ฟิสิกส์อะตอม Atomic Physics
1.ทฤษฎีอะตอมความคิดที่ว่าสสารประกอบด้วยอะตอมได้เริ่มตั้งแต่ก่อนคริสต์กาลประมาณ 400 ปีมาแล้ว และได้มีการปรับปรุงแก้ไขจนเป็นทฤษฎิอะตอมขึ้นซึ่งเรียงลำดับได้ดังนี้
1.1 ดีโมครีตุส (Democritus)
เป็นคนแรกที่เสนอทฤษฎีอะตอมของสสารขึ้น ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้
1. สารทุกชนิดประกอบด้วยหน่วยที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถแยกต่อใปได้อีก เรียกว่าอะตอม และอะตอมนี้จะไม่มีการสูญหายหรือเกิดขึ้นใหม่ได้
2. อะตอมของสารทุกชนิดจะเหมือนกันหมดแต่โครงสร้างการจับตัวของอะตอมของสารแต่ละชนิดจะไม่เหมือนกัน ดังนั้นสารต่างชนิดกันจึงมีอะตอมเหมือนกัน แต่การจับตัวของอะตอมต่างกันเท่านั้น
3. ที่ว่างระหว่างอะตอม (Void) อะตอมสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้อย่างอิสระในที่ว่างนี้
1.2 อริสโตเติล (Aristotle)
เป็นผู้ที่ไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีอะตอมของดีโมครีตุส ที่กล่าวว่าระหว่างอะตอมจะมีที่ว่าง เขาได้เสนอความคิดเห็นได้ดังนี้ สารทุกชนิดสามารถถูกแบ่งให้เล็กลงไปได้ โดยไม่มีที่สิ้นสุดและธาตุแท้ของสารทั้งหลายมีเพียงสี่อย่างเท่านั้นคือ " ดิน น้ำ ลม ไฟ " เนื่องจากขณะนั้นอริสโตเติลมีคนเลื่อมใสมากจึงทำให้ทฤษฎีอะตอมของดีโมครีตุสซบเซาไปเกือบสองพันปี
ทฤษฎีอะตอมเริ่มกลับมาสู่ความเชื่อถือใหม่อีกครั้งหนึ่ง ประมาณต้นคริสต์ศตวรรษที่ 17 โดยมีสาเหตุดังต่อไปนี้
1.ทอริเชอรี่ (Torricelli) สามารถประดิษฐ์เครื่องสูบอากาศ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสูญอากาศหรือสภาพว่างเปล่านั้นมีจริง
2.ทฤษฎีกลศาสตร์ของกาลิเลโอและนิวตันแสดงให้เห็นว่าคำสอนของอริสโตเติลหลายตอนไม่เป็นจริงทำให้ความเชื่อถือในคำสอนของอริสโตเติลเสื่อมคลายลง
3.โรเบิตบอยล์ (Robert Boyle ) ได้ทำการทดลองและสรุปไว้ว่า "ที่อุณหภูมิคงที่ความดันของก๊าซจะแปรผันกลับกับปริมาตรของก๊าซและเบอนูลี่ (Bernoulli) ได้ทำการพิสูจน์กฏของบอยล์ โดยสมมติให้ก๊าซประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ
(ซึ่งเรียกว่าโมเลกุล) วิ่งด้วยอัตราเร็วสูงและเกิดการชนกันตามกฏของนิวตัน ปรากฏว่าได้ผลออกมาตรงกับกฏของบอยล์ จึงเป็นการยืนยันได้ว่าอะตอมนั้นมีจริง
4.จากความเจริญของวิชาเคมี ได้มีการตั้งกฎทรงมวลและกฎสัดส่วนพหุคูณของปฏิกิริยาเคมีขึ้น จากกฎทั้งสองนี้ทำให้ดาลตันทำให้ดาลตันสร้างทฤษฎีอะตอมขึ้นสำเร็จประมาณต้นศตวรรษที่ 19
2. อิเล็กตรอน
ในปี ค.ศ. 1874 G.J. Stoney ได้อธิบายถึงลักษณะของอนุภาคไฟฟ้าที่อยู่ในสสารโดยกล่าวว่าอนุภาคไฟฟ้าที่อยู่ในสสารนั้นเป็นอนุภาคเล็กๆ และอนุภาคเหล่านั้นอยู่ร่วมกันกับอะตอม Stoney ได้เสนอชื่อของอนุภาคนั้นว่าอิเล็กตรอน
(Electron ) แต่นั่นเป็นเพียงการกล่าวถึงอิเล็กตรอนเท่านั้น จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 1879 Sir William Crookes ได้ทำการทดลองค้นพบอนุภาคไฟฟ้าที่เรียกว่าอิเล็กตรอนได้และต่อมาในปี ค.ศ. 1897 Sir J.J.Thomson ได้ทำการทดลอง และหาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 1909 R.A. Millikan จึงสามารถหาประจุและมวลของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ
1.1 ดีโมครีตุส (Democritus)
เป็นคนแรกที่เสนอทฤษฎีอะตอมของสสารขึ้น ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้
1. สารทุกชนิดประกอบด้วยหน่วยที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถแยกต่อใปได้อีก เรียกว่าอะตอม และอะตอมนี้จะไม่มีการสูญหายหรือเกิดขึ้นใหม่ได้
2. อะตอมของสารทุกชนิดจะเหมือนกันหมดแต่โครงสร้างการจับตัวของอะตอมของสารแต่ละชนิดจะไม่เหมือนกัน ดังนั้นสารต่างชนิดกันจึงมีอะตอมเหมือนกัน แต่การจับตัวของอะตอมต่างกันเท่านั้น
3. ที่ว่างระหว่างอะตอม (Void) อะตอมสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้อย่างอิสระในที่ว่างนี้
1.2 อริสโตเติล (Aristotle)
เป็นผู้ที่ไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีอะตอมของดีโมครีตุส ที่กล่าวว่าระหว่างอะตอมจะมีที่ว่าง เขาได้เสนอความคิดเห็นได้ดังนี้ สารทุกชนิดสามารถถูกแบ่งให้เล็กลงไปได้ โดยไม่มีที่สิ้นสุดและธาตุแท้ของสารทั้งหลายมีเพียงสี่อย่างเท่านั้นคือ " ดิน น้ำ ลม ไฟ " เนื่องจากขณะนั้นอริสโตเติลมีคนเลื่อมใสมากจึงทำให้ทฤษฎีอะตอมของดีโมครีตุสซบเซาไปเกือบสองพันปี
ทฤษฎีอะตอมเริ่มกลับมาสู่ความเชื่อถือใหม่อีกครั้งหนึ่ง ประมาณต้นคริสต์ศตวรรษที่ 17 โดยมีสาเหตุดังต่อไปนี้
1.ทอริเชอรี่ (Torricelli) สามารถประดิษฐ์เครื่องสูบอากาศ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสูญอากาศหรือสภาพว่างเปล่านั้นมีจริง
2.ทฤษฎีกลศาสตร์ของกาลิเลโอและนิวตันแสดงให้เห็นว่าคำสอนของอริสโตเติลหลายตอนไม่เป็นจริงทำให้ความเชื่อถือในคำสอนของอริสโตเติลเสื่อมคลายลง
3.โรเบิตบอยล์ (Robert Boyle ) ได้ทำการทดลองและสรุปไว้ว่า "ที่อุณหภูมิคงที่ความดันของก๊าซจะแปรผันกลับกับปริมาตรของก๊าซและเบอนูลี่ (Bernoulli) ได้ทำการพิสูจน์กฏของบอยล์ โดยสมมติให้ก๊าซประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ
(ซึ่งเรียกว่าโมเลกุล) วิ่งด้วยอัตราเร็วสูงและเกิดการชนกันตามกฏของนิวตัน ปรากฏว่าได้ผลออกมาตรงกับกฏของบอยล์ จึงเป็นการยืนยันได้ว่าอะตอมนั้นมีจริง
4.จากความเจริญของวิชาเคมี ได้มีการตั้งกฎทรงมวลและกฎสัดส่วนพหุคูณของปฏิกิริยาเคมีขึ้น จากกฎทั้งสองนี้ทำให้ดาลตันทำให้ดาลตันสร้างทฤษฎีอะตอมขึ้นสำเร็จประมาณต้นศตวรรษที่ 19
2. อิเล็กตรอน
ในปี ค.ศ. 1874 G.J. Stoney ได้อธิบายถึงลักษณะของอนุภาคไฟฟ้าที่อยู่ในสสารโดยกล่าวว่าอนุภาคไฟฟ้าที่อยู่ในสสารนั้นเป็นอนุภาคเล็กๆ และอนุภาคเหล่านั้นอยู่ร่วมกันกับอะตอม Stoney ได้เสนอชื่อของอนุภาคนั้นว่าอิเล็กตรอน
(Electron ) แต่นั่นเป็นเพียงการกล่าวถึงอิเล็กตรอนเท่านั้น จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 1879 Sir William Crookes ได้ทำการทดลองค้นพบอนุภาคไฟฟ้าที่เรียกว่าอิเล็กตรอนได้และต่อมาในปี ค.ศ. 1897 Sir J.J.Thomson ได้ทำการทดลอง และหาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 1909 R.A. Millikan จึงสามารถหาประจุและมวลของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ
การทดลองของทอมสัน
เป็นการทดลองเพื่อหาค่าของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน โดยการใช้หลอดรังสีแคโทดหลอดรังสีแคโทเป็นอุปกรณืทีมีส่วนประกอบที่ใช้ในการหาค่า 2 ส่วนคือ 1. ส่วนเร่งอิเล็กตรอน เป็นส่วนที่ใช้ความต่างศักย์เร่งประจุอิเล็กตรอน 2. ส่วนกรองความเร็ว ซึ่งมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า
แบบจำลองของทอมสัน
คุณสมบัติของรังสีแคโทด
1.ออกมาจากขั้วไฟฟ้าลบ(ขั้วแคโทด)
2.เดินทางเป็นเส้นตรง ด้วยความเร็วสูงมาก
3.เมื่อกระทบสารเรืองแสงทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้น
4.เป็นลำของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ
5.ไม่สามารถทะลุผ่านฉากบาง ๆ ได้
6.เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า
ทอมสัน (Joseph John Thomson) ได้ทดลองเพื่อหาค่าประจุไฟฟ้าต่อมวลของอนุภาครังสีแคโทด (q/m) โดยในการทดลองใช้หลอดดังรูป
ขณะนี้เราจะได้ความสัมพันธ์ว่า
แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก = แรงสู่ศูนย์กลาง
---------------- Iจากสมการ I ค่า B และ r เราสามารถวัดได้ ส่วนความเร็วของรังสีแคโทด v หาได้ ดังนี้
โดยการใส่สนามไฟฟ้าเข้าไประหว่างแผ่นโลหะคู่ขนาน P และ Q (ต่อแผ่น Q เข้ากับแหล่งที่มีศักย์ไฟฟ้าบวก และต่อแผ่น P เข้ากับแหล่งที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ)โดยให้ทิศของแรงที่กระทำต่ออนุภาครังสีแคโทดเนื่องจากสนามไฟฟ้ามีทิศตรงกันข้ามกับทิศของแรงเนื่องจากรังสีแคโทด แล้วปรับความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะขนานจนกระทั่งลำของรังสีแคโทดเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในสนามทั้งสอง
| แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก = แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า qvB = qE |
แทนค่า v ในสมการ I จะได้
เมื่อ q/m = ประจุต่อมวลของอนุภาคที่ต้องการศึกษา (C/kg)
B = ความเข้มสนามแม่เหล็ก (T, Wb/m2)
E = ความเข้มสนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นโลหะขนาน (v/m)
V = ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะขนาน (v)
r = รัศมีความโค้งของการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่พิจารณาในสนามแม่เหล็ก (m)
d = ระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะขนาน (m)
ส่วนกรองความเร็ว:หาอัตราเร็วของอิเล็กตรอน
เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเป็นเส้นตรงแสดงว่าแรงของสนามแม่เหล็กเท่ากับสนามไฟฟ้าจึงหักล้างกันพอดีศูนย์
ค่าของ E และ B เป็นค่าของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่จ่ายเข้าไปจึงทำให้สามารถหาความเร็วของอิเล็กตรอนได้
ส่วนกรองความเร็ว:หาอัตราส่วนประจุต่อมวล
ต่อไปเป็นการหาอัตราส่วนประจุต่อมวล ของอิเล็กตรอนโดยตัดสนามไฟฟ้าออกจะทำให้เหลือเพียงแต่สนามแม่เหล็กแต่เมื่ออิเล็กตรอนพุ่งเข้าไปจะทำให้มีเส้นทางโค้งตามกฎมือขวา ทำให้แรงที่กระทำกับเส้นแรงแม่เหล็กมีค่าเท่ากับแรงสู่ศูนย์กลาง
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน
การทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนโดยใช้หยดน้ำมันลอยนิ่งในสนามซึ่งทำให้แรงลัพธ์เท่ากับศูนย์
แต่ q เป็นผลรวมของพลังงานจากอิเล็กตรอนหลายๆ ตัวรวมกัน เพราะฉะนั้น พลังงานของอิเล็กตรอนตัวเดียวจึงเท่ากับ
การแผ่รังสีของวัตถุดำและค่านิจของแพลงค์
วัตถุสามารถแผ่คลื่อนรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ด้วยตัวเอง แต่จะมีความเข้มแสงต่างกันไปตามอุณหภูมิของวัตถุนั้นๆ โดยที่อุณหภูมิสูงวัตถุจะมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงของแสงมาก จึงเห็นวัตถุเหล่านี้เปล่งแสงได้ (ลองนึกภาพของหลอดไฟตามไป) แต่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำจะมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในย่านของแสงน้อยมาก เราจึงไม่เห็นแสงเปล่งออกมา วัตถุที่แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้เราเรียกว่า "วัตถุดำ" (Black Body) แพลงค์ได้จำลองการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุดำ โดยให้วัตถุดำมีอะตอมคู่อยู่มากมาย ซึ่งอะตอมคู่จะสั่นให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา และเมื่ออะตอมมีการสั่นด้วยความถี่ที่มากขึ้น พลังงานที่ปล่อยออกมาก็ยิ่งมากขึ้นตามด้วย และถ้ายิ่งมีอะตอมมาก พลังงานก็จะมากตามเช่นกัน
E = nhf
อ่าอิง
