โครงสร้างอะตอม

อะตอม

อะตอม มีความหมายตามรากศัพท์ว่าแบ่งแยกไม่ได้เพราะในอดีตที่ตั้งชื่อคำนี้ขึ้นมาเชื่อว่าอะตอมเป็นสิ่งที่เล็กที่สุดแล้ว แม้ว่าอะตอมเป็นโครงสร้างขนาดเล็กมากมองด้วยตาเปล่าไม่เห็นในปัจจุบันเราทราบว่าอะตอมนั้นประกอบขึ้นจากอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม อะตอมพบได้สสารทุกชนิดและเป็นรากฐานของการศึกษาวิชาเคมีและฟิสิกส์ อะตอมแต่ละชนิดมีชื่อเรียกต่างกันไปตามจำนวนอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นอะตอมนั้น รายชื่อเรียกอะตอมมีจัดทำขึ้นเป็นตารางเรียกว่าตารางธาตุ

แบบจำลองอะตอมของฮีเลียม (ไม่ใช่อัตราส่วนจริง)ภาพนิวเคลียสซึ่งมีโปรตอน 2 ตัว (สีแดง)
นิวตรอน 2 ตัว (สีเขียว) และ กลุ่มควันแสดงความน่าจะเป็นของตำแหน่ง (สีเทา)ของอิเล็กตรอน (สีเหลือง)

อิเล็กตรอน
อิเล็กตรอน (Electron) เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบวิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียส โดยปกติ จำนวน อิเล็กตรอน ในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีเท่ากับจำนวน โปรตอน เช่น ไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว ฮีเลียมมีโปรตอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว
โปรตอน
โปรตอน (Proton) คืออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกอยู่ในนิวเคลียสหรือใจกลางของธาตุ ธาตุเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน นิวตรอน
นิวตรอน (Neutron) เป็นอนุภาคที่เป็นกลางไม่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในนิวเคลียสมีจำนวนใกล้เคียงกับโปรตอนแต่อาจแตกต่างกัน

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

อะตอมมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบ อะตอมโดยปกติอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งทำให้ทั้งสองประจุนี้มีจำนวนเท่ากันและกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอภายในอะตอม โดยมีการจัดเรียงที่ทำให้อะตอมมีสภาพเสถียรมากที่สุด




แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

อะตอมจะประกอบด้วย กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส โดยมีทิศทางไม่แน่นอน โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนบริเวณใกล้นิวเคลียสมีมากกว่าบริเวณที่อยู่ห่างจากนิวเคลียส

แบบจำลองอะตอมของโบร์

1. อิเล็กตรอนจะวิ่งวนเป็นวงกลมรอบนิวเคลียส โดยมีวงโคจรบางวงที่มีอิเล็กตรอนไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในวงโคจรดังกล่าว
2. อิเล็กตรอนจะรับหรือปล่อยพลังงานออกมา เมื่อมีการเปลี่ยนวงโคจรที่กล่าวในข้อที่ 1 พลังงานที่อิเล็กตรอนรับหรือปล่อยออกมาจะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า


แบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด

อะตอมมีลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลางเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นที่ว่างเปล่า

แบบจำลองอะตอมของซัมเมอร์ฟิลด์

แบบจำลองอะตอมของซัมเมอร์ฟิลด์ (Summerfield) กล่าวว่า "อิเล็กตรอนจะโคจรรอบนิวเคลียส ซึ่งวงแรกจะเป็นทรงกลม วงต่อๆไปจะเป็นวงรี"

ชนิดของอนุภาคมูลฐานของอะตอม
ทุกอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สำคัญคือ โปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอน โดยมีโปรตอนกับนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียส นิวเคลียสนี้จะครอบครองเนื้อที่ภายในอะตอมเพียงเล็กน้อย และมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วสูง คล้ายกับมีกลุ่มประจุลบปกคลุมอยู่โดยรอบ


ประจุ ( หน่วย) ประจุ (C) มวล (g) มวล (amu)

อิเล็กตรอน -1 1.6 x 10 -19 0.000549 9.1096 x 10 -28
โปรตอน +1 1.6 x 10 -19 1.007277 1.6726 x 10 -24
นิวตรอน 0 0 1.008665 1.6749 x 10 -24

อิเล็กตรอน (Electron) สัญลักษณ์ e - มีแระจุลบ และมีมวลน้อยมากโปรตอน สัญลักษณ์ p + มีประจุเป็นบวก และมีมวลมากกว่า อิเล็กตรอน ( เกือบ 2,000 เท่า)' นิวตรอน สัญลักษณ์ n มีประจุเป็นศูนย์ และมีมวลมากพอๆ กับโปรตอน

เลขอะตอม เลขมวล และสัญลักษณ์นิวเคลียร์
1. จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเรียกว่า เลขอะตอม (atomic number, Z)2. ผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเรียกว่า เลขมวล (mass number, A) A = Z + N โดยที่ N เป็นจำนวนนิวตรอน( เลขเชิงมวลจะเป็นจำนวนเต็มและมีค่าใกล้เคียงกับมวลของอะตอม)

การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์
เขียน (A) ไว้ข้างบนด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุเขียน (Z) ไว้ข้างล่างด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุX = สัญลักษณ์ของธาตุ

คำศัพท์ที่ควรทราบ
ไอโซโทป ( Isotope ) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน ไอโซบาร์ ( Isobar ) หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีเลขอะตอมไม่เท่ากัน ไอโซโทน ( Isotone ) หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันแต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน

ดังนั้น อะตอมของธาตุลิเทียม ( Li )มีจำนวนโปรตอน = 3 ตัวอิเล็กตรอน = 3 ตัวและนิวตรอน = 4 ตัว

หลักในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
1. อิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสนั้น จะอยู่กันเป็นชั้นๆตามระดับพลังงาน ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด ( ชั้น K) จะมีพลังงานต่ำที่สุด และอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นถัดออกมาจะมีพลังงานสูงขึ้นๆ ตามลำดับ พลังงานของอิเล็กตรอนของระดับชั้นพลังงาน K < n =" เลขชั้น" k="1,L="2,M="3,N="4,O="5,P="6" q="7" 2 =" 2" 2 =" 2x1" 2 =" 2" 2 =" 2x16">

ระดับพลังงาน จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุด
n = 1 (K) 2(1) 2 = 2
n = 2 (L) 2(2) 2 = 8
n = 3 (M) 2(3) 2 = 18
n = 4 (N) 2(4) 2 = 32
n = 5 (O) 2(5) 2 = 32 ( 32 คือ เลขมากสุดที่เป็นไปได้ )
n = 6 (P) 2(6) 2 = 32
n = 7 (Q) 2(7) 2 = 32
จะเห็นว่ากฎออกเตตมีข้อด้อย คือ เมื่อระดับพลังงานมากกว่า n = 4 จะใช้ไม่ได้ อย่างไรก็ตามในธาตุ 20 ธาตุแรก สามารถใช้การจัดเรียงอิเล็กตรอนตามกฎออกเตตได้ดี
3. ในแต่ละระดับชั้นพลังงาน จะมีระดับพลังงานชั้นย่อยได้ ไม่เกิน 4 ชั้นย่อย และมีชื่อเรียกชั้นย่อย ดังนี้ s , p , d , f
ในแต่ละชั้นย่อย จะมีจำนวน e - ได้ ไม่เกิน ดังนี้
ระดับพลังงานชั้นย่อย s มี e - ได้ ไม่เกิน 2 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย p มี e - ได้ ไม่เกิน 6 ตัวระดับพลังงานชั้นย่อย d มี e - ได้ ไม่เกิน 10 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย f มี e - ได้ไม่เกิน 14 ตัว เขียนเป็น s 2 p 6 d 10 f 14

จัดเรียงอิเล็กตรอนตามลูกศร ดังรูป

ตัวอย่าง จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ คัลเซียม ( Ca )ธาตุ Ca มีเลขอะตอม = 20 แสดงว่ามี p = 20 และมี e- = 20 ตัว
การจัดเรียง e- ของธาตุ Ca = 2 , 8 , 8 , 2มีแผนผังการจัดเรียง e- ดังนี้ Ca มีจำนวน e- ในระดับพลังงานชั้นนอกสุด = 2 ตัว จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence electron) ดังนั้น Ca มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 2 ดังรูป