ch13 mp2 atom&nucleus[2]

1

13.2 อะตอมและนวเคลยส

1. โครงสรางอะตอม 2. สมบตของนวเคลยส3. ภาพของอะตอมจากกล

ศาสตรควอนตม4. อนภาคมลฐาน

2

• ในดานความรเกยวกบอะตอมนน ประมาณ ค.ศ.1900 (พ.ศ. 2443) นกวทยาศาสตรยอมรบกนโดยทวไปวา สสารประกอบดวย

อะตอม ในอะตอมมประจไฟฟาบวกคอโปรตอน และประจไฟฟาลบคออเลกตรอน

และโดยปกตอะตอมเปนกลางอยเสมอ นนคอ อะตอมมประจไฟฟาบวกจำานวนเทากบ

ประจไฟฟาลบ• ปญหาเกยวกบการจดตวของประจไฟฟาใน

อะตอมนน ทอมสนคดวาอะตอมมลกษณะเปนกอนกลมม

เนออะตอมเปนประจบวกกระจายอยางสมำาเสมอ และมอเลกตรอนฝงอยภายในเปน

จำานวนททำาใหประจลบเทากบประจบวก

1. โครงสรางอะตอม

3

E = สนามไฟฟา (N/C) B = สนามแมเหลก (T) R = รศมความโคง (m)

ทอมสนพสจนไดวา รงสคาโธดเปนอนภาค

ประจไฟฟาลบ เรยกวา "อเลกตรอน"

ในป ค.ศ.1897 เจ เจ ทอมสน ตงสมมตฐานวารงสแคโทดประกอบดวยอนภาค คอ อเลกตรอน ทอมสนทำาการทดลองหาอตราสวนระหวางประจตอมวลของอเลกตรอนโดยใชสนามแมเหลกและสนามไฟฟาชวยได

1.75x1011 C/kg และพบวาอตราสวนนมคาคงทไมขนกบชนดของกาซทใช แสดงวาในอะตอมทก

ชนดมอนภาคอเลกตรอนเหมอนกน

http://hello.to/chemku

4

แบบจำาลองอะตอมของทอมสน “อะตอมเปนทรงกลมขนาดเลกมากม

อนภาคประจบวก สมมตใหกระจายไปทวทงอะตอม ประจลบฝงตามทตางๆ เตมไป

หมดเพอใหสมบตทางเปนกลางทางไฟฟา”แบบจำาลองนอธบายสมบตตางๆ ของธาตรวมทงทฤษฎพนธะเคมดวย ซงกใชไดบางในบางกรณ จนในป ค.ศ. 1911 แบบจำาลองนกยกเลกไป เมอรทเธอรฟอรด ศกษาการกระเจง (scattering) ของรงสแอลฟาในแผน

โลหะบางๆแลวพบวาแบบจำาลองอะตอมของ ทอมสนใชอธบายผลการทดลองไมได

5

ใน ค.ศ. 1909 เอ อาร มลลแกนสามารถหาคาประจของ

อเลกตรอนไดโดยการทำาการทดลองหยดนำามนซงมประจภาย

ใตความโนมถวงของโลกจากรปพบวาความตางศกยทเพมขนจะทำาใหหยดนำามนทมประจเคลอนทชาลงเพราะถกดงดดไวดวยขวบวก และถาเพมความตางศกยมากพอจนถงคาหนง จะ

ทำาใหหยดนำามนหยดนงได แสดงวาแรงจากสนามไฟฟาและแรงเนองจากความ

โนมถวงเทากนพอด ถาเราทราบคาความตางศกยและนำาหนกของหยดนำามน เรากสามารถหาคาประจบนหยดนำามนได ซงพบวามกมคาเปนเลขจำานวนเตมคณกบ

คาประจทเลกทสดเสมอ (เปนจำานวนเทาของ 1.6 x10-19 C) เมอกำาหนดคาประจ

ของอเลกตรอนดงกลาวและจากคาอตราสวน(e/m)ของทอมสน เรากสามารถทราบไดวานำาหนกของ

อเลกตรอนคอ 9.1x10-31 kg ซงปรากฏวาเบากวาอะตอมทเบาทสด คอ

ไฮโดรเจนราว 1/2000 เทา จากผลการทดลองเหลานแสดงวาอเลกตรอนในอะตอมเปนหนวยทเลกทสดและยง

สนบสนนวาอเลกตรอนเปนอนภาคซงแบงยอยตอไปไมไดอกดวย

http://hello.to/chemkuการทดลองหยด

นำำามนของมลลแกนหาคาประจของอเลกตรอน)

q = ประจหยดนำามน (c) m = มวลของหยดนำามน (kg) g = ความเรงเนองจากแรงโนมถวง (m/s2) V = ความตางศกยระหวางแผนโลหะ (V) d = ระยะหางระหวางแผนโลหะ (m)

ดงนน

6

7

ใน ค.ศ.1896 แบคเคอเรล พบวาเกลอของยเรเนยมเปลงรงสซงสามารถทะลผาน

กระดาษสดำาทใชหมแผนฟลมและทำาใหแผนฟลมดำาได โดยเขาเรยกปรากฏการณนวา

กมมนตภาพรงส

สองปตอมา มาร คร และปแอร ครแยกธาตกมมนตรงสออกจากยเรเนยมไดสองธาต คอ

พอโลเนยม และ เรเดยม ตอมาจงมการยอมรบวาอะตอมไมใชอนภาคทแบงแยกไม

ได

ภายหลง รทเธอรฟอรดไดพบรงสอก 3 ชนด จากธาตกมมนตรงส คอ รงสแอลฟา เบตา และแกมมา โดยทรงสแอลฟาประกอบดวย

นวเคลยสของฮเลยม รงสเบตาเปนลำาอเลกตรอนและ รงสแกมมาเปน

คลนแมเหลกไฟฟาเหมอนรงสเอกซแตมความถสงกวา

http://hello.to/chemku

8

การทดลองของรทเธอรฟอรด ในป ค.ศ. 1911รทเธอรฟอรด ไดทดลองยง

อนภาคแอลฟาผานแผนทองคำาทบางมากๆ ซงม

ฉากเรองแสงซงคซลไฟดอยดานหลงของแผนทอง แลวสงเกตการกระเจงของอนภาคแอลฟาพบวา

รงสสวนใหญไมเบยงเบน และ

สวนนอยทเบยงเบนนน ทำามมเบยงเบนใหญ

มาก บางสวนยงเบยงเบนกลบ

ทศทางเดมดวย จำานวนรงสท

เบยงเบนจะมากขนถาความหนาแนนของแผนโลหะเพมขน

http://hello.to/chemku

9

10

http://hello.to/chemku

แบบจำาลองอะตอมของรทเธอรฟอรด

จากการคำานวณ รทเธอรฟอรดพบวา ในบรรดาอนภาคแอลฟา 108 อนภาคจะมเพยงอนภาคเดยวเทานนทจะถกกระจายกลบทางเดม รทเธอรฟอรด จงเสนอวาพนทหนาตดของนวเคลยสเปนเพยงราว 10-8 ของพนทอะตอมหรอรศมของนวเคลยส

เปนเพยง 10-4 เทาของรศมอะตอม นนคอนวเคลยสมรศมประมาณ 10-14 เมตร

รทเธอรฟอรดสรปวา ประจบวกในอะตอมรวมกนอยตรง

กลางเปนแกนกลางหรอนวเคลยส และมอเลกตรอนเคลอนทเปนวงๆ อยรอบๆ นวเคลยสโดยนวเคลยสมเสนผาศนยกลางประมาณ

10-14-10-15 m

11

• เมอวเคราะหจะพบวาโครงสรางอะตอมแบบรทเธอรฟอรดไมสามารถอธบายการเกดสเปกตรมชนด

เสนได เพราะเมออธบายตามทฤษฎคลนแมเหลกไฟฟาของแมกซเวลแลวอเลกตรอนทเคลอนทดวยความเรงจะใหคลนแมเหลกไฟฟาออกมาซงทำาใหสญเสยพลงงานไปเปนผลใหนวเคลยสซงมประจบวกดดอเลกตรอนเขามาใกลกวาเดมและในทสดกจะเปนผลทำาใหอเลกตรอนถกดดเขาไปรวมอยในนวเคลยส การสญเสยพลงงานของอเลกตรอนเปนไปอยางตอเนอง สเปกตรมของแสงทไดออกมาจงควรเปนสเปกตรมตอเนอง ไมใชชนดเสน นอกจากนโครงสรางอะตอมแบบรทเธอรฟอรดยงประสบความยงยากเกยวกบเสถยรภาพของอะตอม

กลาวคอ เมออเลกตรอนถดดดเขาไปอยในนวเคลยสแลว อะตอมจะไมอยในเสถยรภาพ แต

ความจรงปรากฏวา อะตอมยงคงรปรางอยได ดงนนนาคดวาสำาหรบของเลกๆ ในขนาดอะตอม ทฤษฎคลนแมเหลกไฟฟาของแมกซเวลอาจใชการไมได

12

13

• จะเหนวา แบบจำาลองอะตอมของรทเธอรฟอรดขดกบทฤษฎนมาก

• บอร (Niel Bohr) ไดอธบายโครงสรางอะตอมใหมโดยใชแนวคดบางสวนเกยวกบการแผรงสเปนควอนตมของแพลงค และทฤษฎโฟตอนของไอนสไตนมาตงเปนสมมตฐานผสม

เขาไปกบโครงสรางอะตอมแบบรทเธอรฟอรด แลวนำาไปอธบายการเกดสเปกตรมชนดเสนได

สำาเรจเปนครงแรกในป พ.ศ. 2456

14

• อเลกตรอนทวงรอบนวเคลยสจะวงเปนวง มวงโคจรพเศษบางวงทอเลกตรอนวงไดโดยไมมการสญเสยพลงงานหรอแผรงสออกมา เมออเลกตรอนอยในวงโคจรพเศษเหลานน เรยกวาอเลกตรอนอยในสถานะนง (stationary state)

• วงโคจรพเศษดงกลาว อเลกตรอนจะมโมเมนตมเชงมม L เปนจำานวนเทาของ h/2π เมอ h คอ คาคงทแพลงค ขอ

สมมตฐานขอนเขยนไดวา

ขอสมมตฐานของบอรมดงน

เมอ m เปนมวลของอเลกตรอน (kg) v เปนความเรวของอเลกตรอน (m/s) r เปนรศมของวงโคจรของอเลกตรอน (m) n เปนเลขควอนตม มคาเทากบ 1, 2, 3, …

2

nh mvr L

π==

15

3. ถาอเลกตรอนกระโดดจากระดบวงโคจรสง EiไปยงวงโคจรEf ซงตำากวา จะคายพลงงานออกมาเปนโฟตอนหนงตว

มความถ ตามความสมพนธดงน h E-E E fi ν==∆i fE E

= h

−ν

ดดพลงงาน

คายพลงงาน

n มาก, ระดบพลงงานสง

มพลงงานยดเหนยวนอย

( คา En ตดลบนอย)

n นอย , ระดบพลงงานตำา

มพลงงานยดเหนยวมาก

( คา En ตดลบมาก)

ถา E เปน + จะคายพลงงาน hν (จากระดบ n สง r พลงงานยดเหนยว Ei

นอย ระดบ n ตำา พลงงานยดเหนยว Ef มาก)

ถา E เปน - จะดดพลงงาน hν (จากระดบ n ตำา พลงงานยดเหนยว Ei มาก ระดบ n สง พลงงานยดเหนยว Ef

นอย)

16

เมอเอาสมมตฐานทงสามขอไปรวมกบโครงสรางอะตอมแบบรทเธอรฟอรด บอรสามารถคำานวณ รศมของวงโคจรของอเลกตรอนและระดบพลงงานตางๆ ของอะตอม

ไฮโดรเจนได

รปอะตอมไฮโดรเจน

พจารณาอะตอมไฮโดรเจน ประกอบดวยนวเคลยส

ประจ +e และอเลกตรอน 1 ตวประจ –e วงวนโดย

รอบ เพอความสะดวกบอรใหนวเคลยสหยดนงกบท แลวใหอเลกตรอนวงวน

รอบๆ เปนวงกลมดงรป จะได แรงคลอมบทเกดบนอ

เลกตรอนเทากบแรงสศนยกลาง

r

mv

r

e

4

1

2

2

2

0

=πε r4

e mv

0

22

πε=

17

อเลกตรอนทวงในวงโคจรจะมพลงงานจลน Ek เขยนไดเปน

r4

e

2

1 mv

2

1E

0

22

k πε==

พลงงานศกยของอเลกตรอน Ep ทระยะ r จากนวเคลยสคอ

r4

e E

0

2

p πε−=

ดงนน พลงงานรวมของอะตอม E มคาเทากบ

r8

e

r4

e

r4

e

2

1 EEE

0

2

0

2

0

2

pk πε−=

πε−

πε=+=

เครองหมายลบแสดงวา อเลกตรอนถกยดใหอยกบอะตอม และ

ถาจะแยกอเลกตรอนจากอะตอมตองใชพลงงานเทากบคา E น

18

แทนคา v = nh/2πmr จากสมมตฐานขอท 2 ของบอร ลงในสมการพลงงานจลนจะได

เมอ n = 1, 2, 3, …รศมของวงโคจรพเศษทเปนไปได จะมคา

เปลยนไปตามคาของ nท n = 1

r8

e

mr2

nh m

2

1

0

22

πε=

π

me

hn r r

2

220

n πε==

A 0.53 m5.3x10 me

h r 11-

2

20

1==

πε=

เปนรศมวงโคจรทเลกทสด มชอเรยกวา รศมของบอร คาทคำานวณ

ไดนตรงกบการหาโดยวธอน ดงนนจะได

rn r 12

n =

สำาหรบวงโคจรทอเลกตรอนวงไดโดยไมแผรงส คอวงทมรศมเปน r1, 4r1, 9r1, … ตาม

ลำาดบ

19

แทนคา ลงในสมการพลงงานรวมจะได

n

1

h8

em

hn

me

8

eE

2220

4

220

2

0

2

n

ε−=

επ

πε−=

me

hn r r

2

220

n πε==

แทนคา m, e, ε0, h ลงในสมการน แลวหารดวย e เพอทำาใหเปนหนวยของอเลกตรอน

โวลต (eV) จะได eV

n

6.13 E

2n −=

เมออเลกตรอนอยในวงโคจรตางๆ ตงแต n = 1, 2, 3, … ไปจนถง n = ∞ อะตอมจะม

พลงงานเปน E1, E2, E3, … ไปจนถง E∞ พลงงานจงมลกษณะเปนชนหรอเปนระดบท

ไมตอเนองกน

20

• สวน E2, E3, …, E∞ จะเปนระดบทมพลงงานสงขนตาม

ลำาดบ เรยกวา สถานะตนตว

(excited state) เมอ n มคามากขน ระดบพลงงานจะเขาใกลกนมากจนตดกนเปนคาตอเนองเมอ n สงกวา ในภาวะเชนนอเลกตรอนจะเปนอสระไมถกยดกบอะตอมอก

ตอไปดงรป

ระดบพลงงานในอะตอมไฮโดรเจน

• E1 เปนพลงงานระดบตำาสดเรยกวา สถานะพนฐาน (ground state)

ในภาวะปกตอเลกตรอนในอะตอมจะอยในสถานะพนฐานน

ดดพลงงาน

คายพลงงาน

21

• เมอคำานวณพลงงานในระดบตางๆ ของอะตอมไฮโดรเจนแลว บอรใชสมมตฐานขอทสาม อธบายการเกดเสนสเปกตรมวา แสงจากอะตอมเกดจากอเลกตรอนเปลยนวงโคจร ซงมผลเทากบการเปลยน

ระดบพลงงาน• ถาอเลกตรอนกระโดดจากวงโคจรทมพลงงาน Ei

ไปยงวงโคจรทมพลงงาน Ef ซงตำากวา จะปลดปลอยพลงงานออกมาเปนโฟตอนหนงตวมความถ

ดงน

h

EE fi −=ν

n

1

n

1

h8

me

c

2i

2f

320

4

−

ε=

λ

n

1

n

1 R

n

1

n

1

ch8

me

1

2i

2f

2i

2f

320

4

−=

−

ε=

λ

เมอ R เปนคาคงทของรดเบอรก =

1.097x107 m-1 ซงไดคาตรงกบทบาลเมอรและรดเบอรก

หาไดจากการทดลองวดสเปกตรมโดยตรง จงนบวา

บอรสามารถอธบายเสนสเปกตรมของ

อะตอมไฮโดรเจนไดถกตอง

m1.097x10 ch8

me R 17

320

4−=

ε=

22

• ถาไดรบพลงงานจากภายนอก 13.6 eV อเลกตรอนจะหลดจากอเลกตรอนอสระ

และไอออนบวก ดงนน 13.6 eV คอพลงงานในการเกดไอออน

• ถาใสพลงงานภายนอกเขาไป 11 eV อะตอมจะรบพลงงานเพยง E2 - E1 = 10.2 eV เพอทำาใหอเลกตรอนเปลยน

ระดบพลงงานจาก n = 1 ไปยง n = 2 เรยกพลงงาน 10.2 eV วา พลงงานการ

ตนตว

ในภาวะปกตอเลกตรอนในอะตอมไฮโดรเจนอยในสถานะพนฐาน n = 1

พลงงาน = -13.6 eV

23

ตวอยาง อะตอมไฮโดรเจนอะตอมหนงอยในสถานะทมพลงงานยดเหนยว 0.85 eV ถาอะตอมนเปลยนไปอยในสถานะท n = 2 จงหาวาจะมคาพลงงานของโฟตอนทถกดดกลนหรอสงออกมา เปนเทาไร?วธทำา n 2

13.6 E

n= −คำานวณจากสตร

2

13.6- 0.85

n= −โจทยกำาหนดให Ei = - 0.85 eV n = 4

ตอมาเปลยนไปอยในสถานะท n = 2f 2 2

13.6E E = - 3.4 eV

2 = = −

นนคอ Ei = E4 = - 0.85 eV

∆E = Ei - Ef

= E4 – E2 = (- 0.85) - (-3.4) eV = + 2.55 eV

ไดคา E = + 2.55 eV นนคอ จะมคาของพลงงานโฟตอนทสงออกมาเทากบ 2.55 eV

∆E = Ei - Efและ

24

3. ภาพของอะตอมจากกลศาสตรควอนตม

“นวเคลยสเปนประจบวกรวมกนอยทศนยกลางของอะตอม รอบๆ นวเคลยสมอเลกตรอนประจลบโคจรรอบ ในสถานะทไมมการ

สญเสยพลงงานและโมเมนตมในลกษณะท

เปนกลมหมอกของอเลกตรอน (electron cloud) ตำาแหนงของอเลกตรอน

ไมสามารถบอกไดแนนอน ทราบแตเพยงโอกาสทจะพบอเลกตรอนเทานน”

สถานะของอเลกตรอนในอะตอมปกตบอกไดดวยเลขควอนตม n, l , s

+

นวเคลยส หมอกอเลกตรอน

โอกาสพบอเลกตรอน

ระยะ

25

26

27

28

29

แตเดมนกวทยาศาสตรคดวา อะตอมนาจะเปนสวนประกอบทเลกทสดของสสารทงหลาย ตอมาจงทาบวาอะตอมยงประกอบดวยอนภาคยอยลงไปอก เปนอเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน ซงเรยกวาเปน

อนภาคมลฐาน (fundamental particles) จากการคนควาของนกวทยาศาสตรแขนง

ตางๆ ทำาใหมการคนพบอนภาคมลฐานเพมขนเรอยๆ ในปจจบนนไดพบอนภาคมลฐานแลวเปนจำานวนประมาณถง 200 ชนด จากการศกษาเกยวกบอนภาคมลฐานยงคงเปนทนาสนใจกนตอไป เพราะเชอกนวาการคนพบอนภาคมลฐานใหมๆ จะชวยทำาใหเกดความรและทฤษฎใหมเพอทจะเขาใจถงปญหาและ

ปรากฏการณบางอยางไดชดเจนยงขน

4. อนภาคมลฐาน

30

ในการศกษาเกยวกบการสลายตวเบตา (bata decay) ซงมการปลดปลอย อเลกตรอนออกมานนพบวาไมเปนไปตามกฎการคงทของพลงงานโดยมพลงงานบางสวนหายไป เชน ในการสลายตวของบสมท-210 ปรากฏวา อเลกตรอนทถกปลดปลอยออกมามชวงพลงงานตงแตนอยสดจนกระทงถงคาสงสด ซงเทากบมวลซงลดลงใน

กระบวนการน ดงแสดงดงรป

นวตรโน

รปแสดงการกระจายของพลงงานของอเลกตรอนในการสลายตวเบตาของบสมท

-210

จำานวนอเลกตรอนสมพทธ

คาสงสด

พลงงานของอเลกตรอน (MeV)

0 0.5 1.0

31

นอกจากนนยงพบอกวา การสลายตวเบตานขดกบกฎการคงทของโมเมนตมคอในการ

สลายตวของเบตาของนวเคลยสทหยดนง อเลกตรอนและนวเคลยสทสลายตวมโมเมนตมไมเทากน โดยมการเคลอนทดงแสดงดวยรป

รปแสดงการเคลอนทของ อเลกตรอนและนวเคลยสภาย

หลงการสลายตวเบตา

อเลกตรอนนวเคลยสภายหลงการสลายตวและกมปญหาเชนกนสำาหรบโมเมนตม

เชงมม เชน ในการเปลยนแปลงนวตรอนเปนโปรตอน หรอโปรตอนเปนนวตรอนกดจะพบวาโมเมนตมเชงมมจะตางกนอยเทากน

32

การสลายตวเบตานจงนบวาเปนปญหาทไมอาจอธบายได จนกระทงมนกวทยาศาสตรไดใหสมมตฐานเกยวกบการ

สลายตวเบตานวา จะตองมอนภาคอนอกอนภาคหนงปลดปลอยออกมาดวย และเรยกอนภาคนนวา นวตรโน

(neutrino) โดยอนภาคนไมมมวล ไมมประจไฟฟา แตมพลงงานและโมเมนตมและสปนมคา ½ ตามสมมตฐานนอเลกตรอนและนวตรโนจะถกปลดปลอยออกมาในการสลายตวเบตาดงแสดงไดดงรป ซงจะสอดคลองกบกฏการคงท

พลงงานและโมเมนตม รปแสดงการปลดปลอย อเลกตรอนและ

นวตรโน ในการสลายตวเบตา

อเลกตรอน

นวเคลยสภายหลงการสลาย

ตว

นวตรโน

ในป พ.ศ. 2499 การทดลองเกยวกบปฏกรยานวเคลยรกไดผลยนยนวา อนภาคนวตรโนมจรง เครองปฏกรณ

นวเคลยรจะใหนวตรโนออกมาเปนจำานวนมาก นอกจากนปฏกรยานวเคลยรในดวงอาทตยกใหนวตรโนเกดขนเปน

จำานวนมากมายเชนกน

33

หลงจากทมการคนพบอนภาคโพสตรอนซงเรยกวาเปน ปฏยานภาค (antiparticle) ของอเลกตรอนและกคาดกนวาอนภาคอนนาจะมปฏยานภาคได

เชนเดยวกน และเมอไมนานมานเองกมการคนพบอนภาคทเรยกวา โปรตอนลบ (negative proton) หรอ ปฏโปรตอน ( antiproton, ) โดยทอนภาค

นมสมบตเหมอนโปรตอนทกประการเพยงแตมประจไฟฟาลบ

นกวทยาศาสตรเชอวาโปรตอนและอเลกตรอนมสมบตทเปนไปตามกระบวนการพนฐานแบบ

เดยวกน เชน เมออเลกตรอนและโพสตรอนมาพบกนจะรวมกนกลายเปนพลงงานของรงสแกมมา

หรอโฟตอน ดงปฏกรยา

p

ปฏยานภาค

0 0 e e + + → γ γ

ในทำานองเดยวกนสำาหรบโปรตอนและปฏโปรตอน ดงปฏกรยา p p + + → γ γ

34

และในทางกลบกนในกระบวนการผลตคทเกดจากโปรตอนซงมพลงงานเทากบ 1,872 MeV จะ

สามารถทำาใหเกดโปรตอน–ปฏโปรตอนไดเชนเดยวกบโฟตอนซงมพลงงาน 1.02 MeV ทสามารถทำา

ใหเกดอเลกตรอนโพสตรอน

นอกจากนแลวกมการพบปฏนวตรอน (antineutron, ) และปฏนวตรโน

(antineutrinos, ) เชนกน สำาหรบนวตรโนและปฏนวตรโนนนแตกตางกนเพยงทศของสปนซง

มทศตรงกนขาม

n

υ

การสลายตวเบตาทปลดปลอยอเลกตรอนและโพสตรอนจะเปนไปดงสมการ

ซงใหผลสอดคลองตามหลกการคงทพลงงาน โมเมนตม และโมเมนตมเชงมมทกประการ

+

n p + e +

p n + e +

−→ υ→ υ

35

หลงจากการคนพบไพเมซอนในรงสคอสมกแลวจงทราบตอไปอกวาไพเมซอนม 3 ชนดคอ ไพเมซอน

ชนดทมประจไฟฟาบวกและลบ (π + , π - ) ซงมมวลนง 273 เทากบมวลของอเลกตรอน และไพเมซอนชนดทเปนกลาง (π0) ซงมมวลนง 264 เทากบมวล

อเลกตรอน ไพเมซอนทมประจไฟฟาทอยนอกนวเคลยสจะสลายในชวงเวลาสนประมาณ 10-8

วนาท เปนมวเมซอนโดยมการสลายตวดงน

เมซอน (Meson)

+ +

- -

+

+

π → µ υπ → µ υ

สำาหรบไพเมซอนทไมมประจไฟฟาจะสลายตวในชวงเวลาประมาณ 10-16 วนาท เปนรงสแกมมา

คอ

โดยท - เปนปฏยานภาคของ +

0 + π → γ γ

36

มวเมซอนมการสลายตวตอไปเปนอเลกตรอน โพสตรอน นวตรโน และปฏนวตรโนดงน

โดยท + เปนปฏยานภาคของ -

- -

e + +

e + +

+ +µ → υ υ

µ → υ υ

เราพบมวเมซอนในรงสคอสมกในระดบใกลพนดน มวเมซอนจงเปนอนภาคทเกดจากการสลายตวของพวกไพเมซอนทมประจไฟฟานนเอง มวเมซอนมแตประจไฟฟาบวกและลบเทานนและมมวล 207

เทากบมวลอเลกตรอน

37

หลงจากการคนพบไพเมซอนไมนาน กมการพบอนภาคมลฐานอนทไมไดคาดไวอกเปนจำานวนมาก

จงเรยกอนภาคมลฐานเหลานนวา อนภาคประหลาด (strange particles)

ในขณะนแบงอนภาคประหลาดออกเปนสองพวกคอ เคเมซอน (K– mesons) และ ไฮเปอรอน

(hyperons)

พวกเคเมซอนจะมมวลนง967 เทากบมวลของอเลกตรอน สำาหรบไฮเปอรอนมมวลมากกวามวล

โปรตอน ทงเคเมซอนและไฮเปอรอนเปนอนภาคทเกดขนเนองจากผลของปฏกรยานวเคลยร

พลงงานสง อนภาคมลฐานเหลานจะไมอยตว คอมการสลายตวตอไปในชวงเวลาสนมาก

อนภาคประหลาด (strange particles)

38

เคเมซอนทมประจไฟฟาม 2 ชนดคอ K+ และ K- โดยท K- เปนปฏยานภาคของ K+

สำาหรบเคเมซอนทไมมประจมดวยกน 2 ชนดคอ และ ซงจะมการสลายตวในชวงเวลาสนเชนกน และเชอ

วาม เปนปฏยานภาคของ

สำาหรบไฮเปอรอนเปนอนภาคทมมวลมากมอย 4 ชนดไดแก แลมบดาไฮเปอรอน (Λ-hyperons) ซกมาไฮเป

อรอน (∑-hyperons) ไซไฮเปอรอน ( Ξ-hyperons) และโอเมกาไฮเปอรอน (Ω-hyperons)

01K 0

2K0K0

K

แลมบดาไฮเปอรอนมอยเพยงชนดเดยวซงเปนกลางคอ o

โดยม o เปนปฏยานภาค

ซกมาไฮเปอรอนมทงชนดทมประจไฟฟาซงไดแก + และ - และทเปนกลางคอ o โดยแตละอนภาคจะมปฏ

ยานภาคคกนไป

ไซไฮเปอรอนนนมเพยง 2 ชนดคอ - และ o ซงไซไฮเปอรอน ทงสองชนดตางกมปฏยานภาคของตวเอง

สำาหรบโอเมกาไฮเปอรอนเปนไฮเปอรอนซงพบเมอไมนานมาน ซงไดแก โอเมกาไฮเปอรอน ทมประจไฟฟาลบคอ

โดยม เปนปฏยานภาค

+Ω−Ω

39

(1) โฟตอน (photons) ซงเปนทรจกกนวาเปนคลนแมเหลกไฟฟา

(2) เลพตอน (leptons) เปนพวกอนภาคซงมมวลคอนขางนอย เชน อเลกตรอน มวเมซอน พวกนจะมอนตรกรยาอยางออน และมสปนเปน ½

• เมซอน (mesons) เปนพวกอนภาคซงมมวลปานกลาง ซงไดแกพวกไพเมซอน เคเมซอน โดยมสปนเปนศนย พวกนจะมอนตรกรยาอยางแรงกบนวเคลยส

• บารออน (baryons) เปนพวกอนภาคทมมวลมาก เชน โปรตอน นวตรอนและ ไฮเปอรอน สวนใหญพวกนมสปนเปน ½ ยกเวนเพยงโอเมกาไฮเปอรอนซงมสปน เปน 3/2 บารออนจะมอนตรกรยาอยางแรงกบนวเคลยส

การจำาแนกประเภทของอนภาคมลฐานเนองจากอนภาคมลฐานมสมบตหลายประการดวยกน จง

เปนการยากทจะจำาแนกประเภทของอนภาคมลฐานไดเหมาะสมทกประการ แตอยางไรกตามอนภาคมลฐานอาจจำาแนกประเภทไดโดยอาศยมวลและอนตรกรยาเปนหลก

โดยแบงเปน 4 ประเภทคอ

หมายเหต เมซอน และ บารออน เรยกรวมวาเปน ฮาดรอน ( hadrons)

40

ตาราง อนภาคมลฐาน

1.0 x 10-1000974

6 x 10-800974

K-1.22 x 10-80+1967K+เคเม

ซอน

(πo )1.9 x 10-1600264πo

π-2.55 x 10-80+1273π+ไพเม

ซอนเม

ซอน

µ+2.2 x 10-6-12.7µ-มวเม

ซอน

e+เสถยร-11e-อเลกตรอน

เสถยร00νนวตรโนเลพ

ตอน

(γ)เสถยร100γโฟตอนโฟตอน

ปฏยานภาค

อายเฉลย

(วนาท)

สปน (

หนวย

ของ h)

ประจไฟฟา(หน

วยของe)

มวล (หนวยของ me )

สญลกษณ

อนภาค

ประเภท

01K

02K 0

2K

01K

υ1

2

1

2

1

2

41

10-100257010-10-13276Ω-

10-10-12580โอเมกาไฮเปอรอน

10-1202332∑o

1.6 x 10-8-12340∑-ไซ

ไฮเปอรอน

0.8 x 10-10+12327∑+

ซกมาไฮเปอรอน

2.5x 10-1002182Λo

แลมบดาไฮเปอรอน

1.01x 10-301839noนวตรอ

น

เสถยร+11836pโปรตอน

บารออน

ปฏยานภาค

อายเฉลย

(วนาท)

สปน (

หนวย

ของ h)

ประจไฟฟา(หน

วยของe)

มวล (หนวยของ me )

สญลกษณ

อนภาค

ประเภท

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

3

2

p

on−

o∧

−ΞoΞ

+ΞoΞ

−Σ

+Σ

oΣ

+Ω

42

การจำาแนกประเภทอนภาคมลฐานบางตวอาจแสดงเปนตวอยางดงตาราง อนภาคมลฐานทกลาวแลวนนถงแมจะมอายสนมากกตาม นก

วทยาศาสตรยงไดมการคนพบอนภาคทมอายสนมากกวานนอกขนาด 10-20 วนาท อนภาค

ประเภททมอายสนดงกลาวนเรยกกนวา อนภาคเรโซแนนซ (resonance particles)

นอกจากนนยงมนกวทยาศาสตรบางกลมเชอวาจะมอนภาคอนทเปนมลฐานกวานน ทเรยกวา ควาก (quarks) โดยทควากมประจไฟฟาเปนเศษสวน

ของประจของอเลกตรอน คอ ( e) หรอ ( e) และอนภาคมลฐานบางอยางททราบกนแลวนนอาจประกอบขนจากควากชนดตางๆ กเปนได

1

3

2

3

43

2. อเลกตรอนจะรบหรอคายพลงงานเมอมการเปลยนวง

โคจรโดยท

= ความถโฟตอนทอะตอมดดหรอแผออกมา

มความยาวคลน = พลงงานอเลกตรอนกอน

เปลยนวงโคจร = พลงงานอเลกตรอนหลง

เปลยนวงโคจร

ถา เปน + หมายถง

คายพลงงาน - หมายถง ดด

พลงงาน

แบบจำาลองอะตอมของบอร ประสบความสำาเรจในการอธบาย

เสนสเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน บอรสนนษฐานวาวงโคจรแตละวงเปนวงกลม และมแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบ

โปรตอน1. อเลกตรอนสามารถอย

ไดในวงโคจรทไมตอเนองโดยมโมเมนตมเชงมม

m = มวลของอเลกตรอน = 9.1x10-31 kg v = อตราเรวเชงเสนของอเลกตรอน r = รศมวงโคจรของอเลกตรอน n = เลขจำานวนเทา (1, 2, 3, ...) h = คาคงทของแพลงค = 6.6261x10-34 J.s eV

n

6.13 E

2n −=

i f h E E = Eν = − ∆ν

iE

fE

E∆h mvr = n = nh

2π

34hh = 1.054x10 J s

2−= ⋅

π

สรป

11 2n r (5.29x10 ) n −=

พลงงานในแตละวง

รศมแตละวงโคจร (หนวยเปน m)

2 2f i

1 1 1 R

n n

= − λ

m1.097x10 ch8

me R 17

320

4−=

ε= = คาคงทของรดเบอรก

44

• สถานะของอเลกตรอนในอะตอมปกต ทางกลศาสตรควอนตมบอกไดดวย เลขควอนตม n, l , s

n = เลขควอนตมทกำาหนดวงโคจรหลกของอเลกตรอน

= 1, 2, 3, 4, 5, 6, … ชอ K, L, M, N, O, P, …

มจำานวนอเลกตรอนไดสงสด = 2n2 l = เลขควอนตมทกำาหนดวงโคจรยอยของอเลกตรอน

= 0, 1, 2, 3 , 4, 5, … , (n-1) ชอ s, p, d, f, g, h, …

มจำานวนอเลกตรอนทเขาไปอยในวงโคจรยอยๆ นได = 2 ( 2l +1) s = เลขควอนตมเนองจากอเลกตรอนม

ขนาดแลวหมนรอบตวเอง ทำา ใหมโมเมนตมของตวมนเอง มคา

เทากบ ½

45

(1) โฟตอน (photons) ซงเปนทรจกกนวาเปนคลนแมเหลกไฟฟา

(2) เลพตอน (leptons) เปนพวกอนภาคซงมมวลคอนขางนอย เชน อเลกตรอน มวเมซอน พวกนจะมอนตรกรยาอยางออน และมสปนเปน ½

• เมซอน (mesons) เปนพวกอนภาคซงมมวลปานกลาง ซงไดแกพวกไพเมซอน เคเมซอน โดยมสปนเปนศนย พวกนจะมอนตรกรยาอยางแรงกบนวเคลยส

• บารออน (baryons) เปนพวกอนภาคทมมวลมาก เชน โปรตอน นวตรอนและ ไฮเปอรอน สวนใหญพวกนมสปนเปน ½ ยกเวนเพยงโอเมกาไฮเปอรอนซงมสปน เปน 3/2 บารออนจะมอนตรกรยาอยางแรงกบนวเคลยส

• อนภาคมลฐานอาจจำาแนกประเภทไดโดยอาศยมวลและอนตรกรยาเปนหลกโดยแบงเปน 4 ประเภท

คอ

หมายเหต เมซอน และ บารออน เรยกรวมวาเปน ฮาดรอน ( hadrons)

นอกจากนนยงมนกวทยาศาสตรบางกลมเชอวาจะมอนภาคอนทเปนมลฐานกวานน ทเรยกวา ควาก

(quarks) และอนภาคมลฐานบางอยางททราบกนแลวนนอาจประกอบขนจากควากชนดตางๆ กเปนได

46

เอกสารอางอง

1. ภาควชาฟสกส, ฟสกส 2, พมพครงท 3, สำานกพมพจฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2535

2. D.C. Giancoli. Physics Principles with Applications, 3rded., Prentic-Hall, ISBN:

0-13-666769-4, 1991.3. D. Halliday, R.Resnick and K.S. Krane.

Volume Two extended Version Physics, 4th ed., John Wiley & Sons, 1992.

4. R.A.Serway, Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, 4th ed.,

1996.5. http://www.physics.sci.rit.ac.th

6. http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl

7. http://www.dctech.com/physics/tutorials.php