วันอังคารที่ 6 กันยายน พ.ศ. 2559

ประวัติของแบบจำลองอะตอม และการค้นพบอิเล็กตรอน

 ในสมัยนั้น มีหลาย ๆ ความเชื่อเกี่ยวกับส่วนประกอบพื้นฐานที่สุดของสสาร แบบจำลองสสารเริ่มมีตั้งแต่เมื่อประมาณ 400 ปีก่อนคริสตศักราช มีนักปราชญ์ชื่อเดโมคริตุสได้เสนอว่าหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารเรียกว่าอะตอม รูปร่างของอะตอมจะแตกต่างกัน และรูปร่างก็จะกำหนดคุณสมบัติของอะตอม เมื่อประมาณปี1800 แบบจำลองถัดมาที่นำเสนอโดย John Dalton คือแบบจำลองอะตอมที่ไม่สามารถแยกย่อยได้อีก แบบจำของนี้รู้จักในชื่อว่า แบบจำลองอะตอมของดอลตัน อย่างไรก็ตาม ในเวลาถัดมาได้มีนักวิทยาศาสตร์หลายท่านที่เชื่อว่าอะตอมควรจะแยกย่อยได้อีก และกล่าวว่าหน่วยย่อยที่สุดของสสารควรมีขนาดเท่ากับอะตอมที่เล็กที่สุด



    ในปี 1891 นักวิทยาศาสตร์ชื่อ George Johnstone Stoney ผู้ซึ่งศึกษาสภาพไฟฟ้าของอะตอม ได้เสนอว่า ในธรรมชาติควรจะมีหน่วยที่เล็กที่สุดของประจุไฟฟ้า และเขาเรียกหน่วยที่เล็กที่สุดของประจุนี้ว่า Electron หรือก็คือ อิเล็กตรอน 

  ในปี 1897 ที่ Royal Institution ประเทศอังกฤษ ทอมสันได้วิจัยเรื่องการนำไฟฟ้าผ่านก๊าซด้วยหลอดรังสีแคโทด ทอมสันพบว่าเมื่อสูบก๊าซออกจากหลอดรังสีแคโทดแล้วจะพบลำของอนุภาคถูกปล่อยออกและเคลื่อนที่จาก ขั้วแคโทน ไปยัง แอโนด ทอมสันได้พบว่าลำของอนุภาคนี้สามารถเลี้ยวเบนได้ในสนามไฟฟ้า ทอมสันได้เสนอว่ารังสีแค่โทดคือลำของการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุลบที่เบากว่าอะตอมของไฮโดรเจนมากกว่า 1000 เท่า ทอมสันตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า Corpuscale นอกจากนี้ ทอมสันได้ใช้หลักการเลี้ยวของอนุภาคในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเพื่อคำนวณหาอัตราส่วน มวลต่อประจุของ Corpuscale ได้

ทอมสันได้เปลี่ยนวิธิการทดลองโดยการเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทดและแอโนดรวมทั้งเปลี่ยนก๊าซที่อยู่ในหลอดรังสีด้วย จากการทดลองหลาย ๆ ครั้ง จนได้ทอมสันได้สรุปว่า ค่ามวลต่อประจุของ Corpuscale ไม่ขึ้นกับวัสดุหรือก๊าซของรังสีแคโดทเลย อะตอมของสสารต่างก็มี Corpuscale นำไปสู่ผลสรุปว่า อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เป็นพื้นฐานของสสาร มันยังสามาถแยกออกเป็นองค์ประกอบย่อยได้อีก และ อนุภาค Corpuscale เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของทุกอะตอม ในภายหลังนักวิทยาศาสตร์เรียก Corpuscale ที่ทอมสันค้นพบว่า Electron ตามการแนวคิดเรื่องหน่วยที่เล็กที่สุดของอนุภาคไฟฟ้าของ George Johnstone Stoney จึงกล่าวได้ว่า ทอมสันได้ค้นพบ Electron จากการทดลองด้วยหลอดรังสีแคโทด

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน และต้นแบบเครื่่องสเปกโตรสโคป

     ภายหลังจากการค้นพบอิเล็กตรอนแล้ว ทอมสันก็หันมาสนใจเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม ประกอบกับการทดของรังสีแอโนดของ Eugen Goldstein เป็นข้อมูลที่ทำให้ทอมสันและนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านเชื่อว่า ควรจะมีอนุภาคประจุบวกเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอะตอมด้วย ในปี 1904 ทอมสันเสนอว่าอะตอมควรจะประกอบด้วยทะเลหรือหมอกของอนุภาคประจุบวก และมี Electron อยู่อย่างสม่ำเสมอในทะเลของอนุภาคประจุบวกนี้ ประจุไฟฟ้าของอนุภาคประจุบวกจะหักล้างกับประจุของ Electron ดังนั้นอำนาจทางไฟฟ้าของอะตอมเป็นกลาง นี้คือแบบจำลองอะตอมของทอมสัน (ภายหลังแบบจำลองนี้ก็ได้ถูกยกเลิกไป และเปลี่ยนไปเป็น แบบจำลองอะตอมของรัชเธอร์ฟอร์ด และในปัจจุบัน แบบจำลองอะตอมได้รับการพัฒนาไปสู่แบบจำลองอะตอมกลุ่มหมอก)
 ในปี 1912 ทอมสัน และผู้ช่วยวิจัยชื่อ Francis William Aston ร่วมกันศึกษาการกระเจิงของลำประจุบวกของธาตุนีออนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก พวกเขาได้พบว่าลำของนีออนที่มีประจุบวกแยกออกเป็นสองลำหลังจากเคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก การที่ลำของนีออนแยกออกเป็นสองลำนี้แสดงให้เห็นว่าธาตุนีออนที่เคลื่อนที่เป็นลำทั้งสองลำมีมวลไม่เท่ากัน (เพราะมีจำนวน  Neutron ไม่เท่ากัน) ทำให้มีความเร่งอันเนื่องจากสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไม่เท่ากันและเคลื่อนที่แยกออกจากกันในที่สุด และนี้คือการค้นพบไอโซโทปทั้งสองไอโซโทปของธาตุนีออน ซึ่งก็คือ Ne-20 และ Ne-22 และหลังจากนั้น หลอดรังสีที่ดูการเคลื่อนที่ของประจุบวกนี้คือตัวอย่างแรก ๆ ของเครื่อง Mass spectroscopy ซึ่งได้มีการปรับปรุงและพัฒนาต่อโดย Francis William Aston และ Arthur Jeffrey Dempster

ตำแหน่งอันทรงเกียรติ และผลงานตีพิมพ์ ของทอมสัน

     ทอมสันได้รับการแต่งตั้งให้ประดับยศชั้นอัศวินในปี 1908 ต่อมาเขาได้รับเลือกให้เป็นสมาชิกของ Royal Society ในปี 1884 และได้ดำรงประธานของ Royal Society ในปี 1916 ถึง 1920 ซึ่งก่อนหน้านี้เขาได้เคยดำรงตำแหน่งประธานของ British Association ในปี 1909 มาแล้ว ในช่วงชีวิตของทอมสัน เขาได้รับรางวัลอันทรงเกียรติมากมาย และได้รับปริญญาเอก จากมหาวิทยาลัยชั้นนำหลายแห่ง