กว่าที่มนุษย์เราจะรู้หน้าตาของอะตอม (ต่อ)
จากปัญหาที่ไม่สามารถตอบได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ในปี ค.ศ.1915 Niels Bohr ได้เสนอแบบจำลองอะตอมโดยนำแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดมาคิดต่อ ซึ่งเขาได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยู่รอบๆนิวเคลียสจะเคลื่อนที่เป็นวงโคจรคล้ายกับดาวเคราะห์ที่เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ โดยพลังงานของอิเล็กตรอนจะขึ้นอยู่กับขนาดของวงโคจร ยิ่งวงโคจรต่ำพลังงานก็จะต่ำด้วย
นอกจากนี้บอห์รยังอธิบายด้วยว่าอิเล็กตรอนสามารถดูดกลืนหรือคายพลังงานในรูปแสง เมื่อมีการเคลื่อนที่ระหว่างระดับพลังงานจากต่ำไปสูงหรือสูงไปต่ำ
แบบจำลองอะตอมของนีลส์ โบห์ร
แบบจำลองนี้เป็นแบบจำลองที่บอห์รคิดต่อจากรัทเทอร์ฟอร์ด ดังนั้นบางครั้งจึงเรียกว่า Rutherford-Bohr Model โดยแบบจำลองนี้เป็นแบบจำลองที่สามารถอธิบายสิ่งต่างๆเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก ที่สำคัญคือไม่ใช้คณิตศาสตร์ขั้นสูงใดๆทั้งสิ้น การคำนวณของบอหร์ใช้ 3 สมการหลัก ได้แก่
1. พลังงานรวมของอิเล็กตรอน = พลังงานจลน์ + พลังงานศักย์(ไฟฟ้าสถิต)
2. แรงลัพธ์ = 0 = แรงหนีศูนย์กลาง + แรงดึงดูดทางไฟฟ้า
3. โมเมนตัมเชิงมุม = n*(h/2pi) โดยที่ n=1,2,3,...
(สมการที่ 3 เป็นสมมติฐานของบอห์ร)
จาก 3 สมการนี้เขาอาศัยหลักการย้ายข้างสมการ รวมสมการ และสามารถคำนวณพลังงานที่อิเล็กตรอนดูดกลืนหรือคายเมื่อเคลื่อนที่เปลี่ยนระดับพลังงาน แต่เนื่องจากบอหร์คำนวณโดยใช้สภาวะแบบอะตอมไฮโดรเจนนั่นก็คือมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ดังนั้นสมการของบอหร์จึงใช้ได้กับระบบที่มี 1 อิเล็กตรอนเท่านั้น (รวมถึง He+,Li2+,... ด้วย)
ปัญหาของแบบจำลองนี้ก็คือ
1. ขัดหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กที่กล่าวว่าอนุภาคที่เล็กระดับอิเล็กตรอนเราจะไม่สามารถรู้ตำแหน่งและโมเมนตัมของมันในเวลาเดียวกันได้ ซึ่งการคำนวณของบอหร์ทำให้เรารู้ตำแหน่ง(รัศมีวงโคจร) และโมเมนตัมของมัน ตามหลักของกลศาสตร์ควอนตัมแล้วมันเป็นไปไม่ได้
2. การคำนวณจะมีความคลาดเลื่อนเพิ่มขึ้นเมื่อใช้กับธาตุที่มีเลขอะตอมสูงๆ ถึงแม้จะมี 1 อิเล็กตรอนก็ตาม
และอีกข้อสำคัญที่แยกมาก็คือ มีผลการทดลองที่แสดงให้เห็นการแยกของเส้นสเป็กตรัมของอิเล็กตรอนระดับพลังงานเดียวกัน ง่ายๆก็คืออิเล็กตรอนระดับพลังงานเดียวกันควรจะเห็นเส้นสเปคตรัมเป็นเส้นเดียว แต่กลับมีการแยกกันของระดับพลังงาน เช่น n=2 มีอิเล็กตรอน 8 ตัว ควรที่จะพลังงานเท่ากัน 8 ตัว ตามแบบจำลองของบอห์ร แต่กลับมีพลังงานไม่เท่ากันทั้งหมด
ซึ่งต่อมาจากที่มีความคิดเกี่ยวกับการที่แสงเป็นอนุภาค ก็เลยมีคนคิดว่า แล้วถ้าอิเล็กตรอนที่เป็นอนุภาคจะมีความเป็นคลื่นได้ไหม De Broglie ได้ทำการคิดให้อิเล็กตรอนเป็นคลื่นและผลที่ได้คือสมการไปตรงกับสมการที่ 3 ซึ่งเป็นสมมติฐานของ Niels Bohr
ดังนั้นต่อมาจึงได้มีการคำนวณโดยที่กำหนดให้อิเล็กตรอนเป็นคลื่น ซึ่งผู้ที่คำนวณออกมาโดยใช้การคำนวณที่ซับซ้อนและยากมาก ก็คือ Scrödinger
โดยเมื่อกำหนดฟังก์ชั่นคลื่นของอิเล็กตรอนขึ้นมา พบว่าเราจะต้องใช้ความน่าจะเป็นในการบ่งบอกตำแหน่งของอิเล็กตรอน ซึ่งตรงกับหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก คือเราจะไม่สามารถรู้ตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ แต่บอกได้เพียงว่าเรามีโอกาสที่จะพบมันตรงไหนบ้าง
ซึ่งภายหลังก็ได้พบว่า ขนาดรัศมีของอะตอมไฮโดรเจนที่บอห์รคำนวณได้นั้น เป็น rmp (most probability radius) หรือว่าเป็นขนาดรัศมีที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากที่สุดนั่นเอง
นอกจากนี้ ปัญหาเรื่องการแยกของระดับพลังงานก็ถูกคลี่คลายจากสมการคลื่น โดยสมการคลื่นที่ใช้ระบุตำแหน่งของอิเล็กตรอนจะแบ่งเป็นสองส่วน ได้แก่ รัศมี และมุม โดยจะพบว่าระดับพลังงาน n=1 ฟังก์ชั่นคลื่นของอิเล็กตรอนจะขึ้นอยู่กับรัศมีเพียงอย่างเดียว ดังนั้นหน้าตาของบริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอน หรือว่า ออร์บิทัล จึงเป็นทรงกลม ซึ่งมีการเรียกบริเวณ หรือออร์บิทัลนี้ว่า 1s
หน้าตาของ 1s-orbital
แต่สำหรับระดับพลังงานตั้งแต่ n=2 ขึ้นไปฟังก์ชั่นคลื่นของอิเล็กตรอนจะขึ้นอยู่กับทั้งมุมและรัศมี ดังนั้นรูปร่างของออร์บิทัลจึงมีโอกาสที่จะเป็นรูปอื่นที่ไม่ใช่ทรงกลม และด้วยรูปร่างที่ต่างกันจึงเกิดความแตกต่างของพลังงานในชั้นเดียวกัน โดยออร์บิทัลที่ขึ้นอยู่กับมุมและรัศมีจะเรียกว่า p-orbitals, d-orbitals, f-orbitals ตัวอย่างเช่น ในระดับพลังงาน n=2 จะมีทั้ง 2s-orbital และ 2p-orbital ดังนั้นจึงมีความแตกต่างกันของพลังงาน
รูปร่างของออร์บิทัลต่างๆ
การเข้าใจถึงพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในรูปแบบคลื่น ส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าในเรื่องของกลศาสตร์ควอนตัมมาก ซึ่งทำให้เราเห็นความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์ทั่วไปกับฟิสิกส์ควอนตัม
แบบจำลองกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน
และในที่สุดมนุษย์เราก็รู้จักหน้าตาของอะตอมที่เป็นที่เข้าใจกันจนถึงปัจจุบันนี้ ซึ่งก็ยังไม่พบข้อขัดแย้งใดๆจากแบบจำลองกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน
- 25
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
