แบบจำลองอะตอม

การค้นพบอิเล็กตรอน

• จากการศึกษาเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าในสถานะแก๊สที่ความดันต่ำ นำไปสู่การพัฒนาหลอดรังสีแคโทด (cathode ray) ซึ่งประกอบไปด้วยหลอดแก้วที่ทำการสูบอากาศออกจนความดันอากาศต่ำมาก ภายในหลอดแก้วบรรจุขั้วไฟฟ้าบวกหรือขั้วแอโนด (anode) และขั้วไฟฟ้าลบหรือขั้วแคโทด (cathode) ซึ่งต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูง (high voltage) เมื่อทำการเจาะรูที่ขั้วบวกหรือแอโนด พบว่ามีการส่องสว่างเกิดขึ้นที่ปลายของหลอดแก้วทางฝั่งแอโนด ทำให้สันนิษฐานได้ว่าสิ่งที่ทำให้เกิดการส่องสว่างเป็นรังสีที่พุ่งมาจากขั้วลบหรือขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีดังกล่าวว่ารังสีแคโทด (cathode ray) จากนั้นก็ได้มีการค้นพบว่าเมื่อรังสีดังกล่าวอยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กแล้วแนวของรังสีจะเกิดการเบี่ยงเบน ทำให้สามารถสรุปได้ว่ารังสีที่เกิดจากขั้วแคโทดที่ถูกเร่งให้เกิดด้วยความต่างศักย์ไฟฟ้าประกอบไปด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ ซึ่งก็คือออิเล็กตรอนนั่นเอง
• จากนั้น ทอมสัน (J.J.Thomson) ได้ทำการทดลองหาค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนจากรังสีแคโทด โดยการให้อิเล็กตรอนจากลำรังสีแคโทดเคลื่อนที่ภายใต้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

เมื่อพิจารณาเฉพาะลำรังสีภายใต้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้ม  คงที่ ซึ่งทำให้วิถีของลำรังสีมีลักษณะเป็นเส้นโค้งวงกลม แรงแม่เหล็กจะมีขนาดเท่ากับแรงเข้าสู่ศูนย์กลางดังแสดง

ทำให้ประจุต่อมวลสามารถเขียนให้อยู่ในรูป

ตัวแปร  และ  คือความเข้มของสนามแม่เหล็กและรัศมีของวิถีโค้งสามารถที่จะกำหนดและวัดได้ ส่วนตัวแปร  หรืออัตราเร็วของอิเล็กตรอนสามารถวัดได้โดยอ้อมโดยการเพิ่มสนามไฟฟ้าคงที่ที่สร้างแรงไฟฟ้าสถิตต่ออิเล็กตรอนในขนาดที่เท่ากับแรงแม่เหล็กและส่งผลให้วิถีการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนกลายเป็นเส้นตรง

 ทำให้สามารถหาความเร็วของอิเล็กตรอนในลำรังสีได้จากสัดส่วนระหว่างความเข้มของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กดังนี้

แทนความสัมพันธ์ในสมการ (3) ลงในความสัมพันธ์ในสมการ (2) ทำให้ได้ค่าประจุต่อมวลออกมาในรูปของความเข้มสนามแม่เหล็ก  และรัศมีของลำอิเล็กตรอน  ภายใต้สนามแม่เหล็กเพียงอย่างเดียวและความเข้มของสนามไฟฟ้า  ที่ทำให้ลำอิเล็กตรอนที่เป็นเส้นโค้งจากสนามแม่เหล็กกลับกลายเป็นเส้นตรงดังสมการ

ซึ่งจากการทดลองของทอมสันนี้ ค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนถูกหาออกมาได้เป็น  คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม จากนั้นทอมสันได้ใช้วิธีการเดียวกันนี้ในการหาค่าประจุต่อมวลของโปรตอนซึ่งมีค่าเป็น   คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม ซึ่งมีค่าน้อยกว่าค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนประมาณ 1800 เท่าโดยที่ประจุมีค่าเท่ากัน ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าโปรตอนมีมวลที่มากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1800 เท่า และนำมาสรุปเป็นแบบจำลองของอะตอมที่ในหนึ่งอะตอมที่เป็นกลางประกอบไปด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนปริมาณเท่ากันแต่แบบจำลองดังกล่าวยังคงไม่มีข้อมูลว่าโปรตอนและอิเล็กตรอนมีการจัดตัวกันอย่างไรภายในอะตอม

• ในเวลาต่อมา รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้ลองใช้รังสีแอลฟาที่ได้จากการสลายตัวยิงเข้าใส่แผนไมกา อนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นประจุบวกส่วนใหญ่สามารถทะลุผ่านแผ่นไมกาแต่มีอนุภาคส่วนน้อยที่เกิดการกระเจิง (scattering) นั่นคือมีวิถีที่เบียงเบนทำมุมต่างๆกันและอาจมีรังสีบางส่วนที่เกิดการกระเจิงกลับหลัง แสดงให้เห็นว่าอะตอมส่วนใหญ่ประกอบด้วยที่ว่างแต่ในส่วนที่เป็นประจุบวกมีลักษณะรวมตัวกันอย่างหนาแน่นที่จุดศูนย์กลางของอะตอมเรียกว่า นิวเคลียส (nucleus) ทำให้มีประจุมากพอที่จะทำให้เกิดการกระเจิงในลักษณะดังกล่าวได้ ส่วนอิเล็กตรอนที่มีประจุลบก็จะมีการโคจรรอบนิวเคลียสเนื่องจากมีแรงดึงดูดระหว่างประจุบวกและประจุลบ

อย่างไรก็ตามแบบจำลองอะตอมดังกล่าวยังคงมีความขัดแย้งกับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากยังไม่สามารถตอบคำถามเกี่ยวกับวงโคจรของอิเล็กตรอนที่ยังคงเสถียรอยู่ได้ เพราะเมื่อประจุบวกของนิวเคลียสกับประจุลบของอิเล็กตรอนมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน อิเล็กตรอนก็ควรที่จะเคลื่อนที่เข้าใกล้และรวมตัวกับนิวเคลียสในที่สุด พร้อมทั้งคายพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งปัญหาดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยการพิจารณาธรรมชาติของพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมที่มีลักษณะเป็นควอนตาหรือมีความไม่ต่อเนื่อง และคุณสมบัติทวิภาวะของอิเล็กตรอนที่สามารถประพฤติตัวเป็นคลื่นนิ่งรอบนิวเคลียสได้ ดังจะแสดงให้เห็นในบทเรียนถัดไป