2.6 ธาตุกัมันตรังสี

2 .6 ธาตุกัมมันตรังสี

            ธาตุอีกกลุ่มหนึ่งในตารางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างจากธาตุที่เคยศึกษามาแล้วคือสามารถแต่งแล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้นักเรียนคิดว่าการเปลี่ยนแบลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในปีพ. ศ. 2430 อองตวนอองรีแบทเกอเรส (Antoine Fitnri Becquerel) นักวิทยาศาสตร์ขาวฝรั่งเศสพบว่าเมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียมแผนฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสงและเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ก็ได้ผลเช่นเดียวกันจึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียมต่อมาปีแอร์ตูรีและมารี Pierr Curie Marie Curie) ได้ค้นพบว่าธาตุพอโลเนียมเรเดียมและพอเรียมก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี (Tradioactivity) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไมเสถียรและไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีใต้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive Isotoppe) หรือสารกัมมันตรังสี (radioactive substance) เช่น Carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทบกัมมันตรังสีจะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้วาธาตุกัมมันตรังสี radioactive element) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 837 เช่น U-238 U-235 Th-232 ในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายสชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ

2. 4. 1 วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุเมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุต่าง ๆ เหล่านี้แล้วนักวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่าง ๆ ของธาตุและนำมาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มใต้หลายแบบในปีพ. ศ. 2360 โยฮันน์โวล์ฟกังเดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่ม ๆ ละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าชุดสาม (triads) โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ Na มีมวลอะตอม 23. 0 และเป็นธาตุกลางระหว่าง Li กับ K ซึ่งมีมวลอะตอม 6. 9 และ 39. 1 ตามลำดับตัวอย่างการจัดธาตุแบบชุดสามแสดงได้ดังตาราง 2. 8 แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกันพบว่าค่ามวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือหลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา

ในปี 2412 ยูลิอุสโลทาร์ไมเออร์ (Julius Lothar Meyer) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและดิมิทรีเมนเดเลเอพ (Dinitr Mendeley) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่าง ๆ มากขึ้นทําให้มีข้อสังเกตว่าถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ การที่ราดต่างบนขวง ๆ การที่ธาตุต่าง ๆ มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเขนนี้เมนเตเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่ากฎพรีออติก (periodic law) การจัดราตุเป็นหมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟไม่ได้ขีดการเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเพียงอย่างเดียวแต่ได้นำสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ มาพิจารณาด้วยนอกจากนี้ยังได้เว้นช่องวางไว้โดยคิดว่าน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุที่ยังไม่ได้มีการค้นพบโดยที่ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุเมนเตเลเอฟจึงได้ทำนายสมบัติของธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ 3 ธาตุให้ชื่อว่าเอคา-โบรอนเอคาอะลูมิเนียมและเอคา-ซิลิคอนในเวลาต่อมาก็ได้ค้นพบธาตุสแกนเดียมแกลเลียมและเจอร์เมเนียมตามลำดับซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับที่ได้ทำนายไว้ตัวอย่างธาตุเอคา-ซิลิคอนซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับธาตุเจอร์เมเนียมเป็นดังนี้

2 กลุ่มของธาตุในตารางธาตุการที่นักวิทยาศาสตร์จัดรายในขนตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่าง ๆ ตาแบงกลุ่มธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มคือธาตุโลหะ (metal) เป็นธาตุที่น้าไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีราตถึงโลหะ (metaloid) เป็นธาตุที่น้ำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมงแต่จะนำได้ดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและธาตุอโลหะ nonmetal) ซึ่งใน * 9105Mะ nonmetal) ซึ่งไม่น่าไฟฟ้ายกเว้นคาร์บอนแกรไฟต์) และฟอสฟอรัสเมื่อพิจารณาตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุตามรูป 2. 19 พบว่าธาตุโลหะอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ (สีเขียว) ธาตุกึ่งโลหะจะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันไดสีชมพู) และธาตุอโลหะจะอยู่ขวามือของตารางธาตุ (สีฟ้า) ยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล s p d และ f ที่มีพลังงานสูงสุดและมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่จะแบ่งธาตุได้เป็น 4 กลุ่มใหญ่คือธาตุกลุ่ม s ได้แก่ธาตุ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ ธาตุในหมู่ 13 ถึง 18 (ยกเว้น Fie) ธาตุกลุ่ม A ได้แก่ ธาตุในหมู่ 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่ กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่แยกมาจากหมู่ 3 คาบที่ดังรูป

2 13 นนาดอะตอมตามแบบจาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเผสือนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดียวแตจะมีแรงยึดเหนียวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันจึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอม (atomic radius) ที่อยู่ในภาวะอิสระหรือAxนั้นเidเสริมพฯกนวมยาศาคตและเทคโนโลยี

2. 4. 4 ขนาดไอออนอะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเทากับอิเล็กตรอนเมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามา 28 / แuอะตอมจะกลายเป็นไอออนการบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอมAdาวคอจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน (Ionic radius) ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่ง ๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึกตัวอย่างรัศมีไอออนของ ME และ 0 ในสารประกอบ MgO แสดงดังรูป 2. 22 และ 2. 23

พลังงานไอออไนเซชั้นพลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะ (Anninition energy. IF โดยคา IE แสดงถึงความยางานในการท้าให้อะตอมในสถานะแก็สกลายเป็นไอออนบวกโดยเEน้อยแสดงราทำให้เป็นใอออนบวกได้รายเด้า 1 มกแสดงว่าทำให้เป็นไอออนบวกได้ยากการทำาให้ไฮโดรเจนอะตอมในสถานะแก็สกลายเป็นไฮโดรเจนไอออนในสถานะแก็สเขียนgE) • I "(H) + (การท้าให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดกิโลจูลต่อโมลนั้นคือพลังงานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนอะตอมเท่ากับ 1315 กิโลจูลตอไมลอิเล็กตรอนจึงมีค่าพลังงานไอออไนเซชันเพียงคาเดียวถ้าเป็นธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนก็จะมีพลังงานไอออไนเซชันหลายค่าพลังงานน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนตัวแรกหลุดออกสัญลักษณ์ของพลังงานได้สมในเซชั่น IPM ให้เป็น 2

2019.09.11 วันพุธ

2. 6สาตุกัมมันตรังสีธาตุอีกกลุ่มหนึ่งในตารางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างจากธาตุที่เคยศึกษามาแล้วคือสามารถแต่งแล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้นักเรียนคิดว่าการเปลี่ยนแบลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในปีพ. ศ. 2430 อองตวนอองรีแบทเกอเรส (Antoine Fitnri Becquerel) นักวิทยาศาสตร์ขาวฝรั่งเศสพบว่าเมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียมแผนฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสงและเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ก็ได้ผลเช่นเดียวกันจึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียมต่อมาปีแอร์ตูรีและมารี Pierr Curie Marie Curie) ได้ค้นพบว่าธาตุพอโลเนียมเรเดียมและพอเรียมก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี (Tradioactivity) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไมเสถียรและไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีใต้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive Isotoppe) หรือสารกัมมันตรังสี (radioactive substance) เช่น Carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทบกัมมันตรังสีจะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้วาธาตุกัมมันตรังสี radioactive element) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 837 เช่น U-238 U-235 Th-232 ในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายสชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ

2. 6. 1 การเกิดกัมมันตภาพรังสีกัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีเพราะนิวเคลียสมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียรจึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสีจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา (alpha ray) รังสีบีตา (beta ray) หรือแกมมา (gamma ray

2.6.2การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรัมจากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจํานวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่าไอโซโทปของนิวเคลีนสที่มีอัตราส่วนระหว่างจ้านวนนิวตรอนตอจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจานวนนิวตรอนแตกต่างจากฐานวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียรจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสโตนการแผ่รังสี (radiation) ออกมาแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่าดังตัวอย่างต่อไปนี้การแผ่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสมเมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลงและเลขมวลลดลง 4

การแผ่รังสีบีตาเกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมากนิวตรอนในนิวเคลียสละเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสในรูปของรังสีบีตาและนิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 โดยที่เลขมวลยังคงเดิม

การแผ่รังสีแกมมาเกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมากหรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตาแต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานสวนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา

2. 6. 3 อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสีกิจวัตรต่างในชีวิตประจำวันทั้งการรับประทานอาหารการดื่มน้ำการหายใจล้วนมีโอกาสมนษย์จะได้รับรังสีจากไอโซโทปกัมมันตรังสีเช่น K-40 C-14 Ra-226 เข้าสร่างกายนอกจากนี้ะได้รับรังสีคอสมิก (Cosmic ray) ซึ่งส่วนใหญ่มาจากอวกาศรังสีต่าง ๆ เหล่านี้มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาตินอกจากนี้บางคนยังได้รับรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้นมา เช่น รังสีจากเครื่องเอกซเรย์รังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

2.6.4 ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีไอโซโทปกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลาไอโซโทปรับมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกันอัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะบอกเป็นครึ่งช่วด (half life) ใช้สัญลักษณ์ระยะเวลาที่นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมไอโซโทบกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบเขน Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24 ปริมาณ 10 กรัมนิวเคลียลนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมงจะมี Na-24 เหลืออยู่ 5 กรัมและเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมงจะมี Na-24 เหลืออยู่ 2. 5 กรัมนั้นคือเวลาผ่านไปทุก ๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมเขียนแสดง

2. 6. 5 ปฏิกิริยานิวเคลียร์ปธกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเกิดจากการะหรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมมาดเล็กแล้วได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาลซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในปีพ. ศ. 2482 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า
2.6.6 เทคโนโลยีการใช้ักัมมันตรังสี

2.7 การนำธาตุเปใช้ประโยชน์และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตมนุษย์นำธาตุมาใช้ประโยชน์ตั้งแต่อดีตกาลเช่นน้ำทองค้ามาทำเครื่องประดับนำเหล็กมาทำมีดน้ำหองแดงมาห้าภาชนะเครื่องใช้ในปัจจุบันมีการค้นพบและศึกษาสมบัติของธาตุมากขึ้นจึงมีการนำธาตุมาใช้ประโยชน์ได้หลากหลายมากขึ้นในหัวข้อนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับประโยชน์ของธาตุบางชนิดรวมทั้งศึกษาถึงผลกระทบที่มีต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม 27 ประโยชน์ของธาตุการจำแนกธาตุออกเป็นกลุ่มนอกจากจะช่วยให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุแล้วยังงานตอการพิจารณาสมบัติที่เหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้งานได้อีกด้วยตัวอย่างการใช้ประโยชน์จากธาตุดังนี้ธาตุโลหะมีสมบัติการนำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดีจึงนิยมนำมาทำเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นนำทองแดงมาทำสายไฟฟ้านำสังกะสีมาทำขั้วไฟฟ้าของถ่านไฟฉายนำลิเทียมมาทำขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่ลิเทียมนำโซเดียมมาเป็นตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อนและหล่อเย็นในปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธาตุกึ่งโลหะเช่นซิลิคอนเจอร์เมเนียมมีสมบัติถ้ำกึ่งระหว่างสมบัติของโลหะกับอโลหะ

2.5 ธาตุทรานซิชัน

ธาตุทรานซิชัน เป็นธาตุในตารางหมู่B ทั้งหมด

สมบัติของโลหะทรานซิชัน

โลหะทรานซิชันทุกธาตุจะเป็นโลหะ แต่มีความเป็นโลหะน้อยกว่าธาตุหมู่ IA และ IIA

มีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ยกเว้นปรอทที่เป็นของเหลว

มีจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความหนาแน่นสูง

นำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งในโลหะทรานซิชัน ธาตุที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุดคือ เงิน (คาบ 5) และรองลงมาคือ ทอง (คาบ 6)

นำความร้อนได้ดี

ธาตุทรานซิชันทั้งหมดมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ยกเว้นธาตุโครเมียม และทองแดง ที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 1

สารประกอบของธาตุเหล่านี้จะมีสีสัน

มีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 และอิเล็กโทรเนกาติวิตีมาก

ขนาดอะตอม จะมีขนาดไม่แตกต่างกันมากโดยที่

ในคาบเดียวกันจะเล็กจากซ้ายไปขวา

ในหมู่เดียวกันจะใหญ่จากบนลงล่าง

ธาตุเหล่านี้มีหลายออกซิเดชั่นสเตตส์ (oxidation states)

ธาตุเหล่านี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalysts) ที่ดี

ธาตุเหล่านี้มีสีฟ้า-เงินที่อุณหภูมิห้อง (ยกเว้นทองคำและทองแดง)

สารประกอบของธาตุเหล่านี้สามารถจำแนกโดยการวิเคราะห์ผลึก

2 4ตารางธาตุและสมบัติของธสตุหมู่หลัก

2. 4. 1 วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุเมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุต่าง ๆ เหล่านี้แล้วนักวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่าง ๆ ของธาตุและนำมาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มใต้หลายแบบในปีพ. ศ. 2360 โยฮันน์โวล์ฟกังเดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่ม ๆ ละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าชุดสาม (triads) โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ Na มีมวลอะตอม 23. 0 และเป็นธาตุกลางระหว่าง Li กับ K ซึ่งมีมวลอะตอม 6. 9 และ 39. 1 ตามลำดับตัวอย่างการจัดธาตุแบบชุดสามแสดงได้ดังตาราง 2. 8 แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกันพบว่าค่ามวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือหลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา

ในปี 2412 ยูลิอุสโลทาร์ไมเออร์ (Julius Lothar Meyer) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและดิมิทรีเมนเดเลเอพ (Dinitr Mendeley) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่าง ๆ มากขึ้นทําให้มีข้อสังเกตว่าถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ การที่ราดต่างบนขวง ๆ การที่ธาตุต่าง ๆ มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเขนนี้เมนเตเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่ากฎพรีออติก (periodic law) การจัดราตุเป็นหมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟไม่ได้ขีดการเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเพียงอย่างเดียวแต่ได้นำสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ มาพิจารณาด้วยนอกจากนี้ยังได้เว้นช่องวางไว้โดยคิดว่าน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุที่ยังไม่ได้มีการค้นพบโดยที่ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุเมนเตเลเอฟจึงได้ทำนายสมบัติของธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ 3 ธาตุให้ชื่อว่าเอคา-โบรอนเอคาอะลูมิเนียมและเอคา-ซิลิคอนในเวลาต่อมาก็ได้ค้นพบธาตุสแกนเดียมแกลเลียมและเจอร์เมเนียมตามลำดับซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับที่ได้ทำนายไว้ตัวอย่างธาตุเอคา-ซิลิคอนซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับธาตุเจอร์เมเนียม

ตารางธาตุ ปัจจุบัน

2.4.2 กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ

การที่นักวิทยาศาสตร์จัดรายในขนตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่าง ๆ ตาแบงกลุ่มธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มคือธาตุโลหะ (metal) เป็นธาตุที่น้าไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีราตถึงโลหะ (metaloid) เป็นธาตุที่น้ำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมิแต่จะนำได้ดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและธาตุอโลหะ nonmetal) ซึ่งใน * 9105Mะ nonmetal) ซึ่งไม่น่าไฟฟ้ายกเว้นคาร์บอนแกรไฟต์) และฟอสฟอรัสเมื่อพิจารณาตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุตามรูป 2. 19 พบว่าธาตุโลหะอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ (สีเขียว) ธาตุกึ่งโลหะจะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันไดสีชมพู) และธาตุอโลหะจะอยู่ขวามือของตารางธาตุ (สีฟ้า) ยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล s p d และ f ที่มีพลังงานสูงสุดและมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่จะแบ่งธาตุได้เป็น 4 กลุ่มใหญ่คือธาตุกลุ่ม s ได้แก่ธาตุ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ ธาตุในหมู่ 13 ถึง 18 (ยกเว้น Fie) ธาตุกลุ่ม A ได้แก่ ธาตุในหมู่ 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่ กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่แยกมาจากหมู่ 3 คาบทุ6และ7ดังรูป

2 43 ขนาดอะตอมตามแบบจาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะ ที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดียวแต่จะมีแรงยึดเหนียวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันจึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอม (atomic radius) ที่อยู่ในภาวะอิสระ

2. 4. 4 ขนาดไอออนอะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเทากับอิเล็กตรอนเมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามา 28 / แuอะตอมจะกลายเป็นไอออนการบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอมAdาวคอจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน (Ionic radius) ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่ง ๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึกตัวอย่างรัศมีไอออนของ ME และ 0 ในสารประกอบ MgO 

2.4.5พลังงานไอออไนเซชั้นLพลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะ (Anninition energy. IF โดยคา IE แสดงถึงความยางานในการท้าให้อะตอมในสถานะแก็สกลายเป็นไอออนบวกโดยเEน้อยแสดงราทำให้เป็นใอออนบวกได้รายเด้า 1 มกแสดงว่าทำให้เป็นไอออนบวกได้ยากการทำาให้ไฮโดรเจนอะตอมในสถานะแก็สกลายเป็นไฮโดรเจนไอออนในสถานะแก็สเขียนgE) • I "(H) + (การท้าให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดกิโลจูลต่อโมลนั้นคือพลังงานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนอะตอมเท่ากับ 1315 กิโลจูลตอไมลอิเล็กตรอนจึงมีค่าพลังงานไอออไนเซชันเพียงคาเดียวถ้าเป็นธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนก็จะมีพลังงานไอออไนเซชันหลายค่าพลังงานน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนตัวแรกหลุดออกสัญลักษณ์ของพลังงานได้สมในเซชั่น IPM ให้เป็น 2

2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

2.3.1 จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน

          จากการศึกษาแบบจำลองอะตอมทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียสโดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบและอยู่ในระดับพลังงานต่างกันเล็กตอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าไหร่ให้พิจารณาข้อมูลแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุดังตาราง

                เมื่อพิจารณาข้อมูลแล้วจะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 1 มีได้มากที่สุดคือ 2 อิเล็กตรอนระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุดคือแบบอิเล็กตรอนสำหรับระดับพลังงานที่ 3 จากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีมากที่สุด 18 อิเล็กตรอนด้วยคือจำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้ในแต่ระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ 2n^2 เมื่อ n คือตัวเลขแสดงระดับพลังงานถ้าพิจารณาตามหลัก 2n^2 การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น 289 และจากการศึกษาพบว่าการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca เป็น 2 8 8 1 และ 2 8 8 2 ตามลำดับซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของธาตุทั้งสองมีเพียง 8 อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนที่เพิ่มมา 1 และ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ทำให้ระดับพลังงานที่ 3 มีอิเล็กตรอนไม่ครบ 18 อิเล็กตรอน

2.3.2 ระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย

            นักเรียนทราบมาแล้วว่าโบเสนอแบบจำลองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากันโดยความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลงเมื่อระดับพลังงานสูงขึ้นการอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบว์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสงออกมาและมองเห็นเป็นหนึ่งเส้นแท้จริงนั้นประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้นซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่าเส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นนอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลักซึ่งแทนด้วย n แล้วยังเป็นการ พลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อยของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วยนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระดับพลังงานย่อยเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับ

ระดับพลังงานที่ 1 (n = ) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p ระดับพลังงานที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d และระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f

2.3.3 ออร์บิทัล

            อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน ซึ่งอยู่ในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกันบริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่าออเรนทอลการศึกษา พบว่าจำนวนออร์บิทัลในแต่ละพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกันซึ่งสรุปได้ดังนี้ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล ระดับพลังงานย่อยดีมี 5 ออร์บิทัล รอบพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล

           อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน การบรรจุอิเล็กตรอน ตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว ดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่ได้เป็นไปตามหลักการนั้น เช่น Cr มีเลขอะตอม 24 Cu มีเลขอะตอม 29

             ธาตุที่ได้รับหรือเสียอิเล็กตรอน สามารถเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนได้ดังนี้ 1.กรณีที่ถ้าได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว 2.กรณีที่ถ้าเสียอิเล็กตรอนให้บรรจุอิเล็กตรอน ตามปกติก่อนจากนั้นจึงนำอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดออก

2.2 อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป

2.2.1 อนุภาคในอะตอม

         ในปี พ.ศ. 2451 โรเบิร์ตแอนดรูส์มิลลิแกน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยการอาศัยสังเกตหยดน้ำมันในสนามไฟฟ้าดังรูป

  เมื่อไรน้ำมันที่ร่วงผ่านรูบนขั้วไฟฟ้าบวกกระทบรังสีจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นทำให้ละอองน้ำมันบังหมดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกบางหยดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าล็อคและปลดลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้าขนาดของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้าสามารถสังเกตได้จากกล้องจุลทรรศน์และนำมาคำนวณหามวลของหยดน้ำมันที่สร้างความหนาแน่นของน้ำมันและจากความสำคัญของน้ำหนักของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งเท่ากับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าทำให้สามารถคำนวณค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันได้ ซึ่งพบว่าค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันมีค่าเป็นจำนวนเท่ากับ 1.60 × 10^-19 คูลอมบ์ มิลลิแกนจึงสรุปว่าประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.60 × 10^-19  คูลอมบ์ ไม่นำมาใช้คำนวณร่วมกับค่าประจุต่อมวลที่รายงานไว้โดยทอมสันจะได้หมดอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 × 10^-28 กรัม

                     ในปีพศ. 2429 ออยเกนโกลด์ ชไตน์ ได้ทำการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยการสลับตำแหน่งของแคโทดแอโนดซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปพบว่าจะเกิดการเรืองแสงแสดงว่ามีรังสีจากแอโนดซึ่ง เรียกรังสีนี้ว่ารังสีแคแนลหรือรังสีแอโนดซึ่งมีประจุบวก

      ออยเกนโกลด์ชไตน์ได้ทำการทดลองกับแก๊สหลายชนิดพบว่ารังสีเอกซ์มีค่าประจุต่อมวลไม่คงที่จนกระทั่งกลุ่มนักวิจัยนำทีมโดยรัฐศาสตร์และทอมสันได้ทำการศึกษาหล่อในลักษณะเดียวกันที่บรรจุแก๊สไฮโดรเจนทำให้ได้ข้อสรุปว่าอนุภาคบวกมีค่าประจุเท่ากับอิเล็กตรอนและหาค่ามวลของประจุได้เป็น 1.673 × 10^-24 กรัมซึ่งมากกว่ามวลอิเล็กตรอนประมาณ 1840 เท่าที่อนุภาคนี้ว่าโปรตอน

                      ในปีพศ 2475 เจมส์แชดวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาเพลงอะตอมของธาตุต่างๆและทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเสี่ยงสูงทำให้ทราบว่าในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าและเรียกว่านิวตรอนซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอนการค้นพบนิวตรอนช่วยอธิบายและสนับสนุนข้อมูลเกี่ยวกับมวลของอะตอมซึ่งคำว่ามีค่ามากกว่ามวลรวมของโปรตอนเสื้อผ้าคาร์บอนมีมวลของโปรตอนรวมกัน 6 หน่วยประมวลของอะตอมมีค่า 12 หน่วยและมวลของธาตุส่วนใหญ่มีค่าเป็น 2 เท่าหรือมากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตอนทั้งหมดรวมกันดังนั้นอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอนจึงเป็นอนุภาคในอะตอมซึ่งอนุภาคแต่ละชนิดมีรายละเอียดดังนี้

     2.2.2 เลขอะตอมเลขมวลและไอโซโทป

                             อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอมและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับจำนวนโปรตอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆอะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่นตัวเลขที่แสดงจํานวนโปรตอน เรียกว่า เลขอะตอม และเนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมากดังนั้นเมื่อของอะตอมส่วนใหญ่จึงเป็นมวลของนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอน ว่า เลขมวล สัญลักษณ์ที่แสดงรายละเอียดเกี่ยวกับสัญลักษณ์ของธาตุเลขอะตอมและเลขมวลของอะตอมเรียกว่าสัญลักษณ์นิวเคลียส

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนอาจมีได้หลายค่าทำให้อะตอมของธาตุเดียวกันมีมวลต่างกัน เฟรเดอริก ซอดดี นักเคมีชาวอังกฤษอะตอมของธาตุเดียวกันที่มีเลขมวลต่างกันว่าไอโซโทป นอกจากนี้ยังมี ไอโซโทน ซึ่งหมายถึง ธาตุต่างชนิดกันแต่มีนิวตรอนเท่ากัน ไอโซบาร์ หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันเลขมวลเท่ากันแต่ละอะตอมต่างกัน และไอโซอิเล็กทรอนิกส์ หมายถึง ธาตุหรือไอออนที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน

2.1 แบบจำลองอะตอม

แนวคิดที่ว่าสิ่งต่างๆประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าได้เริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณโดยดิโมคริตุสนักปราชญ์ชาวกรีกผู้หนึ่งได้เสนอแนวคิดว่าถ้าแบ่งสิ่งต่างๆให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จะได้หน่วยย่อยซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กได้อีกเรียกว่าอะตอมซึ่งอะตอมในภาษากรีกแปลว่าแบ่งแยกอีกไม่ได้ 

2.1.1 แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

                    ในปีพ.ศ 2346 จอห์นดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมีรวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่งหนึ่งซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้

                     1.ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กๆเหล่านี้เรียกว่าอะตอมซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ ได้

                     2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันเช่นมีมวลเท่าแต่จะมีสมบัติแตกต่างจาก อะตอมของธาตุอื่น

                     3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ   

                    ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่งต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นและค้นพบว่ามีข้อมูลแบบประกันไม่สอดคล้องกับแนวคิดของดอลตัน เช่นคำว่าต่อมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้อะตอมสามารถแบ่งแยกได้อีกแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง

 2.1.2 แบบจําลองอะตอมของทอมสัน

         นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊สโดยทดลองเกี่ยวกับผลของการใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงต่อกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าของอะตอมแก๊สเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างภายในอะตอมโดยผ่านกระแสไฟฟ้าตรงเข้าไปในหลอดแก้วบรรจุแก๊สความดันต่ำซึ่งที่ภาวะนี้มีจำนวนอะตอมของแก๊สไม่หนาแน่นประจุไฟฟ้าสามารถเดินทางผ่านได้ไกลและพบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตลอด ขณะเดียวกันจะมีรังสีออกจากแคโทดไปยังแอโนดรังสีนี้เรียกว่ารังสีแคโทดเรียกหลอดแก้วชนิดนี้ว่าหลอดรังสีแคโทด นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลอง เพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดโดยให้เคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้าดังรูป

          พบว่าแนวการเคลื่อนที่เบนไปจากเดิมโดยเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าเนื่องจากรังสีแคโทดเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าจึงสรุปได้ว่า รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าลบ จากข้อมูลการทดลองร่วมกับทฤษฎีทางแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้ทอมสันนำมาใช้คำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดได้ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของแก๊สและชนิดของโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วแคโทดปรากฏว่าอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดมีค่าโดยประมาณเท่ากันคือ 1.76 × 10^8 คูลอมบ์/กรัมจึงสรุปได้ว่าอนุภาครังสีแคโทดที่ออกมาจากโลหะต่างชนิดกันเป็นอนุภาคเดียวกันซึ่งต่อมาได้ด้วยอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน

         การค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสันทำให้สรุปได้ว่าอะตอมทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบซึ่งลบล้างแนวคิดที่ว่าอะตอมแบ่งแยกไม่ได้และเนื่องจากสารต่างๆที่อยู่ในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้านักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่าอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งจากข้อมูลดังกล่าวทำให้ทอมสันเสนอแบบจำลองของอะตอมว่า อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วดังรูป

 2.1.3 แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

          เมื่อปีพ.ศ 2454 รัทเทอร์ฟอร์ดนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ และ ฮันส์ ไกเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมัน ได้ที่สุดแบบจำลองของอะตอมของทอมสันโดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบางๆ

ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายลักษณะภายในอะตอมว่าการที่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านแผ่นทองคำไปได้แสดงว่าภายในแผ่นทองคำต้องมีที่ว่างอยู่เป็นบริเวณกว้างการที่รังสีแอลฟาบางอนุภาคเบี่ยงเบนหรือสะท้อนกลับมาบริเวณด้านในของฉากเรืองแสงแสดงว่าภายในอะตอมน่าจะมีกลุ่มอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากมีมวลสูงมากกว่ารังสีแอลฟาและมีประจุบวกและทดสอบจึงได้เสนอแบบจำลองใหม่ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กอยู่ภายในและมีประจุไฟฟ้าโดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบดังรูป

            แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนอยู่รอบนิวเคลียสในลักษณะใดนักวิทยาศาสตร์จึงได้ทำการทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอน เพื่อนำมาสร้างเป็นแบบจำลองที่มีความสมบูรณ์แบบยิ่งขึ้น

2.1.4 แบบจำลองอะตอมของโบร์

                  สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกันและมีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างมีทั้งที่มองเห็นได้และมองเห็นไม่ได้มีชื่อเรียกต่างกันแสงที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้เรียกว่าแสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ซึ่งประกอบด้วยแสงสีต่างๆแต่ประสาทตาของมนุษย์ไม่สามารถแยกแสงที่มองเห็นเป็นสีต่างๆได้เองทำให้มองเห็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่าแสงขาวและเมื่อแสงขาว ส่องผ่านปริซึม แสงขาวจะแยกออกเป็นแสงสีรุ้งต่อเนื่องกันเรียกว่าแถบสเปกตรัมของแสงขาว

มักซ์ พลังค์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมันได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ข้อสรุปเกี่ยวกับความสำคัญระหว่างพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผันตามความถี่ของคลื่นและแปรผกผันกับความยาวของคลื่นดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้

E แปรผันตรงกับ v    หรือ E = hv

เนื่องจาก E = c/แลมดาร์ 

ดังนั้น E = hc/แลมดาร์ช

เมื่อ E คือพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล

h คือค่าคงตัวของพลังค์ มีค่า 6.626 × 10^-34 จูลต่อวินาที

v คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์

c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เท่ากับ 3 × 10^8 เมตรต่อวินาที

และ แลมดาร์ คือ ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร

ความสัมพันธ์ดังกล่าว เมื่อนำมาคำนวณพลังงานของแถบสีต่างๆในสเปกตรัมของแสงขาว

ซึ่งมีความยาวคลื่นต่างๆจะได้ดังนี้

          จากการทดลองการใช้เกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ สังเกตสิ่งที่ปรากฏแล้ว พบว่าสเปกตรัมจากแสงอาทิตย์มีสีต่อเนื่องกันเป็น แถบสเปกตรัม เส้นสเปกตรัมที่มองเห็นจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ นอกจากจะมองเห็นเป็นแถบสเปกตรัมของสีชนิดต่างๆแล้วพื้นยังมีเส้นสีต่างๆปรากฏในแถบสเปกตรัมอีกด้วยและจากการสังเกตสเปกตรัมของไฮโดรเจนฮีเลียม นีออน และปรอท เพราะว่าถ้าแต่ละชนิดให้สเปกตรัมที่มีแสงสีต่างกันและมีจำนวน  เส้นสีเฉพาะตัวเส้นสีนี้เรียกว่า เส้นสเปกตรัม

               ธาตุต่างๆ เมื่อได้รับพลังงานจะเปล่งแสงเป็นสีต่างๆหลายสีเมื่อสีเหล่านั้นรวมกันแล้วจะสังเกตเห็นเป็นสีเดียวกันซึ่งทางเราไม่สามารถบอกความแตกต่างได้แต่เมื่อใช้แผ่นเกรตติงส่องดูจะเห็นเส้นสเปกตรัมของแต่ละธาตุที่มีลักษณะเฉพาะเช่นจำนวนสี จำนวนเส้น หรือตำแหน่งที่เกิดต่างกันไปการเกิดเส้นสเปกตรัมของธาตุอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบบริเวณนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวที่ต่ำหรือกล่าวได้ว่าอะตอมอยู่ใน สถานะพื้น เมื่ออะตอมได้รับ พลังงานเพิ่มขึ้นทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นหรือ อะตอมอยู่ใน สถานะกระตุ้น ที่สถานะอะตอมจะไม่เสถียรเนื่องจากมีพลังงานสูงอิเล็กตรอนจึงคายพลังงานออกมาส่วนหนึ่งทำให้อะตอมมีพลังงานลดลงและกลับเข้าสู่สภาพที่มีพลังงานต่ำลงเพื่อให้อะตอมมีความเสถียรมากขึ้นพลังงานส่วนใหญ่ที่ขายออกมาจะปรากฏในรูปพลังงานแสงและสามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์ตามสมการของพลังค์ ซึ่งได้กล่าวไว้แล้วในข้างต้นถ้าแสงสีเหล่านี้แยกออกจากกันอย่างชัดเจนจะปรากฏเป็นเส้นสเปกตรัมแต่ถ้าแสงสีที่ปรากฏออกมามีลักษณะต่อเนื่องกันเป็นเส้นเดียวอย่างกับรุ้งหรือจากไส้หลอดไฟฟ้า ซึ่งเป็นโลหะร้อนและมีอะตอมอยู่กันอย่างหนาแน่นจะให้สเปกตรัมเป็นแถบสเปกตรัมซึ่งยากแก่การวิเคราะห์และแปลผลต่อภาวะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างๆเรียกว่า ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การเปลี่ยนแปลงพลังงาน ของอิเล็กตรอนระหว่างสถานะการ์ตูนและสถานะพื้นสามารถ อุปมานได้กับการกลิ้งลงบันไดของลูกบอลจากรูปจะเห็นว่าพลังงานศักย์หน้าบันไดแต่ละท่านมีค่าไม่เท่ากันโดยลูกบอลที่อยู่บันไดขั้นต่ำจะมีพลังงานศักย์ต่ำกว่าบันไดขั้นสูงและผลต่างของพลังงานระหว่างบันได 2 ขั้นมีค่าเฉพาะตัวที่แน่นอนโดยบันไดที่อยู่ห่างกันมากๆจะมีผลต่างของพลังงานมากกว่าบันไดที่อยู่ติดกัน

           จากการศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนทำให้สรุปได้ว่า

                      1.เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิมแต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ได้รับการที่เล็กตามขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานใหม่ทำให้ อะตอมไม่เสถียรอิเล็กตรอนจะกลับมาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าซึ่งการเปลี่ยนตำแหน่งของแต่ละระดับพลังงานนี้อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่เฉพาะค่าหนึ่งหรือกล่าวได้ว่าการดูดหรือคายพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมต้องมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของคลังโดยมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นคุณด้วยค่าคงที่ของพลังค์ดังกล่าวมาแล้ว

                      2.การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไประดับพลังงานที่อยู่ติดกันอาจมีการเปลี่ยนข้ามระดับพลังงานได้และจะอยู่ระหว่างระดับพลังงานไม่ได้

                      3.ผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานต่ำจะมีค่ามากกว่าผลต่างของระดับพลังงานที่สูงขึ้นไป สร้างความรู้เรื่องการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการเกิดสเปกตรัมช่วยให้โบร์นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมดังกล่าวโดยกล่าวว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงกลมคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัวระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดมีระดับพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่าระดับเขตและระดับพลังงานที่อยู่ถัดออกมาเรียกเป็น L M N ... ตามลำดับ 

      ต่อมาได้มีการใช้ตัวเลขแสดงถึงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนคือ n = 1 หมายถึงระดับพลังงานที่ 1 ซึ่งอยู่ใกล้กับบริเวณนิวเคลียสและฉันผ่านมา n = 2 หมายถึงระดับพลังงานที่ 2 ต่อจากนั้น N = 3 4 ... หมายถึงระดับพลังงานที่ 3 4 และสูงขึ้นไปตามลำดับ

2.1.5 แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

        แบบจำลองอะตอมของโบร์มีข้อจำกัดคือไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีลายเล็กตรอนได้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมจนได้รับข้อมูลเพียงพอที่เชื่อถือว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทางอนุภาพและคลื่นโดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสบริเวณที่พบอิเล็กตรอนมีหลายลักษณะเป็นรูปทรงต่างๆกันตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากการประยุกต์ใช้สมการทางคณิตศาสตร์และใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณเพื่อหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆพบว่าสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองของโบร์ และสามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอมจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้นทำให้สามารถมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบริเวณที่กลุ่มออกหรือแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มออกจากเรื่องแบบจำลองนี้ว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก