Atomic Physics

Atomic
Physics

[ ฟิสิกส์อะตอม ]

แบบทดสอบก่อนเรียน

ฟิสิกส์อะตอม

อะตอม ภาษากรีก

นักปราชญ์ชาวกรีกโบราณ ลูซิพปุส และดิโมคริตุส
ใช้สำหรับเรียก "หน่วยที่เล็กที่สุดของสสาร" ที่ไม่สามารถแบ่งแยก
ต่อไปได้อีก

เขาได้พยายามศึกษาเกี่ยวกับวัตถุที่มีขนาดเล็ก และมีแนวคิดเกี่ยวกับ


โครงสร้างของสสารว่า สสารทั้งหลายประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด จะ

ไม่สามารถมองเห็นได้ และจะไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงกว่านั้นได้อีก

ต่อมาวิทยาศาสตร์ได้เจริญก้าวหน้าขึ้น นักวิทยาศาสตร์ได้พยายาม



ทำการทดลองค้นหาคำตอบเกี่ยวกับเรื่องนี้ในรูปแบบต่าง ๆ จนกระทั่ง

เกิดทฤษฎีอะตอมขึ้นมาในปี ค.ศ.1808 จากแนวความคิดของ
จอห์น ดอลตัน (John Dalton) ผู้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับแบบจำลอง
อะตอม จนเป็นที่ยอมรับและสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น

แนวคิดและทฤษฎีอะตอม

สสารแต่ละชนิดมีอะตอมที่มีเนื้อเหมือนกัน การจัดเรียงแตกต่างกัน
สสารทุกชนิดมีเนื้อต่อเนื่อง ไม่มีช่องว่างในเนื้อสาร
มีองค์ประกอบมูลฐาน 4 อย่าง : ดิน น้ำ ลม ไฟ
อะตอมแต่ละชนิดมีรูปร่างและน้ำหนักเฉพาะตัว

การค้นพบอิเล็กตรอนของ เซอร์วิลเลี่ยม ครูกส์

เซอร์วิลเลียม ครูกส์ ทำการทดลองกับสุญญากาศ โดยดัดงอหลอดเป็น
มุมฉาก แล้วต่อขั้วไฟฟ้าของหลอดที่บรรจุแก๊สความดันต่ำนี้เข้ากับแหล่ง
กำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง

พบว่าการเรืองแสงสีเขียวจะเกิดมากที่สุด
ตามบริเวณผนังหลอดด้านใน

ที่อยู่ตรงข้ามขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ
แสดงว่าการเรืองแสงดังกล่าว

เกิดจากรังสีที่ออกมาจากขั้วแคโทด
จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด

เคลื่อนที่เป็นแนวตรง
เบี่ยงเบนทิศทางในสนาม
ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ในเวลาต่อมาได้มีการศึกษาธรรมชาติของรังสี
แคโทดโดยใช้แผ่นโลหะบาง ๆ
กั้นรังสีแคโทด ทำให้เกิด
เงาของแผ่นโลหะปรากฏ
บนผนังหลอด
และเมื่อให้รังสีแคโทดผ่าน
สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า
พบว่ารังสีนี้มีการเปลี่ยนแปลง
ในบริเวณที่มีสนามทั้งสอง

การค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสัน

การค้นพบอิเล็กตรอนโดยการทดลองของทอมสันในปี
พ.ศ. 2440 ทอมสันสามารถสรุปได้ว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มี
ประจุไฟฟ้าลบ จึงเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า อนุภาครังสีแคโทด

ผลการทดลอง

1 ทอมสันได้ทดลองจัดขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็ก &
สนามไฟฟ้าให้เท่ากัน —> รังสีแคโทดเป็นเส้นตรง

FE = F B
qE = qvB

สูตรอัตราเร็วอนุภาครังสีแคโทด

v = _E_ = _V_ v = อัตราเร็วอนุภาค
B dB E = สนามไฟฟ้า
B = สนามแม่เหล็ก
V = ความต่างศักย์ไฟฟ้า

2 ทอมสันตัดสนามไฟฟ้า เหลือแค่สนามแม่เหล็ก
* รังสีแคโทดวิ่งเป็นเส้นโค้งรัศมี R

F B = FC คท.แบบวงกลม
qvB =_m__v_²
__q_ = _v_ = _E_ =__V_
R m RB RB² RdB²

สูตรหาประจุต่อมวล

ทฤษฎีอะตอมของโบร์

โบร์ (Niel Bohr) นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ค
ได้เสนอแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจน (อิเล็กตรอน 1 ตัว โปรตรอน 1 ตัว)
โดยอาศัยทฤษฎีโฟตอนของไอน์สไตน์รวมกับโครงสร้างอะตอมของ
รัทเธอร์ฟอร์ด ปรากฏว่าโบร์สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอม
ไฮโดรเจนได้อย่างดี โบร์ได้ตั้งสมมติฐานดังนี้

1 วงโคจรบางวง ē ไม่แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในวงโคจรนั้น

มีโมเมนตัมเชิงมุมคงตัว มีค่า h = _h_-

2h

สรุปได้ว่า

L = mvr = nh- L = โมเมนตัมเชิงมุม

m = มวลของ e

n = เลขควอนตัม

r = วงโคจรรังสี -34

h = ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.6 * 10

v = อัตราเร็วเชิงเส้น

2 เมื่อ e เปลี่ยนวงโคจร e จะรับหรือปล่อยออกมาในรูป
" คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า " อะตอม H จะมีวงโคจร e

สามารถหาได้จาก rn = รังสีวงโคจรที่ n (m.)
rn = 5.3 * 10-11 n 2 n = ลำดับวงโคจรจากนอกสุดไปยังในสุด

แบบจำลองอะตอม

1 เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน

อะตอมเป็นรูปทรงกลม มีอนุภาคประจุบวก
และอิเล็กตรอนประจุลบ อยู่ในสภาพ
เป็นกลางทางไฟฟ้า

2 จอห์น ดอลตัน

ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ; อะตอม
เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด แบ่งแยกกันไม่ได้
ธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน

3 นีลส์ โบร์

• อิเล็กตรอนอยู่เป็นชั้นๆ แต่ละชั้น
= ระดับพลังงาน มีจำนวน e = 2n²

• เวเลนซ์อิเล็กตรอน = เกิดปฏิกิริยาต่างๆได้

อยู่พลังงานนอกสุด

• อิเล็กตรอนวงในที่อยู่ใกล้นิวเคลียส จะเสถียรมาก
• พลังงานวงในอยู่ห่างกัน วงนอกอยู่ชิดกัน

4 ลอร์ด เออร์เนส รัทเทอร์ฟอร์ด

อะตอมมีลักษณะโปร่ง มีประจุไฟฟ้าบวก
รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลาง "นิวเคลียส", มีอิเล็กตรอน
เคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างที่มาก

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นที่รู้จักกันมาก่อนยุคสมัยทฤษฎีควอนตัม
แต่ไม่มีใครสามารถใช้ทฤษฎีคลาสสิกอธิบายผลการทดลองได้ จากการ

•ทดลอง เฮิร์ตซ์ ได้ค้นพบว่า เมื่อแสงตกกระทบผิวโลหะอาจทำให้

ประจุไฟฟ้าหลุดจากผิวโลหะได้

: อิเล็กตรอนหลุดออกจากสสาร เมื่อสสารนั้นสัมผัสกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ที่มีความถี่สูง เรียก e ที่หลุดออกมาว่า " โฟโตอิเล็กตรอน "

•• เกิดขึ้นเมื่อแสงที่ตกกระทบโลหะ มีความถี่ไม่น้อยกว่า ค่าความถี่ขีดเริ่ม
จำนวนเพิ่มขึ้น เมื่อมีความเข้มแสงมากขึ้น
พลังงานจลน์สูงสุด = ความต่างศักย์หยุดยั้ง

พลังงานของโฟตอน 1 ตัวที่สามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์
โฟโตอิเล็กทริกได้จะถูกถ่ายเทให้กับโลหะในรูปของพลังงานที่ใช้
ทำลายการยึดอิเล็กตรอนไว้ เรียกว่า ฟังก์ชั่นงาน และส่วนที่เหลือ
จะกลายเป็นพลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา ตามกฎ
การอนุรักษ์พลังงานกล่าวคือ

hf = W + Ek hf = พลังงานจากแสงที่ตกกระทบ
- W = ฟังก์ชั่นงาน ต่างกันตามชนิดโลหะ

Ek = พลังงานของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา

สมการพลังงานโฟโตอิเล็กทริก eVs = hf - hf0
W = hf0
Ek max = eVs = hf - W E = n(hf)

Ek max =—1 mv 2 = eV

2

กลศาสตร์ควอนตัม

: ความน่าจะเป็นในการพบอนุภาคในรูปของกลุ่มคลื่น ณ. ตำแหน่ง
เวลาหนึ่ง

กลศาสตร์ควอนตัมมี 2 แนว
เรอดิงเงอร์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ใช้แนวคิดมาจากสมมติฐานของ
เดอ บรอยล์ แนวนี้นิยมเรียก “กลศาสตร์คลื่น”
ไฮเซนเบิร์ก ชาวเยอรมัน ใช้แนวคิดทางคณิตศาสตร์แมตทริกซ์

1 หลักความไม่แน่นอน

เมื่อจะศึกษาธรรมชาติของอิเล็กตรอนในอะตอม
• นึกภาพอิเล็กตรอนประพฤติตัวเป็นกลุ่มคลื่น
• ความเร็วของกลุ่มคลื่นเท่ากับความเร็วของอิเล็กตรอน
• สร้างสมการกลุ่มคลื่นของอิเล็กตรอนขึ้นมา แล้วนำสมการนี้
ไปศึกษา

ประเด็นหนึ่งที่สำคัญของกลศาสตร์ควอนตัม คือ การที่คิดว่า
อิเล็กตรอนประพฤติตัวเป็นคลื่น เราจึงไม่สามารถคำนวณค่าต่างๆ
ของอิเล็กตรอนได้แน่นอน ซึ่งเป็นจริงตามธรรมชาติของคลื่น ค่าที่
เราคำนวณได้จากกลศาสตร์ควอนตัมเป็นเพียงความน่าจะเป็นของ
ปริมาณนั้นๆ

2 โครงสร้างอะตอมตามแนวคิดกลศาสตร์ควอนตัม

• ไม่สามารถบอกได้ว่า ē อยู่ที่ไหน เคลื่อนที่แบบใด
บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่าง ๆ
มีโอกาสพบ ē ตามที่ต่างๆ
ē เปรียบเสมือนกลุ่มหมอกหุ้ม N มี e มาก = หมอกหนาแน่น

ในปี พ.ศ. 2470 ไฮเซนเบิร์ก ตั้งกฎไว้ว่า
" เราไม่สามารถรู้ได้อย่างแน่นอนถึงตำแหน่งและความเร็ว
ของอนุภาคในเวลาเดียวกัน "

ผลคูณระหว่างความไม่แน่นอนตำแหน่งกับความไม่แน่นอน
โมเมนตัม ต้องมีอะไรมากกว่าหรือเท่ากับ h เสมอ

-

ถ้าทำให้ e หยุดนิ่ง สามารถวัดตำแหน่งได้ แต่ไม่สามารถวัด
ตำแหน่งและโมเมนตัมของ e ได้

∆ ∆ ≥( x) ( p) h ∆x = ความไม่แน่นอนตำแหน่ง
∆p = ความไม่แน่นอนโมเมนตัม

การทดลองด้านสเปกตรัม

1 สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
ถ้าใช้เกรตติงส่องดูแก๊สร้อนในหลอดบรรจุแก๊สชนิดต่าง ๆ จะเห็นว่า
สเปกตรัมของแก๊สร้อนมีลักษณะเป็นเส้นๆ แยกจากกัน

ภาพแสดงลักษณะสเปกตรัม

สเปกตรัมเส้นสว่างของแก๊สแต่ละชนิดมีชุดสเปกตรัมเส้นสว่างแตก
ต่างกัน ซึ่งสเปกตรัมเหล่านี้แสดงสมบัติเฉพาะตัวของธาตุแต่ละชนิด
ถ้าวิเคราะห์สเปกตรัมของไฮโดรเจน จะเห็นเส้นสว่างที่มี
ความยาวคลื่นเรียงกันเป็นกลุ่มอย่างมีระเบียบ ซึ่งเรียกว่า อนุกรม
ในปีพ.ศ. 2428 บัลเมอร์ สามารถหาสูตรที่คำนวณหาความยาวคลื่น
ของสเปกตรัมเส้นสว่างต่าง ๆ ของอะตอมไฮโดรเจนในช่วงที่ตา
เปล่ามองเห็นได้ ซึ่งมีทั้งหมด 4 เส้น

สมการที่ใช้ b = ค่าคงตัว มีค่า 364.56 นาโนเมตร
n = เลขจำนวนเต็มที่มีค่ามากกว่า 2
λ = b [___n_²__]
[ n² - 2²]

ปี พ.ศ. 2433 นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน ริดเบอร์ก ได้เขียนอนุกรม
บัลเมอร์ใหม่

_1_ RH [ _1_ - _1_ ]
λ [ 2² n² ]

R = ค่าคงตัวริดเบิร์ก มีค่าเท่ากับ 1.09737 × 10 7

2 การแผ่รังสีของวัตถุดำ

วัตถุดำ (Black Body) คือ ระบบในอุดมคติที่ดูดกลืนรังสี
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกกระทบ ระบบที่สามารถประมาณได้ว่า
เป็นวัตถุดำ เช่น ทรงกลมกลวงที่แสงผ่านเข้าไปแล้วกลับออกมาไม่ได้
วัตถุดำนอกจากจะดูดกลืนรังสีได้ดีแล้ว ยังแผ่รังสีได้ดีมากด้วย โดยจะแผ่
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ของรังสีอินฟราเรด (รังสีความร้อน)

E = hf E = พลังงาน (J)
h = ค่าคงตัวพลังค์ มีค่า 6.63×10-³⁴ (J/s)
f = ความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Hz)

แบบทดสอบหลังเรียน

รายวิชา
โครงงานคอมพิวเตอร์

จัดทำโดย

1. มัยมุน นิสะ
2. อามานี แยนา
3. ฮัสนาอ์ หะยีบือราเฮง

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6/4

เสนอ

อาจารย์ มุฮตาซีดีน เดียได