โครงสร้างอะตอม

โครงสร้างของอะตอม
           ถ้านักเรียนพิจารณาทุกสิ่งที่อยู่รอบตัวเรา   จะพบว่าไม่ว่าสิ่งนั้นจะอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส ต่างมีธาตุเป็นองค์ประกอบทั้งสิ้น   สารบางอย่างประกอบด้วยธาตุเดียวกันเช่น ทองแดง (Cu) ปรอท (Hg) และแก๊สออกซิเจน O2 บางอย่างประกอบด้วยธาตุหลายชนิด เช่น หินปูน (CaCO3) น้ำ H2O และแก๊สมีเทน  CH4 เป็นต้น
-   ในร่างกายคนเรามีธาตุใดเป็นประกอบมากที่สุดระบุเหตุผลประอบ
-   ในพืชมีธาตุอะไรเป็นองค์ประกอบหลัก
-   ปุ๋ยเคมีประกอบด้วยธาตุสำคัญอะไรบ้าง
           ธาตุ คือสารบริสุทธ์ที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันส่วน อะตอม เป็นหน่วยเล็กที่สุดของธาตุซึ่งยังสามารถแสดงสมบัติของธาตุนั้นๆได้   ในอะตอมประกอบด้วยนิวเคียสซึ่งอุภาค โปรตอน และ นิวตรอน (ยกเว้นอะตอมของไฮโดรเจนมีแต่อนุภาคโปรตอนอย่างเดียว) รอบๆ นิวเคลียสมีอนุภาค อิเล็กตรอน  ซึ่งมีจำนวนเท่ากับอนุภาคโปรตอนวิ่งวนอยู่รอบๆ การเขียนภาพของภาพของแบบจำลองแสดงตำแหน่งของอิเล็กตรอนซึ่งมีขนาดเล็กมาก   และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาย่อมเป็นการยาก   นอกจากนั้นอิเล็กตรอนยังเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งต่างๆ ด้วยจำนวนครั้งมากน้อยไม่เท่ากัน   แบบจำลองที่พอจะแสดงตำแหน่งและจำนวนครั้งหรือโอกาสที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งต่างๆ รอบนิวเคลียสเรียกว่า แบบจำลองชนิดกลุ่มหมอกอิเล้กตรอน ภาพ 5.1 เป็นแบบจำลองของอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสและกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน

 


เปรียบเทียบขนาดของนิวเคลียสกับขนาดของอะตอมได้กับถั่วเขียวกลางสนามกีฬาขนาดใหญ่


 
ภาพ 5.1
แบบจำลองของอะตอมไฮโดรเจน (H) ชนิดกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน


           จากภาพ 5.1   จะเห็นว่า บริเวณใกล้ๆ นิวเคลียสเป็นบิรเวณที่มีความหนาแน่นของจุดมาก แสดงว่า ในบริเวณนั้นมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านไปบ่อยครั้งมาก   หรือกล่าวได้ว่าโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนบริเวณนั้นสูงกว่าบริเวณอื่นๆ นั่นเอง   เนื่องจากอาณาบริเวณที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปได้มีขอบเขตไม่กำจัด   แต่ยิ่งห่างนิวเคลียสออกไป      โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนก็ยิ่งน้อยลงเรื่อยๆ เนื่องจากวงโคจรของอิเล็กตรอนนอกนิวเคลียสของอะตอมไฮโดเจนมีลักษณะใกล้เคียงทรงกลม   จึงเขียนภาพจำลองโครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจนได้อีกแบบหนึ่ง เรียกว่า แบบจำลองชนิดโครงสร้างลายเส้น ภาพ 5.2 แทนอะตอมไฮโดรเจนซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 1 อนุภาคและอิเล็กตรอน 1 อนุภาค
 


 
 ภาพ 5.2 แบบจำลองอะตอมไฮโดรเจน (H) ชนิดโครงสร้างลายสาย

           สำหรับธาตุอื่นๆ มีจำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนแตกต่างกัน ตาราง 5.1 แสดงจำนวนอนุภาคมูลฐานในอะตอมของธาตุบางชนิด



ตาราง 5.1 จำนวนอนุภาคมูลฐานในอะตอมของธาตุบางชนิด

-   ในนิวเคลียสของธาตุลิทเยมมีจำนวนอนุภาคมูลฐานทั้งหมดเท่าใด
-   จากตาราง 5.1   จำนวนอุภาคโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนมีความสัมพันธ์กันอย่างไร
           จงเขียนสัญลักษณ์แสดงชื่อ ชนิด และจำนวนอนุภาคของธาตุต่างๆ ได้อย่างไร

5.1.1 เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป

           นักเรียนทราบแล้วว่า  นักวิทยาศาสตร์ใช้ตัวพิมพ์ใหญ่ของอักษรตัวแรกของชื่อธาตุเป็นภาษาอังกฤษ หรือละติน เป็นสัญลักษณ์แทนชื่อธาตุต่างๆ นอกจากนั้น    ยังใช้ตัวเลขที่มุมล่างซ้ายมือของตัวอักษร แทนจำนวนโปรตอน และใช้ตัวเลขที่มุมบนซ้ายมือของตัวอักษร แทนจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนของธาตุแต่ละชนิด   โดยใช้สัญลักษณ์ดังกล่าว สามารถเขียนชื่อธาตุๆ ในตาราง 5.1 ได้สั้นๆ ดังนี้ \displaystyle{}_2^4He{}_3^7Li{}_4^9Be{}_5^{11}B{}_6^{12}C{}_7^{14}N{}_8^{16}O เรียกสัญลักษณ์แบบนี้ว่า สัญลักษณ์นิวเคลียส


\displaystyle {}_Z^A X
        สัญลักษณ์นิวเคลียส
        A แทนเลขมวล
        B แทนเลขอะตอม
       C แทนสัญลักษณ์ของธาตุ</b>


           เนื่องจากอะตอมของธาตุต่างๆ เป็นกลางทางไฟฟ้าแสดงว่า ประจุลบของอิเล็กตอรนมีจำนวนเท่ากับประจุบวกของโปรตอน ส่วนจำนวนนิวตรอนอาจเท่าหรือไม่เท่ากับจำนวนโปรตอนก็ได้   แต่ธาตุ ชนิดเดียวกันจะต้องมีจำนวนโปรตอนเท่ากันเสมอ จำนวนโปรตอนของธาตุแต่ละชนิดกรียกว่า เลขอะตอม ส่วนผลบวกของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเรียกว่า เลขมวล ของธาตุนั้นๆ
-   ถ้าเลขอะตอมของธาตถคลอรีนและโซเดียมมีจำนวนโปรตอนเป็น 17 และ 23 อนุภาคตามลำดับ ธาตุทั้งสองนี้จะมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่าใด
-   ธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากัน   แต่เลขมวลต่างกันจัดเป็นธาตุเดียวกันหรือไม่
-   จากตาราง 5.1 ธาตุธาตุที่มีเลขมวลเท่ากับ 7  12 และ 16 คือธาตุอะไร และมีเลขอะตอมเป็นเท่าไร

กิจกรรม 5.1 การค้นพบโครงสร้างอะตอม
           แบ่งกลุ่มและสืบข้อมูลเกี่ยวกับประวัติและการศึกษาวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ที่นักเรียนคิดว่า   มีส่วนสำคัญในการค้นพบโครงสร้างของอะตอม นำเสนอในรูปแบบที่เหมาะสมกับสภาพชั้นเรียน
           เลขอะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีความสำคัญยิ่ง   เพราะ เลขอะตอมเป็นตัวบ่งชี้สมบัติเฉพาะตัวอของธาตุนั้นๆธาตุที่มีเลขอะตอมและเลขมวลเหมือนกัน   เป็นธาตุเดียวกันมีสมบัติทางกายภาพและเคมีเหมือนกัน   ส่วนธาตุที่มีเลขอะตอมเหมือนกัน แต่มีเลขมวลต่างกัน ก็จัดเป็นธาตุชนิดเดียวกัน   มีสมบัติทั่วไปทางเคมีเหมือนกัน   แต่สมบัติทางกายภาพทางเคมีบางประการเหมือนกัน เรียกว่าเป็นธาตุ ไอโซโทป ซึ่งกันและกัน ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนที่มีเลขอะตอมเป็น 1 ที่มีเลขมวลเป็นได้ทั้ง 1, 2 และ 3 จึงกล่าวได้ว่าธาตุไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป คือ\displaystyle {}_1^1 H,{}_1^2 H,{}_1^3 H ส่วนธาตุคาร์บอนก็มีเลขมวลเป็นได้ทั้ง 12, 13 และ 14 เป็นต้น

ในปี พ.ศ. 2548 ฟรานซิล วิลเลียม แอสตัน
เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พบไอโซโทปของธาตุนิออนคือ\displaystyle {}_{10}^{20} Neและ\displaystyle {}_{10}^{22} Ne


-   เขียนสัญลักษณ์แสดงไอโซโทปทั้งสามของคาร์บอน

5.1.2 การจัดเรียงของอิเล็กตรอน
           นักเรียนเคยสงสัยหรือไม่ว่า    เหตุใดอิเล็กตรอนจึงมีประจุไฟฟ้าลบ (-) จึงไม่ถูกดึงดูดเข้าไปอยู่ในนิวเคลียสซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวก (+) และในอะตอมของธาตุที่มีอิเล้กตรอนจำนวนมาก  อิเล็กตรอนเหล่านั้นจักตัวอย่างไร   จึงไม่เกิดการผลักกันหรือวิ่งชนกัน   กิจกรรม 5.2 จะทำให้นักเรียนเข้าใจและหาคำตอบของปัญหาดังกล่าวได้

กิจกรรม 5.2
แรงยึดเหนี่ยวรัหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส
1.   นำลูกเหล็กลักษณะกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 mm จำนวนประมาณ 100 ลูก ใส่ลงในถ้วยพลาสติกใส
2.   จุ่มปลายด้านหนึ่งของแท่งแม่เหล็กลงในถ้วยบรรจุลูกเหล็ก
3.   ยกแท่งแม่เหล็กขึ้นจากถ้วย   สังเกตการเกาะของลูกเหล็กบนแท่งแม่เหล็ก
4.   ค่อยๆ ใช้มือแกะลูกเหล็กออก   โดยเริ่มจากลูกเหล็กที่อยู่นอกสุดจนถึงลูกเหล็กลูกสุดท้าย   พร้อมทั้งสังเกตแรงที่ต้องใช้ในการแกะลูกเหล็กเหล่านั้น
5.   สรุปผลที่ได้และอธิบาย
 


ผลของแรงระหว่างแท่งแม่เหล็กกับลูกเหล็ก


           การที่อิเล็กตรอนในอะตอมของแต่ละธาตุไม่ได้อยู่นิ่ง  แต่เคลื่อนที่ในรูปแบบต่างๆ รอบนิวเคลียส ทำให้เกิดแรงกระทำชนิดต่างๆ ระหว่างมวลเหล่านั้น ซึ่งแรงดังกล่าวสมดุลกันพอดี   ทำให้อิเล็กตรอนและนิวเคลียสอยู่ร่วมกันได้ในสภาพดังกล่าว   เช่นเดียวกับแรงที่เกิดขึ้นระหว่างมวลของดวงดาวต่างๆ ในระบบสุริยะจักรวาล สงผลให้ดวงจันทร์โคจรรอบโลกและโลกโคจรอยู่รอบดวงอาทิตย์ได้


 
การโคจรของดวงดาวในระบบสุริยะ


           จากกิจกรรม 5.2 นักเรียนจะได้ข้อมูล 2 อย่าง 1) ลูกเหล็กกลมที่อยู่นอกสุดจะหลุดร่วงได้ง่ายกว่าลูกเหล็กกลมที่อยู่ใกล้กับขั้วแม่เหล็ก โดยเฉพาะลูกเหล็กกลมที่ติดกับแม่เหล็กจะมีแรงดึงดูดมากที่สุด 2) จำนวนลูกเหล็กกลมที่ติดกับขั้วแม่เหล็กจะมีน้อยที่สุด ถัดจากชั้นในสุดออกมามีลูกเหล็กกลมเกาะอยู่มากขึ้นตามลำดับ


         พลังงานของอิเล็กตรอนเผ็นพลังงานจลน์   ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน   ซึ่งมีค่าแปรผันตรงกับระยะห่างอินเล็กตรอนและนิวเคลียส   ส่วนแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสเป็นแรงดึงดูดระหว่างประจุบวกของนิวเคลียสกับประจุลบของอิเล็กตรอน  ซึ่งแปรผกผันกับระยะระหว่างประจุทั้งสอง



           สำหรับธาตุที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมาก   แรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุ(-) กับนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวก(+) คล้ายกับแรงดึงดูดระหว่างขั้วแม่เหล็กกับลูกเหล็กลมคือ 1)   แรงยึดเหนี่ยวที่เกิดจากนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้จะมากกว่าแรงที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่อยู่ไกลออกไป  และ 2) อิเล็กตรอนเหล่านั้นจะจัดตัวอยู่ในวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสเป็นระยะต่างกัน   วงโคจรที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะมีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยสุด   เมื่อห่างออกไปจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากขึ้น   นักเรียนจะพบต่อไปว่า จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละวงโคจรนี้เท่ากับจำนวนธาตุต่อไปว่า จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละวงโคจรนีเท่ากับจำนวนธาตุในแต่ละคาบของตารางธาตุซึ่งจะกล่าวในหัวข้อ 5.3
           กล่าวโดยสรุปได้ว่า   อิเล็กตรอนจำนวนมากในแต่ละอะตอมอยู่ร่วมกันได้   เพราะอิเล็กตรอนเหล่านั้นเคลื่อนอยู่ในวงโคจรต่างกัน   อิเล็กตรอนในวงโคจรที่ใกล้นิวเคลียส มี จำนวน และ พลังงาน น้อยกว่าที่อยู่ไกลออกไป   อิเล็กตรอนในวงโคจรที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดมีพลังงานน้อยที่สุด   เรียกวงโคจรของอิเล็กตรอนที่มีวงโคจรน้อยที่สุดว่า ระดับพลังงานที่ 1 ซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่ได้มากที่สุดเพียง 2 อนุภาคเท่านั้น ส่วนพลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสออกไปจะมีค่ามากขึ้นและเรียกว่า ระดับพลังงานที่ 2, 3, 4, … ตามลำดับ   ซึ่งมีจำนวนอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเท่ากับ 8, 18, 32,… อนุภาคตามลำดับ ตาราง 5.2 แสดงการจัดตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุบางชนิด


         จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่จะมีได้ในแต่ละระดับพลังงานเท่ากับ \displaystyle 2n^2
n =  ระดับพลังงาน


ตาราง 5.2 การจัดตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุบางชนิ 

ชื่อธาตุ สัญลักษณ์ เลขอะตอม

จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน

 

ระดับที่ 1 (2) ระดับที่ 2(8) ระดับที่ 3 (18) ระดับที่ 4 (32)
ฮิเลียน \displaystyle{}_2^4He 2 2 - -  
ลิเทียน

\displaystyle   {}_3^7 Li

3 2 1* -  
คาร์บอน

\displaystyle   {}_6^{12} C

6 2 4* -  
โซเดียม

\displaystyle   {}_{11}^{23} Na

11 2 8 1*  
กำมะถัน

\displaystyle   {}_{16}^{32} S

16 2 8 6*  

 *   จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังานนอกสุด
( )   จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุด
 


ภาพ 5.3 แบบจำลองอะตอมชนิดโครงสร้างลายเส้นของธาตุ ก) He ข) C ค) S


           จากตาราง 5.2 และภาพ 5.3 นักเรียนจะเห็นว่าฮีเลียมมี 2 อิเล็กตรอน จึงเคลื่อนที่อยู่ในระดับพลังงานที่ 1
ลิเทียมมี 3 อิเล็กตรอน ซึ่ง 2 อิเล็กตรอนแรกเคลื่อนที่อยู่ในระดับพลังงานที่ 1 ส่วนอีก 1 อิเล็กตรอนเคลื่อนอยู่ในระดับพลังงานที่ 2 โซเดียมมี 11 อิเล็กตรอน โดยมี 2 อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานที่ 1 อีก 8 อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานที่ 2 และอิเล็กตรอนสุดท้ายอยู่ในระดับพลังงานที่ 3 เช่นเดียวกับกำมะถันซึ่งมี 16 อิเล็กตรอน ก็จะมี 6 อิเล็กตรอน เคลื่อนอยู่ในระดับพลังงานที่ 3 เป็นต้น   จะเห็นว่าจำนวนอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของ Li, C, Na และ S เป็น 1, 4, 1 และ 6 ตามลำดับ   เรียกอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานชั้นนอกสุดนี้ว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน

กิจกรรม5.3 การจัดตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุบางชนิด  
           ให้นักเรียนเติมจำนวนอิเล็กตรอนในตำแหน่งที่ว่างลงในตารางต่อไปนี้

 

เวเลนซ์อิเล็กตรอนมีความสำคัญและสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุในตารางธาตุอย่างไร   นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป