อะตอม

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

อะตอม
อะตอมของฮีเลียม
แบบจำลองอะตอมของฮีเลียม
ภาพนิวเคลียสซึ่งมีโปรตอน 2 ตัว(สีแดง)

นิวตรอน 2 ตัว(สีเขียว) และ กลุ่มควันแสดง
ความน่าจะเป็นของตำแหน่ง(สีเทา)
ของอิเล็กตรอน(สีเหลือง)

ประเภท
องค์ประกอบทางเคมีที่เล็กที่สุด
คุณสมบัติ
มวล: หน่วยมวลอะตอม
ประจุไฟฟ้า: 0 คูลอมบ์
ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง: 10pm to 100pm

อะตอม (กรีก: άτομον ; อังกฤษ: Atom) เป็นโครงสร้างขนาดเล็กมากมองด้วยตาเปล่าไม่เห็น ที่พบได้ในสิ่งของทุก ๆ อย่างรอบตัวเรา

อะตอมประกอบไปด้วยอนุภาค 3 ชนิด คือ:

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

The electron orbital wavefunctions of hydrogen.  The principal quantum number is at the right of each row and the azimuthal quantum number is denoted by letter at top of each column.
The electron orbital wavefunctions of hydrogen. The principal quantum number is at the right of each row and the azimuthal quantum number is denoted by letter at top of each column.

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)