อะตอมมีโปรตอน, นิวตรอนและอิเล็กตรอน นักเรียนคิดว่าอนุภาคเหล่านี้จะอยู่ตรงตำแหน่งใด

โครงสร้างอะตอมของโบร์

     ผู้ค้นพบ

นีลส์ โบร์(Niels Bohr)

     วิธีทำการทดลอง
          เขาศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป

     ผลการทดลอง
          อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ

     สรุปผลการทดลอง
          การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง ๆ

          ระดับพลังงานแต่ละชั้น คำนวณจาก

          เมื่อ 2.18 X 10-18 J = ค่าคงที่ของริดเบิร์ก(Rydberg constant)
                                       n = เลขควอนตัมหลัก = 1, 2, 3, ...
          แทนค่า

          ในสภาวะปกติ อิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนจะอยู่ที่ระดับพลังงาน n=2 ซึ่งมีพลังงาน -0.545 X 10-18 J
          ในสภาวะกระตุ้น เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนได้รับพลังงานที่เพียงพอค่าหนึ่งจะถูกกระตุ้นไปยังสภาวะกระตุ้น(excited state) เช่น เมื่ออิเล็กตรอนดูดกลืนพลังงาน 0.303 X 10-18 J อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นจาก n=2 ไปยังระดับพลังงาน n=3 พลังงานนี้คำนวณได้จากความแตกต่างของพลังงาน(DE) ของระดับพลังงานตั้งต้น(Ei) กับระดับพลังงานสุดท้าย(Ef) ดังสมการ

DE = Ef - Ei
DE = E3 - E2 = (-0.242 X 10-18 J) - (-0.545 X 10-18 J) = 0.303 X 10-18 J

          Note: พลังงานที่ได้มีค่าเป็นบวก 0.303 X 10-18 J แสดงว่าอิเล็กตรอนดูดกลืนพลังงาน 0.303 X 10-18 J

          กลับสู่สภาวะปกติ อิเล็กตรอนอยู่ที่ระดับพลังงานที่ 3 ไม่นานเพราะระดับนี้ไม่เสถียร ก็จะปล่อยพลังงานออกมาเพื่อกลับมาอยู่ที่ระดับพลังงานที่ 2 นั่นคือจาก n=3 ไป n=2 อิเล็กตรอนปล่อยพลังงานออกมา 0.303 X 10-18 J

DE = Ef - Ei
DE = E2 - E3 = (-0.545 X 10-18 J) - (-0.242 X 10-18 J) = -0.303 X 10-18 J

               Note: พลังงานที่ได้มีค่าเป็นลบ 0.303 X 10-18 J แสดงว่าอิเล็กตรอนคายพลังงาน 0.303 X 10-18 J

               พลังงานที่ปล่อยออกมานี้มีความยาวคลื่น 656.3 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นของแสงสีแดง ที่อยู่ในช่วงที่ตามองเห็น เราจึงเห็นเส้นสเปกตรัมสีแดงปรากฎบนฉากรับภาพ คำนวณจาก

          เมื่อ DE = ความแตกต่างของพลังงานระหว่าง 2 ระดับพลังงาน
                     h = ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.626 X 10-34 Js
                     c = ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ = 2.997 X 108 m/s
                  = ความยาวคลื่น หน่วยเป็นเมตร(m)

          แทนค่า

          ดังนั้น การเปลี่ยนระดับพลังงานจาก n=3 n=2 เกิดสเปกตรัมสีแดง ส่วน n=4 n=2, n=5 n=2 และ n= n=2 นั้นให้สีของเส้นสเปกตรัมไม่เหมือนกัน ดังตาราง

ni(ระดับพลังงานเริ่มต้น)
nf(ระดับพลังงานสิ้นสุด)
ความยาวคลื่น(นาโนเมตร)
เส้นสเปกตรัม
3
2
656.3
สีแดง
4
2
486.1
สีน้ำทะเล
5
2
434.0
สีน้ำเงิน
2
410.2
สีม่วง

     แบบจำลองอะตอมของโบร์

         หมายเหตุ ภาพแสดงอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสไม่ได้แสดงความเร็วของอิเล็กตรอนที่แท้จริง         

            อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อยู่ภายในนิวเคลียส ส่วนอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเป็นชั้น ๆ หรือเป็นระดับพลังงานซึ่งมีค่าเป็นขั้น ๆ อย่างเด็ดขาด ไม่มีค่าที่ต่อเนื่องกัน

     ประโยชน์ที่เราสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้จากงานของโบร์

          1. ธาตุทุกธาตุเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้น จะเปล่งแสงออกมาได้เฉพาะตัว จึงมีประโยชน์อย่างมากในงานเคมีวิเคราะห์ เพื่อระบุว่าตัวอย่าง (sample) นั้นมีอะตอมของธาตุใดเป็นองค์ประกอบ

          2.หลอดไฟ แสงจากหลอดไฟเกิดจากการระดมยิงอะตอมของธาตุเช่น ปรอท, โซเดียม ด้วยอิเล็กตรอน ดังสมการ

Hg + พลังงาน -> Hg*

Hg* -> Hg + แสงสีเขียวอมฟ้า

          จากสมการจะได้ว่า เมื่อให้พลังงานกับอะตอมของธาตุปรอทจะทำให้อิเล็กตรอนของปรอทขึ้นไปอยู่ที่สภาวะกระตุ้น(excited state) จากนั้นอิเล็กตรอนจะกลับสู่สภาวะพื้น(ground state) โดยปล่อยพลังงานออกมาซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงที่ตาเรามองเห็นเป็นแสงสีเขียวแกมฟ้า