แบบจำลองอะตอม (Atomic Model)

ประมาณ 500 ปี ก่อนคริตศักราช นักปราชญ์กรีกชื่อ ดิโมเครตุส(Democritus) และลาซิปปุส(Leucippus) เชื่อว่าเมื่อย่อยสารลงเรื่อย ๆ จะได้ซึ่งไม่สามารถทำให้เล็กลงกว่าเดิมได้อีก และเรียกอนุภาคที่เล็กที่สุดว่า “อะตอม” (atom มาจากภาษากรีกคำว่า atomos แปลว่าแบ่งแยกอีกไม่ได้) และสิ่งที่เล็กที่สุดนี้ของแต่ละธาตุต่างกันจึงทำให้สมบัติต่าง ๆ ของแต่ละธาตุแตกต่างกันด้วย แต่ความเชื่อนี้ไม่ได้รับการยอมรับจากนักปราชญ์ที่มีชื่อเสียงในสมัยนั้น (Plato และ Aristotle)

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

ในปี ค.ศ.1808 John Dalton ครูสอนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ และนักปรัชญา ชาวอังกฤษ ได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมที่เรียกว่าทฤษฎีอะตอม มีใจความสำคัญว่า

สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก เรียกว่า atom
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ย่อมมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ(เช่นมีมวลเท่ากัน) และมีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
ไม่สามารถทำให้อะตอมสูญหายหรือเกิดใหม่ได้ (กฎทรงมวล Law of conservation mass)
สารประกอบเกิดจากการรวมตัวทางเคมีระหว่างอะตอมของตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และจำนวนอะตอมของธาตุที่รวมตัวกันจะเป็นอัตราส่วนตัวเลขลงตัวน้อย ๆ (กฎสัดส่วนคงที่ Law of multipleproperties)

Dolton เสนอมโนภาพของแบบจำลองอะตอมว่า อะตอมมีลักษณะทรงกลมตัน มีขนาดเล็กมาก และไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก

ภาพที่ 1 แสดงแบบจำลองอะตอมของ Dolton

ที่มา : http://thehistoryoftheatom.weebly.com/john-dalton.html

เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองค้นคว้าได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น พบว่าแบบจำลองอะตอมของ Dolton ไม่สามารถอธิบายได้ เช่น

ทำไมอะตอมของธาตุต่างกันจึงมีมวลต่างกัน
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีสมบัติต่างกันได้ เช่น ไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป ¹H, ²H และ ³H เป็นธาตุชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกัน
ทำไมธาตุจึงมีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาต่างกัน
ทำไมธาตุหนึ่ง ๆ ทำปฏิกิริยาได้เฉพาะบางธาตุ
อะตอมทำให้เกิดขึ้นใหม่หรือเปลี่ยนไปเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้ หรือสามารถสังเคราะห์อะตอมของธาตุใหม่ได้โดยอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์

ด้วยสาเหตุดังกล่าวจึงทำให้มีผู้ศึกษาค้นคว้าแบบจำลองอะตอมใหม่เพื่ออธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

Sir Joseph John Thomson นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้รวบรวมนำการศึกษาด้านต่าง ๆ ของผู้สนใจค้นคว้าในแต่ละสาขามารวมกันเป็นแบบจำลองอะตอมใหม่ เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่แบบจำลองอะตอมของดอลตันไม่สามารถอธิบายได้ การทดลองที่สำคัญ คือ

หลอดรังสีแคโทดของ William Crookers
หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph John Thomson
การหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีเม็ดน้ำมันของ Robert Andrews Millikan
หลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstrin

หลอดรังสีแคโทดของ William Crookers

จากปรากฏการณ์ธรรมชาติที่แสดงให้เห็นว่าแก๊สนำไฟฟ้าได้ คือ ปรากฏการณ์ฟ้าร้อง ฟ้าผ่า นักวิทยาศาสตร์จึงได้ทำการทดลองเพื่ออธิบายการนำไฟฟ้าของแก๊สพบว่า ที่ความดัน 1 บรรยากาศ (1 atm) อากาศจะไม่นำไฟฟ้า แต่ถ้าลดความดันลง และเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วมาก ๆ แก๊สจะนำไฟฟ้าได้ดี

William Crookers ได้ประดิษฐ์อุปกรณ์เพื่อจำลองปรากฏการณ์ฟ้าร้อง ฟ้าผ่า ประกอบด้วยหลอดแก้วที่บรรจุแก๊สความดันต่ำ มีขั้วไฟฟ้าเป็นแผ่นโลหะ (Electrode) 2 ขั้ว ต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูง (10,000 – 20,000 volte) แผ่นโลหะด้านไฟฟ้าลบเรียกว่า ขั้ว cathode แผ่นโลหะด้านไฟฟ้าบวกเรียกว่า ขั้ว anode และยังได้วางฉากเรืองแสง (ZnS ซิงค์ซัลไฟด์) ขนานไปตามแนวยาวของหลอด

จากการทดลองของ Crookers พบว่า

ที่ความดัน 1 บรรยากาศ ไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ
เมื่อลดความดันลง แก๊สภายในหลอดแก้วจะเรืองแสง
เมื่อลดความดันลงมาก ๆ บริเวณ anode จะเรืองแสงมาก
เมื่อนำ หมุนได้ไปไว้ระหว่างขั้ว anode และ cathode ใบพัดจะหมุนได้
เมื่อนำฉากเรืองแสง ZnS ไว้ระหว่างขั้ว anode และ cathode ฉากด้านที่หันไปทางขั้ว cathode เรืองแสงและเกิดเงา

เพราะฉะนั้นจึงสามารถกล่าวได้ว่ามีรังสีชนิดหนึ่งพุ่งออกมาจากขั้ว cathode เป็นเส้นตรงมายังขั้ว anode เรียกรังสีนี้ว่า cathode ray cathode ray ประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบและมีมวลเพราะสามารถทำให้ใบพัดของกังหันหมุนได้

หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph John Thomson

ค.ศ. 1897 (พ.ศ. 2440) Sir Joseph John Thomson นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด พบว่าเมื่อลดความดันลงจนเกือบเป็นสูญญากาศ จะมีจุดสว่างบนฉากเรืองแสง Thomson จึงตั้งสมมุติฐานว่า รังสี cathode เป็นอนุภาคที่มีประจุ ดังนั้นอนุภาคควรจะเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

เมื่อนำสนามไฟฟ้าภายนอกมาล่อ จุดสว่างบนฉากเรืองแสงจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกเสมอ เพราะฉะนั้น Thomson จึงสรุปว่า รังสี cathode ประกอบด้วยอนุภาคลบที่เคลื่อนที่ออกจากขั้ว cathode ในลักษณะรังสี

Thomson ได้ทำการทดลองต่อโดย

เปลี่ยนแก๊สภายในหลอดรังสี cathode โดยโลหะที่ทำขั้วยังคงเดิม พบว่าได้ผลการทดลองเช่นเดิม
เปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วเป็นโลหะชนิดต่าง ๆ แต่ใช้แก๊สชนิดเดิม พบว่าได้ผลการทดลองเช่นเดิม

สรุปได้ว่าไม่ว่าจะบรรจุแก๊สชนิดใดหรือใช้โลหะชนิดใดมาทำขั้ว หลอดรังสี cathode จะให้รังสี cathode ที่เป็นอนุภาคลบเหมือนกัน

Thomson ได้ทำการทดลองต่อโดยนำหลอดรังสี cathode วางไว้ในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่ตั้งฉากกั้น จากนั้นค่อย ๆ เพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กจน รังสี cathode ไม่มีการเบี่ยงเบนแสดงว่าความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความแรงสนามแม่เหล็ก Thomson อาศัยค่าความแรงของสนามแม่เหล็กและความแรงของสนามไฟฟ้าที่กระทำต่ออนุภาคลบในรังสี cathode หาอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคได้ e/m = 1.759 x 10⁸ คูลอมบ์ต่อกรัม

Thomson จึงสรุปว่า อนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบของอะตอมของธาตุทุกชนิด และเรียกชื่ออนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน (Electron)

การหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีเม็ดน้ำมันของ Robert Andrews Millikan

ในปี ค.ศ.1909 (พ.ศ.2452) Robert Andrews Millikan นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้ทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีเม็ดน้ำมัน (Oil-drop experiment) เมื่อพ่นละอองเม็ดน้ำมันเข้าไปหยดน้ำมันจะเคลื่อนที่จากบนลงล่างตามแรงดึงดูดของโลกแต่เมื่อฉาย X-ray จะทำให้อากาศภาย (ในแตกตัวเป็นอนุภาคบวกและลบไปเกาะบนหยดน้ำมันที่มีประจุลบเท่านั้น) ดังนั้นเมื่อใส่สนามไฟฟ้าเข้าไปหยดน้ำมันที่มีประจุลบเกาะอยู่จะเคลื่อนที่ลงมาช้าลงเพราะขั้วบวกที่อยู่ด้านบนดึงดูดเอาไว้จากนั้นปรับสนามไฟฟ้าจนกระทั้งแรงดึงดูดจากสนามไฟฟ้า(ด้านบน)กับแรงดึงดูดของโลกมีค่าเท่ากันหยดน้ำมันจะลอยนิ่งนั้นคือ

จากสมการ F₁ = mg (1)

เมื่อถ้า m = มวลของหยดน้ำมัน

g = แรงดึงดูดของโลก

F₁ = แรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อหยดน้ำมัน

และจากสมการ F₂ = Eq (2)

เมื่อ q = ประจุบนหยดน้ำมัน

E = สนามไฟฟ้า

F₂= แรงที่สนามไฟฟ้ากระทำต่อประจุบนหยดน้ำมัน

เมื่อหยดน้ำมันลอยนิ่ง สมการที่ 1 = สมการที่ 2

F₁ = F₂

mg = Eq

q = (mg) /E

ค่า m และ E หาได้จากเครื่องมือที่ใช้ Milikan พบว่าประจุบนเม็ดน้ำมันที่น้อยสุดว่ามีค่าเป็นเลขจำนวนเต็มคูณด้วย 1.602 x 10^-19 คูลอมบ์ (coulomb) Milikan จึงนับค่าประจุไฟฟ้าของเม็ดน้ำมันที่น้อยสุดว่ามีค่า = 1 x 1.602 x 10^-19 คูลอมบ์ว่าเป็นประจุของเม็ดน้ำมันเมื่อมีอิเล็กตรอน 1 ตัว เพราะฉะนั้นประจุของอิเล็กตรอนมีค่า = 1 x 1.602 x 10^-19 coulomb

การหาค่ามวลของอิเล็กตรอน

เมื่อทราบค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนก็สามารถนำมาแทนค่าในสมการของ Thomson

สมการของ Thomson e/m = 1.759 x10⁸coulomb / g

แทนค่า e จาก Milikan e = 1.602 x 10^-19coulomb

จะได้มวลของ electron m = 9.11 xx10^-28 g

หลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstein (การค้นพบ Proton)

การที่อะตอมทุกชนิดมี electron เป็นองค์ประกอบแต่อะตอมมีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้าทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเป็นองค์ประกอบในปี ค.ศ. 1889 (พ.ศ. /2429) Eugen Goldstrin นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ดัดแปลงหลอดรังสี cathode ดังรูป

ภาพที่ 2 แสดงหลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstrin

ที่มา : https://sites.google.com/site/631laintimidaddelamateria/descubrimiento-de-las-particulas-subatomicas

โดยเลื่อน cathode และ anode ที่เจาะรูมาไว้เกือบตรงกลางและมีฉากเรื่องแสงอยู่ที่ปลายทั้งสองข้างเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าศักดิ์สูงเข้าไปปรากฏว่ามีแสงสว่างเกิดขึ้นบนฉากเรื่องแสงทั้งสองตรงกับตำแหน่งที่เจาะรูไว้แสดงว่ามีรังสีจากขั้ว anode ไปขั้ว cathode ผ่านรูตรงกลางที่เจาะไว้กระทบกับฉากเรืองแสงรังสีนี้จะเกิดขึ้นพร้อมๆกับ cathode ray เรียกรังสีที่พบใหม่ว่า positive ray หรือ anode ray หรือ canal ray

เมื่อทดลองหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของ gas ในหลอดพบว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่คงที่และจะขึ้นกับชนิดของ gas ที่บรรจุในหลอดแต่ถ้าใช้ gas ชนิดเดิมแล้วเปลี่ยนชนิดขั้วโลหะที่ทำ anode พบว่าอัตราส่วนต่อประจุต่อมวลมีค่าคงเดิม

Goldstien ได้สรุปผลการทดลองว่าอัตราส่วนประจุต่อมวลขึ้นอยู่กับชนิดของ gas (gas ต่างชนิดกันจะมีผลมวลต่างกัน)

เมื่อใช้ Hydrogen gas จะได้อนุภาค(H⁺_(g) มีค่าประจุต่อมวลมากที่สุดโดยที่อนุภาคบวกนี้มีค่าประจุเท่ากับ electron (ทำให้มวลของอนุภาคบวกดังกล่าวมีค่าต่ำสุด) จึงเรียกอนุภาคบวกหรือไอออนบวกจาก Hydogen gas ว่า Proton ซึ่งมาจากภาษากรีกว่า Proteinos ซึ่งมีความหมายเป็นสิ่งสำคัญสิ่งแรก(fist importance)

Thomson เสนอแบบจำลองอะตอมว่า “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคโปรตรอนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมออะตอมในสภาวะเป็นกลางจะมีประจุบวกเท่ากับประจุลบนอก” จากนี้ยังหาค่า e / m ของ hydrogas หรือ Proton ได้เท่ากับ 9.58 x 10⁴ coulomb/ g แทนค่า e = 1.6 x 10^-19 จะได้ค่ามวลของ proton = 1.66 x 10^-24 g เมื่อเปรียบเทียบมวลของ proton กับมวลของ electron พบว่ามวลของ proton จะมีค่ามากกว่ามวลของ electron ประมาณ 1800 เท่า

ภาพที่ 3 แสดงแบบจำลองอะตอมของทอมสัน (Thomson)