บทที่ 2 อนุภาคในอะตอม

2.2.1 อนุภาคในอะตอม          อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่สำคัญ 3 อนุภาค ได้แก่
          1.อิเล็กตรอน(electron)
          2.โปรตอน(proton)
          3.นิวตรอน(neutron)

1.อิเล็กตรอน(electron) 

เจ เจ ทอมสัน (J.J. Thomson)

ทอมสัน ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สในหลอดรังสีแคโทด
     วิธีทำการทดลองและผลการทดลอง          หลอดรังสีแคโทด เป็นหลอดแก้วที่สูบอากาศออกหมด แล้วบรรจุแก๊สเข้าไป เมื่อให้กระแสไฟฟ้า 10,000 โวลต์ แล้ววางฉากเรืองแสงที่ฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟต์(ZnS) ไว้ภายในหลอด จะเห็นเส้นเรืองสีเขียวพุ่งจากแคโทดไปยังแอโนด เรียกรังสีนี้ว่า "รังสีแคโทด"

          เพื่อความมั่นใจว่ารังสีนั้นพุ่งจากแคโทดไปยังแอโนดจริง เขาจึงดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ ทำให้เขาเห็นรังสีพุ่งเป็นเส้นตรงมาจากแคโทดไปกระทบกับฉากเรืองแสง

          เขาทำการทดลองต่อไป เพื่อทดสอบสมบัติของรังสีนี้ โดยเพิ่มขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วเพื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก เขาจึงสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ

          นอกจากนี้ เขาได้ทดลองให้รังสีแคโทดอยู่ในสนามแม่เหล็ก ปรากฎว่ารังสีเบนไปอีกทิศทางหนึ่งซึ่งตรงกันข้ามกับรังสีแคโทดที่อยู่ในสนามไฟฟ้า

          จะได้ว่า เมื่อรังสีแคโทดอยู่ในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก รังสีจะเบนไปจากแนวเดิม โดยรังสีจะวิ่งไปหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า ส่วนสนามแม่เหล็กนั้นรังสีวิ่งไปหาขั้วใต้ ดังนั้นเขาจึงผ่านสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไปยังรังสีแคโทด แล้วใช้อีกสนามหนึ่งมาทำให้รังสีเบนกลับเป็นเส้นตรงเหมือนเดิม แรงผลักของไฟฟ้าจะบอกว่ามีกี่ประจุ ส่วนแรงผลักจากสนามแม่เหล็กนั้นจะบอกว่าอนุภาคมีน้ำหนักเท่าใด เขาจึงหาอัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนได้

     สรุปผลการทดลอง
           อิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบร่วมที่พบในธาตุใดก็ได้ เพราะเมื่อเขาทำการทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้เป็นขั้วแคโทด และเปลี่ยนชนิดของแก๊สที่บรรจุ แต่ผลการทดลองยังได้เหมือนเดิม
           อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ
           อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.76 X 10⁸ คูลอมบ์ต่อกรัม
การทดลองหยดน้ำมัน(oil drop experiment)ของมิลลิแกน

รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Millikan)

มิลลิแกน ได้ทำการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีหยดน้ำมัน ทำได้โดย พ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอกซ์ไปดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของแก๊สในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะหยดน้ำมัน พบว่า แต่ละหยดน้ำมันมีอิเล็กตรอนมาเกาะจำนวนไม่เท่ากัน นั่นคือ หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะติดเพียงตัวเดียว บางหยดก็มีมากกว่า 1 ตัว หยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก จากนั้นให้กระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นประจุบวกและลบ แผ่นประจุลบซึ่งอยู่ด้านล่างผลักหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนมาเกาะจนหยุดนิ่ง ซึ่งดูได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์(microscope) แสดงว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงจากสนามไฟฟ้า แล้วคำนวณหาค่าประจุ

จากผลการทดลองมิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้คือ 1.60 X 10^-19 คูลอมบ์ ซึ่งเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน
          จากการทดลองของมิลลิแกน เราทราบค่า              e = 1.60 X 10^-19 คูลอมบ ์
          จากการทดลองของทอมสัน เราทราบค่า           e/m = 1.76 X 10⁸ คูลอมบ์/กรัม
                                                 แทนค่า 1.60 X 10^-19/m = 1.76 X 10⁸
                                                                                  m = 9.11 X 10^-28 กรัม
          ดังนั้น เราจะทราบมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ  9.11 X 10^-28 กรัม

   

ออยเกน โกลด์ชไตน์(Eugen Goldstein)

2.โปรตอน(proton)

          เขาได้ศึกษาเรื่องการนำไฟฟ้าของแก๊ส
     วิธีทำการทดลอง
           เขาดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด โดยเพิ่มฉากเรืองแสงที่ด้านหลังขั้วแคโทด และเจาะรู้ด้านขั้วแคโทด

          เขาได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด โดยขั้วแคโทดและขั้วแอโนดอยู่ตรงกลางหลอด เพิ่มฉากเรืองแสงที่ปลายหลอดรังสีแคโทดทั้งสองด้าน

     ผลการทดลอง

          เมื่อบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดรังสีแคโทด แล้วให้กระแสไฟฟ้าแก่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง พบว่าขั้วแคโทดจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมา เมื่ออิเล็กตรอนชนกับอะตอมของแก๊สไฮโดรเจนจะให้โปรตอน โปรตอนซึ่งมีประจุบวกถูกดึงดูดโดยขั้วแคโทดซึ่งมีประจุลบไปตกกระทบยังฉากเรืองแสง ปริมาณอิเล็กตรอนในหลอดรังสีแคโทดมีมากมาย ทำให้มีโปรตอนไปตกกระทบที่ฉากเรืองแสงมากมาย จนเราสังเกตเห็นเป็นลำแสงพุ่งตรงไปยังฉากหลังขั้วแคโทด

     สรุปผลการทดลอง
           อนุภาคที่ถูกดึงดูดโดยขั้วไฟฟ้าที่เป็นลบ ต้องเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก ต่อมานักวิทยาศาสตร์เรียก
ว่า"โปรตอน " เนื่องจากถูกดึงดูดโดยขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ และโดนแรงผลักจากขั้วแอโนดซึ่งเป็นขั้วบวก

3.นิวตรอน(neutron)

เจมส์ แชดวิก(James Chadwick)

          เขาได้พิจารณาจากแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด จะพบว่ามวลรวมของอะตอมน่าจะมีค่าเท่ากับมวลรวมของโปรตอนได้เลย เพราะว่าอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก แต่จากการพิจารณามวลอะตอมของธาตุบางธาตุกลับมีมวลเป็นสองเท่าหรือมากกว่าสองเท่า เช่น ฮีเลียมมี 2 โปรตอนและ 2 อิเล็กตรอน น่าจะมีมวลอะตอม 2 หน่วย แต่กลับมี 4 หน่วย เขาจึงคิดว่าน่าจะมีอนุภาคอื่นนอกจากโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งอนุภาคนี้ทำให้มวลอะตอมเพิ่มขึ้น
     วิธีทำการทดลอง

           เขาระดมยิงเบริลเลียม(Be)ด้วยอนุภาคแอลฟา() ซึ่งได้จากธาตุพอโลเนียม(Po)
           จากนั้น ทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนเบริลเลียมเป็นธาตุอื่น เช่น โบรอน(B), ไนโตรเจน(N), ออกซิเจน(O), อาร์กอน(Ar) ฯลฯ 
     ผลการทดลอง
           จากการทดลองพบว่า เมื่อระดมยิงเบริลเลียม(Be)ด้วยอนุภาคแอลฟา()จะตรวจพบ ดังสมการ

           นอกจากนั้น เขายังทำการทดลองกับโบรอน(B)

           และ เขายังทำการทดลองกับไนโตรเจน(N), ออกซิเจน(O), อาร์กอน(Ar) ฯลฯ ทุกครั้งที่เขาทำการทดลอง เขาจะตรวจพบ  ทุกครั้ง

     สรุปผลการทดลอง
          เขาพบอนุภาคใหม่คือ  เขาให้ชื่ออนุภาคนี้ว่า "นิวตรอน" ซึ่งมีมวลใกล้เคียงโปรตอนและเป็นกลางทางไฟฟ้า ด้วยคุณสมบัติของนิวตรอนคือเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงไม่เบี่ยงเบนในหลอดรังสีแคโทดทำให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบอนุภาคนี้ช้าที่สุด
     การค้นพบนิวตรอนทำให้โครงสร้างอะตอมของดาลตัน, ทอมสันและรัทเทอร์ฟอร์ดไม่ถูกต้อง เพราะไม่มีนิวตรอนในโครงสร้างอะตอม จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงแนวความคิดของนักวิทยาศาสตร์ในเรื่องโครงสร้างอะตอม หลังจากนั้นจึงเกิดโครงสร้างอะตอมของโบร์ขึ้นมาแทนที่โครงสร้างอะตอมแบบเดิม ๆ