แบบจำลองแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

ประวัติ

แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติม โดยใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัม สร้างสมการเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ จึงสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าอะตอมของโบร์
ลักษณะสำคัญของแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอธิบายได้ดังนี้ 1. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็วตลอดเวลาด้วยความเร็วสูง ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่างๆ ปรากฏการณ์แบบนี้นี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่น จะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง
2. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทุกระดับพลังงานจะเป็นรูปทรงกลม รูปทรงต่างๆของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน จะขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การใช้ทฤษฎีควันตัม จะสามารถอธิบายการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส ได้ว่าอิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเป็นออร์บิทัล(orbital) ในระดับพลังงานย่อย s , p , d , f แต่ละออร์บิทัล จะบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่ ดังนี้
s – orbital มี 1 ออร์บิทัล หรือ 2 อิเล็กตรอน p – orbital มี 3 ออร์บิทัล หรือ 6 อิเล็กตรอน
d – orbital มี 5 ออร์บิทัล หรือ 10 อิเล็กตรอน f – orbital มี 7 ออร์บิทัล หรือ 14 อิเล็กตรอน
แต่ ละออร์บิทัลจะมีรูปร่างลักษณะแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล และระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลนั้นๆ เช่น

s – orbital มีลักษณะเป็นทรงกลม
p – orbital มีลักษณะเป็นกรวยคล้ายหยดน้ำ ลักษณะแตกต่างกัน 3 แบบ ตามจำนวนอิเล็กตรอนใน 3 ออร์บิทัล คือ Px , Py , Pz
d – orbital มีลักษณะและรูปทรงของกลุ่มหมอก แตกต่างกัน 5 แบบ ตามจำนวนอิเล็กตรอนใน 5 ออร์บิทัล คือ dx2-y2 , dz2 , dxy , dyz , dxz

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด

ประวัติ

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด เป็นบุตรชายของ เจมส์ รัทเทอร์ฟอร์ด ชาวนาผู้ซึ่งอพยพมาจากเมืองเพิร์ธ ประเทศสก็อตแลนด์ กับ มาร์ธา (นามสกุลเดิม ธอมป์สัน) ซึ่งดั้งเดิมอาศัยอยู่ที่เมือง ฮอร์นเชิช เมืองเล็กๆ ในแถบตะวันออกของประเทศอังกฤษ บิดามารดาของเขาย้ายมายังประเทศนิวซีแลนด์ เออร์เนสต์ เกิดในเมืองสปริงโกรฟ (ปัจจุบันคือ เมืองไบรท์วอเตอร์) ใกล้กับเมืองเนลสัน ประเทศนิวซีแลนด์ เขาศึกษาในเนลสันคอลเลจ และได้รับทุนการศึกษาเพื่อเรียนในแคนเตอร์บิวรีคอลเลจ (ปัจจุบันคือมหาวิทยาลัยแห่งแคนเทอเบอรี่ ) ในปี 1895 หลังจากจบการศึกษาด้าน BA, MA และ BSc และใช้เวลา 2 ปีในการทำวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีไฟฟ้า รัทเทอร์ฟอร์ดเดินทางไปยังประเทศอังกฤษเพื่อศึกษาต่อที่ ศูนย์วิจัยคาเวนดิช มหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ (1895 - 1898) เขาได้รับการบันทึกไว้ในฐานะผู้ค้นพบระยะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในระหว่างการทดลองด้านกัมมันตภาพรังสี เขาเป็นผู้สร้างนิยามของรังสีแอลฟา และบีตา ซึ่งเป็นคำที่ใช้เรียกรังสี 2 ชนิดที่ปล่อยออกมาจากทอเรียมและยูเรเนียม เขาค้นพบมันระหว่างการตรวจสอบอะตอม อย่างไรก็ตาม เขาไม่ยอมรับว่าเป็นผู้ค้นพบรังสีแกมมา ซึ่งถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส P.V. Villard ไม่นานหลังรัทเทอร์ฟอร์ดรายงานการค้นพบของเขาเกี่ยวกับการแพร่กระจายของก๊าซกัมมันตภาพรังสี ในปี 1898 รัทเทอร์ฟอร์ดได้เป็นหัวหน้าด้านฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแมคกิลล์ ในมอนทรีออล ประเทศแคนาดา ที่ซึ่งเขาสร้างผลงานจนได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ในปี 1908

การค้นพบ

รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ( นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ) ไปที่แผ่นโลหะบาง ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนุภาคนี้ สามารถวิ่งผ่านได้เป็นจำนวนมาก แต่จะมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นอนุภาคที่กระเจิง ( การที่อนุภาคเบนจากแนวการเคลื่อนที่จากที่เดิมไปยังทิศทางต่างๆกัน ) ไปจากแนวเดิมหรือสะท้อนกลับทางเดิมจากการทดลองนี้ รัทเธอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า " อะตอมมี ลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลางเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นที่ว่างเปล่า"แต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือ
1.อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้พลังงานจลน์ลดลง ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด จึงไม่สูญเสียพลังงาน และไปรวมอยู่ที่นิวเคลียส 2. อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เมื่อวิ่งวนรอบนิวเคลียสจะจัดการเรียงตัวอย่างไร 3. ประจุบวกที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส จะอยู่กันได้อย่างไร ทั้งๆที่เกิดแรงผลัก

เซอร์ โจเซฟ จอห์น เจ. เจ. ทอมสัน

เซอร์ โจเซฟ จอห์น เจ เจ ทอมสัน

ประวัติ

               ทอมสันเกิดในวันที 18 ธันวาคม 1856 ที่ Manchester ประเทศอังกฤษ ทอมสันเรียนจบในระดับปริญญาตรีจาก Trinity Collage ใน Cambridge University ในปี 1883   ในปี 1891 นักวิทยาศาสตร์ชื่อ George Johnstone Stoney ผู้ซึ่งศึกษาสภาพไฟฟ้าของอะตอม ได้เสนอว่า ในธรรมชาติควรจะมีหน่วยที่เล็กที่สุดของประจุไฟฟ้า และเขาเรียกหน่วยที่เล็กที่สุดของประจุนี้ว่า Electron หรือก็คือ อิเล็กตรอน

ในปี 1897 ที่ Royal Institution ประเทศอังกฤษ ทอมสันได้วิจัยเรื่องการนำไฟฟ้าผ่านก๊าซด้วยหลอดรังสีแคโทด ทอมสันพบว่าเมื่อสูบก๊าซออกจากหลอดรังสีแคโทดแล้วจะพบลำของอนุภาคถูกปล่อยออกและเคลื่อนที่จาก ขั้วแคโทน ไปยัง แอโนด ทอมสันได้พบว่าลำของอนุภาคนี้สามารถเลี้ยวเบนได้ในสนามไฟฟ้า ทอมสันได้เสนอว่ารังสีแค่โทดคือลำของการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุลบที่เบากว่าอะตอมของไฮโดรเจนมากกว่า 1000 เท่า ทอมสันตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า Corpuscale นอกจากนี้ ทอมสันได้ใช้หลักการเลี้ยวของอนุภาคในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเพื่อคำนวณหาอัตราส่วน มวลต่อประจุของ Corpuscale   ได้

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด  จึงทำการทดลองเกียวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี พ.ศ. 2440 (ค.ศ. 1897) และได้สรุปสมบัติของรังสีไว้หลายประการ  ดังนี้

    1. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด  เนื่องจากรังสีแคโทดทำให้เกิดเงาดำของวัตถุได้  ถ้านำวัตถุไปขวางทางเดินของรังสี
    2. รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีมวล เนื่องจากรังสีทำให้ใบพัดที่ขวางทางเดินของรังสีหมุนได้เหมือนถูกลมพัด
    3. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ  เนื่องจากเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า 

        การค้นพบโปรตอน

                 ในปี พ.ศ. 2409 (ค.ศ. 1866) ออ ยเกน  โกลด์ชไตน์  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน  ได้ทำการทดลองโดยเจาะรูที่ขั้วแคโทดในหลอดรังสีแคโทด  พบว่าเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดจะมีอนุภาคชนิดหนึ่งเคลื่อน ที่เป็นเส้นตรงไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดผ่านรูของ ขั้วแคโทด  และทำให้ฉากด้านหลังขั้วแคโทดเรืองแสงได้  โกลด์ชไตน์ได้ตั้งชื่อว่า“รังสีแคแนล” (canal ray)  หรือ “รังสีบวก” (positive ray)  สมบัติของรังสีบวกมีดังนี้
    1. เดินทางเป็นเส้นตรงไปยังขั้วแคโทด
    2. เมื่อผ่านรังสีนี้ไปยังสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า  รังสีนี้จะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงข้ามกับรังสีแคโทด  แสดงว่ารังสีนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก
    3. มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่คงที่  ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สในหลอด  และถ้าเป็นแก๊สไฮโดรเจนรังสีนี้จะมีอัตราส่วนประจุต่อมวลสูงสุด  เรียกอนุภาคบวกในรังสีแคแนลของไฮโดรเจนว่า “โปรตอน”    4. มีมวลมากกว่ารังสีแคโทด  เนื่องจากความเร็วในการเคลื่อนที่ต่ำกว่ารังสีแคโทด
ทอมสันได้วิเคราะห์การทดลองของโกลด์ ชไตน์ และการทดลองของทอมสัน  จึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า

    “อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมี อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป  อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ”

จอห์น ดอลตัน

จอห์น ดอลตัน

ประวิติ

ดอลตันเกิดมาในฤดูหนาวในประเทศอังกฤษ ค.ศ. 1766 บิดา และ มารดาเป็นคนในนิกายแควกเกอ โดยบิดาประกอบอาชีพทอผ้า เมื่อโตเป็นหนุ่มเป็นคนแข็งแรง ทนทานและมีความคิดเมื่อครูให้ทำงานยากๆ ดอลตันจะไม่ยอมแพ้หรือขอให้ครูบอกคำตอบ แต่เขาจะทำด้วยตัวเองให้ได้ บางครั้งก็มีการพนันกับเพื่อน

จนกระทั่งดอลตันอายุครบ 12 ปี และมีความรู้ตามมาตรฐานของคนละแวกนั้นที่พอจะเป็นครูสอนหนังสือ ได้แล้ว เขาจึงปิดประกาศหน้าบ้านรับจ้างสอนหนังสือ พร้อมกับแจกกระดาษ ปากกาและหมึกฟรี สมัยนั้นกระดาษ ปากกา และหมึกหายากที่สุดในประเทศอังกฤษ ผู้คนก็สนใจมาเรียนกันตั้งแต่เด็กๆจนอายุ 17 ปีก็ยังมี โรงเรียนดำเนินไปด้วยดี แต่เมื่อดอลตันอายุ 15 ปี เขาก็เข้าหุ้นกับพี่ชายที่เปิดโรงเรียนอยู่แล้ว

สองพี่น้องเอาวิชาเทคนิคไปสอนในโรงเรียน เพื่อหารายได้เพิ่มมากขึ้น แม้แต่ช่วยชาวเมืองในการดำเนินกิจการ รวมทั้งการเขียนมรดกให้ด้วย ปากกาในสมัยนั้นมีอานุภาพมาก ดอลตันหันมาทำนายดินฟ้าอากาศเพื่อเพิ่ม ความรู้ทางลมฟ้าอากาศให้แก่ชาวนา ทุกๆวันเขาต้องคอยสังเกตลมฟ้าอากาศเกือบทุกๆชั่วโมงเป็นกิจวัตรที่ทำติดต่อกันมาเป็นเวลา 57 ปีจนเสียชีวิต เขาใช้เครื่องมือหยาบๆ ที่ทำเองที่บ้าน ทำการวัดปริมาณน้ำฝน ในท้องที่ที่ฝนตกทุกวัน และได้ขายเครื่องมือเหล่านี้ให้แก่ชาวนา เพื่อว่าพวกนั้นจะได้ช่วยสังเกตดินฟ้าอากาศร่วมไปกับเขาด้วย ปาฐกถาของดอลตันก็ได้มีขึ้น เป็นเรื่องราวเกี่ยวกับธรรมชาติ ปรัชญาอันได้มาจากการสังเกตของเขา ประกอบด้วยเรื่อง"กฎของการเคลื่อนไหว สี ลม เสียง พระจันทร์ที่ขึ้นในเวลาเดียวกัน จันทรุปราคา ดาวพระเคราะห์และ น้ำขึ้นน้ำลง" แต่ปาฐกถาครั้งนี้ไม่ประสบความสำเร็จ ประชาชนรู้จักเขาดีเกินไปที่จะแตกตื่นมาฟังกัน เช่นเดียวกันกับหนังสือไวยากรณ์ ซึ่งสอนในเรื่องการผูกประโยคอังกฤษที่เขาเป็นคนเขียน ก็ขายได้จำนวนน้อย

วันหนึ่ง ดอคลตันซื้อถุงมาให้มารดา มารดาของเขารู้สึกยินดีที่ได้รับของขวัญชึ้นนี้และในเวลาเดียวกัน ก็รู้สึกฉงนใจด้วย"แกซื้อถุงมาให้แม่น่ะดีทีเดียว แต่นึกยังไงถึงเอาอย่างสีแจ๊ดมาเล่า" "นี่แหละเป็นสีที่เหมาะสำหรับเอาออกสังคม ก็มันไม่ใช่สีน้ำเงินแก่ที่รักษามารยาทเหรอ"จอห์นตอบ เขาเจอเหตุการณ์แนวนี้หลายครั้งจนเขาได้จัดตั้งทฤษฎีอธิบาย และปรากฏการณ์เช่นนี้เราเรียกกันในปัจจุบันว่าตาบอดสี

ดอลตันเข้าไปมีส่วนร่วมในการทดสอบความรู้ บรรดานักเคมีในสมัยนั้นก็ยังไม่สามารถจับหลักในการแปรผัน ของส่วนผสมของเครื่องยาเคมีได้ การค้นพบหลักเช่นนี้ ทำให้ดาลตันต้องใช้ความพยายามอย่างมาก และความคิดอันสำคัญยิ่งก็ปรากฏในสมองของเขาทีละน้อยๆ โดยอาศัยความรู้ทางด้านฟิสิกส์มาช่วย

จอห์น ดอลตันเสียชีวิตเมื่อวันที่ 27 กรกฎาคม ค.ศ. 1844 ที่เมืองแมนเชสเตอร์ (Manchester) ประเทศอังกฤษ

การค้นพบอะตอม

ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803)  จอห์น ดอลตัน (John Dalton)  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม

เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ  ซึ่งสรุปได้ดังนี้

1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้

2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น

3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

จอห์น ดอลตัน ชาวอังกฤษ เสนอทฤษฎีอะตอมของดอลตัน

– อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด แบ่งแยกอีกไม่ได้

– อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน    

-อะตอมต้องเกิดจากสารประกอบเกิดจากอะตอม

ของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมตัวกันทางเคมี

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์ค้นพบข้อมูล 

บางประการที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน  เช่น  พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้  

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

ทรงกลมตันมีขนาดเล็กที่สุดซึ้งแบ่งแยกอีกไม่ได้