แบบจำลองอะตอม
แนวคิดที่ว่าสิ่งต่างๆประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าได้เริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณโดยดิโมคริตุสนักปราชญ์ชาวกรีกผู้หนึ่งได้เสนอแนวคิดว่าถ้าแบ่งสิ่งต่างๆให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จะได้หน่วยย่อยซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กได้อีกเรียกว่าอะตอมซึ่งอะตอมในภาษากรีกแปลว่าแบ่งแยกอีกไม่ได้
1) แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
ในปีพ.ศ 2346 จอห์นดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมีรวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่งหนึ่งซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1.ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กๆเหล่านี้เรียกว่าอะตอมซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันเช่นมีมวลเท่าแต่จะมีสมบัติแตกต่างจาก อะตอมของธาตุอื่น
3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่งต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นและค้นพบว่ามีข้อมูลแบบประกันไม่สอดคล้องกับแนวคิดของดอลตัน เช่นคำว่าต่อมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้อะตอมสามารถแบ่งแยกได้อีกแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง
2) แบบจําลองอะตอมของทอมสัน
นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊สโดยทดลองเกี่ยวกับผลของการใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงต่อกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าของอะตอมแก๊สเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างภายในอะตอมโดยผ่านกระแสไฟฟ้าตรงเข้าไปในหลอดแก้วบรรจุแก๊สความดันต่ำซึ่งที่ภาวะนี้มีจำนวนอะตอมของแก๊สไม่หนาแน่นประจุไฟฟ้าสามารถเดินทางผ่านได้ไกลและพบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตลอด ขณะเดียวกันจะมีรังสีออกจากแคโทดไปยังแอโนดรังสีนี้เรียกว่ารังสีแคโทดเรียกหลอดแก้วชนิดนี้ว่าหลอดรังสีแคโทด นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลอง เพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดโดยให้เคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้าดังรูป
พบว่าแนวการเคลื่อนที่เบนไปจากเดิมโดยเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าเนื่องจากรังสีแคโทดเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าจึงสรุปได้ว่า รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าลบ จากข้อมูลการทดลองร่วมกับทฤษฎีทางแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้ทอมสันนำมาใช้คำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดได้ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของแก๊สและชนิดของโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วแคโทดปรากฏว่าอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดมีค่าโดยประมาณเท่ากันคือ 1.76 × 10^8 คูลอมบ์/กรัมจึงสรุปได้ว่าอนุภาครังสีแคโทดที่ออกมาจากโลหะต่างชนิดกันเป็นอนุภาคเดียวกันซึ่งต่อมาได้ด้วยอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน
การค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสันทำให้สรุปได้ว่าอะตอมทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบซึ่งลบล้างแนวคิดที่ว่าอะตอมแบ่งแยกไม่ได้และเนื่องจากสารต่างๆที่อยู่ในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้านักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่าอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งจากข้อมูลดังกล่าวทำให้ทอมสันเสนอแบบจำลองของอะตอมว่า อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วดังรูป
3) แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
เมื่อปีพ.ศ 2454 รัทเทอร์ฟอร์ดนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ และ ฮันส์ ไกเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมัน ได้ที่สุดแบบจำลองของอะตอมของทอมสันโดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบางๆ
ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายลักษณะภายในอะตอมว่าการที่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านแผ่นทองคำไปได้แสดงว่าภายในแผ่นทองคำต้องมีที่ว่างอยู่เป็นบริเวณกว้างการที่รังสีแอลฟาบางอนุภาคเบี่ยงเบนหรือสะท้อนกลับมาบริเวณด้านในของฉากเรืองแสงแสดงว่าภายในอะตอมน่าจะมีกลุ่มอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากมีมวลสูงมากกว่ารังสีแอลฟาและมีประจุบวกและทดสอบจึงได้เสนอแบบจำลองใหม่ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กอยู่ภายในและมีประจุไฟฟ้าโดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบดังรูป
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่ได้อธิบายว่าอิเล็กตรอนอยู่รอบนิวเคลียสในลักษณะใดนักวิทยาศาสตร์จึงได้ทำการทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอน เพื่อนำมาสร้างเป็นแบบจำลองที่มีความสมบูรณ์แบบยิ่งขึ้น
4) แบบจำลองอะตอมของโบร์
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกันและมีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างมีทั้งที่มองเห็นได้และมองเห็นไม่ได้มีชื่อเรียกต่างกันแสงที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้เรียกว่าแสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ซึ่งประกอบด้วยแสงสีต่างๆแต่ประสาทตาของมนุษย์ไม่สามารถแยกแสงที่มองเห็นเป็นสีต่างๆได้เองทำให้มองเห็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่าแสงขาวและเมื่อแสงขาว ส่องผ่านปริซึม แสงขาวจะแยกออกเป็นแสงสีรุ้งต่อเนื่องกันเรียกว่าแถบสเปกตรัมของแสงขาว
มักซ์ พลังค์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมันได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ข้อสรุปเกี่ยวกับความสำคัญระหว่างพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผันตามความถี่ของคลื่นและแปรผกผันกับความยาวของคลื่นดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้
E แปรผันตรงกับ v
หรือ E = hv
เนื่องจาก E = c/แลมดาร์
ดังนั้น E = hc/แลมดาร์ช
เมื่อ E คือพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
h คือค่าคงตัวของพลังค์ มีค่า 6.626 × 10^-34 จูลต่อวินาที
v คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์
c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เท่ากับ 3 × 10^8 เมตรต่อวินาที
และ แลมดาร์ คือ ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร
ความสัมพันธ์ดังกล่าว เมื่อนำมาคำนวณพลังงานของแถบสีต่างๆในสเปกตรัมของแสงขาวซึ่งมีความยาวคลื่นต่างๆจะได้ดังนี้
จากการทดลองการใช้เกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ สังเกตสิ่งที่ปรากฏแล้ว พบว่าสเปกตรัมจากแสงอาทิตย์มีสีต่อเนื่องกันเป็น แถบสเปกตรัม เส้นสเปกตรัมที่มองเห็นจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ นอกจากจะมองเห็นเป็นแถบสเปกตรัมของสีชนิดต่างๆแล้วพื้นยังมีเส้นสีต่างๆปรากฏในแถบสเปกตรัมอีกด้วยและจากการสังเกตสเปกตรัมของไฮโดรเจนฮีเลียม นีออน และปรอท เพราะว่าถ้าแต่ละชนิดให้สเปกตรัมที่มีแสงสีต่างกันและมีจำนวน เส้นสีเฉพาะตัวเส้นสีนี้เรียกว่า เส้นสเปกตรัม
ธาตุต่างๆ เมื่อได้รับพลังงานจะเปล่งแสงเป็นสีต่างๆหลายสีเมื่อสีเหล่านั้นรวมกันแล้วจะสังเกตเห็นเป็นสีเดียวกันซึ่งทางเราไม่สามารถบอกความแตกต่างได้แต่เมื่อใช้แผ่นเกรตติงส่องดูจะเห็นเส้นสเปกตรัมของแต่ละธาตุที่มีลักษณะเฉพาะเช่นจำนวนสี จำนวนเส้น หรือตำแหน่งที่เกิดต่างกันไปการเกิดเส้นสเปกตรัมของธาตุอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบบริเวณนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวที่ต่ำหรือกล่าวได้ว่าอะตอมอยู่ใน สถานะพื้น เมื่ออะตอมได้รับ พลังงานเพิ่มขึ้นทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นหรือ อะตอมอยู่ใน สถานะกระตุ้น ที่สถานะอะตอมจะไม่เสถียรเนื่องจากมีพลังงานสูงอิเล็กตรอนจึงคายพลังงานออกมาส่วนหนึ่งทำให้อะตอมมีพลังงานลดลงและกลับเข้าสู่สภาพที่มีพลังงานต่ำลงเพื่อให้อะตอมมีความเสถียรมากขึ้นพลังงานส่วนใหญ่ที่ขายออกมาจะปรากฏในรูปพลังงานแสงและสามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์ตามสมการของพลังค์ ซึ่งได้กล่าวไว้แล้วในข้างต้นถ้าแสงสีเหล่านี้แยกออกจากกันอย่างชัดเจนจะปรากฏเป็นเส้นสเปกตรัมแต่ถ้าแสงสีที่ปรากฏออกมามีลักษณะต่อเนื่องกันเป็นเส้นเดียวอย่างกับรุ้งหรือจากไส้หลอดไฟฟ้า ซึ่งเป็นโลหะร้อนและมีอะตอมอยู่กันอย่างหนาแน่นจะให้สเปกตรัมเป็นแถบสเปกตรัมซึ่งยากแก่การวิเคราะห์และแปลผลต่อภาวะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างๆเรียกว่า ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การเปลี่ยนแปลงพลังงาน ของอิเล็กตรอนระหว่างสถานะการ์ตูนและสถานะพื้นสามารถ อุปมานได้กับการกลิ้งลงบันไดของลูกบอลจากรูปจะเห็นว่าพลังงานศักย์หน้าบันไดแต่ละท่านมีค่าไม่เท่ากันโดยลูกบอลที่อยู่บันไดขั้นต่ำจะมีพลังงานศักย์ต่ำกว่าบันไดขั้นสูงและผลต่างของพลังงานระหว่างบันได 2 ขั้นมีค่าเฉพาะตัวที่แน่นอนโดยบันไดที่อยู่ห่างกันมากๆจะมีผลต่างของพลังงานมากกว่าบันไดที่อยู่ติดกัน
จากการศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนทำให้สรุปได้ว่า
1.เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิมแต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ได้รับการที่เล็กตามขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานใหม่ทำให้ อะตอมไม่เสถียรอิเล็กตรอนจะกลับมาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าซึ่งการเปลี่ยนตำแหน่งของแต่ละระดับพลังงานนี้อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่เฉพาะค่าหนึ่งหรือกล่าวได้ว่าการดูดหรือคายพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมต้องมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของคลังโดยมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นคุณด้วยค่าคงที่ของพลังค์ดังกล่าวมาแล้ว
2.การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไประดับพลังงานที่อยู่ติดกันอาจมีการเปลี่ยนข้ามระดับพลังงานได้และจะอยู่ระหว่างระดับพลังงานไม่ได้
3.ผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานต่ำจะมีค่ามากกว่าผลต่างของระดับพลังงานที่สูงขึ้นไป สร้างความรู้เรื่องการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการเกิดสเปกตรัมช่วยให้โบร์นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมดังกล่าวโดยกล่าวว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงกลมคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัวระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดมีระดับพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่าระดับเขตและระดับพลังงานที่อยู่ถัดออกมาเรียกเป็น L M N ... ตามลำดับ
ต่อมาได้มีการใช้ตัวเลขแสดงถึงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนคือ n = 1 หมายถึงระดับพลังงานที่ 1 ซึ่งอยู่ใกล้กับบริเวณนิวเคลียสและฉันผ่านมา n = 2 หมายถึงระดับพลังงานที่ 2 ต่อจากนั้น N = 3 4 ... หมายถึงระดับพลังงานที่ 3 4 และสูงขึ้นไปตามลำดับ
5) แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
แบบจำลองอะตอมของโบร์มีข้อจำกัดคือไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีลายเล็กตรอนได้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมจนได้รับข้อมูลเพียงพอที่เชื่อถือว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทางอนุภาพและคลื่นโดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสบริเวณที่พบอิเล็กตรอนมีหลายลักษณะเป็นรูปทรงต่างๆกันตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากการประยุกต์ใช้สมการทางคณิตศาสตร์และใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณเพื่อหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆพบว่าสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองของโบร์ และสามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอมจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้นทำให้สามารถมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบริเวณที่กลุ่มออกหรือแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มออกจากเรื่องแบบจำลองนี้ว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกดังรูป
อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป
จากการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม โดยมีข้อมูลต่างๆ จากการทดลองมาสนับสนุน สรุปได้ว่า อะตอมของธาตุต่างๆ จะประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอน (ยกเว้นอะตอมของธาตุไฮโดรเจน ที่ไม่มีนิวตรอน) ซึ่งมีจำนวนแตกต่างกันไป เลขที่แสดงจ้านวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม เรียกว่าเลขอะตอม (atomic number, Z) เลขอะตอมจะเป็นค่าเฉพาะของธาตุ ธาตุชนิดเดียวกันจะมีเลขอะตอมเท่ากันเสมอ ซึ่งที่สภาวะปกติจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน ส่วนเลขที่แสดงจำนวนผลบวกของโปรตอนและจำนวนนิวตรอน เราเรียกว่า เลขมวล (mass number, A) ซึ่งในนิวเคลียสของอะตอม เลขมวลจะมีค่าใกล้เคียงกับเลขของอะตอม โดยผลต่างของเลขมวลกับเลขของอะตอมจะเท่ากับจำนวนนิวตรอนโดยสามารถเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ได้ คือ
เลขอะตอม คือ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของแต่ละอะตอมของธาตุ ในอะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจ้านวนอิเล็กตรอน ดังนั้นเลขเชิงอะตอมจึงบอกจำนวนของอิเล็กตรอนของธาตุได้ด้วย เนื่องจากอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีค่าเลขเชิงอะตอมเท่ากันเสมอ เลขเชิงอะตอมจึงป็นเอกลักษณ์ของธาตุชนิดเดียวกัน
เลขมวล คือ ผลรวมของนิวตรอนและโปรตอนที่มีในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ นิวเคลียสในอะตอมอื่นๆ
ทั้งหมดจะมีทั้งโปรตอนและนิวตรอนอยู่ โดยทั่วไปแล้วเลขมวลหาได้ดังนี้
เลขมวล = จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน
= เลขอะตอม + จำนวนนิวตรอนจำนวนนิวตรอนในอะตอม = เลขมวล – เลขอะตอม
ไอโซโทป (isotope)
หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีเลขอะตอม (Z) เท่ากัน แต่เลขมวล (A) ไม่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น อะตอมของไฮโดรเจนมีเลขมวลสามชนิดโดยแตกต่างกันที่จำนวนนิวตรอน ได้แก่
ไฮโดรเจน (Hydrogen) มี 1 โปรตอนและไม่มีนิวตรอน มีสัญลักษณ์ 11H
ดิวทีเรียม (Deuterium) มี 1 โปรตอนและมี 1 นิวตรอน มีสัญลักษณ์ 21H
ทริเทียม (Tritium) มี 1 โปรตอนและมี 2 นิวตรอน มีสัญลักษณ์ 31H
สมบัติทางเคมีของธาตุถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอม นิวตรอนไม่มีส่วนเกี่ยวข้องในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีตามปกติ ดังนั้นไอโซโทปของธาตุเดียวกันจึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันเกิดสารประกอบประเภทเดียวกันและมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีทำนอง
ไอโซโทน (isotone)
หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่จำนวนโปรตอน เลขอะตอมและเลขมวลไม่เท่ากัน เช่น 3919K 4020Ca มีนิวตรอนเท่ากัน คือ 20
ไอโซบาร์ (isobar)
หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากันแต่เลขอะตอมต่างกัน เช่น 146C 147N
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
_อิเล็กตรอนในอะตอมที่อยู่ ณ ระดับพลังงาน (energy levels หรือ shell) จะมีพลังงานจำนวนหนึ่ง ส้าหรับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะมีพลังงานน้อยกว่าพวกที่อยู่ไกลออกไป ยิ่งอยู่ไกลมากยิ่งมีพลังงานมากขึ้น โดยกำหนดระดับพลังงานหลักให้เป็น n ซึ่ง n เป็นจ้านวนเต็มคือ 1, 2, … หรือตัวอักษรเรียงกันดังนี้ คือ K, L, M, N, O, P, Q ตามล้าดับ เมื่อ n = 1 จะเป็นระดับพลังงานต่ำสุด หมายความว่า จะต้องใช้พลังงานมากที่สุดที่จะดึงเอาอิเล็กตรอนนั้นออกจากอะตอมได้ จำนวนอิเล็กตรอนที่จะมีได้ในแต่ละระดับพลังงานหลักต้องเท่ากับหรือไม่เกิน 2n2 และจำนวนอิเล็กตรอนในระดับนอกสุดจะต้องไม่เกิน 8 เช่น
ระดับพลังงานที่หนึ่ง n = 1 (shell K) ปริมาณอิเล็กตรอนที่ควรมีอยู่ = 2(1)2 = 2
ระดับพลังงานที่สอง (n = 2) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(2)2 = 8
ระดับพลังงานที่สาม (n = 3) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(3)2 = 18
ระดับพลังงานที่สี่ (n = 4) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(4)2 = 32
ระดับพลังงานที่ห้า (n = 5) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(5)2 = 50
ระดับพลังงานที่หก (n = 6) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(6)2 = 72
ระดับพลังงานที่เจ็ด (n = 7) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(7)2 = 98
จากการศึกษาสเปกตรัมของธาตุต่างๆ พบว่าในระดับพลังงานหลัก (n) ยังประกอบด้วยระดับพลังงานย่อยหรือเรียกว่า ซับเซลล์ (sub-levels หรือ sub-shells) โดยก้าหนดเป็นสัญลักษณ์คือ s p d และ f ซึ่งในแต่ละระดับพลังงานย่อยจะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เท่ากันและมีพลังงานไม่เท่ากัน กล่าวคือ ระดับพลังงานย่อย s มีพลังงานต่ำกว่า p ต่ำกว่า d ต่ำกว่า f ตามล้าดับ ในระดับพลังงานย่อยยังประกอบด้วยออร์บิทัล (orbital) ซึ่งในแต่ละออร์บิทัลมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 2 อิเล็กตรอน ดังนี้
ระดับพลังงานย่อย s มีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 2 อิเล็กตรอน มี 1 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย p มีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 6 อิเล็กตรอน มี 3 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย d มีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 10 อิเล็กตรอน มี 5 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย f มีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 14 อิเล็กตรอน มี 7 ออร์บิทัล
ภายในระดับพลังงานหลักอันเดียวกันจะประกอบด้วยพลังงานย่อยเรียงล้าดับจากพลังงานต่้าไปสูง คือ จาก s ไป p d และ f เช่น 3p สูงกว่า 3s ซึ่งเมื่อนำมาเรียงลำดับกันแล้ว พบว่ามีเฉพาะ 2 ระดับพลังงานแรกคือ n = 1 และ n = 2 เท่านั้น ที่มีพลังงานเรียงลำดับกัน แต่พอขึ้นระดับพลังงาน n = 3 เริ่มมีการซ้อนเกยกันของระดับพลังงานย่อย
จากการศึกษาพบว่ากรณีของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนนั้นระดับพลังงานของ 3d จะใกล้กับ 4s มาก และพบว่า ถ้าบรรจุอิเล็กตรอนใน 4s ก่อน 3d พลังงานรวมของอะตอมจะต่ำ และอะตอมจะเสถียรกว่า ดังนั้นในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลแบบที่เสถียรที่สุด คือการจัดตามระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดก่อนทั้งในระดับพลังงานหลักและย่อย ซึ่งวิธีการจัดอิเล็กตรอนสามารถพิจารณาตามลูกศรในรูปที่ 1.8 โดยเรียงลำดับได้เป็น 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7pในการจัดอิเล็กตรอนอาจเขียนเป็นแผนภาพออร์บิทัลซึ่งแสดงสปินของอิเล็กตรอนด้วย ดังตัวอย่าง C มี z = 6 มีโครงแบบอิเล็กตรอนเป็น 1s2 2s2 2p2 ซึ่งการจัดแสดงสปินของอิเล็กตรอน
ในการบรรจุอิเล็กตรอนหรือการจัดเรียงอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลจะต้องยึดหลักในการบรรจุอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งๆ ลงในออร์บิทัลที่เหมาะสมตามหลักดังต่อไปนี้
1) หลักของเพาลี (Pauli exclusion principle) กล่าวว่า “ไม่มีอิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใดในอะตอมที่มีเลขควอนตัมทั้งสี่เหมือนกันทุกประการ” นั่นคืออิเล็กตรอนคู่หนึ่งในออร์บิทัลจะมีค่า n, ℓ, mℓ เหมือนกันได้ แต่ต่างกันที่สปิน
2) หลักของเอาฟ์บาว (Aufbau principle) มีวิธีการดังนี้
2.1) สัญลักษณ์วงกลม O, หรือ _ แทน ออร์บิทัล
ลูกศร ↑↓ แทน อิเล็กตรอน 1 ตัว ที่สปิน ขึ้น-ลง
↑↓ เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ (paired electron)
↑ เรียกว่าอิเล็กตรอนเดี่ยว (single electron)
2.2) บรรจุอิเล็กตรอนเข้าไปในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานต่ำจนครบจำนวนก่อน ดังรูปที่ 1.1
3) กฎของฮุนด์ (Hund’s rule) กล่าวว่า “การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน (degenerate orbital) จะบรรจุในลักษณะที่ท้าให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้” ออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานมากกว่า 1 เช่น ออรฺบิทัล p และ d เป็นต้น
4) การบรรจุเต็ม (filled configuration) เป็นการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน แบบเต็ม ครบ 2 ตัว ส่วนการบรรจุครึ่ง (half- filled configuration) เป็นการบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลแบบครึ่งหรือเพียง 1 ตัว เท่านั้น ซึ่งการบรรจุทั้งสองแบบ (ของเวเลนซ์อิเล็กตรอน) จะทำให้มีความเสถียรมากกว่าตัวอย่างการบรรจุเต็ม
ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก
วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุ
เมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆเหล่านี้แล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่างๆของธาตุและนำมาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มได้หลายแบบ ในปี พ.ศ. 2360 โยฮันน์ โวล์ฟกัง เดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่มๆละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่า ชุดสาม (triads) โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกัน พบว่าค่ามวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือ หลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา
ในปีพ.ศ. 2407 จอห์น นิวแลนด์ (John Newlands) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอกฎในการจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ว่า ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมาก พบว่าธาตุที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและแก๊สมีสกุล) เช่น เริ่มต้นเรียงโดยใช้ธาตุ Li เป็นธาตุที่ 1 ธาตุที่ 8 จะเป็น Na ซึ่งมีสมบัติคล้ายธาตุ Li ดังตัวอย่างการจัดต่อไปนี้
การจัดเรียงธาตุตามแนวคิดของนิวแลนด์ใช้ได้ถึงธาตุแคลเซียมเท่านั้นกฎนี้ไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอมจึงเกี่ยวข้องกับสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุทำให้ไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา
ในปีพ.ศ. 2412 ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและดิมิทรี เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่างๆมากขึ้นทำให้มีข้อสังเกตว่าถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงๆการที่ธาตุต่างๆมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเช่นนี้เมนเดเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎพิริออดิก (periodic law) และได้เสนอความคิดนี้ในปี พ.ศ. 2412 ก่อนที่ไมเออร์จะเผยแพร่ผลงานของเขาหนึ่งปีเพื่อเป็นการให้เกียรติแก่เมนเด เลเอฟ จึงเรียกตารางนี้ว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ ในปีต่อมาเมนเดเลเอฟได้ปรับปรุงตารางธาตุใหม่
อย่างไรก็ตามเมนเดเลเอฟไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดจึงต้องจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอม เนื่องจากสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาโครงสร้างของอะตอมและไอโซโทปได้ไม่ชัดเจน
นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาเกิดแนวความคิดว่าตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่น่าจะขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของธาตุแต่น่าจะขึ้นอยู่กับสมบัติอื่นที่มีความสัมพันธ์กับมวลอะตอม
ในปีพ.ศ. 2456 เฮนรี โมสลีย์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอให้จัดธาตุเรียงตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่างๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ตารางธาตุในปัจจุบันจึงได้จัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปมากซึ่งสอดคล้อง กับกฎพิริออดิกที่ได้กล่าวมาแล้วตารางธาตุที่นิยมใช้ในปัจจุบันได้ปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟแต่เรียงธาตุตามลำดับเลขอะตอมแทนการเรียงตามมวลอะตอม
ตารางธาตุแบ่งธาตุในแนวตั้งเป็น 18 แถว โดยเรียกแถวในแนวตั้งว่า หมู่ และแบ่งธาตุในแนวนอนเป็น 7 แถว เรียกแถวในแนวนอนว่า คาบ ซึ่งแต่ละคาบจัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้นตามลำดับ
กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ
การที่นักวิทยาศาสตร์จัดธาตุในตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆ ถ้าแบ่งกลุ่มธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม คือ ธาตุโลหะ เป็นธาตุที่นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดี ธาตุกึ่งโลหะ เป็นธาตุนำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมิห้องแต่นำไฟฟ้าได้ดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และ ธาตุอโลหะ ซึ่งไม่นำไฟฟ้า ยกเว้นคาร์บอน (แกรไฟต์) และฟอสฟอรัสดำ ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุพบว่า ธาตุโลหะอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ
ธาตุกึ่งโลหะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันได และธาตุอโลหะอยู่ขวามือของตารางธาตุ ยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ
ถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล s p d และ f ที่มีพลังงานสูงสุดและมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ จะแบ่งธาตุออกเป็น 4 กลุ่มใหญ่คือ ธาตุกลุ่ม s ได้แก่ธาตุในหมู่ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ธาตุในหมู่ 13ถึง 18 ยกเว้น He ธาตุกลุ่ม d ได้แก่ ธาตุในหมู่ 3 ถึง 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่ กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่แยกมาจากหมู่ 3 คาบที่ 6 และ 7 ดังรูป
ธาตุกลุ่ม s และกลุ่ม p เรียกรวมกันว่า ธาตุกลุ่ม A ซึ่งเป็นธาตุเรพรีเซนเททีฟ (representtative element) หรืออาจเรียกว่ากลุ่มธาตุหมู่หลัก (main group element) เมื่อพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุกลุ่ม A พบว่าธาตุในแนวตั้งที่อยู่ในกลุ่ม A จะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากันและจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะตรงกับเลขหมู่ สำหรับธาตุตามแนวนอนที่อยู่ในคาบเดียวกัน พบว่ามีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน และจำนวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่คาบ
ธาตุบางหมู่มีการกำหนดชื่อที่เป็นสากล เช่น
-ธาตุหมู่ IA เรียกว่า โลหะแอลคาไล (alkali metal) ได้แก่ Li , Na , K , Rb , Cs , Fr
-ธาตุหมู่ IIA เรียกว่า โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท (alkaline earth) ได้แก่ Be Mg Ca Sr Ba Ra
-ธาตุหมู่ VIIA เรียกว่า ธาตุแฮโลเจน (halogen) ได้แก่ F Cl Br I At
-ธาตุหมู่ที่ VIIIA เรียกว่า แก๊สมีสกุล (Inert gas) ได้แก่ He Ne Ar Kr Xe Rn
ธาตุกลุ่ม d และ f เรียกรวมกันว่าธาตุกลุ่ม B หรือกลุ่มธาตุทรานซิชัน (transition element) ซึ่งแบ่งเป็น ธาตุทรานซิชันชั้นนอก (outer transition) ได้แก่ธาตุกลุ่ม d และธาตุทรานซิชันชั้นใน (inner transition) ได้แก่ธาตุกลุ่ม f โดยธาตุกลุ่ม f ยังแบ่งได้เป็น 2กลุ่มย่อย
ประกอบด้วยแลนทานอยด์ และ แอกทินอยด์
ขนาดอะตอม
ตามแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยวแต่จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกัน จึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอมที่อยู่ในภาวะอิสระหรือเป็นอะตอมเดี่ยว ในทางปฏิบัติจึงบอกขนาดอะตอมด้วย รัศมีอะตอม ซึ่งกำหนดให้มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกัน การศึกษารัศมีอะตอมของธาตุทำให้ทราบขนาดอะตอมของธาตุและสามารถเปรียบเทียบขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันหรือหมู่เดียวกันได้ ตัวอย่างรัศมีอะตอมของธาตุ ดังตาราง
พิจารณาขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันพบว่า ขนาดอะตอมมีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น อธิบายได้ว่า เนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานเดียวกัน แต่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสแตกต่างกัน ธาตุที่มีจำนวนโปรตอนมากจะดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยแรงที่มากกว่าธาตุที่มีจำนวนโปรตอนน้อย เวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากกว่าทำให้อะตอมมีขนาดเล็กลง ส่วนธาตุในหมู่เดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำนวนระดับพลังงานที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นด้วย อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในจึงเป็นคล้ายฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอน ทำให้แรงดึงดูดต่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีน้อย เป็นผลให้ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม
ขนาดไอออน
อะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน เมื่อรับอิเล็กตรอนเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอนออกไปจะกลายเป็นไอออน การบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม กล่าวคือจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสขนาไอออนคู่หนึ่งๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก ตัวอย่าง
เมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับอโลหะ อะตอมของโลหะจะเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวก จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลง ทำให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วย หรือกล่าวอีกนัยก็คือแรงดึงดูดระหว่างประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนจะเพิ่มมากขึ้น ไอออนบวกจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออนลบ เนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอน ขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิม ไอออนลบจึงมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ตัวอย่างขนาดอะตอมและขนาดไอออนของธาตุ
เมื่อพิจารณาแนวโน้มของรัศมีอะตอมและรัศมีไอออนตามหมู่ ส่วนใหญ่มีแนวโน้มมีขนาดเพิ่มขึ้นจากบนลงล่างเช่นเดียวกับขนาดอะตอม รัศมีไอออนบวกจะมีค่าน้อยกว่ารัศมีอะตอม แต่รัศมีไอออนลบจะมีค่ามากกว่ารัศมีอะตอม
พลังงานไอออไนเซชัน
พลังงานไอออไนเซชัน (IE) คือค่าพลังงาน ที่ใช้ในการดึงให้อิเล็กตรอนวงนอกสุด (เวเลนซ์อิเล็กตรอน)หลุดออกจากอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ในสถานะก๊าซปริมาณพลังงานที่น้อยที่สุดที่สามารถทำให้อะตอมหรือโมเลกุลปลดปล่อยอิเล็กตรอน ค่าพลังงานไอออไนเซชันจะบ่งบอกว่าอะตอมหรือไอออนนั้นสามารถเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายหรือยาก หรือในอีกมุมหนึ่งเป็นการบ่งบอกระดับพลังงานของอิเล็กตรอนวงนอกสุดของอะตอมหรือไอออนนั้นว่ามีความเสถียรมากเพียงใด โดยทั่วไปค่าพลังงานไอออไนเซชันจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อพยายามที่จะทำให้อิเล็กตรอนตัวต่อไปถูกปลดปล่อยออกมา เนื่องจากการผลักกันของประจุอิเล็กตรอนมีค่าลดลงและการกำบังของอิเล็กตรอนชั้นวงในมีค่าลดลง ซึ่งทำให้แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนมีค่ามาขึ้น อย่างไรก็ตามค่าที่เพิ่มขึ้นอาจไม่เพิ่มเท่าที่ควรจะเป็นในกรณีที่เมื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนตัวนั้นแล้วส่งผลให้เกิดการบรรจุเต็มหรือการบรรจุครึ่งในระดับชั้นพลังงาน เนื่องจากทั้งสองกรณีมีเสถียรภาพเป็นพิเศษ
กระบวนการสูญเสียอิเล็กตรอนนี้เกิดได้หลายครั้งสำหรับอะตอมหรือโมเลกุลที่มีหลายอิเล็กตรอน จึงเรียกเป็น IE1 IE2 IE3 ... ตามลำดับซึ่งก็คือค่าพลังงานในการดึงอิเล็กตรอนตัวที่ 1 2 3 ... นั่นเอง โดยอิเล็กตรอนตัวแรกย่อมจะหลุดออกไปง่ายกว่าอิเล็กตรอนลำดับถัดๆไปเสมอ พลังงานที่ต้องใช้จึงเพิ่มขึ้น
การศึกษาแนวโน้มของค่าพลังงานไอออนไนเซชันของอะตอมหรือโมเลกุลนั้น สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจโครงสร้างของอิเล็กตรอนภายในอะตอมและโมเลกุลได้ดีขึ้น หากค่าพลังงานไอออไนเซชันเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงอาจกล่าวได้ว่าอิเล็กตรอนเหล่านั้นมาจากชั้นอิเล็กตรอนเดียวกัน แต่ถ้าพบว่าค่าพลังงานไอออไนเซชันกระโดดไปก็หมายความว่าอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นอยู่ในชั้นที่ลึกเข้าไปอีก นอกจากนี้พลังงานไอออไนเซชันยังเป็นแนวโน้มตามตารางธาตุอย่างหนึ่งที่มีลักษณะชัดเจนและสามารถอธิบายได้โดยโครงสร้างการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอม
สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน
สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (electron affinity : EA) หมายถึงพลังงานที่อะตอมในสถานะแก๊สคายออกเมื่ออะตอมได้รับอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน ซึ่งเขียนสมการแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ดังนี้
A(g) + e– A–(g) + DE
EA มีค่าเป็นลบ (–) เนื่องจากมีการคายพลังงานออกมา แสดงว่าอะตอมนั้นมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนเข้ามาได้ดี ความสามารถในการรับอิเล็กตรอนของแต่ละธาตุมีความแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง
F(g) + e– F– (g) EA = –333 kJ/mol
O(g) + e– O– (g) EA = –142 kJ/mol
P(g) + e– P– (g) EA = –74 kJ/mol
จากตัวอย่างแสดงว่า F มีแนวโน้มรับอิเล็กตรอนได้สูงกว่า O และ P ตามลำดับ เมื่ออะตอมของธาตุรับ 1 อิเล็กตรอนแล้ว การรับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอีก 1 อิเล็กตรอนจะรับได้ยากขึ้น ดังนั้นค่า EA จึงมีค่าสูงขึ้นจนเป็นบวกได้ เช่น
O–(g) + e– O2–(g) EA = 780 kJ/mol
โลหะมีแนวโน้มที่จะเสียอิเล็กตรอน โดยทั่วไปค่า EA ของโลหะจึงมีค่าเป็นลบน้อย ๆ ถึงค่าบวกน้อย ๆ ดังตาราง
เมื่อพิจารณาตามคาบพบว่า ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของธาตุอโลหะ (ยกเว้นหมู่ VIIA) มีค่ามากกว่าธาตุโลหะ แสดงว่าธาตุอโลหะมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุโลหะ เมื่อพิจารณาโดยภาพรวมทั้งหมดจะพบว่าธาตุหมู่ VIIA มีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูงที่สุดแสดงว่ามีแนวโน้มในการรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุหมู่อื่น ที่เป็นเช่นนี้อาจอธิบายได้ว่าการรับ 1 อิเล็กตรอนของธาตุในหมู่นี้จะทำให้อะตอมมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนธาตุหมู่ VIIA หรือแก๊สมีสกุลซึ่งมีความเสถียรมาก
อิเล็กโทรเนกาวิตี
อิเล็กโทรเนกาติวิตี (electronegativity : EN) หมายถึงค่าที่แสดงความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนของอะตอมคู่ที่เกิดพันธะที่จะรวมกันเป็นโมเลกุล ธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงจะมีความสามารถในการดึงดูดหรือรับอิเล็กตรอนได้ดี ได้แก่พวกอโลหะ ส่วนธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำจะดึงดูดหรือรับอิเล็กตรอนได้ไม่ดี ได้แก่พวกโลหะ เช่น โมเลกุลของ HCl เนื่องจาก Cl ดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่า H ดังนั้น Cl จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า H แนวโน้มค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในตารางธาตุเป็นดังนี้
เมื่อพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในคาบเดียวกันพบว่า มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม เนื่องจากในคาบเดียวกันอะตอมของธาตุหมู่ IA มีขนาดใหญ่ที่สุด และหมู่ VIIA มีขนาดเล็กที่สุด ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนตามคาบจึงเพิ่มขึ้นจากหมู่ IA ไปหมู่ VIIA ดังนั้นในคาบเดียวกันธาตุหมู่ IA จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำที่สุด ส่วนธาตุหมู่ VIIA มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ธาตุในหมู่เดียวกันมีแนวโน้มของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากขนาดของอะตอมที่เพิ่มขึ้นเป็นผลให้นิวเคลียสดึงดูดอิเล็กตรอนลดลง
ธาตุแทรนซิชัน
ธาตุแทรนซิชัน (transition element) หมายถึง ธาตุหมู่ B ที่อยู่ระหว่างหมู่ธาตุ IIA และ IIIA โดยธาตุแทรนซิชันมี อิเล็กตรอนบรรจุใน d หรือ f-ออร์บิทัลไม่เต็ม ได้แก่ ธาตุ d และกลุ่ม f ในตารางธาตุ ธาตุแทรนซิชันมีการแบ่งเป็นหมู่ได้ 8 หมู่เช่น เดียวกันธาตุ A เริ่มจากหมู่ IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB และ IIB ธาตุหมู่ IIB (Zn, Cd, Hg) มีอิเล็กตรอนบรรจุเต็มใน d- ออร์บิทัล
1. ธาตุแทรนซิชันหลัก (main transition) คือ ธาตุแทรนซิชันที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนใน d-ออร์บิทัล
2. ธาตุแทรนซิชันชั้นใน (inner transition) คือ ธาตุแทรนซิชันที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนที่ f-ออร์บิทัล
สมบัติของธาตุแทรนซิชัน
1. มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ยกเว้นธาตุ Cr และ Cu มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 โดยการบรรจุอิเล็กตรอนในสอง ระดับ พลังงานสุดท้ายควรเป็น 4s23d4 และ 4s23d9 ตามลำดับ แต่ปรากฏว่าเป็น 4s13d5 และ 4s13d10 เพราะการบรรจุอิเล็กตรอน แบบหลังจะทำให้อิเล็กตรอนใน s-ออร์บิทัลเป็นแบบการบรรจุครึ่ง ส่วนใน d-ออร์บิทัลของ Cr เป็นการบรรจุครึ่ง และใน d-ออร์ บิทัลของ Cu เป็นแบบการบรรจุเต็ม ซึ่งจะทำให้อะตอมมีความเสถียรมากกว่า
2. อิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลัก (n) ถัดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าไป จะมีจำนวนไม่เท่ากัน
3. มีสมบัติเป็นโลหะ เป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดี โดย Ag เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีที่สุด ส่วน Fe, Co, Ni แสดงสมบัติเป็นแม่เหล็กได้ เมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็กเป็นเวลานาน
สารประกอบของธาตุแทรนซิชัน
ธาตุแทรนซิชันทำปฏิกิริยาโดยตรงกับอโลหะ แต่ปฏิกิริยาไม่รุนแรงเหมือนธาตุหมู่ IA และ IIA และสารประกอบที่เกิด ขึ้นมีลักษณะของสารประกอบโคเวเลนต์แฝงอยู่มาก
สารประกอบของธาตุแทรนซิชันมีสีต่างกัน ขึ้นอยู่กับ
1. เลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชัน
2. ชนิดของไอออนลบหรือโมเลกุลที่มาสร้างพันธะล้อมรอบอะตอมของธาตุแทรนซิชัน
การที่สารประกอบของธาตุแทรนซิชันมีสีต่างๆกัน เนื่องจากอิเล็กตรอนใน 3d-ออร์บิทัลซึ่งอยู่ในระดับพื้นฐาน (ground state) ได้รับพลังงาน จึงทำให้เปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานที่สูงกว่า (excited state) และจะมีสีต่างๆ ตามความถี่ ของแสงที่ดูดกลืนเข้าไป
ธาตุกัมมันตรังรังสี
ในปี พ.ศ.2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอเรล (Antoine Henri Becquerel)นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสพบว่า เมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบยูเรเนียม แผ่นฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆก็ได้ผลเช่นเดียวกัน จึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม ต่อมาปีแอร์ กูรี และมารี กูรี (Pierre Curie และ Marie Curie) ได้ค้นพบว่า ธาตุพอโลเนียม เรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า กัมมันตรังสี ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร และไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้อย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือ สารกัมมันตรังสี เช่น carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี จะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ
การเกิดกัมมันตภาพรังสี
กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีเพราะนิวเคลียสมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสี จากการศึกษานักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา (alpha ray) รังสีเบตา (beta ray) หรือแกมมา (gamma ray) ดังรูป
การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี
จากการศึกษาไอโซโทป ของธาตุจำนวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่า ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างจากจำนวนโปรตอนมากเกินไปและจะไม่เสถียรจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสโดยการแผ่รังสีออกมาแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่าการแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมาก นิวตรอนในนิวเคลียสจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสในรูปของรังสีบีตาและนิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 โดยมวลยังคงเดิม
การแผ่รังสีแกมมา เกี่ยวกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมากหรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตา แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา
การแผ่รังสีแอลฟา ส่วนใหญ่เกิดจากนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมา จะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2 และเลขมวลลดลง รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสี เช่น รังสีแอลฟา บีตา แกมมา มีสมบัติ ดังตาราง
อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสี
กิจวัตรต่างๆในชีวิตประจำวันทั้งการรับประทานอาหารดื่มน้ำหายใจด้วยมีโอกาสที่มนุษย์จะได้รับรังสีจากไอโซโทปกัมมันตรังสีเข้าสู่ร่างกายนอกจากนี้ยังได้รับรังสีคอสมิกซึ่งเป็นรังสีที่ส่วนใหญ่มาจากอวกาศและสิ่งต่างๆเหล่านี้มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาตินอกจากนี้บางคนยังได้รับรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้นมาเช่นรังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แม้มนุษย์จะได้รับรังสีจากกิจวัตรประจำวันแต่การได้รับรังสีจากธรรมชาติหรือจากที่มนุษย์สร้างขึ้นในปริมาณเพียงเล็กน้อยโดยน้อยกว่า 100 มิลลิซีเวิร์ต เซลล์เนื้อเยื่อ สามารถฟื้นตัวได้แต่การได้รับรังสีมากกว่า 100 มิลลิซีเวิร์ต ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพได้ เช่นการคลื่นไส้ การอาเจียนอา การปวดหัว การเป็นมะเร็ง สำหรับหน่วยงานที่ทำงานเกี่ยวกับรังสีจะต้องแสดงสัญลักษณ์รังสีลงบนฉลาก ของพันชนะหรือเครื่องมือ รวมทั้งบริเวณใกล้เคียงเพื่อให้ผู้พบเห็นได้ระมัดระวัง สัญลักษณ์รังสีใช้เป็นมาตรฐานจะได้รูปใบพัด 3 แฉกมีสีม่วงอ่อนม่วงเข้มหรือสีดำบนพื้นสีเหลืองดังรูป
ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีไอโซโทป
ไอโซโทปกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลา ไอโซโทปกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน อัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะบอกเป็น ครึ่งชีวิต (half life) ใช้สัญลักษณ์ t 1/2 โดยหมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ เช่น Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24 ปริมาณ 10 กรัม นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลืออยู่ 5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั่นคือเวลาผ่านไปทุกๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม เขียนแสดงได้ดังรูป
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กแล้วได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาลซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้
ในปีพศ. 2482 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียส U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า กระบวนการที่นิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุบางชนิดแตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วเรียกว่า ฟิชชัน ไอโซโทปของธาตุอื่นที่สามารถเกิดฟิชชันได้ เช่น U-238 การเกิดฟิชชัน แต่ละครั้งจะคายพลังงานออกมาเป็นจำนวนมากและได้ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลายชนิดซึ่งถือว่าได้เป็นวิธีผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญนอกจากนี้ฟิสชั่นยังได้นิวตรอนเกิดขึ้นอีกด้วย ถ้านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ชนกับนิวเคลียสอื่นจะเกิดเป็นฟิชชันต่อเนื่องไปเรื่อยๆเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่
ฟิชชันที่เกิดภายในภาวะที่เหมาะสม จะได้จำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้ฟิชชัน ดำเนินไปอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมาเป็นจำนวนมหาศาลถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดรุนแรงหลักการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้นำมาใช้ในการทำระเบิดปรมาณูการควบคุมฟิชชันทำได้หลายวิธี เช่นควบคุมมวลของสารตั้งต้นให้น้อยลงเพื่อให้จำนวนนิวตรอนที่เกิดมีไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุเบา 2 ชนิดหลอมรวมกันเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่า เดิมและให้พลังงานปริมาณมาก ปฏิกิริยานี้เรียกว่า ฟิวชัน ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยากับที่เกิดบนดวงอาทิตย์การเกิดฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากและเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้าร่วมกันซึ่งประมาณว่าจะต้องมีอุณหภูมิสูงถึงหลายล้านองศาเซลเซียส พลังงานมหาศาลนี้อ่านได้จากฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนฉนวนที่ทำให้เกิดฟิวชั้น ถ้าพลังงานที่ปล่อยออกมามาจากฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงแต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆและต่อเนื่องจะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ฟิวชันมีข้อได้เปรียบมากกว่าฟิชชันหลายประการกล่าวคือคายพลังงานออกมาม่าสารตั้งต้นของฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมากนอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่า ผลิตภัณฑ์จากการเกิดฟิชชัน แม้จะมีการค้นพบกระบวนการฟิวชั่นมานานแต่ การนำมาใช้อย่างเป็นรูปธรรม เป็นไปได้ยากเพราะการเกิดฟิวชั้นต้องใช้อุณหภูมิสูงมากซึ่งที่สภาวะนี้แสนจะเปลี่ยนเป็นรูป Plasma ซึ่งไม่เสถียรดังนั้นการควบคุมกระบวนการฟิวชันให้เกิดอย่างต่อเนื่องเป็นไปได้ยากมาก
เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี
สารกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันการนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน
ด้านธรณีวิทยา ใช้ C-14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5730 ปีหาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่นไม้กระดูกการหาอายุโบราณโดยการวัดปริมาณของ C-14 อธิบายได้ว่าในบรรยากาศมี C-14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก
ด้านการแพทย์ ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่างๆในร่างกายโดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อยจากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมของไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่างๆ
ด้านเกษตรกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืชโดยเริ่มจากการดูดซึมที่รากจนถึงการคายออกที่ใบ หรือจำนวนแร่ธาตุที่พืชสะสมไว้ในใบ
ด้านอุตสาหกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่างเช่นใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลวผสมไอโซโทปกัมมันตรังสีกับของเหลวที่จะขนส่งไปตามท่อและติดตามการแผ่รังสีด้วยเครื่องไกเกอร์ มึลเลอร์ เคาน์เตอร์ บริเวณใดที่มี สัญญาณจำนวนนับมากผิดปกติแสดงว่าบริเวณนั้นมีการรั่วไหลเกิดขึ้น
การนำธาตุไปใช้ประโยชน์และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต
มนษย์นำธาตุุมาใช้ประโยชน์ตั้งแต่อดีตกาลเช่นนำทองคำมาทำเป็นเครื่องประดับ นำเหล็กมาทำเป็นมีน้ำทองใดมาทำเป็นภาชนะหรือเครื่องใช้ ในปัจจุบันมีการค้นพบและศึกษาสมบัติของธาตุมากขึ้นจึงมีการนำธาตุมาใช้ประโยชน์ได้หลากหลายขึ้น
ประโยชน์ของธาตุ
การจำแนกธาตุออกเป็นกลุ่มนอกจากจะช่วยให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุแล้วยังง่ายต่อการพิจารณาสมบัติที่เหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้งานอีกด้วย
-ธาตุโลหะ มีสมบัติการนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีจึงนิยมนำมาเป็นอุปกรณ์นำไฟฟ้าเช่นนำทองแดงมาทำสายไฟน้ำสังกะสีมาทำขั้วไฟฟ้าของถ่านไฟฉาย
-ธาตุกึ่งโลหะ เช่นซิลิกอน เจอร์เมเนียม มีสมบัติก้ำกึ่งระหว่างโลหะกับโลหะ นำไฟฟ้าได้แต่นำไม่ดีนิยมนำมาทำเป็นสารกึ่งตัวนำ
-ธาตุหมู่ 18 เป็นธาตุที่เฉยต่อการเกิดปฏิกิริยาจึงนำมาใช้ประโยชน์ตามสมบัติของแก๊สมีสกุลเช่นนำ-ฮีเลียมซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศมาบรรจุในบอลลูนและเรือเหาะแทนแก๊สไฮโดรเจน
-ธาตุมีไอโซโทปกัมมันตรังสี สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ดังที่กล่าวไว้ในหัวข้อ 2.6.6 และธาตุุที่อยู่กลุ่มเดียวกันจะมีสมบัติคล้ายกันแต่ถ้าชุดชนิดยังมีสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างกันด้วยดังนั้นการนำไปใช้ประโยชน์จึงมีความจำเพาะแตกต่างกันการที่ธาตุแต่ละชนิดมีสมบัติเฉพาะตัวแตกต่างกันทำให้บางครั้งนักวิทยาศาสตร์ต้องนำธาตุมากกว่า 1 ชนิดมาละลายหรือผสมกันเพื่อให้มีสมบัติตามที่ต้องการและนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลายมากขึ้น
ผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม
จากความรู้เดิมโครงสร้างมาแล้วว่าธาตุบางชนิดส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมเช่นตะกั่วได้ถูกใช้ในอุตสาหกรรมผลิตแบตเตอรี่ ล้วนส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตเช่นถ้าตะกั่วปนเปื้อนในน้ำอาจจะส่งผลต่อการเจริญเติบพันธ์ระบบโลหิตและระบบประสาทของสัตว์ในแหล่งน้ำนั้นได้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น