2.1 แบบจำลองอะตอม
แนวคิดที่ว่าสิ่งต่างๆประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าได้เริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณโดยดิโมคริตุสนักปราชญ์ชาวกรีกผู้หนึ่งได้เสนอแนวคิดว่าถ้าแบ่งสิ่งต่างๆให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จะได้หน่วยย่อยซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กได้อีกเรียกว่าอะตอมซึ่งอะตอมในภาษากรีกแปลว่าแบ่งแยกอีกไม่ได้
2.1.1 แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
ในปีพ.ศ 2346 จอห์นดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมีรวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่งหนึ่งซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1.ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กๆเหล่านี้เรียกว่าอะตอมซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันเช่นมีมวลเท่าแต่จะมีสมบัติแตกต่างจาก อะตอมของธาตุอื่น
3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่งต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นและค้นพบว่ามีข้อมูลแบบประกันไม่สอดคล้องกับแนวคิดของดอลตัน เช่นคำว่าต่อมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้อะตอมสามารถแบ่งแยกได้อีกแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง
2.1.1 แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
ในปีพ.ศ 2346 จอห์นดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมีรวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่งหนึ่งซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1.ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กๆเหล่านี้เรียกว่าอะตอมซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันเช่นมีมวลเท่าแต่จะมีสมบัติแตกต่างจาก อะตอมของธาตุอื่น
3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่งต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นและค้นพบว่ามีข้อมูลแบบประกันไม่สอดคล้องกับแนวคิดของดอลตัน เช่นคำว่าต่อมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้อะตอมสามารถแบ่งแยกได้อีกแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง
2.1.2 แบบจําลองอะตอมของทอมสัน
นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊สโดยทดลองเกี่ยวกับผลของการใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงต่อกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าของอะตอมแก๊สเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างภายในอะตอมโดยผ่านกระแสไฟฟ้าตรงเข้าไปในหลอดแก้วบรรจุแก๊สความดันต่ำซึ่งที่ภาวะนี้มีจำนวนอะตอมของแก๊สไม่หนาแน่นประจุไฟฟ้าสามารถเดินทางผ่านได้ไกลและพบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตลอด ขณะเดียวกันจะมีรังสีออกจากแคโทดไปยังแอโนดรังสีนี้เรียกว่ารังสีแคโทดเรียกหลอดแก้วชนิดนี้ว่าหลอดรังสีแคโทด นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลอง เพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดโดยให้เคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้าดังรูป
พบว่าแนวการเคลื่อนที่เบนไปจากเดิมโดยเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าเนื่องจากรังสีแคโทดเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าจึงสรุปได้ว่า รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าลบ จากข้อมูลการทดลองร่วมกับทฤษฎีทางแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้ทอมสันนำมาใช้คำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดได้ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของแก๊สและชนิดของโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วแคโทดปรากฏว่าอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดมีค่าโดยประมาณเท่ากันคือ 1.76 × 10^8 คูลอมบ์/กรัมจึงสรุปได้ว่าอนุภาครังสีแคโทดที่ออกมาจากโลหะต่างชนิดกันเป็นอนุภาคเดียวกันซึ่งต่อมาได้ด้วยอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน
การค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสันทำให้สรุปได้ว่าอะตอมทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบซึ่งลบล้างแนวคิดที่ว่าอะตอมแบ่งแยกไม่ได้และเนื่องจากสารต่างๆที่อยู่ในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้านักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่าอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งจากข้อมูลดังกล่าวทำให้ทอมสันเสนอแบบจำลองของอะตอมว่า อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วดังรูป
2.1.3 แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
เมื่อปีพ.ศ 2454 รัทเทอร์ฟอร์ดนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ และ ฮันส์ ไกเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมัน ได้ที่สุดแบบจำลองของอะตอมของทอมสันโดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบางๆ
ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายลักษณะภายในอะตอมว่าการที่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านแผ่นทองคำไปได้แสดงว่าภายในแผ่นทองคำต้องมีที่ว่างอยู่เป็นบริเวณกว้างการที่รังสีแอลฟาบางอนุภาคเบี่ยงเบนหรือสะท้อนกลับมาบริเวณด้านในของฉากเรืองแสงแสดงว่าภายในอะตอมน่าจะมีกลุ่มอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากมีมวลสูงมากกว่ารังสีแอลฟาและมีประจุบวกและทดสอบจึงได้เสนอแบบจำลองใหม่ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กอยู่ภายในและมีประจุไฟฟ้าโดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบดังรูป
2.1.4 แบบจำลองอะตอมของโบร์
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกันและมีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างมีทั้งที่มองเห็นได้และมองเห็นไม่ได้มีชื่อเรียกต่างกันแสงที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้เรียกว่าแสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ซึ่งประกอบด้วยแสงสีต่างๆแต่ประสาทตาของมนุษย์ไม่สามารถแยกแสงที่มองเห็นเป็นสีต่างๆได้เองทำให้มองเห็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่าแสงขาวและเมื่อแสงขาว ส่องผ่านปริซึม แสงขาวจะแยกออกเป็นแสงสีรุ้งต่อเนื่องกันเรียกว่าแถบสเปกตรัมของแสงขาวมักซ์ พลังค์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมันได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ข้อสรุปเกี่ยวกับความสำคัญระหว่างพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผันตามความถี่ของคลื่นและแปรผกผันกับความยาวของคลื่นดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้
E แปรผันตรงกับ v
หรือ E = hv
เนื่องจาก E = c/แลมดาร์
ดังนั้น E = hc/แลมดาร์ช
เมื่อ E คือพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
h คือค่าคงตัวของพลังค์ มีค่า 6.626 × 10^-34 จูลต่อวินาที
v คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์
c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เท่ากับ 3 × 10^8 เมตรต่อวินาที
และ แลมดาร์ คือ ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร
ความสัมพันธ์ดังกล่าว เมื่อนำมาคำนวณพลังงานของแถบสีต่างๆในสเปกตรัมของแสงขาวซึ่งมีความยาวคลื่นต่างๆจะได้ดังนี้
จากการทดลองการใช้เกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ สังเกตสิ่งที่ปรากฏแล้ว พบว่าสเปกตรัมจากแสงอาทิตย์มีสีต่อเนื่องกันเป็น แถบสเปกตรัม เส้นสเปกตรัมที่มองเห็นจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ นอกจากจะมองเห็นเป็นแถบสเปกตรัมของสีชนิดต่างๆแล้วพื้นยังมีเส้นสีต่างๆปรากฏในแถบสเปกตรัมอีกด้วยและจากการสังเกตสเปกตรัมของไฮโดรเจนฮีเลียม นีออน และปรอท เพราะว่าถ้าแต่ละชนิดให้สเปกตรัมที่มีแสงสีต่างกันและมีจำนวน เส้นสีเฉพาะตัวเส้นสีนี้เรียกว่า เส้นสเปกตรัม
ธาตุต่างๆ เมื่อได้รับพลังงานจะเปล่งแสงเป็นสีต่างๆหลายสีเมื่อสีเหล่านั้นรวมกันแล้วจะสังเกตเห็นเป็นสีเดียวกันซึ่งทางเราไม่สามารถบอกความแตกต่างได้แต่เมื่อใช้แผ่นเกรตติงส่องดูจะเห็นเส้นสเปกตรัมของแต่ละธาตุที่มีลักษณะเฉพาะเช่นจำนวนสี จำนวนเส้น หรือตำแหน่งที่เกิดต่างกันไปการเกิดเส้นสเปกตรัมของธาตุอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบบริเวณนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวที่ต่ำหรือกล่าวได้ว่าอะตอมอยู่ใน สถานะพื้น เมื่ออะตอมได้รับ พลังงานเพิ่มขึ้นทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นหรือ อะตอมอยู่ใน สถานะกระตุ้น ที่สถานะอะตอมจะไม่เสถียรเนื่องจากมีพลังงานสูงอิเล็กตรอนจึงคายพลังงานออกมาส่วนหนึ่งทำให้อะตอมมีพลังงานลดลงและกลับเข้าสู่สภาพที่มีพลังงานต่ำลงเพื่อให้อะตอมมีความเสถียรมากขึ้นพลังงานส่วนใหญ่ที่ขายออกมาจะปรากฏในรูปพลังงานแสงและสามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์ตามสมการของพลังค์ ซึ่งได้กล่าวไว้แล้วในข้างต้นถ้าแสงสีเหล่านี้แยกออกจากกันอย่างชัดเจนจะปรากฏเป็นเส้นสเปกตรัมแต่ถ้าแสงสีที่ปรากฏออกมามีลักษณะต่อเนื่องกันเป็นเส้นเดียวอย่างกับรุ้งหรือจากไส้หลอดไฟฟ้า ซึ่งเป็นโลหะร้อนและมีอะตอมอยู่กันอย่างหนาแน่นจะให้สเปกตรัมเป็นแถบสเปกตรัมซึ่งยากแก่การวิเคราะห์และแปลผลต่อภาวะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างๆเรียกว่า ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การเปลี่ยนแปลงพลังงาน ของอิเล็กตรอนระหว่างสถานะการ์ตูนและสถานะพื้นสามารถ อุปมานได้กับการกลิ้งลงบันไดของลูกบอลจากรูปจะเห็นว่าพลังงานศักย์หน้าบันไดแต่ละท่านมีค่าไม่เท่ากันโดยลูกบอลที่อยู่บันไดขั้นต่ำจะมีพลังงานศักย์ต่ำกว่าบันไดขั้นสูงและผลต่างของพลังงานระหว่างบันได 2 ขั้นมีค่าเฉพาะตัวที่แน่นอนโดยบันไดที่อยู่ห่างกันมากๆจะมีผลต่างของพลังงานมากกว่าบันไดที่อยู่ติดกัน
จากการศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนทำให้สรุปได้ว่า
1.เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิมแต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ได้รับการที่เล็กตามขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานใหม่ทำให้ อะตอมไม่เสถียรอิเล็กตรอนจะกลับมาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าซึ่งการเปลี่ยนตำแหน่งของแต่ละระดับพลังงานนี้อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่เฉพาะค่าหนึ่งหรือกล่าวได้ว่าการดูดหรือคายพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมต้องมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของคลังโดยมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นคุณด้วยค่าคงที่ของพลังค์ดังกล่าวมาแล้ว
2.การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไประดับพลังงานที่อยู่ติดกันอาจมีการเปลี่ยนข้ามระดับพลังงานได้และจะอยู่ระหว่างระดับพลังงานไม่ได้
3.ผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานต่ำจะมีค่ามากกว่าผลต่างของระดับพลังงานที่สูงขึ้นไป สร้างความรู้เรื่องการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการเกิดสเปกตรัมช่วยให้โบร์นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมดังกล่าวโดยกล่าวว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงกลมคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัวระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดมีระดับพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่าระดับเขตและระดับพลังงานที่อยู่ถัดออกมาเรียกเป็น L M N ... ตามลำดับ
ต่อมาได้มีการใช้ตัวเลขแสดงถึงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนคือ n = 1 หมายถึงระดับพลังงานที่ 1 ซึ่งอยู่ใกล้กับบริเวณนิวเคลียสและฉันผ่านมา n = 2 หมายถึงระดับพลังงานที่ 2 ต่อจากนั้น N = 3 4 ... หมายถึงระดับพลังงานที่ 3 4 และสูงขึ้นไปตามลำดับ
2.1.5 แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
แบบจำลองอะตอมของโบร์มีข้อจำกัดคือไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีลายเล็กตรอนได้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมจนได้รับข้อมูลเพียงพอที่เชื่อถือว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทางอนุภาพและคลื่นโดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสบริเวณที่พบอิเล็กตรอนมีหลายลักษณะเป็นรูปทรงต่างๆกันตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากการประยุกต์ใช้สมการทางคณิตศาสตร์และใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณเพื่อหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆพบว่าสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองของโบร์ และสามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอมจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้นทำให้สามารถมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบริเวณที่กลุ่มออกหรือแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มออกจากเรื่องแบบจำลองนี้ว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกดังรูป
แบบจำลองอะตอมของโบร์มีข้อจำกัดคือไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีลายเล็กตรอนได้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมจนได้รับข้อมูลเพียงพอที่เชื่อถือว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทางอนุภาพและคลื่นโดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสบริเวณที่พบอิเล็กตรอนมีหลายลักษณะเป็นรูปทรงต่างๆกันตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากการประยุกต์ใช้สมการทางคณิตศาสตร์และใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณเพื่อหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆพบว่าสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองของโบร์ และสามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอมจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้นทำให้สามารถมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบริเวณที่กลุ่มออกหรือแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มออกจากเรื่องแบบจำลองนี้ว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกดังรูป
