1 แบบจำลองอะตอม กับ ปฏิกิริยาเคมี

ทฤษฎีควอนตัม (Quantum Theory) 2 ทฤษฎีควอนตัม (Quantum Theory) ในฟิสิกส์แผนเดิม (Classical Physics) เชื่อว่าอะตอม/โมเลกุล สามารถคาย (ดูดกลืน) พลังงานได้ทุกปริมาณต่อเนื่องกัน (Continuous spectrum )

3 ใน ค.ศ. 1900 Max Planck ศึกษารังสีที่ปล่อยจากของแข็งที่ร้อน พบว่า อะตอม /โมเลกุลจะคาย/ดูดกลืนพลังงานเพียงบางค่าเท่านั้น พลังงานน้อยที่สุดที่อะตอม/ โมเลกุลคาย/ดูดกลืน ในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า ควอนตัม ( Quantum )

E = hu Planck’s Law h = Planck ’s constant = 6.63 x 10-34 J.s u = lowest frequency hu = Quantum ตามทฤษฎีควอนตัมของพลังค์ อะตอมดูดกลืนพลังงานเท่ากับผลคูณของเลข จำนวนเต็มบางค่ากับ hu (hu , 2 hu, 3 hu,... )

แบบจำลองของโบร์ (Bohr Model) 5 แบบจำลองของโบร์ (Bohr Model) ค.ศ. 1913 Niels Bohr ตั้งสมมติฐานเพื่ออธิบายไฮโดรเจนอะตอม โดยสรุปว่า

e- ที่อยู่ในวงโคจรเหล่านี้ เรียกว่า อยู่ใน 6 1. e- ในไฮโดรเจนอะตอมเคลื่อนที่เป็นวงกลม รอบนิวเคลียส e- ในอะตอมไม่สามารถมี พลังงานปริมาณใดๆ ได้ทุกค่า แต่จะอยู่ใน วงโคจรที่มีรัศมีบางค่า ซึ่งสอดคล้องกับ พลังงานบางค่าเท่านั้น e- ที่อยู่ในวงโคจรเหล่านี้ เรียกว่า อยู่ใน allowed energy state

n = principal quantum number 7 พลังงานของอิเล็กตรอน ( E ) หาได้จาก E = Z2 -2p2me4 h2 1 n2 m = มวลของ e- = 9.11x10-28g e = ประจุของ e- = 1.60x10-19 C Z = ประจุของนิวเคลียส h = ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.63 x 10-34 J.s n = principal quantum number E = (-2.18x10-18J/atom) Z2 1 n2

DE = E - En = Z2 1 n2 2p2me4 h2 n/ 2 - 2p2me4 h2 = Rydberg constant 8 2. e- ในวงโคจรหนึ่ง เมื่อดูดกลืน/คายพลังงาน จะเปลี่ยนจากวงโคจรหนึ่งไปยังวงโคจรอื่น พลังงานที่ e- ดูดกลืน/คาย หาได้จาก Bohr equation DE = E - En = Z2 1 n2 n j n n/ 2p2me4 h2 n/ 2 - 2p2me4 h2 = 2.18x10-18 J/atom = Rydberg constant = 1312.3 kJ/mol พลังงานที่ e- ดูดกลืน/คายนี้ เป็นไปตามสมการ E = hu

9 Ground State Excited State Radii and energies of three lowest energy orbitals in Bohr model of hydrogen.

แบบจำลองอะตอมของโบร์ 10 แบบจำลองอะตอมของโบร์ อธิบายการเกิด line spectrum และ IE (e- เปลี่ยน วงโคจรจาก n = 1 ฎ n/ = a) ได้ นำความคิดเกี่ยวกับ quantized energy state ของ e- ในอะตอมมาใช้ ใช้ได้กับอะตอมหรือไอออนที่มี 1e- เท่านั้น อธิบายโครงสร้างอะตอม ใน 2 มิติเท่านั้น

แบบจำลองสองทัศนะ (Dual Model) 11 แบบจำลองสองทัศนะ (Dual Model) ค.ศ. 1905 Albert Einstein เสนอว่า แสงมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาค แสงประกอบด้วยอนุภาคที่ไม่มีมวล เรียกว่า โฟตอน (Photon) ซึ่งมีปริมาณพลังงาน เป็นไปตามกฎของพลังค์ (E = hu)

ค.ศ. 1924 Louis de Broglie เสนอว่า 12 ค.ศ. 1924 Louis de Broglie เสนอว่า ถ้าแสงมีพฤติกรรมเหมือนกับเป็นกระแส อนุภาคได้ สสารก็ควรมีสมบัติของคลื่นด้วย

l = = h mv p De Broglie เสนอว่า e- (หรืออนุภาคใดๆ) 13 De Broglie เสนอว่า e- (หรืออนุภาคใดๆ) จะมีความยาวคลื่นเฉพาะ ซึ่งขึ้นกับมวล (m) และ ความเร็ว (v) l = = h mv p De Broglie equation m v = momentum = p h = ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.63 x 10-34 J.s

ตัวอย่าง จงคำนวณความยาวคลื่นของ e- ซึ่งมี 14 ตัวอย่าง จงคำนวณความยาวคลื่นของ e- ซึ่งมี มวล 9.11 x 10-28g เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 40.0% ของความเร็วแสง l = h mv h = 6.63 x 10-34J.s = 6.63 x 10-34 kg s m2 s2 m = 9.11x10-28g 1kg 1000g x = 9.11x10-31kg

ตัวอย่าง (ต่อ) จงคำนวณความยาวคลื่นของ e- 15 ตัวอย่าง (ต่อ) จงคำนวณความยาวคลื่นของ e- ซึ่งมีมวล 9.11 x 10-28g เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 40.0% ของความเร็วแสง v = 2.998 x 108 m s 40.0 100.0 x = 1.20 x 108 m s l = 6.63 x 10-34 kg .s m2 s2 9.11x10-31kg x 1.20 x 108 m s l = 6.07 x 10-12 m

หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg Uncertainly Principle) 16 หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg Uncertainly Principle) เป็นไปไม่ได้ที่จะทราบทั้งโมเมนตัม (p = mv) และตำแหน่งของอนุภาค (d) ได้อย่างถูกต้อง พร้อมๆ กัน Dp Dd ณ h 2p Dp = ความไม่แน่นอนของโมเมนตัมของอนุภาค Dd = ความไม่แน่นอนของตำแหน่งของอนุภาค

ดังนั้นแบบจำลองของโบร์ที่ว่า e- จะเคลื่อนที่อยู่ 17 ดังนั้นแบบจำลองของโบร์ที่ว่า e- จะเคลื่อนที่อยู่ ในวงโคจรโดยมีโมเมนตัมคงที่ จึงไม่ถูกต้อง  Max Born เสนอว่า ถ้าเลือกที่จะทราบพลังงานของ e- ในอะตอมโดยมีความไม่แน่นอนเล็กน้อย จะต้อง ยอมรับ ตำแหน่งของ e- ใน space รอบนิวเคลียสที่ มีความไม่แน่นอนสูง สิ่งที่ทำได้คือ การคำนวณความน่าจะเป็น (probability) ของการพบ e- ใน space ในบริเวณที่กำหนด

สภาพที่น่าจะเป็นไปได้ของอะตอม (The Probability Atom) 18 สภาพที่น่าจะเป็นไปได้ของอะตอม (The Probability Atom) ค.ศ. 1926 Erwin SchrÖdinger อธิบายสมบัติคลื่นของ e- ใน H atom โดยเสนอ wave equation หรือ SchrÖdinger equation

y (psi) = wave function ของ e- (สมบัติคลื่น) 19 พลังงานจลน์ พลังงานศักย์ พลังงานรวม y (psi) = wave function ของ e- (สมบัติคลื่น) m = มวลของ e- (สมบัติอนุภาค) สมการนี้ทำให้เกิด กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) หรือกลศาสตร์คลื่น (Wave mechanics)