ฟิสิกส์อะตอม คืออะไร ทฤษฎีอะตอม และ ตัวอย่างข้อสอบเก่า

สรุปเนื้อหา ฟิสิกส์อะตอม คืออะไร

ฟิสิกส์อะตอม คือ การศึกษาโคงรสร้างของอะตอมของธาตุต่างๆ และมีการเจาะลึกลงไปถึงนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ที่โคจรอยู่ภายรอบ ซึ่งตั้งแต่ในอดีตก็ได้มีการค้นคว้า ทดลอง จนเกิดเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับอะตอมต่าง ๆ มากมาย ดังนี้

แนวคิดกับเรื่องโครงสร้างสสารของดิโมคริตุส

“โลกประกอบด้วยสสารและที่ว่าง โดยสสารนั้นประกอบด้วยอะตอมซึ่งเป็นหน่วยที่เล้กที่สุด และไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก สสารแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมที่มีเนื้อเหมือนกัน แต่มีขนาด รูปร่างและการจัดเรียงตัวต่างกัน จึงทําให้เกิดสสารต่างชนิดกัน การเปลี่ยนแปลงของสสารเกิดจาการเปลี่ยนแปลงลักษณะการจัดเรียงตัวของอะตอม”

ทฤษฎีอะตอมของดอลตัน

“สสารประกอบด้วยอะตอมซึ่งเป็นหน่วยย่อยที่เล็กที่สุดและแบ่งแยกอีกต่อไปไม่ได้ ธาตุเดียวกันจะประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน ส่วนธาตุต่างชนิดกันประกอบด้วยอะตอมที่ต่างกัน อะตอมของธาตุแต่ละชนิดจะมีรูปร่างและน้ำหนักเฉพาะตัว อะตอมชนิดหนึ่งจะเปลี่ยนไปเป็นอะตอมชนิดอื่นไม่ได้ อะตอมของธาตุหนึ่งๆ อาจรวมกับอะตอมธาตุอื่นได้ในสัดส่วนคงตัว”

การค้นพบรังสีแคโทด

เกิดจากการที่ Sir Williams Crookes นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ทําการทดลองการนํากระแสไฟฟ้าในหลอดแก้วสุญญากาศที่โค้งงอเป็นมุมฉาก พบว่าเกิดสารเรืองแสงสีเขียวที่ผนังหลอดด้านในตรงข้ามกับขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าลบแสดงว่าเกิดรังสีออกมาจากขั้วแคโทด จึงเรียกว่า รังสีแคโทด (Cathode Ray) นั่นเอง ซึ่งในเวลาต่อมาก็ได้มีการศึกษาธรรมชาติของรังสีแคโทดเพิ่มเติม โดยใช้แผ่นโลหะบาง ๆ กั้นรังสีแคโทด ทำให้เกิดเงาของแผ่นโลหะปรากฏบนผนังหลอดดังรูป และเมื่อให้รังสีแคโทดผ่านสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ก็พบว่า รังสีนี้มีการเปลี่ยนแปลงในบริเวณที่มีสนามทั้งสอง

สรุปเรื่องการค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสัน

สรุปเรื่องการทดลองของมิลลิแกน

จากการทดลองของทอมสัน ทำให้เราทราบอัตราส่วนระหว่าง ประจุไฟฟ้าต่อมวล (q/m) ของอิเล็กตรอน แต่ยังไม่ทราบประจุไฟฟ้าและขนาดมวลของอิเล็กตรอน จนกระทั่งนักฟิสิกส์ชื่อ โรเบิร์ต มิลลิแกน (Robert A. Millikan) โดยใช้เครื่องมือทดลองวัดค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ

แบบจําลองอะตอมของทอมสัน

“อะตอมมีรูปร่างเหมือนทรงกลม มีประจุบวกกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วอะตอม โดยอิเล็กตรอน (ประจุลบ) คละอยู่ด้วย และมีจํานวนเท่ากับประจุบวก อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า อะตอมแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เพราะอิเล็กตรอนสั่นแบบซิมเปิลฮาร์มอนิก แต่อย่างไรก็ตาม ก็ยังมีข้อสังเกตที่แบบจําลองอะตอมของทอมสันนั้นยังไม่สามารถตอบได้ คือ

1. ทําไมประจุบวกรวมกันเป็นเนื้ออะตอมได้ ทั้งๆที่ประจุบวกต้องออกแรงผลักกัน
2. ถ้าอิเล็กตรอนสั่นแบบซิมเปิลฮาร์มอนิกจะให้สเปกตรัมแบบต่อเนื่อง แต่จากการทดลอง พบว่าอะตอมให้สเปกตรัมแบบเส้น

แบบจําลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แต่ทั้งนี้ แบบจําลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดก็ยังมีปัญหาที่ยังเป็นข้อสงสัยอยู่คือ

1. เหตุใดอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน
2. เหตุใดประจุไฟฟ้าบวกหลายประจุจึงรวมกันอยู่ภายในนิวเคลียสได้ ทั้งๆที่มีแรงผลักระหว่างประจุ

ทฤษฎีอะตอมของโบร์

“อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในวงโคจรบางวงที่เรียกว่าวงจรเสถียรได้โดยไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรจะมีการรับหรือปล่อยพลังงานบางค่าออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีค่าตามสมมติฐานของพลังค์”

สำหรับอะตอมปกติ อิเล็กตรอนจะมีพลังงานอยู่ในสถานะพื้น (ground state) แต่เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอกที่เหมาะสมก็จะขึ้นไปอยู่บนวงโคจรใหม่ตามระดับขั้นของพลังงาน เรียกว่า สถานะกระตุ้น (excited state) ทันที อิเล็กตรอนจะปฏิเสธการรับพลังงานที่มีปริมาณน้อยหรือเกินกว่าความเหมาะสมของชั้นพลังงาน อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะกระตุ้นไม่ได้ และจะกระโดดกลับลงมาที่สถานะพื้นโดยปล่อยควอนตัมของพลังงานออกมาที่มีความถี่และความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ กัน

การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์

ฟรังก์และเฮิรตซ์ได้ทำการทดลองที่สนับสนุนทฤษฎีอะตอมของโบร์ว่า “อะตอมมีระดับพลังงานเป็นขั้น ๆ” โดยได้ใช้ชุดการทดลองที่ปรับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่ไปชนกับอะตอมของปรอท เขาสังเกตพบว่า ถ้าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนน้อยกว่า 4.9 eV อิเล็กตรอนจะไม่สูญเสียพลังงานจลน์เลย และถ้าเพิ่มพลังงานจลน์จลน์ของอิเล็กตรอนไปถึงประมาณ 5 eV อิเล็กตรอนจะถ่ายเทพลังงานให้อะตอมของปรอทประมาณ 4.9 eV ถ้าเพิ่มพลังงานจลน์ขึ้นไปอีก การถ่ายเทพลังงานให้อะตอมของปรอทก็ยังเป็น 4.9 eV จึงสรุปได้ว่า “อะตอมพลังงานของอะตอมปรอท มีลักษณะเป็นระดับชั้นที่ไม่ต่อเนื่อง และจากทฤษฏีของโบร์ เมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมของปรอทลดระดับพลังงานมายังระดับพื้น จะต้องให้โฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับ 4.9 eV” ซึ่งจากการทดลองปรากฏว่าวัดความยาวคลื่นแสงที่เปล่งออกมาจากไอปรอทได้แสงมีความยาวคลื่น 253.5 นาโนเมตร ตรงกับพลังงานของแสงเท่ากับ 4.9 eV พอดี

นอกจากนี้ การทดลองกับธาตุอื่นก็ให้ผลคล้ายคลึงกับกรณีปรอท คือ ในการชนระหว่างอิเล็กตรอนกับอะตอม อะตอมจะดูดกลืนพลังงานบางค่าเท่านั้น ซึ่งสนับสนุนความคิดของโบร์ที่ว่า ระดับพลังงานของอะตอมมีค่าไม่ต่อเนื่อง

รังสีเอกซ์เกิดจากอะไร

ในปี พ.ศ. 2438 (ค.ศ. 1895) วิลเฮล์ม เรินต์เกน ( Wihelm Roentgen ) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ค้นพบรังสีเอกซ์โดยบังเอิญขณะที่ทำการทดลองเกี่ยวกับรังสีแคโทด เขาสังเกตว่าเมื่ออิเล็กตรอนความเร็วสูงในหลอดแคโทดพุ่งชนสสาร จะเกิดรังสีที่มีอำนาจทะลุผ่านสูงเดินเป็นเส้นตรง และไม่เบี่ยงเบนโดยสนามไฟฟ้าและแม่เหล็ก รังสีนี้ทำให้ฟอสฟอเรสเซนต์สว่างเรืองรองขึ้น และทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์มถ่ายรูป ยิ่งอิเล็กตรอนเริ่มแรกมีความเร็วมาก รังสีที่เกิดขึ้นก็ยิ่งมีอำนาจทะลุทะลวงสูง และถ้าอิเล็กตรอนมีจำนวนยิ่งมากความเข้มของรังสีก็จะเพิ่มขึ้นไปด้วย เรินต์เกนให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีเอกซ์ ซึ่งการเกิดรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นเฉพาะค่า ได้ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีอะตอมของโบร์ที่ว่า อะตอมมีระดับพลังงานเป็นชั้น ๆ

แต่อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีอะตอมของโบร์ก็ยังมีความไม่สมบูรณ์อยู่ คือ

1. ทฤษฎีอะตอมของโบร์สามารถอธิบายถึงการจัดเรียงอิเล็กตรอนและสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้ แต่ไม่สามารถอธิบายการจัดเรียงอิเล็กตรอนและสเปกตรัมของอะตอมอื่นๆ ได้
2. ทฤษฎีอะตอมของโบร์ไม่สามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสด้วยความเร่ง เพราะสาเหตุใดไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา
3. ทฤษฎีอะตอมของโบร์ไม่สามารถอธิบายได้ว่า เพราะสาเหตุใดอะตอมที่อยู่ในสนามแม่เหล็กเส้นสเปกตรัมเส้นหนึ่งๆ แยกออกเป็นหลายเส้นได้

เราจะเห็นได้ว่า ทฤษฎีอะตอมของโบร์มีบางส่วนที่ยอมรับและบางส่วนที่ปฏิเสธทฤษฎีฟิสิกส์ดั้งเดิม ดังนั้น ทฤษฎีอะตอมของโบร์จึงไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ของอะตอมได้อย่างสมบูรณ์ จึงนำไปสู่การพัฒนาวิชากลศาสตร์ควอนตัม แนวคิดสำคัญของทฤษฎีทางกลศาสตร์ควอนตัม คือ สมบัติทวิภาพของสสารในรูปของคลื่นและอนุภาคนั่นเอง

ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค (Wave-Particle dualify)

1. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric Effect) คือ ปรากฏการณ์ที่ฉายแสงที่มีความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะแล้วทําให้เกิดประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) หลุดออกมาจากโลหะได้ ซึ่งอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน โดยสามารถสรุปได้ ดังนี้

• โฟโตอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นเมื่อแสงที่ตกกระทบโลหะมีความถี่ไม่น้อยกว่าค่าความถี่คงตัวค่าหนึ่ง เรียกว่า ค่าความถี่ขีดเริ่ม (f0)
• จํานวนโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น เมื่อแสงที่ใช้มีความเข้มแสงมากขึ้น
• พลังงานจลน์สูงสุดEk(max) ของอิเล็กตรอนไม่ขึ้นนกับความเข้มแสง แต่ขึ้นกับค่าความถี่แสง
• พลังงานจลน์สูงสุดมีค่าเท่ากับความต่างศักย์หยุดยั้ง

2. ปรากฏการณ์คอมป์ตัน คือ การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของรังสีเอกซ์และขนาดของมุมการกระเจิงกับความยาวคลื่นกระเจิงของรังสีเอกซ์จากการฉายรังสีเอกซ์ให้ไปกระทบกับอิเล็กตรอนของแท่งแกรไฟต์ ทำการศึกษาโดยคอมป์ตัน ซึ่งพบว่า “ความยาวคลื่นรังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมาแปรผันกับมุมที่กระเจิง แต่ไม่ขึ้นกับความเข้มของรังสีเอกซ์ที่กระทบกับอิเล็กตรอน”

จากปรากฏการณ์อธิบายโดยอาศัยหลักแนวคิดของไอน์สไตน์ได้อย่างเดียวว่าการชนระหว่างรังสีเอกซ์กับอิเล็กตรอนของแกรไฟต์เป็นการชนระหว่างอนุภาคกับอนุภาค โดยเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานและกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ดังนี้

• รังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมาโดยมีความยาวคลื่นเท่าเดิม แสดงว่าโฟตอนของรังสีเอกซ์กับอิเล็กตรอนของแท่งแกรไฟต์ชนกันแบบยืดหยุ่น
• รังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมาโดยมีความยาวคลื่นไม่เท่าเดิม แสดงว่า โฟตอนของรังสีเอกซ์กับอิเล็กตรอนของแท่งแกรไฟต์ชนกันแบบไม่ยืดหยุ่น

3. สมมติฐานของเดอ บรอยล์

หลุยส์ เดอบรอยล์ ได้ให้ความเห็นว่า “แสงมีคุณสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นแสงและอนุภาค” กล่าวคือ ในกรณีที่แสงมีการเลี้ยวเบนและการแทรกสอด แสดงว่าขณะนั้นแสงประพฤติตัวเป็นคลื่น สําหรับกรณีแสงในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก แสดงว่าแสงเป็นอนุภาค ดังนั้น สะสารทั่วไปที่มีคุณสมบัติเป็นอนุภาคก็น่าจะมีคุณสมบัติทางด้านคลื่นด้วยซึ่งเดอบรอยล์ได้พยายามหาความยาวคลื่นของคลื่นมวลสาร โดยทั่วไปเริ่มจากความยาวคลื่นของแสงก่อน

ความยาวคลื่นของอนุภาคหรือความยาวคลื่นสสารนี้ เรียกว่า ความยาวคลื่นเดอบรอยล์

กลศาสตร์ควอนตัม

1. หลักความไม่แน่นอนและโอกาสที่จะเป็นไปได้ (Uncertainty Principle)

• ในการพิจารณาอิเล็กตรอน ตามหลักทวิภาพของคลื่นและอนุภาคพบว่า ถ้าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค เราคิดถึงอนุภาคในลักษณะที่มีขนาดแน่นอนและขนาดเล็กมาก ถ้าคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่น ขนาดและตําแหน่งของคลื่นย่อมกระจายอยู่ในอาณาเขตอันหนึ่งง แต่ไม่สามารถบอกได้ชัดว่าอยู่ที่ใด
• ในการศึกษา Quantum Mechanics ไฮเซนเบอร์กได้ตั้งหลักความไม่แน่นอน กล่าวคือ ตําแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคไม่สามารถที่จะบอกได้ว่าอนุภาคอยู่ ณ ที่ใดที่หนึ่ง และมีค่าโมเมนตัมที่แน่นอนเท่าใด ซึ่งหลักการนี้ปรากฏว่าใช้ได้ทั้งสสารและโฟตอน โดยสรุปคือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์กเป็นความไม่แน่นอนทางตําแหน่งและทางโมเมนตัมของอนุภาค เขียนเป็นสูตรได้ว่า

2. โครงสร้างอะตอมตามทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม

ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก เราไม่สามารถระบุได้ว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอะตอมนั้นอยู่ที่ตำแหน่งใดได้แน่นอน หรือเคลื่อนที่ในลักษณะใดได้อีกต่อไป เราบอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ว่าเป็นเท่าใดเท่านั้น พฤติกรรมต่าง ๆ ของอิเล็กตรอนในอะตอมจะหาได้จากการแก้สมการคลื่นของชเรอดิงเงอร์ ซึ่งให้คำตอบที่สมบูรณ์กว่าทฤษฎีอะตอมของโบร์ ทำให้มีการจินตนาการภาพโอกาสการค้นพบอิเล็กตรอนรอบอะตอม คล้ายกลุ่มหมอกห่อหุ้มนิวเคลียสอยู่ หากโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งใดมากที่นั้นจะมีกลุ่มหมอกหนาแน่น

ภาพกลุ่มหมอกเปรียบเทียบกับโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอมเป็นไปได้หลายรูปแบบ อะตอมไฮโดรเจนซึ่งอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานต่ำสุด กลุ่มหมอกจะเป็นกลุ่มทรงกลม กล่าวคือ โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งที่ห่างจากนิวเคลียสในทุกทิศทางเป็นระยะทางเท่ากัน จะเท่ากันหมด กรณีที่อิเล็กตรอนมีระดับพลังงานสูงขึ้น กลุ่มหมอกจะจัดตัวแตกต่างจากรูปทรงกลม ดังรูป

แนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัมที่มีโอกาสจะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสมีลักษณะเป็นกลุ่มหมอก สามารถอธิบายความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีของโบว์ ถึงการแยกเส้นสเปกตรัมหนึ่งเส้นเป็นหลายเส้นเมื่ออะตอมอยู่ในสนามแม่เหล็กได้

ซึ่งจะเห็นได้ว่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนในระดับต่างๆ จะได้จากกลศาสตร์ควอนตัมสอดคล้องกับทฤษฎีของโบว์ แต่อะตอมใหญ่ ๆ ระดับพลังงานที่ได้จากทฤษฎีทั้งสองต่างกัน แต่ผลที่ได้จากกลศาสตร์ควอนตัมถูกต้องกว่า

ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง ฟิสิกส์อะตอม

1. การที่รัทเธอร์ฟอร์ด ทําการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคําบาง แล้วพบว่าโครงสร้างของอะตอมไม่เป็นไปตามแบบของทอมสัน เนื่องจากรัทเธอร์ฟอร์ด พบว่า

ก. อนุภาคแอลฟาเบนไปจากแนวเดิมทุกทิศทางเท่า ๆ กัน
ข. อนุภาคแอลฟาทั้งหมดวิ่งทะลุผ่านแผ่นทองคําไปในแนวเกือบเป็นเส้นตรง
ค. อนุภาคแอลฟาบางส่วนเบนไปจากแนวเดิมเป็นมุมใด ๆ ทั้งที่ส่วนใหญ่ผ่านไปในแนวตรง
ง. อนุภาคแอลฟาเกือบทั้งหมดเบนไปจากแนวเดิมเป็นมุมใด ๆ และบางที่มีการสะท้อนกลับ

2. อนุภาคพลังงานจลน์เท่ากันในข้อใดที่วิ่งเข้าใกล้นิวเคลียสของยูเรเนียมแล้วมีโอกาสเเบี่ยงเบนไปจากแนวเดิมน้อยที่สุด

ก. โปรตอน
ข. แอลฟา
ค. อิเล็กตรอน
ง. นิวตรอน

3. จากการวิเคราะห์สเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจน พบว่าชุดความถี่ของเส้นสเปกตรัมในช่วงที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่านั้นมีชื่อเรียกว่า

ก. Lyman series
ข. Balmer series
ค. Paschen series
ง. Brackett series

4. ตามทฤษฎีอะตอมของโบร์ ระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนต่ำสุดเท่ากับ -13.6 eVถ้าอะตอมไฮโดรเจนถูกกระตุ้นไปอยู่ที่ระดับพลังงานสูงสุดและกลับสู่สถานะพื้นที่มีพลังงานต่ำสุดโดยการปล่อยโฟตอนออกมาด้วยพลังงาน 10.20 eV แสดงว่าอะตอมไฮโดรเจนถูกกระตุ้นไปที่ระดับพลังงานที่ n เท่ากับเท่าใด

ก. 2
ข. 4
ค. 8
ง. 16

5. พลังงานต่ำสุดของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนคือ -13.6 eV ถ้าอิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะจาก n = 3 ไปสู่สถานะ n = 2 จะให้แสงที่มีพลังงานควอนตัมเท่าใด

ก. 1.51 eV
ข. 1.89 eV
ค. 3.40 eV
ง. 4.91 eV

Related Posts

เนื้อหา ฟิสิกส์ ม.ปลาย ม.4 ม.5 ม.6 เรียนอะไร

ฟิสิกส์ ม.ปลาย การเคลื่อนที่แนวตรง

สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง กฎนิวตัน อะไร พร้อมข้อสอบ

สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง การเคลื่อนที่แบบต่างๆ

สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง แสง คืออะไร พร้อมข้อสอบ

สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง คลื่นเสียง คืออะไร พร้อมข้อสอบ