2.2 อนุภาคในอะตอมเเละไอโซโทป

     2.2.1 อนุภาคในอะตอม

                  ในปี พ.ศ. 2451 รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยอาศัยการสังเกตหยดน้ำมันในสนามไฟฟ้า

การทดลองของมิลลิแกน

     มิลลิแกนทดลองโดยฉีดน้ำมันเป็นฝอยเล็กๆ ซึ่งมันมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศจึงค่อยๆตกผ่านช่องโลหะแผ่นบนลงมาชนแผ่นล่างเมื่อต่อความต่างศักย์เข้ากับแผ่นโลหะทั้งสองพบว่าบางหยดเคลื่อนที่ลง บางหยดเคลื่อนที่ขึ้นบางหยดหยุดนิ่ง หรืเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่

เครื่องมือที่มิลลิแกนใช้ทดลองเป็นกล่องปิดมิดชิด ซึ่งมีส่วนประกอบที่สำคัญคือ แผ่นโลหะคู่ขนาน แผ่นบนเจาะรูเล็ก ๆ ด้านบนมีท่อสำหรับฉีดน้ำมัน ซึ่งปากกระบอกมี

รูเล็กมาก หยดน้ำมันเล็ก ๆ ที่ถูกฉีดออกมา จะเคลื่อนที่ผ่านช่องของแผ่นโลหะ โดยทั่วไปหยดน้ำมันจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า เมื่อเคลื่อนที่เสียดสีกับอากาศหรือปากหลอดจะทำให้หยดน้ำมันบางหยดเสียอิเล็กตรอนไปจึงมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และหยดน้ำมันบางหยดจะรับอิเล็กตรอนเพิ่ม ทำให้มีประจุไฟฟ้าเป็น ถ้าแผ่นโลหะไม่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า หยดน้ำมันจะเคลื่อนที่ลงภายใต้แรงดึงดูดของโลกด้วยความเร่งเท่ากับ g เราสามารถหาประจุอิสระในหยดน้ำมันได้ โดยการปรับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นโลหะ และถ้าจัดความต่างศักย์ไฟฟ้าให้พอเหมาะจะมี หยดน้ำมันบางหยดลอยนิ่งอยู่กับที่ หรือเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงด้วยความเร็วคงที่ ถ้าไม่คำนึงถึงแรงลอยตัวและแรงหนืด แสดงว่าแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้า E และแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำกับหยดน้ำมันจุมีค่าเท่ากัน

สรุปได้ว่า บนหยดน้ำมันแต่ละหยดที่มีประจุไฟฟ้าลบนั้นได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มเป็นจำนวนต่าง ๆ กัน เช่น เป็น 2,3, 4,...ตัว โดยประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมีขนาดเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ และใช้สัญลักษณ์ e แทนค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน

             อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่สำคัญ 3 อนุภาค ได้แก่ โปรตอน  นิวตรอน และอิเล็กตรอน 

 จากตาราง
           อะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีประจุบวกเท่ากับประจุลบ แสดงว่าในอะตอมมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนซึ่งในอะตอมจะมีโปรตอนจำนวนเท่ากับ "เลขอะตอม"

                                                      จำนวนโปรตอน = จำนวนอิเล็กตรอน

           โปรตอนกับนิวตรอนเป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักมากเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอน ดังนั้นมวลของอะตอมก็คือจำนวนโปรตอนรวมกับจำนวนนิวตรอน นั่นคือ "เลขมวล"

                                                       เลขมวล = จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน   
     
        2.2.2 เลขอะตอม เลขมวล เเละไอโซโทป
                          จากการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม โดยมีข้อมูลต่างๆ จากการทดลองมาสนับสนุน สรุปได้ว่า อะตอมของธาตุต่างๆ จะประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอน (ยกเว้นอะตอมของธาตุไฮโดรเจน ที่ไม่มีนิวตรอน) ซึ่งมีจำนวนแตกต่างกันไป เลขที่แสดงจ้านวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม เรียกว่าเลขอะตอม (atomic number, Z) เลขอะตอมจะเป็นค่าเฉพาะของธาตุ ธาตุชนิดเดียวกันจะมีเลขอะตอมเท่ากันเสมอ ซึ่งที่สภาวะปกติจะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน ส่วนเลขที่แสดงจำนวนผลบวกของโปรตอนและจำนวนนิวตรอน เราเรียกว่า เลขมวล (mass number, A) ซึ่งในนิวเคลียสของอะตอม เลขมวลจะมีค่าใกล้เคียงกับเลขของอะตอม โดยผลต่างของเลขมวลกับเลขของอะตอมจะเท่ากับจำนวนนิวตรอนโดยสามารถเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ได้ คือ

                  เลขอะตอม คือ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของแต่ละอะตอมของธาตุ ในอะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจ้านวนอิเล็กตรอน ดังนั้นเลขเชิงอะตอมจึงบอกจำนวนของอิเล็กตรอนของธาตุได้ด้วย เนื่องจากอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีค่าเลขเชิงอะตอมเท่ากันเสมอ เลขเชิงอะตอมจึงเป็นเอกลักษณ์ของธาตุชนิดเดียวกัน เช่น เลขเชิงอะตอมของฟอสฟอรัสเท่ากับ 15 นั้นคือทุกๆ อะตอมที่เป็นกลางของฟอสฟอรัสจะมี 15 โปรตอน และมี 15 อิเล็กตรอน และกล่าวได้ว่าอะตอมใดๆ ในจักรวาลถ้ามี 15 โปรตอนแล้ว จะเรียกว่า “ฟอสฟอรัส” ทั้งสิ้น

                  เลขมวล คือ ผลรวมของนิวตรอนและโปรตอนที่มีในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ นิวเคลียสในอะตอมอื่น ๆ ทั้งหมดจะมีทั้งโปรตอนและนิวตรอนอยู่ โดยทั่วไปแล้วเลขมวลหาได้ดังนี้
                                         เลขมวล = จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน
                                                       = เลขอะตอม + จำนวนนิวตรอน
              จำนวนนิวตรอนในอะตอม = เลขมวล – เลขอะตอม
เช่น  2311Na ธาตุโซเดียม มีจำนวนโปรตอน (Z) = 11  มีจำนวนนิวตรอน = A – Z = 23 – 11 = 12 มีจำนวนอิเล็กตรอน  = 11 (เท่ากับจำนวนโปรตอน)

                  ไอโซโทป (isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีเลขอะตอม (Z) เท่ากัน แต่เลขมวล (A) ไม่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น อะตอมของไฮโดรเจนมีเลขมวลสามชนิดโดยแตกต่างกันที่จำนวนนิวตรอน ได้แก่
                 ไฮโดรเจน (Hydrogen) มี 1 โปรตอนและไม่มีนิวตรอน มีสัญลักษณ์ 11H
                 ดิวทีเรียม (Deuterium) มี 1 โปรตอนและมี 1 นิวตรอน มีสัญลักษณ์ 21H
                 ทริเทียม (Tritium)        มี 1 โปรตอนและมี 2 นิวตรอน มีสัญลักษณ์ 31H
                 สมบัติทางเคมีของธาตุถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอม นิวตรอนไม่มีส่วนเกี่ยวข้องในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีตามปกติ ดังนั้นไอโซโทปของธาตุเดียวกันจึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันเกิดสารประกอบประเภทเดียวกันและมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมี

                  ไอโซโทน (isotone) หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่จำนวนโปรตอน เลขอะตอมและเลขมวลไม่เท่ากัน เช่น  3919K  4020Ca มีนิวตรอนเท่ากัน คือ  20

                  ไอโซบาร์ (isobar) หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากันแต่เลขอะตอมต่างกัน เช่น 146C  147N