แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
1. การทดลองของทอมสัน
ทำอย่างไรจึงค้นพบ
ทอมสันได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด
วิธีทำการทดลองและผลการทดลอง
หลอดรังสีแคโทดเป็นหลอดแก้วที่อยู่ในสภาวะความดันต่ำ จนเกือบถึงสุญญากาศ และมีความต่างศักย์ทางไฟฟ้าสูง แล้วบรรจุก๊าซเข้าไป เมื่อให้กระแสไฟฟ้า 10,000โวลต์ แล้ววางฉากเรืองแสงที่ฉาบด้วยซิงค์ซัลไฟต์ (ZnS)ไว้ภายในหลอดจะเห็นเส้นเรืองสีเขียวพุ่งจากแคโทดไปยังแอโนด เรียกรังสีนี้ว่า “รังสีแคโทด”
เพื่อความมั่นใจว่ารังสีนั้นพุ่งจากแคโทดไปยังแอโนดจริงเขาจึงดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ทำให้เขาเห็นรังสีพุ่งเป็นเส้นตรงมาจากแคโทดไปกระทบกับฉากเรืองแสง
เขาทำการทดลองต่อไป เพื่อทดสอบสมบัติของรังสีนี้ โดยเพิ่มขั้วไฟฟ้า 2ขั้วเพื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกเขาจึงสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ
ทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนก๊าซที่บรรจุในหลอด และโลหะที่ใช้เป็นแคโทด แล้วคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคจะได้ค่าคงที่เท่าเดิมทุกครั้ง โดยอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอนุภาคมีค่าเท่ากับ 1.76 x108 คูลอมบ์ต่อกรัม
สรุปผลการทดลอง
– อนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่า อิเล็กตรอน
– อิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบร่วมที่พบในธาตุใดก็ได้เพราะเมื่อเขาทำการทดลองซ้ำโดยเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ใช้เป็นขั้วแคโทดและเปลี่ยนชนิดของก๊าซที่บรรจุ แต่ผลการทดลองยังได้เหมือนเดิม
– อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.76 x108 คูลอมบ์ต่อกรัม
2. การทดลองหยดน้ำมัน (oil drop experiment) ของมิลลิแกน
มิลลิแกน ได้ทำการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีหยดน้ำมัน ทำได้โดย
1. พ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอกซ์ไปดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของก๊าซในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะหยดน้ำมัน พบว่า แต่ละหยดน้ำมันมีอิเล็กตรอนมาเกาะจำนวนไม่เท่ากัน นั่นคือ หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะติดเพียงตัวเดียว บางหยดก็มีมากกว่า 1 ตัว หยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก
2. ให้กระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นประจุทั้งสองทำให้เกิดสนามไฟฟ้า หยดน้ำมันจะตกได้ช้ากว่าเมื่อไม่มีสนามไฟฟ้า อาจทำให้น้ำมันหยุดนิ่งหรือหยดน้ำมันที่แผ่นประจุลบลอยขึ้นไปหาแผ่นประจุบวกข้างบนก็ได้
3. จากนั้นทำให้หยดน้ำมันอยู่ในสภาวะหยุดนิ่ง แสดงว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงจากสนามไฟฟ้า ตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์(microscope) แล้วคำนวณหาค่าประจุ
จากผลการทดลองมิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้คือ 1.60 X 10-19 คูลอมบ์
ซึ่งเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน
จากการทดลองของมิลลิแกน เราทราบค่า e = 1.60 X 10-19 คูลอมบ ์
จากการทดลองของทอมสัน เราทราบค่า e/m = 1.76 X 108 คูลอมบ์/กรัม
แทนค่า 1.60 X 10-19/m = 1.76 X 108
m = 9.11 X 10-28 กรัม
ดังนั้น เราจะทราบมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 X 10-28 กรัม
3. ออยเกน โกลด์ชไตน์ (Eugen Goldstein)
ทำอย่างไรจึงค้นพบ
โกลด์ชไตน์ ได้ศึกษาเรื่องการนำไฟฟ้าของแก๊ส
วิธีทำการทดลอง
เขาได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด โดยเจาะรูที่ขั้วแคโทดและขั้วแอโนดและเลื่อน 2 ขั้วมาอยู่ตรงกลางหลอด เพิ่มฉากเรืองแสงที่ปลายหลอดรังสีแคโทดทั้งสองด้าน
ผลการทดลอง
1. เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าแก่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นบนฉากเรื่องแสงทั้งสองด้าน อธิบายได้ว่า รังสีที่ไปกระทบกับฉากเรืองแสงบริเวณด้านหลังแคโทดต้องเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกที่ค้นพบนี้ เกิดจากอะตอมของก๊าซถูกชนด้วยอนุภาคอิเล็กตรอน ที่พุ่งมาจากแคโทด ทำให้อิเล็กตรอนของก๊าซหลุดออกไป เกิดอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก อนุภาคนี้จึงเคลื่อนที่เข้าหาขั้วแคโทด
2. เมื่อเปลี่ยนชนิดของก๊าซ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกจะมีค่าประจุต่อมวล (e/m) ไม่คงที่ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซ และโกลด์สไตน์ ยังพบว่า
3.เมื่อใช้ก๊าซไฮโดรเจน จะได้อนุภาคที่มีขนาดประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอนและมีค่าประจุต่อมวล (e/m) สูงสุด หรือ กล่าวได้ว่า มวลของอนุภาคบวกที่เกิดจากไฮโดรเจนมีค่าต่ำสุดและ
4. เรียกอนุภาคบวกที่เกิดไฮโดรเจนว่า โปรตอน
จากผลการทดลองของทั้ง 3 ท่าน ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมดังนี้
“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอในอะตอม อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ”
แบบจำลองอะตอมของทอมสันนับว่าเป็นก้าวสำคัญเกี่ยวกับการศึกษาโครงสร้างของอะตอม ทำให้ได้มโนภาพของอะตอมที่ถูกต้องยิ่งขึ้น แต่อย่างไรก็ตามแบบจำลองอะตอมของทอมสันก็ยังไม่สามารถจะอธิบายผลการทดลองใหม่ ๆ อีกเป็นจำนวนมาก ซึ่งแสดงว่ายังไม่ใช่แบบจำลองที่สมบูรณ์ เป็นผลให้มีการค้นคว้าเพิ่มเติมขึ้น และมีการเสนอแบบจำลองใหม่ ๆ ขึ้นมา
