รัทเทอร์ฟอร์ดจินตนาการว่าถ้าอะตอมมีลักษณะดังที่ทอมสันเสนอเอาไว้ (ประกอบด้วยอิเล็กตรอนกับโปรตอนกระจายกันอยู่เต็มอะตอม)
เมื่อยิงอะตอมด้วยอนุภาคอัลฟ่าซึ่งมีมวลมากกว่าทั้ง โปรตอนและอิเล็กตรอน อนุภาคอัลฟาทั้งหมดย่อมผ่านทะลุอะตอมไปได้ เพราะอัลฟามีมวลมากกว่าทั้งอิเล็กตรอนและโปรตรอน ฉะนั้นเมื่ออัลฟาพุ่งชนก็จะไม่สามารถสกัดกั้นอัลฟาเอาไว้ได้ แต่ อาจมีการเสียทิศทางไปได้บ้าง ดังรูป
แต่ถ้าได้ผลการทดลองเป็นอย่างอื่น ย่อมแสดงว่าแบบจำลองอะตอมของทอมสันน่าจะมีข้อผิดพลาด
อะตอมที่รัทเทอร์ฟอร์ดจะนำมาใช้ในการทดลองทำจากแผ่นทองคำที่บางมาก เชื่อว่าจะมีอะตองของทองคำซ้อนกันอยู่ไม่กี่ชั้น นำแผ่นทองคำดังกล่าวนี้มาล้อมเอาไว้ด้วยฉากเรืองแสงเพื่อใช้ สังเกตทิศทางของอัลฟา
ผลการทดลองปรากฏว่าอัลฟาเกือบทั้งหมดผ่านทะลุแผ่นทองคำไปได้เป็นแนวตรง เหมือนไม่มีอะไรขวางกั้น มีอยู่บางส่วนซึ่งน้อยที่ทะลุไปได้แต่ทิศทางเฉไป แต่ที่ประหลาดใจคือนาน ๆ
ครั้งจะ พบว่ามีอัลฟาสะท้อนกลับมาด้านหน้า
ดังรูป
ทอมสันอธิบายว่าการที่อัลฟาส่วนใหญ่ผ่านทะลุแผ่นทองคำไปได้เป็นแนวตรง
แสดงว่าอะตอมมีที่ว่างมาก อัลฟาเกือบทั้งหมดจึงผ่านไปได้ในแนวตรง อัลฟาบางส่วนที่ผ่านไปได้แต่มีทิศทางเฉ ไปน่าจะเป็นเพราะถูกผลักด้วยอนุภาคอื่นที่มีประจุบวกเหมือนกัน
หรือจะเป็นการพุ่งชนแบบเฉียดฉิวกับอนุภาคที่มวลมากแต่มีขนาดเล็ก แต่ที่สำคัญคือมีอัลฟาที่สะท้อนกลับมาด้านหน้าแต่น้อยมาก อธิบายว่าไปชนแบบตรง ๆ กับสิ่งที่มีมวลมากกว่าอัลฟา จึงผ่านไปไม่ได้ทำให้สะท้อนกลับมา แต่สิ่งที่อัลฟาพุ่งชนต้องมีขนาดเล็กการชนจึงเกิดขึ้นน้อย
รัทเทอร์ฟอร์ดจินตนาการว่าสิ่งนั้นเกิดจาก การรวมตัวของโปรตอนทั้งหมด และความหนาแน่นมาก เรียกว่านิวเคลียส มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (ในขณะนั้นยังไม่พบนิวตรอน) สำหรับอิเล็กตรอนซึ่งมีมวลน้อยจะโคจรอยู่รอบ ๆ
นิวเคลียส ดังรูป (ทราบในตอนหลังว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน)
(คลิ้ก ชมจินตนาการและการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด)
การพบนิวตรอน
ปี ค.ศ. 1932 (พ.ศ. 2475 ตรงกับสมัยรัชกาลที่ 7 พ.ศ. 2468 -
2477) เจมส์ แชดวิกค์ (James Chadwick) คลิ้ก อ่านประวัติ ค้นพบนิวตรอน จากการศึกษาการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับอนุภาค เบาคือ
เบริลเลียม เมื่อถูกชนด้วยอนุภาคอัลฟา จะทำให้มีอนุภาคบางอย่างหลุดออกมา อนุภาคดังกล่าวเป็นกลางทางไฟฟ้าคือไม่มีประจุไฟฟ้า
(Neutral) จึงเรียกชื่ออนุภาคดังกล่าวว่านิวตรอน (Neutron) นอกจากนั้นยังมีผลการทดลองในรูปแบบอื่นที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคชนิดนี้อีกด้วย เช่น พบว่าไอออนบวกที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทดเมื่อบรรจุแก๊สนีออนมีหลายชนิด คือมีมวลไม่เท่ากัน ทั้งที่แก๊สนีออนทุกอะตอมมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน
ในภายหลังจึงมาทราบว่าเป็นเพราะมีจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน เรียกว่าเป็นไอโซโทปกัน
การค้นพบนิวตรอนของเจมส์ แชดวิกค์ ทำให้วงการวิทยาศาสตร์ทราบองค์ประกอบของอะตอมที่ถูกต้องยิ่งขึ้น คือจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนอย่าง เดียว
แต่เมื่อพบนิวตรอนทำให้ทราบว่านิวเคลียสประกอบด้วยทั้งโปรตอนและนิวตรอน (ยกเว้นอะตอมของไฮโดรเจนบางไอโซโทปไม่มีนิวตรอน) แต่อย่างไรก็ตามประจุไฟฟ้าของนิวเคลียส จะเป็น ประจุบวกของโปรตอนทั้งหมดที่มีอยู่ในนิวเคลียสรวมกัน
ซึ่งจะเท่ากับประจุลบของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบรอบ
ๆ นิวเคลียส เมื่ออะตอมในภาวะปกติ
อนุภาคมูลฐานของอะตอม (Elementary particles of atoms)
อนุภาคมูลฐานของอะตอมหมายถึง อนุภาคที่เป็นส่วนประกอบเบื้องต้นของอะตอมต่าง
ๆ มี
3 ชนิดได้แก่
1.
อิเล็กตรอน Electron (e-
) ค้นพบโดย ทอมสัน (พ.ศ. 2440 )
2.
โปรตอน Proton
(p) ค้นพบโดย โกลด์ชไตน์ (พ.ศ. 2456)
3.
นิวตรอน Neutron
(n) ค้นพบโดย แชดวิก ( พ.ศ. 2475 )
สมบัติของอนุภาคมูลฐานของอะตอม
อะตอมของธาตุต่าง
ๆ ประกอบด้วยอนุภาคสำคัญ 3
ชนิด คือโปรตอน (p) นิวตรอน (n) และอิเล็กตรอน (e-) ยกเว้นไฮโดรเจนไอโซโทปโปรเตียมไม่มีนิวตรอน
อนุภาคดังกล่าวนี้เรียกว่า อนุภาคมูลฐานของอะตอม มีสมบัติดังนี้
|
อนุภาค
|
สัญลักษณ์
|
มวล
(g)
|
มวลเปรียบเทียบ
กับ
e-
|
ประจุจริง
(คูลอมบ์)
|
ประจุสมมติ
|
|
proton
|
p
|
1.672 x 10-24
|
มากกว่า
1836 เท่า
|
+1.602x10-19
|
+1
|
|
neutron
|
n
|
1.674 x 10-24
|
มากกว่า
1836 เท่า
|
0
|
0
|
|
electron
|
e-
|
9.109 x 10-28
|
1
|
-1.602x10-19
|
-1
|
* นิวคลีออน
(Nucleon) หมายถึง อนุภาคที่รวมกันเป็นนิวเคลียส ซึ่งได้แก่โปรตอนกับนิวตรอน
ก
แบบฝึกหัด
1. Is
the following sentence true or false? An alpha particle has a double positive
charge
because it is a helium atom that has lost two
electrons.
(เมื่อกล่าวว่าอนุภาคอัลฟามีประจุบวก 2 ประจุ
แสดงว่ามันคืออะตอมของฮีเลียมที่เสียอิเล็กตรอนไป
2 ตัว
จะถูกหรือผิด ) ____________________
2. Complete the table about the
properties of subatomic particles
(จงเติมข้อมูลในตารางให้สมบูรณ์)
|
Properties of Subatomic
Particles (สมบัติของอนุภาคในอะตอม)
|
|
Particle
(อนุภาค)
|
Symbol
(สัญลักษณ์)
|
Relative Electrical Charge
(ประจุไฟฟ้าสมมติ)
|
Actual Electrical Charge
(ประจุไฟฟ้าจริง)
|
Relative Mass
(มวลเปรียบเทียบ)
|
Actual Mass (g)
(มวลที่แท้จริง)
|
|
Electron
|
|
|
|
|
|
|
Proton
|
|
|
|
|
|
|
Neutron
|
|
|
|
|
|
3. Explain why in 1911 Rutherford and his coworkers were surprised when they shot a narrow
beam of alpha particles through a thin
sheet of gold foil.
(จงอธิบายว่าการยิงอนุภาคอัลฟาไปยังแผ่นทองคำบาง
ๆ ของรัทเทอร์ฟอร์ดและคณะเมื่อ ค.ศ.1911
มีผล
การทดลองใดที่น่าประหลาดใจ)
4. Circle the letter of each sentence that
is true about the nuclear theory of atoms suggested by
Rutherford’s experimental
results.
(จงวงรอบตัวอักษรหน้าข้อความที่ถูกต้อง เกี่ยวกับผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด)
a. An atom is mostly empty
space.(อะตอมเป็นสิ่งมีแต่ความว่างเปล่า)
b. All the positive charge of
an atom is concentrated in a small central region called
the nucleus.
(อนุภาคที่มีประจุบวกรวมกันอยู่ในนิวเคลียส ซึ่งมีความหนาแน่นมากและมีขนาดเล็ก)
c. The nucleus is composed of
protons and neutrons. (นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน)
d. The nucleus is large
compared with the atom as a whole. (นิวเคลียสมีขนาดใหญ่มากเมื่อ
เปรียบเทียบกับขนาดของอะตอม)
e. Nearly all the mass of an
atom is in its nucleus. (มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมเป็นมวลของ
นิวเคลียส)
5. Circle the letter of the term
that correctly completes the sentence. Elements are different
because their atoms contain different numbers
of ..................
(สิ่งที่ทำให้อะตอมของธาตุต่างชนิดมีความแตกต่างกันคืออะไร)_______
.
a. electrons b.
protons c. neutrons d.
nuclei
6. What is the
charge of an alpha particle?
(อนุภาคอัลฟามีประจุไฟฟ้าชนิดใด)
......................................
7. Why is Rutherford’s experiment called the gold foil experiment?
(เหตุใดจึงเรียกการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดว่า
gold foil experiment )
8. How did he know that an atom was mostly empty space?
(เหตุใดรัทเทอร์ฟอร์ดจึงทราบว่าอะตอมมีที่ว่างมาก)................................................................................
9. What happened to the alpha
particles as they hit the gold foil?
(เมื่ออนุภาคอัลฟาพุ่งชนแผ่นทองคำแล้วมีอะไรเกิดขึ้นบ้าง)
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
10. How did he know that the
nucleus was positively charged?
(เหตุใดรัทเทอร์ฟอรืดจึงทราบว่านิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก)
...............................................................
11. Compare
the contrast Thomson’s
plum pudding atomic
model which Rutherford’s
nuclear atomic model.
(แบบจำลองอะตอมของทอมสันแตกต่างจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดอย่างไร)
....................................................................................................................................................
12. What
caused the deflection
of the alpha
particles in Rutherford’s
gold foil experiment?
(การที่อนุภาคอัลฟาสะท้อนกลับมาเมื่อกระทบกับแผ่นทองคำในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด เป็นเพราะเหตุใด)
..................................................................................................................................................................
13. Which
statement is consistent
with the results
of Rutherford’s gold
foil experiment?
(ข้อไหนเป็นผลมาจากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด)
a.
All atom have
a positive charge. (อะตอมทั้งหลายมีประจุบวกอยู่ด้วย)
b.
Atoms are mostly
empty space. (อะตอมมีลักษณะเป็นที่ว่างเปล่าทั้งหมด)
c.
The nucleus of
atom contains protons
and electrons.
(นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วย โปรตอนและอิเล็กตรอน)
d.
Mass is spread
uniformly throughout an
atom.
(เนื้อของอะตอมกระจายอยู่ทั่วทั้งอะตอมอย่างสม่ำเสมอ)
14. Which subatomic
particle was discovered
by researchers working
with a cathode
ray
tube?
(การทดลองเรื่องหลอดรังสีแคโทดทำให้พบอนุภาคชนิดใดของอะตอม)
15. According
to Dalton’s model, the
atom is a
solid sphere. What
would the alpha
particles do when
they hit the
gold foil if Dalton were
correct?
(ถ้าอะตอมมีลักษณะดังแบบจำลองอะตอมที่ดอลตันเสนอแล้ว เมื่ออนุภาคอัลฟาพุ่งไปกระทบแผ่นทองคำ บาง ๆ จะเกิดผลอย่างไร)
15. According
to Thomson, the
atom is a
positively charged cloud
with electrons scattered
throughout. What would
the alpha particles
do when they
hit the foil
if Thomson were
correct?
(ถ้าอะตอมมีลักษณะดังแบบจำลองอะตอมของทอมสัน
เมื่ออนุภาคอัลฟาพุ่งไปกระทบแผ่นทองคำบาง ๆ จะเกิดผลการทดลองอย่างไร)
16. When
Rutherford performed his experiment,
only 1 in 20,000 alpha particles
bounced straight back
or were deflexed
greatly. The rest
went straight througt
the gold foil.
(ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดพบว่า
มีอัลฟา 1 ใน 20,000 เท่านั้นที่สะท้อนกลับมาด้านหน้า
นอกนั้นทะลุผ่านไปได้
กรณีนี้รัทเทอร์ฟอร์ดสรุปว่าอย่างไร)
a. What
does this indicate
about the probability
of actually hitting
anything?
(ผลการทดลองนี้บ่งบอกถึงความเป็นไปได้ว่าอัลฟาพุ่งชนบางสิ่งบางอย่างเข้าแล้ว)
b. What
does this indicate
about the size
of whatever has
been hit compared
to the size
of the gold
atom in the
foil?
(ผลการทดลองนี้บ่งบอกถึงขนาดของสิ่งที่อัลฟาพุ่งชนเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดอะตอมของทองคำว่าเป็นอย่างไร)
c. Is
the atom mostly
solid or mostly
space? How do
you know?
(คิดว่าอะตอมเป็นของแข็งทั้งก้อนหรือว่ามีแต่ที่ว่างทั้งหมด ทราบได้อย่างไร)
d. Considering
the fact that
alpha particles are
positively charged, what must
the charge be
on whatever deflected
them?
(อนุภาคอัลฟามีประจุบวก จงพิจารณาว่าสิ่งที่ทำให้ทิศทางของอัลฟาเปลี่ยนไปควรมีประจุใด)
e. Based
on this evidence,
what is in
an atom’s center?
(จากการทดลอง
ศูนย์กลางของอะตอมควรเป็นสิ่งใด)
f.
Where might the
negatively charged electrons
be located?
(อิเล็กตรอนควรอยู่บริเวณใดของอะตอม)
g. If
the electron and
proton (the positive
charged particles) are
not near each
other in the
atom, why doesn’t their
attraction pull them
together? [Hint: Why
doesn’t the Earth
get pulled into
the sun?]
(อิเล็กตรอนกับโปรตอนของอะตอมอยู่ห่างกัน เหตุใดจึงไม่ดึงดูดเข้ามาอยู่ติดกัน , แนะนำให้คิดเปรียบเทียบว่าเหตุใดโลกกับดวงอาทิตย์จึงไม่ดูดติดกัน)
คะแนนโหวด
