ฟิสิกส์อะตอม

1. ฟิสิกส์อะตอม นายสมรัก แก้วศรี

2. Heinrich Geissler ประดิษฐ์เครื่องสูบสุญญากาศ มีกระแสไฟฟ้าผ่านหลอดและมีสีเขียวจางๆเกิดขึ้นที่ผนังของหลอด

3. Sir William Crookes รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรง รังสีแคโทดเบนในสนามแม่เหล็ก

4. สมบัติรังสีแคโทด • วัสดุหลายชนิดที่ใช้ทำแคโทด จะให้รังสีแคโทดที่มีสมบัติอย่างเดียวกัน • เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงออกมาตั้งฉากกับผิวแคโทด • สนามแม่เหล็กเบนรังสีแคโทดได้

5. Joseph John Thomson ทดลองหาค่าประจุต่อมวลอิเล็กตรอน

6. การทดลองของ Thomson

7. ใส่สนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นที่ตั้งฉากกับเส้นทางวิ่งของอิเล็กตรอนใส่สนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นที่ตั้งฉากกับเส้นทางวิ่งของอิเล็กตรอน

8. เมื่อใส่สนามแม่เหล็กอย่างเดียวเมื่อใส่สนามแม่เหล็กอย่างเดียว

9. แรงจากสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากคือแรงจากสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากคือ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งของวงกลมรัศมี R อัตราส่วนประจุต่อมวลของอนุภาครังสีแคโทด

10. เมื่อใส่สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเมื่อใส่สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนวิ่งตรง

11. ตัวอย่างในการทดลองของ Thomson เพื่อหาอัตราส่วน ประจุต่อมวลของอนุภาครังสีแคโทด โดยใช้ สนามแม่เหล็กขนาด คือ 1.4  10-3เทสลา รัศมีความโค้งของลำอนุภาครังสีแคโทดจะเท่ากับ 9.13 เซนติเมตร ในการวัดความเร็วของอนุภาค รังสีแคโทด พบว่า ถ้าต่อแผ่นโลหะทั้งสองซึ่งมี ระยะห่างกัน 1.0 เซนติเมตรเข้ากับความต่างศักย์ ไฟฟ้า 322 โวลต์ จะทำให้อนุภาครังสีแคโทด เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง จงหาความเร็วและ อัตราส่วนประจุต่อมวลอนุภาครังสีแคโทด

12. จงให้เหตุผลที่ทอมสันสรุปว่าอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอมจงให้เหตุผลที่ทอมสันสรุปว่าอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม • อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนมากกว่าอัตราส่วนประจุต่อมวลของไอออนของไฮโดรเจนประมาณ 1,800 เท่า และประจุของอิเล็กตรอนกับประจุของไอออนของไฮโดรเจนมีค่าเท่ากัน ดังนั้นมวลของอิเล็กตรอนน้อยกว่ามวลของไอออนของไฮโดรเจนประมาณ 1,800 เท่า

13. Robert A. Millikan

14. ตัวอย่างในการทดลองของ Millikanต้องใช้ความ ต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นโลหะค่าเท่าใด จึงจะ ทำให้แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อ หยดน้ามันสมดุลกับแรงดึงดูดของโลก ถ้า หยดน้ามันมีมวล 6.4  10 – 15 กิโลกรัม และ ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่ม 7 ตัว ระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะเท่ากับ 1 เซนติเมตร ประจุไฟฟ้า ของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.6  10 – 19 คูลอมบ์

15. แบบจำลองอะตอม แบบจำลองอะตอมของ Thomson อะตอมเป็นทรงกลมตันอิเล็กตรอนฝังรวมกับประจุบวก ลักษณะคล้ายผลแตงโมและมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า

16. Ernest Rutherford ทำการทดลองโดยยิงอนุภาคแอลฟา(alpha particle)ผ่านแผ่นทองคำบางๆ พบว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่เดินทางเป็นเส้นตรงทะลุผ่านแผ่นทองคำไปโดยไม่เบี่ยงเบนแต่มีหลายอนุภาคเบี่ยงเบนจากแนวทางเดิมเป็นมุมโต บางส่วนสะท้อนกลับเกือบเป็นเส้นตรง

17. การทดลองของ Rutherford

20. บทสรุปการทดลองของ Rutherford มวลส่วนใหญ่ของอะตอมรวมกันอยู่อย่างหนาแน่นในบริเวณที่เป็นปริมาตรน้อยๆ และบริเวณส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นที่ว่างเปล่า

21. แบบจำลองอะตอมของ Rutherford • อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสเล็กๆซึ่งเป็นมวลทั้งหมดของอะตอมและมีประจุบวก โดยมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบนิวเคลียสคล้ายระบบสุริยะ

23. ปัญหาของแบบจำลองอะตอมของ Rutherford • เหตุใดอิเล็กตรอนที่วิ่งวนรอบนิวเคลียสจึงไม่สูญเสียพลังงาน เนื่องจากตามทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา เป็นผลให้พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนลดลง ดังนั้นอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสและมีความเร่ง จะสูญเสียพลังงานจลน์ ทำให้อิเล็กตรอนวิ่งช้าลง รัศมีการเคลื่อนที่จะน้อยลงๆและในที่สุดจะวนเข้าไปรวมกับนิวเคลียส

24. อะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากมีการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนอย่างไรอะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากมีการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนอย่างไร • ประจุไฟฟ้าบวกหลายประจุในนิวเคลียสอยู่รวมกันภายในนิวเคลียสได้อย่างไร ทั้งๆที่มีแรงผลักทางไฟฟ้า

25. แบบจำลองอะตอมของBohr แบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจนที่มีโปรตอนเป็นนิวเคลียสและมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่รอบๆ

26. สมมติฐานของBohr 1 ในอะตอมไฮโดรเจนจะมีวงโคจรพิเศษที่อิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่ได้โดยไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สถานะเช่นนี้เรียกว่าสถานะคงที่(stationary state) 2 อิเล็กตรอนในวงโคจรพิเศษจะมีโมเมนตัมเชิงมุมเป็นจำนวนเท่าของค่าคงตัวค่าหนึ่ง ซึ่งมีค่าเท่ากับค่าคงตัวของPlanck หารด้วย 2mvr = nเมื่อ • และ nคือ เลขควอนตัม

27. mke2r = (mvr)2

28. พลังงานรวมของอิเล็กตรอน=พลังงานศักย์ไฟฟ้า+พลังงานจลน์พลังงานรวมของอิเล็กตรอน=พลังงานศักย์ไฟฟ้า+พลังงานจลน์ พลังงานศักย์ไฟฟ้า พลังงานจลน์ พลังงานรวม

29. ค่าพลังงานชั้นต่างของอะตอมไฮโดรเจนค่าพลังงานชั้นต่างของอะตอมไฮโดรเจน E1= - 13.6 eV เมื่อ n = 1,2,3

30. การเปลี่ยนวงโคจรจะเกิดขึ้นเมื่อมีการปลดปล่อยหรือดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปริมาณ hนั่นคือ E = Ei – Ef = h

31. สถานะพื้น(ground state)เป็นสถานะที่อะตอมมีเสถียรภาพมากที่สุด • สถานะถูกกระตุ้น(excited state)ค่าพลังงานEnสูงกว่าสถานะพื้น เพราะมีพลังงานกระตุ้นให้อิเล็กตรอนไปอยู่ในสถานะที่มีค่า n เป็น 2, 3,4….

32. สเปกตรัมชนิดเส้น

33. สเปกตรัมชนิดเส้น

34. ชนิดสเปกตรัม

36. อนุกรมไลมาน(Lymann Series) UV เมื่อ nf = 1 , ni = 2, 3, 4 อนุกรมบาลเมอร์(Balmer Series) เมื่อnf = 2, ni = 3, 4, 5 อนุกรมพาสเชน(Paschen Series) เมื่อ nf = 3 , ni = 4, 5, 6 อนุกรมแบรกเกต(Bracket Series) เมื่อ nf = 4, ni = 5, 6, 7 อนุกรมฟุนด์(Pfund Series) เมื่อ nf = 5, ni = 6, 7, 8

37. ตัวอย่าง ถ้าอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนถูกกระตุ้นให้อยู่ที่ระดับพลังงาน n = 3 เมื่อกลับสู่สถานะพื้น จะมีเส้นสเปกตรัมเกิดขึ้นทั้งหมดกี่เส้น แต่ละเส้นมีความถี่เท่าใด

38. ปัญหาทฤษฎีของBohr • ไม่สามารถให้เหตุผลว่าทำไมจึงมีวงโคจรเสถียรและมีเงื่อนไขว่า • ไม่สามารถอธิบายอะตอมหนักๆที่มีอิเล็กตรอนหลายๆตัว ได้ถูกต้อง • อะตอมที่อยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กจะให้สเปกตรัมที่ผิดไปจากเดิม คือสเปกตรัมเส้นหนึ่งๆแยกออกเป็นสเปกตรัมหลายเส้น(Zeeman effect)

40. การแผ่รังสีจากวัตถุดำ(black body radiation) วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สเปกตรัมของรังสีที่แผ่ออกมาจากแท่งเหล็กร้อนจัดเป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง(continuous spectrum)

41. วัตถุร้อนไม่เพียงแต่จะแผ่รังสีเท่านั้น ในขณะเดียวกันยังดูดกลืนรังสีด้วย • วัตถุมีอุณหภูมิสูงกว่าสิ่งแวดล้อม อัตราการแผ่รังสีจะมากกว่าอัตราการดูดกลืนรังสี • วัตถุมีอุณหภูมิต่ำกว่าสิ่งแวดล้อม อัตราการดูดกลืนรังสีจะมากกว่าอัตราการแผ่รังสี • วัตถุมีอุณหภูมิเท่ากับสิ่งแวดล้อม อัตราการแผ่รังสีจะเท่ากับอัตราการดูดกลืนรังสี วัตถุจะมีอุณหภูมิคงที่เรียกว่าวัตถุอยู่ในสมดุลความร้อน

42. อัตราการแผ่พลังงานรังสีของวัตถุร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและชนิดของผิววัตถุอัตราการแผ่พลังงานรังสีของวัตถุร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและชนิดของผิววัตถุ • วัตถุดำ(black body)คือวัตถุที่เป็นตัวแผ่และดูดกลืนรังสีได้อย่างสมบูรณ์และดีที่สุด วัตถุดำจะดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกความถี่ที่ตกกระทบโดยไม่สะท้อนเลย • พลังงานรังสีที่แผ่ออกจากวัตถุดำจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว

43. อัตราการแผ่พลังงานรังสีกับความยาวคลื่น และอุณหภูมิ T B =  AT 4 กฎสเตฟาน-โบลซ์มานน์ กฎการกระจัดของวีน

44. ทฤษฎีการแผ่รังสีจากวัตถุดำทฤษฎีการแผ่รังสีจากวัตถุดำ • ผนังของวัตถุดำประกอบด้วยอะตอมเป็นจำนวนมากซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวส่งและรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า ออสซิลเลเตอร์(oscillator) • อะตอมหรือออสซิลเลเตอร์จะดูดกลืนหรือแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่ใดๆก็ได้ทฤษฎีฟิสิกส์แบบเก่า ได้ผลดีในช่วงความยาวคลื่นมากๆเท่านั้น

45. สมมติฐานของPlanck 1 ออสซิลเลเตอร์ที่สั่นจะมีค่าพลังงานใดๆมิได้ แต่จะต้องมีค่าจำกัดเป็นช่วงๆไปอย่างไม่ต่อเนื่อง ออสซิลเลเตอร์ที่มีความถี่ จะต้องมีพลังงานเป็น E = nh เมื่อ E เป็นพลังงานของออสซิลเลเตอร์ h เป็นค่าคงที่ของPlanck ( Planck’s constant) เท่ากับ 6.625 10-34 จูลวินาที n เป็นเลขควอนตัมมีค่าเป็นเลขจำนวนเต็ม 1,2 ,3 ...... 2 ออสซิลเลเตอร์จะไม่ปล่อยหรือดูดกลืนพลังงานอย่างต่อเนื่อง แต่จะปล่อยหรือดูดกลืนพลังงานด้วยจำนวนที่เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ของออสซิลเลเตอร์เท่านั้น

46. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก(Photoelectric effect)

47. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก

48. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก • ฉายแสงความถี่เดี่ยวให้ตกกระทบผิวโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดจากผิวโลหะได้

49. อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากผิวโลหะเรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน(Photoelectrons)อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากผิวโลหะเรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน(Photoelectrons) • ศักย์หยุดยั้ง (Stopping potential)คือ ความต่างศักย์ที่ทำให้ไม่มีอิเล็กตรอนที่หลุดจากขั้วบวกมาถึงขั้วลบ

50. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก • พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน • Vsเป็นค่าศักย์หยุดยั้ง • ความถี่ต่ำสุดที่ทำให้โฟโตอิเล็กตรอนเริ่มหลุดออกจากผิว คือ ความถี่ขีดเริ่ม