1

อะตอมและตารางธาต� 1

2

จุ�ดประสงค์�การเร�ยนร��• 1. อธ�บายค์วามหมายของแบบจุ�าลอง

อะตอมพร�อมทั้!"งบอกสาเหต�ทั้�#ทั้�าให�แบบจุ�าลองอะตอมม�การเปล�#ยนแปลงได�

• 2. ว�เค์ราะห�และเปร�ยบเทั้�ยบแบบ จุ�าลองอะตอมของดอลต!น ทั้อมส!น

ร!ทั้เทั้อร�ฟอร�ด โบร� และแบบกล�(มหมอกได�

3

เค์ร)#องสร�างภาพล!กษณะพ)"นผิ�วเชิ�งโค์รงสร�างอะตอม

• ค์วามพยายามของน!กว�ทั้ยาศาสตร�ทั้�#จุะมองให�เห0นล!กษณะเชิ�งโค์รงสร�างของอะตอม จุ2งได�ม�การพ!ฒนาเค์ร)#องม)อทั้�#เร�ยกว(า atomic force microscope (AFM) หร)อ scanning force microscopy (SFM) ซึ่2#งม�ค์วามละเอ�ยดในระด!บ นาโน (10-9 m)

4

AFM

I SSN 1 4 3 0 - 4 1 7 1THE C H EMICAL EDUCATOR h t t p : / / j o u r n a l s . s p r i n g e r - n y . c o m / c h e d r© 1 9 9 6 SPRI NGER- VERLAG NEW YORK, I NC. S 1 4 3 0 - 4 1 7 1 ( 9 6 ) 0 5 0 5 9 - 5

ร�ป เค์ร)#อง AFM

5nano.tm.agilent.com/blog/page/3/?s

ภาพจุ�าลองการทั้�างานของ เค์ร)#อง AFM

6

ภาพจำ�าลองอะตอมที่ �สร้�างขึ้��นจำากเคร้��องม�อ AFM

7

จุากภาพจุ�าลองอะตอมจุะเห0นเพ�ยงล!กษณะภายนอก

ของอะตอมเทั้(าน!"นการศ2กษาเร)#องราวเก�#ยวก!บ

โค์รงสร�างของอะตอมจุ2ง

เป5นการแปลผิลจุากข�อม�ลทั้�#ได�

จุากการทั้ดลองและน�ามาสร�าง

เป5นมโนภาพหร)อแบบจุ�าลอง

อะตอม

8

ทั้ฤษฎี�อะตอมของดอลต!นพ.ศ.2346

จุอห�น ดอลต!น (JOHN DALTON) ค์.ศ.1776

- 1844 ,อ!งกฤษ เสนอทั้ฤษฎี�อะตอมเพ)#อใชิ�อธ�บายเก�#ยวก!บการเปล�#ยนแปลงมวลของสารก(อนและหล!งทั้�าปฏิ�ก�ร�ยา รวมทั้!"งอ!ตราส(วนโดยมวลทั้�#รวมก!นเป5นสารประกอบหน2#งๆ

9

• 1. ธาต�ประกอบด�วยอน�ภาค์ขนาดเล0กจุ�านวนมากเร�ยกว(า “อะตอม ทั้�#ไม(สามารถแบ(งแยก”ย(อยลงไปได�อ�กและ ทั้�าให�เก�ดข2"นใหม(หร)อส�ญหายไม(ได� 2. อะตอมของธาต�ชิน�ดเด�ยวก!นจุะม�สมบ!ต�เหม)อนก!น เชิ(น มวล และม�สมบ!ต�ต(างจุากอะตอมของธาต�อ)#น3. สารประกอบเก�ดจุาก อะตอมของธาต�มากกว(า 1 ชิน�ด ทั้�าปฏิ�ก�ร�ยาเค์ม�รวมต!วก!นในอ!ตราส(วนทั้�#เป5นเลข จุ�านวนเต0มลงต!วน�อยๆ เชิ(น อะตอมของธาต� C ก!บ O รวมก!นเป5น CO , CO2

ทั้ฤษฎี�อะตอมของดาลต!นพ.ศ.2346

10

Dalton atomic theory

• 1) each element made up of atoms• 2) which cannot be created, destroyed, divided or

converted• 3) all atoms of each type have the same properties• 4) atoms of different types have different properties• 5) “reactions” involve reorganizing atoms: joining,

separating or rearranging them• 6) these combine in small, whole-number ratios to

form compounds; multiple combinations are possible

11

1216

1232

ถ�าธาต�สองธาต�รวมต!วก!นเก�ดเป5นสารประกอบ อ!ตราส(วนโดยมวลหร)ออะตอมของธาต�ชิน�ดหน2#งทั้�#รวมก!บธาต�อ�กชิน�ดหน2#ง จุะม� ส!ดส(วนค์งทั้�# เชิ(น O : C ในอ!ตราส(วนโดย

มวล= 4 : 3 = 8 : 3

12

• การทั้�#ธาต�รวมต!วเป5นสารประกอบ ด�วยอ!ตราส(วนโดยมวลทั้�#ค์งทั้�# ทั้�าให�

ดอลต!น เชิ)#อว(าอ!ตราส(วนโดยมวล ของธาต�ทั้�#เก�ดเป5นสารประกอบน!"น

ข2"นอย�(ก!บมวลของธาต�แต(ละอะตอม

13

แบบจุ�าลองอะตอมของดอลต!นอะตอมม�ขนาด

เล0กไม(สามารถแบ(งแยกได�

จุากทั้ฤษฎี�อะตอมของดาลต!นสามารถทั้�าให�สร�างแบบจุ�าลองอะตอมของดอลต!นได�ว(า อะตอมม�ล!กษณะทั้รงกลมต!นเหม)อนล�กบ�ลเล�ยด

14

จุากทั้ฤษฎี�อะตอมของดาลต!นชิ(วยน!กว�ทั้ยาศาสตร�สามารถอธ�บายสมบ!ต�

ของอะตอมได�ในระด!บหน2#งกฎีส!ดส(วนค์งทั้�#

โจุเซึ่ฟ เพราสต� (Joseph Proust) "อ!ตราส(วนโดยมวลของธาต�ทั้�#รวมก!นเป5นสารประกอบชิน�ดหน2#ง ๆ จุะม�ค์(าค์งทั้�# ไม(ว(าจุะเตร�ยมสารประกอบน!"นก�#ค์ร!"ง หร)อ โดยว�ธ�การต(างก!นอย(างไรก0ตาม"

15

กฎีทั้รงมวลลาว!วร�ซึ่�เยร� (Anton Laurent Lavoisier) “การเปล�#ยนแปลงมวลของสารก(อนและหล!งทั้�าปฏิ�ก�ร�ยาจุะม�ค์(าเทั้(าเด�ม”

2C + O2 2CO

12 32 2812 28

16

ข�อบกพร(องของทั้ฤษฎี�อะตอมดอลต!น

อะตอมของธาต�ชิน�ดเด�ยวก!นจุะม�สมบ!ต�เหม)อนก!น

และม�สมบ!ต�ต(างจุากอะตอมของธาต�อ)#นธาต�ชิน�ดเด�ยวก!น ม�มวล

ต(างก!นได�12C , 13C , 14C

17

ย�ค์ใหม(การพ!ฒนาทั้ฤษฎี�อะตอม ต!"งแต(สม!ยของด�มอค์ร�ต�ส จุนถ2งดอลต!น

อะตอม ค์)อองค์�ประกอบของสารทั้�#ม�ขนาดเล0กทั้�#ส�ดทั้�#แบ(งแยกต(อไปไม(ได�อ�ก

What is smaller than the smallest ?

ในปลายค์ร�สตศตวรรษทั้�# 19 ทั้ฤษฎี�ใหม(ของอะตอมได�เร�#มม�การพ!ฒนาข2"นเม)#อ เจุ เจุ ทั้อมส!น ค์�นพบอ�เล0กตรอน ในป< ค์.ศ.1897

18

แบบจุ�าลองอะตอมของทั้อมส!น

เซึ่อร�โจุเซึ่ฟ จุอน ทั้อมส!น ( Sir Joseph John Thomson) ค์.ศ. 1856 – 1940 , อ!งกฤษ

การค์�นพบสมบ!ต�ทั้างไฟฟ=าของสาร เชิ(น ไฟฟ=าสถ�ตย�

19

การค์�นพบอน�ภาค์ต(างๆของอะตอม

ในป< ค์.ศ. 1833 ไมเค์�ล ฟาราเดย� ได�เสนอผิลงานเก�#ยวก!บการน�าไฟฟ=าของสารละลาย ค์)อเร)#องอ�เล0กโทั้รล�ซึ่�ส ซึ่2#งเป5นแนวทั้างในการน�าไปส�(ส(วนประกอบทั้างไฟฟ=าของอะตอม

การประด�ษฐ์�เค์ร)#องม)อทั้างว�ทั้ยาศาสตร�ทั้�#ส�าค์!ญต(อการค์�นพบอ�เล0กตรอน ค์)อ หลอดร!งส�แค์โทั้ด

20

หลอดร!งส�แค์โทั้ด และร!งส�แค์โทั้ด

William Crooks ค์.ศ.1897 สร�างหลอดร!งส�แค์โทั้ด ( cathode rays tube) ซึ่2#งเป5นหลอดแก�ว ภายในส�บอากาศออกหมดแล�วบรรจุ�แก?สไว�เพ�ยงเล0กน�อยเพ)#อให�แก?สม�ค์วามด!นต�#ามาก เม)#อใชิ�อ�เล0กโทั้รดและให�ค์วามต(างศ!กย�ส�ง(high voltage) 10,000 โวลต� แก?สจุะน�าไฟฟ=าได� และเก�ดร!งส�พ� (งออกจุากแค์โทั้ดหร)อข!"วลบ ซึ่2#งเร�ยกว(า ร!งส�แค์โทั้ด ( cathode rays )

21https://reich-chemistry.wikispaces.com/Fall.2008.MMA.Cushman.Hutchinson.Timeline

หลอดร!งส�แค์โทั้ด และร!งส�แค์โทั้ด

อ�เล0กโทั้ รด

แค์โทั้ด

อ�เล0กโทั้ รด

แอโนด

-

+

22

การค์�นพบโปรตอนออยเกน โกลด�ชิไตน� (Eugen Goldstein) พ.ศ.2429 ,เยอรม!น

หลอดร!งส�แค์โทั้ดก!บอน�ภาค์บวกhttp://www.uwec.edu/boulteje/Boulter103Notes/11September.htm

แค์โทั้ดแอโน

ด

23

พบล�าแสงทั้�#ม�ประจุ�เป5นบวก(canal rays) ด�านหล!งแค์โทั้ด ประจุ�บวกน�"เก�ดข2"นจุากอะตอมของแก?สซึ่2#งเป5นกลาง ถ�าใชิ�แก?สต(างก!น อ!ตราส(วนประจุ�ต(อมวล(e/m) จุะไม(เทั้(าก!นและถ�าบรรจุ�แก?สไฮโดรเจุนไว�ในหลอดร!งส�แค์โทั้ด จุะได�อน�ภาค์ทั้�#ม�ประจุ�ไฟฟ=าบวกเทั้(าก!บประจุ�ไฟฟ=าลบ

ซึ่2#งต(อมาเร�ยกอน�ภาค์บวกทั้�#เก�ดจุากแก?สไฮโดรเจุนน�"ว(า โปรตอน(proton)

24

การค์�นพบอ�เล0กตรอน และทั้�#มาของแบบจุ�าลอง

เจุ เจุ ทั้อมส!น พ.ศ.2440 แสดงให�เห0นว(า ร!งส�แค์โทั้ดเบ�#ยงเบนภายใต�สนามแม(เหล0ก

และสนามไฟฟ=าโดยด!ดแปลงหลอดร!งส� แค์โทั้ด สร�ปว(าร!งส�แค์โทั้ดประกอบด�วย

อน�ภาค์ทั้�#ม�ประจุ�ลบแอโน

ด

แค์โทั้ด

25

www.il.mahidol.ac.th

26

เจุ เจุ ทั้อมส!น ทั้�าการทั้ดลองต(อโดย เปล�#ยนชิน�ดของแก?สและโลหะทั้�#ใชิ�เป5นแค์โทั้ด พบว(าร!งส�ทั้�#เก�ดข2"นย!งค์งประกอบด�วยอน�ภาค์ทั้�#ม�ประจุ�ลบ

ทั้อมส!น สร�ปว(า อะตอมทั้�กชิน�ดม�อน�ภาค์ทั้�#ม�ประจุ�ลบเป5นองค์�ประกอบ เร�ยกอน�ภาค์น�"ว(า อ�เล0กตรอน จุากการทั้�#อะตอมเป5นกลางทั้างไฟฟ=า แสดงว(าอะตอมต�องประกอบด�วยอน�ภาค์ทั้�#ม�ประจุ�บวก(โปรตอน)และอน�ภาค์ทั้�#ม�ประจุ�ลบ(อ�เล0กตรอน) อย�(ในอะตอมเทั้(าๆก!น

เม)#อค์�านวณหาอ!ตราส(วนประจุ�ต(อมวล(e/m)ของอน�ภาค์ลบ พบว(าได�ค์(าค์งทั้�#เทั้(าก!บ 1.76x108 ค์�ลอมบ�ต(อกร!ม ทั้�กค์ร!"ง

27

แบบจุ�าลองอะตอมของทั้อมส!น

อะตอมเป5นร�ปทั้รงกลมประกอบด�วยเน)"ออะตอมซึ่2#งม�ซึ่2#งม�ประจุ�บวกและม�อ�เล0กตรอนซึ่2#งม�ประจุ�ลบกระจุายอย�(ทั้!#วไป

Plum pudding model of atom

28

ร!งส�แค์โทั้ด

เก�ดข2"นได�อย(างไร

ทั้�าไมอ!ตราส(วนประจุ�ต(อ

มวล(e/m)ของอน�ภาค์บวกของแก?สแต(ละชิน�ดไม(

เทั้(าก!น

29

การหามวลของอ�เล0กตรอนรอเบ�ร�ต แอนดร�ส� ม�ลล�

แกน (Robert Andrews Millikan)

ค์.ศ. 1868 -1953 อเมร�ก!น

การทั้ดลองหยดน�"าม!นของ

ม�ลล�แกน เพ)#อหาค์(าประจุ�ของ

อ�เล0กตรอน

http://millikan.nbaoh.com/1.htmค์.ศ. 1909, “Oil

Drop experiment”

30

การหามวลของอ�เล0กตรอน

http://millikan.nbaoh.com/1.htm

ค์.ศ. 1909, “Oil Drop experiment”

ร!งส�เอกซึ่� ทั้�าให�อากาศในกล(องแตกต!วเป5นให�อ�เล0กตรอน

หยดน�"าม!นร!บอ�เล0กตรอนม�

ประจุ� ตกลงมาตามแรงโน�มถ(วงปร!บขนาดค์วามต(างศ!กย�ของ

สนามไฟฟ=าค์วบค์�มอ!ตราเร0วการตกของหยด

น�"าม!น

31

การหามวลของอ�เล0กตรอน

http://millikan.nbaoh.com/1.htmค์.ศ. 1909, “Oil

Drop experiment”

ปร!บให�หยดน�"าม!นหย�ดน�#ง แรงจุากสนามไฟฟ=า = แรง

โน�มถ(วงqE = mg

ทั้ราบค์วามต(างศ!กย�ของสนาม

ไฟฟ=า , ทั้ราบมวลของหยดน�"าม!นค์�านวณหาประจุ�บนหยดน�"าม!นได�

32

การหามวลของอ�เล0กตรอน

ประจุ�ของอ�เล0กตรอนทั้�#หาได�ม�ค์(าเป5นจุ�านวนเทั้(าของต!วเลขค์(าหน2#งประจุ�บนหยดน�"าม!น = n

(1.66x10-19) ค์�ลอมบ� ต!วเลขประจุ�บนหยดน�"าม!นทั้�#ม�ค์(าน�อยทั้�#ส�ด = 1.66x10-19 ค์�ลอมบ�

จุ2งสร�ปว(า อ�เล0กตรอนม�ประจุ� = 1.66x10-19 ค์�ลอมบ�

อ�เล0กตรอนม�มวลเทั้(าไร หาอย(างไร? = 9.11 x

10-28 กร!ม

แสดงว(า n = 1

33

e/m ของอ�เล0กตรอน = 1.76x108 ค์�ลอมบ�ต(อกร!ม ประจุ�ของอ�เล0กตรอน = 1.60x10-19 ค์�ลอมบ�

m ของอ�เล0กตรอน =1.76x108 ค์�ลอมบ�ต(อกร!ม 1.60x10-19 ค์�ลอมบ�

m ของอ�เล0กตรอน = 0.909 x10-27 กร!ม m ของอ�เล0กตรอน = 9.09 x10-28 กร!ม

มวลของอ�เล0กตรอน = 9.1 x10-28 กร!ม

34

เค์ร)#องม)อการทั้ดลอง “Oil Drop

experiment” ของม�ลล�แกน

35

1. อ�เล0กตรอนมวล 1 กร!ม จุะม�จุ�านวนอน�ภาค์อ�เล0กตรอน ทั้!"งหมดก�#อ�เล0กตรอน ?

2. อ�เล0กตรอนจุ�านวน 12.04 x1023 อ�เล0กตรอน จุะม�มวลก�#กร!ม

ลองค์�ดด�