แบบจำลองอะตอม (ฉบับย่อ)

แบบจำลองอะตอม

1. ดอลตัน เสนอแบบจำลองอะตอมทรงกลมตันภายในไม่มีอนุภาคใดๆ พร้อมกับทฤษฎีอีก 5 ข้อ

1. สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “อะตอม”
2. อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้
3. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ
4. อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน
5. ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย เช่น CO, CO₂

แต่ในปัจจุบัน ทฤษฎีข้อ 1, 3 และ 4 ใช้ไม่ได้แล้ว

2. ทอมสัน และโกลสไตน์ ค้นพบว่าในอะตอมยังมีอนุภาคที่เรียกว่า "อิเล็กตรอน" และ "โปรตอน" อยู่ จากการศึกษาลักษณะของรังสีแคโทด และแอโนด บนฉากรับเคลือบ ZnS พร้อมกับคำนวณหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ -1.78 x 10⁸ c/g

หลอดแคโทดที่ใช้ในการทดลองของทอมสัน

หลอดแคโทดที่ใช้ในการทดลองของโกลสไตน์

มิลลิแกน คำนวณหาประจุของอิเล็กตรอนโดยใช้หยดน้ำมันทำให้เป็นละอองที่เล็กที่สุด ผ่านละอองน้ำมันในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า พร้อมกับแรงโน้มถ่วงกระทำให้ละอองน้ำมันอยู่ในสภาวะสมดุล ทำให้ได้ค่าประจุอิเล็กตรอนเท่ากับ -1.6 x 10^-19 c และมวลเท่ากับ  9.110 x 10^-28 g

3. รัทเทอร์ฟอร์ด ยิงอนุภาคแอลฟาผ่านแผ่นทองคำบาง พบว่ารังสีส่วนใหญ่เคลื่อนที่เป็นแนวตรง แต่มีส่วนน้อยที่ถูกเบี่ยงเบน หรือสะท้อนกลับออกมา ทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีช่องว่างมาก เนื่องจากอนุภาคแอลฟาที่มีขนาดใหญ่ การสะท้อนกลับแสดงว่าจะต้องมีอนุภาคที่มีมวลสูงกว่าแอลฟา ซึ่งก็คือนิวเคลียสที่อยู่ตรงกลางอะตอม ประกอบด้วย โปรตอน และนิวตรอน (ค้นพบในภายหลัง)

แสดงวิธีการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

4. โบร์ ศึกษาจากแถบสเปกตรัม ซึ่งแสดงถึงระดับพลังงานที่แตกต่างของสีแต่ละสี พบว่า เป็นผลมาจากการกระตุ้นอิเล็กตรอนในสถานะพื้น ทำให้อิเล็กตรอนต้องเปลี่ยนวงโคจรมาอยู่ในระดับพลังงานอื่นๆ ถัดออกมา เมื่อไม่มีพลังงานกระตุ้นอีก อิเล็กตรอนจะกลับมาสู่สถานะพื้นและคายพลังงานออกมาในรูปพลังงานแสง เขาจึงเสนอแบบจำลองอะตอมที่ประกอบไปด้วยนิวเคลียสตรงกลางอะตอมและอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสคล้ายวงโคจรของระบบสุริยะ โดยชั้นที่ n สามารถบรรจุอิเล็กตรอน ได้สูงสุด 2n² อิเล็กตรอน

แสดงการทดลองของนีล โบร์

5. แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก การศึกษาพฤติกรรมของอนุภาคในระดับอะตอมนั้น จำเป็นต้องอาศัยกลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบาย เดอ เบรย เสนอว่าแสงมีสมบัติเป็นอนุภาคได้ ในทางกลับกันอนุภาคก็มีสมบัติเป็นคลื่นได้เหมือนแสง และไฮเซนแบร์ก กล่าวว่าตำแหน่งและโมเมนตัมของอิเล็กตรอนไม่สามารถระบุพร้อมกันได้ถูกต้องทั้ง 2 ค่าในขณะเดียวกัน และชเรอดิงเงอร์ให้บริเวณที่มีอิเล็กตรอนเรียกว่า ออร์บิทัล (orbital) รูปร่างออร์บิทัลจะกำหนดจากบริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากที่สุด ดังนั้นบริเวณที่มีกลุ่มหมอกหนาแน่นก็จะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากที่สุด

รูปที่ 1 Timeline วิวัฒนาการแบบจำลองอะตอมนับตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ ผู้ริเริ่มแนวคิดอะตอมคือ ดิโมคริตุส คำว่า "อะตอม" ในสมัยนั้นแปลว่าไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป

รูปที่ 2 ภาพถ่ายอะตอมของทองคำด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีกำลังขยายสูงมาก

รูปที่ 3 Hydrogen Wave Function ตามแนวคิดของชเรอดิงเงอร์ บริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนเรียกว่า "ออร์บิทัล"