แบบจำลองอะตอมของทอมสัน ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 วิชาเคมี

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน-Cover

ฤดูฝนเป็นหนึ่งในฤดูที่อากาศแปรปรวนมากที่สุด เพราะก่อนฝนตกนั้นจะร้อนอบอ้าว แต่พอเม็ดฝนเริ่มหยด อากาศกลับสดชื่นเย็นสบายน่านอนเป็นที่สุด ในขณะที่เรากำลังนั่งเคลิ้มฟังเสียงฝนในคาบวิชาฟิสิกส์อยู่นั้น ก็เห็นฟ้าแลบตามด้วยเสียงฟ้าผ่าสนั่นหวั่นไหว ที่ทำเอาเราตื่นจากฝันกลางวันเลยทีเดียว เพื่อน ๆ รู้มั้ยว่าปรากฏการณ์ฟ้าแลบและฟ้าผ่านี้ ถือเป็นจุดกำเนิดที่สำคัญของแบบจำลองอะตอมของทอมสันเลยทีเดียว

Banner-Orange-Noey

 
หลอดรังสีแคโทดของเซอร์วิลเลียม ครูกส์

ก่อนจะก้าวไปถึงแบบจำลองอะตอมของทอมสัน StartDee ขอเกริ่นเรื่องหลอดรังสีแคโทดของเซอร์วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) ก่อน โดยนักวิทยาศาสตร์ท่านนี้ได้นำแนวคิดที่ว่า “ปรากฏการณ์ฟ้าร้องและฟ้าผ่า สามารถทำให้แก๊สที่ปกติจะไม่นำไฟฟ้า เปลี่ยนมานำไฟฟ้าได้ในสภาวะที่ความดันต่ำ และความต่างศักย์สูงมาก” มาใช้ประดิษฐ์หลอดรังสีแคโทด ประกอบไปด้วยหลอดแก้วที่มีความดันต่ำมาก มีขั้วเป็นแผ่นโลหะ (Electrode) 2 ขั้ว โดยเรียกแผ่นโลหะด้านลบว่า ขั้วแคโทด (Cathode) และแผ่นโลหะด้านบวกว่า ขั้วแอโนด (Anode) นอกจากนั้น ยังวางฉลากเรืองแสงที่ฉาบด้วย ZnS (ซิงค์ซัลไฟด์) ไว้ภายใน โดยขนานไปกับความยาวของหลอดด้วย

หลอดรังสีแคโทด

จากนั้น เซอร์วิลเลียม ครูกส์ ได้ปล่อยกระแสไฟฟ้า 10,000 โวลต์ เข้าไปในหลอดแก้วดังกล่าว ผลปรากฏว่า เห็นเส้นเรืองแสงสีเขียวจปรากฎบนฉากเรืองแสง พุ่งจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด โดยเรียกรังสีนี้ว่า "รังสีแคโทด"

 
จากการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด สู่การคันพบอิเล็กตรอนของทอมสัน

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (Sir Joseph John Thomson) ได้ทำการศึกษาหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติม โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดของเซอร์วิลเลียม ครูกส์ใหม่เพื่อให้รังสีมีลักษณะเรียวเล็ก โดยการทำให้รังสีพุ่งผ่านรูกลมที่เจาะด้านแอโนด จากนั้นให้รังสีนี้วิ่งผ่านสนามไฟฟ้า ปรากฏว่า รังสีดังกล่าวเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกเสมอ เพราะฉะนั้น รังสีนี้ต้องเป็นประจุลบ ซึ่งต่อมาถูกตั้งชื่อว่า “อิเล็กตรอน (Electron)”

ยังไม่หยุดอยู่แค่นี้ ! ทอมสันยังทดลองต่อไปโดยเปลี่ยนโลหะที่ใช้เป็นขั้วแคโทดและชนิดของแก๊สไปเรื่อย ๆ ปรากฏว่าผลการทดลองไม่ต่างจากเดิม นั่นทำให้ทอมสันสรุปง่าย ๆ ได้ว่า “อะตอมของธาตุทุกชนิดต้องมีอนุภาคที่เป็นประจุลบเป็นองค์ประกอบอยู่อนุภาคนี้เรียกว่า อิเล็กตรอน”

นอกจากนั้น ทอมสันยังสามารถคำนวณหาอัตราส่วนประจุต่อมวลของอนุภาคไฟฟ้าในรังสีแคโทดด้วย โดยทดลองผ่านสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าอย่างใดอย่างหนึ่งเพื่อให้รังสีเบนไปจากแนวเดิม จากนั้นใช้อีกสนามหนึ่งมาขืนให้รังสีกลับมาเป็นเส้นตรงเหมือนเดิม ในภาวะเช่นนี้แสดงว่าแรงจากสนามแม่เหล็ก และแรงจากสนามไฟฟ้าสมดุลกัน ทำให้ทอมสันหาอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคได้ 1.759 × 108  คูลอมบ์ต่อกรัม

 

การหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีหยดน้ำมันของรอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน

พอมีคนค้นพบอิเล็กตรอนแล้ว จึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่นักวิทยาศาสตร์ท่านอื่น ๆ จะเกิดนึกสงสัยเรื่องค่าของมัน โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองเรื่องนี้จนสำเร็จคือ รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert Andrews Millikan)

การทดลองของมิลลิแกน

มิลลิแกนได้ทำการพ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็กให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น จากนั้นใช้รังสีเอกซ์ไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนให้หลุดออกจากอะตอมของแก๊สในอากาศ เมื่ออิเล็กตรอนหลุดออกมาแล้วจะไปเกาะติดบนหยดน้ำมัน (หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะเพียงตัวเดียว ในขณะที่บางหยดมีมากกว่า 1 ตัว) ซึ่งจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก ซึ่งมิลลิแกนได้ทำการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปจนหยดน้ำมันลอยนิ่งแสดงให้เห็นว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงทางไฟฟ้า แล้วคำนวณหาค่าประจุออกมาได้ 1.6 × 10-19 คูลอมบ์

รู้ประจุลบ ก็ต้องค้นพบประจุบวก กับการทดลองของออยเกน โกลด์ชไตน์

ออยเกน โกลด์ชไตน์ (Eugen Goldstein) ได้นำหลอดรังสีแคโทคมาเจาะรูเพิ่มด้านแคโทด และยังเพิ่มขั้วอีก 2 ขั้วเพื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้า ผลปรากฏว่า รังสีที่ออกมากลับเบนไปทางขั้วลบ แสดงว่า ในรังสีนี้ประกอบไปด้วยอนุภาคที่มีประจุเป็นบวก เพื่อความแม่นยำ โกลด์ชไตน์ได้ลองเปลี่ยนแก็สภายในเป็นชนิดอื่น ๆ ปรากฎว่ารังสีที่ออกมาจากด้านแคโทดตกคนละตำแหน่งกัน สรุปได้ว่า ค่าประจุต่อมวลของอนุภาคบวกไม่คงที่ขึ้นอยู่กับธาตุแต่ละชนิด

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน-ออยเกน-โกลด์ชไตน์

สุดท้ายแล้ว! บทสรุปแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

สรุปจากการทดลองเรื่องหลอดรังสีแคโทด พบว่าอะตอมยังสามารถแบ่งแยกได้อีกซึ่งไม่เป็นไปตามแบบจำลองที่ดอลตันได้เสนอไว้ เพราะภายในอะตอมจะมีอนุภาคที่มีประจุลบและประจุบวกอยู่

ดังนั้น แบบจำลองอะตอมของทอมสันจึงที่มีลักษณะเป็นทรงกลมมีประจุบวกและประจุลบกระจายตัวอยู่ทั่วอะตอมอย่างสม่ำเสมอโดยประจุลบจะฝังตัวอยู่ในเนื้อของประจุบวกอีกที

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

จบกันไปแล้วนะทุกคนกับเรื่องแบบจำลองอะตอมของทอมสัน ที่กว่าจะได้ข้อสรุปและแสดงหน้าตาของแบบจำลองออกมาให้เห็นนั้น ต้องผ่านความนักวิทยาศาสตร์หลายคนเลยล่ะ อย่าลืมติดตามแบบจำลองอะตอมรูปแบบอื่น ๆ ในบทความตอนต่อไป และยังสามารถดูสรุปได้ที่วิดีโอด้านล่างนี้

 

หรือจะตามไปดูคลิปแบบสั้น ๆ เข้าใจง่ายที่แอป StartDee ก็ได้นะ ขอให้ทุกคนสนุกกับวิชาเคมีจ้ะ

ส่วนใครที่สนใจวิชาอื่น ๆ ของระดับชั้น ม.4 เรายังมีเรื่องการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และการสร้างเวสิเคิล (วิชาชีววิทยา) โมเมนต์ของแรง (วิชาฟิสิกส์) เซตและการแจกแจงสมาชิก (คณิตศาสตร์) การใช้ Adverb (ภาษาอังกฤษ) กวีโวหาร (ภาษาไทย) และความร่วมมือทางเศรษฐกิจ (สังคมศึกษา)

 

แสดงความคิดเห็น