แบบจำลองอะตอมของดอลตัน และ แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
******************************************************** ครูอมรรัตน์ ดุษฎีธัญกุล
อะตอม มาจากภาษากรีกว่า “atomos” ซึ่งแปลว่า “แบ่งแยกอีกไม่ได้” หมายความว่า อะตอม คือ หน่วยย่อยที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงไปได้อีก แนวความคิดดังกล่าวนี้ได้จากนักปราชญ์ชาวกรีก ชื่อ ดิโมคริตุส (Demokritos)
เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมากจึงยังไม่เคยมีใครมองเห็นด้วยตาเปล่า แม้แต่ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ก็ยังไม่สามารถมองเห็นอะตอมได้ จนในปัจจุบันได้มีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์สนามไอออนที่มีกำลังขยายสูงถึง 750,000 เท่าจึงสามารถถ่ายภาพปลายเข็มของธาตุรีเนียม (Rhenium) ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นภาพของอะตอมได้ แม้ว่าจะถ่ายภาพที่เชื่อว่าเป็นอะตอมได้ แต่จากภาพถ่ายดังกล่าวก็ยังไม่สามารถบอกรายละเอียดภายในอะตอมได้
การที่อะตอมมีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้ การศึกษาเกี่ยวกับอะตอมจึงใช้วิธีการสันนิษฐาน โดยใช้ข้อมูลต่าง ๆ ที่ได้จากการทดลอง นำมาสร้างมโนภาพหรือแบบจำลองของอะตอมขึ้นมา แบบจำนองอะตอมมีหลายแบบ แต่ละแบบได้ถูกกำหนดขึ้นมาโดยอาศัยการทดลองเป็นหลัก ในขั้นแรกมีข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมจำนวนน้อย ลักษณะของแบบจำลองอะตอมก็เป็นอย่างหนึ่ง เมื่อมีข้อมูลเพิ่มขึ้นจนแบบจำลองนั้นไม่สามารถอธิบายข้อมูลที่ได้จากการศึกษาใหม่ ๆ ก็จำเป็นต้องมีการแก้ไขแบบจำลองอะตอม ดังนั้นแบบจำลองอะตอมจึงได้มีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงไปได้เรื่อย ๆ แม้กระทั่งในปัจจุบัน
แบบจำลอง คือ มโนภาพที่สร้างขึ้นโดยอาศัยข้อมูลที่ได้จากการทดลอง แบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ เป็นมโนภาพที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้น เพื่อบอกลักษณะของสิ่งที่มองไม่เห็น เช่น อะตอม นอกจากนี้แบบจำลองยังใช้เป็นคำอธิบายสิ่งหนึ่งสิ่งใดก็ได้ แบบจำลองสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อข้อมูลจากการทดลองเปลี่ยนแปลงไป
แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
นักวิทยาศาสตร์ที่เสนอแบบจำลองเป็นคนแรก คือ จอห์น ดอลตัน (Jhon Dalton) โดยเสนอความคิดเห็นเกี่ยวกับอะตอมไว้ในปี พ.ศ. 2346 ซึ่งมีข้อความที่สำคัญสรุปได้ดังนี้
1. สารแต่ละชนิดประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ เรียกว่าอะตอม ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้
2. อะตอมจะทำให้เกิดใหม่หรือสูญหายไปไม่ได้
3. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันและแตกต่างจากอะตอมของธาตอื่น
4.สารประกอบเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมของธาตุต่างชนิดกันด้วยอัตราส่วนของจำนวนอะตอมคงที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ
5.โมเลกุลของสารประกอบชนิดเดียวกันย่อยมีสมบัติเหมือนกัน และ แตกต่างจากโมเลกุลของสารประกอบอื่น ๆ
จากแนวคิดของดอลตันที่ว่า อะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดซึ่งแบ่งแยกไม่ได้ ทำให้ได้แบบจำลองอะตอมของดอลตัน เป็น “ทรงกลมที่มีขนาดเล็กที่สุด ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้”
แบบจำลองอะตอมของดอลตันใช้อธิบายเกี่ยวกับกฏทรงมวลสารสัมพันธ์ได้ จึงเป็นที่ยอมรับกันในสมัยนั้น และทำให้นักวิทยาศาสตร์เริ่มหันมาสนใจศึกษาเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น ต่อมาเมื่อการศึกษาได้พัฒนามากขึ้น พบข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น ข้อมูลใหม่ ๆ เหล่านี้บางประการก็ไม่สอดคล้องกับแนวความคิดของดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมไม่ใช่หน่วยที่เล็กที่สุด อะตอมยังสมารถมีอนุภาคย่อย ๆ ลงไปได้อีกก อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันก็อาจไม่จำเป็นต้องมีสมบัติต่าง ๆ เหมือนกันทุกประการ เช่น มีมวลต่างกันได้ (คือไอโซโทป ซึ่งจะได้กล่าวในรายละเอียดต่อไป ) นอกจากนี้ข้อมูลบางเรื่องก็ไม่สามารถอธิบายได้โดยแนวความคิดของดอลตัน เช่น ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด นักวิทยาศาสตร์คนต่อ ๆ มาจึงได้พยายามเสนอแบบจำลองอะตอมชนิดใหม่
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
ปัจจุบันทราบว่าไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ ไฟฟ้าสถิต กับไฟฟ้ากระแส
ก. ไฟฟ้าสถิต หมายถึง อำนาจไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเฉพาะแห่ง เนื่องจากประจุไฟฟ้าไม่เคลื่อนที่ในวัตถุชนิดนั้น ๆ เช่น เมื่อถูแท่งพลาสติกด้วยผ้าสักหลาด แท่งพลาสติกบริเวณที่มีการถูจะแสดงอำนาจไฟฟ้าได้ การที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากขณะที่นำพลาสติกไปถูผ้าสักหลาด จะทำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในพลาสติกแยกออกจากกัน และแสดงอำนาจไฟฟ้าบวกหรือลบ แล้วแต่ว่าบริเวณนั้นจะมีประจุชนิดใดมากกว่ากัน อำนาจไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นบริเวณที่ถู
จากความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิต ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสารต่าง ๆ จะมีประจุไฟฟ้า 2 ชนิด คือประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบ การที่วัตถุไม่แสดงอำนาจไฟฟ้าหรือเป็นกลางทางไฟฟ้านั้นเป็นเพราะว่ามีปริมาณของประจุบวกและลบเท่ากัน เมื่อนำมาเชื่อมโยงกับอะตอมทำให้เชื่อกันว่าอะตอมก็ควรจะมีประจุเช่นเดียวกัน อะตอมที่เป็นกลางจะมีประจุบวกและลบเท่ากัน ดังนั้นอะตอมจึงไม่ควรจะเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด
ข. ไฟฟ้ากระแส หมายถึง อำนาจไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านตัวกลาง ตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านเรียกว่า ตัวนำ เช่น โลหะต่าง ๆ ส่วนตัวกลางที่ไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้าผ่านเรียกว่า ฉนวน
การนำไฟฟ้าของสารละลาย
สารที่เป็นตัวนำ หรือ ฉนวนไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเป็นของแข็งเสมอไป อาจจะเป็นของเหลวหรือสารละลายก็ได้ ในกรณีที่เป็นสารละลาย ถ้าเป็นสารละลายที่นำไฟฟ้าได้เรียกว่า “สารละลายอิเล็กโทรไลต์(Electrolytic solution)” เช่น สารละลายกรดเกลือ ถ้านำไฟฟ้าได้มากเรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์แก่ เช่น สารละลายโซเดียมคลอไรด์ ถ้านำไฟฟ้าได้น้อยเรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์อ่อน เช่น สารละลายกรดอะซิติก ถ้าเป็นสารละลายที่ไม่นำไฟฟ้าเรียกว่า “สารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์ (Non-electrolytic solution)” เช่น สารละลายกลูโคส
ของแข็งนำไฟฟ้าได้เพราะมีประจุเคลื่อนที่ในตัวนำที่เป็นของแข็งนั้น แต่สำหรับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ นำไฟฟ้าได้ เพราะในสารละลายมีไอออนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไอออนบวก และไอออนลบ กล่าวคือ เมื่อสารละลายในน้ำจะมีการแตกตัวออกเป็นสองส่วน และมีประจุตรงกันข้ามกัน แต่ละส่วนเรียกว่า ไอออน ไอออนส่วนหนึ่งจะมีประจุไฟฟ้าบวก เรียกว่า ไอออนบวก ไอออนอีกส่วนหนึ่งจะมีประจุไฟฟ้าลบเรียกว่า ไอออนลบ (มีปริมาณเท่ากับไอออนบวก) เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า ไอออนบวกจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ และไอออนลบจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวก ไอออนบวกที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบจะไปรับประจุลบหรืออิเล็กตรอน ส่วนไอออนลบที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกจะเป็นตัวพาประจุลบไปให้ขั้วไฟฟ้า ไหลวนเวียนกันอยู่ในสารละลาย จึงก่อให้เกิดการนำไฟฟ้าขึ้น
การนำไฟฟ้าของก๊าซ
ที่ความดันปกติก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า แม้ว่าจะเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้มากขึ้น แสดงว่าก๊าซเป็นฉนวนไฟฟ้า ความต่างศักย์ที่ใช้ตามบ้านคือ 220 โวลต์ ก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า แต่ในบางโอกาสจะพบว่าก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้ เช่น การเกิดฟ้าแลบ หรือฟ้าผ่าในขณะที่มีพายุฝนฟ้าคะนอง จากการศึกษาการนำไฟฟ้าของก๊าซพบว่า ก๊าซจะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นถ้าความดันของก๊าซต่ำลง และความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้ามากขึ้น
หลอดรังสีแคโทด
หลอดรังสีแคโทด เป็นเครื่องมือที่ใช้ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้า ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูง และหลอดแก้วบรรจุก๊าซซึ่งมีความดันต่ำ ปลายข้างหนึ่งของหลอดแก้วจะมีขั้วไฟฟ้าแอโนด อีกปลายหนึ่งจะเป็นขั้วแคโทด เมื่อต่อไฟฟ้าให้ครบวงจรดังรูป จะสามารถตรวจสอบการไหลของไฟฟ้า รวมทั้งสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงในหลอดรังสีแคโทดได้โดยการใช้ฉากเรืองแสง
เดิมวิลเลียม ครูกส์ (William Crookes) ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผ่น เป็นขั้วไฟฟ้า หลังจากต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยให้ขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับขั้วลบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นขั้วลบเรียก แคโทด และขั้วบวกต่อกับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แอโนด เมื่อใช้ความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าน้อย ๆ จะพบว่ามีการนำไฟฟ้าน้อยมาก เมื่อสูบเอาก๊าซในหลอดรังสีออกจนเกือบหมดและใช้ความต่างศักย์ระหว่างขั้วประมาณ 10,000 โวลต์ จะพบว่ามีการนำไฟฟ้าได้ดียิ่งขึ้น และมีแสงสีเขียวพุ่งออกมาจากแคโทด จึงได้เรียกรังสีแคโทด รังสีนี้สามารถทำให้ ZnS เกิดการเรื่องแสงได้
โดยทั่ว ๆ ไป พบว่ารังสีแคโทดจะเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังแอโนด และรังสีนี้สามารถเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าได้
ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทดทำให้ เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (Sir Loseph John Thomson) สนใจมาก และได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมอีกจำนวนมาก นอกจากนี้ยังมีนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ที่สนใจเกี่ยวกับเรื่องนี้ เช่น ยูจีน โกลด์สไตน์ (Eugene Goldstein) และวิลเฮล์ม วีน (Wilhelm Wein) เป็นต้น
ทอมสันได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมอีกจำนวนมาก โดยดัดแปลงลักษณะของหลอดรังสีแคโทดจากเดิมเล็กน้อย เช่นมีการเติมฉากเรืองแสงไว้ในหลอดรังสีด้วย ดังในรูป และทอมสันได้นำผลการทดลองในลักษณะต่าง ๆ มาสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม โดยทำเป็นขั้น ๆ ดังนี้
1. บรรจุก๊าซชนิดหนึ่งในหลอดรังสีแคโทดที่ภายในมีขั้วไฟฟ้าแอโนด และแคโทดต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูง ที่ขั้วแอโนดเจาะรูเล็ก ๆ ตรงกลาง และปลายด้านหนึ่งของหลอดรังสีมีฉากเรืองแสง ก. ทำด้วย ZnS วางไว้ นำหลอดรังสีนี้ต่อเข้ากับเครื่องสูบสูญญากาศ
ในตอนแรกความดันในหลอดแก้วมีมาก จะยังไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ฉากเรืองแสง แม้ว่าจะใช้ศักย์ไฟฟ้าสูง ๆ ต่อเมื่อลดความดันในหลอดแก้วให้ต่ำลงมาก ๆ จนเกือบเป็นสุญญากาศ จะพบว่ามีจุดเรืองแสง หรือมีจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก.
เนื่องจาก ZnS มีสมบัติพิเศษที่ว่า ถ้าอนุภาคมีประจุมากระทบจะทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้น ดังนั้นจากผลการทดลองทำให้ทอมสันตั้งสมมติฐานว่า จะต้องมีรังสีชนิดหนึ่งซึ่งมีประจุไฟฟ้าพุ่งเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดมายังฉากเรืองแสง ก. ซึ่งรังสีนี้อาจจะเกิดจากก๊าซที่มีอยู่ในหลอดแก้วนั้น หรืออาจจะเกิดจากโลหะที่ทำขั้วไฟฟ้าก็ได้ ซึ่งทอมสันยังไม่ทราบ รวมทั้งยังไม่ทราบว่ารังสีที่พุ่งออกมานั้นมีประจุเป็นอย่างไร ดังนั้นจึงได้ทดลองต่ออีก อย่างไรก็ตามเมื่อถึงขั้นนี้ทอมสันได้คาดว่าอะตอมคงจะไม่ใช่เป็นทรงกลมตันดังแบบจำลองของดอลตันแน่ แต่จะต้องมีอนุภาคเล็ก ๆ ที่มีประจุเป็นองค์ประกอบด้วย
2. เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ และต้องการจะทราบว่าประจุไฟฟ้าที่มากระทบฉากเรืองแสง ก. เป็นประจุบวกหรือลบ ทอมสันจึงได้ทดลองต่อไปโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย โดยยึดหลักที่ว่า อนุภาคที่มีประจุจะต้องเกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า ถ้าอนุภาคนั้นมีประจุบวกจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า และถ้ามีประจุลบจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก ทั้งนี้ศึกษาการเบี่ยงเบนได้จากฉากเรืองแสง
เมื่อเพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปอีก 2 ขั้ว โดยให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางของรังสีดังในรูป จากการทดลองพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. เบนไปจากตำแหน่งเดิม คือ เบี่ยงเบนขึ้นสู่ด้านบน ซึ่งถ้าลากเส้นจากขั้วไฟฟ้าจะเห็นว่ารังสีนั้นเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า แสดงว่ารังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุจึงเกิดการเบี่ยงเบนขึ้น และการที่เบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกแสดงว่า รังสีนั้นจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากรังสีนี้เคลื่อนที่ออกมาจากขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วที่ใช้ในการทดลองว่า หลอดรังสีแคโทด
เมื่อทดลองถึงขั้นนี้ ทำให้ทอมสัน ตั้งสมมติฐานขึ้นว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ที่ส่วนหนึ่งมีประจุลบ แต่ยังไม่ทราบว่าอนุภาคที่มีประจุลบเหล่านี้เกิดจากก๊าซในหลอดรังสีหรือเกิดจากขั้วไฟฟ้า และไม่ทราบว่ารังสีแคโทดนี้จะเหมือนกันหรือไม่ จะประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่ ถ้าใช้ก๊าซต่างชนิดกันจะมีลักษณะเหมือนหรือต่างกันอย่างไร
3. ทอมสันศึกษาสมบัติขิงรังสีแคโทดต่อไป โดยหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสีนั้น ทั้งนี้อาศัยหลักที่ว่านอกจากรังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนได้ในสนามไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถเบี่ยงเบนได้ในสนามแม่เหล็กด้วย
ในตอนแรกทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนก๊าซชนิดต่าง ๆ ในหลอดรังสีแคโทดแล้วทดลองในทำนองเดียวกัน ปรากฏผลการทดลองได้ผลเหมือนเดิม และเมื่อลองเปลี่ยนชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ทำแคโทดก็ยังคงพบว่าได้ผลการทดลองเหมือนเดิม คือจะมีรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมาที่ฉากเรืองแสง ก. และรังสีเกิดการเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จึงทำให้ไม่สามารถจะพิสูจน์ว่าอนุภาคที่มีประจุลบนั้นเป็นอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่ ดังนั้นทอมสันจึงได้ทำการทดลองต่อโดยนำหลอดรังสีวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ทั้งนี้ในทิศทางของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าดังรูป ในช่วงแรกที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป จุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. จะเบี่ยงเบนขึ้นด้านบน เมื่อใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป และเพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กทีละน้อยจะพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. ค่อย ๆ มีการเบี่ยงเบนน้อยลง คือ จุดเรืองแสงค่อย ๆ กลับมาสู่ตำแหน่งเดิมของตอนที่ไม่มีสนามไฟฟ้า แสดงว่าในขณะนี้ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความแรงของสนามแม่เหล็ก จุดสว่างบนฉากเรืองแสงจึงไม่มีการเบี่ยงเบน
เมื่อนำความแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า และความแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคลบมาคำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคลบนั้น ปรากฏว่าได้ค่าคงที่เท่ากันทุกครั้ง ไม่ว่าทอมสันจะใช้ก๊าซชนิดใด หรือไม่ว่าจะใช้โลหะใดเป็นแคโทด คือได้
= 1.7 X 108 คูลอมบ์/กรัม
จากผลการทดลองและผลการคำนวณ ทำให้ทอมสันสรุปว่า “อนุภาคลบในรังสีแคโทดจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน และอะตอมทุกชนิดย่อมจะมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบเหมือนกัน และเรียกอนุภาคลบนี้ว่าอิเล็กตรอน”
เมื่อทดลองถึงตอนนี้ทำให้ทอมสันสรุปได้ว่า อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งในขณะนั้นยังไม่ทราบ
การค้นพบโปรตอน
เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า องค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอมจะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ด้วย
ออยเกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดเล็กน้อย ดังในรูป
โกลด์สไตน์ได้เลื่อนขั้วแคโทดและแอโนดมาไว้เกือบตรงกลาง แล้วเพิ่มฉากเรืองแสง ข. ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของหลอดแก้ว โดยคิดว่าการที่อนุภาคที่มีประจุลบสามารถเคลื่อนที่ผ่านขั้วแอโนดไปที่ฉากเรืองแสง ก. ได้ อนุภาคที่มีประจุบวกก็ควรจะเคลื่อนที่ผ่านแคโทดไปที่ฉากเรืองแสง ข. ได้เช่นเดียวกัน ดังนั้นจึงเจาะรูตรงกลางของขั้วแอโนดและแคโทดไว้ จากการทดลองเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งบนฉากเรืองแสง ก. และ ข. ซึ่งโกลด์สไตน์อธิบายว่าจุดสว่างที่เกิดบนฉากเรืองแสง ข. จะต้องเกิดจากรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทดไปยังฉากเรืองแสง แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซหรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่
จากการทดลองหลายครั้ง ๆ โดยการเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้ว ปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนของประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้ และเมื่อทดลองโดยเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าหลาย ๆ ชนิด แต่ใช้ก๊าซในหลอด แก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่าผลการทดลองได้อัตราส่วนของประจุต่อมวลเท่ากัน แสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซ ไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า
ต่อมาโกลด์สไตน์ได้พบว่าถ้าทำการทดลองโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจน จะได้อนุภาคบวกที่มีจำนวนประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน และเรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนว่า “โปรตอน” อะตอมของก๊าซไฮโดรเจนจะมี 1 โปรตอน และอะตอมของธาตุอื่น ๆ อนุภาคบวกจะมีมากกว่า 1 โปรตอน แต่จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน
จากผลการทดลองที่ผ่านมา ทั้งของทอมสัน และโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมดังนี้
“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอในอะตอม อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ”
ทอมสันได้นำแบบจำลองดังกล่าวมาอธิบายผลการทดลองดังนี้ เมื่ออะตอมของโลหะที่เป็นขั้วไฟฟ้าแคโทดได้รับพลังงานจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จนกระทั่งพลังงานนั้นมีค่ามากพอที่จะทำให้เกิดการแตกตัว (Ionization) ให้อิเล็กตรอนออกมา
พลังงาน + M (s) ® M (g) ® M+ (g) + e-
M คือ อะตอมของโลหะที่เป็นขั้วแคโทด
อิเล็กตรอนที่ออกมาจากแคโทดจะเคลื่อนที่ไปยังแอโนด ซึ่งในขณะที่เคลื่อนที่จะมีการชนอะตอมของก๊าซที่อยู่ภายในหลอดด้วย เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ออกมาจากแคโทดมีพลังงานติดตัวออกมาด้วย เมื่อมีการชนกับอะตอมของก๊าซจะมีการถ่ายเทพลังงาน ซึ่งถ้ามีการชนที่แรงพอจนทำให้อะตอมของก๊าซที่ถูกชนเกิดการแตกตัวให้อิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุบวกออกมาเช่นเดียวกัน
อิเล็กตรอนจากขั้วไฟฟ้า A (g) ® A+ (g) + e-
อิเล็กตรอนทั้งหมดจากขั้วไฟฟ้าและจากก๊าซซึ่งเรียกรวมกันว่ารังสีแคโทดจะพุ่งไปยังขั้วแอโนด บางส่วนจะวิ่งผ่านรูที่เจาะไว้ตรงกลางขั้วแอโนดไปกระทบฉากเรืองแสงทำให้เกิดจุดสว่างบนฉากเรืองแสงขึ้น เนื่องจากอะตอมของธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอิเล็กตรอนอย่างเดียวกัน ดังนั้นไม่ว่าจะใช้โลหะใดเป็นขั้วไฟฟ้า หรือใช้ก๊าซใดใส่ในหลอดแก้ว จะได้รังสีแคโทดนิดเดียวกัน อัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลจึงเท่ากัน
ในขณะที่อิเล็กตรอนวิ่งไปยังแอโนด อนุภาคที่มีประจุบวก คือ A+ จะวิ่งไปยังแคโทด และบางส่วนจะผ่านแคโทดตรงรูที่เจาะไว้ตรงกลางกระทบกับฉากเรืองแสง ทำให้เกิดจุดสว่างบนฉากเรืองแสงขึ้น แต่เนื่องจากอะตอมของก๊าซแต่ละชนิดมีมวลไม่เท่ากัน ดังนั้นอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอนุภาคบวกจึงไม่เท่ากัน (สำหรับก๊าซต่างชนิดกัน)
เช่น He (g) ® He+(g) + e-
H (g) ® H+(g) + e-
ประจุต่อมวลของ He+(g) กับ H+ (g) ย่อมไม่เท่ากัน เพราะมวลอะตอมของ He และ H ไม่เท่ากัน
การหาค่าประจุของอิเล็กตรอน
ใน พ.ศ. 2451 โรเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert Andrews Millikan) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกาได้ทำการทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอน โดยใช้การทดลองที่เรียกว่า “Oil drop experiment”
เครื่องมือประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว ต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าบนเป็นขั้วบวก และขั้วไฟฟ้าด้านล่างเป็นขั้วลบ ขั้วไฟฟ้าทั้ง 2 ใส่ไว้ในกล่องซึ่งมีอากาศอยู่ภายใน
เมื่อพ่นหยดน้ำมันเม็ดเล็ก ๆ เข้าไประหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เนื่องจากน้ำมันแต่ละหยดมีมวล ดังนั้นจึงถูกแรงดึงดูดของโลกทำให้ตกลงมาสู่ด้านล่าง ในขณะที่เม็ดน้ำมันยังไม่มีประจุไฟฟ้า การที่จะบังคับให้เคลื่อนที่ขึ้นลงจึงยังทำไม่ได้ ดังนั้นในตอนแรกจึงต้องเติมประจุลงบนหยดน้ำมันก่อนโดยการฉายรังสีเอ็กซ์ ( X-Ray) เข้าไป รังสีเอ็กซ์จะไปชนกับอากาศภายในกล่อง ทำให้อะตอมของอากาศเกิดการแตกตัว
X-rays ® A (g) ® A+ (g) + e-
รูปที่ 1.10 แรงที่กระทำต่อหยดน้ำมัน
อนุภาคบวกและอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะไปเกาะที่หยดน้ำมัน ทำให้หยดน้ำมันเกิดประจุ อิเล็กตรอนที่ไปเกาะที่หยดน้ำมันอาจจะไปเกาะเพียง 1 ตัว หรือหลายๆ ตัวก็ได้ เช่นเดียวกับอนุภาคบวกก็จะไปเกาะที่หยดน้ำมัน ซึ่งอาจจะมีอนุภาคบวกหลายตัวที่หยดน้ำมัน 1 หยด เมื่อหยดน้ำมันมีประจุในขณะที่กำลังเคลื่อนที่ลงมาด้วยแรงดึงดูดของโลก ถ้าใส่สนามไฟฟ้าเข้าไปในระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ขั้วไฟฟ้าบวกข้างบนจะดึงดูดกับหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนเกาะอยู่ ส่วนขั้วไฟฟ้าลบข้างล่างจะดึงดูดกับอนุภาคบวกทำให้หยดน้ำมันที่มีอนุภาคบวกเคลื่อนที่ลงได้เร็วขึ้น ซึ่งในที่นี้จะไม่ขอกล่าวถึงอนุภาคบวก แต่จะกล่าวถึงรายละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนเท่านั้น
ในขณะที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป หยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนเกาะอยู่จะมีประจุเป็นลบ และถูกดึงดูดให้ลอยขึ้นไปหาขั้วบวก ดังนั้นในตอนแรกหยดน้ำมันเหล่านี้จะเคลื่อนที่ลงได้ช้า และเมื่อเพิ่มศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วให้มากขึ้น จนกระทั่งแรงดึงดูดเนื่องจากขั้วไฟฟ้ากับอิเล็กตรอนบนหยดน้ำมันเท่ากับแรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก หยดน้ำมันเหล่านั้นจะลอยนิ่ง ซึ่งสามารถนำมาคำนวณค่าของประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้
ถ้า m = มวลของหยดน้ำมัน
g = ค่าคงที่ของแรงดึงดูดของโลก
F1 = แรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกต่อหยดน้ำมัน
F1 = mg
ถ้า E = สนามไฟฟ้า
q = ประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมัน
F2 = แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าต่อหยดน้ำมัน
F2 = Eq
เมื่อพิจารณาหยดน้ำมันที่ลอยนิ่ง หยดใดหยดหนึ่ง จะได้ว่า
แรงเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก = แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า
mg = Eq
หรือ q =
ค่า E และ g สามารถหาได้จากเครื่องมือที่ใช้ ส่วน m ซึ่งเป็นมวลของหยดน้ำมันหาได้จากสูตร m = r d
เมื่อ r = รัศมีของหยดน้ำมัน
d = ความหนาแน่นของน้ำมัน
จะเห็นได้ว่า ค่า m , g และ E สามารถหาได้ ดังนั้นจึงคำนวณประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันได้ จากการทดลองพบว่าประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันนั้นมีค่าเท่ากับ 1.60x 10-19 คูลอมบ์ หรือเป็นจำนวนเท่าของ 1.60x10-19 คูลอมบ์ เช่น 2x1.60x 10-19 , 3 x1.60x10-19 คูลอมบ์ เป็นต้น แสดงว่าจำนวนประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันที่มีค่าน้อยที่สุดคือ 1.60x10-19 คูลอมบ์ จำนวนประจุอื่น ๆ จะเป็นจำนวนเท่าของ 1.60x10-19 ดังนั้นค่าของประจุ 1.60x10-19 คูลอมบ์ จึงเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 ตัว กล่าวคือ
ถ้ามีอิเล็กตรอน 1 ตัว เกาะบนหยดน้ำมัน จะได้ประจุ = 1.60x10-19 คูลอมบ์
ถ้ามีอิเล็กตรอน 2 ตัว เกาะบนหยดน้ำมัน จะได้ประจุ = 2x1.60x10-19 คูลอมบ์
ถ้ามีอิเล็กตรอน 3 ตัว เกาะบนหยดน้ำมัน จะได้ประจุ = 3x1.60x10-19 คูลอมบ์
ดังนั้น จากการทดลองของมิลลิแกนได้ประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.60x10-19 คูลอมบ์
การคำนวณหามวลของอิเล็กตรอน
จากการทดลองของทอมสันได้ค้าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน คือ
= 1.7 X 108 คูลอมบ์/กรัม
จากการทดลองของมิลลิแกน
ได้ค่าประจุของอิเล็กตรอน (e) = 1.60 x 10-19 คูลอมบ์
เพราะฉะนั้นหามวลของอิเล็กตรอนได้ m = 9.41 x 10-28 กรัม
แบบจำลองอะตอมของทอมสันนับว่าเป็นก้าวสำคัญเกี่ยวกับการศึกษาโครงสร้างของอะตอม ทำให้ได้มโนภาพของอะตอมที่ถูกต้องยิ่งขึ้น แต่อย่างไรก็ตามแบบจำลองอะตอมของทอมสันก็ยังไม่สามารถจะอธิบายผลการทดลองใหม่ ๆ อีกเป็นจำนวนมาก ซึ่งแสดงว่ายังไม่ใช่แบบจำลองที่สมบูรณ์ เป็นผลให้มีการค้นคว้าเพิ่มเติมขึ้น และมีการเสนอแบบจำลองใหม่ ๆ ขึ้นมา
