แบบจำลองอะตอม 3

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr)  มีข้อจำกัดที่ไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ได้มีการศึกษาเพิ่มเติมจนได้ข้อมูลที่เชื่อว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น  โดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในลักษณะของคลื่นนิ่ง  บริเวณที่พบอิเล็กตรอนได้พบได้หลายลักษณะเป็นรูปทรงต่าง ๆ ตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอน  จากการใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัมสร้างสมการขึ้นเพื่อคำนวณหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ พบว่าแบบจำลองนี้อธิบายเส้นสเปกตรัมได้ดีกว่าแบบจำลองอะตอมของโบร์  โดยแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกกล่าวไว้ดังนี้     1. อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม  จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมได้     2. มีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้น  ทำให้สร้างมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส     3. บริเวณที่กลุ่มหมอกทึบแสดงว่าโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มหมอกจาง”

      การแสดงแบบจำลองอะตอมในลักษณะที่แสดงถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนทำได้ยาก  แต่จะแสดงในลักษณะที่เป็นลูกกลมแทน  เช่น  ลูกปิงปองหรือลูกกลมพลาสติก เพื่อให้สะดวกต่อการจินตนาการถึงอะตอมของธาตุได้ง่าย
     ในปี ค.ศ. 1924  หลุยส์ เดอ บรอยส์ (Lois de Brolie)  ให้ความเห็นว่า “ถ้าแสงมีพฤติกรรมคล้ายกับว่าประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ (โฟตอน : photon)  ดังนั้นอนุภาคขนาดเล็กก็สามารถประพฤติตัวได้ทำนองเดียวกัน  คือมีสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค”  ด้วยสมมติฐานนี้ ทำให้โครงสร้างของอะตอมมีความกระจ่างชัดมากขึ้นและสามารถเข้าใจปรากฏการณ์บางอย่างที่ขัดต่อทฤษฎีอะตอมของโบร์ได้  เช่น  อธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดอิเล็กตรอนจึงไม่ถูกโปรตอนดึงดูดเข้าไปในนิวเคลียส  โดยพิจารณาว่าอิเล็กตรอนประพฤติตัวเป็นคลื่นนิ่งรอบนิวเคลียสนั่นเอง  และอธิบายได้ว่าในการเกิดพันธะเคมี  เพราะเหตุใดอิเล็กตรอนจึงเข้าคู่กันได้โดยไม่ผลักกัน  โดยให้พิจารราว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นซึ่งสามารถเกิดการแทรกสอดกันได้
     เมื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสในวงโคจรที่เสถียรคือเป็นคลื่นนิ่ง  ความยาวของเส้นรอบวงจะมีค่าเป็นจำนวนเท่าของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนนั้น  ซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีของโบร์  ระดับชั้นของวงโคจรแบ่งเป็นชุดหลักได้เป็นระดับชั้น (shell)  K , L , M , N , O , . . . หรือเรียกว่าระดับพลังงานที่  1 , 2 , 3 , . . .  ตามลำดับโดยที่ระดับพลังงานที่ 1 จะมีค่าพลังงานต่ำสุด  นั่นคือจะต้องใช้พลังงานมากที่สุดในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม  เนื่องจากมีวงโคจรอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด  และในแต่ละระดับชั้นจะมีอิเล็กตรอนเป็นจำนวนไม่เกิน 2n²  คือมีจำนวนเป็น 2 , 8 , 18 , 32  ตามลำดับ  (เมื่อ  n  คือระดับพลังงาน)  โดยอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด (valence electron)  จะมีได้ไม่เกิน 8 อิเล็กตรอน

ตารางแสดงระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย

ระดับพลังงานหลัก (n)	ระดับพลังงานย่อย (l)	ชื่อของระดับพลังงานย่อย
1	0	s
2	0 , 1	s , p
3	0 , 1 , 2	s , p , d
4	0 , 1 , 2 , 3	s , p , d , f
5	0 , 1 , 2 , 3 , 4	s , p , d , f , g

     ระดับพลังงานย่อย  s , p , d , f  สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้  2 , 6 , 10 , 14 อิเล็กตรอนตามลำดับ  โดยอิเล็กตรอนจะอยู่ด้วยกันเป็นคู่กระจายอยู่ในออร์บิทัล (orbital)  หรือระดับพลังงานที่เป็นค่าโมเมนตัมเชิงแม่เหล็ก (m)  ที่ระดับพลังงานย่อย s , p , d และ f   กระจายออกมา  โดยค่าโมเมนตัมเชิงแม่เหล็กจะมีค่าตั้งแต่  – l  ถึง  l

เมื่อ	l  =  0  m  =  0		s
เมื่อ	l  =  1  m  =  –1 , 0 , 1		p
เมื่อ	l  =  2  m  =  –2 , –1 , 0 , 1 , 2		d
เมื่อ	l  =  3  m  =  –3 , –2 , –1 , 0 , 1 , 2 , 3		f
	แทน  ออร์บิทัล   แทน  คู่อิเล็กตรอน

     ระดับพลังงานย่อย  s , p , d และ f   จึงบรรจุอิเล็กตรอนได้  2 , 6 , 10 , 14 อิเล็กตรอน  ตามลำดับ  ส่วนอิเล็กตรอนที่เข้าคู่กันนั้นจะมีทิศทางการหมุนตรงข้ามกัน (s)  เพื่อให้เกิดการดึงดูดทางแม่เหล็กกันได้  จึงมีการหมุนเป็น 2 ค่า คือ  +1/2 และ –1/2
     ดังนั้น แต่ละอิเล็กตรอนจะมีค่าพลังงานที่ไม่ซ้ำกันเลย  พิจารณาจากตัวเลขระดับพลังงานต่าง ๆ ได้แก่  ระดับพลังงานหลัก  ระดับพลังงานย่อย  ค่าโมเมนตัมเชิงแม่เหล็ก  และการหมุนของอิเล็กตรอน  ซึ่งเรียกตัวเลขจ่าง ๆ นี้ว่า “เลขควอนตัม” (quantum number) และจะเรียกระดับพลังงานต่าง ๆ โดยระบุระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย  เช่น  2s คือระดับพลังงานย่อย s  ที่อยู่ในระดับพลังงานหลัก n = 2  เป็นต้น

ตารางแสดงระดับพลังงาน  โมเมนตัวเชิงแม่เหล็ก  และออร์บิทัล

ระดับพลังงานหลัก (n)	ระดับพลังงานย่อย (l)	โมเมนตัมเชิงแม่เหล็ก	ชื่อออร์บิทัล	จำนวนออร์บิทัล
1	0	0	1s	1
2	0 1	0 –1 , 0 , 1	2s 2p	1 3
3	0 1 2	0 –1 , 0 , 1 –2 , –1 , 0 , 1 , 2	3s 3p 3d	1 3 5
4	0 1 2 3	0 –1 , 0 , 1 –2 , –1 , 0 , 1 , 2 –3 , –2 , –1 , 0 , 1 , 2 , 3	4s 4p 4d 4f	1 3 5 7

    สำหรับการจัดอิเล็กตรอนลงในระดับพลังงานต่าง ๆ ของอะตอมนั้นสามารถทำได้ใน  2  ลักษณะ  คืออย่างง่าย  โดยการจัดเรียงเข้าในระดับพลังงานหลัก  และอย่างละเอียด  โดยการจัดเรียงที่พิจารราถึงระดับพลังงานย่อยด้วย  ซึ่งสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ได้ดีและแม่นยำกว่า