อะตอมและโครงสร้างอะตอม

เก็บความจาการเลคเชอร์ของ ผศ.วิวัฒน์ นิติวรนันท์

เริ่มต้นแบบจำลองอะตอมแบบต่างๆ แบบโบร์ยังมองภาพออกว่า คล้ายๆ กับระบบสุริยะ แต่หลังจากการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมขึ้นมาแล้ว มันเริ่มจะบอกได้ยากว่า อะตอมจะมีรูปร่างหน้าตาแบบใด จะว่าเป็นทรงกลมก็ไม่เชิง วุ่นวายพอสมควร

ทฤษฎีควอนตัมเป็นอีกเรื่องหนึ่งที่แยกออกมา และอาจารย์จะได้บรรยายแยกออกมา ซึ่งเริ่มตั้งแต่ การแผ่รังสีของวัตถุดำ โฟโตอิเลกตริกเอฟเฟก คอมป์ตันเอฟเฟก และอื่นๆ อันที่จริงทั้งสองส่วนนี้มันต่างพัฒนามาอย่างควบคู่กันแยกกันก็ลำบากแต่แยกกันเรียน ทั้งสองส่วนนี้รวมกันเมื่อก่อนเราเรียกว่า "ฟิสิกส์ยุคใหม่"

ฟิสิกส์ยุคใหม่ เมื่อก่อนตอนที่เราเรียนจะพบว่า มันเกิดจากส่วนประกอบสองส่วนก็คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์กับรากฐานของทฤษฎีควอนตัม

ปี 1905 -- ปี 2005, 100 ปี ของการค้นพบทฤษฎีสำคัญเกี่ยวกับฟิสิกส์ จึงเรียกปี 2005 ว่าเป็น Physics Year

อะตอมมาจากคำว่า "แบ่งแยกไม่ได้" การเริ่มต้นศึกษาเชิงวิชาการอย่างเป็นจริงเป็นจังเริ่มต้นที่ "ดอลตัน"

- ค.ศ. 1855 ไกสเลอร์ สร้างหลอดสุญญากาศขึ้นมา (ภายในหลอดแก้วเหลือความดัน 0.01 เท่าของความดันบรรยากาศ

- พลุกเกอร์ ต่อขั้วไฟฟ้าเข้าไป พบว่ากรระแสไฟฟ้าไหลผ่านหลอดนี้ได้

-  ค.ศ. 187 เซอร์วิลเลียม ครุกส์ พบว่ามีรังสีบางอย่างพุ่งออกจากขั้วลบเรียกว่า รังสีแคโทด

- ปี ค.ศ.1897 ทอมสันทำการทดลองจนสามารถวัด q/m ได้ (ถือได้ว่า ทอมสันเป็นผู้ค้นพบอิเลกตรอน) หลักการที่ทอมสันนำมาใช้มากก็คือ หลักการของแม่เหล็ก-ไฟฟ้านั้นเอง หลอดของทอมสันจะมีขั้วไฟฟ้าหลายๆ ขึ้นต่อเข้าไป และสามารถควบคุมการวัดค่าต่างๆ ได้อย่างละเอียด

  

ภาพที่แสดงให้เห็นนี้คือ เครื่องมือที่ทอมสันนำเอาไปใช้  และเรียกอนุภาคที่พุ่งออกมาจากแคโทดนี้ว่า อิเลกตรอน

- ต่อมามิลลิแกน ได้ทำการวัดประจุของอิเลกตรอนนี้ โดยใช้เครื่องมือหยดน้ำมัน หรือ Oil drop

สิ่งที่ Millikan ค้นพบนอกจากขนาดของประจุของอิเลกตรอนแล้ว ยังพบว่า ประจุไฟฟ้ามีสภาพเป็นควอนไตซ์ และเมื่อนำเอาประจุต่อมวลของทอมสันมาใช้ ก็สามารถหามวลของอิเลกตรอนได้อีกด้วย ซึ่งทำให้ความกระจ่างของอิเลกตรอนปรากฏขึ้น

หลักการทางคณิตศาสตร์ของมิลลิแกน แสดงง่ายๆ ดังนี้

qE = mg ==> q=mg/E

- Thomson's Model ==> โมเดลอะตอมแบบลูกน้อยหน่า

Rutherford Model ==> เป็นโมเดลที่เกิดจากการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาเข้าไปในแผ่นทองคำ (α = ₂He⁴ )

จากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้โมเดลอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด มีลักษณะดังภาพ

การคำนวณต่างๆ เกี่ยวกับอะตอมในลักษณะนี้ ยังคงเป็น classical physics อยู่ เพราะในขณะนั้นทฤษฎีควอนตัมยังอยู่ในระหว่างก่อร่างสร้างตัวเองขึ้นมาอยู่ แต่ถือว่าภาพร่างของอะตอมก็ได้กำเนิดขึ้นมาในความคิดคำนึงของนักฟิสิกส์แล้วในขณะนั้น