โมเดลอะตอมคุณคืออะไร?

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าสิ่งของรอบตัวคุณทำมาจากอะไร? แค่พูดว่าคุณดูโต๊ะคุณอาจเรียกโต๊ะที่ทำจากไม้ก็ได้ ถึงกระนั้นเมื่อคุณมองไปที่กระจกคุณจะบอกว่ามันทำจากแก้ว โดยทั่วไปวัสดุทั้งสองนี้มีลักษณะที่แตกต่างกัน แต่คุณรู้หรือไม่ว่าวัสดุทั้งสองประกอบด้วยสสารเดียวกัน ชื่อของมันคืออะตอม

อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมี ขนาดที่เล็กมากทำให้ไม่สามารถมองเห็นได้โดยใช้แม้แต่กล้องจุลทรรศน์แสงที่แข็งแกร่งที่สุด ในจำนวนนี้สิ่งที่เล็กที่สุดคืออะตอมในไฮโดรเจน

โมเดลอะตอม

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาอนุภาคที่เล็กที่สุดเหล่านี้มาหลายศตวรรษแล้ว แต่ยังไม่สามารถระบุลักษณะของมันได้ ในปี 1808 ดาลตันได้เผยแพร่ทฤษฎีของเขาเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาแบบจำลองอะตอมได้พัฒนาไปพร้อมกับการค้นพบล่าสุด คราวนี้เราจะพูดถึงแบบจำลองอะตอมต่างๆที่นักวิทยาศาสตร์เสนอ

ทฤษฎีของดาลตัน

John Dalton เป็นนักเคมีนักฟิสิกส์และนักอุตุนิยมวิทยาชาวอังกฤษซึ่งตีพิมพ์งานวิจัยเกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอมเป็นครั้งแรก ดาลตันอธิบายว่าสสารประกอบด้วยอนุภาคที่แยกไม่ออกเรียกว่าอะตอม

น่าเสียดายที่การวิจัยเพิ่มเติมพิสูจน์ให้เห็นว่าอะตอมนั้นสามารถหารได้และประกอบด้วยอนุภาคย่อยของอะตอม อนุภาคย่อยของอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอน ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมานักวิทยาศาสตร์ได้พยายามเสนอแบบจำลองที่แตกต่างกันโดยพิจารณาจากตำแหน่งของอนุภาคย่อยอะตอมเหล่านี้รวมถึง JJ Thomson และ Rutherford

แบบจำลองอะตอมแสดงโครงสร้างอะตอมและการจัดเรียงของอนุภาคย่อยภายในอะตอม การค้นพบโปรตอนและอิเล็กตรอนทำให้นักวิทยาศาสตร์โต้แย้งว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนที่ทำให้ประจุไฟฟ้าสมดุล พวกเขาพบว่าโปรตอนอยู่ภายในอะตอมในขณะที่อิเล็กตรอนอยู่ด้านนอกและหลุดออกได้ง่าย

แบบจำลองอะตอมที่เสนอโดยนักวิทยาศาสตร์มี 4 แบบคือแบบจำลองที่เสนอโดยทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดบอร์และแบบจำลองเชิงกลควอนตัม

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

โจเซฟจอห์นทอมสันเป็นนักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลชาวอังกฤษซึ่งเป็นผู้เสนอแบบจำลองอะตอมเป็นคนแรก ในความเป็นจริงเขาเผยแพร่ก่อนการค้นพบโปรตอนและนิวเคลียสของอะตอม ในทฤษฎีของเขาทอมสันถือว่าอะตอมเป็นเหมือนขนมปังลูกเกดหรือแบบจำลองพุดดิ้งลูกพลัมเนื่องจากอิเล็กตรอนในทรงกลมที่มีประจุบวกดูเหมือนผลไม้แห้งในพุดดิ้งคริสต์มาส

(อ่านเพิ่มเติม: รู้จักชั้นของโลกตามชั้นและองค์ประกอบทางเคมี)

แบบจำลองนี้ถือว่าอะตอมประกอบด้วยลูกบอลที่มีประจุบวกซึ่งมีอิเล็กตรอนฝังอยู่ อะตอมสามารถมีประจุเป็นกลางได้เนื่องจากมีประจุลบและประจุบวกเหมือนกัน

แบบจำลองอะตอมนิวเคลียร์ของรัทเทอร์ฟอร์ด

Ernest Rutherford เป็นนักฟิสิกส์และนักเคมีชาวนิวซีแลนด์ที่อาศัยอยู่ในอังกฤษ เขาเสนอแบบจำลองอะตอมหลังจากทำการทดลองที่เรียกว่าการทดลองการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ด เขาและนักเรียนสองคนได้ทำการทดลองการกระเจิงรังสีอัลฟาบนแผ่นทองคำบาง ๆ

รัทเทอร์ฟอร์ดพิจารณาว่าประจุบวกโดยรวมของอะตอมนั้นกระจุกตัวอยู่ในบริเวณที่เล็กมากซึ่งเรียกว่านิวเคลียส อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสอะตอมด้วยความเร็วสูงในเส้นทางวงกลมที่เรียกว่าวงโคจร แรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนช่วยให้อิเล็กตรอนอยู่ในวิถีของมัน

แบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ดยังเปิดเผยว่าจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนและเรียกว่าเลขอะตอม ในขณะเดียวกันถ้าจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนรวมกันค่าจะเหมือนกับเลขมวลอะตอม

น่าเสียดายที่แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายความเสถียรของอะตอมได้ ตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าอนุภาคที่มีประจุจะสูญเสียพลังงานระหว่างการเร่งความเร็ว การสูญเสียพลังงานสามารถชะลอความเร็วของอิเล็กตรอนและในที่สุดอิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดเข้าสู่นิวเคลียสและอะตอมจะถูกทำลาย นอกเหนือจากนั้นแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดยังไม่ได้อธิบายอะไรเกี่ยวกับการกระจายของอิเล็กตรอนและพลังงานของอิเล็กตรอน นอกจากนี้แบบจำลองอะตอมนี้ยังไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของเส้นที่กำหนดโดยแต่ละองค์ประกอบได้

แบบจำลองอะตอมของบอร์

เพื่อตอบข้อบกพร่องในแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดโดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับสเปกตรัมของเส้นและเสถียรภาพของอะตอมนีลส์บอร์ได้ตีพิมพ์แบบจำลองอะตอมของเขาเอง เขากล่าวว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมในวงโคจรวงกลมที่เรียกว่าเปลือกพลังงานหรือระดับพลังงาน อิเล็กตรอนที่หมุนอยู่ในเปลือกพลังงานมีความสัมพันธ์กับจำนวนพลังงานคงที่ เปลือกพลังงานเหล่านี้มีหมายเลข 1, 2, 3 และอื่น ๆ จากนิวเคลียสอะตอมหรือระบุเป็นเปลือก k, l, m และอื่น ๆ

การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมเรียกว่าการกำหนดค่าอิเล็กตรอน โครงร่างของอิเล็กตรอนสามารถช่วยอธิบายได้ว่าอะตอมมีพันธะร่วมกันอย่างไร การเติมอิเล็กตรอนในเปลือกหอยอะตอมเริ่มจากการเติมในเปลือกชั้นในสุดหรืออันที่มีพลังงานต่ำที่สุด จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่สามารถครอบครองเปลือกคือ 2n2

Quantum Mechanics ทฤษฎีอะตอม

น่าเสียดายที่แบบจำลองอะตอมที่เสนอโดย Bohr ไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้ทั้งในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า Erwin Schrödingerนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียพยายามตอบคำถามนี้ เขาพัฒนาทฤษฎีอะตอมขึ้นอยู่กับหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม แบบจำลองที่เสนอโดยSchrödingerไม่แตกต่างจากของ Bohr มากนักเนื่องจากอะตอมมีนิวเคลียสที่มีประจุบวกและล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ความแตกต่างอยู่ในตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอม

ในทฤษฎีของเขาบอร์โต้แย้งว่าอิเล็กตรอนวนรอบนิวเคลียสของอะตอมในวงโคจรโดยมีระยะห่างที่แน่นอนจากนิวเคลียสของอะตอมซึ่งเรียกว่ารัศมีอะตอม แต่ในทฤษฎีกลควอนตัมตำแหน่งของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอะตอมไม่สามารถทราบได้อย่างแน่นอนตามหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ดังนั้นความน่าจะเป็นมากที่สุดของตำแหน่งของอิเล็กตรอนจึงอยู่ในวงโคจรนั้น กล่าวคืออาจกล่าวได้ว่าพื้นที่ที่มีความน่าจะเป็นมากที่สุดในการค้นหาอิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ในวงโคจร

แบบจำลองเชิงควอนตัมยังระบุด้วยว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมมีคุณสมบัติของความเป็นคู่ตามที่เสนอโดย de Broglie เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสมีลักษณะคล้ายคลื่นดังนั้นสมการสำหรับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสจึงต้องสัมพันธ์กับฟังก์ชันคลื่น

Schrödingerเสริมทฤษฎีของเขาด้วยสมการซึ่งระบุว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอะตอมที่เกี่ยวข้องกับลักษณะคู่ของสสารสามารถแสดงในรูปของพิกัดคาร์ทีเซียนได้ สมการนี้กลายเป็นที่รู้จักกันในชื่อสมการชเรอดิงเงอร์

จากสมการนี้ชเรอดิงเงอร์ได้สร้างตัวเลขควอนตัมสามตัว ได้แก่ ควอนตัมหลัก (n) ควอนตัมแอซิมัท (A) และควอนตัมแม่เหล็ก (ม.) เลขควอนตัมทั้งสามนี้เป็นจำนวนเต็มอย่างง่ายที่บ่งบอกถึงความน่าจะเป็นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอม การแก้สมการชเรอดิงเงอร์จะให้จำนวนควอนตัมสามตัว ออร์บิทัลได้มาจากสมการSchrödingerเพื่อให้มีความสัมพันธ์ระหว่างออร์บิทัลกับตัวเลขทั้งสาม