โครงสร้างของสสารและธาตุ

1. สสาร (Matter)

สสาร หรือ matter คือวัตถุดิบ ที่ประกอบกันขึ้นเป็นทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลนี้ อะไรก็ตามที่อยู่รอบตัว ๆ เราล้วนแต่เรียกว่า สสาร คือต้องมีสมบัติที่ประกอบกัน 3 ประการคือ

1.สสารต้องการที่อยู่ คำต้องการที่อยู่คือความสามารถในการครอบครองที่ว่างนั่นคือสมบัติการมีปริมาตรนั่นเอง

2.สสารต้องเป็นที่สัมผัสได้ กล่าวคือต้องมีตัวตน จับต้องได้

3.สสารทุกชนิดจะต้องมีมวล เช่น อากาศแม้ว่าจะมีมวลน้อยมากก็ถือว่ามีมวลจึงถือว่าอากาศเป็นสสารได้

หากเราต้องการระบุสสารอย่างจำเพาะเจาะเราจะเรียก สสารนั้นว่า สาร (substance) ซึ่งสสารแต่ละชนิดนั้นมีสมบัติแตกต่างกันไป สมบัติที่เราควรทราบที่จัดว่าเป็นสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของสสารแต่ละชนิดคือ จุดเดือด จุดหลอมเหลว ส่วนคำว่าสมบัติทางกายภาพ (Physical properties) เป็นสมบัติที่เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในของสารโดยที่สมบัติทางเคมียังคงเดิม เช่น นำเกลือNaCl ละลายน้ำ เมื่อกลายเป็นสารละลายก็ยังคงมีรสชาติเค็มเช่นเดิมและประกอบด้วย Na+ และ Cl- เมื่อน้ำระเหยไปก็จะกลับมาเป็นผลึกเกลือ NaCl เช่นเดิม ตัวอย่างที่ควรทราบที่จัดเป็นสมบัติทางกายภาพคือ การเปลี่ยนสถานะ การละลายน้ำ เป็นต้น ในที่นี้จะขอยกตัวอย่างจุดเดือด จุดหลอมเหลวของสสารก่อนเนื่องจากเป็นสมบัติทางกายภาพที่สำคัญแล้วยังเป็นสมบัติเฉพาะตัวของสสารแต่ละชนิดที่จะมีค่าจุดเดือด จุดหลอมเหลวไม่เท่ากัน

จุดเดือด(boiling point) เมื่อเราทำการต้มน้ำจนกลายเป็นไอ น้ำจะเริ่มจะเริ่มเดือดที่อุณหภูมิที่ 100 องศาเซลเซียส ณ ความดัน 1 บรรยากาศ มักมีคำถามเสมอเมื่อไหร่จึงจะเรียกว่าเดือดเพราะแม้ว่าอุณหภูมิยังไม่ถึง 100 องศาเซลเซียส เราก็มักจะพบว่าน้ำนั้นเริ่มกลายเป็นไอ วิธีการง่ายคือให้เราต้มน้ำแล้วปิดฝาแล้ววัดความดันไอของน้ำที่เกิดขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ความดันของไอน้ำเท่ากับความดันบรรยากาศภายนอกแสดงว่าถึงจุดเดือดของน้ำแล้ว

จุดหลอมเหลว(melting point) เป็นอีกสมบัติเฉพาะตัวหนึ่งของสสารที่ใช้บอกชนิดของของแข็งได้ ถ้าเรานำก้อนน้ำแข็งจากแก้วที่มีอุณหภูมิประมาณ -10 องศาเซลเซียส มาวางไว้ที่อุณหภูมิห้อง (25 องศาเซลเซียส) น้ำแข็งก็มีอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อยๆจนกระทั่งอุณหภูมิที่ 0 องศาเซลเซียส น้ำแข็งจะเริ่มกลายเป็นน้ำ อุณหภูมิที่ของแข็งละลายนั้น เราเรียกว่า จุดหลอมเหลว เนื่องจากน้ำแข็งหลอมเหลวที่อุณหภูมิเดียวเท่านั้น ดังนั้นจุดหลอมเหลวจึงเป็นสมบัติเฉพาะตัวของสสาร

มีของแข็งหลายชนิดที่หลอมเหลวยากกว่าน้ำแข็ง เช่น ถ้าเราให้ความร้อนแก่เกลือ NaCl เกลือจะไม่ละลายถ้าอุณหภูมิไม่สูงถึง 800 องศาเซลเซียส

การเปลี่ยนแปลงของสสาร

นอกจากการเปลี่ยนแปลงของสสารทางกายภาพที่กล่าวมาแล้ว ยังการเปลี่ยนแปลงของสสารที่ก่อให้เกิดสารใหม่เกิดขึ้นซึ่งเราเรียกว่า การเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือการเกิดปฏิกิริยาเคมี เช่น การเผาน้ำตาลจนหลอมเหลวเป็นคาราเมล เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปจนสิ้นสุดแล้วอนุภาคของน้ำตาลจะกลายเป็นสารอื่น อีกตัวอย่าสงคือการเผาไหม้ ขณะที่กระดาษกำลังติดไฟจะรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศเป็นแก๊สที่กำลังลุกไหม้ กระบวนนี้จะเปลี่ยนกระดาษเป็นขึ้เถ้าและแก๊สต่างๆ ไม่คงเหลือเนื้อไม้อีกต่อไป ความสามารถในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เฉพาะเจาะจงถือว่าเป็นตัวอย่างหนึ่งของสมบัติเฉพาะของสสาร เรียกสมบัตินี้ว่า ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาเคมี (chemical activity) ของสสาร

ชนิดของสสาร

นักวิทยาศาสตร์พบว่าบางครั้งการอธิบายสสารในแง่ขององค์ประกอบหรือสิ่งประกอบเป็นสสารจะช่วยให้เข้าใจง่ายขึ้น สสารแบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือของผสมและสารบริสุทธิ์ สารบริสุทธิ์แบ่งเป็นธาตุและสารประกอบ ของผสม (mixture) สารแต่ละชนิดผสมกันยังคงมีสมบัติของมันเองอย่างครบถ้วน เราจะมองไม่เห็นน้ำตาลในน้ำอัดลมแต่เราก็รับรู้รสชาติของมันได้และเราสมารถแยกมันออกจากกันได้ง่ายๆเช่น นำไประเหยน้ำออกด้วยความร้อนสุดท้ายก็จะเหลือเกลือออกมา นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังแบ่งกลุ่มของของผสมโดยอาศัยหลักการความสามารถในการรวมตัวกันของของผสม ของผสมบางอย่างรวมตัวกันอย่างกลมกลืน เราเรียกของผสมชนิดนี้ว่า สารละลาย(solution) เราอาจพูดได้ว่าสารละลายเป็นของผสมที่รวมตัวกันได้อย่างกลมกลืนที่สุด น้ำเชื่อมเป็นตัวอย่างของสารละลาย

สารบริสุทธิ์ (pure substance) ประกอบด้วยสารเพียงชนิดเดียวเท่านั้นและมีสมบัติที่จำเพาะและแน่นอน ตัวอย่างเช่น ถ้านักเรียนพิจารณาน้ำตาลและสมารถมองเข้าไปในอนุภาคเล็กๆที่ประกอบด้วยน้ำตาล นักเรียนจะเห็นว่าน้ำตาลประกอบด้วยสารเพียงชนิดเดียว

สารบริสุทธิ์ จะมีสมบัติเหมือนกันไม่ว่ามันจะอยู่ในรูปแบบไหน ตัวอย่างเช่น ถ้าเราแยกน้ำออกจากน้ำผลไม้ชนิดต่างๆ นักเรียนจะพบว่าน้ำจาก ผลไม้ทุกชนิดยังคงมีลักษณะจำเพาะที่เหมือนกัน

ธาตุ (Element) สารบริสุทธิ์บางชนิดไม่สามารถแยกย่อยลงไปให้เล็กลงได้อีกโดยมีองค์ประกอบเพียงชนิดเดียว เราเรียกสารบริสุทธิ์นี้ว่า ธาตุ วัตถุที่อยู่รอบๆตัวเราล้วนประกอบด้วยธาตุเดียวล้วนๆหรือเป็นธาตุหลายชนิดประกอบกัน ซึ่งปัจจุบันมีการค้นพบธาตุใหม่ขึ้นเรื่อยๆจนปัจจุบันมีธาตุในตารางธาตุทั้งสิ้น 118 ธาตุ แต่หากธาตุต่างๆรวมกันด้วยวิธีการทางเคมีหรือแรงยึดเหนี่ยวทางเคมี(พันธะเคมี) จะเรียกสารนั้นว่า สารประกอบ (Compound)

สารประกอบ(compound) คือสารที่ประกอบด้วยธาตุ 2 ชนิดหรือมากกว่านั้น ตัวอย่าง เช่น O2 เกิดจากการรวมกันของอะตอมออกซิเจนสองอะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเคมี CO2 เกิดจากการรวมกันของอะตอมคาร์บอน 1 อะตอมและออกซิเจน 2 อะตอม สมบัติของสารประกอบมักแตกต่างจากสมบัติของธาตุที่เป็นองค์ประกอบ เช่น ธาตุคาร์บอนเป็นของแข็งสีดำ ส่วนออกซิเจนเป็นแก๊สที่มองไม่เห็น เมื่อธาตุทั้งสองมารวมกันผลที่ได้คือสารประกอบชนิดใหม่ที่มีลักษณะต่างออกไป

หากเราลองฉีกกระดาษเป็นแผ่นเล็กๆ จากสองแผ่นเป็นสี่แผ่นจากสี่แผ่นเป็นแปดแผ่น เล็กลงไปอีกจนไม่สามารถทำให้เล็กลงไปได้อีก เราจะได้สิ่งที่เล็กที่สุดที่มีลักษณะอย่างไร เป็นสิ่งเราสงสัยกันไม่เพียงแต่เราเท่านั้น นักปราชญ์ชาวกรีกในสมัยก่อนคริศต์ศักราชก็เช่นกัน ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถบอกได้อย่างมั่นใจว่าไม่เพียงแต่กระดาษแต่รวมถึงสสารและธาตุชนิดต่างๆในตารางธาตุประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม หนึ่งในคนแรกๆของนักปราชญ์ชาวกรีกคือ ดิโมคริตุส มีแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมนั้นมีชีวิตนั่นคือช่วง 440 ก่อนคริสต์ศักราชโดยเขาได้พยายามศึกษาเกี่ยวกับวัตถุที่มีขนาดเล็ก (ฟิสิกส์ระดับจุลภาค, microscopic) และมีแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารว่า สสารทั้งหลายประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด จะไม่สามารถมองเห็นได้ และจะไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงกว่านั้นได้อีก แต่ในสมัยนั้นก็ยังไม่มีการทดลอง เพื่อพิสูจน์และสนับสนุนแนวความคิดดังกล่าว ซึ่งดิโมคริตุสเรียกสิ่งเล็กๆที่ไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงไปได้ว่า อะโตมอส (atomos) ซึ่งในภาษากรีกมีความหมายว่า “ไม่สามารถตัดได้ (uncuttable)” ซึ่งคำนี้เป็นที่มาคำว่า อะตอม ในปัจจุบัน แม้ว่าชาวกรีกจะเป็นกลุ่มแรกที่เริ่มมีความคิดเกี่ยวกับอะตอม และนักปราชญ์ในสมัยนั้นก็ได้แบ่งแยกสสารออกเป็น 4 ชนิด คือ ดิน น้ำ ลม ไฟ โดยอริสโตเติล อธิบายโครงสร้างของสสารว่า สสารมีเนื้อต่อเนื่องไม่มีที่ว่างในเนื้อสสาร และสามารถแบ่งออกเป็นชิ้นเล็กๆ ได้ไม่จำกัด อริสโตเติลเชื่อว่าสรรพสิ่งประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน คือ ดิน น้ำ ลม ไฟและการเปลี่ยนแปลงของสสารเกิดขึ้นเมื่อเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบมูลฐานและบอยล์ แสดงให้เห็นว่า องค์ประกอบมูลฐานของสสารไม่ใช่ ดิน น้ำ ลม ไฟ เพราะไม่ใช่สิ่งสุดท้ายที่ได้จากการวิเคราะห์หรือการแยกสารโดยวิธีทางเคมีและสนับสนุนว่าสสารประกอบด้วยหน่วยย่อยที่สุดคือ อะตอม แม้ว่า ดิโมคริตุส (Democritus) ได้เสนอแนวคิดที่จะเรียกหน่วยย่อยที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกแล้ว เรียกว่า แต่แนวคิดของดิโมคริตุส ก็ไม่ได้รับการยอมรับจากนักปราชญ์ร่วมสมัยอย่าง พลาโตและอาริสโตเติล ซึ่งเชื่อว่าธาตุนั้นประกอบด้วยธาตุ 4 ชนิดที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน

2. อะตอม (Atom)

อะตอม ( Atom ) เป็นหน่วยพื้นฐานของสสาร ที่ประกอบไปด้วยส่วนของนิวเคลียสที่หนาแน่นมากตรงจุดศูนย์กลางล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ นิวเคลียสมีประจุบวกประกอบด้วยอนุภาค โปรตอนที่มีประจุบวก และนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดให้อยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

นั่นคือนิยามของอะตอม ที่บอกว่ามันมีประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 3 ชนิด ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน แต่น้อง ๆ ทราบไหมว่า กว่าจะได้เป็นนิยามข้างต้นมา นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมนี้มาเป็นระยะเวลากว่า 2,000 ปี โดยการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมนั้นเริ่มจาก ดิโมคริตุส ( Democritus ) นักปราชญ์ชาวกรีกที่มีชีวิตอยู่ในช่วง พ.ศ. 83 -173 เชื่อว่าถ้าแบ่งสารให้มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ในที่สุดก็จะได้หน่วยย่อยซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงได้อีก เรียกหน่วยย่อยนี้ว่า อะตอม

เซอร์ จอห์น ดอลตัน ( Sir John Dalton ) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่มีชีวิตอยู่ในช่วง พ.ศ. 2309-2387 เป็นคนแรกที่เสนอทฤษฎีอะตอม ที่รู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีอะตอมของดอลตัน ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้

ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ หลายอนุภาค อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน และมีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้ระดับหนึ่ง ต่อมาเมื่อมีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้น และค้นพบข้อมูลบางประการที่ไม่สอดคล้องกับแนวคิด นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาจึงได้ศึกษาเพิ่มเติมและสร้างแบบจำลองขึ้นมาใหม่

ออยเกน โกลด์ชไตน์ ( Eugen Goldstein ) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันที่มีชีวิตในช่วง พ.ศ. 2393 - 2473 ค้นพบรังสีที่มีประจุบวก จากการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด โดยทำการทดลองกับแก๊สหลายชนิด พบว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวล ( e/m ) ไม่คงที่ แต่ถ้าบรรจุแก๊สไฮโดรเจนไว้ในหลอดรังสีแคโทด จะได้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับประจุไฟฟ้าลบ ซึ่งต่อมาเรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนนี้ว่า โปรตอน

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ( พ.ศ. 2399 - 2483 ) ได้ทำการทดลองเพิ่มขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วในแนวดิ่ง กับหลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลง พบว่าตำแหน่งของจุดสว่างเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า และเมื่อเปลี่ยนชนิดของแก๊สที่บรรจุในหลอดและโลหะที่ใช้เป็นแคโทด พบว่ารังสีที่เกิดขึ้นยังคงเบนเข้าหาขั้วบวกเหมือนเดิม เมื่อคำนวณหาอัตราส่วนประจุต่อมวล พบว่าได้ค่าเท่ากับ 1.76 x 108 คูลอมบ์ต่อกรัม ทุกครั้งโดยไม่ขึ้นกับชนิดของแก๊สที่ใช้ จากผลการทดลองและการคำนวณนี้ช่วยให้ทอมสันสรุปได้ว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่เป็นประจุลบเป็นองค์ประกอบ อนุภาคนี้เรียกว่า อิเล็กตรอน

จากผลการทดลองของ โกลด์ชไตน์ และ ทอมสัน ทำให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงเสนอแบบจำลองอะตอมของทอมสัน ว่า “อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ”

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน นับเป็นก้าวสำคัญเกี่ยวกับการศึกษาเรื่องอะตอมต่อจากดอลตัน และถือได้ว่าทอมสันเป็นคนแรกที่เสนอรายละเอียดภายในอะตอม ทำให้ได้มโนภาพของอะตอมชัดขึ้น อย่างไรก็ตามในเวลาต่อมา เมื่อมีการศึกษาทดลองเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น แบบจำลองอะตอมของทอมสันไม่สามารถอธิบายโครงสร้างของอะตอมได้อย่างครอบคลุม

ลอร์ดเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด และ ฮันส์ ไกเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ศึกษาและพิสูจน์แบบจำลองอะตอมของทอมสัน เมื่อปี พ.ศ. 2454 โดยการยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ และใช้ฉากเรืองแสงที่เคลือบด้วยซิงค์ซัลไฟด์โค้งเป็นวงล้อมรอบด้วยแผ่นทองคำเพื่อตรวจจับอนุภาคแอลฟา จากผลการทดลองพบว่า ส่วนใหญ่จะเกิดการเรืองแสงบนฉากที่อยู่บริเวณด้านหลังของแผ่นทองคำ มีบางครั้งที่เกิดการเรืองแสงบริเวณด้านข้าง และมีน้อยครั้งที่เกิดการเรืองแสงบริเวณด้านหน้า ดังภาพที่ 4

จากการทดลองนี้ ถ้าอธิบายตามแบบจำลองของทอมสัน อนุภาคแอลฟา ซึ่งมีประจุบวกก็ต้องผลักกับโปรตอนทำให้เกิดการเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรงได้บ้าง แต่ไม่น่าจะมีอนุภาคสะท้อนกลับมากระทบฉากบริเวณด้านหน้าได้ ดังนั้น รัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายว่า แสดงว่าในอะตอมน่าจะมีอนุภาคที่มีมวลสูงมากกว่าอนุภาคแอลฟา และมีประจุบวก จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ว่า “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กมากอยู่ภายใน และมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โดยมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบ ๆ” ดังภาพที่ 5

เมื่อกล่าวมาถึงตรงนี้ จะเห็นว่าการศึกษาเกี่ยวกับอะตอม ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าในอะตอมประกอบด้วย อิเล็กตรอนและโปรตอน ตามแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด มวลอะตอมคือมวลของนิวเคลียส ถ้านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนอย่างเดียว มวลของนิวเคลียสก็น่าจะเท่ากับมวลของโปรตอนรวมกัน แต่จากการทดลองพบว่า มวลของธาตุส่วนใหญ่มีค่าเป็นสองเท่า หรือมากกว่ามวลของโปรตอนทั้งหมดรวมกัน รัทเทอร์ฟอร์ดจึงสันนิษฐานว่า น่าจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งในนิวเคลียส และอนุภาคนั้นควรมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอนและเป็นกลางทางไฟฟ้า และการทดลองของทอมสันในปี พ.ศ. 2456 ก็ได้สนับสนุนแนวคิดนี้เช่นกัน เมื่อเขาได้ศึกษาหามวลของอนุภาคบวกของแก๊สนีออนที่บรรจุในหลอดรังสีแคโทดพบว่า อนุภาคบวกมีมวล 2 ค่า คือ 20 และ 22 หน่วย นั่นแสดงว่านีออนประกอบด้วยอะตอม 2 ชนิดที่มีมวลไม่เท่ากัน

ต่อมาใน พ.ศ. 2475 เซอร์เจมส์ แซดวิก ได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังอะตอมของธาตุต่าง ๆ และทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเที่ยงตรงสูง ทำให้มั่นใจว่า ในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าอยู่จริง และเรียกว่า นิวตรอน การค้นพบครั้งนี้ทำให้ความรู้เกี่ยวกับอะตอมชัดเจนว่า “อะตอมประกอบไปด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน”

แต่แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนอยู่รอบนิวเคลียสในลักษณะใด นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาค้นคว้า ทดลอง จนได้แบบจำลองอะตอมของโบร์ว่า “อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสที่เป็นวงคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดซึ่งมีพลังงานต่ำสุด เรียกว่า ระดับ K ระดับพลังงานที่อยู่ถัดมาเรียก L M N ตามลำดับ”

แต่แบบจำลองอะตอมของโบร์ยังมีข้อจำกัดที่ไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาค้นคว้า ทดลองเพิ่มเติมจนค้นพบแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก โดยแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกกล่าวไว้ว่า “ อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมได้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้น ทำให้สร้างมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส บริเวณที่กลุ่มหมอกทึบแสดงว่าโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มหมอกจาง”

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกสามารถอธิบายสมบัติต่าง ๆ ของอะตอมได้อย่ากว้างขวาง แต่นั่นก็ไม่ใช่เหตุผลในการยุติการศึกษาทดลองเกี่ยวกับอะตอม เพราะความรู้ทางวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีหลักฐาน ประจักษ์พยาน หรือข้อมูลใหม่ ๆ ที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ได้ดีกว่า ดังนั้น ในอนาคตจึงอาจจะมีแบบจำลองอะตอมที่สามารถอธิบายโครงสร้างอะตอมได้เหมาะสมกว่าในปัจจุบันก็เป็นได้

3. เลขอะตอมและเลขมวล

เลขอะตอม

เลขอะตอมของธาตุถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนในธาตุนั้น และใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างธาตุหนึ่งกับอีกธาตุหนึ่ง เลขมวลของธาตุถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนรวมกัน

ตารางธาตุสมัยใหม่จัดเรียงในลักษณะที่ธาตุทั้งหมดมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น และตามด้วยเลขมวลที่เพิ่มขึ้นแต่คุณรู้หรือไม่ว่าเลขมวลหรือแม้กระทั่งเลขอะตอมคืออะไร?

อย่างที่ทราบกันดีว่าอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน จำนวนอิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดจะบอกค่าเวเลนซ์ของอะตอมได้ ในทำนองเดียวกัน จำนวนโปรตอนและนิวตรอนยังสัมพันธ์กับเลขอะตอมและเลขมวลของอะตอมอีกด้วย

เลขอะตอมคืออะไร?

จำนวนโปรตอนทั้งหมดในนิวเคลียสของอะตอมจะบอกให้เราทราบเลขอะตอมของอะตอมนั้น
มีตัวอักษร Z แสดงอยู่
อะตอมทั้งหมดของธาตุนั้นๆ มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน จึงมีเลขอะตอมเท่ากัน
อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีเลขอะตอมต่างกัน
ตัวอย่างเช่นอะตอมคาร์บอน ทั้งหมด มีเลขอะตอม 6 ในขณะที่อะตอมออกซิเจนทั้งหมดมีโปรตอน 8 ตัวในนิวเคลียส

เลขมวลคืออะไร?

จำนวนของโปรตอนและนิวตรอนรวมกันทำให้เราได้เลขมวลของอะตอม
ใช้ตัวอักษร 'A' แสดงแทน
เนื่องจากโปรตอนและนิวตรอนมีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม จึงเรียกรวมกันว่า นิวคลีออน
ตัวอย่างเช่น อะตอมของคาร์บอนมีโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว ดังนั้นเลขมวลคือ 12
แม้ว่าจำนวนโปรตอนจะเท่ากันในอะตอมทั้งหมดของธาตุ แต่จำนวนนิวตรอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้น อะตอมของธาตุเดียวกันอาจมีเลขมวลต่างกันได้ และเรียกว่าไอโซโทป
น้ำหนักของอิเล็กตรอนแทบจะไม่มีนัยสำคัญ ดังนั้นมวลอะตอมของอะตอมจึงเกือบจะเท่ากับเลขมวลของมัน

ประวัติความเป็นมาของเลขอะตอม

เราถือว่าการมีอยู่ของอะตอมเป็นเรื่องธรรมดา แต่ไม่มีใครเชื่อในเรื่องนี้มาเป็นเวลาหลายศตวรรษ เมื่อประมาณ 2,500 ปีก่อน นักปรัชญาชาวกรีกชื่อลูซิปปุสและเดโมคริตอส ลูกศิษย์ของเขาเสนอแนวคิดว่าจักรวาลประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่แบ่งแยกไม่ได้ ซึ่งพวกเขาเรียกว่าอะตอม น่าเสียดายที่อริสโตเติล นักปรัชญาชาวกรีกผู้ยิ่งใหญ่ไม่เห็นด้วยกับแนวคิดดังกล่าว เมื่อทัศนะของอริสโตเติลได้รับการยอมรับทั่วทั้งยุโรปเป็นเวลาเกือบ 2,000 ปี แนวคิดเรื่องอะตอมก็ถูกเก็บเข้ากรุไปอีกหลายศตวรรษต่อมา

อะตอมเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร อะตอมจะรวมตัวกันในรูปแบบต่างๆ มากมายและก่อตัวเป็นสารต่างๆ อะตอมทั้งหมด ยกเว้นไฮโดรเจนที่มีรูปแบบทั่วไป ประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน เลขอะตอมของธาตุจะเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุนั้น ในอะตอมที่เป็นกลาง จำนวนโปรตอนจะเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในชั้นต่างๆ ซึ่งเป็นระดับพลังงานรอบนิวเคลียส

ไอโซโทปคืออะตอมที่มีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน และด้วยเหตุนี้จึงมีจำนวนมวลที่แตกต่างกัน มวลไอโซโทปเฉลี่ยของส่วนผสมไอโซโทปสำหรับธาตุในสภาพแวดล้อมที่กำหนดบนโลกจะกำหนดน้ำหนักอะตอมมาตรฐานของธาตุนั้น ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมีอยู่มากกว่าสามในสี่ส่วนเล็กน้อยในรูปของส่วนผสมของไอโซโทป และมวลไอโซโทปเฉลี่ยของส่วนผสมไอโซโทปสำหรับธาตุในสภาพแวดล้อมที่กำหนดบนโลกจะกำหนดน้ำหนักอะตอมมาตรฐานของธาตุนั้น

ตัวอย่างของเลขอะตอม

เลขอะตอมของอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมหรือจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

เลขอะตอม = จำนวนโปรตอน

ตัวอย่างเช่น ในอะตอมโซเดียมมีอิเล็กตรอน 11 ตัวและโปรตอน 11 ตัว ดังนั้นเลขอะตอมของอะตอม Na = จำนวนอิเล็กตรอน = จำนวนโปรตอน = 11

เลขอะตอม ระดับพลังงานวงโคจร

เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ที่ระดับพลังงานเฉพาะ อิเล็กตรอนมีแนวโน้มที่จะอยู่ในส่วนใดส่วนหนึ่งของระดับพลังงานนั้นมากกว่าส่วนอื่นๆ ออร์บิทัลคือชื่อของส่วนเหล่านี้ ระดับย่อยประกอบด้วยออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากัน ในแต่ละออร์บิทัลสามารถพบอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว

วิธีที่พบมากที่สุดในการแสดงการจัดเรียงของอิเล็กตรอนในอะตอมคือการวาดแผนภาพเช่นเดียวกับที่แสดงในแผนภาพ

https://translate.google.com/website?sl=en&tl=th&hl=th&client=srp&u=https://cdn1.byjus.com/wp-content/uploads/2018/07/Atomic-Number-and-Mass-Number-1.png

การเขียนจำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน เลขอะตอมของธาตุบอกเราว่ามีอิเล็กตรอนกี่ตัวในอะตอม ตัวอย่างเช่น เลขอะตอมของคาร์บอนคือ 6 ทำให้มีอิเล็กตรอน 6 ตัวในรูป 2,4 ดังนั้นอะตอมที่มีเลขอะตอม 12 จึงมีโครงสร้างอิเล็กตรอน 2, 8, 2 โดยมีอิเล็กตรอน 2 ตัวในระดับพลังงานภายใน จากนั้นมี 8 ตัวในระดับพลังงานถัดไป และอีก 2 ตัวในระดับพลังงานสูงสุดภายนอก วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจการจัดเรียงเหล่านี้คือการดูตัวอย่างต่างๆ มากมาย

ความแตกต่างระหว่าง Valency A และ Z:

เมื่อเราต้องการทราบค่าเวเลนซี เราจะดูอิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดของอะตอมเท่านั้น แต่เมื่อเราต้องการทราบเลขอะตอมหรือเลขมวล เราจะดูจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมด

1. สัญกรณ์ของอะตอม

ในการเขียนสัญลักษณ์ของอะตอม เราจำเป็นต้องทราบสัญลักษณ์ของธาตุ เลขอะตอม และเลขมวล เลขมวลของอะตอมจะอยู่เหนือสัญลักษณ์ และเลขอะตอมจะเขียนเป็นตัวห้อย

ดังนั้นสัญกรณ์ของคาร์บอนคือ:

2. การคำนวณจำนวนนิวตรอน:

หากเราทราบจำนวนโปรตอนและเลขมวลของธาตุ เราก็สามารถคำนวณจำนวนนิวตรอนได้โดยการลบเลขอะตอมจากเลขมวลได้เช่นกัน

ตัวอย่างที่แก้ไขแล้ว

คำถาม:

อะตอมมีเลขอะตอมเท่ากับ 9 และมีเลขมวลเท่ากับ 19

กำหนดจำนวนโปรตอนที่มีอยู่
กำหนดจำนวนนิวตรอนที่มีอยู่
กำหนดจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่

สารละลาย:

มีโปรตอนอยู่ 9 ตัว เพราะว่าเลขอะตอมจะเท่ากับจำนวนโปรตอนที่มีอยู่เสมอ
มีนิวตรอน 10 ตัว เนื่องจากจำนวนนิวตรอนจะได้จากการลบเลขอะตอมจากเลขมวลเสมอ
(โปรตอน + นิวตรอน) – โปรตอน = นิวตรอน
มีอิเล็กตรอน 9 ตัวเนื่องจากจำนวนโปรตอนและจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากันเสมอ

โครงสร้างของสสารและธาตุ

3. เลขอะตอมและเลขมวล

เลขอะตอม (Atomic Number) คือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม
เลขมวล (Mass Number) คือผลรวมของโปรตอนและนิวตรอน

สูตร:

เลขมวล = โปรตอน + นิวตรอน
นิวตรอน = เลขมวล − เลขอะตอม

4. ตารางธาตุ (Periodic Table)

ธาตุถูกจัดเรียงตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก
แนวตั้งเรียกว่า “หมู่” แสดงจำนวนอิเล็กตรอนเวเลนซ์
แนวนอนเรียกว่า “คาบ” แสดงจำนวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน

ตัวอย่าง:

ออกซิเจน (O): เลขอะตอม 8 → หมู่ 16, คาบ 2
โซเดียม (Na): เลขอะตอม 11 → หมู่ 1, คาบ 3

💡 เกร็ดน่ารู้

อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก แต่มีบทบาทสำคัญในการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ตารางธาตุถูกพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชื่อ ดมีตรี เมนเดลีฟ

📝 คำถามทบทวน

อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานอะไรบ้าง และแต่ละชนิดมีคุณสมบัติอย่างไร?
ธาตุในหมู่เดียวกันมีคุณสมบัติคล้ายกันเพราะอะไร?
ถ้าธาตุหนึ่งมีเลขอะตอม = 12 และเลขมวล = 24 จงหาจำนวนนิวตรอน

Page updated

Google Sites

Report abuse