(Atomic Physics)
ทฤษฎีอะตอม (Atomic Theory)
ผู้เสนอคนแรก คือ ดีโมคริตุส (Democritus)
กล่าวว่า สสารทั้งหลายประกอบด้วยหน่วยที่เล็กที่สุด เรียกว่า อะตอม (Atom) แปลว่า ไม่สามารถแบ่งแยกได้
ผู้คัดค้านทฤษฎีอะตอมของดีโมคริตุส คือ อริสโตเติล (Aristotle)
เสนอว่า สสารทุกอย่างแบ่งได้ไม่มีที่สิ้นสุด ประกอบด้วยธาตุแท้ 4 อย่าง คือ ดิน น้ำ ลม ไฟ และไม่มีที่ว่าง
จอห์น ดาลตัน (John Dalton)
สนับสนุนแนวความคิดของ ดีโมคริตุส
การค้นพบอิเล็กตรอน
ไกสเลอร์ ประดิษฐ์ เครื่องสูบอากาศ (ทำหลอดสุญญากาศได้)
ครูกส์
(Sir William Crookes) ค้นพบ รังสีแคโทด (Cathode Ray) สามารถเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กได้ด้วย
การทดลองของทอมสัน
ทอมสัน (Sir Joseph John Thomson) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ
ทดลองพิสูจน์ว่า
รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ (เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าได้)
ค่าประจุต่อมวลของรังสีแคโทด (q/m) มีค่าเท่ากับ 1.76 1011 C/kg
ค่าประจุต่อมวลของไฮโดรเจน (q/m) มีค่าเท่ากับ 9.57 107 C/kg
มวลของไฮโดรเจนอิออนมากกว่ามวลของอนุภาครังสีแคโทด 1840 เท่า
รังสีแคโทด ต่อมาเรียกว่า อิเล็กตรอน (Electron)
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
อะตอมเป็นรูปทรงกลม (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร)
เนื้ออะตอมมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก
อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเป็นลบกระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอภายในอะตอม (จัดเรียงตัวให้มีเสถียรภาพมากที่สุด)
ประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับประจุไฟฟ้าลบ (เป็นกลางทางไฟฟ้า)
อะตอมเป็นรูปทรงกลม (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร)
การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
รัทเทอร์ฟอร์ด (Sir Ernest Rutherford) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ(นิวซีแลนด์) ลูกศิษย์ของทอมสัน พบว่า
ในการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นไมกาบาง ๆ อนุภาคแอลฟาสามารถทะลุผ่านแผ่นไมกาไปได้ โดยไม่ปรากฏรูบนแผ่นไมกาเลย
อนุภาคแอลฟามีการกระเจิง (scattering) น้อยมาก (2-3 ตัว)
เสนอแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมว่า “อะตอมมีแกนกลางที่มีขนาดเล็กมากแต่มีประจุไฟฟ้าบวกอยู่เป็นจำนวนมาก”
รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่ว่า “อะตอมประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอัดแน่นอยู่ที่ศูนย์กลางของอะตอม เรียกว่า นิวเคลียส (เป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม) โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบ ๆ นิวเคลียสที่ระยะห่างจากนิวเคลียสมาก”
นิวเคลียสของอะตอมมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-15 – 10-14 เมตร
อะตอมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร
ขนาดของอะตอมมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียสประมาณ
104 – 105 หรือ 1 หมื่น ถึง 1 แสนเท่า
ปัญหาของแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
เหตุใดอิเล็กตรอนที่วิ่งวนรอบนิวเคียสจึงไม่สูญเสียพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (อะตอมมีเสถียรภาพ)
อะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากมีการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนกันอย่างไร
เหตุใดประจุไฟฟ้าบวกหลาย ๆ ประจุจึงอยู่รวมกันภายในนิวเคลียสได้ ทั้ง ๆ ที่มีแรงผลักทางไฟฟ้า
สเปกตรัมของอะตอม (Atomic Spectrum)
สเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous Spectrum) คือ แถบสีต่าง ๆ ของแสงที่เมื่อใช้เกรตติงหรือปริซึมแยกแสงสีต่าง ๆ ออกมาให้เห็น เช่น แสงจากไส้หลอดไฟฟ้าที่ร้อนจัด โลหะร้อนหรือของแข็งที่ร้อนจัด
สเปกตรัมเส้นสว่าง (Line Spectrum) คือ เส้นสีต่าง ๆ ของแสงที่เมื่อใช้เกรตติงหรือปริซึมแยกเส้นแสงสีต่าง ๆ ออกมาให้เห็น เช่น แสงจากหลอดบรรจุแก๊สร้อนชนิดต่าง ๆ
สเปกตรัมเส้นมืด (Dark Spectrum) คือ เส้นสีดำที่ปรากฏบนแถบสีของสเปกตรัมต่อเนื่อง เมื่อฉายแสงผ่านสารชนิดต่าง ๆ แล้วส่องดูด้วยเกรตติงหรือปริซึม
ธาตุต่างชนิดกันจะให้ชุดเส้นสเปกตรัมหรืออนุกรม (series) ของสเปกตรัมที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละธาตุนั้น ๆ
อนุกรมของสเปกตรัม คือ ความยาวคลื่นแสงที่เรียงกันเป็นชุดอย่างมีระเบียบและมีความสัมพันธ์กัน
การแผ่รังสีของวัตถุดำ
วัตถุดำ (Black body) คือ วัตถุที่มีการแผ่รังสีและดูดกลืนรังสีได้อย่างสมบูรณ์ (เป็นวัตถุในอุดมคติ)
พบว่า
1. สเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุดำมีการกระจายของอัตราการแผ่พลังงานต่อ
หน่วยพื้นที่ในแต่ละความยาวคลื่นแตกต่างกันและไม่ขึ้นกับชนิดของวัตถุที่ใช้
ทำวัตถุดำ
2. อัตราการแผ่พลังงานทั้งหมดของวัตถุดำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
กฎของสเตฟาน (Stefan’s law)
I คือ อัตราการแผ่พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ทั้งหมดหรือความเข้มแสง (J/m2.s)
e คือ สภาพการเปล่ง (emissivity) มีค่าอยู่ระหว่าง 0 – 1
(สำหรับวัตถุดำมีค่าเท่ากับ 1)
คือ ค่าคงที่สเตฟาน-โบลซ์มานน์ มีค่าเท่ากับ 5.67 10-8 W/m2.K4
T คือ อุณหภูมิของผิววัตถุ (K)
3. ความยาวคลื่นที่มีอัตราการแผ่พลังงานต่อหน่วยพื้นที่มากสุดมีค่า
ลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่ม
กฎการขจัดของวีน (Wien’s displacement law)
สมมติฐานของโบร์ (Bohr’s hypothesis)
1. อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบนิวเคลียสจะมีวงโคจรพิเศษบางวงที่อิเล็กตรอนไม่แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาและมีโมเมนตัมเชิงมุมคงตัว ซึ่งมีค่าเป็นจำนวนเท่าของค่ามูลฐานค่าหนึ่ง คือ
2. อิเล็กตรอนจะรับหรือปล่อยพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนวงโคจร ซึ่งมีค่าตามสมมติฐานของพลังค์ คือ
หรือ
ทฤษฎีอะตอมของโบร์
แบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนตามทฤษฎีอะตอมของโบร์
สถานะพื้น (ground state) คือ สภาวะของอะตอมที่อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานต่ำสุด (มีเสถียรภาพมากที่สุด)
สถานะกระตุ้น (excited state) คือ สภาวะของอะตอมที่อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าสถานะพื้น เมื่อได้รับพลังงาน
การทดลองของฟรังค์และเฮิรตซ์
ทำการทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีของโบร์ที่ว่า “อะตอมมีระดับพลังงานเป็นชั้น ๆ” โดยศึกษาระดับพลังงานของอะตอมของไอปรอท
รังสีเอกซ์ (X-ray)
เรินต์เกน (Wilhelm K. Roentgen) ค้นพบโดยบังเอิญขณะทดลองรังสีแคโทด
สมบัติของรังสีเอกซ์
1. เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง
2. มีอำนาจทะลุทะลวงสูง
3. ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
4. ทำปฏิกิริยากับฟิล์มถ่ายรูป
5. เลี้ยวเบนได้เมื่อผ่านเข้าไปในผลึก
การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เมื่อผ่านเข้าไปในโครงสร้างผลึก
รังสีเอกซ์มี 2 ชนิด คือ
1. รังสีเอกซ์แบบต่อเนื่อง (Continuous X-rays)
2. รังสีเอกซ์แบบเส้นหรือแบบเฉพาะ (Characteristic X-rays)
การเกิดรังสีเอกซ์แบบเส้นเป็นการยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีอะตอมของโบร์ คือ อะตอมมีระดับพลังงานเป็นชั้น ๆ
ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีอะตอมของโบร์
ทฤษฎีอะตอมของโบร์อธิบายสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดี แต่ไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมอื่น ๆ ได้ดี
ไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่อยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก กล่าวคือ สเปกตรัมเส้นหนึ่ง ๆ จะแยกออกเป็นสเปกตรัมหลายเส้น เมื่ออะตอมอยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก
อธิบายสมมติฐานของโบร์
“อิเล็กตรอนที่วิ่งวนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสจะประพฤติตัวเป็นคลื่นนิ่ง” โดยมีความยาวเส้นรอบวงของวงโคจรพิเศษเท่ากับจำนวนเต็มเท่าของความยาวคลื่นอิเล็กตรอน
กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics)
มี 2 ลักษณะ ตามแบบวิธีทางคณิตศาสตร์ คือ
1. กลศาสตร์ควอนตัมแบบชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger)
หรือกลศาสตร์คลื่น (Wave mechanics)
มีรากฐานแนวความคิดจากสมมติฐานของเดอ บรอยล์ คือ อนุภาคแสดงสมบัติของคลื่นได้ กล่าวคือ
“ถ้าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค แต่ประพฤติตัวแบบคลื่นได้ ก็ควรจะมีสมการการเคลื่อนที่เช่นเดียวกับคลื่น”
2. กลศาสตร์ควอนตัมแบบไฮเซนเบิร์ก (Werner Karl Heisenberg) หรือกลศาสตร์แมทริกซ์ (Matrix mechanics)
หลักความไม่แน่นอน (Uncertainty principle)
“เราไม่สามารถรู้ถึงตำแหน่งและความเร็วของอนุภาคได้ในเวลาเดียวกันได้อย่างแม่นยำ” นั่นคือ ผลคูณระหว่างความคลาดเคลื่อนทางตำแหน่ง (x) กับความคลาดเคลื่อนของโมเมนตัม (p) มีค่าไม่น้อยกว่า
โครงสร้างอะตอมตามทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม
n=1
n=2
n=6
การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
สถานะของอิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมทั้ง 4 ตัว คือ
1. เลขควอนตัมหลัก (principal quantum number ; n) มีค่าอยู่ในช่วง
n = 1, 2, 3, , เรียกว่าเชล (shell) K, L, M, N, O, P, ตามลำดับ กำหนดค่าพลังงานและรัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอน
2. เลขควอนตัมวงโคจร (orbital quantum number ; ) มีค่าอยู่ในช่วง
= 0, 1, 2, 3, , (n-1) จำนวน n ค่า เรียกว่าเชลย่อย (subshell)
s, p, d, f, g, h, ตามลำดับ กำหนดรูปร่างวงโคจรและขนาดโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน
3. เลขควอนตัมแม่เหล็กของวงโคจร (orbital magnetic quantum number ; m) มีค่าอยู่ในช่วง –, - +1, , -2, -1, 0, 1, 2, , -1, จำนวน 2+1 ค่า กำหนดทิศทางการวางตัวของระนาบวงโคจรของอิเล็กตรอน
4. เลขควอนตัมสปินแม่เหล็ก (magnetic spin quantum number ; ms) มีค่าเป็น +1/2 และ -1/2 กำหนดสปินขึ้น (spin up) และสปินลง (spin down) ของอิเล็กตรอน
