28.06.2014 Views

เตรียมและบรรยายโดย - มหาวิทยาลัยบูรพา

เตรียมและบรรยายโดย - มหาวิทยาลัยบูรพา

เตรียมและบรรยายโดย - มหาวิทยาลัยบูรพา

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

ทฤษฎีควอนตัมและโครงสร้างของอะตอม<br />

Quantum Theory and Atomic Structure<br />

ผ้ช่วยศาสตราจารย์ ผูชวยศาสตราจารย ดร. สมศกด สมศักดิ์ ศิริไชย<br />

ศรไชย<br />

ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์<br />

มหาวิทยาลัยบูรพา<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย


1. ธรรมชาติของแสง (The Nature of Light)<br />

Electromagnetic<br />

Spectrum<br />

(Chemistry & Chemical Reactivity 5e, Kotz, Thomson/BrooksCole, 2003, page 256)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 2


่<br />

สมบัติของคลื่น (Properties of Wave)<br />

ความยาวคลื ่น (λ)<br />

* ระยะทางระหว่างจุดทีเหมือนกันของ<br />

แต่ละคลื ่น<br />

ความถี ่ (ν)<br />

* จํานวนรอบของคลื จานวนรอบของคลนทเคลอนทผาน ่นที ่เคลื ่อนที ่ผ่าน<br />

จุดใดจุดหนึ ่งในเวลา 1 วินาที<br />

แอมพลิจูด<br />

* ระยะทางจากเส้นที ่อยู่ตรงกลางคลื ่น<br />

ในแนวตั้งจนถึงยอดคลื ่น<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 3


ความเร็วของคลื ความเรวของคลน ่น (c) ขึ ขนกบชนดของคลนและตวกลาง ้นกับชนิดของคลื ่นและตัวกลาง (อากาศ<br />

นํ้า หรือสุญญากาศ)<br />

c ของคลื ของคลนทเคลอนทผานสุญญากาศ ่นที ่เคลื ่อนที ่ผ่านสญญากาศ = 2.99792458 × 10 8 m/s<br />

ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็ว ความยาวคลื ่น และความถี ่:<br />

c = λν<br />

m s −1<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 4


สเปคตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ สเปคตรมแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic Spectrum)<br />

ในปี 1873 Maxwell เสนอว่าแสงวิสิเบิ ้ลประกอบด้วยคลื ่นแม่เหล็กไฟฟ้ า<br />

Figure 6.3 Electric field and<br />

magnetic field components<br />

of an electromagnetic wave.<br />

These two components have<br />

the same wavelength,<br />

frequency, and amplitude,<br />

but they vibrate in two<br />

mutually perpendicular<br />

planes.<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 5


้<br />

ตัวอย่าง 6.1<br />

เลเซอร์มีความยาวคลื ่น 532 nm จงหาความถี ่ของแสงเลเซอร์นี ้<br />

1 × 10 −9 m<br />

λ (m) = 532 nm ×<br />

7<br />

1 nm<br />

= 5.32 × 10 −7 m<br />

3.00 × 10 8 m/s<br />

ν = = 5.64 × 10 14 s −1 หรือ<br />

5.32 × 10 −7 m<br />

= 5.64 × 10 14 Hz<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 6


2. ทฤษฎีควอนตัม (Quantum Theory)<br />

ช่วงปลายศตวรรษที ่ 19 มีผลการทดลองหลายเรื ่องที ่ไม่สามารถ<br />

อธิบายได้ด้วยทฤษฎีฟิสิกส์แบบเก่า ้ ้ ิ ์ ่ (classical physics) เช่น<br />

ของแข็งที ่ได้ร้บความร้อนสามารถแผ่รังสีหรือคลื ่นแม่เหล็กไฟฟ้ า<br />

ออกมาได้ และพลังงานของคลื<br />

่นแม่เหล็กไฟฟ้ าที ่่แผ่ออกมานั้น้<br />

ขึ ขนกบอุณหภูมดวย ้นกับอณหภมิด้วย<br />

ควอนตัมของพลังงาน (Quantization of Energy)<br />

แมกซ์ พลังค์ (Max Planck) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้เสนอ<br />

ทฤษฎีควอนตัมเพื ทฤษฎควอนตมเพออธบายปรากฎการณการแผรงสของวตถุสดา<br />

่ออธิบายปรากฎการณ์การแผ่รังสีของวัตถสีดํา<br />

(blackbody radiation)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 7


Figure 6.6 Relationship between the temperature of an object and the<br />

spectrum of blackbody radiation it emits.<br />

(Chemistry, Averill, Prentice Hall, 2007, page 260.)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 8


ี<br />

่ึ<br />

ี<br />

ั<br />

พลังค์ (Planck) เสนอว่า พลังงานที ่อะตอมปลดปล่อยออกไป<br />

หรือดูดกลืนเข้าไปแต่ละครั้งจะต้องมีปริมาณเฉพาะที ่มีค่าน้อย<br />

ทีสุดค่าหนึง ่ ่ึ<br />

ซึงเขาให้ชือปริมาณนีว่า ้ ่ื<br />

ิ ้ ควอนตัม (quantum)<br />

พลังงาน (E) ของคลื ่นแม่เหล็กไฟฟ้ าที ่ปลดปล่อยออกมากหรือถูก<br />

ดูดกลืนเข้าไปจะเท่ากับค่าคงที<br />

่ค่าหนึ ่งคูณกับความถี ่ ่่ ดังสมการ<br />

E = hν<br />

h คือค่าคงที ่ของพลังค์ (= 6.63 × 10 −34 J⋅s) และ<br />

ν คือความถี ่ของแสง<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 9


ื<br />

จากทฤษฎีควอนตัมของพลังค์ จากทฤษฎควอนตมของพลงค พอจะสรปได้ว่า พอจะสรุปไดวา<br />

พลังงานของคลื ่นแม่เหล็กไฟฟ้ าที ่ปล่อยออกมานั้นมีลักษณะ<br />

เป็นกลุ ่มๆ เรียกกลุ ่มเหล่านี ้ว่า ควอนตัมของพลังงงาน พลังงาน<br />

ของคลืนแสงแต่ละชนิดขึนกับความถีของแสงนันเอง<br />

่ ิ ้ึ<br />

่ี<br />

่ั<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 10


โฟตอนและปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก<br />

(Photon and Photoelectric Effect)<br />

ในปี 1905 อัลเบิร์ต อลเบรต ไอนสไตน ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ใช้ทฤษฎี ไดใชทฤษฎ<br />

ควอนตัมของพลังค์อธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ ที ่เรียกว่า<br />

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก ซึ ่งเป็นปรากฏการณ์ที ่อิเล็กตรอน<br />

หลดจากผิวของโลหะเมื<br />

หลุดจากผวของโลหะเมอมแสง ่อมีแสง (โฟตอน) ที ทมความถนอยทสุดคา<br />

่มีความถี ่น้อยที ่สดค่า<br />

หนึ ่งตกกระทบบนผิวของโลหะ เรียกความถี ่นี ้ว่า ความถี ่ขีดเริ ่ม<br />

(threshold frequency, ν 0 ) จํานวนอิเล็กตรอนที ่หลุดออกมา<br />

ขึ ขนกบความเขมของแสง ้นกับความเข้มของแสง แต่พลังงานของอิเล็กตรอนที<br />

แตพลงงานของอเลกตรอนทหลุดออกมา ่หลดออกมา<br />

ไม่ขึ ้นกับความเข้มของแสงที ่ตกกระทบ<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 11


Figure 6.5<br />

Apparatus for studying the photoelectric<br />

effect. Light of a certain frequency falls on<br />

a clean metal surface. Ejected electrons<br />

are attracted toward the positive electrode.<br />

The flow of electron is registered by a<br />

detecting meter.<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 12


Figure 5.7 The photoelectric effect<br />

(Chemistry 5e, McMURRY, Prentice Hall, 2008. page 155)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 13


3. ทฤษฎีไฮโดรเจนอะตอมของโบร์<br />

(Bohr’s Theory of the Hydrogen Atom)<br />

อิมิสชันสเปกตรัม (Emission Spectrum)<br />

1. สเปกตรัมแบบต่อเนื ่อง (Continuous spectrum)<br />

เช่น แสงสีขาวจากดวงอาทิตย์ ี ิ ์<br />

ของแข็งที ่ได้รับความร้อนสูง<br />

วิสิเบิล ิ ้ ิ<br />

(visible) ยูวี (ultraviolet) และอินฟาเรด (infrared)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 14


Spectrum of White Light<br />

Figure 7.7 A spectrum of white light, produced by refraction in a prism. The light is<br />

observed with a spectroscope p or spectrometer by passing the light through a narrow<br />

slit to isolate a thin beam, or line, of light. The beam is then passed through a device<br />

(a prism or, a diffraction grating) that separates the light into its component<br />

wavelengths.<br />

(Chemistry & Chemical Reactivity 5e, Kotz, Thomson/BrooksCole, 2003, page 262)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 15


้<br />

2. สเปกตรัมแบบเส้น (Line spectrum)<br />

ถ้าให้ศักย์ไฟฟ้ ากับอะตอมของธาตุในแก๊สเฟสที ่ความดันตํ ่า<br />

อะตอมจะดูดกลืนพลังงาน ั (หรือถูกกระตุ้น) ื ้ อะตอมทีถูกกระตุ้น ่<br />

จะเปล่งแสงออกมามีลักษณะเป็นเส้นและมีลักษณะเฉพาะตัว<br />

ความยาวคลื ่นของแสงที ่เปล่งออกมาจะขึ ้นกับชนิดอะตอมของธาตุ<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 16


Spectrum of Excited Hydrogen Gas<br />

410 436<br />

486<br />

656<br />

Figure 7.8 A light emission spectrum of hydrogen. The emission light is passed<br />

through a series of slits to create a narrow beam of light, which is then separated<br />

into its component wavelength by a prism. A photographic plate or photocell can be<br />

used to detect the separate wavelength as individual lines. Hence, the name “line<br />

spectrum” for the light emitted by a glowing gas.<br />

(Chemistry & Chemical Reactivity it 5e, Kotz, Thomson/BrooksCole, 2003, page 263)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 17


Figure 6.8 Emission spectra of several elements.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw-Hill, 2009, page 202.)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 18


ในปี ค.ศ. 1885 โจฮานน์ บาล์เมอร์ (Johann Balmer) ได้พัฒนา<br />

สมการง่ายๆ ที ่ใช้คํานวณความยาวคลื ่นของเส้นที ่มองเห็นทั้งสี ่เส้น<br />

ในสเปกตรัมการเปล่งแสงของไฮโดรเจน:<br />

ั ป ่ ไโ<br />

1 1 1<br />

= R 2 − 2 หรือ<br />

1 1<br />

ν = R ⋅ c −<br />

λ 2 n 2 2 n<br />

n 2<br />

R เป็นค่าคงที ่ เรียกว่า ค่าคงที ่ไรด์เบิร์ก (Rydberg constant)<br />

มีค่าเท่ากับ ี ่ ่ ั 1.097 × 10 −2 2<br />

nm −1 1<br />

และ n เป็นเลขจํานวนเต็มบวก<br />

ํ ็<br />

มากกว่า 2<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 19


เช่น เส้นสเปกตร้าสีแดงที ่ 656.3 nm หาได้จากสมการบาล์เมอร์เมื ่อ<br />

n = 3<br />

1 1 1<br />

= [1.097 × 10 −2 nm −1 ] − −3 −1<br />

λ 2 2 3 2 = 1.524 × 10 nm<br />

1<br />

λ = = 656.3 nm<br />

1.524 × 10 −3 nm −1<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 20


Figure 6.11 Energy levels in<br />

the hydrogen atom and the<br />

various emission series. Each<br />

series terminates at a<br />

different value of n.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw-Hill,<br />

2009, page 206.)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 21


ต่อมาริดเบอร์ก ตอมารดเบอรก (J. Rydberg) นักฟิสิกส์ชาวสวีส นกฟสกสชาวสวส ได้ดัดแปลงสมการ ไดดดแปลงสมการ<br />

บาล์เมอร์เพื ่อหาความยาวสเปกตรัมแต่ละเส้นในแต่ละอนุกรม:<br />

1 1 1<br />

R หรือ R<br />

λ m 2 n 2 หรอ<br />

1 1<br />

m 2 n 2<br />

= R − ν = R ⋅ c −<br />

สมการบาร์เมอร์-ริดเบอร์ก<br />

m และ n เป็นเลขจํานวนเต็มบวก เปนเลขจานวนเตมบวก โดย n > m<br />

ถ้า m = 1 จะได้เส้นสเปกตรัมในอนุกรมไลแมน<br />

m = 2 จะได้เส้นสเปกตรัมในอนุกรมบาล์เมอร์<br />

m = 3 จะได้เส้นสเปกตรัมในอนกรมปาสเชน<br />

จะไดเสนสเปกตรมในอนุกรมปาสเชน<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 22


(ไลแมน)<br />

(บาล์เมอร์)<br />

(ปาสเชน)<br />

(แบรคเกต)<br />

m<br />

n<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw-Hill, 2009, page 206.)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 23


ตัวอย่าง 5.2 (Chemistry 5e, McMURRY, Prentice Hall, 2008, page 154)<br />

จงหาเส้นความยาวคลื<br />

่น (nm) ที<br />

่ยาวที ่สุด ่ 2 ความยาวคลื<br />

่นในอนุกรม<br />

ไลแมนของไฮโดรเจนสเปกตรัม<br />

ไลแมนของไฮโดรเจนสเปกตรม<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 24


่ื<br />

ี<br />

ี<br />

ทฤษฎีไฮโดรเจนอะตอมของบอห์ร<br />

ในปี ค.ศ. 1914 นีลส์ บอห์ร (Neil Bohr) นักฟิสิกส์ชาวแดนิช<br />

เสนอแบบจําลองของไฮโดรเจนอะตอมว่าอิเล็กตรอนเคลื ่อนที ่<br />

อเลกตรอนเคลอนทในวงโคจรทเปนวงกลมรอบนวเคลยสอเลกตรอน<br />

ิ ็ ่ใ ่ี<br />

ป็ ิ ี ิ ็<br />

จะอยู่ในวงโคจรนั้นได้ต้องมีพลังงานเฉพาะค่าหนึ<br />

่งเท่านั้น<br />

พลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรหนึ ่งๆ เรียกว่า เลขควอนตัม<br />

(quantum number) การเคลอนทในลกษณะดงกลาวนอเลกตรอน<br />

่ื<br />

่ใ ั ั ่ ้ี<br />

ิ ็<br />

ไม่มีการสูญเสียพลังงาน เรียกว่า อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะคงตัว ู<br />

(stationary state)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 25


Figure 5.8 The Bohr model of the hydrogen atom, with an electron traveling in a<br />

circular orbit around the nucleus.<br />

(Chemistry 5e, McMURRY, Prentice Hall, 2008, page 156)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 26


ระดับพลังงานของวงโคจรที ่ n เรียกว่า E สถานะของอะตอม<br />

n<br />

ชนิดหนึ ่งๆ ที ่มีระดับพลังงานตํ ่าสุด เรียกว่า สถานะพื ้น (ground<br />

state, n = 1) ส่วนสถานะอืนๆ ่ื<br />

ทีมีระดับพลังงานสูงกว่า ่ ี ั ั ่ เรียกว่า ี ่<br />

สถานะกระตุ้น หรือสถานเร้า (excited state, n > 1)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 27


Figure 7.10 Quantum staircase. In this<br />

analogy for the energy levels of the<br />

hydrogen atom, an electron can absorb a<br />

photon and jump up to a higher “step”<br />

(stationary state) or emit a photon and<br />

jump down to a lower one. But the electron<br />

cannot lie between two steps.<br />

(Chemistry: 5e, Silberberg, McGraw-Hill, 2009, page 278.<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 28


โบร์แสดงให้เห็นว่าพลังงานของอิเล็กตรอนที ่ระดับพลังงาน n ของ<br />

ไฮโดรเจนอะตอม:<br />

E n = −2.18 × 10 −18 J<br />

n<br />

1<br />

n 2<br />

n คือเลขจํานวนเต็มบวก ํ ็ (n = 1, 2, 3, …) เครืองหมายลบใน ่<br />

สมการแสดงถึงว่าพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมตํ ่ากว่าพลัง<br />

งานอิเล็กตรอนอิสระ ซึ ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนอยู่ห่างจาก<br />

นิวเคลียสเป็นระยะอนันต์<br />

ิ ี ั ์<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 29


ั<br />

พลังงานของอิเล็กตรอนอิสระ (ที ่อนันต์) มีค่าเท่ากับศูนย์ ดังสมการ:<br />

E n = −2.18 × 10 −18 J 1<br />

∞ 2<br />

พิจารณากระบวนการเปล่งแสง (emission process) ให้อิเล็กตรอน<br />

เคลือนทีลงจากสถานะกระตุ้น ่<br />

่ n i (i = initial)ไปยังสถานะทีมีระดับ<br />

ั ่ี<br />

ี<br />

พลังงานตํ ่ากว่า n (f = final) ความแตกต่างของระดับพลังงานทั้ง<br />

f<br />

สอง คือ<br />

ΔE = E f − E i<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 30


E f = −2.18 × 10 −18 J<br />

f<br />

E i = −2.18 × 10 −18 J<br />

1<br />

n 2<br />

f<br />

1<br />

n<br />

2<br />

i<br />

ΔE =<br />

−2.18 × 10 −18 J −2.18 × 10 −18 J<br />

−<br />

n<br />

2<br />

f n<br />

2<br />

i<br />

ΔE = −2.18 × 10 −18 J − 1<br />

1 เมื ่อ n i > n f , ΔE เป็นลบ<br />

่ ั ่<br />

n<br />

2 แสดงว่าพลังงานถูกปล่อยออกมา<br />

i<br />

เมื ่อ n f > n i , ΔE เป็นบวก<br />

แสดงว่าพลังงานถูกดูดกลืน<br />

n f<br />

2<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 31


เนื ่องจากการเปลี ่ยนแปลงระดับพลังงานเกิดจากการเปล่งโฟตอนที ่มี<br />

ความถี ่ ν และพลังงาน hν เราสามารถเขียนเป็นสมการใหม่ได้ดังนี ้<br />

ΔE = hν = −2.18 × 10 −18 1<br />

J − 1<br />

n 2<br />

f<br />

n 2<br />

i<br />

1<br />

λ<br />

−2.18 × 10 −18<br />

= J 1<br />

n 2 −<br />

hc<br />

n f<br />

1<br />

n 2<br />

i<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 32


1<br />

2.18 × 10 −18<br />

= − J 1<br />

626 /)<br />

− 1 (6.626 × 10−34 J⋅s)(3.00 × 10 8 m/s)<br />

λ n<br />

2 n<br />

2<br />

f i<br />

1 = − 1.10 × 107 m −1 1<br />

− 1<br />

λ<br />

n 2<br />

f<br />

n 2<br />

i<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 33


ตัวอย่าง 6.4 (Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 207)<br />

จงคํานวณความยาวคลื<br />

่น (nm) ของโฟตอนที<br />

่เปล่งออกมาเมื ่ ่ออิเล็กตรอน ่<br />

แทรนซิชันจาก แทรนซชนจาก n = 4 ไปยัง ไปยง n = 2 ของไฮโดรเจนอะตอม<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 34


ตัวอย่าง 7.3 (Chemistry 5e, Silberberg, McGraw Hill, 2009, page 280)<br />

ไโ ไฮโดรเจนอะตอมดูดกลืนโฟตอนของแสงทีโ ่่มองเห็นและอิเล็กตรอนเข้า<br />

ไปส่พลังงานระดับ ไปสูพลงงานระดบ n = 4 จงคํานวณ จงคานวณ (a) การเปลี การเปลยนแปลงพลงงานของ<br />

่ยนแปลงพลังงานของ<br />

อะตอม และ (b) ความยาวคลื ่น (nm) ของโฟตอน<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 35


ตัวอย่าง 7.3 (Chemistry 5e, Silberberg, McGraw Hill, 2009, page 280)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 36


1 1<br />

18<br />

จากสมการ ΔE = E f − E i = −2.18 × 10 −18 J −<br />

ni<br />

2<br />

เราสามารถหาปริมาณพลังงานที ่ต้องใช้ในการทําให้อิเล็กตรอนหลุด<br />

จากไฮโดรเจนอะตอม<br />

H(g) → H + (g) + e −<br />

แทน n f = ∞ และ n i = 1 ลงในสมการ จะได้<br />

ΔE = E f − E i = −2.18 × 10 −18 1<br />

J − 1 ∞ 2 1<br />

2<br />

ΔE = E f − E i = −2.18 × 10 −18 J (0 − 1) = 2.18 × 10 −18 J<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 37<br />

n f<br />

2


้<br />

กรณีนี ้ ΔE เป็นบวก เพราะพลังงานดูดกลืนเพื<br />

่อกําจัดอิเล็กตรอนที ่<br />

ติดกับนิวเคลียส สําหรับไฮโดรเจนอะตอม 1 mol<br />

ΔE =<br />

2.18 × 10 −18 J<br />

6.022× 10 23 atom 1 kJ<br />

atom mol 10 3 J<br />

= 1.31 × 10 3 kJ/mol<br />

3<br />

พลังงานนี ้เรียกว่า พลังงานไอออไนเซชัน (ionization energy)<br />

ของไฮโดรเจนอะตอม หรือปริมาณพลังงานที<br />

หรอปรมาณพลงงานทตองใชในการเกด ่ต้องใช้ในการเกิด 1<br />

mol ของแก๊ส H + ion จาก 1 mol ของแก๊ส H atom<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 38


โบว์ได้เสนอสมการในการคํานวณรัศมีของอิเล็กตรอนในวงโคจรทีมี<br />

้ ํ ั ี ิ ็ ใ โ ่ี<br />

ี<br />

เลขควอนตัม n<br />

n 2<br />

r n = a 0<br />

Z<br />

Z คือประจุบวกของนิวเคลียส (1 สําหรับไฮโดรเจนอะตอม, 2 สําหรับ<br />

He + ไอออน) และ a ่ ่ี<br />

ีโ ์ 0 คือค่าคงทีรัศมีโบว์ (5.29177 × 10 −11 m<br />

หรือ 0.529 Å)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 39


ตัวอย่าง 16.3 (Chemistry 4e, Oxtoby, Thomson/BrooksCole, 2004, page 705)<br />

ที<br />

่ระดับพลังงาน n = 2 ของไอออน Li + จงใช้ทฤษฎีโบว์คํานวณระยะ<br />

ระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส<br />

ระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส<br />

n<br />

r n = 2<br />

a<br />

Z 0<br />

2<br />

r = 2<br />

(0.529 Å) = 0.705 Å<br />

n<br />

3<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 40


ข้อจํากัดแบบจําลองของบอห์ร<br />

แบบจําลองของบอห์รอธิยายได้เฉพาะอะตอมหรือไอออนที ่มีเพียง<br />

อิเล็กตรอนเดี ่ยวหรือหนี ่งอิเล็กตรอน เช่น H (Z = 1), He + (Z = 2)<br />

และ Li + (Z = 3)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 41


สมบัติเชิงคลื่นของสสาร สมบตเชงคลนของสสาร (Wave Properties of Matter)<br />

หลุยส์ เดอบรอยล์ (Louise de Broglie) ได้ขยายแนวความคิด<br />

ที ่ว่าแสงมีพฤติกรรมเป็นได้ทั้งคลื ่นและอนุภาค เขาเสนอว่าหากการ<br />

โคจรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นเหมือนคลื<br />

โคจรของอเลกตรอนรอบนวเคลยสไฮโดรเจนเปนเหมอนคลนชนด ่นชนิด<br />

หนึ ่ง อิเล็กตรอนที ่มีวงโคจรรอบนิวเคลียสนั้นต้องมีความยาวคลื ่น<br />

ที ่มีค่าเฉพาะและยังเสนอว่าความยาวคลื ่นที ่เป็นค่าเฉพาะของ<br />

อิเล็กตรอนหรือของอนภาคใดๆ อเลกตรอนหรอของอนุภาคใดๆ จะขึ จะขนกบคามวล ้นกับค่ามวล (m) และความเร็ว และความเรว<br />

(ν) ดังนี ้<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 42


ี<br />

์<br />

λ =<br />

h<br />

mυ<br />

h คือค่าคงที ่ของพลังค์ (6.63 × 10 −34 kg ⋅ m 2 /s) ค่า mν<br />

ของวัตถุใดๆ เรียกว่า โมเมนตัม (momentum) ความยาวคลื<br />

่น<br />

ทคานวณจากสมการขางตนเรยกวา ่ ํ ้ ้ ี ่ ความยาวคลนเดอบรอยล ่ื<br />

(de Broglie wavelength)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 43


ตัวอย่าง 6.5 (Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 209)<br />

จงคํานวณความยาวคลื<br />

่นเดอบรอยล์ของ (a) กระสุนหนัก 25 g เดินทาง<br />

ด้วยความเร็ว ดวยความเรว 612 m/s (b) อิเล็กตรอน อเลกตรอน (m = 9.109 × 10 −31 kg) ที ท่<br />

เคลื ่อนที ่ด้วยความเร็ว 63.0 m/s<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 44


่<br />

ื<br />

่ื<br />

อิเล็กตรอนที ่ยึดเหนี ่ยวอยู่กับนิวเคลียสประพฤติคล้ายคลื ่นนิ ่ง<br />

(standing wave) และความยาวคลืนจะต้องเท่ากับเส้นรอบวงของ<br />

่ ่ ั ้<br />

วงโคจร ความสัมพันธ์ระหว่างเส้นรอบวงของวงโคจรที ่เป็นไปได้กับ<br />

ความยาวคลื ่นของอิเล็กตรอน:<br />

2πr = nλ<br />

r คือรศมีของวงโคจร ัศ ี λ คือความยาวคลืนของคลืนอิเล็กตรอน ่ื<br />

็ และ<br />

n คือจํานวนเต็มบวก (1, 2, 3, …)<br />

เนื เนองจากพลงงานของอเลกตรอนขนกบขนาดของวงโคจร ่องจากพลังงานของอิเล็กตรอนขึ ้นกับขนาดของวงโคจร (r)<br />

พลังงานจึงมีค่าเฉพาะหรือมีค่าเป็นขั้นๆ ด้วย<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 45


้<br />

หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก<br />

หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก<br />

(Heisenberg Uncertainty Principle)<br />

ไฮเซนเบิร์ก นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน สรุปว่า สสารที ่มีพฤติกรรมแบบ<br />

ทวภาคคอเปนทงคลนและอนุภาคนน ิ ื ป็ ั้ ่ื<br />

ั้ มขอจากดในการบงตาแหนง<br />

ี ้ ํ ั ่ ํ ่<br />

x และโมเมนตัม p พร้อมกัน ข้อจํากัดนี ้เกิดเฉพาะกับสสารที ่มี<br />

ขนาดเล็กมาก เขียนเป็นเชิงคณิตศาสตร์ ดังนี ้<br />

Δx ⋅ Δp ≥<br />

สําหรับอนภาคที สาหรบอนุภาคทมมวล ่มีมวล m:<br />

h<br />

4π<br />

เมื ่อ Δx และ Δu คือความไม่แน่นอนใน<br />

การวัดตําแหน่งและความเร็วของอนภาค<br />

ตามลําดับ<br />

ุ<br />

Δx ⋅ mΔu ≥ h 4π<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 46


* จะเห็นว่าอิเล็กตรอนไม่ได้โคจรรอบนิวเคลียสในเส้นทางที ่ระบุได้<br />

อย่างแน่นอนชัดเจน<br />

* ค้นหาสมการพืนฐานทีจะสามารถอธิบายพฤติกรรม ้ ่<br />

และพลังงาน<br />

ของอนภาคที ของอนุภาคทมขนาดเลก ่มีขนาดเล็ก<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 47


ตัวอย่าง 6.6 (Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 211)<br />

อิเล็กตรอนในไฮโดรเจนอะตอมมีความเร็ว 5 × 10 6 m/s ± 1% ใช้หลัก<br />

ความไม่แน่นอนคํานวณความไม่แน่นอนน้อยที<br />

ความไมแนนอนคานวณความไมแนนอนนอยทสุดในตาแหนงของ ่สดในตําแหน่งของ<br />

อิเล็กตรอน<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 48


ุ<br />

้<br />

กลศาสตร์คลื่น กลศาสตรคลน (Wave Mechanics)<br />

สมการชโรดิงเงอร์ (SchrÖdinger Equation)<br />

จากผลงานของหลุยส์ เดอ บรอยส์ (Louis De Broglie) และไฮ<br />

เซนเบิร์ก (Heisenberg) ได้ข้อสรุปว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทั ้ง<br />

อนภาคและคลื อนุภาคและคลน ่น และการระบตําแหน่งที<br />

และการระบุตาแหนงทแนนอนของอเลกตรอน<br />

่แน่นอนของอิเล็กตรอน<br />

นั้นทําได้ยากมาก<br />

เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ (Erwin SchrÖdinger) ศึกษาพฤติกรรม<br />

ของอิเล็กตรอนในลักษณะคลื<br />

ของอเลกตรอนในลกษณะคลนและไดเสนอสมการคลน ่นและได้เสนอสมการคลื ่น เรยกวา เรียกว่า<br />

สมการชโรดิงเงอร์ โดยเขียนสมการในรูปแบบที ่ง่ายและสั้นที ่สุด<br />

ด้วยสัญลักษณ์ต่างๆ ั ั ์ ่ ดังนี ั ้ี<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ<br />

์ ศิริไชย 49


ึ<br />

ψ = Eψ<br />

ψ (อ่านว่า ไซ, psi) หมายถึงฟังก์ชันคลืนซึงเป็นฟังก์ชันทาง<br />

ั ์ ั ่ื<br />

่ ั ์ ั<br />

คณิตศาสตร์ที ่เกี ่ยวข้องกับความเป็นคลื ่นและการเคลื ่นที ่ของ<br />

อิเล็กตรอน<br />

E คือพลังงานรวมทังหมดของอิเล็กตรอน<br />

ั ้ั<br />

็<br />

(อ่านว่าแฮมิลโตเนียนโอเปอเรเตอร์ (อานวาแฮมลโตเนยนโอเปอเรเตอร, hamiltonian<br />

operator) คือตัวบ่งบอกถึงลักษณะแวดล้อมและสมบัติในแง่<br />

ของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอน<br />

์ ั ั ์ ิ ็<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 50


ในทางคณิตศาสตร์จะเขียนในรปของโอเปอเรเตอร์ ในทางคณตศาสตรจะเขยนในรูปของโอเปอเรเตอร ดังนี ดงน้<br />

ดังนั้นอาจเขียนสมการชโรดิงเงอร์ ดงนนอาจเขยนสมการชโรดงเงอร ไดเปน ได้เป็น<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 51


ี<br />

สิ ่งที ่สําคัญที ่เราต้องรู้คือในสมการนี ้สมบัติของอิเล็กตรอนในแง่ของ<br />

ความเป็นอนุภาค (ในเทอมของมวล, m) และสมบัติความเป็นคลื<br />

่น<br />

ในเทอมของฟังก์ชันคลื<br />

ในเทอมของฟงกชนคลน ่น ซึ ซงขนอยูกบตาแหนง ่งขึ ้นอย่กับตําแหน่ง (x, y, z) ใน<br />

บริเวณใดๆ รอบนิวเคลียสของอะตอมโดยมีพลังงานศักย์ V ที ่<br />

ตําแหน่ง x, y, z<br />

ชโรดิงเงอร์แก้สมการคลื<br />

ชโรดงเงอรแกสมการคลนของไฮโดรเจนอะตอม ่นของไฮโดรเจนอะตอม พบวาฟงกชน พบว่าฟังก์ชัน<br />

คลื ่น แต่ละฟังก์ชันของอิเล็กตรอนจะมีพลังงานสอดคล้องกับ<br />

ทีนีลส์ ่ ี ์ บอห์ร ์ คํานวณได้ ํ ้ จึงเป็นการสนับสนุนว่าถึงแม้ว่าจะ<br />

ึ ั ่ ึ ้ ่<br />

พิจารณาอิเล็กตรอนในลักษณะคลื ่น ระดับพลังงานที ่คํานวณได้ก็<br />

มีค่าจําเพาะเช่นเดียวกับนีลส์ บอห์ร กล่าวไว้<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 52


ฟังก์ชันคลื่นยกกําลังสองและความน่าจะเป็ น<br />

(Square of wave function and probability)<br />

เมื ่อนําฟังก์ชันคลื ่นมายกกําลังสอง ( 2) จะหมายถึงโอกาสหรือ<br />

ความนาจะเปนทจะพบอเลกตรอนในบรเวณหนงรอบนวเคลยส<br />

่ ป็ ่ี<br />

ิ ็ ิ ่ึ<br />

ิ ี ของอะตอม กล่าวอีกนัยหนึ ่งคือบริเวณที ่มีความหนาแน่นของ<br />

อิเล็กตรอน (electron density) นั ่นเอง ในแง่ของกลศาสตร์คลื ่น<br />

เราเรียกบริเวณนี เราเรยกบรเวณนวา ้ว่า ออร์บิทัล ออรบทล (orbital) หรือออร์บิทัลเชิงอะตอม<br />

หรอออรบทลเชงอะตอม<br />

(atomic orbital)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 53


เลขควอนตัม (Quantum Number)<br />

การแก้สมการชโรดิงเงอร์เพื ่อหาพลังงานและบริเวณที ่จะพบ<br />

อิเล็กตรอนในสามมิติ ็ ิ ิ จะมีตัวเลขจํานวนเต็มสามชนิดเข้ามา<br />

ี ั ํ ็ ิ เกี ่ยวข้อง คือ<br />

1. เลขควอนตัมหลัก (The principal quantum number, n)<br />

2. เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมม<br />

เลขควอนตมโมเมนตมเชงมุม<br />

(The angular momentum quantum number, l)<br />

3. เลขควอนตัมแม่เหล็ก (Magnetic quantum number, m l )<br />

และ<br />

4. เลขควอนตัมสปิน (Spin quantum number, m s ):<br />

อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอน<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 54


่<br />

่ึ<br />

้<br />

1. เลขควอนตัมหลัก (n)<br />

* n เป็นเลขจํานวนเต็มมีค่าตั ้งแต่ 1, 2, 3, …, ∞<br />

* เมื เมอ ่อ n เพิ เพมขน ่มขึ ้น ออร์บิทัลจะมีขนาดใหญ่ขึ<br />

ออรบทลจะมขนาดใหญขน ้น<br />

* เมื ่อ n มีค่ามากขึ ้น พลังงานจะสูงขึ ้น ทําให้อิเล็กตรอนดึงดูด<br />

กับนิวเคลียสได้น้อยลง<br />

ิ ี ้ ้<br />

ในอะตอมที ่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ ่งตัว อาจมีอิเล็กตรอนหนึ ่งหรือ<br />

มากกว่าหนึงตัวทีมีค่า ่ี<br />

ี ่ n เดียวกัน ั เรียกว่ามี ี ่ ี ชันอิเล็กตรอน ั้ ็<br />

(electron shell) เดียวกัน โดยแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนเข้าอยู่ได้<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ<br />

จํานวน 2n 2 n = 1 2 3 4 5 6 7<br />

K L M N O P Q<br />

์ ศิริไชย 55


่<br />

2. เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (l)<br />

* l เป็นเลขจํานวนเต็มมีค่า = 0, 1, 2, 3, …, (n-1)<br />

* l เป็นตัวกําหนดรูปร่างเฉพาะตัวของออร์บิทัล<br />

ั ํ ่ ั ์ ิ ั<br />

* l มักแสดงเป็นตัวอักษรมากกว่าตัวเลข<br />

ค่าของ l 0 1 2 3 4<br />

ตัวอักษรที ่ใช้ s p d f g<br />

(ออร์บิทัลหรือชั้นย่อย)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 56


่<br />

่<br />

* ออร์บิทัลที ออรบทลทมคา ่มีค่า n เท่ากัน เทากน เรียกว่า เรยกวา เชลล์ของอิเล็กตรอน เชลลของอเลกตรอน<br />

(electron shell)<br />

เช่น ออร์บิทัลที ่มีค่า n = 3 เรียกว่าอยู่ในเชลล์ที ่ 3<br />

* ออร์บิทัลที ่มีค่า n และ l เท่ากัน เรียกว่า สับเชลล์ (subshell)<br />

แต่ละสับเชลล์กําหนดโดยเลข แตละสบเชลลกาหนดโดยเลข (ที (ทเปนเลข ่เป็นเลข n) ) และอักษร และอกษร (s, p,<br />

d และ f ที ่ตรงกับค่าของ l)<br />

เช่น ออร์บิทัลที ่มีค่า n = 3 และ l = 2 คือ 3d-orbital<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 57


่<br />

่<br />

3. เลขควอนตัมแม่เหล็ก (m l )<br />

* m มีค่าเป็นเลขจํานวนเต็มตั้งแต่ l ถึง −l<br />

l<br />

* จํานวนค่าของ m l = 2l + 1<br />

* ใช้ ใชอธบายการจดตวของออรบทลในทวาง<br />

ิ ั ั ์ ิ ั ใ ่ี<br />

่<br />

ถ้า l = 1 มีค่า m l 3 ค่า คือ +1, 0, −1<br />

แสดงว่า แสดงวา ออรบทลทเกดขนจาก ออร์บิทัลที ่เกิดขึ ้นจาก l = 1 (p-orbital) มีทั้งหมด มทงหมด 3<br />

ออร์บิทัล โดย ออร์บิทัลที ่หนึ ่งมี l = 1, m l = +1<br />

ออร์บิทัลที ่หนึ ่งมี l = 1, m l = 0<br />

ออร์บิทัลที ออรบทลทหนงม ่หนึ ่งมี l = 1, m l = −11<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 58


(Chemistry 5e, McMURRY, Prentice Hall, 2008, page 161)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 59


ี<br />

ื<br />

4. เลขควอนตัมสปิ น (m s )<br />

เนื ่องจากอิเล็กตรอนที ่อาศัยอยู่ในออร์บิทัลมีพฤติกรรมเสมือนเป็น<br />

แท่งแม่เหล็กแท่งเล็กๆ หมุนรอบนิวเคลียสและขณะเดียวกันก็<br />

หมนรอบแกนตัวเองด้วย หมุนรอบแกนตวเองดวย การหมุนนทาใหประจุลบของอเลกตรอน<br />

การหมนนี ้ทําให้ประจลบของอิเล็กตรอน<br />

เหนี ่ยวนําให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ ้น ดังนั้นจึงต้องมีเลขควอนตัมตัว<br />

ทีสี ่ ่ี<br />

เพือบอกถึงโมเมนตัมสปินของอิเล็กตรอนทีอยู่ในออร์บิทัล<br />

่ ั ็ ่ี<br />

์ ั<br />

* m s มีค่าเท่ากับ<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 60


Figure 6.17 Experimental arrangement for demonstrating the spinning motion of<br />

electrons. A beam of atoms is directed through a magnetic field. When a hydrogen<br />

atom, with a single electron, passes through the field, it is deflected in one direction<br />

or the other, depending on the direction of the electron’s spin. In a stream consisting<br />

of many atoms, there will be equal distributions of the two kinds of spins, so two<br />

spotsof equal intensity are detected on the screen.<br />

์<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 215)<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ศิริไชย 61


Figure 6.16 (a) Clockwise and (b)<br />

counterclockwise spins of an electron.<br />

The magnetic fields generated by these<br />

two spinning motions are analogous to<br />

those from the two magnets. The<br />

upward and downward arrows are used<br />

to denoted the direction of spin.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009,<br />

page215)<br />

อิเล็กตรอนที ่มีสปิน<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 62


ี<br />

ตัวอย่างเช่น 1s-orbital มีอิเล็กตรอน 2 ตัว จะมีชุดเลขควอนตัมในการ<br />

ระบุอเลกตรอนแตละตวในออรบทล ิ ็ ่ ั ์ ิ ั ดงน้ ั ี<br />

ชุดของเลขควอนตัมสําหรับอิเล็กตรอนตัวที ่หนึ ่ง คือ<br />

n = 1, l = 0, m l = 0, m s =<br />

ชดของเลขควอนตัมสําหรับอิเล็กตรอนตัวที<br />

ชุดของเลขควอนตมสาหรบอเลกตรอนตวทสอง ่สอง คือ คอ<br />

n = 1, l = 0, m l = 0, m s =<br />

ดังนั้น ดงนน อเลกตรอน อิเล็กตรอน 2 ตัวจึงอย่ในออร์บิทัลเดียวกันได้ ตวจงอยูในออรบทลเดยวกนได แต่ต้องมีค่าสปิน แตตองมคาสปน<br />

ต่างกัน หรือกล่าวได้ว่าจะไม่มีอิเล็กตรอน 2 ตัวในออร์บิทัลของอะตอม<br />

หรือไอออนทีมีเลขควอนตัมทังสีเหมือนกันทุกประการซึงหลักการนี<br />

ื ่ ี ั ั้ ี ื ั ่ึ<br />

ั ้ี<br />

เรียกว่า หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle)<br />

p เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 63


รปร่างของออร์บิทัล รูปรางของออรบทล (Shapes of Orbital)<br />

รปร่างของ รูปรางของ s-orbital<br />

l<br />

มีลักษณะเป็นทรงกลม มลกษณะเปนทรงกลม ลอมรอบนวเคลยสเหมอนกนทุกทศทาง<br />

ล้อมรอบนิวเคลียสเหมือนกันทกทิศทาง<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 64


Figure 6.18<br />

From top to bottom,<br />

the probability<br />

density and<br />

corresponding relief<br />

map, the distribution<br />

of electron density<br />

represented<br />

spherically with<br />

shading<br />

corresponding to the<br />

relief map above, ane<br />

the radial dil probability bbili<br />

distribution for (a) the<br />

1s, (b) 2s, and (c) 3s<br />

orbitals of hydrogen.<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 65


่ื<br />

ี<br />

้<br />

้<br />

รปร่างของ รูปรางของ p-orbital<br />

* มีลักษณะเป็นพ มลกษณะเปนพู (lobe) สองพอย่คนละข้างของนิวเคลียส<br />

สองพูอยูคนละขางของนวเคลยส<br />

บางครั้งเรียกว่ามีรูปร่างแบบดัมเบล (dumbbell shaped) ซึ ่งอิเล็ก<br />

ตอรนของอะตอมจะเคลือนทีอยู่ในพูทังสองเป็นเวลาเท่าๆ ่ ั้ ่ กัน ั และ<br />

ตรงบริเวณนิวเคลียสจะไม่พบอิเล็กตรอนเลย<br />

* เนื ่องจาก p-orbital มีทิศทางต่างกัน 3 ทิศทาง จึงมีชื ่อเรียก<br />

แตกต่างกันเป็น p x , p y และ p x ออร์บิทัล ซึ ่งทั้งสามออร์บิทัลนี ้จะ<br />

ตั้งฉากซึ ตงฉากซงกนและกน ่งกันและกัน ในแนวแกน x, yและ z<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 66


ี<br />

* ในระดับพลังงานเดียวกัน ั ั ี ั p x , p y และ p x ออร์บิทัลทังสามนีจะมี<br />

ิ ั ั้ ้<br />

ระดับพลังงานเท่ากัน เรียกปรากฎการณ์ที<br />

่ออร์บิทัลมีระดับพลังงาน<br />

เท่ากันนี ้ว่า ดีเจนเนอเรซี (degeneracy) ส่วนออร์บิทัลที ่มีระดับ<br />

พลงงานเทากน ั ่ ั เรยกวา ี ่ ดเจนเนอเรท ี ออรบทล ์ ิ ั (degenerate<br />

orbitals)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 67


Figure 6.19 (a) Electron distribution in a p orbital (b) Boundary surfaces for the<br />

p x , p y , and p z orbitals.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 217)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 68


รปร่างของ รูปรางของ d-orbital<br />

d orbital มีทั้งหมด มทงหมด 5 ออร์บิทัล ออรบทล แต่ละออร์บิทัลมีรปร่างและการจัด<br />

แตละออรบทลมรูปรางและการจด<br />

ตัวในที ่ว่าง 3 มิติในทิศทางที ่ต่างกัน จึงมีชื ่อเรียกแตกต่างกัน<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 69


Figure 6.20 Boundary surfaces for the d orbitals.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 217)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 70


พลังงานของออร์บิทัล พลงงานของออรบทล (Energies of Orbitals)<br />

พลงงานของออร์บิทลในไฮโดรเจนอะตอมขึนกบค่าของเลข<br />

ั ิ ั ใไโ ้ึ<br />

ั ควอนตัมหลัก (n) เพียงอย่างเดียว เมื ่อ n เพิ ่มขึ ้น ค่าพลังงาน<br />

เพิ ่มขึ ้น ด้วยเหตุนี ้ ออร์บิทัลในเชลล์เดียวกันจะมีพลังงานเท่ากัน<br />

โดยไม่คํานึงถึงสับเชลล์<br />

โดยไมคานงถงสบเชลล<br />

1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d < 4s = 4p = 4d = 4f<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 71


Figure 6.21<br />

Orbital energy levels in the<br />

hydrogen atom. Each box<br />

represents one orbital. Orbitals<br />

with the same principal quantum<br />

number (n) all have the same<br />

energy.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009,<br />

page 218)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 72


6.7.1 จงหาจํานวนออร์บิทัลในสับเชลล์ 5f แบบฝึ กหัดทบทวน<br />

1) 5<br />

2) 7<br />

3) 14<br />

4) 16<br />

6.7.2 พลังงานของออร์บิทัลในไฮโดรเจนอะตอมขึ<br />

พลงงานของออรบทลในไฮโดรเจนอะตอมขนกบ ้นกับ<br />

1) n, l และ m l<br />

2) n และ l<br />

3) n อย่างเดียว<br />

4) l อย่างเดียว<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 73


ู<br />

์<br />

6.7.3 ในไฮโดรเจนอะตอม ออร์บิทัลใดที ่มีพลังงานสูงกว่า 3s ออร์บิทัล<br />

1) 3p 2) 4s<br />

3) 2p 4) 3d 5) 4p<br />

6.7.4 ข้อใดแสดงเลขควอนตัม n, l และ m l ของ 3p ออร์บิทัล<br />

1) 3, 0, 0<br />

2) 3, 1, 0<br />

3) 3, 2, −11<br />

4) 1, 1, −2<br />

5) 1, 3, 1<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 74


การจัดเรียงอิเล็กตรอน การจดเรยงอเลกตรอน (Electron Configuration)<br />

พลังงานของอะตอมิกออร์บิทัลในระบบที่มีหลายอิเล็กตรอน<br />

Figure 6.22 Comparison of the emission i spectra of H and He.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009, page 219)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 75


Figure 6.23<br />

Orbital energy levels in many-<br />

electron atoms. For a given value<br />

of n, orbital energy increase with<br />

the value of l.<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw Hill, 2009,<br />

page 220)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 76


หลักการกีดกันของเพาลี<br />

(The Pauli Exclusion Principle)<br />

* การบรรจุอเลกตรอนลงในออรบทลตองเปนไปตามหลกการกด<br />

ิ ็ ์ ิ ั ้ ป็ ั ี<br />

กันของเพาลี ซึ ่งกล่าวไว้ว่า อิเล็กตรอน 2 ตัวของอะตอมใดๆ จะมี<br />

ชุดของค่าเลขควอนตัม n, l, m และ m l s ที ่เหมือนกันไม่ได้<br />

ดังนั้นอิเล็กตรอนที ดงนนอเลกตรอนทอยูในออรบทลเดยวกนซงมเลขควอนตม ่อย่ในออร์บิทัลเดียวกันซึ ่งมีเลขควอนตัม 3 ตัว ตว<br />

แรก คือ n, l และ m l เหมือนกันอยู่แล้ว จะต้องมี m s ต่างกัน<br />

หรือมีสปินตรงข้ามกัน<br />

* อิเล็กตรอนจะอยู่ในออร์บิทัลเดียวกันได้ไม่เกิน 2 ตัว<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 77


การแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนใน<br />

การแสดงการจดเรยงอเลกตรอนใน<br />

อะตอมิกออร์บิทัลของไฮโดรเจนอะตอม<br />

ในสภาวะพืน ้ื<br />

จํานวนอิเล็กตรอน จานวนอเลกตรอน<br />

ในออร์บิทัลหรือ<br />

สับเชลล์<br />

เลขควอนตัมหลัก<br />

n<br />

เลขควอนตัม เลขควอนตม<br />

โมเมนตัมเชิงมุม l<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 78


การแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมิกออร์บิทัลโดยใช้<br />

การแสดงการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอมกออรบทลโดยใช<br />

แผนภาพออร์บิทัล (orbital diagram)<br />

H<br />

He<br />

1s<br />

ground state<br />

1s<br />

ground state<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 79


ุ<br />

หลักการเอาฟบาว หลกการเอาฟบาว (The Aufbau Principle)<br />

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตที<br />

การจดเรยงอเลกตรอนของธาตุทมหลายอเลกตรอน ่มีหลายอิเล็กตรอน อาจเริ อาจเรมจาก ่มจาก<br />

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของไฮโดรเจน แล้วค่อยๆ เพิ ่มจํานวน<br />

อิเล็กตรอนให้สอดคล้องกับจํานวนนิวตรอนและโปรตอนทีมีได้ใน<br />

็ ้ ้ ั ํ ิ ่ี<br />

ีไ ้ใ<br />

ธาตุนั้นๆ หลักการนี ้เรียกว่า หลักการเอาฟบาว หรือหลักการสร้าง<br />

i<br />

2 1<br />

Li: 1s 2 2s 1 1s 2s<br />

Be: 1s 2 2s 2<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 80<br />

1s<br />

2s


ุ<br />

กฎของฮนด์ กฎของฮุนด (Hund’s Rule)<br />

การจดเรยงอเลกตรอนของอะตอมในสถานะพนยงตองเปนไป<br />

ั ี ิ ็ ใส ้ื<br />

ั ้ ป็ ตามกฎของฮุนด์ ซึ ่งกล่าวว่า การจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที ่มี<br />

พลังงานเท่ากัน จะต้องทําให้มีอิเล็กตรอนเดี ่ยวมากที ่สุดเท่าที ่จะทํา<br />

ได้<br />

สําหรับออร์บิทัลที ่มีพลังงานเท่ากัน เช่น p-orbital และ d-<br />

orbital การจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบเต็มครึ<br />

่งหนึ ่ง ่ (half-filled)<br />

หรือแบบเต็มพอดี หรอแบบเตมพอด (filled) มักทําให้อะตอมเสถียรเป็นพิเศษ<br />

มกทาใหอะตอมเสถยรเปนพเศษ<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 81


การจดเรียงอิเลกตรอนของโบรอน ั ิ ็ (B) ถึงนีออน ี (Ne)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 82


การจดเรียงอิเลกตรอนของโบรอน ั ิ ็ (B) ถึงนีออน ี (Ne)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 83


การจดเรียงอิเลกตรอนของโซเดียม ั ิ ็ ี (Na) และแมกนีเซียม ี (Mg)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 84


กฎทั่วไปในการเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอน<br />

กฎทวไปในการเขยนการจดเรยงอเลกตรอน<br />

(General Rules for Writing Electron Configuration)<br />

1. อิเล็กตรอนจะเข้าบรรจุในออร์บิทัลที ่ว่างที ่มีระดับพลังงานตํ ่าสุด<br />

เท่าที<br />

่เป็นไปได้<br />

2. แต่ละออร์บิทัลจะมีอิเล็กตรอนมากที<br />

แตละออรบทลจะมอเลกตรอนมากทสุดเพยง ่สดเพียง 2 ตัว ตว<br />

3. อิเล็กตรอนจะไม่เข้าคู่ในออร์บิทัลที ่มีระดับพลังงานเท่ากัน<br />

(degenerate) ถ้ายังมีออร์บิทัลทีว่างเหลืออยู่<br />

่<br />

4. ออร์บิทัลจะเข้าบรรจตามลําดับที ุ ่แสดงในภาพ 6.23<br />

ภาพ 6.24 จะช่วยให้การจัดเรียงอิเล็กตรอนง่ายขึ ้น (จํา)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 85


n = 1<br />

n = 2<br />

n = 3<br />

Figure 6.24<br />

A simple way to remember the order<br />

in which orbitals fill with electrons.<br />

n = 4<br />

n = 5<br />

n = 6<br />

n = 7<br />

(Chemistry, Burdge, McGraw-Hill, 2009,<br />

page 222)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 86


การจัดเรียงอิเล็กตรอนและตารางธาตุ<br />

(Electron Configurations and The Periodic Table)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 87


Figure 5.18 Blocks of the periodic table, corresponding to filling the<br />

different kinds of orbitals.<br />

(Chemistry 5e, McMURRY, Prentice Hall, 2008, page 174)<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 88


Figure 5.17 Outer-shell, ground-state electron configuration of the elements.<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

(Chemistry 5e, McMURRY, Prentice Hall, 2008, page 172)<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 89


เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 90


6.8.1 ข้อใดแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอม Ti ถูกต้อง<br />

1) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 4<br />

2) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d<br />

2<br />

3) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10<br />

4) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10<br />

5) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 4<br />

6.8.2 ธาตุใดที ่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนดังนี ้<br />

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 4<br />

1) Br 2) As<br />

3) S 4) Se 5) Te<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 91


6.8.2 ธาตุใดทีมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนดังนี<br />

่ ้<br />

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p<br />

4<br />

1) Br<br />

2) As<br />

3) S<br />

4) Se<br />

5) Te<br />

เตรียมและบรรยายโดย:<br />

ผศ.ดร. สมศักดิ ์ ศิริไชย 92

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!