à¹à¸à¸£à¸µà¸¢à¸¡à¹à¸¥à¸°à¸à¸£à¸£à¸¢à¸²à¸¢à¹à¸à¸¢ - มหาวิà¸à¸¢à¸²à¸¥à¸±à¸¢à¸à¸¹à¸£à¸à¸²
à¹à¸à¸£à¸µà¸¢à¸¡à¹à¸¥à¸°à¸à¸£à¸£à¸¢à¸²à¸¢à¹à¸à¸¢ - มหาวิà¸à¸¢à¸²à¸¥à¸±à¸¢à¸à¸¹à¸£à¸à¸²
à¹à¸à¸£à¸µà¸¢à¸¡à¹à¸¥à¸°à¸à¸£à¸£à¸¢à¸²à¸¢à¹à¸à¸¢ - มหาวิà¸à¸¢à¸²à¸¥à¸±à¸¢à¸à¸¹à¸£à¸à¸²
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