โครงสร้างอะตอม
นักปราชญ์ชาวกรีกชื่อดิโมคริตุส (Demokritos) ได้ให้แนวคิดไว้ว่า หน่วยย่อยที่เล็กที่สุดของสารคือ อะตอม ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงไปได้อีก
นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับอะตอมและแปลผลจากข้อมูลที่ได้จากการทดลองนำมาสร้างเป็นมโนภาพหรือแบบจำลอง ซึ่งมีการพัฒนาตามลำดับดังนี้
1.1แบบจำลองอะตอมของดาลตัน
จอห์นดาลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่ง ๆ ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ หลายอนุภาค อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน เช่น มีมวลเท่ากัน แต่จะมีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ
รูปที่ 1 แบบจำลองอะตอมของดาลตัน
นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาได้ศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นพบว่าข้อมูลบางประการไม่สอดคล้องกับดาลตัน เช่น อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน อาจมีมวล แตกต่างกันได้ และอะตอมสามารถแบ่งแยกได้ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเพิ่มเติม และจึงได้พัฒนาแบบจำลองอะตอมขึ้นมาใหม่
1.2.1 หลอดรังสีแคโทด
นักวิทยาศาสตร์ศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊สโดยผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าสูงเข้าไปในหลอดแก้วที่บรรจุแก๊สความดันต่ำ ปรากฏว่าจะเกิดรังสีพุ่งออกจากแคโทดไปยังแอโนด เรียกรังสีชนิดนี้ว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วนี้ว่า หลอดรังสีแคโทด ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 หลอดรังสีแคโทด
1.2.2 หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลงแล้ว
ทอมสันได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมจำนวนมาก โดยดัดแปลงลักษณะของหลอดรังสีแคโทดจากเดิมเล็กน้อย เช่น มีการเติมฉากเรืองแสงไว้ในหลอดรังสีด้วยดังในรูปที่ 3และทอมสันได้นำผลการทดลองในลักษณะต่าง ๆ มาสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม โดยทำเป็นขั้น ๆ ดังนี้
รูปที่ 3 หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลงแล้ว
ผลการทดลองของทอมสันพบว่า ในตอนแรกความดันในหลอดแก้วมีมาก จะยังไม่เห็น
1) บรรจุแก๊สชนิดหนึ่งในหลอดรังสีแคโทด ที่ขั้วแอโนด และขั้วแคโทด ต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูงที่ขั้วแอโนดเจาะรูเล็ก ๆ ตรงกลาง และ ปลายด้านหนึ่งของหลอดรังสีมีฉากเรืองแสง (ทำด้วย ZnS) วางไว้ นำหลอดรังสีนี้ต่อเข้ากับเครื่องสูบสูญอากาศการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ฉากเรืองแสง แม้ว่าจะใช้ศักย์ไฟฟ้าสูง ๆ ก็ตาม ต่อเมื่อลดความดันในหลอดแก้วให้ต่ำลงมาก ๆ จนเกือบเป็นสุญญากาศ จะมีจุดสว่างเกิดขึ้นที่ฉากเรืองแสง บริเวณที่ตรงกับรูที่เจาะไว้ที่แอโนด
2) เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ และต้องการจะทราบว่าประจุไฟฟ้าที่มากระทบฉากเรืองแสง เป็นประจุบวกหรือประจุลบ ทอมสันจึงทดลองต่อไปโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย โดยยึดหลักว่า อนุภาคที่มีประจุจะต้องเกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า ถ้าอนุภาคนั้นมีประจุบวกจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า และถ้ามีประจุลบจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก ทั้งนี้ศึกษาการเบี่ยงเบนได้จากฉากเรืองแสง ดังรูปภาพที่ 4
รูปที่ 4 หลอดรังสีแคโทดที่มีการต่อสนามไฟฟ้าภายนอกเข้าไป
จากการทดลองพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง เบนไปจากตำแหน่งเดิม คือเบี่ยงเบนขึ้นสู่ด้านบน ซึ่งถ้าลากเส้นจากขั้วไฟฟ้าจะเห็นว่ารังสีนั้นเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า แสดงว่ารังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุจึงเกิดการเบี่ยงเบนขึ้น ดังรูปที่ 5
การที่แนวของรังสีเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า ก็แสดงว่ารังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ
รูปที่ 5 แนวของรังสีแคโทดเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า
ซึ่งสังเกตได้จากจุดสว่างที่อยู่ตำแหน่งบนของฉากเรืองแสง
เมื่อทดลองถึงขั้นนี้ ทำให้ทอมสันตั้งสมมติฐานว่า อะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่ส่วนหนึ่งมีประจุลบ แต่ยังไม่ทราบว่าอนุภาคที่มีประจุลบเหล่านี้เกิดจากแก๊สในหลอดรังสีหรือเกิดจากขั้วไฟฟ้า และไม่ทราบว่ารังสีแคโทดนี้จะเหมือนกันหรือไม่ จะประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่ และถ้าใช้แก๊สต่างชนิดกันจะมีลักษณะเหมือนหรือต่างกันอย่างไร
3) ทอมสันศึกษาสมบัติของรังสีแคโทดต่อไป โดยหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสีนั้น ทั้งนี้อาศัยหลักที่ว่านอกจากรังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนได้ในสนามไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถเบี่ยงเบนได้ในสนามแม่เหล็กด้วย
ในตอนแรกทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนแก๊สชนิดต่าง ๆ ในหลอดรังสีแคโทดแล้วทดลองในทำนองเดียวกัน ปรากฏว่าได้ผลการทดลองเหมือนเดิม และเมื่อลองเปลี่ยนชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ทำแคโทดก็ยังคงพบว่า ยังได้ผลการทดลองเหมือนเดิมอีกเช่นกัน คือจะมีรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมาที่ฉากเรืองแสง และรังสีเกิดการเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จึงทำให้ไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าอนุภาคที่มีประจุลบนั้นเป็นอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่
ทอมสันจึงได้ทดลองต่อไปอีก โดยนำหลอดรังสีวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ทั้งนี้ในทิศทางของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าดังในรูปที่ 6
รูปที่ 6 การเพิ่มสนามแม่เหล็กเข้าไปในการทดลองของทอมสัน
ที่มา : Ebbing and Gammon (2007 : 45)
ในช่วงแรกที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป จุดสว่างบนฉากเรืองแสง จะเบี่ยงเบนขึ้นด้านบน เมื่อใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป และเพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กทีละน้อยจะพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสงค่อย ๆ มีการเบี่ยงเบนน้อยลง คือจุดเรืองแสงค่อย ๆ กลับมาสู่ตำแหน่งเดิมเหมือนตอน ที่ไม่มีสนามไฟฟ้า
ผลจากการทดลองดังกล่าวแสดงว่าในขณะนี้ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความแรงของสนามแม่เหล็ก จุดสว่างบนฉากเรืองแสงจึงไม่มีการเบี่ยงเบน
เมื่อนำความแรงของสนามไฟฟ้า และความแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคลบมาคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคลบนั้น ปรากฏว่าได้ค่าคงที่เท่ากันทุกครั้ง ไม่ว่าทอมสันจะใช้แก๊สชนิดใด หรือไม่ว่าจะใช้โลหะใดเป็นแคโทด คือได้
จากผลการทดลอง และผลการคำนวณ ทำให้ทอมสันสรุปว่า “ อนุภาคลบในรังสีแคโทดจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน และอะตอมทุกชนิดย่อมจะมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบเหมือนกัน และเรียกอนุภาคลบนี้ว่า อิเล็กตรอน ”
1.2.3 การค้นพบโปรตอน
เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอมจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ด้วย
ออยเกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดเล็กน้อย ดังรูปที่ 7
ข ก
