ฟิสิกส์อะตอม
»
วิทยาศาสตร์
ม.4-6
Application
คำว่า “อะตอม” เป็นคำซึ่งมาจากภาษากรีกแปลว่าสิ่งที่เล็กที่สุด ซึ่งนักปราชญ์ชาวกรีกโบราณที่ชื่อ ลูซิพปุส (Leucippus) และดิโมคริตุส (Democritus) ใช้สำหรับเรียกหน่วยที่เล็กที่สุดของสสาร ที่ไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก โดยเขาได้พยายามศึกษาเกี่ยวกับวัตถุที่มีขนาดเล็ก (ฟิสิกส์ระดับจุลภาค, microscopic) และมีแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารว่า สสารทั้งหลายประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด จะไม่สามารถมองเห็นได้ และจะไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงกว่านั้นได้อีก แต่ในสมัยนั้นก็ยังไม่มีการทดลอง เพื่อพิสูจน์และสนับสนุนแนวความคิดดังกล่าว
ต่อมาวิทยาศาสตร์ได้เจริญก้าวหน้าขึ้น และนักวิทยาศาสตร์ก็พยายามทำการ ทดลองค้นหาคำตอบเกี่ยวกับเรื่องนี้ในรูปแบบต่างๆตลอดมา จนกระทั่งเกิดทฤษฎีอะตอมขึ้นมาในปี ค.ศ.1808 จากแนวความคิดของจอห์น ดาลตัน (John Dalton) ผู้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม และเป็นที่ยอมรับและสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น โดยทฤษฎีอะตอมของดาลตันได้กล่าวไว้ว่า
สสารประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด แบ่งแยกต่อไปอีกไม่ได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายให้สูญหายไป
ธาตุเดียวกันประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน มีมวลและคุณสมบัติเหมือนกัน แต่จะแตกต่างจากธาตุอื่น
สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปด้วยสัดส่วนที่คงที่
อะตอมของธาตุแต่ละชนิดจะมีรูปร่างและน้ำหนักเฉพาะตัว
น้ำหนักของธาตุที่รวมกัน ก็คือน้ำหนักของอะตอมทั้งหลายของธาตุที่รวมกัน

ฟิสิกส์อะตอมเป็นเรื่องที่ศึกษาโครงสร้างและส่วนประกอบของอะตอม เริ่มต้นจากปี พ.ศ. 2398 ไกสเลอร์ ได้ประดิษฐ์หลอดสุญญากาศความดันต่ำ ปลายทั้งสองของหลอดต่อเข้าความต่างสูง พบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น และเกิดการเรืองแสงสีเขียวจางๆ ขึ้นบริเวณผนังหลอด ต่อมาได้ถูกนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ดัดแปลง จนนำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอนในที่สุด โดยเรียงลำดับการค้นพบ จากการทดลองของ ครูกส์ (William Crookes) ซึ่งมีผลการทดลองว่า การเรืองแสงสีเขียวจะเกิดมากที่สุดบริเวณผนังหลอดด้านในที่อยู่ตรงกันข้ามกับขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีนี้ว่า "รังสีแคโทด (Cathode Ray) " รังสีนี้จะเบี่ยงเบนในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
การทดลองของทอมสัน (Joseph J. Thomson) เขาทดลองเพิ่มเติมจากแนวความคิดของครูกส์ พบว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประจุลบ หรือเรียกว่า อนุภาครังสีแคโทด (Cathode Ray Particle) ต่อมาเรียกใหม่ว่า "อิเล็กตรอน (Electron) " และถือว่า "ทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบอิเล็กตรอน" ทอมสันสามารถค้นพบค่าประจุต่อมวล q/m มีค่าเท่ากับ 1.76x 1011 คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน (Robert A.Millikan) เป็นการทดลองเพื่อต่อยอดความรู้ของทอมสัน ทำให้มิลลิแกนสรุปได้ว่า "ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมีขนาดเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ " และนิยมใช้สัญลักษณ์ "e" แทนค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน และยังสามารถค่า "มวลของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ 9.1 x 10-31 กิโลกรัม"
หลังจากที่มีการค้นพบอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม ทำให้ขัดแย้งกับทฤษฎีอะตอมในอดีตที่เข้าใจว่า อะตอมแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมขึ้นมาเรียงตามความเชื่อถือ ดังต่อไปนี้
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบกระจายกันอยู่ เหมือนเม็ดแตงโม แต่ไม่สามารถอธิบายการทดลองได้ จึงทำให้ล้มเหลวในที่สุด
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่จุดศูนย์กลางเรียกว่า "นิวเคลียส" ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆ นิวเคลียสที่ระยะห่างจากนิวเคลียสมาก และเขาคำนวณพบว่า นิวเคลียสมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-15 ถึง 10-14 เมตร ในขณะที่อะตอมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร แสดงว่า ขนาดอะตอมจึงใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียสประมาณหนึ่งแสนเท่า แต่ก็มีข้อบกพร่องเพราะไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมประจุบวกจึงรวมกันอยู่ในนิวเคลียส และทำไมอิเล็กตรอนจึงสามารถโคจรรอบนิวเคลียสได้ทั้งที่สูญเสียพลังงานจลน์ ตามทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกเวลล์

แบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr) โบร์ได้ปรับปรุงแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด โดยการตั้งสมมติฐานขึ้น 2 ข้อ สมมติฐานข้อที่ 1 อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบนิวเคลียสจะมีวงโคจรพิเศษที่อิเล็กตรอนไม่แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา โดยที่ในวงโคจรพิเศษนี้อิเล็กตรอนจะมีโมเมนตัมเชิงมุม L คงตัว โมเมนตัมเชิงมุมนี้มีค่าเป็นจำนวนเท่าของค่าคงตัวมูลฐาน ( เมื่อ h แทนค่าคงตัวของพลังค์ (Planck Constant) = 6.63x10-34 Js) สมมติฐานข้อที่ 2 อิเล็กตรอนจะรับหรือปล่อยพลังงานในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนวงโคจรพิเศษ
การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์ ฟรังก์ (James Franck) และเฮิรตซ์ (Fustav L. Hertz) ได้ทำการทดลองเพื่อสนับสนุนทฤษฎีอะตอมของโบร์ และแสดงว่าโครงสร้างอะตอมมีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง (มีลักษณะเป็นชั้นๆ) โดยการเร่งอิเล็กตรอนวิ่งเข้าไปชนกับอะตอมของปรอทที่อยู่ในสภาพเป็นไอ และพบว่าอะตอมของปรอทที่อยู่ในสภาพไอสามารถดูดกลืนพลังงาน ได้เพียงบางค่าเท่านั้น เช่น 4.9 eV , 6.7 eV และ 10.4 eV นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์ที่เกิดจากการทดลองเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ สนับสนุนพลังงานไม่ต่อเนื่อง
รังสีเอกซ์ (X-rays) คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง (1016 - 1022 Hz) หรือ ความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 10-8 - 10-13 เมตร ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก สเปกตรัมของรังสีเอ็กซ์มี 2 แบบ คือ สเปกตรัมแบบต่อเนื่อง และ สเปกตรัมแบบเส้น (ซึ่งเแบบเส้นจะสนับสนุนพลังงานไม่ต่อเนื่อง)
ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฏีอะตอมของโบร์ มีข้อบกพร่อง เพราะอธิบายได้ดีเฉพาะอะตอมขนาดเล็ก เช่น ไฮโดรเจน เท่านั้น ส่วนอะตอมอื่นๆ ไม่สามารถอธิบายได้ นั่นเป็นเพราะว่า

1) โบร์ได้ผสมความคิดของฟิสิกส์แผนเดิมกับความคิดเรื่องควอนตัมของพลังงานพลังก์ ซึ่งเป็นความคิดของฟิสิกส์แผนใหม่ จึงทำให้มีขอบเขตจำกัด

2) ไม่สามารถอธิบายได้ว่า อะตอมที่อยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะให้สเปกตรัมที่ผิดไปจากเดิมคือ สเปกตรัมเส้นหนึ่งๆ แยกออกเป็นหลายเส้น
ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค คือ การที่คลื่นสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้และในทางกลับกันอนุภาคก็สามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน โดยมีปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้ สนับสนุนแนวคิดทวิภาพของคลื่นและอนุภาค

1) ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoectric Effect) คือ ปรากฏการณ์ที่ฉายแสงซึ่งมีความยาวคลื่นสั้น หรือมีความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ แล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโลหะได้ และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาว่า "โฟโตอิเล็กตรอน (Photoelectron)" และอธิบายได้จากความรู้เรื่อง การแผ่รังสีของวัตถุดำ โดยพลังก์นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ตั้งสมมติฐานซึ่งมีใจความว่า "พลังงานที่วัตถุดำรับเข้าไป หรือปล่อยออกมานั้นมีค่าได้เฉพาะบางค่า" ซึ่งจะเป็นจำนวนเท่าของ hf โดยเรียกว่า "ควอนตัมของพลังงาน"

2) ปรากฏการณ์คอมป็ตัน (Compton Effect) อธิบายโดยคอมป์ตัม (Arthur H. Compton) และดีบาย (Perter Debye) ได้ทดลองฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นค่าหนึ่งไปกระทบอิเล็กตรอนในแท่งแกรไฟต์ ปรากฏว่ามีอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์กระเจิงออกมา พบว่า รังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมามีทั้งความยาวคลื่นเท่าเดิมและความยาวคลื่นมากกว่าเดิม

3) สมมติฐานของเดอบรอยล์ (De Broglie's Hypothesis) กล่าวได้ว่า "ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงสมบัติของอนุภาคได้ แล้วอนุภาคก็แสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นเดียวกัน" หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก กล่าวไว้ว่า "เราไม่สามารถรู้ถึงตำแหน่งและความเร็ว ของอนุภาคในเวลาเดียวกันได้อย่างแม่นยำ" ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กที่เกี่ยวกับความไม่แน่นอนทางตำแหน่งและความไม่แน่นอนทางโมเมนตัม มีความสัมพันธ์กันดังต่อไปนี้