โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 1/35 หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 2/35 สาระสำคัญ ธาตุของทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ เป็นจำนวนมากเรียกว่า อะตอม อะตอมของธาตุประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานหลายชนิด คือ โปรตอน นิวตรอน และอิเลคตรอน เป็นอนุภาคไฟฟ้าลบ ที่สามารถเคลื่อนที่หลุดจากวงโคจรได้ง่าย โดยที่การยึดเหนี่ยวของอะตอมในแต่ละธาตุ จะมีลักษณะที่แตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุ การจัดเรียงตัวของอิเลคตรอนจะวางเรียงกันเป็นชั้นๆ โดยรอบนิวเคลียสของอะตอม อะตอมหลายๆ อะตอมรวมตัวกันเป็นผลึกและมีรูปแบบโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน

จุดประสงค์ 1. นักศึกษาสามารถบอกส่วนประกอบโครงสร้างอะตอมได้ถูกต้อง วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 3/35 จุดประสงค์ 1. นักศึกษาสามารถบอกส่วนประกอบโครงสร้างอะตอมได้ถูกต้อง 2. นักศึกษาสามารถบอกลักษณะโครงสร้างผลึกต่าง ๆ ได้ถูกต้อง 3. นักศึกษาสามารถบอกสาเหตุข้อบกพร่องภายในผลึกได้ถูกต้อง 4. นักศึกษาสามารถอธิบายสารผสมได้ถูกต้อง

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 4/35 อะตอม อะตอมซึ่งมาจากคำในภาษากรีก จึงแปลว่า สิ่งซึ่งแบ่งแยกไม่ได้ แต่เมื่อ ค.ศ.1900 (พ.ศ.2443) นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าที่วิ่งผ่านไปในสูญญากาศทำให้สรุปว่าอะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมทุกตัวประกอบด้วยอนุภาค ที่เล็กกว่าอะตอมลงไปอีก อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อนุภาคอะตอมย่อย (Sub-atomic Particle)

โครงสร้างอะตอม ประกอบด้วย วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 5/35 โครงสร้างอะตอม ประกอบด้วย อิเล็กตรอน โปรตรอน นิวตรอน

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 6/35 อะตอมนั้นเมื่อเป็นอิสระจะมีจำนวนโปรตรอนกับอิเล็กตรอนเท่ากัน และน้ำหนักของอะตอมเท่ากับน้ำหนักของโปรตรอนรวมกับนิวตรอน ซึ่งจำนวนโปรตรอนหรืออิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมแต่ละอะตอมนั้นจะมีชื่อเรียกว่า เลขอะตอม (Atomic Number) วงโคจรของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่โดยรอบนิวเคลียส และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้น จะมีลักษณะที่แตกต่างกันเป็นชั้นๆ และในแต่ละชั้นก็จะมีระดับพลังงานที่แตกต่างกันด้วยชั้นของการเคลื่อนที่เหล่านี้เราเรียกว่า เชลล์ (Shell) หรือออบิต (Orbit) ซึ่งในแต่ละเชลล์นั้น จะมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดไม่เท่ากัน

แสดงจำนวนอิเลคตรอนในแต่ละเชลล์ วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 7/35 แสดงจำนวนอิเลคตรอนในแต่ละเชลล์ ลำดับของเชลล์ ชื่อเชลล์ จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุด เชลล์วงที่ 1 (ในสุด) เชลล์ เค (Shell-K) 2 ตัว เชลล์วงที่ 2 เชลล์ แอล (Shell-L) 8 ตัว เชลล์วงที่ 3 เชลล์ เอ็ม (Shell-M) 18 ตัว เชลล์วงที่ 4 เชลล์ เอ็น (Shell-N) 32 ตัว เชลล์วงที่ 5 เชลล์ โอ (Shell-O) 50 ตัว เชลล์วงที่ 6 เชลล์ พี (Shell-P) 72 ตัว

ลักษณะของเชลล์และจำนวนอิเล็กตรอน วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 8/35 ลักษณะของเชลล์และจำนวนอิเล็กตรอน

การยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม (Atomic Bonds) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 9/35 การยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม (Atomic Bonds) ธาตุต่าง ๆ ที่มีรูปร่างอยู่ได้นั้น เกิดจากการรวมตัวของอะตอมหรือโมเลกุล โดยมีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกัน และยึดเหนี่ยวดังกล่าวมี 4 ลักษณะดังนี้ 1. Ionic Bond 2. Homopolar Bond หรือ Covalent Bond 3. Metallic Bond 4. Van der Waal Forces

การยึดเหนี่ยวแบบ Ionic Bond วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 10/35 การยึดเหนี่ยวแบบ Ionic Bond

การยึดเหนี่ยวแบบ Homopolar Bond หรือ Covalent Bond วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 11/35 การยึดเหนี่ยวแบบ Homopolar Bond หรือ Covalent Bond

การยึดเหนี่ยวแบบ Metallic Bond วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 12/35 การยึดเหนี่ยวแบบ Metallic Bond

+ - การยึดเหนี่ยวแบบ Van der Waal Forces อะตอม A อะตอม B แรงดึงดูด วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 13/35 การยึดเหนี่ยวแบบ Van der Waal Forces อะตอม A อะตอม B + - แรงดึงดูด กลุ่มหมอกอิเล็กตรอน กลุ่มหมอกอิเล็กตรอน

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 14/35 โครงสร้างผลึก หมายถึง การเรียงตัวของอะตอมโดยการเชื่อมโยงต่อกันเป็นโครงข่ายเป็นกลุ่มก้อนที่มีระบบ ระเบียบ และรูปแบบที่แน่นอนเรียกว่าโครงสร้างผลึก (Crystal Structure) ส่วนอะตอมที่จะเรียงตัวกันเป็นรูปแบบที่ไม่แน่นอน หรือการจัดเรียงตัวเป็นระเบียบในช่วงเวลาหนึ่งแต่ในระยะยาวการเรียงตัวไม่เป็นระเบียบ ลักษณะเช่นนี้เราเรียกว่า โครงสร้างพื้นฐาน (Amorphous Structure)

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 15/35 ระบบผลึก ระบบโครงสร้างของผลึก สามารถจัดเรียงตัวอะตอมลงในอะตอมลงในสเปซแลตทิช ได้ 14 แบบ โดยในแต่ละแบบ สามารถจัดรวมเป็นกลุ่มเป็นพวกๆ โดยพิจารณาถึงรูปร่างของผลึกได้เป็น 7 ระบบ

โครงสร้างผลึก วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 16/35 โครงสร้างผลึก

แสดงลักษณะรูปแบบของหน่วยเซลล์ วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 17/35 แสดงลักษณะรูปแบบของหน่วยเซลล์

โครงสร้างผลึกของโลหะ วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 18/35 แบบเฮกซะโกนอล-โคลสแพ็ก แบบเฟซ-เซ็นเตอร์คิวบิก แบบบอดี้เซ็นเตอร์คิวบิก โครงสร้างผลึกของโลหะ

แบบบอดี้ เซ็นเตอร์คิวบิก (Body-Center Cubic หรือ BCC) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 19/35 แบบบอดี้ เซ็นเตอร์คิวบิก (Body-Center Cubic หรือ BCC)

แบบเฟซ-เซ็นเตอร์คิวบิก (Face Centered Cubic หรือ FCC) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 20/35 แบบเฟซ-เซ็นเตอร์คิวบิก (Face Centered Cubic หรือ FCC)

ระบบผลึกแบบเฮกซาโกนอล โคลส แพ็ก (Hexagonal-Close-Packed หรือ HCP) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 21/35 ระบบผลึกแบบเฮกซาโกนอล โคลส แพ็ก (Hexagonal-Close-Packed หรือ HCP)

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 22/35 ตำแหน่งอะตอม ตำแหน่งของอะตอมในทางผลึกวิทยาการกำหนดตำแหน่งมักจะกำหนดเป็น กลุ่มตัวเลขคือ 000 คือตำแหน่งของอะตอมที่อยู่ที่มุมของหน่วยเซลล์

ลักษณะตำแหน่งอะตอมของโครงสร้างผลึกแบบ BCC วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 23/35 ลักษณะตำแหน่งอะตอมของโครงสร้างผลึกแบบ BCC

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 24/35 ทิศทางของผลึก ทิศทางในผลึกบอกทิศทางการเปลี่ยนรูปของระนาบในหน่วยเซลล์ เนื่องจากหน่วยเซลล์มีระยะแลตทิชพารามิเตอร์ที่ไม่เท่ากัน การบอกทิศทางของผลึกจะบอกเป็นตัวเลข 3 ตัว เขียนอยู่ในวงเล็บใหญ่ กรณีที่ผลึกมีรูปแบบเป็นลูกบาศก์และ 4 ตัวในกรณีที่ผลึกเป็นแบบรูป หกเหลี่ยม ซึ่งเรียกว่าดรรชนีมิลเลอร์ (Miller Indices)

ลักษณะทิศทางของเวกเตอร์ A,B,C และ D วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 25/35 ลักษณะทิศทางของเวกเตอร์ A,B,C และ D

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 26/35 ระนาบในผลึก ระนาบในผลึก กลุ่มอะตอมที่เรียงตัวกันเป็นรูป 2 มิติ ในวิชาผลึกวิทยา จะเรียกรูป 2 มิติว่าระนาบ (Plane) นายมิลเลอร์ ได้กำหนดสัญลักษณ์แทนระนาบขึ้นเรียกว่า ดรรชนีมิลเลอร์ (Miller Indices) เขียนแทนกลุ่มเป็นตัวเลข 3 ตัว กรณีผลึกเป็นลูกบาศก์และ 4 ตัว กรณีที่ผลึกเป็นหกเหลี่ยม

ลักษณะระนาบ A,B, และ C ของผลึกแบบลูกบาศก์ วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 27/35 ลักษณะระนาบ A,B, และ C ของผลึกแบบลูกบาศก์

ตัวอย่างของแข็งอสัณฐาน ได้แก่ แก้ว ขี้ผึ้ง แอสฟัลด์ พลาสติก วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 28/35 โครงสร้างอสัณฐาน ของแข็งบางชนิดไม่เป็นผลึก อนุภาคของมันจะอยู่ปะปนกันอย่างไม่เป็นระเบียบ คล้ายกับที่เป็นอยู่ภายในของเหลว ของแข็งประเภทนี้เรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน ตัวอย่างของแข็งอสัณฐาน ได้แก่ แก้ว ขี้ผึ้ง แอสฟัลด์ พลาสติก

ความบกพร่องของผลึก (Crystal Defection) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 29/35 ความบกพร่องของผลึก (Crystal Defection) ความบกพร่องแบบจุด (Point Defection) การเกิดที่ว่าง (Vacancy) อะตอมแทรกตัว (Interstitials) อะตอมเข้าแทนที่ (Substitution Atom) อิออนผิดตำแหน่ง (Franked Defect) เกิดที่ว่างอิออนคู่ (Scotty ) ความบกพร่องแบบแนวหรือเส้น (Line Defection) แนวบกพร่องแบบขอบ (edge Dislocation) แนวบกพร่องแบบเกลียว (Screw Dislocation)

ความบกพร่องในระนาบ (Planar Defection) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 30/35 ความบกพร่องในระนาบ (Planar Defection) ขอบเกรน (Grain Boundary) ระนาบคู่แฝด (Twin Plane) ระนาบเอียง (Till Boundary) การเข้ากลุ่มที่ผิดพลาด (Stacking Fault)

การเกิดสารผสม (Alloys) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 31/35 การเกิดสารผสม (Alloys) ธาตุหรือสารประกอบอาจจะสามารถละลายรวมกันได้ทั้งในสภาพของเหลวหรือของแข็งสารละลายในสถานะของแข็งเราเรียกว่า สารละลายของแข็ง (Solid Solution) การละลายในสภาพของแข็ง เช่น นิกเกิลกับทองแดงสามารถละลายรวมกันได้ทุกส่วนผสมทั้งสภาพของแข็งและของเหลวอาจเรียกว่ามีความสามารถในการละลายในสภาพของแข็ง (Solid Solubility)ได้ดี การละลายในสถานะของแข็งมีอยู่ 2 ชนิดใหญ่ สารละลายของแข็งแบบแทนที่ (Substitution Solid Solution) สารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial Solid Solution)

สารละลายของแข็งแบบแทนที่ (Substitution Solid Solution) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 32/35 สารละลายของแข็งแบบแทนที่ (Substitution Solid Solution) แสดงลักษณะการแทนที่แบบเป็นระเบียบ การแทนที่แบบไม่เป็นระเบียบ

สารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial Solid Solution) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 33/35 สารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial Solid Solution) ลักษณะการแทรกตัวของกลุ่มอะตอม

โครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous Strueture) วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 34/35 โครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous Strueture) ของแข็งบางชนิดไม่เป็นผลึก อนุภาคของมันจะอยู่ปะปนกันอย่างไม่เป็นระเบียบ คล้ายกับที่เป็นอยู่ภายในของเหลว ของแข็งประเภทนี้เรียกว่า ของแข็งอสัณฐานตัวอย่างของแข็งอสัณฐาน ได้แก่ แก้ว ขี้ผึ้ง พลาสติก เป็นต้น ของแข็งอสัณฐานนั้นจะไม่หลอมเหลวที่อุณหภูมิหนึ่งอุณหภูมิใดโดยเฉพาะ เมื่อได้รับความร้อนจะค่อย ๆ อ่อนตัวแล้วจึงเหลวไหลไปมาได้และถ้าทำให้เย็นลงจะข้นขึ้นเป็นลำดับในที่สุดก็แข็งตัว

วิชาวัสดุและโลหะวิทยา (3103-2007) สื่อประกอบการสอน หน่วยที่ 3 โครงสร้างอะตอมและโครงสร้างผลึก แผ่นที่ 35/35 บทสรุป วัสดุที่พบและใช้งานในปัจจุบันมีหลายชนิดอาจจะมีคุณสมบัติบางประการเหมือนกันบางประการแตกต่างกัน แต่จากการศึกษาของวิชาการหลายๆ แขนง ได้กล่าวไว้ว่า ประมาณ 3 ใน 4 ของสารทั้งหมดเป็นโลหะ ฉะนั้นเมื่อกล่าวถึงโครงสร้างของโลหะ โดยทั่วไปก็จะเป็นการกล่าวถึงโครงสร้างของธาตุหรือสารนั่นเอง ดังนั้นการศึกษาในส่วนของระบบผลึก และโครงสร้างของอะตอม ของวัสดุหลังจากที่ได้ผ่านการแปรรูป หรือการผลิตออกมาแล้วนั้น จะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาในสภาวะที่วัสดุได้รับอิทธิพลของความร้อนจากการเชื่อม เพื่อสามารถคาดการณ์ถึงอนาคตข้างหน้าในระหว่างการใช้งานของวัสดุได้