อะตอม

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

อะตอม
แบบจำลองอะตอมของฮีเลียม (ไม่ใช่อัตราส่วนจริง) 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:

• อิเล็กตรอน, ซึ่งมีประจุลบ;
• โปรตอน ซึ่งมีประจุบวก; และ
• นิวตรอน ซึ่งไม่มีประจุ.

อะตอมเป็นองค์ประกอบพื้นฐานทางเคมีซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามปฏิกิริยาเคมี ธาตุที่พบได้ตามธรรมชาติบนโลกนี้นั้นมีปรากฏอยู่ประมาณ 90 ชนิดเท่านั้น (นอกเหนือจากนี้มี ธาตุบางชนิดเช่น เทคนิเซียม และ แคลิฟอร์เนียม ที่พบได้ในซูเปอร์โนวา และธาตุที่เลขอะตอมสูง (มากกว่า 100 ขึ้นไป) ที่สามารถสังเคราะห์ได้จาก การนำอะตอมมาชนกันด้วยความเร็วสูง)

เราเรียกอะตอม สองอะตอมว่าเป็นธาตุเดียวกันก็ต่อเมื่อ อะตอมสองอันนั้นมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน โดยทั่วไปแล้ว ธาตุแต่ละธาตุไม่เหมือนกัน อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน เราเรียกสองอะตอมที่มีจำนวนโปรตรอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนแตกต่างกันนั้นจะเรียกว่าเป็นไอโซโทป (isotope)

นอกจากธาตุที่เกิดตามธรรมชาติแล้ว ยังมีธาตุที่ถูกสร้างขึ้น แต่ธาตุเหล่านี้มักจะไม่เสถียร และ สลายไปเป็นธาตุอื่นที่เสถียร โดยกระบวนการสลายกัมมันตรังสี ตัวอย่างเช่น Beta Decay, Double Beta Decay, Beta Capture, Gamma Decay และอื่น ๆ

ถึงแม้ว่าจะมีธาตุที่เกิดตามธรรมชาติเพียง 90 ชนิด อะตอมของธาตุเหล่านี้สามารถ สามารถสร้างพันธะทางเคมี รวมกันเป็นโมเลกุล และองค์ประกอบชนิดอื่นๆ โมเลกุลเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมหลายอะตอม เช่น โมเลกุลของน้ำเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอม และ อะตอมออกซิเจน 1 อะตอม

เนื่องจากอะตอมเป็นสิ่งที่มีอยู่ไปทั่วทุกที่ จึงเป็นหัวข้อศึกษาที่ได้รับความสำคัญในหลายศตวรรษที่ผ่านมา หัวข้อวิจัยทางด้านอะตอมในปัจจุบันจะเน้นทางด้าน quantum effects เช่น ของเหลวผลควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์

[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.

แบบจำลองเชิงคลื่นอย่างง่าย(ของ Hydrogen Atom)ได้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่า อิเลคตรอน สามารถ represent ได้ด้วย wavefunctions และ wavefunctions นั้นต้อง satisfy Schrodinger Equation โดยมี Potential termและ wavefunctions ของ อิเลคตรอนนั้นต้อง obey Pauli Exclusion Principle(wavefunctions ของ electron(fermion) นั้นต้อง anti-symmetric under interchange of two particles)

ซึ่งโดยสมมติฐานเหล่านี้ แบบจำลองเชิงคลื่นได้ predict ว่าอิเลคตรอนของ Hydrogen นั้น

• • สามารถมี Orbital Angular Momentum เป็น จำนวนเท่าของ
  • สามารถมี Energy Level นั้น Quantized(นั่นคือ มีค่าได้เพียงบางค่าเท่านั้น)
  • วงโคจรแต่ละวงนั้นสามารถมีอิเล็กตรอนได้อย่างมาก 2 ตัว และถูกควบคุมด้วย เลขควอนตัม(quantum number) 3 ตัว คือ principal, azimuthal, and magnetic
  • อิเล็กตรอนแต่ละตัวนั้นจะมีเลขควอนตัมตัวที่ 4 เฉพาะตัว คือ spin

การที่จะใช้แบบจำลองเชิงคลื่นกับ อะตอมที่ซับซ้อนกว่า Hydrogen Atom นั้นค่อนข้างยากต่อการคำนวณ Analytically เนื่องจากต้องเพิ่ม term หลายเทอมเข้าไปใน Schrodinger Equation ยกตัวอย่างเช่น Spin-Orbit Coupling และ Electron-Electron interaction ซึ่งเป็นพจน์ที่ Non-Linear แต่การคำนวณเหล่านี้สามารถทำได้บน computer โดยใช้ Hartree-Fock method

[แก้] ขนาดอะตอม

ขนาดของอะตอมนั้นจะกำหนดได้ยาก เนื่องจากวงโคจรของอิเล็กตรอน (ความน่าจะเป็น) นั้น จะลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์นั่นคือ ไม่ว่าระยะทางจะไกลจากนิวเคลียสเท่าไรเรายังมี ความน่าจะเป็น(ที่ไม่เป็นศูนย์)ในการค้นพบอิเล็คตรอน ของอะตอมนั้น ในกรณีของอะตอมที่สามารถก่อตัวในรูปผลึกของแข็งนั้น ขนาดของอะตอมสามารถประมาณโดยใช้ระยะทางระหว่างอะตอมที่อยู่ติดกัน ส่วนอะตอมที่ไม่สามารถก่อตัวเป็นผลึกแข็งนั้น การหาขนาดจะใช้เทคนิคอื่นๆ รวมทั้งการคำนวณทางทฤษฎี โดยใช้ Root mean squareของ อิเล็คตรอน 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)