อะตอมและตารางธาตุ

ความหมายพื้นฐานของอะตอม

• คำว่า “อะตอม” มาจากภาษากรีกคำว่า “atomos” แปลว่า “แบ่งแยกไม่ได้”

• ภาพถ่ายอะตอมจริง (ธาตุรีเนียม) จากกล้องจุลทรรศน์สนามไอออน แสดงให้เห็นตำแหน่งอะตอมเป็นจุดสีขาว (ขยาย ≈ $7.5\times10^{5}$ เท่า)

• แนวคิดยุคโบราณ — ดิโมคริตุส (Democritus)

  • แบ่งสสารไปเรื่อย ๆ จะได้อนุภาคเล็กที่สุดที่ไม่สามารถแบ่งต่อได้ เรียกว่า “อะตอม”

พัฒนาการของแบบจำลองอะตอม (ลำดับเวลา)

• แบบจำลองดอลตัน (John Dalton, ค.ศ.1803)

  • สมมติว่าอะตอมกลมตัน แบ่งแยกไม่ได้

  • ข้อสรุป 4 ประการ

  • สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม

  • อะตอมของธาตุเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน ต่างธาตุต่างสมบัติ

  • อะตอมไม่สูญหาย/เกิดใหม่

  • สารประกอบเกิดจากอะตอมหลายธาตุรวมกันเป็นอัตราส่วนตัวเลขลงตัวเล็ก ๆ

  • ภาพจินตภาพ: ลูกบอลแข็งเล็ก ๆ

  • ข้อลบล้างภายหลัง: พบโปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน → อะตอมแบ่งแยกได้

• การค้นพบอิเล็กตรอน (J. J. Thomson, ค.ศ.1897)

  • ใช้หลอดรังสีแคโทด (Cathode Ray Tube; แรงดัน $10\,000{-}20\,000\,\text{V}$, ความดันก๊าซต่ำ)

  • จุดสว่างบนฉาก ZnS เบี่ยงเข้าหาขั้วบวก → รังสีเป็นอนุภาคประจุลบ

  • เมื่อเพิ่มสนามแม่เหล็กจนไม่เบี่ยงเบน → คำนวณ $\dfrac{e}{m}=1.76\times10^{8}\;\text{C g}^{-1}$ (ค่าคงที่ไม่ขึ้นกับชนิดก๊าซ/โลหะ)

  • ตั้งชื่ออนุภาคลบนี้ว่า “อิเล็กตรอน”

  • แบบจำลอง “พุดดิ้งลูกพลัม” : ทรงกลมประจุบวกมีอิเล็กตรอนฝังกระจาย

• การค้นพบรังสีแอโนด/โปรตอน (Eugen Goldstein, ค.ศ.1886)

  • ปรับหลอดรังสีแคโทด เจาะรูที่ขั้ว anode → ได้ “รังสีบวก” เบี่ยงเข้าหาขั้วลบ

  • $\dfrac{e}{m}$ ของรังสีบวกเปลี่ยนตามชนิดก๊าซ → คือไอออนบวกต่าง ๆ; อนุภาคบวกพื้นฐานเรียกว่า “โปรตอน”

• การหาค่าประจุอิเล็กตรอน (Millikan Oil-Drop, ค.ศ.1908)

  • หยดน้ำมันประจุไฟฟ้าตกผ่านสนามไฟฟ้า คำนวณประจุต่อหยด → ค่าประจุพื้นฐาน $e=1.602\times10^{-19}\,\text{C}$

  • รวมกับ $\frac{e}{m}$ ของทอมสัน → มวลอิเล็กตรอน $9.109\times10^{-28}\,\text{g}$

• การกระเจิงอนุภาคแอลฟา (Rutherford, Geiger, Marsden; ค.ศ.1911)

  • ยิงอนุภาค $\alpha$ ไปยังแผ่นทองคำบาง

  • ผลลัพธ์

  • ส่วนใหญ่ทะลุตรง → อะตอมมีที่ว่างมาก

  • ส่วนน้อยเบน → มีบริเวณประจุบวกหนาแน่นสูงตรงกลาง

  • จำนวนน้อยมากสะท้อนกลับ → นิวเคลียสมีมวลมาก ขนาดเล็ก

  • แบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด: นิวเคลียสโปรตอนอยู่กลาง, อิเล็กตรอนโคจรรอบอย่างกว้าง

• การค้นพบนิวตรอน (James Chadwick, ค.ศ.1932)

  • ยิงอนุภาค $\alpha$ ใส่แผ่นเบริลเลียม → ได้รังสีไม่เบี่ยงในสนาม, ชนแผ่นพาราฟินให้โปรตอนพุ่งออกมา

  • อนุภาคใหม่ไม่มีประจุ, มวลใกล้โปรตอน $1.674\times10^{-24}\,\text{g}$ → “นิวตรอน”

• แบบจำลองโบร์ (Niels Bohr, ค.ศ.1913; อธิบายสเปกตรัม)

  • นิวเคลียสกลาง, อิเล็กตรอนโคจรเป็น “ชั้นพลังงาน” $n=1,2,3,\dots$

  • พลังงานต่ำสุดใกล้นิวเคลียส, สูงขึ้นตาม $n$

  • การกระโดดระดับพลังงานให้กำเนิด/ดูดกลืนโฟตอน → เส้นสเปกตรัม

• ## แบบจำลองกลุ่มหมอก (Quantum-Mechanical / Electron Cloud)

  • อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติคลื่น-อนุภาค → ไม่สามารถระบุตำแหน่งแน่นอน

  • ใช้ “ความน่าจะเป็น” (orbital/cloud) แทนวงโคจร

  • กลุ่มหมอกหนา = โอกาสพบอิเล็กตรอนสูง, บาง = ต่ำ

  • หลายระดับพลังงาน; ชั้นต่ำอยู่ใกล้นิวเคลียส

อนุภาคมูลฐานของอะตอม

• ตารางสรุป

  • อิเล็กตรอน $e^{-}$: มวล $9.109\times10^{-28}\,\text{g}$, ประจุ $-1.602\times10^{-19}\,\text{C}$

  • โปรตอน $p^{+}$: มวล $1.672\times10^{-24}\,\text{g}$ (≈ $1836\,m_{e}$), ประจุ $+1.602\times10^{-19}\,\text{C}$

  • นิวตรอน $n^{0}$: มวล $1.674\times10^{-24}\,\text{g}$ (≈ $1839\,m_{e}$), ประจุ $0$

• อะตอมของธาตุเดียวกัน “ต้อง” มีจำนวนโปรตอนเท่ากันเสมอ

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ เลขอะตอม–เลขมวล

• เขียนรูป $^{A}_{Z}!X$

  • $Z$ (เลขอะตอม) = จำนวนโปรตอน (และ = อิเล็กตรอน ถ้าเป็นกลาง)

  • $A$ (เลขมวล) = จำนวนโปรตอน $+$ นิวตรอน

  • จำนวนนิวตรอน $n = A - Z$

• ตัวอย่าง

  • $^{7}_{3}!\text{Li}$ → $p=e=3,\;n=4$

  • $^{11}_{\;5}!\text{B}$ → $p=e=5,\;n=6$

ไอออน

• อะตอมไม่เป็นกลาง: $e \neq p$

  • ไอออนบวก (Cation): p > e (เช่น $^{23}_{11}!\text{Na}^{+}$)

  • ไอออนลบ (Anion): p < e (เช่น $^{35}_{17}!\text{Cl}^{-}$)

ไอโซโทป ไอโซโทน ไอโซบาร์ & ไอโซอิเล็กทรอนิก

• ไอโซโทป: $Z$ เท่ากัน, $A$ ต่างกัน (ต่าง $n$)

  • ไฮโดรเจน: $^{1}<em>{1}!\text{H}$ (โปรเทียม), $^{2}</em>{1}!\text{D}$ (ดิวทีเรียม), $^{3}_{1}!\text{T}$ (ตรีเทียม)

• ไอโซโทน: $n$ เท่ากัน, $Z$ และ $A$ ต่างกัน

  • ตัวอย่าง $^{18}<em>{\;8}!\text{O}$ กับ $^{19}</em>{\;9}!\text{F}$ → $n=10$ เท่ากัน

• ไอโซบาร์: $A$ เท่ากัน, $Z$ และ $n$ ต่างกัน

  • ตัวอย่าง $^{30}<em>{15}!\text{P}$ กับ $^{30}</em>{14}!\text{Si}$

• ไอโซอิเล็กทรอนิก: จำนวนอิเล็กตรอนและการจัดเรียงเหมือนกัน (เช่น $\text{N}^{3-},\ \text{O}^{2-},\ \text{F}^{-},\ \text{Ne}$ → $10\,e^{-}$ เหมือนกัน)

การจัดเรียงอิเล็กตรอน (หลักโบร์ & เชลล์)

• ระดับพลังงานหลัก $n=1,2,3,\dots$ ใกล้นิวเคลียสพลังงานต่ำสุด

• ความน่าจะเป็นพบอิเล็กตรอนมากใกล้นิวเคลียส และลดลงเมื่อห่างออกไป

ตารางธาตุ (Periodic Table)

• จัดเรียงตาม $Z$ เพิ่มขึ้น แนวนอน = “คาบ”, แนวตั้ง = “หมู่”

• ตัวอย่างหมู่ 1 (Alkali Metals): $\text{Li, Na, K, Rb, Cs, Fr}$

• บล็อก $s, p, d, f$ (ลานทาไนด์-แอกทิไนด์ แยกด้านล่าง)

• เลข $104{-}118$: ธาตุสังเคราะห์ (Rf, Db, …, Og)

การประยุกต์ (Chemistry in Real Life)

• การใช้ “ไอโซโทปรังสี” ฉายรังสีอาหาร

  • ลด/ยับยั้งจุลินทรีย์ก่อโรค

  • ยืดอายุเก็บรักษา

  • ชะลอการสุกของผลไม้

• ประเด็นจริยธรรม/ความปลอดภัย

  • ต้องควบคุมปริมาณรังสี, ให้ข้อมูลผู้บริโภคชัดเจน

สรุปเชิงแนวคิด

• แบบจำลองอะตอมพัฒนาตามข้อมูลทดลองใหม่ ๆ

• อนุภาคมูลฐาน $e^{-}, p^{+}, n^{0}$ เป็นแก่นของทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่

• คุณสมบัติมหภาคของสสาร (สเปกตรัม, สมบัติธาตุในตาราง, ปฏิกิริยาเคมี) ล้วนเชื่อมโยงกับโครงสร้างอะตอมและการจัดเรียงอิเล็กตรอน