บทที่2
อะตอมและสมบัติของธาตุ
2.2.อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป
การค้นพบอิเล็กตรอน
การทดลองของมิลลิแกน
มิลลิแกน ได้ทำการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีหยดน้ำมัน ทำได้โดย พ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอกซ์ไปดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของก๊าซในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะหยดน้ำมัน พบว่า แต่ละหยดน้ำมันมีอิเล็กตรอนมาเกาะจำนวนไม่เท่ากัน นั่นคือ หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะติดเพียงตัวเดียว บางหยดก็มีมากกว่า 1 ตัว หยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก จากนั้นให้กระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นประจุบวกและลบ แผ่นประจุลบซึ่งอยู่ด้านล่างผลักหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนมาเกาะจนหยุดนิ่ง ซึ่งดูได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์(microscope) แสดงว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงจากสนามไฟฟ้า แล้วคำนวณหาค่าประจุ
จากผลการทดลองมิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้คือ 1.60 X 10-19 คูลอมบ์ ซึ่งเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน
จากการทดลองของมิลลิแกน เราทราบค่า e = 1.60 X 10-19 คูลอมบ ์
จากการทดลองของทอมสัน เราทราบค่า e/m = 1.76 X 108 คูลอมบ์/กรัม
แทนค่า 1.60 X 10-19/m = 1.76 X 108 m = 9.11 X 10-28 กรัม
ดังนั้น เราจะทราบมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 X 10-28 กรัม
การทดลองของมิลลิแกน
มิลลิแกนได้ทำการทดลองหาค่าประจุไฟฟ้าของอิเลคตรอน เนื่องจากอิเลคตรอนเล็กมากทำให้ทำการทดลองกับอิเลคตรอนโดยตรงไม่ได้ จึงทำการทดลองวัดประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่กับหยดน้ำมันแทน โดยให้หยดละอองน้ำมันมีประจุไฟฟ้า โดยจัดอุปกรณ์การทดลอง
เครื่องฉีดฝอยละอองน้ำมัน มีหน้าที่ฉีดฝอยละอองน้ำมัน ฝอยละอองน้ำมันที่ถูกฉีดออกไปจะมีประจุไฟฟ้า (ประจุที่เกิดขึ้นเกิดจากการขัดสี) หยดน้ำมันที่ถูกพ่นออกมาจะแบ่งเป็น 3 กลุ่ม ดังนี้ หยดที่สูญเสียอิเลคตรอนไปจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก หยดที่ได้รับอิเลคตรอนเพิ่มมาจะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ หยดน้ำมันที่ไม่สูญเสียอิเลคตรอน หรือสูญเสียอิเลคตอรนไปเท่ากับจำนวนที่ได้รับมา จะเป็นกลางทางไฟฟ้า เมื่อยังไม่ต่อแผ่นโลหะทั้งสองกับความต่างศักย์ไฟฟ้า หยดน้ำมันทั้ง 3 กลุ่ม จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เท่ากันทุกกลุ่ม เมื่อต่อแผ่นโลหะทั้งสองเข้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้าให้สนามไฟฟ้ามีทิศลง(แผ่นบวกอบู่บน แผ่นลบอยู่ล่าง) หยดน้ำมันทั้ง 3 กลุ่ม จะเคลื่อนที่ดังนี้
1. กลุ่มที่เป็นกลาง จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งเท่าเดิม (เพราะมีเฉพาะแรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมันเท่านั้นที่กระทำต่อวัตถุ)
2. กลุ่มที่มีประจุบวก จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งมากกว่าเดิม (เพราะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่อหยดน้ำมันในทิศลงด้วย)
3. กลุ่มที่มีประจุลบ จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งน้อยกว่าเดิมหรืออาจเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่ง (เพราะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่อหยดน้ำมันมีทิศขึ้น)
ซึ่งหยดน้ำมันกลุ่มนี้เราสามารถควบคุมได้ โดยการปรับสนามไฟฟ้าให้เหมาะสม จนกระทั่ง แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมัน
ซึ่งหยดน้ำมันกลุ่มนี้เราสามารถควบคุมได้ โดยการปรับสนามไฟฟ้าให้เหมาะสม จนกระทั่ง แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมัน
เมื่อหยดน้ำมันสมดุล (หยดน้ำมันหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ลงด้วยความเร็วคงที่)และไม่คิดแรงเสียดทานของอากาศเราจะได้ว่า
แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า = แรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมัน
เมื่อ q = ประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมัน เป็น C.(= จำนวนอิเลคตรอน x ประจุของอิเลคตรอน)
mo = มวลของหยดน้ำมัน เป็น kg.
g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก = 10 m/s2
d = ระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะขนาน เป็น m.
จากการทดลอง มิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่บนหยดน้ำมันพบว่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันมีค่าต่างๆ กัน เช่น 3.2 x 10-19 C., 4.8 x 10-19 C., 6.4 x 10-19 C., 9.6 x 10-19 C.,ฯลฯ จากการศึกษามิลลิแกนแปลกใจที่ค่าประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่บนหยดน้ำมันแต่ละค่าจะเป็นจำนวนเต็มเท่าของเลขจำนวนหนึ่งเสมอซึ่งเลขจำนวนดังกล่าวคือ 1.6x10-19 มิลลิแกนจึงสรุปว่าอิเลคตรอนจะต้องมีประจุไฟฟ้า 1.6 x 10-19 C. และการที่เขาวัดประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่บนหยดน้ำมันได้เป็นจำนวนเต็มเท่าของค่า 1.6 x 10-19 C. เพราะว่าบนหยดน้ำมันนั้นมีอิเลคตรอนแฝงอยู่หลายๆตัว
สรุปการทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน เป็นการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอน โดยใช้หลักสมดุลของแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงเนื่องจากสนามโน้มถ่วง
ในการทดลองมิลลิแกน จะให้หยดน้ำมันหยดออกมาจากหลอดฉีดยา ซึ่งทำให้หยดน้ำมันเกิดจากเสียดสี มีสภาพเป็นประจุ โดยมีทั้งหยดที่มีประจุบวกและประจุลบ
มิลลิแกนให้หยดน้ำมันเหล่านี้เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้หยดน้ำมันที่มีประจุบวกและประจุลบมีการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกัน โดย
หยดน้ำมันที่มีประจุลบ จะมีการเคลื่อนที่แบบช้าๆ บางหยดเคลื่อนที่ขึ้น บางหยด
เคลื่อนที่ลง บางหยดหยุดนิ่ง ส่วนหยดที่มีประจุบวก จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร็วมากกว่าหยดอื่นๆ
ในการทดลองมิลลิแกนจะเลือกศึกษาหยดน้ำมันที่มีประจุลบ คือหยดที่เคลื่อนที่ช้าๆ ปรับค่าความต่างศักย์ จนกระทั่งหยดน้ำมันหยดนั้นหยุดนิ่ง คืออยู่ในสภาพสมดุลเนื่องจากแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากับแรงเนื่องจากสนามโน้มถ่วง
ค่าประจุของหยดน้ำมันที่มิลลิแกนคำนวณมีหลายค่าเช่น 1.6 x10-19 3.2 x10-19 4.8 x10-19 เป็นต้น ซึ่งตัวเลขเหล่านี้มิลลิแกนพบว่าจะเป็นจำนวนเท่าของ 1.6 x 10-19 เขาจึงสรุปว่าหยดน้ำมันแต่ละหยดมีจำนวนอิเล็กตรอนไม่เท่ากัน และอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีประจุเป็น 1.6 x 10-19 คูลอมบ์
เมื่อนำค่าประจุของอิเล็กตรอนที่คำนวณได้ไปสัมพันธ์กับค่าประจุต่อมวลของรังสีคาโธด ซึ่งก็คืออิเล็กตรอนในเวลาต่อมา จะได้มวลของอิเล็กตรอนจะมีค่าเป็น
9 x 10-31 กิโลกรัม.
การค้นพบโปรตอน
ออยเกน โกลด์สไตน์
เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า
และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ
ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า
องค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอมจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ด้วย
ออยเกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน
ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด ดังรูป
โกลด์สไตน์ได้เลื่อนขั้วแคโทดและแอโนดมาไว้เกือบตรงกลาง
แล้วเพิ่มฉากเรืองแสง ข. ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของหลอดแก้ว
โดยคิดว่าการที่อนุภาคที่มีประจุลบสามารถเคลื่อนที่ผ่านขั้วแอโนดไปที่ฉากเรืองแสง
ก. ได้ อนุภาคที่มีประจุบวกก็ควรจะเคลื่อนที่ผ่านแคโทดไปที่ฉากเรืองแสง ข.
ได้เช่นเดียวกัน ดังนั้นจึงเจาะรูตรงกลางของขั้วแอโนดและแคโทดไว้
จากการทดลองเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่า
- มีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งบนฉากเรืองแสง ก. และ ข.
โกลด์สไตน์อธิบายว่าจุดสว่างที่เกิดบนฉากเรืองแสง
ข.
จะต้องเกิดจากรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทดไปยังฉากเรืองแสง
แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซหรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า
และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่
จากการทดลองหลายครั้ง ๆ
- โดยการเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้ว
ปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มี อัตราส่วนของประจุต่อมวลไม่เท่ากัน
ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้
- เมื่อทดลองโดย
เปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าหลาย ๆ ชนิด แต่ใช้ก๊าซในหลอด แก้วชนิดเดียวกัน
ปรากฏว่าผลการทดลองได้ อัตราส่วนของประจุต่อมวลเท่ากัน
แสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซ
ไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า
ต่อมาโกลด์สไตน์ได้พบว่าถ้าทำการทดลองโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจน
จะได้อนุภาคบวกที่มีจำนวนประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน
และเรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนว่า “โปรตอน”
อะตอมของก๊าซไฮโดรเจนจะมี 1 โปรตอน และอะตอมของธาตุอื่น ๆ
อนุภาคบวกจะมีมากกว่า 1 โปรตอน แต่จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน
การค้นพบโนิวตรอน
เจมส์ แชดวิก
เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) จะประกาศการค้นพบนิวตรอนได้สำเร็จโดยต้องใช้เวลาค้นหา นานกว่า 10 ปีทีเดียว
เลขอะตอม และเลขมวล
เลขอะตอม (atomic number) หมายถึงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุนั้นๆ หรือหมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนที่วิ่งวนรอบนิวเคลียสของอะตอมที่เป็นกลาง เช่น ไฮโดรเจน (H) มีเลขอะตอมเท่ากับ 1
เลขอะตอม เดิมใช้หมายถึงลำดับของธาตุในตารางธาตุ เมื่อ ดมิทรี อีวาโนวิช เมนเดลีเยฟ (Dmitry Ivanovich Mendeleev) ทำการจัดกลุ่มของธาตุตามคุณสมบัติร่วมทางเคมีนั้น เขาได้สังเกตเห็นว่าเมื่อเรียงตามเลขมวลนั้น จะเกิดความไม่ลงรอยกันของคุณสมบัติ เช่น ไอโอดีน (Iodine) และเทลลูเรียม (Tellurium) นั้น เมื่อเรียกตามเลขมวล จะดูเหมือนอยู่ผิดตำแหน่งกัน ซึ่งเมื่อสลับที่กันจะดูเหมาะสมกว่า ดังนั้นเมื่อเรียงธาตุในตารางธาตุตามเลขอะตอม ตารางจะเรียงตามคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ เลขอะตอมนี้ถึงแม้โดยประมาณ แล้วจะแปรผันตรงกับมวลของอะตอม แต่ในรายละเอียดแล้วเลขอะตอมนี้จะสะท้อนถึงคุณสมบัติของธาตุ
เฮนรี โมสลีย์ (Henry Moseley) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างการกระเจิงของ สเปกตรัมของรังสีเอ็กซ์ (x-ray) ของธาตุ และตำแหน่งที่ถูกต้องบนตารางธาตุ ในปี ค.ศ. 1913 ซึ่งต่อมาได้ถูกอธิบายด้วยเลขอะตอม ซึ่งอธิบายถึงปริมาณประจุในนิวเคลียส หรือ จำนวนโปรตอนนั่นเอง ซึ่งจำนวนของโปรตอนนี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ
เลขมวล (mass number, A), หรือ เลขมวลอะตอม หรือ เลขนิวคลีออน เป็นผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอน (โปรตอนและนิวตรอมเรียกรวมกันว่านิวคลีออน) ในนิวเคลียสอะตอม เพราะโปรตอนและนิวตรอนต่างก็เป็นแบริออน เลขมวล A ก็คือเลขแบริออน B ของนิวเคลียสของอะตอมหรือไอออน เลขมวลจะต่างกันถ้าเป็นไอโซโทปที่ต่างกันของธาตุเคมี เลขมวลไม่เหมือนกับเลขอะตอม(Z) ที่แสดงถึงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและสามารถใช้ระบุบธาตุได้ ดังนั้นค่าที่ต่างกันระหว่างเลขมวลและเลขอะตอมจะบ่งบอกถึงจำนวนนิวตรอน (N) ในนิวเคลียส: N=A−Z
เลขมวลจะถูกเขียนอยู่ด้ายหลังหรือมุมบนด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ เช่น ไอโซปโทปปกติของคาร์บอนคือ คาร์บอน-12 หรือ 12C ซึ่งมี 6 โปรตรอนและ 6 นิวตรอน สัญลักษณ์ไอโซปแบบเต็มรูปแบบจะมีเลขอะตอม (Z) ด้วยอยู่ด้านล่างซ้ายมือของสัญลักษณ์ธาตุ: 6C ซึ่งวิธีนี้ไม่มีความจำเป็นนักจึงนิยมละเลขอะตอมไว้
ตัวอย่าง: การสลายในธรรมชาติของคาร์บอน-14จะแผ่รังสีเบต้า ด้วยวิธีนิวตรอนหนึ่งตัวถูกทำให้เปลี่ยนสถานะกลายเป็นโปรตอนกับการปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนและอนุภาคต้าน ดังนั้นเลขอะตอมจะเพิ่มขึ้น 1 (Z: 6→7) และเลขมวลมีค่าเท่าเดิม (A = 14) ขณะที่เลขนิวตรอนลดลง 1 (n: 8→7) อะตอมผลลัพธ์เป็นอะตอมไนโตรเจน-14ซึ่งมี 7 โปรตอนและ 7 นิวตรอน:
- 6C → 7N + e- + ve
ยูเรเนียม-238ปกติจะสลายให้รังสีแอลฟาซึ่งนิวเคลียสเสีย 2 นิวตรอนและ 2 โปรตรอนในรูปแบบของอนุภาคแอลฟา ดังนั้นเลขอะตอมและเลขนิวตรอนจะลดลงไป 2 (Z: 92→90, n: 146→144) ซึ่งเลขมวลจะลดไป 4 (A = 238→234) อะตอมผลลัพธ์เป็นอะตอมทอเรียม-234 และอนุภาคแอลฟา (2He2+) ไอโซโทป ไอโซโทน ไอโซบาร์
ไอโซโทป(Isotope)หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน แต่มีเลขมวลต่างกัน
หรืออะตอมของธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
ไอโซโทน(Isotone)หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันมีเลขอะตอมและ
เลขมวลต่างกัน แต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน
ไอโซบาร์(Isobar)หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกัน แต่มีเลขมวลเท่ากัน
ทีมา : http://www.geocities.ws
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น