ผู้ค้นพบ
นีลส์
โบร์(Niels Bohr)
วิธีทำการทดลอง
เขาศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ
โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป
ผลการทดลอง
อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน
จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง
ๆ ตกบนฉากรับภาพ
สรุปผลการทดลอง
การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน
เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง
ๆ
ระดับพลังงานแต่ละชั้น คำนวณจาก
เมื่อ 2.18 X
10-18
J = ค่าคงที่ของริดเบิร์ก(Rydberg constant)
n
= เลขควอนตัมหลัก = 1, 2, 3, ...
แทนค่า
ในสภาวะปกต ิ อิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนจะอยู่ที่ระดับพลังงาน
n=2 ซึ่งมีพลังงาน -0.545 X
10-18 J
ในสภาวะกระตุ้น
เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนได้รับพลังงานที่เพียงพอค่าหนึ่งจะถูกกระตุ้นไปยังสภาวะกระตุ้น(excited
state) เช่น เมื่ออิเล็กตรอนดูดกลืนพลังงาน 0.303
X
10-18 J อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นจาก n=2 ไปยังระดับพลังงาน
n=3 พลังงานนี้คำนวณได้จากความแตกต่างของพลังงาน(D E)
ของระดับพลังงานตั้งต้น(Ei ) กับระดับพลังงานสุดท้าย(Ef )
ดังสมการ
D E
= Ef - Ei
D E
= E3 - E 2
= (-0.242 X
10-18 J ) - (-0.545 X
10-18 J ) = 0.303
X
10-18 J
Note: พลังงานที่ได้มีค่าเป็นบวก 0.303
X
10-18 J แสดงว่าอิเล็กตรอนดูดกลืนพลังงาน
0.303
X
10-18 J
กลับสู่สภาวะปกต ิ
อิเล็กตรอนอยู่ที่ระดับพลังงานที่ 3 ไม่นานเพราะระดับนี้ไม่เสถียร
ก็จะปล่อยพลังงานออกมาเพื่อกลับมาอยู่ที่ระดับพลังงานที่ 2 นั่นคือจาก
n=3 ไป n=2 อิเล็กตรอนปล่อยพลังงานออกมา 0.303 X
10-18 J
D E
= Ef - Ei
D E
= E2
- E3
= ( -0.545
X
10-18 J ) - ( -0.242
X
10-18 J ) = -0.303
X
10-18 J
Note: พลังงานที่ได้มีค่าเป็นลบ
0.303
X
10-18 J แสดงว่าอิเล็กตรอนคายพลังงาน
0.303
X
10-18 J
พลังงานที่ปล่อยออกมานี้มีความยาวคลื่น
656.3 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นของแสงสีแดง ที่อยู่ในช่วงที่ตามองเห็น
เราจึงเห็นเส้นสเปกตรัมสีแดงปรากฎบนฉากรับภาพ คำนวณจาก
เมื่อ D E
= ความแตกต่างของพลังงานระหว่าง 2 ระดับพลังงาน
h
= ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.626 X
10-34 Js
c
= ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ
= 2.997
X 108 m/s
=
ความยาวคลื่น หน่วยเป็นเมตร(m)
แทนค่า
ดังนั้น การเปลี่ยนระดับพลังงานจาก n=3
n=2 เกิดสเปกตรัมสีแดง ส่วน n=4
n=2, n=5 n=2
และ n=
n=2 นั้นให้สีของเส้นสเปกตรัมไม่เหมือนกัน ดังตาราง
ni (ระดับพลังงานเริ่มต้น)
nf (ระดับพลังงานสิ้นสุด)
ความยาวคลื่น(นาโนเมตร)
เส้นสเปกตรัม
3
2
656.3
สีแดง
4
2
486.1
สีน้ำทะเล
5
2
434.0
สีน้ำเงิน
2
410.2
สีม่วง
แบบจำลองอะตอมของโบร์
หมายเหตุ
ภาพแสดงอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสไม่ได้แสดงความเร็วของอิเล็กตรอนที่แท้จริง
อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อยู่ภายในนิวเคลียส ส่วนอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบ
ๆ นิวเคลียสเป็นชั้น ๆ หรือเป็นระดับพลังงานซึ่งมีค่าเป็นขั้น ๆ อย่างเด็ดขาด
ไม่มีค่าที่ต่อเนื่องกัน
ประโยชน์ที่เราสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้จากงานของโบร์
1. ธาตุทุกธาตุเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้น
จะเปล่งแสงออกมาได้เฉพาะตัว จึงมีประโยชน์อย่างมากในงานเคมีวิเคราะห์
เพื่อระบุว่าตัวอย่าง (sample) นั้นมีอะตอมของธาตุใดเป็นองค์ประกอบ
2.หลอดไฟ แสงจากหลอดไฟเกิดจากการระดมยิงอะตอมของธาตุเช่น
ปรอท, โซเดียม ด้วยอิเล็กตรอน ดังสมการ
Hg
+ พลังงาน -> Hg*
Hg*
-> Hg + แสงสีเขียวอมฟ้า
จากสมการจะได้ว่า เมื่อให้พลังงานกับอะตอมของธาตุปรอทจะทำให้อิเล็กตรอนของปรอทขึ้นไปอยู่ที่สภาวะกระตุ้น(excited
state) จากนั้นอิเล็กตรอนจะกลับสู่สภาวะพื้น(ground state) โดยปล่อยพลังงานออกมาซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงที่ตาเรามองเห็นเป็นแสงสีเขียวแกมฟ้า