แบบจำลองอะตอมของนีลส์ โบร์

นีสส์ โบร์

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาเรื่องเกี่ยวกับอะตอม โดยได้เสนอแบบจำลองอะตอมจากการทดลองที่เกิดขึ้น ซึ่งแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ดได้รับการยอมรับแต่ก็ยังไม่สมบูรณ์ จึงมีผู้พยายามหาคำอธิบายเพิ่มเติม โดยในปี 1913 นีล โบร์ (Niels Bohr) นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ได้ทำการศึกษาการเกิดสเปกตรัมของก๊าซไฮโดรเจน และได้สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นวงคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว และเรียกระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด ซึ่งมีระดับพลังงานต่ำที่สุด เรียกว่า ระดับพลังงาน K และเรียกระดับพลังงานถัดออกมาว่า ระดับพลังงาน L,M,N,… ตามลำดับ

วิธีทำการทดลอง
เขาศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป

ผลการทดลอง
อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ

สรุปผลการทดลอง
การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่างๆ..

สรุปแบบจำลองอะตอมของโบร์

1.อะตอมประกอบด้วยโปรตรอน+นิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนอยู่รอบล้อม

2. อิเลคตรอนจะอยู่กันเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นเรียกว่า “ระดับพลังงาน” โดยระดับพลังงงานต่ำสุดชื่อชั้น K(n=1) พลังงานชั้นถัดออกไปชื่อ L(n=2) , M(n=3) , ...

3. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเลคตรอน (Valent electron)จะเป็นอิเลคตรอน ที่เกิดปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้

4. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงในอยู่ใกล้นิวเคลียส จะเสถียรมากเพราะประจุบวกจากนิวเคลียสดึงดูดไว้อย่างดี ส่วนอิเลคตรอนระดับพลังงานวงนอกจะไม่เสถียรเพราะนิวเคลียสส่งแรงไปดึงดูดได้น้อยมาก

5. ระดับการพลังงานวงในจะอยู่ห่างกันมาก ส่วนระดับพลังงานวงนอกจะอยู่ชิดกันมาก

6. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเลคตรอน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนในระดับถัดกัน อาจเปลี่ยนข้ามระดับพลังงานกันก็ได้

แบบจำลองของนีลส์ โบร์

คลื่นและสมบัติของแสง

จากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้ทราบถึงการจัดโครงสร้างของอนุภาคต่าง ๆ ในนิวเคลียส แต่ไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในลักษณะใด นักวิทยาศาสตร์ในลำดับต่อมาได้หาวิธีทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส วิธีหนึ่งก็คือการศึกษาสมบัติและปรากฏการณ์ของคลื่นและแสง แล้วนำมาสร้างเป็นแบบจำลอง คลื่นชนิดต่าง ๆ เช่น คลื่นแสง คลื่นเสียง มีสมบัติสำคัญ 2 ประการ คือ ความยาวคลื่นและความถี่ คลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นต่าง ๆ กัน ดังรูปต่อไปนี้

สเปกตรัม

ถ้าให้แสงอาทิตย์ซึ่งเป็นแสงขาวส่องผ่านปริซึม แสงขาวจากดวงอาทิตย์จะแยกออกเป็นแสงสีรุ้งต่อเนื่องกัน เรียกว่า “สเปกตรัมของแสงขาว”

สเปกตรัมของแสงขาวที่ส่องผ่านปริซึม

สเปกตรัมของแสงขาวเกิดจากการที่เมื่อแสงซึ่งมีความยาวคลื่นต่าง ๆ กันผ่านไปยังปริซึม แสงจะหักเหได้ไม่เท่ากัน เกิดเป็นแถบสีรุ้งต่อเนื่องกัน โดยมีความยาวคลื่นในช่วงต่าง ๆ ดังนี้

แสงสีม่วง 400 – 420 nm. (นาโนเมตร)

แสงสีคราม–น้ำเงิน 420 – 490 nm. (นาโนเมตร)

แสงสีเขียว 490 – 580 nm. (นาโนเมตร)

แสงสีเหลือง 580 – 590 nm. (นาโนเมตร)

แสงสีแสด (ส้ม) 590 –650 nm. (นาโนเมตร)

แสงสีแดง 650 – 700 nm. (นาโนเมตร)

ความยาวคลื่น หมายถึงระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ มีหน่วยเป็นเมตร (m) และนาโนเมตร (nm)

ความถี่ของคลื่น หมายถึงจำนวนรอบของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s–1) หรือเรียกชื่อเฉพาะว่า “เฮิรตซ์” (Hz)

ความยาวคลื่นและความถี่ มีความสัมพันธ์กันดังนี้

ในปี ค.ศ. 1900 มักซ์ พลังค์ (Max Plank) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้แสดงให้เห็นว่าแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะให้พลังงานเป็นหน่วย ๆ เรียกว่า “quantum” (ควอนตัม) และได้ข้อสรุปเกี่ยวกับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่า “พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่น”

นปี ค.ศ. 1900 มักซ์ พลังค์ (Max Plank) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้แสดงให้เห็นว่าแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะให้พลังงานเป็นหน่วย ๆ เรียกว่า “quantum” (ควอนตัม) และได้ข้อสรุปเกี่ยวกับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่า “พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่น”

E แปรผันตรงกับ V

E=hv ...........(1)

เมื่อ E คือพลังงาน มีหน่วยเป็นจูล (J)

h คือค่าคงที่ของพลังค์ มีค่าเท่ากับ 6.626 x 10 ยกกำลัง -34 จูลวินาที (Js)

v คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) หรือ s–1

แต่จาก

แทนค่าในสมการ (1) จะได้

E=.............(2)

c คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ = 3.0 x 10 ยกกำลัง 8 m/s

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการเผาสารประกอบและธาตุบางชนิด โดยนำสารประกอบมาเผา แล้วสังเกตสีของเปลวไฟที่เกิดขึ้น ส่องดูสีของเปลวไฟด้วยสเปกโตรสโคป เพื่อศึกษาสเปกตรัมที่ได้ ซึ่งสรุปได้ว่า

1. สารประกอบของโลหะชนิดเดียวกันจะให้สีเปลวไฟสีเดียวกัน และได้เส้นสเปกตรัมซึ่งเป็นแบบเฉพาะ นั่นคือ มีสีและตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมเหมือนกัน ดังตัวอย่าง

สารประกอบ

ลิเทียม เช่น LiCl , LiNO3 , Li2CO3 เปลวไฟสีแดง

โซเดียม เช่น NaCl , Na2SO4 , Na2CO3 เปลวไฟสีเหลือง

โพแทสเซียม เช่น KCl , K2SO4 , KNO3 เปลวไฟสีม่วง

รูบิเดียม เช่น RbCl , Rb2SO4 , RbNO3 เปลวไฟสีแดงเข้ม

ซีเซียม เช่น CsCl , Cs2SO4 , CsNO3 เปลวไฟสีฟ้า

แคลเซียม เช่น CaCl2 , CaSO4 , Ca(NO3)2 เปลวไฟสีแดงอิฐ

แบเรียม เช่น BaCl2 , BaSO4 , Ba(NO3)2 เปลวไฟสีเขียวแกมเหลือง

ทองแดง เช่น CuCl2 , CuSO4 , Cu(NO3)2 เปลวไฟสีเขียว

สารประกอบของโลหะต่างชนิดกันอาจจะมีสีของสเปกตรีมคล้ายกัน แต่จะมีตำแหน่งของเส้นสเปกตรัมต่างกันเป็นแถบเฉพาะของโลหะนั้น ๆ ดังนั้นจึงสามารถใช้สีของเปลวไฟและเส้นสเปกตรัมในการวิเคราะห์องค์ประกอบของสารได้ โดยนำสารประกอบนั้นไปเผา แล้วนำสีของเปลวไฟและเส้นสเปกตรัมที่ได้เปรียบเทียบกับผลการทดลองที่นักวิทยาศาสตร์ได้สรุปไว้แล้ว การวิเคราะห์สารวิธีนี้เรียกว่า “Flame test”

2. ในการเผาสารประกอบ องค์ประกอบส่วนที่เป็นอโลหะจะให้สเปกตรัมในช่วงที่ตาเรารับไม่ได้ จึงมองไม่เห็นเส้นสเปกตรัม

3. ในการศึกษาสเปกตรัมของธาตุที่เป็นแก๊สจะนำแก๊สไปบรรจุหลอดแก้วที่มีความดันต่ำ และผ่านกระแสไฟฟ้าศักย์สูงเข้าไปแทนการเผาด้วยความร้อน เมื่อแก๊สได้รับพลังงานไฟฟ้าจะปล่อยแสงเป็นสเปกตรัมลักษณะเฉพาะของธาตุนั้น ๆ และธาตุอโลหะบางชนิดก็ให้แสงที่ตารับได้ เช่น He , Ne , Ar เป็นต้น