อะตอม
จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
อะตอม | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
![]() |
||||||
แบบจำลองอะตอมของฮีเลียม ภาพนิวเคลียสซึ่งมีโปรตอน 2 ตัว(สีแดง) นิวตรอน 2 ตัว(สีเขียว) และ กลุ่มควันแสดง |
||||||
ประเภท | ||||||
|
||||||
คุณสมบัติ | ||||||
|
อะตอม (กรีก: άτομον ; อังกฤษ: Atom) เป็นโครงสร้างขนาดเล็กมากมองด้วยตาเปล่าไม่เห็น ที่พบได้ในสิ่งของทุก ๆ อย่างรอบตัวเรา
อะตอมประกอบไปด้วยอนุภาค 3 ชนิด คือ:
- อิเล็กตรอน, ซึ่งมีประจุลบ;
- โปรตอน ซึ่งมีประจุบวก; และ
- นิวตรอน ซึ่งไม่มีประจุ.
อะตอมเป็นองค์ประกอบพื้นฐานทางเคมีซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามปฏิกิริยาเคมี อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุ หากอะตอมของธาตุถูกแบ่ง ธาตุนั้นจะสูญเสียความเป็นธาตุเดิมนั้นไป ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในโลกนี้นั้นมีปรากฏอยู่ 90 ชนิดเท่านั้น (นอกเหนือจากนี้มี ธาตุบางชนิดเช่น technetium และ californium ที่พบได้ในซูเปอร์โนวา)
ธาตุเคมีประกอบขึ้นมาจากอะตอม. จำนวนโปรตอนในอะตอมที่ไม่เท่ากัน ทำให้ธาตุแต่ละธาตุไม่เหมือนกัน. จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจะเท่ากับจำนวนโปรตอนเสมอ, เมื่อใดที่มันไม่เท่ากัน เราจะเรียกอะตอมว่า ไอออน อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกันได้แต่จำนวนโปรตอนนั้นต้องเท่ากัน อะตอมที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกันนั้นจะเรียกว่า ไอโซโทป (isotope) ของธาตุนั้น
นอกจากธาตุที่เกิดตามธรรมชาติแล้ว ยังมีธาตุที่ถูกสร้างขึ้น แต่ธาตุเหล่านี้นั้นไม่เสถียร และ เปลี่ยนรูปไปเป็นธาตุอื่นที่เสถียรตามธรรมชาติ โดยกระบวนการสลายกัมมันตรังสี
ถึงแม้ว่าจะมีธาตุที่เกิดตามธรรมชาติเพียง 90 ชนิด อะตอมของธาตุเหล่านี้สามารถ สามารถสร้างพันธะ รวมกันเป็นโมเลกุล และองค์ประกอบชนิดอื่นๆ โมเลกุลเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมหลายอะตอม เช่น โมเลกุลของน้ำเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอม และ อะตอมออกซิเจน 1 อะตอม
เนื่องจากอะตอมเป็นสิ่งที่มีอยู่ไปทั่วทุกที่ จึงเป็นหัวข้อศึกษาที่ได้รับความสำคัญในหลายศตวรรษที่ผ่านมา หัวข้อวิจัยทางด้านอะตอมในปัจจุบันจะเน้นทางด้าน quantum effects เช่น ของเหลวผลควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์
สารบัญ |
[แก้] ทฤษฎีปรมาณู
ทฤษฎีปรมาณูเป็นทฤษฎีที่ศึกษาถึงธรรมชาติของสาร ซึ่งได้ระบุว่าสารทุกชนิดนั้นประกอบด้วยอะตอม
[แก้] โครงสร้าง
แบบจำลองของอะตอมที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคือ แบบจำลองเชิงคลื่น(wave model) ซึ่งพัฒนามากจาก แบบจำลองของบอหร์ Bohr model โดยได้รวมเอาการค้นพบ และ พัฒนาการทางด้าน quantum mechanics เข้าไปด้วย

ซึ่งแบบจำลองเชิงคลื่น ได้กล่าวว่า
- อะตอม ประกอบด้วยอนุภาคที่ขนาดเล็กกว่าคือ โปรตอน อิเล็กตรอน และ นิวตรอน
- บริเวณส่วนใหญ่ของอะตอมนั้นเป็นที่ว่าเปล่า
- ที่จุดกึ่งกลางของอะตอม จะประกอบด้วยองค์ประกอบขนาดเล็กเรียก นิวเคลียส หรือ นิวคลีออน ประกอบด้วย โปรตอน และ นิวตรอน มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุบวก
- นิวเคลียสนี้มีขนาดเล็กกว่า 100,000 เท่าของขนาดของอะตอม
- บริเวณส่วนใหญ่ของอะตอมนั้นจะใช้เป็นบริเวณของวงโคจรของอิเล็กตรอน ตามรูปแบบการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอน (electron configuration)
- วงโคจรแต่ละวงนั้นสามารถมีอิเล็กตรอนได้อย่างมาก 2 ตัว และถูกควบคุมด้วย เลขควอนตัม(quantum number) 3 ตัว คือ principal, azimuthal, and magnetic
- อิเล็กตรอนแต่ละตัวนั้นจะมีเลขควอนตัมตัวที่ 4 เฉพาะตัว คือ spin
- วงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นไม่ได้เป็นรูปร่างเป็นวง แต่จะเป็นในรูปแบบของการกระจายความน่าจะเป็น ของจุดที่อิเล็กตรอนนั้นจะอยู่ โดยอิเล็กตรอน 2 ตัวที่มีเลขควอนตัม 3 ตัวแรกเหมือนกันจะมีการกระจายเหมือนกัน ขอบเขตของวงโคจรอิเล็กตรอนโดยทั่วไปจะใช้จุดที่ความน่าจะเป็นลดลงจนต่ำกว่า 90%
- อิเล็กตรอนอิสระที่เข้าไปรวมตัวกับอะตอมนั้นจะตกลงไปอยู่ในวงโคจรที่มีพลังงานต่ำที่สุด ซึ่งก็คือวงโคจรที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด (first shell) อิเล็กตรอนที่อยู่บนวงโคจรนอกสุด (valence shell)เท่านั้นที่สามารถสร้างพันธะได้ ดู "Valence and bonding"
[แก้] ขนาดอะตอม
ขนาดของอะตอมนั้นจะกำหนดได้ยาก เนื่องจากวงโคจรของอิเล็กตรอน (ความน่าจะเป็น) นั้น จะลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์ เมื่อระยะทางจากนิวเคลียสเพิ่มขึ้น ในกรณีของอะตอมที่สามารถก่อตัวในรูปผลึกของแข็งนั้น ขนาดของอะตอมสามารถประมาณโดยใช้ระยะทางระหว่างอะตอมที่อยู่ติดกัน ส่วนอะตอมที่ไม่สามารถก่อตัวเป็นผลึกแข็งนั้น การหาขนาดจะใช้เทคนิคอื่นๆ รวมทั้งการคำนวณทางทฤษฎี ตัวอย่างเช่น ขนาดของอะตอมไฮโดรเจนนั้นจะประมาณ 1.2×10-10m เมื่อเทียบกันขนาดของโปรตอนซึ่งเป็นเพียงอนุภาคในนิวเคลียส ซึ่งมีขนาดประมาณ 0.87×10-15m จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนระหว่างขนาดของอะตอมไฮโดรเจน และ นิวเคลียสนั้นจะประมาณ 100,000 อะตอมของธาตุต่างชนิดกันนั้นจะมีขนาดต่างกัน แต่สัดส่วนของขนาดก็จะอยู่ในช่วงประมาณไม่เกิน 2 เท่า เหตุที่ขนาดไม่เท่ากันนั้นเนื่องมาจากนิวเคลียสที่มีจำนวนประจุบวกไม่เท่ากัน นิวเคลียสที่มีประจุบวกมากก็จะสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนให้เข้าใกล้จุดศูนย์กลางได้มากขึ้น
[แก้] ธาตุและไอโซโทป
อะตอมโดยทั่วไปแล้วจะแบ่งตามเลขอะตอม ซึ่งเท่ากับจำนวนโปรตอนในอะตอม เลขอะตอมจะเป็นตัวระบุว่าอะตอมนั้นเป็นอะตอมของธาตุอะไร ตัวอย่างเช่น อะตอมของคาร์บอน จะมีโปรตอน 6 ตัว อะตอมที่มีเลขอะตอมเท่ากันจะมีคุณสมบัติร่วมทางกายภาพหลายอย่าง และ จะมีคุณสมบัติทางเคมีที่เหมือนกัน ในตารางธาตุ อะตอมจะถูกเรียงตามค่าเลขอะตอม
เลขมวล หรือ เรียก เลขมวลอะตอม หรือ เลขนิวคลีออน ของธาตุคือ จำนวนรวมของโปรตอน และ นิวตรอน ในอะตอม โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวนั้นจะมีมวล 1 amu จำนวนนิวตรอนในอะตอมนั้นไม่ได้เป็นตัวกำหนดชนิดของธาตุ ธาตุแต่ละชนิดนั้นจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนที่แน่นอน แต่อาจมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างไป เรียกว่า ไอโซโทปของธาตุ การเรียกชื่อของไอโซโทป นั้นจะขึ้นต้นด้วยชื่อของธาตุและตามด้วยเลขมวล ตัวอย่างเช่น อะตอมของ คาร์บอน-14 มีโปรตอน 6 ตัว และ นิวตรอน 8 ตัว รวมเป็นเลขมวล 14
อะตอม ที่เรียบง่ายที่สุดคืออะตอมของ ไฮโดรเจน มีเลขอะตอมเท่ากับ 1 และ มี โปรตอน 1 ตัว อิเล็กตรอน 1 ตัว ไอโซโทปของไฮโดรเจนซึ่งมีนิวตรอน 1 ตัวจะเรียกว่า ดิวทีเรียม หรือ ไฮโดรเจน-2 ไอโซโทปของไฮโดรเจนซึ่งมีนิวตรอน 2 ตัว จะเรียก ทริเทียม หรือ ไฮโดรเจน-3
เลขมวลอะตอมของธาตุที่ระบุในตารางธาตุ เป็นค่าเฉลี่ยมวลของไอโซโทปที่พบตามธรรมชาติ โดยเฉลี่ยแบบถ่วงน้ำหนักตามปริมาณที่ปรากฏในธรรมชาติ
[แก้] ประวัติ
- ประมาณ 400 ปีก่อนคริสตศักราช - เดโมคริตุส นำเสนอแนวความคิดแรกเกี่ยวกับอะตอม
-
- นักปรัชญากรีก เดโมคริตุส (Democritus) และ ลุยซิปปุส (Leucippus) ได้เสนอทฤษฎีแรกเกี่ยวกับอะตอม ว่า อะตอมแต่ละอะตอมนั้นมีรูปร่างแตกต่างกัน ในลักษณะเดียวกับก้อนหิน ซึ่งรูปร่างนี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของอะตอม
- 1803 - จอห์น ดัลตัน (John Dalton) - พิสูจน์ว่าอะตอมนั้นมีอยู่จริง
-
- จอห์น ดัลตัน ได้พิสูจน์ว่าสสารประกอบขึ้นจากอะตอม แต่ก็ไม่ได้รู้ว่าอะตอมนั้นมีรูปร่างอย่างไร ซึ่งงานของดัลตันนี้ขัดแย้งกับ ทฤษฎีของการแบ่งแยกได้อย่างไม่สิ้นสุด (infinite divisibility) ซึ่งได้กล่าวว่า สสารนั้นสามารถถูกแบ่งเป็นส่วนย่อยได้เสมอ อย่างไม่สิ้นสุด
- 1897 - โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (Joseph John Thomson) - ค้นพบอิเล็กตรอน
-
- ความเชื่อที่ว่า อะตอม เป็นส่วนที่เล็กที่สุดของสาร นั้นคงอยู่จนกระทั่งได้มีการพิสูจน์ให้เห็นว่าอะตอมนั้นยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่า โดยทอมสัน นั้นเป็นผู้ค้นพบอิเล็กตรอน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมนั้นยังสามารถแบ่งแยกเป็นส่วนย่อยได้อีก
- 1898 - Marie und Pierre Curie - กัมมันตภาพรังสี
- 1900 - Ludwig Boltzmann - ทฤษฎีปรมาณู
- 1900 - Max Planck - ควอนตัม
- 1906 - เออร์เนสท์ รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) - นิวเคลียส
-
- รัทเธอร์ฟอร์ดได้พิสูจน์ให้เห็นว่าอะตอมนั้นมี นิวเคลียสซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก
- 1913 - Niels Bohr - แบบจำลองแบบเป็นระดับชั้น
- 1929 - Ernest O. Lawrence - เครื่องเร่งอนุภาค ไซโคลตรอน (cyclotron)
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - แอนตี้แมทเทอร์
- 1964 - Murray Gell-Mann - ควาร์ก
- 1995 - Eric Cornell und Carl Wieman - โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเสท
- 2000 - CERN - โบซอนฮิกส์
- 2002 - Brookhaven - สารประหลาด
[แก้] แบบจำลองอะตอม
- แบบจำลองของทอมสัน หรือ เรียก แบบจำลองขนมพุดดิ้งลูกพลัม
- แบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด
- แบบจำลองของบอหร์
- แบบจำลองเชิงคลื่น หรือ แบบจำลองของโชรดิงเกอร์ (Schrödinger)