Untitled Document

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

นักเรียนเคยทราบมาแล้วว่าของแข็งบางชนิด เช่น เหล็ก ทองแดง เงิน นำไฟฟ้าได้ สารละลายโซเดียมคลอไรด์ สารละลายกรดไฮโดรคลอริกซึ่งเป็นของเหลวก็สามารถนำไฟฟ้าได้นักเรียนคิดว่า สารในสถานะก๊าซนำไฟฟ้าได้หรือไม่

โดยทั่วไป ก๊าซที่ความดันปกติและอยู่ภายใต้ความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้า ขนาด 220 โวลต์ จะไม่นำไฟฟ้า แต่ในบางโอกาสก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้ ซึ่งจะเห็นได้จากปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่น การเกิดฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า

Sir William Crookes ได้สร้างเครื่องมือที่ใช้ในการนำไฟฟ้าของก๊าซขึ้น เรียกว่าหลอดรังสีแคโทด ซึ่งทำด้วยหลอดแก้ว มีแผ่นโลหะ 2 แผ่น เรียกว่า อิเล็กโตรด (Electrode) ซึ่งต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าศักย์สูง ภายในหลอดบรรจุก๊าซโดยทำให้มีความดันต่ำ ปลายด้านหนึ่งต่อเข้ากับขั้วบวกของสนามไฟฟ้า เรียกว่าแผ่นแอโนด (Anode) ปลายอีกด้านหนึ่งต่อเข้ากับขั้วลบของสนามไฟฟ้า เรียกว่าแผ่นแคโทด (Cathode) เมื่อต่อขั้วไฟฟ้าให้ครบวงจรแล้ว เราสามารถตรวจว่ามีกระแสครบวงจร แม้จะมองไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ก็ตาม

G.J. Stoney เป็นผู้แรกที่กล่าวถึงอนุภาคไฟฟ้าในสารโดยอธิบายลักษณะของประจุไฟฟ้าว่าเป็นอนุภาคไฟฟ้าเล็กๆ และอนุภาคเหล่านี้อยู่ร่วมกันกับอะตอม    เขาจึงให้ชื่อว่าอิเล็กตรอน แต่ก็เป็นเพียงกล่าวถึงอิเล็กตรอนเท่านั้นยังไม่กล่าวถึงรายละเอียดมาก

           ค . ศ . 1897 เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ( J.J. Thompson)    ได้ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซโดยใช้หลอดรังสีแคโทด ด้วยวิธีการดังนี้

         1.   บรรจุก๊าซชนิดหนึ่งไว้ในหลอดรังสีแคโทดซึ่งต่อกับเครื่องสูบเอาอากาศออกเพื่อให้ภายในมีความดันต่ำ      ต่อขั้วทั้งสองเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าศักย์สูง ที่แผ่นอาโนดเจาะรูตรงกลาง มีแผ่นฉากเรืองแสงซึ่งเคลือบด้วย ZnS ( ซิงค์ซัลไฟด์ ) วางที่ปลายหลอด เมื่อครบวงจรจะปรากฏเห็นจุดสว่างบนฉากเรืองแสง

2. เมื่อทอมสันได้เห็นปรากฏการณ์เช่นนั้นจึงคิดว่า รังสีที่พุ่งมาเป็นเส้นตรงจากแผ่นแคโทดมายังแผ่นแอโนดแล้วไปกระทบฉากเรืองแสงนั้นเป็นรังสีชนิดใด เขาได้ทดลองโดยเอาสนามไฟฟ้ามาต่อระหว่างหลอดรังสีแคโทด และได้พบว่ารังสีนี้เบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า แสดงว่ารังสีนี้ต้องมีประจุลบอย่างแน่นอนเรียกรังสีชนิดนี้ว่า รังสีแคโทด (Cathode ray)

3. ต่อมาทอมสันได้ทดลองบรรจุก๊าซชนิดอื่นๆ เข้าในหลอดรังสีรวมทั้งเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้เป็นแคโทด ก็ยังพบว่าจะได้รังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบมาตกที่ฉากเรืองแสงเสมอ นอกจากนี้เขายังสามารถคำนวนหาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนว่ามีค่าคงที่

ของอิเล็กตรอน คูลอมบ์ต่อกรัม

จากผลการทดลองอันนี้ทำให้ทอมสันคิดว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดต้องมีอนุภาคที่มีประจุลบและเรียกว่า อิเล็กตรอน

นอกจากนี้ ออยเกน โกลด์ชไตน์ (E.Goldstein) ก็ยังเชื่อว่าภายในอะตอมจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกเพราะว่าอะตอมโดยทั่วไปจะเป็นกลางทางไฟฟ้า ด้วยวิธีการดังต่อไปนี้

1. เขาได้ทดลองโดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดด้วยการเจาะรูที่แผ่นแคโทด และเพิ่มฉากเรืองแสงด้านแคโทด พบว่ามีการเรืองแสงขึ้น และเมื่อทดสอบรังสีโดยใช้สนามไฟฟ้าเช่นเดียวกัน จะเห็นรังสีนี้เบนเข้าหาขั้วลบ แสดงว่ารังสีนี้ต้องมีประจุบวกจึงให้ชื่อว่า รังสีคาแนล (Canal ray) ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็นรังสีบวก (positive ray)

2.   เมื่อเขาทดลองกับก๊าซหลายชนิด พบว่า จะได้ผลเช่นเดียวกันคือ    รังสีนั้นจะเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า แต่จะมีอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอนุภาคบวกไม่คงที่ ( ไม่คงที่ ) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่บรรจุภายใน และเมื่อเขาใช้ก๊าซโฮโดรเจนทดลอง

จะได้อนุภาคบวกที่มีประจุเท่ากับอิเล็กตรอน    จึงตั้งชื่อว่า โปรตอน (Proton)

จากการทดลองของทอมสันและโกลด์ชไตน์ ทำให้สรุปได้ว่า “ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก ( โปรตอน ) และอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ ( อิเล็กตรอน ) กระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีประจุบวกเท่ากับประจุลบ ”

จากแบบจำลองดังกล่าวอธิบายได้ว่า เมื่ออะตอมของโลหะที่ใช้ทำเป็นแคโทดได้รับพลังงานสูงพอก็จะให้อิเล็กตรอนออกมาวิ่งไปที่แผ่นโลหะที่ใช้เป็นแอโนด ก็จะไปชนกับอะตอมของก๊าซที่บรรจุภายใน ทำให้อิเล็กตรอนของก๊าซเหล่านั้นหลุดออกมา และ อิเล็กตรอนทั้งหมดรวมกันเรียกว่า รังสีแคโทด (Cathode ray) วิ่งมายังแผ่นแอโนดแล้วทะลุไปกระทบฉากเรืองแสง ส่วนอะตอมของก๊าซที่อิเล็กตรอนหลุดออกไปก็จะเหลืออนุภาคที่มีประจุบวกวิ่งมาทางด้านแคโทด แล้วไปกระทบฉากเรืองแสง เกิดการเรืองแสงขึ้นที่ฉาก

ค . ศ . 1908 R.A. Millikan สามารถหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีเม็ดน้ำมัน (oil dropexperiment) ซึ่งทำการทดลองดังนี้ กล่าวคือ พ่นน้ำมันออกเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะทั้งสอง ผ่านกระแสไฟฟ้าให้เกิดประจุไฟฟ้า ตัวละอองเม็ดน้ำมันก็ถูกทำให้มีประจุเสียก่อนด้วยการใช้รังสีเอกซ์ไปทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของก๊าซในอากาศแล้วไปติดกับเม็ดน้ำมัน ถ้าไม่มีสนามไฟฟ้า เม็ดน้ำมันจะตกลงด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก แต่ถ้าทำให้แผ่นโลหะมีประจุไฟฟ้า จะเห็นว่าเม็ดน้ำมันตกลงช้ากว่าและสามารถทำให้หยุดนิ่งได้ หมายความว่า ขณะนี้แรงจากสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงโน้มถ่วงของโลก เมื่อปิดสนามไฟฟ้าเม็ดน้ำมันก็จะตกลงมาก็สามารถวัดความเร็วได้ แล้วคำนวณหามวลของเม็ดน้ำมันได้ ซึ่งเมื่อทราบความแรงของสนามไฟฟ้า จะทำให้วัดค่าประจุไฟฟ้าบนเม็ดน้ำมันได้ ซึ่งเป็นจำนวนเท่าของ 1.6 x 10 คูลอมบ์ ดังนั้นประจุของอิเล็กตรอนจึงมีค่าเท่ากับ 1.6 x 10 คูลอมบ์