ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

ฟิสิกส์อะตอม : อะตอม และการค้นพบอิเล็กตรอน
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

อะตอม และการค้นพบอิเล็กตรอน แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
และการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
การทดลองด้านสเปกตรัม
ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทฤษฎีอะตอมของโบร์ การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์
รังสีเอกซ์ ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีอะตอมของโบร์ กลศาสตร์ควอนตัม
เลเซอร์ ตัวนำ กึ่งตัวนำ และฉนวน

อะตอม

มนุษย์เริ่มสนใจโครงสร้างของสสาร โดยการสังเกตสิ่งต่างๆ ในธรรมชาติและพบว่ามีสมบัติแตกต่างกันหลากหลาย คือ มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ จึงสงสัยต่อไปว่าสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยชิ้นส่วนย่อยอย่างไร นำไปสู่ความคิดที่ว่าสสารมีชิ้นส่วนย่อยเล็กที่สุดที่เรียกว่า อะตอม เมื่อถึงสมัยของ ดอลตัน (John Dalton) สมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมมีความชัดเจนขึ้น

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันกล่าวว่า "สารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมซึ่งเป็นสิ่งที่แบ่งแยกไม่ได้ และธาตุแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมที่มีสมบัติเหมือนกันทั้งน้ำหนัก และขนาด อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีน้ำหนักต่างกัน และอะตอมชนิดหนึ่งไม่สามารถเปลี่ยนไปเป็นอะตอมชนิดอื่นได้ แต่อาจรวมกับอะตอมของธาตุอื่นในสัดส่วนที่คงตัว ทำให้เกิดสารประกอบอะตอมที่ยังคงลักษณะเฉพาะของมันขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี"

การค้นพบอิเล็กตรอน


การศึกษาการนำกระแสไฟฟ้าในก๊าซที่มีความดันต่ำได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในปี พ.ศ.2398 ได้มีการสร้างเครื่องสูบสุญญากาศขึ้น และสิ่งประดิษฐ์นี้นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่การพบอิเล็กตรอนในที่สุด เมื่อมีการบรรจุก๊าซความดันต่ำเข้าไปในหลอดแล้วต่อขั้วไฟฟ้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง ดังรูป 1.1 ก. พบว่าบริเวณผนังของหลอดจะเรืองแสงเป็นสีเขียวจางๆ

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
รูป 1.2 แสดงเงาที่เกิดจากรังสีแคโทด
ต่อมาในปี พ.ศ.2408 เซอร์ วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) ทำการทดลองกับหลอดสุญญากาศเช่นกัน แต่ดัดงอหลอดเป็นมุมฉาก ดังรูป 1.1 ข. แล้วต่อขั้วไฟฟ้าของหลอดที่บรรจุก๊าซความดันต่ำนี้เข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง พบว่าการเรืองแสงสีเขียวจะเกิดมากที่สุดตามบริเวณผนังหลอดด้านในที่อยู่ตรงข้ามขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ แสดงว่าการเรืองแสงดังกล่าวเกิดจากรังสีที่ออกมาจากขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด (cathode ray)

ในเวลาต่อมาได้มีการศึกษาธรรมชาติของรังสีแคโทด โดยใช้แผ่นโลหะบางๆ กั้นรังสีแคโทด ทำให้เกิดเงาของแผ่นโลหะปรากฏบนผนังหลอดดังรูป 1.2 และเมื่อให้รังสีแคโทดผ่านสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าพบว่า รังสีนี้มีการเปลี่ยนแปลงในบริเวณที่มีสนามทั้งสอง

การค้นพบอิเล็กตรอนโดยการทดลองของทอมสัน

พ.ศ.2440 เมื่อ เจ เจ ทอมสัน (Sir Joseph John Thomson) ทดลองใช้หลอดสุญญากาศลักษณะคล้ายหลอดในรูป 1.3 ก. โดยมี C เป็นขั้วแคโทด A เป็นขั้วแอโนด P และ Q เป็นแผ่นโลหะขนาน

รูป 1.3 หลอดที่ทอมสันใช้วัดอัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้าต่อมวลของอนุภาครังสีแคโทด

เมื่อต่อขั้วแคโทดและขั้วแอโนดกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูง รังสีแคโทดจะออกจากขั้วแคโทด C ไปยังขั้วแอโนด A ส่วนที่ผ่านช่องเล็กๆ ของทรงกระบอก A และ D เป็นลำของอนุภาคตรงไปกระทบสารเรืองแสงซึ่งฉาบไว้ที่ปลายอีกข้างหนึ่งของหลอด ทำให้เกิดจุดสว่างเล็กๆ S และเมื่อต่อแผ่นโลหะ P และ Q กับขั้วแบตเตอรรี่ พบว่า จุดสว่าง S จะเลื่อนไปจากตำแหน่งเดิม

ข้อสังเกตจากการทดลอง ทำให้ทอมสันสามารถสรุปได้ว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประไฟฟ้าลบ จึงเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า อนุภาครังสีแคโทด (cathode ray particle) นอกจากนี้ ทอมสันยังทดลองวัดอัตราส่วนประจุไฟฟ้าต่อมวล () ของอนุภาคนี้ด้วย

เมื่ออนุภาครังสีแคโทดเคลื่อนที่เข้าไปในบริเวณระหว่างแผ่นโลหะ P และ Q ขณะที่มีแต่สนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจะส่งแรงกระทำต่ออนุภาค ทำให้แนวการเคลื่อนที่เบนเป็นส่วนโค้งของวงกลม แต่เมื่ออนุภาครังสีแคโทดผ่านพ้นบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก มันจะเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงพุ่งไปกระทบฉากเรืองแสง ดังรูป 1.4 ก.

รูป 1.4 แนวทางการเคลื่อนที่ของอนุภาครังสีแคโทดเมื่อผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก

สมมติให้อนุภาครังสีแคโทดมีมวล m ประจุไฟฟ้า q และเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงด้วยความเร็ว v ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กขนาด B แนวทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะถูกเบี่ยงเบนเป็นส่วนโค้งของวงกลมที่มีรัศมี R โดยแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก FB เป็นแรงสู่ศูนย์กลาง FC ดังรูป 1.4 ข.



เพราะ B และ R เป็นปริมาณที่สามารถวัดได้ ส่วน v นั้น ทอมสันได้ทำการทดลองวัดโดยปรับขนาดและทิศของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กให้พอเหมาะ จนกระทั่งลำอนุภาครังสีแคโทดไม่เบนไปจากแนวเดิม ซึ่งแสดงว่าแรงเนื่องจากสนามทั้งสองที่กระทำต่ออนุภาครังสีแคโทดมีขนาดเท่ากันและแรงทั้งสองมีทิศตรงข้ามกัน ดังรูป 1.5

รูป 1.5 แนวทางการเคลื่อนที่ของอนุภาครังสีแคโทดในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกันและกัน



ในสมการ (1.2) สนามไฟฟ้า E เป็นปริมาณที่วัดได้ เมื่อแทนค่า v ในสมการ (1.1) จะคำนวณหาอัตราส่วน ได้

ทอมสันได้ทดลองวัด ซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทด ปรากฏว่าอัตราส่วน ของอนุภาครังสีแคโทดที่คำนวณได้จากการทดลองมีค่าโดยประมาณเท่ากัน คือ 1.76 x 1011 คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม เขาจึงสรุปว่า รังสีแคโทดที่พุ่งออกจากโลหะทั้งหลายเป็นอนุภาคที่มีมวลและเป็นอนุภาคชนิดเดียวกัน ซึ่งต่อมาได้ชื่อว่า อิเล็กตรอน (electron) จึงถือว่าทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบอิเล็กตรอน

นอกจากนี้ ทอมสันยังได้ทดลองวัดอัตราส่วน ของไอออนของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอะตอมของไฮโดรเจนที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป ดังนั้น ประจุไฟฟ้าของไอออนไฮโดรเจนจึงเป็นบวก ทอมสันพบว่า อัตราส่วน ของไอออนไฮโดรเจนที่มีค่าโดยประมาณเท่ากับ 9.7 x 107 คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม ซึ่งค่าที่ได้นี้สอดคล้องกับ ที่ได้จากการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของฟาราเดย์

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่า ประจุของอิเล็กตรอนกับประจุของไอออนของไฮโดรเจนมีค่าเท่ากัน ดังนั้น การเปรียบเทียบค่า ของอนุภาคทั้งสองทำให้รู้ว่า ไอออนของไฮโดรเจนมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1800 เท่า

ผลการทดลองของทอมสันแสดงให้เห็นว่า ขั้วไฟฟ้าลบที่ทำจากโลหะทุกชนิดสามารถให้อิเล็กตรอนได้ ทอมสันจึงสรุปว่า อะตอมซึ่งแต่เดิมเข้ากันว่าแบ่งย่อยไม่ได้นั้น ความจริงสามารถแบ่งย่อยไปได้อีก และอิเล็กตรอนคือองค์ประกอบหนึ่งของอะตอมทุกชนิด

การหาประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนโดยการทดลองของมิลลิแกน

การทดลองของทอมสันทำให้รู้อัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน แต่ยังไม่สามารถรู้ขนาดของประจุไฟฟ้าและขนาดของมวลของอิเล็กตรอนได้ จนกระทั่งนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ โรเบิร์ต เอ มิลลิแกน (Robert Andrew Millikan) ได้ทดลองวัดค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ โดยการวัดประจุบนหยดน้ำมัน

รูป 1.6 เครื่องมือทดลองของมิลลิแกน

ส่วนประกอบที่สำคัญคือแผ่นโลหะ A และ B ที่ขนานกัน และอยู่ห่างกันเป็นระยะ d แผ่น A ถูกเจาะเป็นรูเล็กๆ เหนือแผ่น A มีกระบอกฉีดน้ำมันซึ่งปากกระบอกเป็นรูเล็กมาก เมื่อฉีดละอองของหยดน้ำมันขนาดเล็กเข้าไปในระหว่างแผ่นโลหะขนาน แล้วฉายรังสีเอกซ์ จะทำให้อากาศแตกตัว มีประจุไฟฟ้าไปเกาะบนหยดน้ำมันจากนั้นปรับค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า หยดน้ำมันที่มีประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ขึ้นลงด้วยอัตราเร็วต่างๆ ในสนามไฟฟ้า แต่เมื่อต่อขั้วไฟฟ้าบวกกับแผ่นโลหะ A และต่อขั้วไฟฟ้าลบกับแผ่นโลหะ B จะพบว่า หยดน้ำมันบางหยดจะเคลื่อนที่ช้าลง บางหยดเคลื่อนที่เร็วขึ้น

เมื่อเราปรับความต่างศักย์ไฟฟ้าได้อย่างพอเหมาะ จะมีหยดน้ำมันบางหยดลอยนิ่งอยู่กับที่หรือเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัว ถ้าไม่คำนึงถึงแรงลอยตัว ถือได้ว่าแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากับแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อหยดน้ำมันสมดุลกันพอดี

หยดน้ำมันมวล m มีประจุไฟฟ้า q จะได้ว่า



จากการทดลองกับหยดน้ำมันหลายชนิด มิลลิแกนพบว่าประจุไฟฟ้า q ที่วัดได้เป็นจำนวนเท่าของค่าคงตัวค่าหนึ่ง คือ 1.602 x 10-19 คูลอมบ์ แสดงว่าค่านี้เป็นค่าประจุที่เป็นหน่วยเล็กที่สุด และการที่หยดน้ำมันแต่ละหยดมีประจุบวกหรือลบ ก็เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเกินหรือพร่องไป หยดที่มีประจุไฟฟ้าลบนั้นอาจได้รับอิเล็กตรอนเกินเป็นจำนวนเต็มต่างๆ กัน เช่น อาจจะเป็น 1 หรือ 2 หรือ 3 ฯลฯ โดยประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมีขนาดเท่ากับ 1.602 x 10-19 นิยมใช้สัญลักษณ์ e แทนค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนนี้

ผลการทดลองของทอมสันแสดงให้เห็นว่า อัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้าต่อมวลของอิเล็กตรอนเป็น เท่ากับ 1.76 x 1011 คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม มิลลิแกนจึงสามารถคำนวณหามวลของอิเล็กตรอนได้ว่า



นั่นคือ มวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.1 x 10-31 กิโลกรัม

การค้นพบอิเล็กตรอนและการทราบว่าอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก เมื่อเทียบกับมวลของไฮโดรเจนไอออน ทำให้เกิดความขัดแย้งกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันที่ว่า "สสารประกอบด้วยหน่วยย่อยที่สุดซึ่งเรียกว่า อะตอม ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกได้" ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงเสนอทฤษฎีอะตอมใหม่ว่าอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม และแม้ว่าการค้นพบอิเล็กตรอนจะทำให้นักฟิสิกส์เข้าใจโครงสร้างอะตอมดีขึ้นจากที่ว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งแยกออกได้นั้น แต่ก็ยังไม่พอที่จะอธิบายว่าโครงสร้างอะตอมมีลักษณะใด



ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมปีที่ 6
จำนวนคนอ่าน 39840 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved