การทดลองของทอมสัน (Joseph J. Thomson) เขาทดลองเพิ่มเติมจากแนวความคิดของครูกส์ พบว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประจุลบ หรือเรียกว่า อนุภาครังสีแคโทด (Cathode Ray Particle) ต่อมาเรียกใหม่ว่า "อิเล็กตรอน (Electron) " และถือว่า "ทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบอิเล็กตรอน" ทอมสันสามารถค้นพบค่าประจุต่อมวล q/m มีค่าเท่ากับ 1.76x 1011 คูลอมบ์ต่อกิโลก
เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด จึงทำการทดลองเกียวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี พ.ศ. 2440 (ค.ศ. 1897) และได้สรุปสมบัติของรังสีไว้หลายประการ ดังนี้
1. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด เนื่องจากรังสีแคโทดทำให้เกิดเงาดำของวัตถุได้ ถ้านำวัตถุไปขวางทางเดินของรังสี 2. รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีมวล เนื่องจากรังสีทำให้ใบพัดที่ขวางทางเดินของรังสีหมุนได้เหมือนถูกลมพัด
3. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า
จากผลการทดลองนี้ ทอมสันอธิบายได้ว่า อะตอมของโลหะที่ขั้วแคโทดเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอม อิเล็กตรอนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ภายในหลอด ถ้าเคลื่อนที่ชนอะตอมของแก๊สจะทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมของแก๊สหลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดและจากแก๊สซึ่งเป็นประจุลบจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแอโนด ขณะเคลื่อนที่ถ้ากระทบฉากที่ฉาบสารเรืองแสง เช่น ZnS ทำให้ฉากเกิดการเรืองแสง ซึ่งทอมสันสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่า “อิเล็กตรอน” และยังได้หาค่าอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอิเล็กตรอนโดยใช้สยามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าช่วยในการหา ซึ่งได้ค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.76 x 108 C/g ค่าอัตราส่วน e/m นี้จะมีค่าคงที่ ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่เป็นขั้วแคโทด และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สที่บรรจุอยู่ในหลอดรังสีแคโทด แสดงว่าในรังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบเหมือนกันหมดคือ อิเล็กตรอน นั่นเอง ทอมสันจึงสรุปว่า
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน (Robert A.Millikan)
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน (Robert A.Millikan) เป็นการทดลองเพื่อต่อยอดความรู้ของทอมสัน ทำให้มิลลิแกนสรุปได้ว่า "ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมีขนาดเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ " และนิยมใช้สัญลักษณ์ "e" แทนค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน และยังสามารถค่า "มวลของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ 9.1 x 10-31 กิโลกรัม" หลังจากที่มีการค้นพบอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม ทำให้ขัดแย้งกับทฤษฎีอะตอมในอดีตที่เข้าใจว่า อะตอมแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมขึ้นมาเรียงตามความเชื่อถือ ดังต่อไปนี้
จากการทำลองของทอมสัน ทำให้เราทราบอัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้าต่อมวล (q/m) ของอิเล็กตรอน แต่ยังไม่ทราบประจุไฟฟ้าและขนาดมวลของอิเล็กตรอน จนกระทั่งนักฟิสิกส์ชื่อ มิลลิแกน (Robert A. Millikan) โดยใช้เครื่องมือทดลองวัดค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ โดยการวัดประจุบนหยดน้ำมันในกล่องที่ปิดมิดชิดดังรูป
ส่วนบนของกล่องมีท่อฉีดน้ำมันเล็กๆ ฉีดน้ำมันให้เป็นหยดเล็กมาก(ฝอยน้ำมัน) และลอดช่อง A ลงไปลอยอยู่ระหว่าง AB เราสามารถมองเห็นหยดน้ำมันเหล่านี้ โดยการมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ ตอนแรกหยดน้ำมันมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่เมื่อมันเคลื่อนที่เสียดสีกับอากาศหรือเกิดการเสียดสีกันเอง หรืออาจฉายด้วยรังสีเอกซ์จะทำให้หยดน้ำมันบางตัว เสียอิเล็กตรอน ทำให้ตัวเองมีสภาพเป็นบวกน้อยๆ แต่บางตัวจะได้รับอิเล็กตรอนจากหยดน้ำมันอื่นทำให้มีสภาพเป็นลบน้อยๆ เหมือนกันถ้าหยดน้ำมันรับไอออนบวก แล้วจะมีประจุไฟฟ้าบวก ถ้าหยดน้ำมันรับอิเล็กตรอน แล้วจะมีประจุไฟฟ้าลบ ถ้าต่อ AB เข้ากับความต่างศักย์ค่าหนึ่ง จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นระหว่างแผ่นทั้งสอง โดยที่แผ่นบวกต่อกับขั้วบวก ส่วนแผ่นล่างต่อกับขั้วลบ และปรับความต่างศักย์ไฟฟ้า (สนามไฟฟ้า) ให้มีค่าอย่างพอเหมาะแล้วจะมีหยดน้ำมันบางหยดลอยนิ่งๆ อยู่กับที่หรืออยู่ในสภาพสมดุล ดังรูป 
จากรูป จากสูตรสมดุล
แรงขึ้น = แรงลง
qE = mg
ดังนั้น q = mg/E
เมื่อ m แทนมวลของหยดน้ำมันซึ่งสามารถวัดได้
และ E แทนขนาดสนามไฟฟ้าซึ่งหาได้จาก E= V/d
จากการพิจารณาหยดน้ำมันหลายๆ หยด แล้วแทนค่าตัวแปรต่างๆ ในสูตร q = mg/E ของมิลลิแกน พบว่าประจุไฟฟ้า q ที่ได้มีค่าเป็นจำนวนเต็มเท่าของค่าคงตัวค่าหนึ่ง คือ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ และใช้สัญลักษณ์ "e" แทนประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน
มิลลิแกนสามารถคำนวณหามวลของอิเล็กตรอนได้ ดังนี้
จากการทดลองของทอมสัน e/m = 1.76 x 1011 C/kg
C/kg
m = 9.1x 10-31 kg
ดังนั้นมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.1 x 10-31 กิโลกรัม
ตัวอย่าง ในการทดลองเรื่องหยดน้ำมันของมิลลิแกน ถ้าหยดน้ำมันมีมวล 6.4 x 10-15 กิโลกรัม และได้รับอิเล็กตรอนเพิ่ม 5 ตัว เคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่ง 5 เมตร/วินาที2 ถ้าระยะระหว่างแผ่นโลหะเท่ากับ 1 เซนติเมตร ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองมีค่ากี่โวลต์ กำหนดให้ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์
วิธีทำ
จะได้ V=1,200 โวลต์
ดังนั้น ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองมีค่า 1,200 โวลต์
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบกระจายกันอยู่ เหมือนเม็ดแตงโม แต่ไม่สามารถอธิบายการทดลองได้ จึงทำให้ล้มเหลวในที่สุด
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่จุดศูนย์กลางเรียกว่า "นิวเคลียส" ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆ นิวเคลียสที่ระยะห่างจากนิวเคลียสมาก และเขาคำนวณพบว่า นิวเคลียสมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-15 ถึง 10-14 เมตร ในขณะที่อะตอมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร แสดงว่า ขนาดอะตอมจึงใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียสประมาณหนึ่งแสนเท่า แต่ก็มีข้อบกพร่องเพราะไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมประจุบวกจึงรวมกันอยู่ในนิวเคลียส และทำไมอิเล็กตรอนจึงสามารถโคจรรอบนิวเคลียสได้ทั้งที่สูญเสียพลังงานจลน์ ตามทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกเวลล์
แบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr) โบร์ได้ปรับปรุงแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด โดยการตั้งสมมติฐานขึ้น 2 ข้อ สมมติฐานข้อที่ 1 อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบนิวเคลียสจะมีวงโคจรพิเศษที่อิเล็กตรอนไม่แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา โดยที่ในวงโคจรพิเศษนี้อิเล็กตรอนจะมีโมเมนตัมเชิงมุม L คงตัว โมเมนตัมเชิงมุมนี้มีค่าเป็นจำนวนเท่าของค่าคงตัวมูลฐาน ( เมื่อ h แทนค่าคงตัวของพลังค์ (Planck Constant) = 6.63x10-34 Js) สมมติฐานข้อที่ 2 อิเล็กตรอนจะรับหรือปล่อยพลังงานในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนวงโคจร****
การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์ ฟรังก์ (James Franck) และเฮิรตซ์ (Fustav L. Hertz) ได้ทำการทดลองเพื่อสนับสนุนทฤษฎีอะตอมของโบร์ และแสดงว่าโครงสร้างอะตอมมีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง (มีลักษณะเป็นชั้นๆ) โดยการเร่งอิเล็กตรอนวิ่งเข้าไปชนกับอะตอมของปรอทที่อยู่ในสภาพเป็นไอ และพบว่าอะตอมของปรอทที่อยู่ในสภาพไอสามารถดูดกลืนพลังงาน ได้เพียงบางค่าเท่านั้น เช่น 4.9 eV , 6.7 eV และ 10.4 eV นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์ที่เกิดจากการทดลองเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ สนับสนุนพลังงานไม่ต่อเนื่อง รังสีเอกซ์ (X-rays) คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง (1016 - 1022 Hz) หรือ ความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 10-8 - 10-13 เมตร ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก สเปกตรัมของรังสีเอ็กซ์มี 2 แบบ คือ สเปกตรัมแบบต่อเนื่อง และ สเปกตรัมแบบเส้น (ซึ่งเแบบเส้นจะสนับสนุนพลังงานไม่ต่อเนื่อง) ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฏีอะตอมของโบร์ มีข้อบกพร่อง เพราะอธิบายได้ดีเฉพาะอะตอมขนาดเล็ก เช่น ไฮโดรเจน เท่านั้น ส่วนอะตอมอื่นๆ ไม่สามารถอธิบายได้ นั่นเป็นเพราะว่า
1) โบร์ได้ผสมความคิดของฟิสิกส์แผนเดิมกับความคิดเรื่องควอนตัมของพลังงานพลังก์ ซึ่งเป็นความคิดของฟิสิกส์แผนใหม่ จึงทำให้มีขอบเขตจำกัด
2) ไม่สามารถอธิบายได้ว่า อะตอมที่อยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะให้สเปกตรัมที่ผิดไปจากเดิมคือ สเปกตรัมเส้นหนึ่งๆ แยกออกเป็นหลายเส้น ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค คือ การที่คลื่นสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้และในทางกลับกันอนุภาคก็สามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน โดยมีปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้ สนับสนุนแนวคิดทวิภาพของคลื่นและอนุภาค
1) ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoectric Effect) คือ ปรากฏการณ์ที่ฉายแสงซึ่งมีความยาวคลื่นสั้น หรือมีความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ แล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโลหะได้ และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาว่า "โฟโตอิเล็กตรอน (Photoelectron)" และอธิบายได้จากความรู้เรื่อง การแผ่รังสีของวัตถุดำ โดยพลังก์นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ตั้งสมมติฐานซึ่งมีใจความว่า "พลังงานที่วัตถุดำรับเข้าไป หรือปล่อยออกมานั้นมีค่าได้เฉพาะบางค่า" ซึ่งจะเป็นจำนวนเท่าของ hf โดยเรียกว่า "ควอนตัมของพลังงาน"
2) ปรากฏการณ์คอมป็ตัน (Compton Effect) อธิบายโดยคอมป์ตัม (Arthur H. Compton) และดีบาย (Perter Debye) ได้ทดลองฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นค่าหนึ่งไปกระทบอิเล็กตรอนในแท่งแกรไฟต์ ปรากฏว่ามีอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์กระเจิงออกมา พบว่า รังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมามีทั้งความยาวคลื่นเท่าเดิมและความยาวคลื่นมากกว่าเดิม
3) สมมติฐานของเดอบรอยล์ (De Broglie's Hypothesis) กล่าวได้ว่า "ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงสมบัติของอนุภาคได้ แล้วอนุภาคก็แสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นเดียวกัน" หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก กล่าวไว้ว่า "เราไม่สามารถรู้ถึงตำแหน่งและความเร็ว ของอนุภาคในเวลาเดียวกันได้อย่างแม่นยำ" ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กที่เกี่ยวกับความไม่แน่นอนทางตำแหน่งและความไม่แน่นอนทางโมเมนตัม มีความสัมพันธ์กันดังต่อไปนี้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น