เเบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

เเบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

                  จากเเบบจำลองของโบร์ ได้กล่าวว่า อิเล็กตรอนเคลื่อนตัวคล้ายกับการโคจรของดาวเคราะห์รอบระบบสุริยะจักรวาล ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัม เเต่ไม่สามารถบอกได้ว่าอธิบายได้ว่าเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จึงมีการศึกษาต่อจากเดิมโดยสร้างสมการในการคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในชั้นพลังงานต่างๆซึ่งเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าเเบบจำลองของโบร์ มีการอธิบายลักษณะดังน้
                 1. อิเล็กตรอนมีการวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยความเร็วจึงไม่สามารถบอกตำเเหน่งที่เเน่นอนได้เเต่สามารถบอกโอกาสในการพบได้โดยบริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาเเน่จะบอกอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเซรที่กลุ่มหมอกจาง

                 2. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในลักษณะใดก็ได้ เเต่ผลรวมเเล้วจะอยู่ในรูกวงกลม

การจัดเรียงอ้เล็กตรอนรอบนิวเคลียสเรียกว่า อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเป็นออร์บิทัล ในการจัดระดับพลังงานย่อย s p d f เเต่ละออร์บิทัลบรรจุอิเล็กตรอนดังนี้ 

                      s-orbital มี 1 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้ 2 อิเล็กตรอน

                      p-orbital มี 3 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้ 6 อิเล็กตรอน

                      d-orbital มี 5 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้ 10 อิเล็กตรอน

                      f-orbital มี 7 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้ 14 อิเล็กตรอน

                 

เเบบจำลองอะตอมของนีลโบร์

แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

             นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษษเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอโอไนเซชัน เพื่อดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว

                   จากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้ทราบถึงการจัดโครงสร้างของอนุภาคต่าง ๆ ในนิวเคลียส แต่ไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในลักษณะใด  นักวิทยาศาสตร์ในลำดับต่อมาได้หาวิธีทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส  วิธีหนึ่งก็คือการศึกษาสมบัติและปรากฏการณ์ของคลื่นและแสง  แล้วนำมาสร้างเป็นแบบจำลอง
     คลื่นชนิดต่าง ๆ เช่น  คลื่นแสง  คลื่นเสียง  มีสมบัติสำคัญ  2  ประการ  คือ  ความยาวคลื่นและความถี่

                   สเปกตรัม หมายถึง อนุกรมของแถบสีหรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ซึ่งทำให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆเรียงลำดับกันไป

                

คลื่นเเม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยคลื่นที่มีความยาวเเละความถี่ต่างๆ ประสาทตาของคนเราสามารถรับคลื่นได้ในช่วง 400-700 นาโนเมตรประกอบด้วยสีต่างๆเเต่ประสาทตาของเราไม่สามารถเเยกออกได้จึงเห็นเป็นสีรวมกันเรียกว่า เเสงสีขาว 

                  ความยาวคลื่น    หมายถึง ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ  1รอบ มีหน่วยเป็นเมตร (m) และนาโนเมตร (nm)
                 ความถี่ของคลื่น  หมายถึง จำนวนรอบของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในเวลา  1 วินาที  มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s^–1)หรือเรียกชื่อเฉพาะว่า “เฮิรตซ์”(Hz)                 ความยาวคลื่นและความถี่  มีความสัมพันธ์กันดังนี้   

c   =   ln

         ในปี ค.ศ. 1900  มักซ์ พลังค์ (Max Plank)นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน  ได้แสดงให้เห็นว่าแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะให้พลังงานเป็นหน่วย ๆ เรียกว่า “quantum” (ควอนตัม)  และได้ข้อสรุปเกี่ยวกับพลังงานของคลื่นแม้เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่า “พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่น” 

                                                                        E   a    n 

                                                                        E   =    hn       

                    เมื่อ       E     คือ  พลังงาน  มีหน่วยเป็นจูล (J)
                                h    คือ  ค่าคงที่ของพลังค์ มีค่าเท่ากับ  6.626 x 10^-34 จูลวินาที (Js)                                                         n    คือ  ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz)  หรือ  s^–1                                                                 c   คือ  ความเร็วของแสงในสุญญากาศ    =     3.0 x 10⁸  m/s

สเปกตรัมมี2ชนิด คือ

              1. สเปกตรัมต่อเนื่อง เป็นสเปกตรัมที่ประกอบด้วยเเถบสีที่ต่อเนื่องกันไปจากสีหนึ่งไปยังอีกสีหนึ่ง โดยจะมองไม่เห็นช่องว่างระหว่างสี เช่น สเปกตรัมของเเสงสีขาวที่เกิดขึ้นจากเเสงอาทิตย์ไปยังปริซึมเเล้วเกิดการกระจายของเเสงออกมาเป็นเเถบต่อเนื่องกัน 7 สี

              2. สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง เป็นสเปกตรัมที่มีลักษณะเป็นเส้นสีบนพื้นดำ เรียกเส้นนั้นว่า เส้นสเปกตรัม โดยจะมองเป็นสีหนึ่งไปยังอีสีหนึ่งโดยมีช่องว่างสีดำ

เส้นสเปกตรัมแต่ละเส้นได้จากสมการ

 

นีลส์โบร์   ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา สรุปได้ดังนี้

             1 . อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน  และแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว

             2. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุดยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น   ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น

             3. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน  n =  1   ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2, n = 3,… ตามลำดับ   หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M , N  ,O ,  P , Q ….

                   จากทฤษฎีอะตอมของ นีลส์โบร์ แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการเผาสารประกอบและธาตุบางชนิด  โดยนำสารประกอบมาเผา  แล้วสังเกตสีของเปลวไฟที่เกิดขึ้น  ส่องดูสีของเปลวไฟด้วยสเปกโตรสโคป เพื่อศึกษาสเปกตรัมที่ได้  ซึ่งสรุปได้ว่า

      1. สารประกอบของโลหะชนิดเดียวกันจะให้สีเปลวไฟสีเดียวกัน  และได้เส้นสเปกตรัมซึ่งเป็นแบบเฉพาะ  นั่นคือ  มีสีและตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมเหมือนกัน

สถานะพื้น (ground state)     หมายถึงอะตอมที่อิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวอยู่ในระดับพลังงานต่ำ  อะตอมในสถานะพื้นจะมีความเสถียรเนื่องจากมีพลังงานต่ำ สถานะกระตุ้น (excited state)      หมายถึงอะตอมที่ได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น  ทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้อยู่ในระดับพลังงานสูงขึ้น  ที่สถานะกระตุ้นอะตอมจะไม่เสถียร  เนื่องจากมีพลังงานสูง

      อะตอมที่ได้รับพลังงาน  เช่น  จากการเผา  หรือจากกระแสไฟฟ้า  อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากสถานะพื้นไปสู่สถานะกระตุ้นซึ่งไม่เสถียร  จึงต้องคายพลังงานออกมา  ซึ่งพลังงานที่คายออกมาจะอยู่ในรูปพลังงานแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  เมื่อผ่านปริซึมหรือสเปกโตรสโคปจะแยกแสงออกเป็นเส้นสเปกตรัม

           

เเบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

  เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด( Ernest Rutherford )ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ไปที่แผ่นโลหะบางๆ ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนุภาคนี้ สามารถวิ่งผ่านได้เป็นจำนวนมาก แต่จะมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นอนุภาคที่กระเจิง ( การที่อนุภาคเบนจากแนวการเคลื่อนที่จากที่เดิมไปยังทิศทางต่างๆกัน ) ไปจากแนวเดิมหรือสะท้อนกลับทางเดิม

                  

                    รัทเธอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่ว่า อะตอมประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลาง เรียกว่านิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียส ด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนจึงเป็นที่ว่างเนื่องจากแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด ยังมีข้อบกพร่องบางประการ เช่น ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมอิเล็กตรอนจึงวนรอบนิวเคลียสได้ โดยไม่สูญเสียพลังงาน และทำไมประจุไฟฟ้าบวกจึงรวมกันอยู่ภายในนิวเคลียสได้ ทั้งๆที่มีแรงผลักเนื่องจากประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน จึงทำให้นักฟิสิกส์พยายามหาแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่

                 รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการศึกษารังสีที่เกิดการสารกัมมันตรังสีพบว่ารังสีที่เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีมี่อยู่3ชนิด คือ รังสีเเอลฟา รังสีบีตาเเละรังสีเเกมมา

                  1. รังสีเเอลฟาประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุบวกเป็นนิวเคลียสอะตอมของธาตุฮีเลียม มีอำนาจทะลุผ่านได้น้อยมาก ถูกกั้นด้วยกระดาษ 1-2เเผ่น(ไม่สามารถผ่านกระดาษ)

                  2. รังสีบีตา ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง มีอำนาจทะลุผ่านได้มากกว่ารังสีเเอลฟา ถูกกั้นด้วยเเผ่นโลหะบางๆหรือไม้หนาประมาณ 0.5 เซนติเมตร (ผ่านกระดาษได้เเต่ผ่านโลหะไม่ได้)

                  3. รังสีเเกมมา มีสมบัติเป็นคลื่นไฟฟ้า ที่มีความยาวสั้นมากคล้ายกับรังสีเอ็กซ์ รังสีเเกมมาไม่มีทวล ไม่มีประจุ เเต่มีอำนาจทะลุผ่านที่สูงมาก ถูกกั้นด้วยเเผ่นตะกั่วหนาหรือคอนกรีตหนา 10 เซนติเมตร (ผ่านได้ทั้งหมดยกเว้นเเผ่นตะกั่วที่หนา 10 เซนติเมตรขึ้นไป)

                    ลักษณะเเบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด