อะตอมและการค้นพบอิเล็กตรอน

อะตอม

               มนุษย์เริ่มสนใจโครงสร้างของสสาร โดยการสังเกตสิ่งต่างๆ ในธรรมชาติและพบว่ามีสมบัติแตกต่างกันหลากหลาย คือ มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว และแก๊ส จึงสงสัยต่อไปว่าสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยชิ้นสวนย่อยอย่างไร นำไปสู่ความคิดที่ว่าสสารมีชิ้นส่วนย่อยเล็กที่สุดที่เรียกว่าอะตอม เมื่อถึงสมัยของดอลตัน สมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมมีความชัดเจนขึ้น

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันกล่าวว่า

สารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมซึ่งเป็นสิ่งที่แบ่งแยกไม่ได้ และธาตุแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมที่มีสมบัติ

เหมือนกันทั้งน้ำหนัก และขนาด อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีน้ำหนักต่างกัน และอะตอมชนิดหนึ่งไม่สามารถเปลี่ยนไปเป็นอะตอมชนิดอื่นได้ แต่อาจรวมกับอะตอมของธาตุอื่นในสัดส่วนที่คงตัว ทำให้เกิดสารประกอบอะตอมที่ยังคงลักษณะเฉพาะของมันขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี”

              การค้นพบอิเล็กตรอน

             การศึกษาการนำกระแสไฟฟ้าในแก๊สที่มีความดันต่ำได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในปี พ.ศ. 2398 ได้มีการสร้างเครื่องสูบสุญญากาศขึ้น และสิ่งประดิษฐ์นี้นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่การพบอิเล็กตรอนในที่สุด เมื่อมีการบรรจุแก๊สความดันต่ำเข้าไปในหลอดแล้วต่อขั้วไฟฟ้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศัยก์ไฟฟ้าสูง ดังรูป พบว่าบริเวณผนังของหลอดจะเรืองแสงเป็นสีเขียวจางๆ

                                                            รูป วงจรไฟฟ้าหลอดรังสีแคโทด                                       

                ต่อมาในปี พ.ศ. 2408 เซอร์ วิลเลียม ครูกส์ ทำการทดลองกับหลอดสุญญากาศเช่นกัน แต่ดัดงอหลอดเป็นมุมฉาก ดังรูป 19.1 ข แล้วต่อขั้วไฟฟ้าของหลอดที่บรรจุแก๊สความดันต่ำนี้เข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง พบว่าการเรืองแสงสีเขียวจะเกิดมากที่สุดตามบริเวณผนังหลอดด้านในที่อยู่ตรงข้ามขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบแสดงว่าการเรืองแสงดังกล่าวเกิดจากรังสีที่ออกมาจากขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด (cathode ray )   ในเวลาต่อมาได้มีการศึกษาธรรมชาติของรังสีแคโทด โดยใช้แผ่นโลหะบางๆ กั้นรังสีแคโทด ทำให้เกิดเงาของแผ่นโลหะปรากฏบนผนังหลอดดังรูปและเมื่อให้รังสีแคโทดผ่านสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าพบว่า รังสีนี้มีการเปลี่ยนแปลงในบริเวณที่มีสนามทั้งสอง

รูปแสดงเงาที่เกิดจากรังสีแคโทด

   การค้นพบอิเล็กตรอนโดยการทดลองของทอมสัน

               พ.ศ. 2440 เมื่อ เจ เจ ทอมสันทดลองใช้หลอดสุญญากาศลักษณะคล้ายหลอดและมีแผนภาพดังรูปโดยมี Cเป็นขั้วแคโทด A เป็นขั้วแอโนด P และ Q เป็นแผ่นโลหะขนาน

เมื่อต่อขั้วแคโทดและขั้วแอโนดกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความศักย์สูง รังสีแคโทดจะออกจากขั้วแคโทด C ไปยังขั้วแอโนด A ส่วนที่ผ่านช่องเล็กๆของทรงกระบอก  A และ D เป็นลำของอนุภาคตรงไปกระทบสารเรืองแสงซึ่งฉาบไว้ที่ปลายอีกข้างหนึ่งของหลอด ทำให้เกิดจุดสว่างเล็กๆ S และเมื่อต่อแผ่นโลหะ P และ Q กับขั้วแบตเตอรี่ พบว่า จุดสว่าง S จะเลื่อนไปจากตำแหน่งเดิม

                - ถ้าต่อแผ่นโลหะ P กับขั้วลบ และแผ่นโลหะ Q กับขั้วบวก พบว่าจุดสว่าง S เลื่อนไปทาง Q จะสรุปเหตุการณ์ที่เห็นอย่างไร

ข้อสังเกตที่ได้จากการทดลอง ทำให้ทอมสันสามารถสรุปได้ว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ

จึงเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า อนุภาครังสีแคโทด(cathode ray particle)นอกจากนี้ ทอมสันยังทดลองวัดอัตราส่วนประจุไฟฟ้าต่อมวล (q/m)  ของอนุภาคนี้อีกด้วย

                - ถ้าบริเวณระหว่างแผ่นโลหะ P และ Q มีเฉพาะสนามแม่เหล็กเท่านั้นและทิศของสนามอยู่ในแนวตั้งฉากและพุ่งเข้าหาแผ่นกระดาษ จุดสว่าง S จะเลื่อนไปทางใด

เมื่ออนุภาครังสีแคโทดเคลื่อนที่เข้าไปในบริเวณระหว่างแผ่นโลหะ P และ Q ขณะที่มีสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจะส่งแรงกระทำต่ออนุภาค ทำให้แนวการเคลื่อนที่เบนเป็นส่วนโค้งของวงกลม แต่เมื่ออนุภาครังสีแคโทดผ่านพ้นบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก มันจะเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงพุ่งไปกระทบฉากเรืองแสง ดังรูป

 รูป 19.6 แนวทางการเคลื่อนที่ของอนุภาครังสีแคโทดเมื่อผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก

สมมติให้อนุภาครังสีแคโทดมีมวล m ประจุไฟฟ้า q และเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง ด้วยความเร็ว v ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กขนาด B แนวทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะถูกเบี่ยงเบนเป็นส่วนโค้งของวงกลมที่มีรัศมี R โดยแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กF_B เป็นแรงสู่ศูนย์กลางF_c  ดังรูป 19.6 ข

                 เนื่องจาก F_B  = qvB  และ   F_c = mv² /R

                ดังนั้น qvB= mv² /R

               นั่นคือ q/m=v/BR                                
       เพราะ B และ R เป็นปริมาณที่สามารถวัดได้ ส่วน v นั้นทอมสันได้ทำการทดลองวัดโดยปรับขนาดและทิศของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กให้พอเหมาะ จนกระทั่งลำอนุภาครังสีแคโทดไม่เบนไปจากแนวเดิม ซึ่งแสดงว่าแรงเนื่องจากสนามทั้งสองที่กระทำต่ออนุภาครังสีแคโทดมีขนาดเท่ากันแลแรงทั้งสองมีทิศทางตรงข้ามกัน

               นั่นคือ  FE=F_B

                               qE = qvB
                      ดังนั้น  V=E/B

              ในสมการสนามไฟฟ้า E เป็นปริมาณที่วัดได้ เมื่อแทนค่า v ในสมการจะคำนวณหาอัตราส่วนq/mได้
ทอมสันได้ทดลองวัด q/mซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทด ปรากฏว่าอัตราส่วนของอนุภาครังสีแคโทดที่คำนวณได้จากการทดลองมีค่าโดยประมาณเท่ากันคือ 1.76x10¹¹ คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม เขาจึงสรุปว่า รังสีแคโทดที่พุ่งออกจากโลหะทั้งหลายเป็นอนุภาคที่มีมวลและเป็นอนุภาคชนิดเดียวกัน ซึ่งต่อมาได้ชื่อว่า อิเล็กตรอน(electron) จึงถือว่าทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบอิเล็กตรอน

                นอกจากนี้ทอมสันได้ทดลองวัดอัตราส่วนอัตราส่วนq/m ของไอออนของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอะตอมของไฮโดรเจนที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป ดังนั้นประจุไฟฟ้าของไอออนไฮโดรเจนจึงเป็นบวก ทอมสันพบว่า อัตราส่วนq/m ของไอออนไฮโดรเจนที่มีค่าโดยประมาณเท่ากับ9.7x10⁷คูลอมบ์ต่อกิโลกรัม ซึ่งค่าที่ได้นี้สอดคล้องกับ q/mที่ได้จากการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของฟาราเลย์

 ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่า ประจุของอิเล็กตรอนกับประจุของไอออนของไฮโดรเจนมีค่าเท่ากัน ดังนั้นเป็นการเปรียบเทียบค่า  1.76x10¹¹  ของอนุภาคทั้งสองทำให้รู้ว่า ไอออนของไฮโดรเจนมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1800 เท่า

                ผลการทดลองของทอมสันแสดงให้เห็นว่า ขั้วไฟฟ้าลบที่ทำจากโลหะทุกชนิดสามารถให้อิเล็กตรอนได้ ทอมสันจึงสรุปว่าอะตอมซึ่งแต่เดิมเข้าใจกันว่าแบ่งย่อยไม่ได้นั้น ความจริงสามารถแบ่งย่อยไปได้อีก และอิเล็กตรอนคือองค์ประกอบหนึ่งของอะตอมทุกชนิด

 ในการทดลองเพื่อหาอัตราส่วนq/mของอนุภาครังสีแคโทดตามแบบของทอมสัน เมื่อใช้สนามแม่เหล็กที่มีขนาด 0.004 เทสลา พบว่ารัศมีความโค้งของลำอนุภาครังสีแคโทดเท่ากับ 4.2 เซนติเมตร ในการวัดอัตราเร็วของอนุภาครังสีแคโทดพบว่า เมื่อต่อความต่างศักย์ 480 โวลต์เข้ากับแผ่นโลหะที่อยู่ห่างกัน 4.0 มิลลิเมตร สนามไฟฟ้าที่เกิดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จะทำให้อนุภาครังสีแคโทดเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง จงหาอัตราเร็วและอัตราส่วนq/mของอนุภาครังสีแคโทด

วิธีทำ     ก. การหาอัตราเร็วอนุภาครังสีแคโทด

การปรับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่พอเหมาะจะทำให้รังสีแคโทดเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง

                                                                    F_B  =F_E
                                                                   qvB =     qE
                                                   ดังนั้น  V=E/B                (1)
                                               เนื่องจาก  E=V/d                (2)
              แทน (2) ลงใน (1) dV=V/Bd
              แทนค่า  V=480v/o.oo4t x o.oo4m=3 x 10⁷     

ตอบ     อัตราเร็วของอิเล็กตรอนเท่ากับ3 x 10⁷ 
             อัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลเท่ากับ 1.79 x10¹¹  

                 การหาประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนโดยการทดลองของมิลลิแกน  

 การทดลองของทอมสัน ทำให้รู้อัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน แต่ยังไม่สามารถรู้ขนาดของประจุไฟฟ้าและขนาดของมวลอิเล็กตรอนได้ จนกระทั่งนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อโรเบิร์ต เอ มิลลิแกน ได้ทดลองวัดค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ โดยการวัดประจุบนหยดน้ำมัน

                ส่วนประกอบที่สำคัญคือแผ่นโลหะ A และ B ที่ขนานกัน และอยู่ห่างกันเป็นระยะ d แผ่น A ถูกเจาะเป็นรูเล็กๆ เหนือแผ่น A มีกระบอกฉีดน้ำมันซึ่งปากกระบอกเป็นรูเล็กมาก เมื่อฉีดละอองของหยดน้ำมันขนาดเล็กเข้าไปในระหว่างแผ่นโลหะขนาน แล้วฉายรังสีเอกซ์ จะทำให้อากาศแตกตัว มีประจุไฟฟ้าไปเกาะบนหยดน้ำมัน จากนั้นปรับค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า หยอดน้ำมันที่มีประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ขึ้นลงด้วยอัตราเร็วต่างๆ ในสนามไฟฟ้า แต่เมื่อต่อขั้วไฟฟ้าบวกกับแผ่นโลหะ A และต่อขั้วไฟฟ้าลบกับแผ่นโลหะ B จะพบว่า หยดน้ำมันบางหยดจะเคลื่อนที่ช้าลง บางหยดเคลื่อนที่เร็วขึ้น

- หยดน้ำมันที่เคลื่อนที่ขึ้น มีประจุไฟฟ้าชนิดใด

                - ถ้าต้องการให้หยดน้ำมันที่กำลังเคลื่อนที่ขึ้นหยุดนิ่งจะต้องทำอย่างไร

                 เมื่อเราปรับความต่างศักย์ไฟฟ้าได้อย่างพอเหมาะ จะมีหยดน้ำบางหยดลอยนิ่งอยู่กับที่ หรือเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัว ถ้าไม่คำนึงถึงแรงลอยตัว ถือได้ว่าแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากับแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อหยดน้ำมันสมดุลกันพอดี

หยดน้ำมันมวล m มีประจุไฟฟ้า q จะได้ว่า

 qE           =              mg                          

              หรือ q=mg/E     (19.3)E คือขนาดความเข้มสนามไฟฟ้า