โครงสร้างอะตอม: อะตอมประกอบด้วยอะไรบ้าง

อะตอมคืออนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุเคมีที่ยังคงคุณสมบัติของธาตุนั้นไว้ อะตอมมีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่าที่คิด โดยมีเพียงสองส่วนประกอบหลัก:

• นิวเคลียส — ศูนย์กลางของอะตอม ประกอบด้วยอนุภาคสองชนิดคือ โปรตอน (ประจุบวก) และ นิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า) นิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก ประมาณ 1 ใน 100,000 ของขนาดอะตอม แต่เป็นที่รวมของมวลกว่า 99.9% ของอะตอม
• เปลือกอิเล็กตรอน — พื้นที่ส่วนที่เหลือของอะตอม ซึ่งมี อิเล็กตรอน (ประจุลบ) ที่มีมวลน้อยเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียส

หากขยายอะตอมให้มีขนาดเท่าสนามฟุตบอล นิวเคลียสจะเป็นเพียงเม็ดถั่วในกลางสนาม ส่วนพื้นที่ที่เหลือคือเปลือกอิเล็กตรอนที่เกือบจะว่างเปล่า

อะตอมทุกชนิดในจักรวาลประกอบขึ้นจากอนุภาคเพียงสามชนิด โดยต่างกันที่จำนวนเท่านั้น การเปรียบเทียบอนุภาคทำได้ง่ายผ่านสามคุณสมบัติ: ประจุ มวล และตำแหน่งที่อยู่

โปรตอนและนิวตรอนมีมวลใกล้เคียงกัน คือประมาณ 1 amu (หน่วยมวลอะตอม) อิเล็กตรอนเบากว่ามาก (ประมาณ 1/1836 เท่า) จึงมักละมวลของอิเล็กตรอนไว้ในการคำนวณ ส่วนประจุของโปรตอนและอิเล็กตรอนมีขนาดเท่ากันแต่มีเครื่องหมายตรงข้ามกัน ตราบใดที่อะตอมมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน อะตอมนั้นจะเป็นกลางทางไฟฟ้า

องค์ประกอบของอะตอมใดๆ อธิบายได้ด้วยตัวเลขสองตัว:

• เลขอะตอม (Z) — จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งก็คือเลขลำดับของธาตุในตารางธาตุ เช่น เลข 1 คือไฮโดรเจน (1 โปรตอน), เลข 8 คือออกซิเจน (8 โปรตอน), เลข 79 คือทองคำ (79 โปรตอน) ดังนั้นในแบบจำลองอะตอม จำนวนโปรตอนจะเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนเสมอ เพื่อให้เป็นกลางทางไฟฟ้า
• เลขมวล (A) — ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส: \(A = Z + N\) โดยที่ N คือจำนวนนิวตรอน ดังนั้นสูตรหลักที่ใช้ในโจทย์คือ \(N = A - Z\)

สัญลักษณ์ของอะตอมเขียนดังนี้: \(^{A}_{Z}\text{X}\) เช่น \(^{35}_{17}\text{Cl}\) คือคลอรีน ซึ่งมี 17 โปรตอน และมีนิวตรอน 35 − 17 = 18 ตัว สรุปขั้นตอนการคำนวณอยู่ด้านล่างนี้

อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างไร้ทิศทาง แต่จะอยู่ใน ระดับพลังงาน (เปลือก) ยิ่งระดับพลังงานอยู่ไกลจากนิวเคลียส ยิ่งบรรจุอิเล็กตรอนได้มากขึ้น โดยคำนวณจากสูตร \(2n^2\):

• ระดับที่ 1 — ไม่เกิน 2 อิเล็กตรอน;
• ระดับที่ 2 — ไม่เกิน 8;
• ระดับที่ 3 — ไม่เกิน 18;
• ระดับที่ 4 — ไม่เกิน 32.

การบรรจุอิเล็กตรอนจะเริ่มจากชั้นในสุดออกไปชั้นนอกสุด เช่น ออกซิเจน (Z = 8) จัดเรียงเป็น 2, 6; โซเดียม (Z = 11) เป็น 2, 8, 1; คลอรีน (Z = 17) เป็น 2, 8, 7 อิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นตัวกำหนดสมบัติทางเคมีของธาตุ

จำนวนระดับพลังงานดูได้จากเลขคาบในตารางธาตุ ในระดับสูงขึ้นจะมีการแบ่งเป็นระดับย่อย s, p, d, f และเขียน การจัดเรียงอิเล็กตรอน เช่น ออกซิเจนคือ 1s²2s²2p⁴

จำนวนโปรตอนของธาตุเปลี่ยนไม่ได้ หากเพิ่มโปรตอนเข้าไปจะกลายเป็นธาตุอื่นทันที แต่นิวตรอนสามารถมีจำนวนต่างกันได้ ไอโซโทป คืออะตอมของธาตุเดียวกันที่มีเลขอะตอม (Z) เท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ส่งผลให้เลขมวล (A) ต่างกัน

ตัวอย่างคลาสสิกคือไฮโดรเจนที่มี 3 ไอโซโทป: โปรเทียม \(^{1}_{1}\text{H}\) (ไม่มีนิวตรอน), ดิวเทอเรียม \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 นิวตรอน) และทริเทียม \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 นิวตรอน) ในทางเคมีไอโซโทปแทบไม่ต่างกันเพราะปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากัน

มวลอะตอมในตารางธาตุจึงเป็นค่าเฉลี่ยของไอโซโทปตามธรรมชาติ เช่น คลอรีนมีมวล 35.45 เพราะในธรรมชาติเป็นส่วนผสมของคลอรีน-35 และคลอรีน-37

คำว่า "อะตอม" มาจากภาษากรีก atomos แปลว่า "แบ่งแยกไม่ได้" ซึ่งเป็นแนวคิดของเดโมคริตุส และจอห์น ดอลตัน ได้สร้างทฤษฎีอะตอมขึ้นมา แต่การค้นพบในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ถึงต้นศตวรรษที่ 20 แสดงให้เห็นว่าอะตอมมีโครงสร้างภายใน

• 1897 — แบบจำลองของทอมสัน (พุดดิ้งลูกเกด): เจ.เจ. ทอมสัน ค้นพบอิเล็กตรอนและเสนอว่าอิเล็กตรอนฝังตัวอยู่ในเนื้อประจุบวกเหมือนลูกเกดในพุดดิ้ง
• 1911 — แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด: จากการยิงอนุภาคแอลฟาผ่านแผ่นทองคำ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด พบว่ามวลและประจุบวกเกือบทั้งหมดรวมอยู่ที่นิวเคลียส และอิเล็กตรอนโคจรรอบๆ เหมือนดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์
• 1913 — แบบจำลองของโบร์: นีลส์ โบร์ ปรับปรุงว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรเฉพาะที่มีระดับพลังงานคงที่ จึงเกิดระดับพลังงานขึ้น
• 1920s — แบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัม: ฟิสิกส์สมัยใหม่มองอิเล็กตรอนเป็น กลุ่มหมอกอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นบริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนได้

วิชาเคมีในโรงเรียนยังคงใช้แบบจำลองของโบร์ (ตามภาพด้านบน) ในการนับอนุภาคและจัดเรียงอิเล็กตรอน ซึ่งเพียงพอต่อการใช้งาน