเกน 10–4 cm โดยมฉากสารเรองแสงรองรบ

ปรากฏผลการทดลองดงน

1. อนภาคสวนมากเคลอนททะลผานแผนทองคาเปนเสนตรง

2. อนภาคสวนนอยเบยงเบนไปจากเสนตรง

3. อนภาคสวนนอยมากสะทอนกลบมาดานหนาของแผนทองคา

แบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด

“อะตอมประกอบดวยนวเคลยสทมโปรตอนรวมกนอยตรง

กลาง นวเคลยสมขนาดเลกแตมมวลมาก และมประจบวก สวน

อเลกตรอนซงมประจลบและมมวลนอยมากวงอย

รอบ ๆนวเคลยส”

การอธบายโครงสรางอะตอมดวยแบบจาลองอะตอมของ

รทเทอรฟอรด

อนภาคมลฐานในอะตอม

การคนพบนวตรอน

เซอรเจมส แชดวก ทดลองยงอนภาคแอลฟาไปยง

โลหะชนดตางๆ พบวามอนภาคซงไมมประจไฟฟา

มมวลใกลเคยงกบโปรตอน อยรวมกบโปรตอนใน

นวเคลยส เรยกชอวา อนภาคนวตรอน

อนภาคมลฐานในอะตอม

เลขอะตอม (Atomic number : Z) เปนคาเฉพาะของ

ธาตแตละชนดแสดงจานวนโปรตอนในนวเคลยส 1

อะตอมของธาตนน ซงอะตอมของธาตชนดเดยวกน

ตองมจานวนโปรตอนเทากนเสมอ

เลขอะตอม (Z) = จานวนโปรตอน (p)

เลขมวล (Mass number, A) เปนตวเลขแสดงผลบวกของ

จานวนโปรตอนกบนวตรอนของธาต

ถาทราบเลขอะตอมจะสามารถหาจานวนนวตรอนของ

อะตอมไดโดยนาเลขอะตอมไปลบเลขมวล

เลขมวล(A) = จานวนโปรตอน (p) + จานวนนวตรอน (n)

ถาทราบเลขอะตอมสามารถหานวตรอนได ดงน

จานวนนวตรอน (n) = เลขมวล (A) - จานวนโปรตอน(p)

หรอ = เลขมวล (A) - เลขอะตอม (Z)

สญลกษณนวเคลยร

สญลกษณนวเคลยร (Nuclear Symbol,X)

คอสญลกษณของธาตทแสดงอนภาคมลฐานของอะตอม

ซงจะเขยนเลขอะตอมแทน จานวนโปรตอนและ

อเลกตรอน ไวทมมซายลางของสญลกษณ และเขยนเลข

มวลไวทมมซายบนของสญลกษณ ดงน

ตวอยางสญลกษณนวเคลยรของธาต

สญลกษณนวเคลยรธาตออกซเจน

(O)

เลขมวล=16 เลขอะตอม= 8

สญลกษณนวเคลยรธาตนออน

(Ne)

เลขมวล=20 เลขอะตอม=10

การคานวณอนภาคมลฐานของอะตอมจากสญลกษณนวเคลยร

อะตอมของธาตเปนกลางทางไฟฟา คอ อะตอมของธาตจะมจานวน

โปรตอนเทากบจานวนอเลกตรอน เชน

จงหาจานวนอนภาคมลฐานของอะตอม

ธาตตอไปน จากสญลกษณนวเคลยร

กาหนดโครงสรางอะตอมของธาต

ฟอสฟอรสใหดงน5

ก.  1615P ข.  1516P

ค.  3115P ง. 3116P

p = 15n = 16

สญลกษณ

นวเคลยรคอขอใด

การหาจานวนอนภาคมลฐานในไอออน

ไอออน คออะตอมทมประจไฟฟา ม 2 ชนด

1. ไอออนบวก เกดจากอะตอมเสยอเลคตรอน

เชน Na เสย 1e เกดเปน Na +

Mg เสย 2e เกดเปน Mg 2+

2. ไอออนลบ เกดจากอะตอมรบอเลคตรอน

เชน Cl รบ 1e เกดเปน Cl -

O รบ 2e เกดเปน O 2-

จากสญลกษณนวเคลยร 3216S2‐ จงพจารณาวาขอใดถกตอง30

ก. ม 18 อเลกตรอน ข. ม 16อเลกตรอน

ค. ม 32 อเลกตรอน ง. ม 14 โปรตอน

ธาต A มโปรตอน 90 นวตรอน 148

ธาต B มโปรตอน 94 นวตรอน 142 ขอใดถกตอง

30

ก. ธาต A มเลขมวล 148

เลขอะตอม 90

ข. ธาต B มเลขมวล 236

เลขอะตอม 142

ค. ธาต A มเลขมวล 238

เลขอะตอม 58

ง. ธาต B มเลขมวล 236  เลขอะตอม 94

ไอโซโทป (Isotope)

หมายถง อะตอมของธาตชนดเดยวกนทมเลข

มวลตางกน (มจานวนอนภาคนวตรอนตางกน)

ตวอยางไอโซโทป

คารบอนม 3 ไอโซโทปคอ 126C 13

6C 146C

ฟอสฟอรส 3115P 32

15P

ธาต 2 ธาตเปนไอโซโทปซงกนและกน มสงใดท

ตางกน

5

ก. เลขอะตอม ข. จานวนอเลกตรอน

ค. จานวนระดบพลงงาน ง. จานวนนวตรอน

ธาต X และ Y เปนธาตไอโซโทปกนธาต X มจานวนโปรตอนเทากบ 10 และมเลขมวลเทากบ

20 ธาต Y มจานวนนวตรอนมากกวาธาต X อย 2

นวตรอน

ขอใดเปนสญลกษณนวเคลยรของธาต Y

60

ก. 2012Y ข. 2210Y

ค.   128Y ง. 1210Y

อะตอมของธาตใดไมมนวตรอน5

ออกซเจน ไฮโดรเจน

ไนโตรเจน อะลมเนยม

คลนแมเหลกไฟฟา

คลนแมเหลกไฟฟา เปนคลนชนดหนงทไมตองใชตวกลางใน

การเคลอนท เชน คลนวทย คลนไมโครเวฟ

ปจจบนมการใชคลนแมเหลกไฟฟาในหลายๆดาน เชน การ

ตดตอสอสาร (มอถอ โทรทศน วทย เรดาร ใยแกวนาแสง) ทาง

การแพทย (รงสเอกซ) การทาอาหาร (คลนไมโครเวฟ) การ

ควบคมรโมท (รงสอนฟราเรด)

คลนมสมบตทสาคญ 2 ประการ คอ

ความยาวคลน (Wave length) และ

ความถของคลน (Frequency)

ความยาวคลน (Wave length) คอ ระยะทางทคลนเคลอนทครบ 1

รอบ

มหนวยเปนเมตร (m) หรอนาโนเมตร (nm)

สญลกษณแทนความยาวคลน คอ แลมบดา (λ).

ความถ (Frequency) คอ จานวนรอบของคลนทเคลอนทผานจด

ใดจดหนงใน 1 วนาท

มหนวยเปนจานวนรอบตอวนาท (s-1) หรอ เฮรตซ (Hz)

สญลกษณแทนความถ คอ นว (v )

คลนแสงเปนคลนแมเหลกไฟฟา มความถและความยาว

คลนตางๆกน แสงทประสาทตาของมนษยสามารถรบรได

เรยกวา แสงทมองเหนได (visible light) แสงในชวงคลนน

จะประกอบดวยแสงสตางๆ กน

ตามปกตประสาทตาของมนษยสามารถสมผสแสงบางชวง

คลนทสองมาจากดวงอาทตยได แตไมสามารถแยกเปนส

ตางๆ ได จงมองเหนเปนสรวมกนซงเรยกวา แสงขาว

ถาแสงขาวสองผานปรซมจะแยกออกเปนแสงสรง

ตอเนองกนเรยกวา แถบสเปกตรมของแสงขาว

แถบสเปกตรมของแสงขาว

มกซ พลงค ไดสรปเกยวกบความสมพนธระหวางพลงงานของ

คลนแมเหลกไฟฟากบความถของคลนวา “พลงงานของคลน

แมเหลกไฟฟาจะเปนสดสวนโดยตรงกบความถของคลน” ดง

ความสมพนธตอไปน

E = h v เมอ E คอ พลงงานมหนวยเปนจล

h คอ คาคงทของพลงค มคา 6.626 x 10-34 จลวนาท

v คอ ความถของคลนแมเหลกไฟฟา มหนวยเปน เฮรตซ

นอกจากนความถของคลนยงมความสมพนธกบความยาวคลน

ดงตอไปน v = c

λ เมอ c คอความเรวของคลนแมเหลกไฟฟาในสญญากาศ ซง

เทากบ 2.997 x 108 เมตรตอวนาท (อาจใช 3.0 x 108 เมตรตอ

วนาท) และ λ คอความยาวคลน ดงนนคาพลงงานของคลน

แมเหลกไฟฟาจงคานวณไดจากความสมพนธดงน

การทดลอง 1.1

การศกษาสของเปลวไฟจากสารประกอบ

และเสนสเปกตรมของธาตบางชนด

ผลการทดลองเผาสารประกอบ

สารประกอบ สเปลวไฟ สารประกอบ สเปลวไฟ

โซเดยมคลอไรด สเหลอง แบเรยมคลอไรด สเหลองอมเขยว

โซเดยมซลเฟต สเหลอง แบเรยมไนเตรด สเหลองอมเขยว

แคลเซยมคลอไรด สแดงอฐ คอปเปอร(II)คลอไรด สเขยวฟา

แคลเซยมไนเตรด สแดงอฐ คอปเปอร(II)ซลเฟต สเขยวฟา

สรป

1. ถาสารประกอบทมธาตองคประกอบเปนโลหะชนดเดยวกนจะใหสของ

เปลวไฟธาตเหมอนกน ถาสารประกอบทมธาตองคประกอบเปนโลหะ

ตางชนดกนจะใหสของเปลวไฟธาตตางกน โดยโลหะ แตละชนดใหส

ของเปลวไฟดงน

Na+ สเหลอง Ba2+ สเหลองเขยว

Ca2+ สแดงอฐ Li+ สแดงสด

Cu2+ สเขยวฟา K+ สมวง

ผลการทดลองตรวจสเปกตรมของแสงขาว

เปรยบเทยบสเปกตรมของแสงอาทตยและแสงจากหลอดฟลออเรสเซนต

จะพบวาสเปกตรมทเหนจากแสงอาทตยมลกษณะเปนแถบตอเนองกน

เรยกวาแถบสเปกตรม สวนสเปกตรมทไดจากแสงของหลอดฟลออเรส

เซนตนนจะเหนแถบสเปกตรมของแสงขาวจากดวงอาทตยเปนพนแลว

ยงเหนเสนสเปกตรมสเขยวปรากฏชดเจนอยบนแถบสเปกตรมสเขยว

อยางชดเจน ซงเสนสเปกตรมทเหนนเปนสเปกตรมทเกดจากธาตท

บรรจในหลอดฟลออเรสเซนต

เสนสเปกตรมของธาตชนดตางๆ

สรป

จากการตรวจสเปกตรมของธาตชนดตางๆพบวาธาตแตละชนดจะใหชด

ของสเปกตรมแตกตางกน ซงเปนสมบตเฉพาะตวของธาตนน

เชนธาตไฮโดรเจนจะใหสเปกตรมในชวงแสงขาว 4 เสนคอ

มวง นาเงน ฟา แดง

การนาเสนสเปกตรมไปแปลความหมาย

เสนสเปกตรมของไฮโดรเจนในชวงแสงขาว

อธบายการเกดเสนสเปกตรม

อเลคตรอนในภาวะปกตจะอยทสถานะพน (Ground State) ซงม

พลงงานตาสด เมอกระตนอะตอม อเลคตรอนจะมพลงงานสงขนจงไป

อยทสถานะกระตน (Excite State) มผลทาใหอะตอมไมเสถยร อเลคตรอ

นจงคายพลงงานเพอกลบสสถานะพนเชนเดม พลงงานทคายออกม

ความถเฉพาะคาหนง ปรากฏเปนเสนสเปกตรมเกดขน

อเลคตรอนสามารถเปลยนระดบพลงงานไดหลายระดบ จงเกดเสน

สเปกตรมไดหลายเสน

เสนสเปกตรมของไฮโดรเจนในชวง UV ชวงแสงขาว

และชวง IR

การเปลยนระดบพลงงานของอเลคตรอนจะตองอยท

ระดบพลงงานนนๆ จะเปลยนไปอยระหวางขนไมได

เปรยบเหมอนการขนขนบนได

ระดบพลงงานในแตละขนมผลตางของระดบพลงงานไมเทากน

ระดบพลงงานยงสงขน ผลตางยงนอย

This image cannot currently be displayed.

This image cannot currently be displayed.

เสนสเปกตรม ความยาวคลน พลงงาน (kJ) ผลตางพลงงาน (kJ)

สมวง 410 4.84x10-22

สนาเงน 434 4.57x10-22

สนาทะเล 486 4.08x10-22

สแดง 656 3.02x10-2210.6 X 10 -23

4.9 X 10 -23

2.7 X 10 -23

จากการศกษาเรองสเปกตรมทาใหไดขอสรปวา

1. เมออเลกตรอนไดรบพลงงาน อเลกตรอนจะขนไปอยในระดบพลงงาน

ทสงขน แตจะอยในระดบพลงงานใด กขนอยกบปรมาณพลงงานท

ไดรบ การทอเลกตรอนขนไปสระดบพลงงานใหม ซงมพลงงาน

สงขน ทาใหอะตอมไมเสถยร อเลกตรอนจงเขามาอยในระดบพลงงาน

ทตากวาในการเปลยนตาแหนงอเลกตรอนจะคาย พลงงานออกมาใน

รปคลนแมเหลกไฟฟา เมอสองดวยสเปกโทรสโคปจะปรากฏเปนเสน

สเปกตรม

2. อเลกตรอนอาจมการเคลอนทในชนตาง ๆ ได โดยไมจาเปนตองเปนชน

ทอยตดกน จงเปนเหตใหมเสนสเปกตรมสตาง ๆ

3. ภายในอะตอมจะแบงพลงงานเปนชนๆ โดยระดบพลงงานตาจะอยใกล

นวเคลยส ระดบพลงงานสงอยไกลนวเคลยส ดงนนอเลกตรอนในระดบ

พลงงานตาจะอยใกลนวเคลยส อเลกตรอนในระดบพลงงานสงจะอยไกล

นวเคลยส

4. ระดบพลงงานตาอยหางกน ระดบพลงงานสงจะอยชดกนมากขน

แบบจาลองอะตอมของโบร

นลย โบร ไดสรางแบบจาลองอะตอมใหม ซงมลกษณะคลายกบ

แบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด แตแตกตางกนเรองการจดเรยง

อเลกตรอน ดงนนอะตอมประกอบดวยโปรตอนและนวตรอนรวมกน

เปนนวเคลยส โดยมอเลกตรอนวงรอบๆ นวเคลยสเปนชน ๆ ตามระดบ

พลงงาน ฉะนนแบบจาลองอะตอมของโบร จงคลายกบวงจรของดาว

เคราะหรอบดวงอาทตย และเรยกระดบพลงงานทใกลนวเคลยสทม

พลงงานตาทสดนวาชน K และชนถดๆ ไปเปน L และ M ตามลาดบ

ดงรป

ภาพแบบจาลองอะตอมของโบร

แบบจาลองอะตอมกลมหมอก

แบบจาลองอะตอมของโบร ใชอธบายเกยวกบเสนสเปกตรมของธาต

ไฮโดรเจนไดด แตไมสามารถอธบายเสนสเปกตรมของอะตอมทมหลาย

อเลกตรอนได จงไดมการศกษาเพมเตมทางกลศาสตรควอนตม แลว

สรางสมการสาหรบใชคานวณ โอกาสทจะพบอเลกตรอนในระดบ

พลงงานตาง ๆ ขนมา จนไดแบบจาลองใหม ทเรยกวาแบบจาลองอะตอม

แบบกลมหมอก

อเลกตรอนเคลอนทรอบนวเคลยสอยางรวดเรว ดวยรศมไมแนนอนจง

ไมสามารถบอกตาแหนงทแนนอนของอเลกตรอนไดบอกไดแตเพยง

โอกาสทจะพบอเลกตรอนในบรเวณตาง ๆ ปรากฏการณแบบนเรยกวา

กลมหมอกของอเลกตรอน บรเวณทมกลมหมอกอเลกตรอนหนาแนนจะ

มโอกาสพบอเลกตรอนมากกวาบรเวณทเปนหมอกจาง

การเคลอนทของอเลกตรอนรอบนวเคลยสอาจเปนรปทรงกลมหรอรป

อน ๆ ขนอยกบระดบพลงงานของอเลกตรอน แตผลรวมของกลมหมอก

ของอเลกตรอนทกระดบพลงงานจะเปนรปดงภาพ

แบบจาลองอะตอมแบบกลมหมอก

สรปแบบจาลองอะตอมแบบกลมหมอก

1.อเลกตรอนไมสามารถวงรอบนวเคลยสดวยรศมทแนนอน บางครงเขาใกลบางครงออกหาง จงไมสามารถบอกตาแหนงทแนนอนได แตถาบอกไดแตเพยง ทพบอเลกตรอนตาแหนงตางๆภายในอะตอมและอเลกตรอนทเคลอนทเรวมากจนเหมอนกบอเลกตรอนอยท วไปในอะตอมลกษณะนเรยกวา "กลมหมอก"

2.กลมหมอกองอเลกตรอนในระดบพลงงานตางๆจะมรปทรงตางกนขนอยกบจานวนอเลกตรอน และระดบพลงงานอเลกตรอน

3.กลมหมอกทมอเลกตรอนระดบพลงงานตาจะอยใกลนวเคลยสสวนอเลกตรอนทมระดบพลงงานสงจะอยไกลนวเคลยส

4.อเลกตรอนแตละตวไมไดอยในระดบพลงงานใดพลงงานหนงคงท

5.อะตอมมอเลกตรอนหลายๆระดบพลงงาน