Atom

อะตอมและโครงสร้างอะตอม (Atom and Structure of Atom)

Miss CHADAMAS SRICHANAWAT

แบบจาลองอะตอมในยุคเริม่ ต้น O C  John Dalton: สสารประกอบด้วยอนุภาคที่เล็ก ที่สุดคืออะตอม ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้ อะตอมของธาตุ เดียวกันจะเหมือนกัน และอัตราส่วนของอะตอม CO CO ในสารประกอบมีอัตราส่วนที่แน่นอน  JJ Thompson: อะตอมเป็นทรงกลมของประจุบวก - และมีอิเล็กตรอนฝังอยู่ทั่วทรงกลม - -  Ernest Rutherford: อะตอมมีอนุภาคประจุบวก รวมอยู่ที่แกนกลางเรียก นิวเคลียส และมี อนุภาคประจุลบ(อิเล็กตรอน) วิ่งอยู่รอบ ๆ + ปริมาตรส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นที่ว่าง - ++ 2

-

2

ส่วนประกอบของอะตอม  อนุภาคหลักในอะตอมคือ

 โปรตอน  นิวตรอน  อิเล็กตรอน  ปัจจุบน ั ได้มกี ารตรวจพบอนุภาคอืน่ ๆหลายร้อยชนิดในอะตอม

 ชนิดของอะตอมกาหนดโดยจานวนโปรตอน (เลขอะตอม)  มวลของอะตอมกาหนดหยาบๆ โดยจานวนจานวนโปรตอนและ นิวตรอน เรียกว่า เลขมวล  มวลจริง(เฉลีย่ )ของอะตอมหาได้จากเลข มวลอะตอม (atomic mass) ซึ่งดูได้จากตารางธาตุ 3

อนุภาคในอะตอม อนุภาค

ประจุ หน่ วย คูลอมบ์

มวล amu

g

อิเล็กตรอน

-1

1.6 x 10-19

0.000549

9.110 x10-28

โปรตอน

+1

1.6 x 10-19

1.007277

1.673x10-24

นิวตรอน

0

0

1.008665

1.675x10-24

amu = atomic mass unit = (1/12) mass of one 12C atom 1.67377 x 10-24 g 4

สัญลักษณ์ธาตุ (Atomic Symbols) A c  X: ตัวย่อของชือ่ ธาตุ Z  Z: เลขอะตอม (Atomic number) จานวนโปรตอน  A: เลขมวล (Atomic Mass number) จานวนโปรตอน+นิวตรอน  c: ประจุ  จานวนโปรตอน = Z  จานวนนิวตรอน = A-Z  จานวนอิเล็กตรอน = Z-(c)  Isotope: ธาตุชนิดเดียวกันแต่เลขมวลต่างกัน (นิวตรอนไม่เท่ากัน)  Isotone: ธาตุต่างชนิดกันแต่มจี านวนนิวตรอนเท่ากัน  Isobar: ธาตุตา่ งชนิดกันแต่มเี ลขมวลเท่ากัน

X

5

ตัวอย่ างสัญลักษณ์ ธาตุ 12 6 13

C  Carbon C  Carbon 13 N  Nitrogen

Cl   Cl  2 Mg  56 2 26 Fe 

6p 6n 6e 6p 7n 6e 7p 6n 7e

Chlorine

17p 17e

Chloride ion

17p 18e

Magnesium ion 12p 10e Iron (II) ion

26p 30n 24e 6

จุดเริ่มต้นของทฤษฎีใหม่  ทฤษฎี classical mechanics ล้มเหลวใน การอธิบายระบบบางระบบเช่น  Blackbody radiation  Photoelectric effect  Line Spectrum

7

การแผ่รงั สีของวัตถุดา (Black Body Radiation) วัตถุดา(blackbody) คือวัตถุที่สามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ในทุกช่วงความถี่ (ไม่มีการสะท้อน) และสามารถแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ออกมาในทุกช่วงความถี่ที่ความเข้มต่าง ๆ กัน รังสีทสี่ ะท้อน ออกมาทาให้เรา มองเห็นวัตถุเมือ่ มี แสงตกกระทบ

การดูดกลืนและสะท้อนคลืน่ แม่เหล็กไฟฟ้า

รังสีทแี่ ผ่ออกมาทาให้ วัตถุเปล่งแสง* (ขึน้ กับความถีท่ ี่ แผ่ ออกมา) Energy

การดูดกลืนพลังงาน* และแผ่คลืน่ แม่เหล็กไฟฟ้า 8

การแผ่รงั สีของวัตถุดา การแผ่รงั สีของวัตถุดาขึน้ กับอุณหภูมิ  ที่อุณหภูมิต่า วัตถุจะแผ่รังสี

ความถีต่ ่า เช่น IR มาก  ที่อุณหภูมิสงู วัตถุจะแผ่รงั สี Visible (เปล่งแสง)หรือ UV ออกมามาก

 Classical mechanic ไม่ สามารถอธิบายพฤติกรรม ของวัตถุดาได้ โดยเฉพาะที่ อุณหภูมสิ งู ๆ

9

กาเนิดของทฤษฎีควอนตัม Max Planck สามารถอธิบายการแผ่ รังสีของวัตถุดาได้ โดย อาศัยสมมติฐานว่ า  ในวัตถุดามีตัวสั่น (oscillator) มากมาย ตัวสั่นแต่ ละชนิดจะ ดูดกลืนและแผ่ คลื่นแม่ เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่เฉพาะเท่ านัน้  เมื่อตัวสั่นเกิดการสั่น มันจะแผ่ พลังงานออกมาในรู ปคลื่น แม่ เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีลักษณะเป็ นก้ อนเรียกว่ า ควอนตัม โดย พลังงานขึน้ กับความถี่ ()

E = h

h

h = Planck’s constant = 6.626 x 10-34 Js  = ความถี่ (s-1) 10

Photoelectric Effect อัลเบิรต์ ไอน์สไตน์ เสนอว่าแสงเป็นก้อนพลังงาน (photon)

 อนุภาคแสง 1 โฟตอน ทีม่ คี วามถี่ มีพลังงาน E = h (1 ควอนตัม)  ถ้าโฟตอนทีก่ ระทบกับผิวโลหะมีพลังงานมากเพียงพอ (  threshold frequency) จะทาให้อเิ ล็กตรอนหลุดจากผิวโลหะได้ (photoelectron)  พลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนขึน้ กับความถีข่ องแสงทีต่ กกระทบ Light

vacuum

e

A

11

สเปกตรัม(Spectrum) แสงทีม่ องเห็นประกอบด้วยคลืน่ แม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งอาจมีความยาว Sun light คลืน่ ต่าง ๆ กัน  สเปกตรัมต่อเนือ่ ง: แสงสีขาว ประกอบไปด้วยแสงสีม่วงจนถึง สีแดงซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน  สเปกตรัมเส้น (สเปกตรัมของ อะตอม) แสงที่ประกอบด้วยคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าความถี่เฉพาะและ ไม่ต่อเนื่องจานวนหนึ่ง

H

He

Hg

U

12

สเปกตรัมของไฮโดรเจน  เมื่ออะตอมไฮโดรเจนได้รบั พลังงาน จะเปล่งคลืน่ แม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทีม่ คี วามถีเ่ ฉพาะตัว

Energy

H

 J.R.Rydberg เสนอสมการสาหรับหาสเปกตรัมของ Hatom ที่ความยาวคลื่นต่างๆ ทุกชุด  1 1  1    1.09678 10   2  2  cm   n1 n2  1

5

 1.09678 x 105 = ค่าคงที่ของ Rydberg  n1 , n2 เป็นเลขจานวนเต็ม และ n2 > n1 13

แบบจาลอง H-atom ของBohr (1) Niels Bohr เสนอแบบจาลองอะตอมโดยอาศัยทฤษฎีของ Planck 1. e- เคลือ่ นทีใ่ นวงโคจรรอบนิวเคลียสเป็นวงกลมโดยมีโมเมนตัม เชิงมุมเป็นจานวนเท่าของค่าคงทีม่ ลู ฐานค่าหนึง่ คือ ค่าคงทีข่ อง Planck (h) The Bohr model of Hydrogen atom

h mvr  n  n 2

proton

 e– เคลือ่ นทีโ่ ดยไม่สญ ู เสียพลังงาน

และอยูใ่ นสถานะคงตัว  n บอกระดับพลังงาน

n=1 n=2 n=3

electron 14

แบบจาลอง H-atom ของBohr  Bohr เสนอสมการหา En ของอิเล็กตรอนของอะตอม H  2 2 me Z 2 e 4   1  E    2  2 h   n  2 2 4 2  m Z e e เมื่อ Z=1 (H atom)  13.605 eV 2 h  1  En  13.605 2  eV n 

15

แบบจาลอง H-atom ของBohr (2) 2. ถ้ าอิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจร จะมีการดูดหรื อคายพลังงาน  ถ้ าเปลี่ยนจากระดับ ni ไป nf s E = Enf  Eni = hrad –1



 nf > ni  Enf > Eni , E > 0  ดูดพลังงาน  nf < ni  Enf < Eni , E < 0  คายพลังงาน

n=4 n=3

2 1 nucleus electron

พลังงาน

3

Balmer Series (UV/VIS)

n=2

คายพลังงาน E= E4-E2 Lyman Series (UV)

n=1 16

ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน  อิเล็กตรอนมีพลังงานเป็นลบแสดงว่า อิเล็กตรอนกับโปรตอนมีแรงดึงดูดกัน  อิเล็กตรอนยิ่งมีพลังงานมากยิ่งมี อิสระเสรีในการเคลื่อนที่มาก (หนี ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น)

 1 En  13.605 2  eV n 

17

แบบจาลอง H-atom ของBohr  สมการหารัศมีวงโคจรที่มีระดับพลังงาน n 2 rn  n a0 a0  รั ศมีข องBohr  0.529 10

10



m  0.529 A

 สมการสาหรับหาสเปกตรัมของ H-atom  1  1 1    1.09737 10  2  2  cm   n f ni  เมือ่ n f  ni 1

5

18

แบบจาลอง H-atom ของBohr  ข้อจากัดของแบบจาลองของ Bohr

 ใช้ได้กับอะตอมหรือไอออนที่มี e- ตัวเดียว เช่น H, He+ ,

Li2+  ตัวอย่าง จงคานวณหาความยาวคลื่นและพลังงานของรังสีที่H-atom - ตกจาก n = 3 มายัง n = 2 เปล่งออกมา เมื อ ่ e 1 1 5 1 1  

 1.09737 10  2  2   15241.25 cm  2 3  1 1 cm    6.561110 5 cm  6.561110 7 m  15241.25 1 1  1  1 E  Enf  Eni  13.605 2  2   13.605 2  2  eV n  2 3   f ni     1.8896 eV  คายพลังงาน

19

สมมติฐานของเดอบรอยล์ Louis de Broglie เสนอว่าสสารมีสมบัติเป็นทั้งคลื่นและ อนุภาคในเวลาเดียวกัน (wave-particle duality)  ความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติความเป็นคลื่นและอนุภาคอธิบาย โดย สมการความยาวคลื่นของเดอบรอยล์ hc

h E  cp     p

h   mv

 อนุภาคที่มีมวลน้อย (เช่น อิเล็กตรอน) จะแสดงสมบัติความเป็น

คลื่นชัดเจน (อิเล็กตรอนสามารถเลี้ยวเบน แทรกสอดได้ดี)  เดอบรอยล์เสนอแบบจาลองอะตอมว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นนิ่ง เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในวงโคจรที่เสถียร

20

ออร์บทิ ลั ของอะตอม (Atomic Orbital)  ออร์บิทัลคือที่อยู่ของอิเล็กตรอนหรือบริเวณที่มีโอกาสพบ อิเล็กตรอน  พลังงานของอิเล็กตรอนขึ้นกับระดับพลังงานของออร์บิทัล  ออร์บิทัลมีได้หลายแบบ แตกต่างกันที่  รูปร่าง  ขนาด

 ระดับพลังงาน  ทิศทาง

 ชนิดของออร์บิทัลกาหนดโดยเลขควอนตัม (n, l, ml)  แต่ละออร์บิทัลสามารถมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุดสองตัว (อาจ ไม่มีเลยก็ได้)  อิเล็กตรอนที่อยู่ในออร์บิทัลเดียวกัน สามารถระบุโดยใช้เลข ควอนตัมสปิน (ms) 21

เลขควอนตัม (Quantum Numbers) ผลเฉลยของสมการคลื่นของโชรดิงเจอร์เกี่ยวข้องกับเลขควอนตัม 1. เลขควอนตัมหลัก (n)  เลขจานวนเต็มบวก: 1,2,3…  บอกระดับพลังงานหลัก / ขนาดของออร์บิทัล (rn-e)

2. เลขควอนตัมเชิงมุม (l)

 เป็นเลขจานวนเต็มขึ้นกับค่า n มีคา่ ตั้งแต่ 0,1,2… , n-1  มีชื่อเรียกเฉพาะสาหรับ l คือ 0s 1p 2d 3f 4g 5h …  บอกระดับพลังงานย่อย / รูปร่างของออร์บิทัล

3. เลขควอนตัมแม่เหล็ก (ml)

 เป็นเลขจานวนเต็มขึ้นกับค่า l มีค่าตั้งแต่ -l, -l-1,…, 0,…, l-1, l  บอกทิศทางการวางตัวของออร์บิทลั /ระดับพลังงานย่อยในสนามแม่เหล็ก

4. เลขควอนตัมสปิน (ms)

 มีค่า + ฝ , - ฝ  บอกทิศทางการหมุนรอบตัวเองของ e- (ตาม/ทวนเข็มนาฬิกา) 22

เลขควอนตัม  ชุดของเลขควอนตัม (n,l,ml,ms) มีไว้เพือ่ ระบุอเิ ล็กตรอน

 n บอกว่าอิเล็กตรอนอยู่หา่ งจากนิวเคลียสเท่าใด  l และ ml บอกว่าบริเวณทีจ่ ะพบอิเล็กตรอนรอบๆนิวเคลียสมี รูปร่างอย่างไร  ms บอกว่าอิเล็กตรอนมีทิศทางการหมุนอย่างไร  พลังงานของอิเล็กตรอนขึ้นกับพลังงานของออร์บิทลั (n,l,ml) ที่ มันอาศัยอยู่

23

ตัวอย่าง

เลขควอนตัมที่เป็นไปได้ถา้ n=2 2

n

s

l ml

เลขควอนตัม

p

(l=0)

0

ms -ฝ, ฝ

–1 -ฝ, ฝ

2,0,0,-ฝ

(l=1)

l

0 -ฝ, ฝ

+1 -ฝ, ฝ

2,0,0, ฝ

=0 2,1,-1,-ฝ

n–1

2,1,-1, ฝ

ml 2,1,0,-ฝ = –l  l 2,1,0, ฝ

ms2,1,1,-ฝ = –ฝ,+ฝ 2,1,1, ฝ

 จานวนออร์บิทัล (ดูจาก ml ทั้งหมด) = 4  จานวนอิเล็กตรอนทั้งหมดที่เป็นไปได้ = 8

(ดูจากจานวนชุดของเลขควอนตัมซึง่ เท่ากับ 2 เท่าของจานวนออร์บิทลั ) 24

จานวนออร์บทิ ลั และอิเล็กตรอน atomic orbital

n=1

1s

n=2

2s 2p(3)

n=3

3s 3p(3)

3d(5)

n=4

4s 4p(3)

4d(5)

4f(7)

32e–

n=5

5s 5p(3)

5d(5)

5f(7) 5g(9)

50e–

n l (จานวน ml)

2e–

8e– 18e–

25

รูปร่างของออร์บทิ ลั -- s orbitals 1. s-orbital (l = 0; ml = 0)  รูปร่างของออร์บิทัลเป็นทรงกลม

 ค่า n เพิ่มขนาดออร์บิทัลเพิ่ม  ขนาด 1s 2s 3s 4s

1s 2s

1s

…

2s 26

รูปร่างของออร์บทิ ลั -- p orbitals 2. p-orbital (l = 1; ml = +1, 0, -1)  ลักษณะเป็นรูปดัมเบลหรือ lobe 2 lobe  p-orbital มี 3 ออร์บิทัล px py pz  ค่า n เพิ่มขนาดออร์บิทัลเพิ่ม ml = -1 (px)

z

ml = +1 (pz)

ml = 0 (py)

x

27

รูปร่างของออร์บทิ ลั -- d orbitals 3. d- orbital (l = 2; ml = +2,+1, 0,-1,-2)  ลักษณะเป็นรูปดัมเบลคู่ หรือ lobe 4 lobe

d-orbital มี 5 ออร์บิทลั lobe อยู่ระหว่างแกน xy, xz, yz เรียกว่า dxy, dxz, dyz

orbitals lobe อยู่บนแกน xy เรียกว่า dx2 -y2 orbital lobe อยู่บนแกน z เรียกว่า dz2 orbital

dz2

dxy, dxz, dyz, dx2-y2 28

รูปร่างของออร์บทิ ลั -- d orbitals  รูปร่างของ d-orbital

29