โครงสร้างอะตอม ( Atomic structure. )

โครงสร้างอะตอม               ดีโมครีตัส ( นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้นจาก อนุภาคที่เล็กมาก  เล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้   อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธิการต่างๆ สำหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถจะแตกแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกได้  ดีโมครี- ตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า อะตอม (Atom)   จากภาษากรีกที่ว่า  atoms  ซึ่งมีความหมายว่า  ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก   ตามความคิดเห็นของเขา  อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้ ภาพการแปรียบเทียบขนาดของอะตอม   ประโยชน์จากการเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอม 1. ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ 2. เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพิจารณาจากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน จอห์น    ดอลตัน    นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมโดยอาศัยข้อมูลจากการทดลองที่พอจะศึกษาได้และนับว่าเป็นทฤษฎีแรกที่เกี่ยวกับอะตอมที่พอจะเชื่อถือได้   ซึ่งมีใจความดังนี้ สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “ อะตอม” อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้    และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ    โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย    เช่น     CO   CO 2 จากทฤษฎีอะตอมของดาลตัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป    ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน ( ตามทฤษฎีอะตอมของดอลตัน อะตอมในแนวคิดปัจจุบัน ข้อ 1, 3, 4 ใช้ไม่ได้ในปัจจุบัน) ข้อ 1. อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน เป็นต้น ข้อ 3 - 4 อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีคุณสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน กล่าวคือมีมวลไม่เท่ากัน ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป ในเรื่อง " ไอโซโทรป" แบบจำลองอะตอมของทอมสัน ทอมสัน    ค้นพบ อิเล็กตรอน การทดลองของรอเบิร์ด   แอนดรูส์  มิลลิแกน   ได้ผลการทดลองว่า อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ   1.60 x 10 -19 คูลอมบ์ และอิเล็กตรอนมีมวลเท่ากับ 9.11  x  10 -28 กรัม โกลด์สไตน์    ค้นพบ โปรตอน จากผลการทดลองของทอมสัน    โกลด์สไตน์   ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้นเขาจึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด    แต่อะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน  และอนุภาคอื่นๆอีก อะตอมประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นลบ    อนุภาคโปรตอนมีประจุเป็นบวก อะตอมจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า   เพราะ มีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ จากทฤษฎีอะตอมของทอมสัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป ลักษณะแบบจำลองอะตอมของทอมสัน แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมจะประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันอยู่อย่างหนาแน่นอยู่ตรงกลางนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากมีมวลมาก และมีประจุบวกส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบและมีมวลน้อยมาก   จะวิ่งรอบนิวเคลียสเป็นวงกว้าง การค้นพบนิวตรอน   เนื่องจากมวลของอะตอมส่วนใหญ่อยู่ที่นิวเคลียสซึ่งเป็นมวลของโปรตอนแต่โปรตอนมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสเท่านั้น   แสดงว่าต้องมีอนุภาคซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้าแต่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนอยู่ในอะตอมด้วย  เจมส์   แชวิก   นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ  จึงศึกษาทดลองเพิ่มเติมจนพบนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า   อะตอมของธาตุทุกชนิดในโลกจะมีนิวตรอนเสมอ    ยกเว้นอะตอมของไฮโดรเจนในรูปของไอโซโทป  สรุปแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง จากทฤษฎีอะตอมของ รัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป ลักษณะแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์ นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษษเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอโอไนเซชัน เพื่อดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว สเปกตรัม หมายถึง อนุกรมของแถบสีหรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ซึ่งทำให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆเรียงลำดับกันไป 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 ลักษณะแบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์ แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก เป็นแบบจำลองที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นไปได้มากที่สุดทั้งนี้ได้จากการประมวลผลการทดลองและข้อมูลต่างๆ   อะตอมภายหลังจากที่นีลส์โบร์  ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา อาจสรุปได้ดังนี้ 1. อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน  บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนได้   แต่ถ้าบอกได้แต่เพียงที่พบอิเล็กตรอนตำแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่วไป ในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า " กลุ่มหมอก" 2. กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน 3. กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส 4. อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่ 5. อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน   ลักษณะแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก    สรุปแบบจำลองอะตอม อนุภาคมูลฐานของอะตอม ชนิดของอนุภาคมูลฐานของอะตอม ทุกอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สำคัญคือ    โปรตอน,  นิวตรอน  และอิเล็กตรอน   โดยมีโปรตอนกับนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียส   นิวเคลียสนี้จะครอบครองเนื้อที่ภายในอะตอมเพียงเล็กน้อย   และมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วสูง   คล้ายกับมีกลุ่มประจุลบปกคลุมอยู่โดยรอบ อนุภาค ประจุ ( หน่วย) ประจุ (C) มวล (g) มวล (amu) อิเล็กตรอน -1 1.6 x 10 -19 0.000549 9.1096 x 10 -28 โปรตอน +1 1.6 x 10 -19 1.007277 1.6726 x 10 -24 นิวตรอน 0 0 1.008665 1.6749 x 10 -24 ' อิเล็กตรอน (Electron) สัญลักษณ์ e - มีแระจุลบ และมีมวลน้อยมาก ' โปรตอน สัญลักษณ์ p + มีประจุเป็นบวก และมีมวลมากกว่า อิเล็กตรอน ( เกือบ 2,000 เท่า) ' นิวตรอน สัญลักษณ์ n มีประจุเป็นศูนย์ และมีมวลมากพอๆ กับโปรตอน เลขอะตอม เลขมวล และสัญลักษณ์นิวเคลียร์ 1. จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเรียกว่า เลขอะตอม (atomic number, Z) 2. ผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเรียกว่า เลขมวล (mass number, A) A = Z + N โดยที่ N เป็นจำนวนนิวตรอน ( เลขเชิงมวลจะเป็นจำนวนเต็มและมีค่าใกล้เคียงกับมวลของอะตอม) การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ เขียน (A) ไว้ข้างบนด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ เขียน (Z) ไว้ข้างล่างด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ X = สัญลักษณ์ของธาตุ คำศัพท์ที่ควรทราบ ไอโซโทป ( Isotope ) หมายถึง  อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน   แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น    ไอโซบาร์ (  Isobar )   หมายถึง  อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน   แต่มีเลขอะตอมไม่เท่ากัน เช่น   ไอโซโทน   ( Isotone )  หมายถึง   อะตอมของธาตุต่างชนิดกันแต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน เช่น   การหาอนุภาคมูลฐานของอะตอม จากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ ดังนั้น อะตอมของธาตุลิเทียม ( Li ) มีจำนวนโปรตอน = 3 ตัว อิเล็กตรอน = 3 ตัว และนิวตรอน = 4 ตัว   การจัดเรียงอิเล็กตรอน หลักในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม 1. อิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสนั้น จะอยู่กันเป็นชั้นๆตามระดับพลังงาน ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด ( ชั้น K) จะมีพลังงานต่ำที่สุด และอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นถัดออกมาจะมีพลังงานสูงขึ้นๆ ตามลำดับ พลังงานของอิเล็กตรอนของระดับชั้นพลังงาน K < L < M < N < O < P < Q หรือชั้นที่ 1< 2 < 3 < 4 < 5 < 6 < 7 แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์ 2. ในแต่ละชั้นของระดับพลังงาน จะมีจำนวนอิเล็กตรอนได้ ไม่เกิน 2n 2 เมื่อ n = เลขชั้น ซึ่งเลขชั้นของชั้น K=1,L=2,M=3,N=4,O=5,P=6 และ Q=7 ตัวอย่าง     จำนวน e - ในระดับพลังงานชั้น K มีได้ ไม่เกิน 2n 2 = 2 x 1 2 = 2x1 = 2                จำนวน e - ในระดับพลังงานชั้น N มีได้ ไม่เกิน 2n 2 = 2 x 4 2 = 2x16 = 32 ระดับพลังงาน จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุด n = 1 (K) 2(1) 2 = 2 n = 2 (L) 2(2) 2 = 8 n = 3 (M) 2(3) 2 = 18 n = 4 (N) 2(4) 2 = 32 n = 5 (O) 2(5) 2 = 32 ( 32 คือ เลขมากสุดที่เป็นไปได้ ) n = 6 (P) 2(6) 2 = 32 n = 7 (Q) 2(7) 2 = 32 จะเห็นว่ากฎออกเตตมีข้อด้อย คือ เมื่อระดับพลังงานมากกว่า n = 4 จะใช้ไม่ได้ อย่างไรก็ตามในธาตุ 20 ธาตุแรก สามารถใช้การจัดเรียงอิเล็กตรอนตามกฎออกเตตได้ดี 3. ในแต่ละระดับชั้นพลังงาน จะมีระดับพลังงานชั้นย่อยได้ ไม่เกิน 4 ชั้นย่อย และมีชื่อเรียกชั้นย่อย ดังนี้ s , p , d , f ในแต่ละชั้นย่อย จะมีจำนวน e - ได้ ไม่เกิน ดังนี้ ระดับพลังงานชั้นย่อย s มี e - ได้ ไม่เกิน 2 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย p มี e - ได้ ไม่เกิน 6 ตัวระดับพลังงานชั้นย่อย d มี e - ได้ ไม่เกิน 10 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย f มี e - ได้ไม่เกิน 14 ตัว เขียนเป็น s 2 p 6 d 10 f 14 วิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม การจัดเรียงอิเล็กตรอน ให้จัดเรียง e- ในระดับพลังงานชั้นย่อยโดยจัดเรียงลำดับตามลูกศร ( แนวทางการจัดเรียงอิเล็กตรอน ให้เขียนแผนผังก่อน ดังรูป จัดเรียงอิเล็กตรอนตามลูกศร ดังรูป ตัวอย่าง จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ คัลเซียม ( Ca ) ธาตุ Ca มีเลขอะตอม = 20 แสดงว่ามี p = 20 และมี e- = 20 ตัว ( ดูเลขอะตอม จากตารางธาตุ) แล้วจัดเรียง e- ดังนี้ ดังนั้น การจัดเรียง e- ของธาตุ Ca = 2 , 8 , 8 , 2 มีแผนผังการจัดเรียง e- ดังนี้ Ca มีจำนวน e- ในระดับพลังงานชั้นนอกสุด = 2 ตัว จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence electron) ดังนั้น Ca มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 2 ดังรูป