กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
Slide PowerPoint_สื่อประกอบการสอน
หน่วยการเรียนรู้ที่ 5
หน่วยการเรียนรู้ที่ 6
หน่วยการเรียนรู้ที่ 7
ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6
ฟิสิกส์ เล่ม 2
บริษัท อักษรเจริญทัศน์ อจท. จำกัด : 142 ถนนตะนาว เขตพระนคร กรุงเทพฯ 10200
Aksorn CharoenTat ACT.Co.,Ltd : 142 Tanao Rd. Pranakorn Bangkok 10200 Thailand
โทร./แฟกซ์ : 0 2622 2999 (อัตโนมัติ 20 คู่สาย) webmaster@aksorn.com / www.aksorn.com
ผลการเรียนรู้
ฟิสิกส์อะตอม
หน่วยการเรียนรู้ที่
6
แสงที่ประพฤติตัวเป็นคลื่นแตกต่างจาก
แสงที่ประพฤติตัวเป็นอนุภาคอย่างไร
การค้นพบรังสีแคโทด
ใน พ.ศ. 2398 ไฮน์ริช ไกสส์เลอร์ (Heinrich Geissler) ได้พัฒนาเครื่องดูดอากาศสุญญากาศจึงทำให้เขาประดิษฐ์หลอดแก้วที่บรรจุด้วยแก๊สชนิดต่าง ๆ แทนที่อากาศ และสูบออกให้เหลือความดันต่าง ๆ ได้ เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไป�ก็จะได้หลอดเรืองแสงที่มีสีสันต่างกันตามชนิดของแก๊สที่บรรจุไว้ ซึ่งหลอดแก้วเหล่านี้มีรูปร่างและขนาดหลากหลาย และถูกเรียกว่า หลอดไกสส์เลอร์
ใน พ.ศ. 2402 ยูลีอุส พลึคเคอร์ (Julius Plucker) ได้ศึกษาหลอดไกสส์เลอร์ โดยการสูบอากาศออกจากหลอดไกสส์เลอร์ให้มากที่สุด แล้วผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไป ทำให้เกิดแสงสีเขียวเรืองแสงปรากฏอยู่ที่ผนังหลอดแก้วบริเวณขั้วแอโนด (ขั้วบวก)
ใน พ.ศ. 2408 เซอร์ วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) ได้ทำการทดลองกับหลอดไกสส์เลอร์ แต่ดัดงอหลอดเป็นมุมฉาก แล้วต่อขั้วไฟฟ้าของหลอดที่บรรจุแก๊สความดันต่ำนี้เข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง พบว่า การเรืองแสงสีเขียวจะเกิดมากที่สุดตามบริเวณผนังหลอดด้านในที่อยู่ตรงข้ามขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ แสดงว่าการเรืองแสงดังกล่าวเกิดจากรังสี�ที่ออกมาจากขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด
รังสีแคโทด
การทดลองเพื่อให้เห็นรังสีแคโทด
ทอมสันได้ทำการทดลองโดยเจาะรูเล็ก ๆ ตรงกลางขั้วแอโนด และเพิ่มฉากเรืองแสงที่ฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) ไว้ที่ตำแหน่งปลายหลอด ดังภาพ
การทดลองของทอมสัน
โครงสร้างหลอดรังสีแคโทดที่ทอมสันใช้ในการการทดลอง
เพื่อทดสอบอนุภาคที่กระทบฉากเรืองแสง
จากผลการทดลองทำให้ทอมสันตั้งสมมติฐานไว้ว่า
1) จะต้องมีรังสีชนิดหนึ่งซึ่งมีประจุไฟฟ้าพุ่งเป็นเส้นตรง� จากขั้วแคโทดมายังฉากเรืองแสง ซึ่งรังสีนี้อาจจะเกิด� จากแก๊สที่มีอยู่ในหลอดแก้วนั้นหรืออาจจะเกิดจาก� โลหะที่ทำขั้วไฟฟ้าก็ได้
2) รังสีที่พุ่งออกมาจากขั้วแคโทดนั้นมีประจุไฟฟ้า
3) รูปทรงของอะตอมอาจจะไม่ใช่เป็นทรงกลมตัน ตามแบบจำลองอะตอมของดอลตันแต่จะต้องมีอนุภาคเล็ก ๆ ที่มีประจุไฟฟ้า เป็นองค์ประกอบด้วย
จากผลการทดลองทำให้ทอมสันสรุปได้ว่า “รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ” และสามารถเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า “อนุภาครังสีแคโทด”
การทดลองเพื่อทดสอบอนุภาคที่กระทบฉากเรืองแสง
ทอมสันทำการทดลองโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย เพื่อเป็นการทดสอบว่าอนุภาคที่มากระทบฉากเรืองแสงเป็นประจุบวกหรือประจุลบ ตามหลักการที่ว่า อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะต้องเกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า ซึ่งสามารถศึกษาได้จากการเบี่ยงเบนของรังสีแคโทดไปจากฉากเรืองแสง ดังภาพ
การทดลองของทอมสัน
โครงสร้างหลอดรังสีแคโทดที่ทอมสันใช้ในการทดสอบ
หาค่าประจุไฟฟ้าต่อมวล
ผลการศึกษาเพิ่มเติมของทอมสัน
เป็นการศึกษาสมบัติของรังสีแคโทดโดยหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสี โดยอาศัยหลักการที่ว่า นอกจากรังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนได้ในสนามไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถเบี่ยงเบนได้ในสนามแม่เหล็ก
การทดลองของทอมสัน
จากผลการทดลองสามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์เพื่อหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลได้ ดังนี้
คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาครังสีแคโทด มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
คือ มวลของอนุภาครังสีแคโทด มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
คือ อัตราเร็วของอนุภาครังสีแคโทด มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)
คือ ขนาดของสนามแม่เหล็ก มีหน่วยเป็น เทสลา (T)
คือ รัศมีของการเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็น เมตร (m)
โครงสร้างหลอดรังสีแคโทดที่ทอมสันใช้
ในการทดสอบหาค่าประจุไฟฟ้าต่อมวล
ผลการศึกษาเพิ่มเติมของทอมสัน
จากผลการทดลองที่ได้ทำให้ทอมสันหาความเร็วในการเคลื่อนที่ของอนุภาครังสีแคโทดได้ โดยพิจารณาว่า เมื่อยิงรังสีแคโทดซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่ ผ่านเข้าไปในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะถูกแรงจากสนามไฟฟ้าและแรงจากสนามแม่เหล็กกระทำ หากแรงทั้งสองมีค่าเท่ากันจะมีทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอยู่ในแนวระดับ และเนื่องจากสนามแม่เหล็ก (B ) และสนามไฟฟ้า (E ) เป็นปริมาณที่วัดได้ จึงสามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์เพื่อหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลได้ ดังนี้
การทดลองของทอมสัน
คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาครังสีแคโทด มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
คือ มวลของอนุภาครังสีแคโทด มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
คือ ขนาดของสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตันต่อคูลอมบ์ (N/C)
คือ ขนาดของสนามแม่เหล็ก มีหน่วยเป็น เทสลา (T)
คือ รัศมีของการเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็น เมตร (m)
เมื่อต่อขั้วไฟฟ้าเข้ากับแผ่นโลหะทั้งสอง แล้วปรับค่าความต่างศักย์ให้พอเหมาะ จะพบว่า มีหยดน้ำมันบางหยดลอยตัวอยู่นิ่ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่า แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากับแรงเนื่องจากความเร่งโน้มถ่วงของโลกกระทำกับหยดน้ำมันสมดุลกันพอดี โดยจากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่หนึ่งของนิวตัน จะทำให้สามารถหาค่าประจุไฟฟ้าของหยดน้ำมันได้ ดังสมการ
การทดลองของมิลลิแกน
และหากไม่ทราบค่าความเข้มของสนามไฟฟ้าแต่ทราบค่าความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะตัวนำกับระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะตัวนำ สามารถคำนวณหาค่าประจุไฟฟ้าของหยดน้ำมันได้ ดังสมการ
แรงที่กระทำต่อหยดน้ำมันที่ลอยนิ่ง
แบบจำลองอะตอม
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
ทอมสันได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมโดยใช้หลอดรังสีแคโทดในการทดลอง ซึ่งทอมสันได้เสนอแนวความคิดและอธิบายแบบจำลองอะตอมของตนเองไว้ว่า “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยเนื้ออะตอมที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในเนื้ออะตอม เพื่อรักษาสมดุลระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสองชนิด อะตอมจึงมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
แบบจำลองอะตอม
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
รัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมของทอมสันและเกิดความสงสัยโดยได้ตั้งสมมติฐานไว้ว่า “ถ้าอะตอมมีโครงสร้างตามแบบจำลองอะตอมของทอมสันจริง เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาเข้าไปในอะตอม แอลฟาทุกอนุภาคจะทะลุผ่านเป็นเส้นตรงทั้งหมด” รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้ทำการทดลองและได้ผล การทดลอง ดังภาพ
รัทเทอร์ฟอร์ดได้สรุปผลการทดลองและเสนอแนวคิดขึ้นมาเพื่ออธิบายแบบจำลองอะตอมไว้ว่า “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีกลุ่มอนุภาคประจุบวกหรือโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็กแต่มีมวลมาก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบและมีมวลน้อยมากจะเคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส ดังภาพ
การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
เมื่อแสงขาวผ่านไปยังปริซึม แสงจะแยกออกมาเป็นแถบสีต่าง ๆ เรียงกันตามความยาวคลื่น โดยแถบสีที่แยกออกมาเรียกว่า สเปกตรัม สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้
1. สเปกตรัมต่อเนื่อง เมื่อแสงผ่านเกรตติงหรือปริซึม ทำให้แสงแยกออกและปรากฏบนฉากเป็นสีต่าง ๆ อย่างต่อเนื่องกัน เป็นสเปกตรัมที่ประกอบด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นและความถี่ต่อเนื่องจนเห็นเป็นแถบสเปกตรัม ดังภาพ โดยทั่วไปมักเกิดจากแสงที่เปล่งออกมาจากของแข็งร้อน
2. สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง เมื่อแสงผ่านเกรตติงหรือปริซึม ทำให้แสงแยกออกและปรากฏบนฉากเป็นสีต่าง ๆ เป็นเส้น ๆ โดยแต่ละเส้นจะแยกออกจากกันและเรียงกันอย่างเป็นระเบียบ อาจเรียกว่า สเปกตรัมแบบเส้น ดังภาพ โดยทั่วไปมักเกิดจากแสงที่เปล่งออกมาจากแก๊สร้อนหรือจากการเผาสารประกอบของธาตุบางชนิด
สเปกตรัมต่อเนื่องที่เกิดจากการหักเหของแสงขาว
สเปกตรัมแบบเส้นที่เกิดจากการให้ความร้อนแก่แก๊สไฮโดรเจน
คือ พลังงานของเส้นสเปกตรัม มีหน่วยเป็น จูล (J)
คือ ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสง มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hz)
คือ ความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัม มีหน่วยเป็น เมตร (m)
สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
เมื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของแก๊สที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุไฮโดรเจนจะเห็นเส้นสว่างที่มีความยาวคลื่นเรียงกันเป็นกลุ่มอย่างเป็นระเบียบ เรียกว่า อนุกรม (series) ทำให้นักฟิสิกส์พยายามแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นของสเปกตรัมเส้นสว่างในรูปแบบของสมการทางคณิตศาสตร์
สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
คือ ความยาวคลื่นของสเปกตรัมเส้นสว่าง มีหน่วยเป็น เมตร (m)
ใน พ. ศ. 2428 บัลเมอร์ สามารถคิดค้นสมการที่ใช้ในการคำนวณหาค่าความยาวคลื่นของสเปกตรัมเส้นสว่างต่าง ๆ ของอะตอมไฮโดรเจนในช่วงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า และเนื่องจากบัลเมอร์เป็นคนแรกที่ค้นพบความสัมพันธ์นี้ จึงเรียกอนุกรมความยาวคลื่นของสเปกตรัมเส้นสว่างนี้ว่า อนุกรมบัลเมอร์ สามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์ได้ ดังสมการ
การศึกษาการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุจะเริ่มต้นศึกษาจากวัตถุที่เป็นตัวแผ่รังสีแบบอุดมคติ กล่าวคือ การแผ่รังสีของวัตถุขึ้นกับอุณหภูมิ ของวัตถุเท่านั้น เนื่องจากวัตถุอุดมคติจะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ทุกย่านความถี่ และสามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ทุกย่านความถี่ (เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบวัตถุ คลื่นจะไม่สะท้อนออกมา เนื่องจากวัตถุดูดกลืนคลื่นไว้หมด) เรียกวัตถุอุดมคตินี้ว่า วัตถุดำ
การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุดำ
คือ อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็น เคลวิน (K)
คือ ความยาวคลื่นที่ให้ค่าความเข้มสูงสุดของสเปกตรัม มีหน่วยเป็น เมตร (m)
เรียกความสัมพันธ์นี้ว่า กฎการกระจัดของวีน
จากการศึกษาสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนจากวัตถุดำ โดยการวัดความเข้มของคลื่นกับความยาวคลื่นที่แผ่ออกมา พบว่า อุณหภูมิของวัตถุสัมพันธ์กับความยาวคลื่นที่ให้ค่าความเข้มสูงสุดของสเปกตรัมที่แผ่ออกมา ดังสมการ
ในการประมาณค่าอุณหภูมิของวัตถุที่ได้จากความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา จากภาพ จะเห็นว่า เมื่ออุณหภูมิของวัตถุสูงขึ้น วัตถุจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงออกมา ค่าความยาวคลื่นที่ให้ความเข้มสูงสุดจะมีค่าน้อยลงหรือจุดยอดของสเปกตรัมจะเลื่อนไปทางซ้ายอยู่ในช่วงที่ความยาวคลื่นสั้นลง ดังนั้น สามารถประมาณอุณหภูมิได้จากการสังเกตความยาวคลื่นที่แผ่ออกมาหรือสีของวัตถุ เช่น เปลวไฟสีน้ำเงินจะร้อนกว่าเปลวไฟสีแดง
การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุดำ
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับการแผ่รังสีของวัตถุ
การตั้งสมมติฐานของพลังงานที่เป็นลำดับขั้นของพลังงาน ในช่วงแรกเริ่มที่เสนอทฤษฎีนี้ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ ไม่เชื่อมั่นในทฤษฎีว่าจะเป็นจริง ต่อมาภายหลังเมื่อมีการทดลองต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ในระดับอะตอม พบว่า ทฤษฎีที่ตั้งบนพื้นฐานของความเป็นขั้น ๆ ไม่ต่อเนื่องอธิบายผลต่าง ๆ ได้เป็นอย่างดี และค่าพลังงานที่วัตถุปลดปล่อยหรือดูดกลืนในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า โฟตอน
การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุดำ
คือ พลังงานของเส้นสเปกตรัม มีหน่วยเป็น จูล (J)
คือ ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสง มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hz)
คือ จำนวนเต็มบวกใด ๆ เรียกว่า เลขควอนตัม (n = 1, 2, 3, …)
นีล โบร์ ได้ใช้อะตอมของไฮโดรเจนเป็นแบบจำลองอะตอม และได้ตั้งสมมติฐานโดยอาศัยแนวคิดจากทฤษฎีควอนตัมอธิบายโครงสร้างของไฮโดรเจนและการเกิดสเปกตรัมของไฮโดรเจนได้ชัดเจน ดังนี้
ระดับพลังงานของอะตอม
คือ อัตราเร็วเชิงเส้นของอิเล็กตรอนในวงโคจร n นั้น ๆ มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)
คือ รัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอนวงที่ n
คือ มวลของอิเล็กตรอน มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
คือ จำนวนเต็มบวกใด ๆ เรียกว่า เลขควอนตัม (n = 1, 2, 3, …)
อะตอมของไฮโดรเจน
คือ พลังงานที่อิเล็กตรอนใช้ในการเปลี่ยนวงโคจร มีหน่วยเป็น จูล (J)
คือ พลังงานของอิเล็กตรอนหลังการเปลี่ยนวงโคจร มีหน่วยเป็น จูล (J)
คือ พลังงานของอิเล็กตรอนก่อนการเปลี่ยนวงโคจร มีหน่วยเป็น จูล (J)
ระดับพลังงานของอะตอม
การดูดกลืนพลังงาน
การคายพลังงาน
ระดับพลังงานของอะตอม
คือ พลังงานรวมของอิเล็กตรอนในวงโคจรที่ n มีหน่วยเป็น จูล (J)
คือ วงโคจร ซึ่งเป็นจำนวนเต็มบวก (n = 1, 2, 3, …)
คือ ความยาวคลื่นของแสงในสเปกตรัมเส้นสว่างของอะตอมไฮโดรเจน มีหน่วยเป็น เมตร (m)
คือ ระดับพลังงานเริ่มต้นของอิเล็กตรอน
จากทฤษฎีหรือสมมติฐานของโบร์ สามารถคำนวณหาความยาวคลื่นของแสงในสเปกตรัม เส้นสว่างของอะตอมไฮโดรเจนได้ ดังสมการ
ระดับพลังงานของอะตอม
คือ ระดับพลังงานสุดท้ายของอิเล็กตรอน
สามารถสรุปอนุกรมเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้จากการที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงาน ดังตาราง
ใน พ.ศ. 2457 เจมส์ ฟรังก์ และกุสตาฟ แฮทซ์ ได้ทำการทดลองที่สนับสนุนทฤษฎีอะตอมของโบร์ที่ว่า อะตอมมีระดับพลังงานเป็นขั้น ๆ โดยใช้ชุดการทดลองที่ปรับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่ไปชนกับอะตอมของปรอท เพื่อที่จะศึกษาการรับพลังงานของอะตอม ดังภาพ
การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์
จากผลการทดลองสรุปได้ว่า พลังงานของอะตอมปรอทมีลักษณะเป็นระดับชั้นที่ไม่ต่อเนื่อง และจากทฤษฎีอะตอมของโบร์ เมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมของปรอทลดระดับพลังงานมายังสถานะพื้น จะต้องให้โฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับ 4.9 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งจากการทดลองปรากฏว่า วัดความยาวคลื่นแสงที่เปล่งออกมาจากไอปรอทได้ 253.5 นาโนเมตร ตรงกับพลังงานของแสงเท่ากับ 4.9 อิเล็กตรอนโวลต์ พอดี
ชุดอุปกรณ์การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์
ใน พ.ศ. 2438 เรินต์เกน ได้ค้นพบรังสีชนิดใหม่จากการทดลองโดยบังเอิญ ในขณะที่เขาทำการทดลองเกี่ยวกับการนำกระแสไฟฟ้าผ่านแก๊สในหลอดรังสีแคโทด ในห้องที่มืดสนิท ซึ่งเป็นรังสีบางอย่างที่ยังไม่มีใครรู้จักมากก่อน เรินต์เกน จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีเอกซ์ (X-rays) ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาและทดลองเกี่ยวกับรังสีชนิดนี้มากขึ้นและสรุปคุณสมบัติของรังสีเอกซ์ได้ ดังนี้
รังสีเอกซ์
1. รังสีเอกซ์เป็นทั้งคลื่นและอนุภาค เพราะรังสีเอกซ์สามารถแสดง คุณสมบัติของคลื่นได้
2. รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่สามารถที่จะถูกเบี่ยงเบนโดย สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า
3. รังสีเอกซ์เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ด้วยอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็ว ของแสงในสุญญากาศ
4. รังสีเอกซ์สามารถทะลุผ่านวัตถุ ที่ไม่หนาจนเกินไปและมีความ หนาแน่นน้อย ๆ ได้
5. รังสีเอกซ์สามารถทำให้อากาศ แตกตัวเป็นไอออนได้
6. เมื่อรังสีเอกซ์ไปถูกฟิล์มถ่ายภาพ ฟิล์มนั้นจะกลายเป็นสีดำ
คือ ความยาวคลื่นต่ำสุดของรังสีเอกซ์ มีหน่วยเป็น เมตร (m)
คือ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วหลอด มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
รังสีเอกซ์
การเกิดรังสีเอกซ์ต่อเนื่อง
2. การเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัว เกิดจากการที่อิเล็กตรอนถูกเร่งจนมีพลังงานสูง เคลื่อนที่เข้าชนเป้า เกิดการชนกับอิเล็กตรอนที่อยู่วงโคจรในของเป้า ถ้าพลังงานของอิเล็กตรอนตัวที่เคลื่อนที่เข้าชนมีพลังงานมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรในของเป้า ก็จะทำให้อิเล็กตรอนในวงโคจรนั้นหลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจากวงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากกว่าจะเคลื่อนที่เข้าไปแทนที่ พร้อมทั้งคายพลังงานออกมาในรูปรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะตัว ดังภาพ ซึ่งรังสีเอกซ์ที่ได้จะมีพลังงานเท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจร
รังสีเอกซ์
การเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัว
จะเห็นได้ว่า ทฤษฎีอะตอมของโบร์มีบางส่วนที่ยอมรับและบางส่วนที่ปฏิเสธทฤษฎีฟิสิกส์ดั้งเดิม ดังนั้น ทฤษฎีอะตอมของโบร์จึงไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ของอะตอมได้อย่างสมบูรณ์ จึงไม่น่าจะมีทฤษฎีใหม่ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาวิชากลศาสตร์ควอนตัมจึงทำให้เกิดการพัฒนาแนวคิดทางกลศาสตร์ควอนตัมในเรื่องสมบัติทวิภาพของสสารในรูปของคลื่นและอนุภาค
แม้ทฤษฎีอะตอมของโบร์สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมของไฮโดรเจนได้ดี และทำให้ทราบถึงการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจน แต่ก็ไม่สามารถคำนวณและอธิบายสเปกตรัมของอะตอมอื่น ๆ ได้ นอกจากนี้ยังมีการทดลองที่แสดงว่าอะตอมที่อยู่ในสนามแม่เหล็กจะให้สเปกตรัมที่ต่างจากเมื่อไม่อยู่ในสนามแม่เหล็ก คือ สเปกตรัมเส้นหนึ่ง ๆ อาจแยกออกเป็นหลายเส้น ดังภาพ
ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีอะตอมของโบร์
การเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัว
ใน พ.ศ. 2430 ไฮน์ริช รูดอล์ฟ เฮิรตซ์ ค้นพบว่า เมื่อมีแสงที่มีความถี่เหมาะสมมาตกกระทบผิวโลหะจะทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าหลุดออกจากผิวโลหะได้ เนื่องจากเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแสงและไฟฟ้า จึงเรียกปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect)
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
ต่อมาใน พ.ศ. 2441 ทอมสัน ได้ทำการวัดอัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้าต่อมวลของอนุภาคที่หลุดออกมาจากผิวโลหะ ซึ่งพบว่า ค่าที่ได้เป็นค่าเดียวกับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากขั้วแคโทด จึงเชื่อว่าอนุภาคนั้น คือ อิเล็กตรอน และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเนื่องจากการที่แสงตกกระทบนี้ว่า โฟโตอิเล็กตรอน โดยจำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานี้จะเพิ่มขึ้นตามความเข้มแสง และพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะขึ้นกับความถี่ของแสงนั้น
การเกิดโฟโตอิเล็กตรอน
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
พลังงานที่อิเล็กตรอนจะต้องเสียไปปริมาณหนึ่งเท่ากับพลังงานที่ใช้ในการยึดอิเล็กตรอนไว้ในอะตอม เรียกพลังงานจำนวนนี้ว่า ฟังก์ชันงาน กล่าวได้ว่า ค่าฟังก์ชันงานเป็นค่าเฉพาะของโลหะชนิดต่าง ๆ โดยอิเล็กตรอนจะหลุดออกมาเมื่อความถี่ของแสงที่ใช้มากกว่าความถี่ขีดเริ่ม ซึ่งโฟตอนของแสงจะมีพลังงานเท่ากับฟังก์ชันงานพอดี สามารถคำนวณหาฟังก์ชันงานของผิวโลหะได้ ดังนี้
อาร์เทอร์ ฮอลลี คอมป์ตัน ได้ศึกษาการกระเจิงของรังสีเอกซ์ โดยให้รังสีเอกซ์ทำอันตรกิริยากับอนุภาคเป้า แล้วพบว่า เกิดการเบนของรังสีเอกซ์ นอกจากนี้ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ยังเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมด้วย กระบวนการนี้เรียกว่า การกระเจิง
ปรากฏการณ์คอมป์ตัน
ใน พ.ศ. 2466 คอมป์ตันได้ทดลองฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นค่าเดียวให้กระทบอิเล็กตรอนในแท่งแกรไฟต์ ปรากฏว่ามีอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์กระเจิงออกมา ดังภาพ ซึ่งเป็นหลักฐานชัดเจนที่แสดงให้เห็นธรรมชาติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าว่ามีลักษณะเป็นอนุภาค จึงเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์คอมป์ตัน
การกระเจิงของรังสีเอกซ์ในการทดลองของคอมป์ตัน
สมมติฐานเดอบรอยล์
คือ ความยาวคลื่นของอนุภาค มีหน่วยเป็น เมตร (m)
คือ มวลของอนุภาค มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
คือ โมเมนตัมของอนุภาค มีหน่วยเป็น กิโลกรัม เมตรต่อวินาที (kg m/s)
คือ อัตราเร็วของอนุภาค มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)
ใน พ.ศ. 2467 แวร์เนอร์ คาร์ล ไฮเซนเบิร์ก ได้เสนอหลักความไม่แน่นอน ไว้ว่า “เราไม่สามารถที่จะรู้ตำแหน่งและความเร็วของอนุภาคในเวลาเดียวกันได้อย่างแม่นยำ” เช่น ถ้าต้องการรู้ตำแหน่งของอนุภาค เราต้องให้อนุภาคหยุด แต่ถ้าต้องการรู้ความเร็วของอนุภาค แสดงว่า อนุภาคต้องมีการเคลื่อนที่ ดังนั้น เราจะไม่สามารถรู้ตำแหน่งหรือโมเมนตัมของอนุภาคได้แน่ชัดพร้อมกัน
คือ ความไม่แน่นอนของตำแหน่ง มีหน่วยเป็น เมตร (m)
คือ ความไม่แน่นอนของโมเมนตัม มีหน่วยเป็น กิโลกรัม เมตรต่อวินาที (kg m/s)
จากหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก จะเห็นได้ว่า ในการวัดปริมาณใด ๆ จะมีความไม่แน่นอนปรากฏอยู่เสมอโดยธรรมชาติ นอกเหนือจากความไม่แน่นอนที่เกิดจากผู้วัด เครื่องมือวัด และวิธีการวัดแล้ว หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กที่กล่าวถึง ความไม่แน่นอนของตำแหน่งและความไม่แน่นอนของโมเมนตัม สามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์ได้ ดังนี้
หลักความไม่แน่นอน
ตามหลักความไม่แน่นอน เราไม่สามารถระบุได้ว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอะตอมนั้นอยู่ที่ใดได้แน่นอน เราบอกได้เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ว่าเป็นเท่าใด โดยพฤติกรรมต่าง ๆ ของอิเล็กตรอนในอะตอมจะหาได้จากการแก้สมการคลื่นของชเรอดิงเงอร์ ซึ่งให้คำตอบที่สมบูรณ์กว่าทฤษฎีอะตอมของโบร์
โครงสร้างอะตอมตามแนวคิดกลศาสตร์ควอนตัม
กลุ่มหมอกของอะตอมไฮโดรเจนที่ n = 2
สรุป
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
สเปกตรัมของอะตอม
แบบจำลองอะตอม
สรุป
ทฤษฎีอะตอมของโบร์
นีลส์ โบร์ เสนอความคิดว่า อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของไฮโดรเจน จะอยู่ในวงโคจรเฉพาะที่มีรัศมีบางค่าเท่านั้น
โดยไม่มีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อมีโมเมนตัมเชิงมุม ดังความสัมพันธ์ และมีการ
ระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจน ดังความสัมพันธ์
ความยาวคลื่นของแสงในสเปกตรัมแบบเส้น ดังความสัมพันธ์
สรุป
กลศาสตร์ควอนตัม
กลศาสตร์ควอนตัม เป็นวิชาที่ศึกษาธรรมชาติในระดับอะตอม
หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก กล่าวถึง ความไม่แน่นอนของตำแหน่งและความไม่แน่นอนของโมเมนตัม
ดังความสัมพันธ์
ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะเมื่อฉายแสงที่มีความถี่มากกว่าหรือเท่ากับ
ความถี่ขีดเริ่มของโลหะชนิดนั้น ดังความสัมพันธ์ โดยที่
สมมติฐานขงเดอบรอยล์ มีใจความว่า อนุภาคสามารถประพฤติตัวเป็นคลื่นได้ และคลื่นสามารถประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้
โดยอนุภาคที่มีโมเมนตัม p จะมีพลังงานควอนตัม ดังความสัมพันธ์