อะตอม คือ วัตถุที่มีขนาดเล็กมากและมีมวลน้อยที่สุด ซึ่งเราสามารถสังเกตเห็นได้โดยการใช้เครื่องมือพิเศษทางวิทยาศาสตร์ ในช่วงศตวรรษที่ 17 – 18 นักเคมีเริ่มค้นพบว่า อะตอมเป็นวัตถุหนึ่ง ๆ ที่ประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้ ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบส่วนประกอบย่อยอะตอมและโครงสร้างภายในของอะตอมที่แสดงว่าอะตอมแบ่งแยกออกได้ ไม่ใช่วัตถุที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้เหมือนอย่างที่เข้าใจในช่วงแรก

อะตอม และแบบจำลอง โครงสร้างอะตอม

นักวิทยาศาสตร์หลายท่านได้ศึกษาทดลองค้นหาคำตอบเกี่ยวกับแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมในรูปแบบต่าง ๆ และนำเสนอทฤษฎีแบบจำลอง โครงสร้างอะตอม ไว้ดังนี้

แบบจำลองอะตอมของดาลตัน (John Dalton, 1808)

ดาลตันได้เสนอทฤษฎีอะตอม ไว้ว่า 

1) อะตอม คือ หน่วยที่เล็กที่สุด แบ่งแยกออกไม่ได้ มีรูปทรงเป็นทรงกลมตัน 

2) ธาตุชนิดเดียวกันจะประกอบขึ้นจากอะตอมชนิดเดียวกัน ที่มีมวลและคุณสมบัติเหมือนกัน 

3) สารประกอบ คือ อะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปที่รวมตัวกันด้วยสัดส่วนที่คงที่

4) อะตอมของธาตุแต่ละชนิด จะมีคุณสมบัติ ลักษณะรูปร่าง มวลและน้ำหนักเฉพาะตัว 

5) น้ำหนักรวมทั้งหมดของธาตุแต่ละธาตุ คือ ผลรวมของน้ำหนักอะตอมของธาตุแต่ละชนิดที่มารวมกัน

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน (Sir Joseph John Thomson, 1904)

ทอมสัน เป็นผู้ค้นพบ อิเล็กตรอน และนำเสนอแบบจำลองอะตอมที่เรียกว่า Plum pudding ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับขนมปังก้อนกลมที่มีลูกเกดอยู่ตรงกลาง ซึ่งมีแบบจำลองโครงสร้างของอะตอม ดังนี้ 

1) อะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม 

2) อะตอมจะเป็นประจุไฟฟ้าบวกอยู่ตรงกลาง (อนุภาคโปรตอน) และมีประจุลบ (อนุภาคอิเล็กตรอน) กระจายอยู่โดยรอบ 

3) ในสภาวะปกติ อะตอมมีสภาพกลางทางไฟฟ้า (มีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับประจุไฟฟ้าลบ) 

4) อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุดและแบ่งแยกไม่ได้ แต่ อะตอม คือ การรวมตัวของอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่น ๆ 

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford, 1911)

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด หรือถูกเรียกอีกชื่อว่า แบบจำลองอะตอมแบบดาวเคราะห์ ซึ่ง รัทเทอร์ฟอร์ด ได้อธิบายแบบจำลองโครงสร้างอะตอม ของตนว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสประจุบวกที่มีมวลมากรวมกันอยู่ตรงกลางหรือที่เรียกว่าโปรตอน มีอิเล็กตรอนประจุลบที่มีมวลน้อยมากวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง 

แบบจำลองอะตอมของนีลส์ โบร์ (Niels Bohr, 1913)

นีลส์โบร์ ได้เสนอแบบจำลองของโครงสร้างของอะตอม ไว้ดังนี้

1) อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงชั้นตามระดับพลังงาน และแต่ละชั้นของการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว 

2) อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดมีระดับพลังงานต่ำสุด

3) อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับชั้นที่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุด มีระดับพลังงาน n = 1 ระดับพลังงานในชั้นถัดไป คือ n = 2, n = 3, … ตามลำดับ หรือระดับชั้น K, L, M, N, O, P, Q, …

แบบจำลองอะตอมของชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger, 1926)

แบบจำลองอะตอมของชเรอดิงเงอร์ หรือ แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก หรือ แบบจำลองอะตอมกลศาสตร์ควอนตัม เป็นแบบจำลองที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคปัจจุบันคิดว่ามีความเป็นไปได้มากที่สุด ซึ่งมีลักษณะโครงสร้างของอะตอม ดังนี้ 

1) อิเล็กตรอนวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่ไม่แน่นอน ไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนได้ 

2) อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่เร็วมาก จนเหมือนกับว่ามีจำนวนอิเล็กตรอนกระจัดกระจายอยู่ทั่วไป ซึ่งมองดูมีลักษณะคล้ายเป็น “กลุ่มหมอก” 

3) รูปทรงของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน มีรูปทรงแตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับพลังงานและจำนวนของอิเล็กตรอน 

4) อิเล็กตรอนกลุ่มหมอกที่มีระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้กับนิวเคลียส กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลจากนิวเคลียส 

5) อิเล็กตรอนมีระดับพลังงานไม่คงที่ และมีหลายระดับพลังงาน

สัญลักษณ์นิวเคลียร์

สัญลักษณ์ของนิวเคลียร์ของธาตุ (nuclear symbols) มีลักษณะคล้ายสมการเคมี ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ที่แสดงรายละเอียดเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานของอะตอม ที่มีการแสดงจำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน 

เลขมวล (จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน)

A

  X

Z

เลขอะตอม (จำนวนโปรตอน)

A แทน เลขมวล (mass number) ซึ่งเท่ากับ จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน 

Z แทน เลขอะตอม (atomic number) ซึ่งคือ จำนวนโปรตอน 

X แทน สัญลักษณ์ของธาตุ

อนุภาคมูลฐานของอะตอม (fundamental particle of atom) คือ อนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม ซึ่งประกอบไปด้วย โปรตอน (proton) นิวตรอน (neutron) และอิเล็กตรอน (electron) 

• อนุภาคของโปรตอน เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ p+ มีประจุเป็นบวก (+1) มี มวลอะตอม เท่ากับ 1.007277g
• อนุภาคของอิเล็กตรอน เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ e- มีประจุเป็นลบ (-1) มี มวลอะตอม เท่ากับ 0.000549g
• อนุภาคนิวตรอน เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ n มีประจุเป็นกลาง (0) มี มวลอะตอม เท่ากับ 1.008665g

ในสภาวะที่อะตอมเป็นกลาง เลขอะตอม = จำนวนอนุภาคโปรตอน (p+) = จำนวนอนุภาคอิเล็กตรอน (e-) สำหรับอะตอมที่ไม่เป็นกลาง ที่มีเลขอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอน (p+) แต่ไม่เท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน (e-) จะถูกเรียกว่า   ไอออน (ion) ซึ่งมีค่าเป็นไปได้ทั้งไอออนบวก (cation) หรือไอออนลบ (anion)

•    ไอออนบวก (cation) คือ อะตอมเป็นกลางที่เสียอิเล็กตรอนออกไป ทำให้มีประจุบวกมากขึ้นเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่เสียไป
•    ไอออนลบ (anion) คือ อะตอมเป็นกลางที่รับอิเล็กตรอนเข้ามา ทำให้มีประจุลบเพิ่มขึ้นเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่รับเข้ามา

การคำนวณหาจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอม

เลขมวล = จำนวนนิวตรอน (n) + จำนวนโปรตอน (p+)

ตัวอย่าง

4

  He

2

จากสัญลักษณ์ด้านบน หมายความว่า เลขมวล = 4 และ เลขอะตอม = 2 ซึ่งนำมาแทนค่าในสมการได้ เท่ากับ

4 = n + 2

ดังนั้น n = 4 – 2 = 2 

คำตอบ คือ มีจำนวนอนุภาคนิวตรอน (n) = 2 จำนวนอนุภาคโปรตอน (p+) = 2 และจำนวนอนุภาคอิเล็กตรอน (e-) = 2

ไอโซโทป ไอโซโทน ไอโซบาร์ และไอโซอิเล็กทรอนิกส์

• ไอโซโทป (isotope) คือ ธาตุเดียวกัน ที่มีจำนวนนิวตรอน (n) หรือเลขมวลไม่เท่ากัน แต่ มีจำนวนโปรตอน (p+) เท่ากัน 
• ไอโซโทน (isotone) คือ ธาตุคนละธาตุที่ มีจำนวนนิวตรอน (n) เท่ากัน
• ไอโซบาร์ (isobar) คือ ธาตุคนละธาตุที่ มีเลขมวลเท่ากัน
• ไอโซอิเล็กทรอนิกส์ (isoelectronic) คือ ธาตุคนละธาตุที่ มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน (e-) 

ตัวอย่างเช่น

1       3

  H  และ   H   ไอโซโทปกัน

1       1

18      19

  O และ    F    ไอโซโทนกัน

 8       9

15      15

   N และ    C    ไอโซบาร์กัน

 7       6

20       19

  Ne และ    F-   ไอโซอิเล็กทรอนิกส์กัน

10        9

การจัดเรียงอิเล็กตรอน

  การจัดเรียงอิเล็กตรอน หมายถึง การจัดเรียงอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมตามระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย โดยมีการแบ่งชั้นตามเลขอะตอมที่แน่นอน โดยการเรียงลำดับไปเรื่อย ๆ เพื่อทำให้ทราบว่า ธาตุนั้นอยู่ในหมู่ใดและในแต่ละระดับพลังงานสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้เท่าใด เช่น

 2n2 เมื่อ n = 1, 2, 3,….

ดังนั้น เลขชุดที่ใช้ในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลัก คือ 2n1, 2n2, 2n3, 2n4 ซึ่งเท่ากับ 2(2)1, 2(2)2, 2(2)3, 2(2)4 หรือหมายความว่า จำนวนอิเล็กตรอน (e-) ที่มีได้มากที่สุดในแต่ละระดับพลังงานเท่ากับ 2, 8, 18, 32 โดยระดับพลังงานที่มากกว่า 4 ขึ้นไป จะมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเพียง 32 ตัว

ระดับพลังงานหลัก 

   เป็นระดับพลังงานชั้นใหญ่ของอิเล็กตรอน โดยระดับพลังงานชั้นสุด คือ ระดับพลังงานที่ n = 1 จะมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 2 ตัว และในระดับชั้นถัดมาที่ n = 2, 3, 4 จะมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 8, 18 และ 32 ตามลำดับ โดยระดับพลังงานที่ n มากกว่า 4 ขึ้นไป จะมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเพียง 32 ตัวเท่านั้น

ระดับพลังงานย่อย

  ระดับพลังงานย่อย หรือมีชื่อหนึ่งว่า ออร์บิทัล (orbital) เป็นระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในแต่ละชั้นของระดับพลังงานใหญ่ โดยมีระดับพลังงานย่อยเป็น 4 ประเภทใหญ่ คือ s, p, d และ f ซึ่งแต่ละชนิดมีรูปร่างต่างกัน ดังนี้

• ระดับพลังงานหลัก 1 ชนิดของออร์บิทัลที่มีได้ s
• ระดับพลังงานหลัก 2 ชนิดของออร์บิทัลที่มีได้ s p
• ระดับพลังงานหลัก 3 ชนิดของออร์บิทัลที่มีได้ s p d
• ระดับพลังงานหลัก 4 ชนิดของออร์บิทัลที่มีได้ s p d f
• ระดับพลังงานหลัก 5 ชนิดของออร์บิทัลที่มีได้ s p d f g* g ยังไม่มีค่าค้นพบ เพราะมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนซ้อนเหลื่อมกันของแต่ละออร์บิทัลที่ต่างชั้นระดับพลังงานหลักกัน ซึ่งทำให้ในการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่ออกมาเป็น 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s… ถูกเปลี่ยนแปลง 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s ...

หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแต่ละระดับพลังงาน

• จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด (valence electron) มีจำนวนอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 ตัว และในระดับชั้นถัดมา มีจำนวนอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 18, 32 ตัวตามลำดับ
• ระหว่างของแต่ละชั้นระดับพลังงานจะไม่เท่ากัน และระยะห่างของระดับชั้นพลังงานจะน้อยลงเมื่อระดับพลังงานสูงขึ้น
• จำนวนระดับชั้นของพลังงานของอะตอมจะบอกถึง “คาบ”
• จำนวนอิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดจะบอกถึง “หมู่”

   จะเห็นได้ว่ามีการศึกษาเรื่องอะตอมต่อยอดกันมาเรื่อย ๆ ในแต่ละยุคสมัย ซึ่งก่อให้เกิดประโยชน์ที่แตกแขนงไปอย่างมากในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการผลิตชิ้นส่วนของอุปกรณ์เครื่องมือและนวัตกรรมต่าง การศึกษาสิ่งเล็ก ๆ ที่เรียกว่าอะตอมนี้เป็นรากฐานของการสร้างสรรค์และพัฒนาสิ่งต่าง ๆ เพื่อประโยชน์ของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

ที่มาข้อมูล

• https://th.wikipedia.org/wiki/โครงแบบอิเล็กตรอน
• https://il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry1/atomic_structure/electron_configuration.htm
• https://sites.google.com/site/elementandcompound/nuclearsymbol
• http://www.kruseksan.com/book/element5.pdf
• https://th.wikipedia.org/wiki/อะตอม
• https://medium.com/@Intlink.edu/แบบจำลองอะตอม-4104097f6451
• https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7446-2017-08-11-07-23-27
• https://www.trueplookpanya.com/learning/detail/33916