อะตอมคืออะไร

อะตอมเป็นหน่วยพื้นฐานของสสารและโครงสร้างการกำหนดองค์ประกอบ คำว่า "อะตอม" นั้นมาจากคำภาษากรีกที่แบ่งแยกไม่ได้เพราะครั้งหนึ่งเคยคิดว่าอะตอมเป็นสิ่งที่เล็กที่สุดในจักรวาลและไม่สามารถแบ่งแยกได้ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอะตอมประกอบด้วยสามอนุภาคคือโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าเช่นควาร์ก

อะตอมถูกสร้างขึ้นหลังจากบิ๊กแบงเมื่อ 13.7 พันล้านปีก่อน เมื่อจักรวาลใหม่ที่ร้อนและหนาแน่นเย็นลงสภาพนี้เหมาะสำหรับควาร์กและอิเล็กตรอน ควาร์กมารวมตัวกันเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอนและอนุภาคเหล่านี้รวมกันเป็นนิวเคลียส ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายในไม่กี่นาทีแรกของการมีอยู่ของจักรวาลอ้างอิงจากสเซิร์น

เอกภพใช้เวลา 380,000 ปีในการทำให้เย็นลงจนพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้าลงเพื่อให้นิวเคลียสสามารถจับพวกมันเพื่อสร้างอะตอมแรก อะตอมแรกสุดนั้นส่วนใหญ่จะเป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมซึ่งยังคงเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในเอกภพ ในที่สุดแรงโน้มถ่วงทำให้เมฆก๊าซรวมตัวกันและก่อตัวเป็นดาวและอะตอมที่หนักกว่าก็ถูกสร้างขึ้นภายในและส่งไปทั่วจักรวาลเมื่อดาวระเบิด (ซุปเปอร์โนวา)

อนุภาคอะตอม

โปรตอนและนิวตรอนหนักกว่าอิเล็กตรอนและอยู่ในนิวเคลียสตรงกลางของอะตอม อิเล็กตรอนมีน้ำหนักเบามากและมีอยู่ในเมฆที่โคจรรอบนิวเคลียส คลาวด์อิเล็กตรอนนั้นมีรัศมีมากกว่านิวเคลียส 10,000 เท่าตามข้อมูลของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส

โปรตอนและนิวตรอนมีมวลประมาณเท่ากัน อย่างไรก็ตามโปรตอนหนึ่งอันมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1,835 เท่า อะตอมจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันเสมอและจำนวนของโปรตอนและนิวตรอนก็จะเท่ากันเช่นกัน การเพิ่มโปรตอนไปยังอะตอมทำให้เกิดองค์ประกอบใหม่ในขณะที่การเพิ่มนิวตรอนทำให้ไอโซโทปหรือเวอร์ชันที่หนักกว่าของอะตอมนั้น

นิวเคลียส

นิวเคลียสถูกค้นพบในปี 1911 โดย Ernest Rutherford นักฟิสิกส์จากนิวซีแลนด์ ในปี 1920 Rutherford เสนอชื่อโปรตอนสำหรับอนุภาคที่มีประจุบวกของอะตอม นอกจากนี้เขายังตั้งทฤษฎีว่ามีอนุภาคเป็นกลางภายในนิวเคลียสซึ่ง James Chadwick นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษและนักเรียนของ Rutherford's สามารถยืนยันในปี 1932

มวลของอะตอมทั้งหมดตั้งอยู่ในนิวเคลียสของมันตามข้อมูลของ LibreTexts โปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสนั้นมีมวลประมาณเดียวกัน (โปรตอนมีค่าน้อยกว่าเล็กน้อย) และมีโมเมนตัมเชิงมุมหรือการหมุน

นิวเคลียสจัดขึ้นโดยพลังอันแข็งแกร่งซึ่งเป็นหนึ่งในสี่พลังพื้นฐานในธรรมชาติ แรงระหว่างโปรตอนและนิวตรอนนี้จะเอาชนะแรงไฟฟ้าที่น่ารังเกียจซึ่งจะผลักโปรตอนออกจากกันตามกฎของกระแสไฟฟ้า นิวเคลียสของอะตอมบางตัวไม่เสถียรเนื่องจากแรงจับยึดนั้นแตกต่างกันไปตามอะตอมที่แตกต่างกันตามขนาดของนิวเคลียส อะตอมเหล่านี้จะสลายตัวเป็นองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นคาร์บอน -14 สลายตัวเป็นไนโตรเจน -14

โปรตอน

โปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกที่พบภายในนิวเคลียสของอะตอม Rutherford ค้นพบพวกมันในการทดลองกับหลอดรังสีแคโทดที่ดำเนินการระหว่างปี 1911 ถึง 1919 โปรตอนมีขนาดใหญ่เท่ากับ 99.86% ของนิวตรอน

จำนวนโปรตอนในอะตอมนั้นไม่เหมือนกันในแต่ละธาตุ ยกตัวอย่างเช่นอะตอมของคาร์บอนมีโปรตอน 6 อันอะตอมไฮโดรเจนมีหนึ่งอะตอมและออกซิเจนมี 8 อะตอม จำนวนโปรตอนในอะตอมถูกอ้างถึงว่าเป็นเลขอะตอมขององค์ประกอบนั้น จำนวนโปรตอนยังกำหนดพฤติกรรมทางเคมีขององค์ประกอบด้วย องค์ประกอบถูกจัดเรียงในตารางธาตุขององค์ประกอบเพื่อเพิ่มจำนวนอะตอม

สามควาร์กทำขึ้นแต่ละโปรตอน - ควาร์ก "ขึ้น" สองอัน (แต่ละอันมีประจุบวกสองในสาม) และควาร์กหนึ่ง "ลง" (ที่มีประจุลบหนึ่งในสาม) - และพวกมันถูกรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งไม่มีความหนาแน่น

อิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับโปรตอนและนิวตรอนมีขนาดเล็กกว่า 1,800 เท่าของโปรตอนหรือนิวตรอน อิเล็กตรอนมีขนาดใหญ่กว่ามวลนิวตรอนประมาณ 0.054% ตามข้อมูลของ Jefferson Lab

Joseph John (J.J. ) Thomson นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษค้นพบอิเล็กตรอนในปี 1897 ตามที่สถาบันประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ แต่เดิมรู้จักกันในชื่อ "corpuscles" อิเล็กตรอนมีประจุลบและดึงดูดด้วยไฟฟ้ากับโปรตอนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอมในวิถีที่เรียกว่า orbitals ซึ่งเป็นความคิดที่ Erwin Schrödingerนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียนำเสนอ วันนี้แบบจำลองนี้เรียกว่าแบบจำลองควอนตัมหรือแบบคลาวด์อิเล็กตรอน วงโคจรชั้นในรอบ ๆ อะตอมนั้นเป็นทรงกลม แต่วงโคจรรอบนอกนั้นซับซ้อนกว่ามาก

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนของอะตอมหมายถึงตำแหน่งของอิเล็กตรอนในอะตอมทั่วไป นักเคมีสามารถทำนายคุณสมบัติของอะตอมเช่นเสถียรภาพจุดเดือดและการนำไฟฟ้าได้โดยใช้การกำหนดค่าอิเล็กตรอนและหลักการทางฟิสิกส์ตามห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส

นิวตรอน

การดำรงอยู่ของนิวตรอนถูกทำให้เป็นทฤษฎีโดย Rutherford ในปี 1920 และค้นพบโดย Chadwick ในปี 1932 ตามที่ American Physical Society พบนิวตรอนระหว่างการทดลองเมื่ออะตอมถูกยิงที่เบริลเลียมแผ่นบาง ๆ อนุภาคของอะตอมที่ไม่มีประจุถูกปล่อยออกมา - นิวตรอน

นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุซึ่งพบได้ในนิวเคลียสอะตอมทั้งหมด (ยกเว้นไฮโดรเจน) มวลของนิวตรอนนั้นมีขนาดใหญ่กว่าโปรตอนเล็กน้อย เช่นเดียวกับโปรตอนนิวตรอนก็ประกอบด้วยควาร์ก - หนึ่งควาร์ก "ขึ้น" (ที่มีประจุบวก 2/3) และควาร์ก "ลง" สองอัน (แต่ละอันมีประจุลบหนึ่งในสาม)

ประวัติของอะตอม

ทฤษฎีของอะตอมมีอายุอย่างน้อยที่สุดเท่าที่ 440 BC ถึง Democritus นักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาชาวกรีก พรรคประชาธิปัตย์น่าจะสร้างทฤษฎีอะตอมของเขาขึ้นมาจากผลงานของนักปรัชญาในอดีตโดย Andrew G. Van Melsen ผู้แต่ง "จาก Atomos ถึง Atom: ประวัติความเป็นมาของ Concept Atom" (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Duquesne, 1952)

คำอธิบายของพรรคประชาธิปัตย์เริ่มต้นด้วยหิน หินที่ผ่าครึ่งให้หินสองก้อนครึ่งหนึ่ง หากหินถูกตัดอย่างต่อเนื่องในบางจุดจะมีชิ้นส่วนของหินที่เล็กพอที่จะไม่สามารถตัดได้อีกต่อไป คำว่า "อะตอม" นั้นมาจากคำภาษากรีกที่แบ่งแยกไม่ได้ซึ่งพรรคเดโมแครตได้ข้อสรุปต้องเป็นจุดที่สิ่งมีชีวิต (รูปแบบใด ๆ ของสสาร) ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป

คำอธิบายของเขารวมถึงความคิดที่ว่าอะตอมมีอยู่แยกจากกันมีจำนวนอนันต์ของอะตอมที่อะตอมสามารถเคลื่อนที่ได้ที่พวกเขาสามารถรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสสาร แต่ไม่รวมเป็นอะตอมใหม่และพวกเขา ไม่สามารถแบ่งได้ตามจักรวาลวันนี้ อย่างไรก็ตามเนื่องจากนักปรัชญาส่วนใหญ่ในเวลานั้น - โดยเฉพาะอริสโตเติลผู้มีอิทธิพลมากเชื่อว่าทุกสิ่งถูกสร้างขึ้นจากโลกอากาศไฟและน้ำทฤษฎีอะตอมของประชาธิปไตยถูกวางไว้

John Dalton นักเคมีชาวอังกฤษสร้างขึ้นจากแนวคิดของ Democritus ในปี 1803 เมื่อเขาดึงเอาทฤษฎีปรมาณูของเขาออกมาอ้างอิงจากภาควิชาเคมีของมหาวิทยาลัย Purdue ทฤษฎีของดัลตันรวมแนวคิดหลายอย่างจากพรรคเดโมแครตเช่นอะตอมแยกไม่ออกและทำลายไม่ได้และอะตอมที่แตกต่างกันรวมตัวกันเพื่อสร้างทุกเรื่อง ทฤษฎีของดัลตันรวมถึงแนวคิดต่อไปนี้: อะตอมทั้งหมดของธาตุบางชนิดนั้นเหมือนกันอะตอมของธาตุหนึ่งจะมีน้ำหนักและคุณสมบัติต่างกันกว่าอะตอมของธาตุอื่นอะตอมนั้นไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ อะตอมรวมกันเป็นจำนวนเต็มอย่างง่าย

Thomson นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้ค้นพบอิเลคตรอนในปี 1897 พิสูจน์ว่าอะตอมสามารถแบ่งได้ตามรากฐานของมรดกทางเคมี เขาสามารถตรวจสอบการมีอยู่ของอิเล็กตรอนโดยศึกษาคุณสมบัติของการคายประจุไฟฟ้าในหลอดแคโทดเรย์ จากบทความของ Thomson ในปี 1897 รังสีถูกเบี่ยงเบนภายในหลอดซึ่งพิสูจน์ว่ามีบางสิ่งที่ถูกประจุลบภายในหลอดสุญญากาศ ในปี 1899 ทอมสันตีพิมพ์คำอธิบายของอะตอมของเขาซึ่งรู้จักกันทั่วไปว่าเป็น "พุดดิ้งแบบพลัม" ข้อความที่ตัดตอนมาของบทความนี้พบได้ในเว็บไซต์ของ Chem Team แบบจำลองของอะตอมของทอมสันนั้นมีอิเล็กตรอนจำนวนมากที่แขวนอยู่ในสิ่งที่ทำให้เกิดประจุบวกทำให้อะตอมมีประจุเป็นกลางโดยรวม แบบจำลองของเขาคล้ายพุดดิ้งพลัมซึ่งเป็นของหวานยอดนิยมของอังกฤษที่มีลูกเกดแขวนอยู่ในลูกบอลกลมคล้ายเค้ก

นักวิทยาศาสตร์คนต่อไปที่จะทำการดัดแปลงและพัฒนาแบบจำลองอะตอมคือรัทเทอร์ฟอร์ดซึ่งศึกษาภายใต้ทอมสันตามภาควิชาเคมีของมหาวิทยาลัยเพอร์ดู ในปี 1911 รัทเธอร์ฟอร์ดได้ตีพิมพ์อะตอมของเขาซึ่งรวมนิวเคลียสที่มีประจุบวกซึ่งโคจรด้วยอิเล็กตรอน รุ่นนี้เกิดขึ้นเมื่อรัทเธอร์เฟิร์ดและผู้ช่วยของเขายิงอนุภาคอัลฟาที่แผ่นทองคำบาง ๆ อนุภาคอัลฟาประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัวซึ่งทั้งหมดถูกรวมเข้าด้วยกันด้วยพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเช่นเดียวกับที่ผูกนิวเคลียสตามห้องปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน

นักวิทยาศาสตร์สังเกตุว่าอนุภาคอัลฟาอนุภาคเล็ก ๆ กระจัดกระจายไปในทิศทางที่มีขนาดใหญ่มากในทิศทางเดิมของการเคลื่อนไหวในขณะที่ส่วนใหญ่ผ่านไปอย่างไม่ถูกรบกวน รัทเธอร์ฟอร์ดสามารถประมาณขนาดของนิวเคลียสของอะตอมทองได้พบว่ามันมีขนาดเล็กกว่าขนาดของอะตอมอย่างน้อย 10,000 เท่าโดยมีอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดยังคงเป็นรูปแบบพื้นฐานที่ใช้ในปัจจุบัน

นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ หลายคนยกระดับโมเดลอะตอมรวมถึง Niels Bohr (สร้างตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ดเพื่อรวมคุณสมบัติของอิเล็กตรอนตามสเปกตรัมไฮโดรเจน) เออร์วินชโรดิงเงอร์ (พัฒนารูปแบบควอนตัมของอะตอม) ตำแหน่งและความเร็วของอิเล็กตรอนพร้อมกันและ Murray Gell-Mann และ George Zweig (พัฒนาทฤษฎีที่โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กอย่างอิสระ)