ประวัติศาสตร์ของแบบจำลองอะตอม (ฉบับย่อ)

เป็นเวลามากกว่า 200 ปี ที่นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างแบบจำลองเพื่ออธิบายโครงสร้างและส่วนประกอบภายในอะตอม แบบจำลองอะตอมที่มีชื่อเสียงมีอยู่ 5 แบบ เรามาย้อนความหลังดูกันว่าแต่ละแบบมีไอเดียมาจากอะไรกันครับ

1. แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

ในปี ค.ศ.1808 John Dalton เสนอแนวคิดว่าหน่วยเล็กที่สุดของสสารเรียกว่า “อะตอม” โดยอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีคุณสมบัติเหมือนกัน อะตอมของธาตุชนิดหนึ่งไม่สามารถเปลี่ยนไปเป็นอะตอมของธาตุชนิดอื่นได้ และธาตุต่างชนิดกันสามารถรวมกันกลายเป็นสารประกอบได้ แบบจำลองอะตอมของเขาก็เป็นเพียงแค่ทรงกลมแบบง่ายๆ ครับ

2. แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

ก่อนที่จะไปถึงแบบจำลองอะตอมของทอมสัน มีการค้นพบรังสีชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในหลอดสุญญากาศที่มีขั้วโลหะสองขั้ว (anode และ cathode) เมื่อให้ความต่างศักย์ไฟฟ้ากับขั้วทั้งสองจะมีรังสีเดินทางจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนดและเกิดการเรืองแสงขึ้น รังสีนี้เกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้อีกด้วย แสดงว่ารังสีนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีมวลและประจุไฟฟ้า ทอมสันเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด (cathode ray)

J.J. Thomson ทำการทดลองวัดอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของรังสีแคโทดโดยใช้ขั้วแคโทดที่ทำมาจากโลหะชนิดต่างๆ พบว่ายังคงวัดอัตราส่วน e/m ได้เท่าเดิมทุกครั้ง เขาจึงสรุปว่าอนุภาคของรังสีแคโทดที่เกิดจากโลหะชนิดต่างๆ เป็นอนุภาคเดียวกัน เรียกอนุภาคนี้ว่า “อิเล็กตรอน” และสสารทุกชนิดจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน

แม้ว่าทอมสันจะวัดอัตราส่วน e/m ของอิเล็กตรอนได้ แต่ก็ยังไม่รู้ว่าอิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเท่าไหร่ คนที่ทำการวัดประจุของอิเล็กตรอนได้เป็นคนแรกคือ Robert Millikan เขาวิธีการทำให้หยดน้ำมันเกิดประจุไฟฟ้าแล้วเคลื่อนที่ไปในสนามไฟฟ้า แล้วสังเกตการเคลื่อนที่ของหยดน้ำมัน ด้วยการคำนวณ (ในวิชาฟิสิกส์) พบว่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันจะมีค่าเป็นจำนวนเท่าของ 1.6 x 10^-19 คูลอมบ์ แสดงว่าประจุที่เล็กที่สุดของอิเล็กตรอนก็ควรจะมีค่าเท่านี้เช่นกัน เมื่อนำข้อมูลนี้ไปประกอบกับค่า e/m ของทอมสัน ทำให้พบว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมากๆ

ทอมสันได้เสนอแบบจำลองของอะตอมในปี ค.ศ. 1904 โดยสภาพปกติอะตอมจะเป็นกลางทางไฟฟ้า เนื้อของอะตอมมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกระจายอยู่ในอะตอม คล้ายๆ ขนมปังลูกเกด (ในต่างประเทศจะเรียกแบบจำลองอะตอมนี้ว่า “plum-pudding model”)

3. แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

การทดลองที่เป็นจุดเปลี่ยนครั้งสำคัญของแบบจำลองอะตอม เกิดขึ้นโดย Ernest Ruttherford และคณะ เขาทดลองยิงลำของอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกผ่านแผ่นทองคำบางๆ แล้วสังเกตการเบนของอนุภาคแอลฟาที่จะไปชนกับฉากที่ทำจาก ZnS ซึ่งจะทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้น

ผลการทดลองที่พบก็คืออนุภาคแอลฟาแทบทั้งหมดไม่เกิดการเบี่ยงเบนเลย (ก็คือทะลุแผ่นทองคำไปตรงๆ !) แสดงว่าพื้นที่ส่วนใหญ่ในอะตอมน่าจะเป็นที่ว่าง แต่ก็ยังมีอนุภาคแอลฟาบางส่วนที่มีการเบี่ยงเบนไปจากเดิมนิดหน่อย เพราะได้รับแรงผลักจากอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าบวกและได้รับแรงดึงดูดจากอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบและกระจายอยู่ทั่วอะตอม

แต่สิ่งที่ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดแปลกใจคือ ทำไมถึงมีอนุภาคแอลฟาบางตัวสะท้อนกลับมาทางเดิม ถึงแม้ว่าจะเป็นส่วนน้อยมากๆ ก็ตาม จุดนี้ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดคิดว่าแบบจำลองของทอมสันไม่น่าจะถูกต้อง และคิดต่อไปอีกว่าถ้าอนุภาคแอลฟาที่มีประจุบวกกระเด็นกลับมาทางเดิมได้ แสดงว่ามันน่าจะเข้าไปชนกับอะไรสักอย่างที่มีมวลเยอะมากๆ และมีประจุไฟฟ้าบวกเหมือนกัน

ทำให้ในปี ค.ศ. 1911 รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองอะตอมที่มี “นิวเคลียส” ซึ่งมีมวลเยอะมากและมีประจุบวกเป็นแกนกลางของอะตอม ส่วนอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมากเคลื่อนที่อยู่รอบๆ นิวเคลียส

4. แบบจำลองอะตอมของโบร์

ถ้านำหลอดบรรจุแก๊สที่มีความดันต่ำต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงๆ แก๊สจะเกิดการแตกตัวและเปล่งแสงออกมาเป็นเส้นสเปกตรัมได้ แก๊สแต่ละชนิดจะให้เส้นสเปกตรัมที่มีสีต่างๆ กันเป็นลักษณะเฉพาะตัว นี่เป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

จนกระทั่ง Max Planck ได้เสนอแนวคิดว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอนุภาคโฟตอน และพลังงานของโฟตอนมีค่าไม่ต่อเนื่อง Niels Bohr นำแนวคิดนี้มาใช้อธิบายการเกิดเส้นสเปกตรัมของธาตุแต่ละชนิด ในปี ค.ศ. 1921 โบร์ได้เสนอแบบจำลองอะตอมที่ยังคงมีนิวเคลียสเป็นแกนกลางแต่อิเล็กตรอนจะโคจรอยู่ใน “ระดับชั้นพลังงาน” ซึ่งมีค่าไม่ต่อเนื่อง ในแต่ละชั้นพลังงานจะมีอิเล็กตรอนเข้าไปอยู่ ระดับชั้นพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะมีพลังงานต่ำ ส่วนชั้นที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสออกไปจะมีพลังงานสูงกว่า

แบบจำลองของโบร์มีลักษณะคล้ายกับว่าดวงอาทิตย์เป็นนิวเคลียส และดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นอิเล็กตรอน ก็เลยเรียกแบบจำลองลักษณะนี้ว่า planetary model

เมื่อใช้แบบจำลองอะตอมของโบร์ จะอธิบายได้ว่าเส้นสเปกตรัมเกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับชั้นที่มีพลังงานสูงลงมาที่ระดับชั้นพลังงานต่ำกว่า ธาตุแต่ละชนิดมีระดับชั้นพลังงานที่ไม่เหมือนกัน ทำให้อิเล็กตรอนเกิดการคายพลังงานต่างกันและเกิดเส้นสเปกตรัมที่มีลักษณะเฉพาะตัว

5. แบบจำลองอะตอมในกลศาสตร์ควอนตัม

ในช่วงเวลาต่อมามีการพัฒนาวิชากลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) เพื่อใช้ทำนายพฤติกรรมของอนุภาคที่มีขนาดเล็ก หนึ่งในแนวคิดที่สำคัญคืออนุภาคสามารถทำตัวเป็นคลื่นได้ เราจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่อนุภาคนั้นอยู่ได้อย่างชัดเจน

จากไอเดียนี้ทำให้อิเล็กตรอนในวงโคจรถูกมองเป็นคลื่นด้วยเช่นกัน เราจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรแต่ละชั้นได้ แต่บอกได้เพียง “โอกาส” หรือความน่าจะเป็นในการเจออิเล็กตรอนที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในอะตอม แบบจำลองอะตอมจากแนวคิดนี้ถูกแทนด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน (electron cloud) โดยบริเวณที่มีกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนสูงนั่นเอง

แม้ว่าแบบจำลองอะตอมของโบร์จะถูกนำไปใช้ในการอธิบายปฏิกิริยาต่างๆ ในวิชาเคมี แต่ในปัจจุบันแบบจำลองอะตอมที่เป็นที่ยอมรับก็คือแบบจำลองอะตอมตามแนวคิดกลศาสตร์ควอนตัม และถ้าในอนาคตมีการค้นพบแนวคิดที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างของอะตอมที่ยังไม่มีใครค้นพบ เราก็อาจจะมีแบบจำลองอะตอมใหม่ๆ เกิดขึ้นมาอีกก็ได้ครับ

credit: th.depositphotos.com, toppr.com, britannica.com, khanacademy.org, th.wikipedia.org, chemistrygod.com, publiclab.org, letstalkscience.ca