โครงสร้างอะตอม

นักปราชญ์ชาวกรีกชื่อดิโมคริตุส (Demokritos) ได้ให้แนวคิดไว้ว่า หน่วยย่อยที่เล็กที่สุดของสารคือ อะตอม ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงไปได้อีก

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับอะตอมและแปลผลจากข้อมูลที่ได้จากการทดลองนำมาสร้างเป็นมโนภาพหรือแบบจำลอง ซึ่งมีการพัฒนาตามลำดับดังนี้

1.1แบบจำลองอะตอมของดาลตัน

   จอห์นดาลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่ง ๆ ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้ 

1.  ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ หลายอนุภาค  อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้

2.  อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน เช่น มีมวลเท่ากัน แต่จะมีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น

3.  สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ

รูปที่ 1  แบบจำลองอะตอมของดาลตัน

ที่มา :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

      

     นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาได้ศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นพบว่าข้อมูลบางประการไม่สอดคล้องกับดาลตัน เช่น อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน อาจมีมวล แตกต่างกันได้  และอะตอมสามารถแบ่งแยกได้ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเพิ่มเติม และจึงได้พัฒนาแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่ 

1.2 แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

         1.2.1 หลอดรังสีแคโทด

               นักวิทยาศาสตร์ศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊สโดยผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าสูงเข้าไปในหลอดแก้วที่บรรจุแก๊สความดันต่ำ  ปรากฏว่าจะเกิดรังสีพุ่งออกจากแคโทดไปยังแอโนด เรียกรังสีชนิดนี้ว่า รังสีแคโทด  และเรียกหลอดแก้วนี้ว่า หลอดรังสีแคโทด ดังแสดงในรูปที่ 2

                              รูปที่ 2  หลอดรังสีแคโทด

                                            ที่มา :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

         

          1.2.2  หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลงแล้ว

           ทอมสันได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมจำนวนมาก  โดยดัดแปลงลักษณะของหลอดรังสีแคโทดจากเดิมเล็กน้อย เช่น มีการเติมฉากเรืองแสงไว้ในหลอดรังสีด้วยดังในรูปที่ 3และทอมสันได้นำผลการทดลองในลักษณะต่าง ๆ มาสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม โดยทำเป็นขั้น ๆ ดังนี้   

รูปที่ 3  หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลงแล้ว                                         

                             ที่มา :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

           ผลการทดลองของทอมสันพบว่า ในตอนแรกความดันในหลอดแก้วมีมาก  จะยังไม่เห็น

1)  บรรจุแก๊สชนิดหนึ่งในหลอดรังสีแคโทด  ที่ขั้วแอโนด และขั้วแคโทด ต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูงที่ขั้วแอโนดเจาะรูเล็ก ๆ ตรงกลาง และ  ปลายด้านหนึ่งของหลอดรังสีมีฉากเรืองแสง (ทำด้วย ZnS) วางไว้  นำหลอดรังสีนี้ต่อเข้ากับเครื่องสูบสูญอากาศการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ฉากเรืองแสง แม้ว่าจะใช้ศักย์ไฟฟ้าสูง ๆ  ก็ตาม  ต่อเมื่อลดความดันในหลอดแก้วให้ต่ำลงมาก ๆ  จนเกือบเป็นสุญญากาศ จะมีจุดสว่างเกิดขึ้นที่ฉากเรืองแสง บริเวณที่ตรงกับรูที่เจาะไว้ที่แอโนด

                2) เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ  และต้องการจะทราบว่าประจุไฟฟ้าที่มากระทบฉากเรืองแสง  เป็นประจุบวกหรือประจุลบ  ทอมสันจึงทดลองต่อไปโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย  โดยยึดหลักว่า อนุภาคที่มีประจุจะต้องเกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า  ถ้าอนุภาคนั้นมีประจุบวกจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า และถ้ามีประจุลบจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก ทั้งนี้ศึกษาการเบี่ยงเบนได้จากฉากเรืองแสง  ดังรูปภาพที่ 4

                                          รูปที่ 4  หลอดรังสีแคโทดที่มีการต่อสนามไฟฟ้าภายนอกเข้าไป

                                          ที่มา  :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

             

       จากการทดลองพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง  เบนไปจากตำแหน่งเดิม  คือเบี่ยงเบนขึ้นสู่ด้านบน  ซึ่งถ้าลากเส้นจากขั้วไฟฟ้าจะเห็นว่ารังสีนั้นเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า  แสดงว่ารังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุจึงเกิดการเบี่ยงเบนขึ้น ดังรูปที่ 5

         การที่แนวของรังสีเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า  ก็แสดงว่ารังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ  

                 รูปที่ 5  แนวของรังสีแคโทดเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า 

                                                        ซึ่งสังเกตได้จากจุดสว่างที่อยู่ตำแหน่งบนของฉากเรืองแสง

                                          ที่มา  :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

เมื่อทดลองถึงขั้นนี้ ทำให้ทอมสันตั้งสมมติฐานว่า อะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่ส่วนหนึ่งมีประจุลบ แต่ยังไม่ทราบว่าอนุภาคที่มีประจุลบเหล่านี้เกิดจากแก๊สในหลอดรังสีหรือเกิดจากขั้วไฟฟ้า  และไม่ทราบว่ารังสีแคโทดนี้จะเหมือนกันหรือไม่  จะประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่  และถ้าใช้แก๊สต่างชนิดกันจะมีลักษณะเหมือนหรือต่างกันอย่างไร

                3)  ทอมสันศึกษาสมบัติของรังสีแคโทดต่อไป โดยหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสีนั้น ทั้งนี้อาศัยหลักที่ว่านอกจากรังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนได้ในสนามไฟฟ้าแล้ว  ยังสามารถเบี่ยงเบนได้ในสนามแม่เหล็กด้วย

                ในตอนแรกทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนแก๊สชนิดต่าง ๆ ในหลอดรังสีแคโทดแล้วทดลองในทำนองเดียวกัน  ปรากฏว่าได้ผลการทดลองเหมือนเดิม  และเมื่อลองเปลี่ยนชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ทำแคโทดก็ยังคงพบว่า ยังได้ผลการทดลองเหมือนเดิมอีกเช่นกัน คือจะมีรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมาที่ฉากเรืองแสง  และรังสีเกิดการเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จึงทำให้ไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าอนุภาคที่มีประจุลบนั้นเป็นอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่

                ทอมสันจึงได้ทดลองต่อไปอีก โดยนำหลอดรังสีวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ทั้งนี้ในทิศทางของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าดังในรูปที่ 6

รูปที่ 6 การเพิ่มสนามแม่เหล็กเข้าไปในการทดลองของทอมสัน

                                ที่มา :  Ebbing and Gammon  (2007 : 45)

                ในช่วงแรกที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป จุดสว่างบนฉากเรืองแสง จะเบี่ยงเบนขึ้นด้านบน เมื่อใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป และเพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กทีละน้อยจะพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสงค่อย ๆ  มีการเบี่ยงเบนน้อยลง คือจุดเรืองแสงค่อย ๆ  กลับมาสู่ตำแหน่งเดิมเหมือนตอน ที่ไม่มีสนามไฟฟ้า

                ผลจากการทดลองดังกล่าวแสดงว่าในขณะนี้ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความแรงของสนามแม่เหล็ก จุดสว่างบนฉากเรืองแสงจึงไม่มีการเบี่ยงเบน

                เมื่อนำความแรงของสนามไฟฟ้า  และความแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคลบมาคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคลบนั้น ปรากฏว่าได้ค่าคงที่เท่ากันทุกครั้ง ไม่ว่าทอมสันจะใช้แก๊สชนิดใด หรือไม่ว่าจะใช้โลหะใดเป็นแคโทด คือได้

             จากผลการทดลอง และผลการคำนวณ ทำให้ทอมสันสรุปว่า  “ อนุภาคลบในรังสีแคโทดจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน และอะตอมทุกชนิดย่อมจะมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบเหมือนกัน และเรียกอนุภาคลบนี้ว่า อิเล็กตรอน ”

               1.2.3  การค้นพบโปรตอน

                            เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอมจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ด้วย

                            ออยเกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด  โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดเล็กน้อย ดังรูปที่ 7

                                                              ข                                          ก

                                         รูปที่ 7  การทดลองของโกลด์สไตน์

                                          ที่มา  :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

                โกลด์สไตน์ได้เลื่อนขั้วแคโทดและแอโนดมาไว้เกือบตรงกลาง แล้วเพิ่มฉากเรืองแสง ข  ที่ปลายด้านหนึ่งของหลอดแก้ว (ซ้ายมือ) โดยคิดว่าการที่อนุภาคที่มีประจุลบสามารถเคลื่อนที่ผ่านขั้วแอโนดไปที่ฉากเรืองแสง ก. ได้อนุภาคที่มีประจุบวกก็ควรจะเคลื่อนที่ผ่านแคโทดไปที่ฉากเรืองแสง ข ได้ เช่นเดียวกัน  ดังนั้นจึงเจาะรูตรงกลางของขั้วแอโนดและแคโทดไว้  จากการทดลองเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งบนฉากเรืองแสง ก  และ  ข   ซึ่ง โกลด์สไตน์ อธิบายว่า จุดสว่างที่เกิดขึ้นบนฉากเรืองแสง ข  จะต้องเกิดจากรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทดไปยังฉากเรืองแสง แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซหรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า  และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่

                จากการทดลองหลาย ๆ  ครั้งโดยการเปลี่ยนชนิดของแก๊สในหลอดแก้ว  ปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนของประจุต่อมวลไม่เท่ากัน  ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สที่ใช้  และเมื่อทดลองโดยเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าหลาย ๆ  ชนิด  แต่ใช้ในหลอดแก้วชนิดเดียวกัน  ปรากฏว่าผลการทดลองได้อัตราส่วนของประจุต่อมวลเท่ากัน  แสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากแก๊ส ไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า

                ต่อมาโกลด์สไตน์ได้พบว่าถ้าทำการทดลองโดยใช้แก๊สไฮโดรเจน จะได้อนุภาคที่มีจำนวนประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน และเรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนว่า โปรตอน  อะตอมของแก๊สไฮโดรเจนจะมี 1 โปรตอน และอะตอมของธาตุอื่น ๆ อนุภาคบวกจะมีมากกว่า 1 โปรตอน แต่จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน

จากผลการทดลองที่ผ่านมา  ทั้งของทอมสันและของโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยว   กับอะตอมมากขั้น  จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมดังนี้

“ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม  ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวก และอนุภาค

อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอในอะตอม  อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ”

รูปที่ 8   แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

ที่มา  :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

                1.2.4  การหาค่าประจุของอิเล็กตรอน

                            ใน พ.ศ. 2451  โรเบิร์ต  แอนดูรส์ มิลลิแกน  (Robert Andrews Millikan) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยใช้การทดลองที่เรียกว่า “Oil drop Experiment ”

                       เครื่องมือประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว ต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ขั้วไฟฟ้าบนเป็นขั้วบวก และขั้วไฟฟ้าด้านล่างเป็นขั้วลบ  ขั้วไฟฟ้าทั้ง 2 ใส่ไว้ในกล่องมีอากาศอยู่ภายใน

                       เมื่อพ่นหยดน้ำมันเม็ดเล็ก ๆ เข้าไประหว่าง    ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง  เนื่องจากน้ำมันแต่ละหยดมีมวล ดังนั้นจึงถูกแรงดึงดูดของโลกทำให้ตกลงมาสู่ด้านล่าง 

                       ในขณะที่เม็ดน้ำมันยังไม่มีประจุไฟฟ้า การที่จะบังคับให้เคลื่อนที่ขึ้นลงจึงยังทำไม่ได้  ดังนั้นในตอนแรกจึงต้องเติมประจุลงบนหยดน้ำมันก่อนโดยการฉายรังสีเอ็กซ์ (X-ray) เข้าไป  รังสีเอ็กซ์จะไปชนกับอากาศในกล่อง ทำให้อะตอมของอากาศเกิดการแตกตัว

                                รูปที่ 9  การทดลอง Oil drop Experiment

                                           ที่มา  :  Ebbing and Gammon (2007 : 45)

            ในปี พ.ศ. 2454 รัทเทอร์ฟอร์ด  ได้ทำการทดลองในประเทศอังกฤษร่วมกับ ฮันส์ ไกเกอร์ และ เออร์เนสต์ มาร์สเตน  ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา  เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งได้จากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีเข้าไปที่แผ่นทองคำบาง ๆ ดังรูปที่ 10

                                รูปที่ 10  การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

                                ที่มา  :  Ebbing and Gammon  (2007 : 46)

                การตรวจสอบทิศทางการ   เคลื่อนที่ของอนุภาคหลังจากกระทบแผ่นทองคำแล้ว  ทำได้โดยใช้ฉากเรืองแสงขดเป็นวงกลมล้อมรอบแผ่นทองคำไว้  โดยเว้นที่เฉพาะบริเวณที่จะให้อนุภาคแอลฟาผ่านเข้ามาเท่านั้น ทุก ๆ ครั้งที่อนุภาคแอลฟากระทบฉากเรืองแสงจะพบว่ามีจุดสว่าง เกิดขึ้นที่ฉากเรืองแสงนั้น(อนุภาคแอลฟาคือนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม ซึ่งมีประจุบวก ดังนั้นเมื่อกระทบฉากเรืองแสงจึงมีจุดสว่างเกิดขึ้น ทำให้ทราบทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา)  จากการทดลองพบว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะวิ่งเป็นแนวเส้นตรงผ่านแผ่นทองคำไปกระทบฉากเรืองแสงซึ่งก็คือบริเวณจุด ก  ที่อยู่หลังแผ่นทองคำบางส่วนจะเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรง  คือบริเวณจุด ข  ของฉากเรืองแสง และมีน้อยครั้งมากที่อนุภาคสะท้อนกลับมากระทบฉากเรืองแสงที่จุด ค  ซึ่งอยู่หน้าแผ่นทองคำ

                จากผลการทดลองทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดแปลกใจมาก เพราะถ้านำแบบจำลองอะตอมของทอมสันอธิบายทิศทางที่น่าจะเกิดขึ้น เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นทองคำ อนุภาคส่วนใหญ่ควรจะเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรง ทั้งเพราะตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน อะตอมประกอบด้วยอนุภาคบวก และลบ กระจายอยู่ทั่วไปในอะตอม  เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกเข้าไปในอะตอมของแผ่นทองคำ  อนุภาคแอลฟาควรจะผลักกับโปรตอนซึ่งมีประจุบวกเหมือนกัน  อันจะเป็นผลทำให้ทิศทางของอนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนดังในรูป  แต่จากผลการทดลอง การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่วิ่งผ่านทองคำเป็นแนวเส้นตรงจึงทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดแปลกใจมาก โดยเฉพาะอนุภาคแอลฟาส่วนที่สะท้อนกลับยิ่งทำให้แปลกใจมากยิ่งขึ้น ทั้งนี้เพราะการที่อนุภาคแอลฟาสะท้อนกลับได้แสดงว่าภายในอะตอมจะต้องมีสิ่งที่มีมวลมากขวางทางอยู่ เมื่ออนุภาคแอลฟาไปชนจึงเกิดการสะท้อนกลับ  แต่จากแบบจำลองอะตอมของทอมสันภายในอะตอม ไม่มีสิ่งหนึ่งสิ่งใดอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนเลย  ดังนั้นการสะท้อนกลับของอนุภาคแอลฟาเป็นมุมมากกว่า 90 องศา  จึงไม่มีทางเกิดขึ้นได้  จากการที่แบบจำลองของทอมสันไม่สามารถอธิบายผลการทดลองได้ ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดคิดว่าแบบจำลองอะตอมของทอมสันยังไม่ถูกต้อง จึงเสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ขึ้นมาเพื่อใช้อธิบายผลการทดลองดังกล่าว 

                                รูปที่ 11  แบบจำลองที่สร้างขึ้นเพื่อการอธิบายของรัทเทอร์ฟอรด์

                                ที่มา  :  Ebbing and Gammon  (2007 : 47)

                การที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่เคลื่อนที่ผ่านอะตอมของทองคำเป็นแนวเส้นตรง  แสดงว่าภายในอะตอมทองคำควรจะมีที่ว่างเป็นจำนวนมาก และการที่อนุภาคแอลฟาบางส่วนสะท้อนกลับแสดงว่าภายในอะตอมควรจะมีอนุภาคอะไรสักอย่างที่รวมกันเป็นกลุ่มก้อน และมีปริมาณมากพอ รวมทั้ง มีมวลมากพอที่จะทำให้อนุภาคสะท้อนกลับเมื่อกระทบถูกได้   เนื่องจากภายในอะตอม(ในขณะนั้น) มีแต่อิเล็กตรอน และโปรตอน โดยที่อิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก รัทเทอร์ฟอร์ดจึงคิดว่าอนุภาคส่วนที่มารวมกันเป็นกลุ่มก้อนจึงน่าจะเป็นอนุภาคของโปรตอน  ดังนั้นเพื่อที่จะอธิบายผลการทดลอง รัทเทอร์ฟอร์ดจึงเสนอแบบจำลองแบบใหม่ เรียกว่าแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ดังนี้

                “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งคือโปรตอนที่รวมกันอยู่ตรงกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอนจะมีมวลน้อยและมีประจุลบ จำนวนอิเล็กตรอนจะเท่ากับจำนวนโปรตอน”

                 จากแบบจำลองอะตอมตามมโนภาพของรัทเทอร์ฟอร์ดจะเห็นได้ว่า อะตอมถูกแบ่งเป็น 2 ส่วน ส่วนหนึ่งคือนิวเคลียส ซึ่งอยู่ตรงกลางอะตอม  มีขนาดเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดอะตอม อีกส่วนหนึ่งคืออิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส ลักษณะของอะตอมจึงเป็นแบบโปร่ง ภายในอะตอมมีช่องว่างอยู่มาก

                                    รูปที่ 12  ภาพที่เกิดจากการสรุปผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

                        ที่มา  :  http://tinyurl.com/3xzuxb7

              จากแบบจำลองอะตอมตามมโนภาพของรัทเทอร์ฟอร์ดจะเห็นได้ว่าอะตอมถูกแบ่งเป็น 2 ส่วน

ส่วนที่หนึ่งคือนิวเคลียส ซึ่งอยู่ตรงกลางอะตอม มีขนาดเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดอะตอม อีกส่วนหนึ่งคืออิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส ลักษณะของอะตอมจึงเป็นแบบโปร่ง ภายในอะตอมมีช่องว่างอยู่มาก

                รัทเทอร์ฟอร์ดได้ใช้แบบจำลองอะตอมที่เสนอขึ้นใหม่อธิบายผลการทดลองดังนี้ เนื่องจากนิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก เมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของอะตอม ทำให้มีช่องว่างภายในอะตอมมาก เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาเข้าไปอนุภาคส่วนใหญ่จึงสามารถวิ่งทะลุผ่านแผ่นทองคำไปได้โดยไม่มีการเบี่ยงเบน

มีบางครั้งอนุภาคแอลฟาวิ่งเข้ามาใกล้นิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกเหมือนกันจะถูกนิวเคลียสผลักออกไป   ซึ่งทำให้ทิศทางของอนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนออกไปและนาน ๆ  ครั้ง อนุภาคแอลฟาจะวิ่งตรงไปชนกับนิวเคลียสทำให้สะท้อนกลับออกมา แต่เนื่องจากนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากเกินไป ดังนั้นโอกาสที่อนุภาคแอลฟาจะชนกับนิวเคลียสจึงน้อยมาก ๆ  สำหรับอิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเนื่องจากมีมวลน้อยมาก ถึงแม้ว่าอนุภาคแอลฟาจะวิ่งมาชนก็จะไม่มีผลทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนไป

                จะเห็นว่าแบบจำลองอะตอมที่รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอขึ้นมาใหม่นี้สามารถอธิบายผลการทดลองได้เป็นอย่างดี และตามมโนภาพของรัทเทอร์ฟอร์ด มวลส่วนใหญ่ของอะตอมก็คือมวลของนิวเคลียสนั่นเอง อิเล็กตรอนแม้ว่าจะเป็นส่วนประกอบที่ทำให้อะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้นจะมีมวลน้อยมากซึ่งจะไม่มีผลต่อมวลของอะตอม

                อย่างไรก็ตามถึงแม้ว่าแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสามารถใช้อธิบายผลการทดลองได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองอะตอมของทอมสัน แต่ก็ยังมีข้อบกพร่องที่ยังไม่สามารถอธิบายได้ เช่น ทำไมโปรตอนซึ่งมีประจุบวกเหมือนกัน จึงรวมกันอยู่ตรงกลางเป็นนิวเคลียสได้ ทั้ง ๆ ที่ควรจะผลักกัน มีอะไรมายึดโปรตอนให้อยู่รวมกันได้ และทำไมอิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสจึงไม่ผลักกัน ทั้ง ๆ ที่มีประจุลบเหมือนกัน รวมทั้งทำไมจึงไม่ถูกดึงดูดเข้าไปที่นิวเคลียส ซึ่งเป็นเหตุที่ต้องมีการปรับปรุงและเสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ ๆ ขึ้นมา

                1.3.1  อนุภาคมูลฐานของอะตอม

                           จากการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมในตอนแรก ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาค 2 ชนิด คือ อิเล็กตรอน  และโปรตอน จนกระทั่งการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมได้พัฒนาการมากขึ้น จึงได้ทราบว่านอกจากจะมีอิเล็กตรอน และโปรตอนแล้วยังมีนิวตรอนและอนุภาค  อื่น ๆ อีกหลายชนิด                                       
                                                         ในปี พ.ศ. 2456 เฮนรี มอสเลย์ (Henry Mosley) นักวิทยาศาสตร์

ชาวอังกฤษสามารถหาจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในแต่ละธาตุได้  โดยศึกษาจาก

สเปกตรัมรังสีเอกซ์ของธาตุ เมื่อนำจำนวนโปรตอนของธาตุมาพิจารณาร่วมกับ

 แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดในแง่มวลของอะตอม  จะพบว่าแบบจำลอง

อะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดยังไม่ถูกต้องนัก กล่าวคือตามแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด มวลของอะตอมก็คือมวลของนิวเคลียส หรือมวลของโปรตอน อย่างเดียวนั่นเอง  ถ้านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนอย่างเดียว มวลอะตอมก็น่าจะเท่ากับมวลของโปรตอนมารวมกัน แต่จากการทดลองหามวลของอะตอมพบว่ามวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ มักจะมีค่ามากกว่ามวลของโปรตอนเสมอ  เช่น ธาตุคาร์บอนมีโปรตอน 6 ตัว ตามแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดมวลอะตอมควรจะมีค่าเป็น 6 หน่วย แต่จากการทดลองพบว่ามีมวลอะตอมถึง 12 หน่วย หรือธาตุออกซิเจนมี 8 โปรตอน แต่มีมวลอะตอม  16 หน่วย เป็นต้น

                จากผลการทดลองพบว่าอะตอมของธาตุส่วนใหญ่จะมีมวลเป็น 2 เท่า หรือมากกว่า 2 เท่า หรือมากกว่า 2 เท่าของโปรตอน ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดตั้งข้อสันนิษฐานว่า  ภายในอะตอมน่าจะมีอนุภาคหนึ่งซึ่งไม่ใช่โปรตอน และอิเล็กตรอนอยู่ด้วย โดยที่อนุภาคนี้จะอยู่รวมกันในนิวเคลียส และมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน รวมทั้งเป็นกลางทางไฟฟ้าด้วย ซึ่งต่อมาก็ได้มีการพิสูจน์ข้อสันนิษฐานของรัทเทอร์ฟอร์ด จนยอมรับกันว่าเป็นความจริง

                                             ประมาณปี พ.ศ. 2456 ทอมสันได้ทดลองเกี่ยวกับมวลของอนุภาคบวกที่ได้

จากหลอดรังสีแคโทดพบว่าในขณะที่ใช้แก๊สนีออนใส่ในหลอดรังสีจะสามารถหามวลของอนุภาคบวกได้ถึง 2 ค่า คือ 20 และ 22  หน่วย  ซึ่งแสดงว่าแก๊สนีออนจะต้องมีอะตอม  2 ชนิด ซึ่งมีมวลไม่เท่ากัน ซึ่งต่อมา เฟรเดอริก ซอดดี(Frederick Soddy) ได้ตั้งชื่ออะตอมของธาตุชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันว่าต่างกันว่า ไอโซโทป ซึ่งถือว่าผลการทดลองนี้เป็นข้อมูลสนับสนุนข้อเสนอ ของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่าภายในนิวเคลียสควรจะมีอนุภาคอีกอย่างหนึ่งซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน แต่ไม่มีประจุ

                        
   ปี พ.ศ. 2475 เจมส์ แซควิก (James Chadwick) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังธาตุชนิดต่างๆ โดยใช้ เครื่องมือที่ละเอียดถูกต้องยิ่งขึ้น และพิสูจน์ได้ว่าภายในนิวเคลียสจะมี

   อนุภาคอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าอยู่ด้วย และเรียกอนุภาคนั้นว่านิวตรอน  จากการค้นพบนิวตรอน จึงทำให้โครงสร้างของอะตอมเปลี่ยนแปลงไปจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดเล็กน้อยทำให้ทราบว่าภายในอะตอมจะประกอบด้วยอนุภาค 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน 

 โปรตอน และ นิวตรอน โดยเรียกอนุภาคทั้ง 3 ชนิดว่าเป็นอนุภาคมูลฐานของอะตอม ดังนั้นแบบจำลองอะตอมจึงเปลี่ยนไป ซึ่งมีลักษณะดังนี้

                       ในปัจจุบันนอกจากจะพบอนุภาคมูลฐานของอะตอมซึ่งจัดว่าเป็นอนุภาคที่มีความคงตัวภายในอะตอมแล้วยังมีอนุภาคอื่น ๆ อีกหลายชนิดที่อยู่ภายในอะตอม แต่เป็นอนุภาคที่ไม่คงตัว ซึ่งอาจจะเกิดจากนิวเคลียสของอะตอมถูกชนด้วยอนุภาคอื่น ๆ ตัวอย่างของอนุภาคที่ไม่คงตัว ได้แก่ โพสิตรอน (Positron) ที่เกิดในปฏิกิริยานิวเคลียร์มีมวลน้อยมากจนเกือบเป็นศูนย์ และมีชอน (Meson) ซึ่งมีมวลอยู่ระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอนและเชื่อกันว่ามีส่วนช่วยให้โปรตอนและนิวตรอนสามารถยึดเหนี่ยวอยู่ด้วยกันได้ภายในนิวเคลียส  "อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมอยู่ตรงกลางของอะตอม เรียกว่า นิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับโปรตอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส”

 

รูปที่ 13  แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

                                                     ที่มา :  http://tinyurl.com/3xoynrn

                     จากการศึกษาสมบัติของอนุภาคมูลฐานของอะตอมทั้ง 3 ชนิด พบว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีประจุเท่ากับโปรตอน แต่เป็นประจุตรงกันข้าม คืออิเล็กตรอนมีประจุลบ แต่โปรตอนมีประจุบวก ในขณะที่นิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า คือประจุเป็นศูนย์ นอกจากนี้ยังทราบว่ามวลของโปรตอนและนิวตรอนมีค่าใกล้เคียงกันมาก ส่วนมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับโปรตอน        ดังตารางที่ 1

                1.3.2  เลขอะตอม  เลขมวล และ ไอโซโทป

                            จากการค้นพบนิวตรอนทำให้ทราบว่าแบบจำลองอะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน เพื่อความสะดวกในการเขียนโครงสร้างของอะตอม นักวิทยาศาสตร์จึงได้กำหนดสัญลักษณ์ต่าง ๆ แทนอนุภาคมูลฐานเหล่านั้นขึ้นมา คือเลขอะตอม และเลขมวลของธาตุ

                            1.3.2.1 เลขอะตอม (Atomic number) 

                                           เลขอะตอม หมายถึง ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสของธาตุ โดยทั่วไปใช้สัญลักษณ์ Z 

                                           อะตอมของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่น ๆ ธาตุชนิดเดียวกันจะต้องมีจำนวนโปรตอนหรือเลขอะตอมเท่ากัน

                                           ถ้าอะตอมเป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอน เท่ากับ จำนวนโปรตอน

                                           ดังนั้น เลขอะตอม  =  จำนวนโปรตอน = จำนวนอิเล็กตรอน

                                           แต่ถ้าอะตอมไม่เป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอนจะไม่เท่ากับโปรตอน เช่น

                                                -ไอออนบวกจะมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน

                                                -ไอออนลบจะมีโปรตอนน้อยกว่าอิเล็กตรอน

                                            นั่นคือ  เลขอะตอม  =  จำนวนโปรตอน  ไม่เท่ากัน จำนวนอิเล็กตรอน

                            1.3.2.2  เลขมวล (Mass  number)  ใช้สัญลักษณ์เป็น A หมายถึง ผลรวมของจำนวนโปรตอน และจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส เลขมวลไม่ใช่มวลอะตอม เลขมวลจะต้องเป็นจำนวนเต็มเสมอ แต่มวลอะตอมอาจจะเป็นเลขจำนวนเต็มหรือไม่ก็ได้

                                                1) สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (Nuclear symbol) เป็นสิ่งที่ใช้เขียนแทนโครงสร้างของอะตอม โดยบอกรายละเอียดเกี่ยวกับจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม วิธีการเขียนตามข้อตกลงสากลคือเขียนเลขอะตอมไว้มุมล่างซ้าย และเลขมวลไว้มุมบนซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ  ซึ่งเขียนเป็นสูตรทั่ว ๆ ไปได้ดังนี้                  

                          ถ้าให้  n  =  จำนวนนิวตรอน

                            จะสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างเลขอะตอม  เลขมวล และจำนวนนิวตรอนได้ดังนี้

              ธาตุที่เป็นไอโซโทปกัน ถึงแม้จะเป็นธาตุชนิดเดียวกัน แต่มวลอะตอมจะไม่เท่ากัน รวมทั้งสมบัติทางกายภาพแตกต่างกันด้วย  แต่สมบัติทางเคมีเกือบเหมือนกันทุกประการ

                ธาตุชนิดหนึ่ง ๆ อาจจะมีได้หลายไอโซโทป บางไอโซโทปมีอยู่ในธรรมชาติแต่บางไอโซโทปก็สังเคราะห์ขึ้นมาทั้งนี้เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ในแง่ต่าง ๆ กัน ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ  มักจะมีปริมาณในธรรมชาติไม่เท่ากัน เช่น ธาตุไฮโดรเจนในธรรมชาติจะมีโปรเทรียม อยู่ถึง 99.99% ดังนั้น จึงมีดิวทีเรียมเพียงเล็กน้อย ส่วนทริเทรียม เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีจึงไม่เสถียร

1.4  แบบจำลองอะตอมของโบร์

                   แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด กล่าวถึงอิเล็กตรอนวิ่งรอบ ๆ นิวเคลียส แต่ไม่ทราบว่าอิเล็กตรอนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนอย่างไร นักวิทยาศาสตร์จึงมีการศึกษาข้อมูลใหม่มาสร้างแบบจำลอง ที่เน้นรายละเอียดเกี่ยวกับการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส โดยศึกษาจากสเปกตรัมและค่าพลังงานไอออไนเซชัน

                1.4.1  สเปกตรัม

                            สเปกตรัมเป็นแสงที่ถูกแยกกระจายออกเป็นแถบสีต่าง ๆ และแสงเป็นรูปหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ฉะนั้น เพื่อความเข้าใจจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับส่วนประกอบของคลื่นและพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสียก่อนแล้วนำความรู้เรื่อง ดังกล่าวมาใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัมได้

                1.4.2  ส่วนประกอบของคลื่น

                            1)  สันคลื่นหรือยอดคลื่น คือตำแหน่งสุงสุดของคลื่น ในภาพ คือตำแหน่ง ก และ ข

                            2)  ท้องคลื่น คือตำแหน่งที่ต่ำสุดของคลื่น ในภาพคือตำแหน่ง ค        3)  ความยาวคลื่นใช้สัญลักษณ์ แลมป์ดา คือระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ ในภาพคือ ตำแหน่ง ก ถึง ข   ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตรหรือมีหน่วยเป็นนาโนเมตร (nm)  ก็ได้โดย 1 นาโนเมตร = 10^-9 เมตร                      

                                                                 รูปที่ 13  แสดงความยาวของคลื่น

                                                                ที่มา  :  Ebbing and Gammon (2007 : 265)

                                                

                            4)  ความถี่ใช้สัญลักษณ์ n (อ่านว่านิว) คือจำนวนรอบที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจุดหนึ่งในเวลา

1 วินาที    ความถี่มีหน่วยเป็น รอบ/วินาที (s^-1) หรือ (Hz)

                                                                  รูปที่ 14  แสดงความถี่ของคลื่น

                                                                  ที่มา  :  Ebbing and Gammon (2007 : 265)

                            5)  แอมปริจูดคือความสูงของคลื่นซึ่งประกอบด้วยคลื่นที่มีความถี่และความยาวคลื่น

ต่าง ๆ กันเป็นช่วงกว้าง   มีทั้งช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นและความยาวคลื่นที่มองไม่เห็น ดังรูป

                                      รูปที่ 15  แสดงแอมปริจูดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

                                       ที่มา : Kotz , Treichel, and Weaver,   (2005 : 299)

                 เมื่อนำแสงขาวที่เกิดจากดวงอาทิตย์ส่องผ่านปริซึมหรือเกรตติง   แสงสีขาวจะแยกเป็นสีต่างๆ ต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่า แถบสเปกตรัม ดังรูปที่ 16

                 ตารางที่ 2  แสดงสีต่าง ๆ ในแถบสเปกตรัมของแสง

                                           รูปที่ 16  แสงสีต่าง ๆ ในแถบสเปกตรัมของแสงขาว (แสงอาทิตย์)

                                           ที่มา : Kotz , Treichel, and Weaver,   (2005 : 306)

                การที่แสงขาวผ่านปริซึมหรือเกรตติง แล้วแยกออกเป็นแสงสีต่าง ๆ  อธิบายได้ว่า   แสงสีขาวเดินทางจากอากาศผ่านตัวกลางชนิดใหม่คือ  ปริซึมก็จะเกิดการหักเห และกระจายออกเป็นแสงสีต่าง ๆ ตามความยาวคลื่นของแสงนั้น ๆ โดยแสงที่มีความยาวคลื่นมากจะหักเหน้อยกว่าแสงที่มีความยาวน้อย

ดังตารางที่ 2

                                               ที่มา :  กระทรวงศึกษาธิการ (2550 : 18)



                จากตารางที่ 2 พบว่า แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด จะหักเหได้มากที่สุด แสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุดจะหักเหได้น้อยที่สุด สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นในช่วงอื่น ๆ   ก็มีการหักเหเมื่อผ่านปริซึมได้เช่นเดียวกันแต่ไม่สามารถมองเห็นได้เหมือนแสงสีขาว

                มักซ์ พลังค์ (Max Planck, 1858-1947) นักวิทยาศาสตร์ยาวเยอรมัน ได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และสรุปว่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นวัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่นนั้น โดยเขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้ (Kotz , Treichel, and Weaver,  2005 : 302)

E = hV    ................................(1)

 

                                                เมื่อ         E คือ พลังงานมีหน่วยเป็นจูล (J)

                                                                    h  คือ ค่าคงที่ของพลังค์ มีค่า 6.626 x 10^-34  จูล.วินาที (J.s)     

                                                                     n คือ ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีหน่วยเป็นเฮิร์ตซ์ (s^-1)

                ในการศึกษาเกี่ยวกับคลื่นโดยทั่วไป มักจะวัดเป็นความยาวคลื่น เมื่อทราบความยาวคลื่นก็คำนวณความถี่ได้จากความสัมพันธ์ ดังนี้ (Kotz , Treichel, and Weaver,  2005 : 297)

 

4.  เส้นสเปกตรัมของธาตุและสารประกอบ                              

                ถ้าเปรียบเทียบสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ จะพบว่าสเปกตรัมที่เห็นจากแสงอาทิตย์

มีลักษณะเป็นแบบต่อเนื่องกัน เรียกว่าแถบสเปกตรัม  ส่วนสเปกตรัมที่ได้จากแสงของหลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นจะเห็นแถบสเปกรัม

ของแสงขาวจากดวงอาทิตย์เป็นพื้นแล้ว ยังเห็นสเปกตรัมสีเขียวปรากฎอย่างชัดเจนอยุ่บนแถบสเปกตรัมสีเขียวอย่างชัดเจน 

ซึ่งสเปกตรัมที่เห็นนี้เป็นสเปกตรัมที่เกิดจากธาตุที่บรรจุในหลอดฟลูออเรสเซนต์ 

              เมื่อนำธาตุหรือสารประกอบเผาจะได้แสงไฟของธาตุออกมาเรียกว่าเปลวไฟธาตุ ซึ่งเกิดจากส่วนที่เป็นไอออนของโลหะ 

เมื่อใช้สเปกโทรสโคป หรือเกรตติงส่องดูเปลวไฟจะมีสีปรากฎเป็นเส้น ๆ หลายสี เรียกว่าเส้นสเปกตรัม ฉะนั้นการวิเคราะห์ธาตุองค์ประกอบทำได้โดย         

                    1. วิเคราะห์จากเปลวไฟของธาตุ

                         1.1  ถ้าสารประกอบที่มีธาตุองค์ประกอบเป็นโลหะชนิดเดียวกันจะให้สีของเปลวไฟธาตุเหมือนกัน

                   1.2  ถ้าสารประกอบที่มีธาตุองค์ประกอบเป็นโลหะต่างชนิดกันจะให้สีของเปลวไฟธาตุต่างกัน

ดังรูปที่ 17

                  

                     รูปที่ 17  เปลวไฟของธาตุบางชนิดในหมู่ IA และ IIA (จากซ้ายไปขวา : Li, Na, Sr, และ Ca)

                     ที่มา  :  Ebbing and Gammon (2007 : 264)

                    อย่างไรก็ตามการใช้เปลวไฟวิเคราะห์ธาตุจะไม่ชัดเจนเท่ากับการใช้สเปกตรัม   เพราะ

                         1)  เปลวไฟที่เกิดจากการเผาสาร มักเห็นสีที่ปรากฏเด่นชัดที่สุดเพียงสีเดียว

                         2) ถ้านำสารประกอบของโลหะสองชนิดผสมกัน แล้วนำไปเผาจะได้สีของเปลวไฟเป็นสีผสม

   ซึ่งตาไม่สามารถแยกสี เหล่านั้นได้

                    2. วิเคราะห์จากเส้นสเปกตรัม

                         เมื่อนำสารประกอบของโลหะแต่ละชนิด  นำมาเผาจะให้สีเปลวไฟของธาตุแตกต่างไปตามชนิดของโลหะ การดูสีเปลวไฟมักมองด้วยตาเปล่าเห็นเพียงสีเดียวที่เป็นสีเด่นชัดที่สุด แต่ถ้าส่องดู

ด้วยสเปกโทรสโคปหรือเกรตติง  จะพบว่า  สีของเปลวไฟจะแยกออกเป็นเส้น ๆ หลายสี   แต่มีสีที่เด่นชัดเพียงสีเดียว  คือเส้นสเปกตรัมที่มีสีเหมือนเปลวไฟ    ดังตัวอย่างการศึกษาเส้นสเปกตรัมของสารประกอบและธาตุต่อไปนี้

                       1. ถ้านำ CaCl₂ และ CaSO₄ มาเผาให้เปลวไฟสีแดงอิฐ      เส้นสเปกตรัมที่เห็นชัดเจนมีสีแดงเข้มหรือ BaCl₂ และ BaNO₃  จะให้เปลวไฟสีเขียวอมเหลือง เมื่อส่องดูเปลวไฟด้วยสเปกโทรสโคปจะเห็นเส้นสเปกตรัมสีเขียวชัดเจน แสดงว่าสีของเปลวไฟและเส้นสเปกตรัมเกิดจากส่วนที่เป็นโลหะ แต่อโลหะก็ให้เส้นสเปกตรัมที่อยู่ในช่วงความถี่ที่ตาเรามองไม่เห็น

                       2. การศึกษาสเปกตรัมของธาตุที่อยู่ในสถานะก๊าซทำได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงเข้าสู่หลอดแก้วที่บรรจุก๊าซที่มีความดันต่ำ  เมื่อก๊าซได้รับพลังงานจะส่องแสงเป็นสีต่าง ๆ ตามชนิดของก๊าซ ถ้าก๊าซชนิดเดียวกันจะให้เส้นสเปกตรัมเหมือนกัน  และต่างจากเส้นสเปกตรัมของก๊าซอื่น

                      การวิเคราะห์ธาตุจากเส้นสเปกตรัม  ถ้าเป็นโลหะชนิดเดียวกันไม่ว่าจะอยู่ในรูปธาตุหรือสารประกอบจะมีลักษณะเหมือนกันทั้งในแง่ของจำนวนเส้นสเปกตรัม   สีของแต่ละเส้นและตำแหน่งของเส้นสเปกตรัม   ส่วนสเปกตรัมของโลหะต่างชนิดกันจะไม่เหมือนกัน ถึงแม้บางครั้งอาจมีสีของเส้นสเปกตรัมเหมือนกัน ตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมจะต่างกัน แสดงว่าธาตุแต่ละชนิดให้ชุดสเปกตรัมไม่ซ้ำกัน

5.  อธิบายการเกิดสเปกตรัม
              จากการทดลองเผาสารประกอบของโลหะให้เปลวไฟสีต่างๆ กันตามชนิดของโลหะ จึงทำให้เกิดความคิดที่ว่าโลหะน่าจะมีส่วนที่รับพลังงานความร้อนเข้าไป แล้วเปลี่ยนพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานแสง  การที่โลหะต่างชนิดกัน   ให้สีต่างกันนั้นอาจจะเป็นไปได้ว่าโลหะแต่ละชนิดคายพลังงานความร้อนออกมาได้ไม่เท่ากัน  ความถี่และความยาวคลื่นแตกต่างกัน ตามกฎของพลังค์ ดังนั้นการอธิบายการเกิดสเปกตรัมจึงตั้งอยู่ในสมมุติฐานที่ว่า   อะตอมน่าจะมีส่วนที่รับและคายพลังงาน จากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด นักเรียนทราบมาแล้วว่า   อิเล็กตรอนจะวิ่งรอบ ๆ นิวเคลียส    ดังนั้นส่วนที่จะรับและคายพลังงานได้ ควรเป็นอิเล็กตรอน โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อยู่ในบริเวณที่มีผลรวมของพลังงานศักย์ (คือพลังงานที่เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน) และพลังงานจลน์ (คือพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน) ต่ำที่สุด  คือสถานะพื้น(ground state) เมื่ออะตอมได้รับพลังงานความร้อนมากขึ้นอิเล็กตรอนจะรับพลังงานจำนวนหนึ่ง ทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงขึ้น จึงต้องเปลี่ยนจากระดับพลังงานเดิมไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น เรียกสภาวะใหม่นี้ว่าสถานะกระตุ้น (excited state) ที่สถานะกระตุ้นนี้อิเล็กตรอนไม่อยู่ตัว  จึงมีการปรับตัวเข้าสู่ภาวะที่มีพลังงานต่ำ จะต้องคายพลังงานออกมาเท่ากับพลังงานที่รับเข้าไปในรูปของพลังงานแสงที่เป็นเส้นสเปกตรัม  จึงสามารถเขียนอธิบายได้ดังรูปที่ 18

รูปที่ 18  การดูดกลืนพลังงานของอิเล็กตรอน และเคลื่อนขึ้นไปอยู่ที่สภาวะกระตุ้น

ที่มา :  Kotz , Treichel, and Weaver (2005 : 310)

6.  การแปลความหมายเส้นสเปกตรัม
             นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้สเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนในการแปลความหมายของเส้นสเปกตรัม เพราะไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว และมีเส้นสเปกตรัมไม่ซับซ้อน ทำให้ง่ายต่อการศึกษา ซึ่งสามารถอธิบายได้โดยอาศัยการทดลองของบาลเมอร์
            บาร์เมอร์ได้ศึกษาการเกิดสเปกตรัมของก๊าซไฮโดรเจน พบว่าสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่มองเห็น                          รูปที่ 19  การเปลี่ยนแปลงอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนไปอยู่ในสภาวะกระตุ้น

ด้วยตาเปล่ามี  4 เส้น คือ ม่วง น้ำเงิน น้ำทะเล และแดง ดังรูปที่ 19

                           ที่มา  :  Kotz , Treichel, and Weaver (2005 : 311)

           เมื่อพิจารณาผลต่างระหว่าง พลังงานของเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนทั้ง 4 เส้นได้ผลดังตารางที่ 3

            จากข้อมูลจะเห็นว่า ความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับอยู่ที่ถัดกันจะมีค่าไม่เท่ากัน และความแตกต่างจะมีค่าน้อยลง เมื่อระดับพลังงานสูงขึ้น จากการศึกษาเรื่องสเปกตรัมทำให้ได้ข้อสรุปว่า

            1.  เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงาน อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น  แต่จะอยู่ในระดับพลังงานใด ก็ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ได้รับ  การที่อิเล็กตรอนขึ้นไปสู่ระดับพลังงานใหม่ ซึ่งมีพลังงานสูงขึ้น ทำให้ อะตอมไม่เสถียร    อิเล็กตรอนจึงเข้ามาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าในการเปลี่ยนตำแหน่งอิเล็กตรอนจะคาย พลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อส่องด้วยสเปกโทรสโคปจะปรากฏเป็นเส้นสเปกตรัม

           2.  อิเล็กตรอนอาจมีการเคลื่อนที่ในชั้นต่าง ๆ ได้  โดยไม่จำเป็นต้องเป็นชั้นที่อยู่ติดกัน จึงเป็นเหตุให้มีเส้น สเปกตรัมสีต่าง ๆ

           3. ภายในอะตอมจะแบ่งพลังงานเป็นชั้นๆ โดยระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียส ระดับพลังงานสูงอยู่ไกลนิวเคลียส  ดังนั้นอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียส อิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส
          4. ระดับพลังงานต่ำอยู่ห่างกัน ระดับพลังงานสูงจะอยู่ชิดกันมากขึ้น

          จากความรู้เรื่องสเปกตรัม นีลย์ โบร์ จึงสร้างแบบจำลองอะตอมใหม่  ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด   แต่แตกต่างกันเรื่องการจัดเรียงอิเล็กตรอน  ดังนั้นอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ตามระดับพลังงาน  

         ฉะนั้นแบบจำลองอะตอมของโบร์ จึงคล้ายกับวงจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ และเรียกระดับพลังงานที่ใกล้นิวเคลียสที่มีพลังงานต่ำที่สุดนี้ว่าชั้น K และชั้นถัด ๆ  ไปเป็น L และ M ตามลำดับดังรูปที่ 20

รูปที่ 20  แบบจำลองอะตอมของโบร์

ที่มา : http://tinyurl.com/2ens6o4

7.  แบบจำลองอะตอมกลุ่มหมอก

              แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี  แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้     จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมทางกลศาสตร์ควอนตัม  แล้วสร้างสมการสำหรับใช้คำนวณโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ ขึ้นมา จนได้แบบจำลองใหม่ ที่เรียกว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้              อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็ว ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่าง ๆ ปรากฏการณ์แบบนี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่นจะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง

              การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทุกระดับพลังงานจะเป็นรูปดังรูปที่ 21

รูปที่ 21  แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

ที่มา :  http://tinyurl.com/2ee8qgl