More Related Content Similar to โครงสร้างของอะตอมและนิวเคลียส Similar to โครงสร้างของอะตอมและนิวเคลียส (20) More from สุริยะ ไฝชัยภูมิ More from สุริยะ ไฝชัยภูมิ (8) โครงสร้างของอะตอมและนิวเคลียส1. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
หนวยที่ 9
โครงสรางของอะตอมและนิวเคลียส
9.1 โครงสรางอะตอม
เปนที่ทราบกันมาตั้งแตกอนคริสตศตวรรษที่ 19 แลววาอะตอมเปนหนวยที่เล็กที่สุด
ของสสาร แตความเขาใจภายในของอะตอมยังไมเปนที่กระจางชัด จนกระทั่ง ทอมสัน (Joseph
J. Thomson) ไดคนพบอิเล็กตรอนในป ค.ศ. 1897 แสดงวาภายในอะตอมที่วาเล็กที่สุดยัง
ประกอบไปดวยอิเล็กตรอน ในภาวะปกติอะตอมมีสภาพเปนกลางทางไฟฟา ดังนั้น ในอะตอมจึง
ตองมีประจุบวกจํานวนเทากับอิเล็กตรอนดวย ค.ศ. 1911 รัทเธอฟอรด (Ernest Rutherford) นัก
ฟสิกสชาวอังกฤษไดเสนอวิธีตรวจสอบโครงสรางอะตอมโดยวิธียิงอนุภาคแอลฟาเขาไปยังเปาซึ่ง
เปนแผนโลหะบาง ๆ มีเลขอะตอมสูง เชน ทองคําเปลว การเบี่ยงเบนของอนุภาคแอลฟาที่ผาน
ออกมาจากแผนโลหะสามารถใชอธิบายโครงสรางของอะตอมได รัทเธอฟอรดนําผลการทดลอง
มาคํานวณและสรุปวา อะตอมมีนิวเคลียสซึ่งประกอบดวยประจุไฟฟาบวกรวมกันแนนอยูที่
ศูนยกลางของอะตอม รัศมีของนิวเคลียสมีระดับขนาด 10-15
เมตร รัศมีของอะตอมมีระดับขนาด
10-10
เมตร หรือประมาณ 105
เทาของรัศมีนิวเคลียส แสดงวาอะตอมมีที่วางเปนสวนใหญ
9.1.1 แบบจําลองอะตอมของบอร
ค.ศ.1913 บอร (Niels Bohr) ไดใชอะตอมของไฮโดรเจนเปนแบบจําลองของอะตอม
อะตอมของไฮโดรเจนมีโปรตอนเปนนิวเคลียส 1 ตัว และมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส 1 ตัว
บอรไดตั้งสมมติฐานโดยอาศัยแนวความคิดจากทฤษฎีควอนตัมอธิบายโครงสรางของไฮโดรเจน
และการเกิดสเปกตรัมของไฮโดรเจนไดชัดเจน สมมติฐานของเขามีดังนี้
1. อิเล็กตรอนของอะตอมมีไดหลายวงโคจร อิเล็กตรอนจะอยูในวงเหลานี้ไดโดยไม
แผรังสีคลื่นแมเหล็กไฟฟา โมเมนตัมเชิงมุมของวงจรมีคาไมตอเนื่อง มีคาเปนจํานวนเต็มของ
h/2π เรียกสถานะเชนนี้วา สถานะคงตัว (stationary state)
ให L เปนโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน
m และ v คือมวลและความเร็วของอิเล็กตรอน
rn คือรัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอน วงที่ n
L = m v r = nh/2π ....................(9.1)
2. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
300
2. เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรจะมีการปลดปลอยหรือดูดกลืนพลังงานเกิดขึ้น
ความถี่ของคลื่นแมเหล็กไฟฟา (f) ที่ไดคือ
hf = Ei - Ef ....................(9.2)
เมื่อ Ef และ Ei คือพลังงานในวงโคจรที่ f และ i ตามลําดับ
อิเล็กตรอนสามารถอยูในวงจรโจรไดแสดงวา แรงเขาสูศูนยกลางมีคาเทากับแรง
ดึงดูดของประจุ
mv
n
2
r
n
=
1
4
0
π ∈ 2
2
nr
e
จัดรูปสมการใหมจะได
(mvnrn)2
= 1
4 0π ∈
me2
rn
จากสมมติฐานขอที่ 1 สามารถหารัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอนแตละวงไดเปน (n = 1, 2, 3, ...)
rn = n2h2
me2
0∈
π
....................(9.3)
พลังงานทั้งหมดที่ยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนไวในวงโคจรคือ
En = - 1
4 0π ∈
e
rn
2
2
พลังงานรวมมีคาเปนลบ แสดงวาพลังงานศักยซึ่งเกิดจากแรงดึงดูดของประจุมีคา
มากกวาพลังงานจลน อิเล็กตรอนจึงถูกยึดเหนี่ยวไวเปนวงโคจรรอบนิวเคลียส เรียกพลังงานนี้วา
เปนพลังงานยึดเหนี่ยวของอะตอม (Binding energy) ถาจะทําใหอิเล็กตรอนหลุดจากวงโคจรเปน
อิเล็กตรอนอิสระจะตองใหพลังงานแกอะตอมไมนอยกวาคานี้
รูป 9.1 อิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนจะเสถียรภาพ เมื่อมีวงโคจร
มีรูปเปนแบบคลื่นนิ่ง ความยาว 2, 4 และ 8 เทาของλ
3. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
301
เมื่อแทนคา rn จากสมการ (9.3) ลงไปในสมการ พลังงานจะได
En = −
∈
me
8 h
4
0
2 2
1
2n
....................(9.4)
อิเล็กตรอนในวงหนึ่ง ๆ จะมีระดับพลังงาน (energy level) คาหนึ่ง ๆ เฉพาะวงของมันเอง
เมื่อ n = 1 จะเปนวงในสุดและเสถียรมากที่สุด E1 จึงเปนพลังงานที่ระดับต่ําสุด
เรียกวา สถานะพื้นฐาน (ground state)
แทนคา m, e, ∈0 และ h ลงในสมการ (9.4) และ (9.5) จะได r1 = 0.528 × 10-10
เมตร และ E1 = -13.6 eV r1 เปนรัศมีวงโคจรที่เล็กที่สุด เรียกวา รัศมีของบอร (Bohr radius)
ซึ่งสอดคลองกับคารัศมีของอะตอมไฮโดรเจนที่หาไดจากวิธีอื่น พลังงานคาที่นอยที่สุดเพียง
พอที่จะใหอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนหลุดเปนอิสระ คือ 13.6 eV
วงโคจรอื่น ๆ ที่อิเล็กตรอนของไฮโดรเจนสามารถอยูไดโดยไมแผรังสี คือวงที่มีรัศมี
สอดคลองกับสมการ (9.4) หรือ
rn = n2
r1 ....................(9.5)
คือวงที่มีรัศมีเปน r1, 4r1, 9r1 ....ตามลําดับ เมื่อแทนคา E1 ลงในสมการ (9.4) จะได
En = -E1 / n2
....................(9.6)
ระดับที่มีพลังงานสูงขึ้น ตั้งแต E2, E3, E4, ...... E∞ เรียกวาสถานะกระตุน (excited
state) เมื่อ n มากขึ้น ระดับพลังงานจะเขาใกลกันมากขึ้นจนดูเหมือนมีคาตอเนื่อง เมื่อ n = ∞
แสดงวาอิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมเปนอิเล็กตรอนอิสระ
ในสภาวะปกติ อิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนอยูที่สถานะพื้นเสมอ เมื่อไดรับ
พลังงานจากภายนอกจะโดยวิธีใดก็ตาม อิเล็กตรอนจะเคลื่อนยายไปอยูที่สถานะกระตุน (n = 2,
3, ...) แตอิเล็กตรอนพยายามจะรักษาสถานะของตัวมันเองมาอยูที่สถานะพื้น อิเล็กตรอนจึง
พยายามกระโดดจากสถานะกระตุนที่มีระดับพลังงานสูงกวา (ni) ไปสูระดับพลังงานที่ต่ํากวา (nf)
จากสมการ (9.2) และสมการ (9.4) สามารถคํานวณความยาวคลื่นของโฟตอนที่อิเล็กตรอน
แผออกมาไดดังนี้
1
λ
= me4
8 0
2 h3c∈
−( )
1
2
1
2nf ni
....................(9.7)
แทนคาเทอม me4
8 0
2 h3c∈
ดวย R เรียกวาคาคงที่ของริดเบิรก (Rydberg’s Constant)
มีคาเทากับ 1.0974 × 107
ตอเมตร ความยาวคลื่นของโฟตอนที่ไดจากการคํานวณโดยใชสมการ
(9.7) จะสอดคลองกับผลการทดลอง
4. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
302
สเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนจะแบงเปนอนุกรม จัดโดยดูจากอิเล็กตรอนเปลี่ยน
จากระดับพลังงานใดไปสูระดับพลังงานใด
อนุกรมของไลแมน (Lyman series) อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนระดับพลังงานจากระดับ
(ni) เทากับ 2, 3, 4, ... ลดมาอยูที่ nf = 1
อนุกรมของบาลมเมอร (Balmer series) อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนระดับพลังงานจาก ni
= 3, 4, 5, 6 ... ลดมาอยูที่ nf = 2
อนุกรมของพาสเชน (Paschen series) อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนระดับพลังงานจาก ni =
4, 5, 6, ... ลดมาอยูที่ nf = 3 ..... ฯลฯ
ความสําเร็จของแบบจําลองอะตอมไฮโดรเจนของบอรคือ สามารถอธิบายไดวาเหตุใด
อิเล็กตรอนในอะตอมจึงอยูไดโดยไมถูกดูดเขาไปหานิวเคลียส อธิบายการเกิดสเปกตรัมได
สอดคลองกับการทดลอง แตขอจํากัดของแบบจําลองนี้คือ ไมสามารถนําไปอธิบายอะตอมที่มี
อิเล็กตรอนหลายตัวได และเสนสเปกตรัมของไฮโดรเจนเมื่อใชสเปกโตรมิเตอรที่มีกําลังขยายสูง
พบวาแตละเสนยังมีเสนยอยเล็ก ๆ อยูชิดกันมาก แบบจําลองของบอรไมสามารถอธิบายไดวา
เกิดจากสาเหตุใด
ตัวอยาง 9.1 อะตอมไฮโดรเจนมีพลังงานที่สถานะพื้นฐาน -13.58 eV ไดรับพลังงานจาก
โฟตอน 12.2 eV อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยูระดับพลังงานสถานะกระตุนที่เทาใด
รูป 9.2 ระดับพลังงานใน H-atom
5. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
303
วิธีทํา พลังงานที่อิเล็กตรอนไดรับจากโฟตอน คือ
= + 12.2 - 13.58 = - 1.38 eV
En =
−E1
n2
n2
=
−E1
En
= -13.58
-1.38
n = 3.14 ≈ 3
อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยูที่สถานะกระตุนที่ 3
9.1.2 การใชทฤษฎีควอนตัมอธิบายโครงสรางอะตอม
เพื่อขจัดขอบกพรองของแบบจําลองอะตอมของบอร จึงใชทฤษฎีควอนตัม โดยนํา
สมการชเรอดิงเงอรหาฟงกชันคลื่นของอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งจะไดคาเจาะจง (eigen
value) ของอะตอมไฮโดรเจนสอดคลองกับสูตรที่ไดจากสมมติฐานของบอรดังที่ไดกลาวมา
เริ่มตนดวยสมการพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน พลังงานทั้งหมด (E)
ของอิเล็กตรอน คือ
P2
2m
V(r)+ = E ....................(9.8)
m, P คือ มวลและโมเมนตัมของอิเล็กตรอน
V คือ พลังงานศักยของแรงระหวางนิวเคลียสและอิเล็กตรอน หาไดจาก
V(r) =
−
∈
1
4
e2
r
0
π
....................(9.9)
ให ψ คือฟงกชันของอิเล็กตรอน แทน P ดวยตัวปฏิบัติการ
− ∇h 2
2
v
π
จะไดสมการ
ชเรอดิงเงอรในแกนพิกัดฉากทรงกลม คือ
−
+ +
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟ +
⎡
⎣
⎢
⎢
⎤
⎦
⎥ +
h2
2m
2
r2
2
r r
1
r2sin
sin
1
r2sin2
2
2 V(r, , )
∂ ψ
∂
∂ψ
∂ θ
∂
∂θ
θ
∂ψ
∂θ θ
∂ ψ
∂ϕ
θ ϕ ψ
= E ψ ....................(9.10)
อิเล็กตรอนที่วิ่งรอบนิวเคลียสในทฤษฎีควอนตัมจะไมเปนวงโคจรที่แนนอน ตําแหนง
ของอิเล็กตรอนจะบอกในรูปความนาจะเปน พบอิเล็กตรอนตรงบริเวณที่ตองการเทานั้น
6. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
304
อิเล็กตรอนจะวิ่งรอบนิวเคลียสในลักษณะหมอกอิเล็กตรอนแบบ 3 มิติ ระยะที่ใกล
นิวเคลียสที่สุดที่จะพบอิเล็กตรอนในอะตอม ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและลักษณะการแผ
รังสียังคงเปนเชนแบบจําลองอะตอมของบอรเหมือนเดิม
การหาคําตอบของสมการเชิงอนุพันธยอย (9.10) ใชวิธีแยกตัวแปรออกจากกัน
คําตอบของสมการจะอยูในรูป
ψ(r, θ, φ) = R(r) θ(θ) φ(φ)
การแกสมการเพื่อหาคา ψ ที่แทจริงของสมการ (9.10) ทําไดคอนขางยาก ตอง
เกี่ยวของกับคณิตศาสตรขั้นสูง ในที่นี้จะยกมากลาวเฉพาะผลที่ไดหลังจากการหาคําตอบสมการ
เชิงอนุพันธนี้เรียบรอยแลว
ผลเฉลยของสมการอนุพันธยอย ซึ่งมีฟงกชันยอย 3 ฟงกชันคือ R(r), θ(θ) และ
φ(φ) จะทําใหไดเลขควอนตัม 3 แบบ ดังนี้
1. เลขควอนตัม n เรียกวา เลขควอนตัมสําคัญ (Principal quantum number) มีคา
เปนเลขจํานวนเต็มบวก ใชบอกระดับพลังงานเชนเดียวกับแบบจําลองอะตอมของบอร นั่นคือ
En =
−
∈
me
h n
4
8 0
2 2
1
2
2. เลขควอนตัม l เรียกวา เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (Orbital quantum
number หรือ angular momentum quantum number) คาที่จะเปนไปไดของ l จะตองสอดคลอง
กับคา n โดย l จะมีคาตั้งแต 0 ถึง n - 1
จากสมมติฐานของบอร โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนขึ้นอยูกับเลขควอนตัมสําคัญ
(L = nh/2π) แตจากการหาคําตอบสมการเชิงอนุพันธ โดยใชทฤษฎีควอนตัม พบวา
L = l l( 1)
h
2
+
π
....................(9.11)
ที่สถานะพื้นฐาน n = 1 จะได l = 0 โมเมนตัมเชิงมุมมีคาเพียงคาเดียวคือศูนย
ที่สถานะกระตุน n = 2 จะได l = 0, 1 โมเมนตัมเชิงมุมมี 2 คา คือ 0,
2 h
2π
ที่สถานะกระตุน n = 3 จะได l = 0, 1, 2 โมเมนตัมเชิงมุมมี 3 คา คือ 0,
2 h
2π
,
6 h
2π
ที่ระดับพลังงาน n เดียวกัน แตอิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานเดียวกันนี้ มีโมเมนตัม
เชิงมุมตางกัน เรียกสภาพเชนนี้วาเปน degeneracy เชน n = 3 จะมี 3 degeneracy
7. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
305
3. เลขควอนตัม ml เรียกวาเลขควอนตัมแมเหล็ก (magnetic quantum number)
โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนจะเรียงตัวในทิศใด ๆ การบอกทิศของ
v
L ทําไดโดยใหสนาม
แมเหล็กจากภายนอกผานอะตอมแลวใชทิศของสนามแมเหล็กเปนหลัก ถาใหทิศของสนาม
แมเหล็กขนานกับแกน z การฉาย
v
Lไปในแนวแกน z คือ
v
Lz จะเปนโมเมนตัมเชิงมุมของ
อิเล็กตรอนที่กําหนดทิศแนนอน จากทฤษฎีควอนตัมพบวา
LZ = m
h
2l
π
....................(9.12)
คาที่เปนไปไดของ ml ถูกกําหนดโดยคา l โดย ml จะมีคาตั้งแต -l, -(l-1), ...0, (l-1), l
รวมทั้งสิ้น 2l + 1 คา
รูป 9.3 แสดงทิศของ
v
L และทิศทางของ
v
B ภายนอก
ตัวอยาง 9.2 โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน ที่ l = 2 จะมีทิศใดไดบาง ถามีสนามแมเหล็ก
ภายนอกผานอะตอมในแนวแกน z
วิธีทํา เมื่อ l = 2 คา ml ที่เปนไปไดคือ -2, -1, 0, 1, 2 ทั้งหมด 2×2+1 =5 คา
ให θ เปนมุมระหวางสนามแมเหล็ก
v
B และ
โมเมนตัมเชิงมุม
v
L
Lz = L cos θ
cos θ =
Lz
L
m
( 1)
=
+
l
l l
เมื่อแทนคา ml คา cosθ ที่เปนไปไดคือ
−2
6
,
−1
6
, 0,
1
6
,
2
6
ทํามุม 144o
, 114o
, 90o
, 65o
และ
36o
ตามลําดับ
ml
1
2h2
0
h
-2h
-h
0
-2
-1
LZ
B
L
รูป 9.4
8. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
306
ค.ศ. 1925 กูดสมิท (S.A. Goudsmit) และอะเล็นเบ็ค (G.E. Uhlenbeck) พบวา
อิเล็กตรอนมีโมเมนตัมเชิงมุมอีก 1 คา นอกเหนือไปจากโมเมนตัมเชิงมุมที่เกิดจากการโคจรรอบ
นิวเคลียส โมเมนตัมเชิงมุมนี้เกิดจากการที่อิเล็กตรอนหมุนรอบตัวเอง เรียกสั้น ๆ วา สปน (spin)
เรียกชื่อโมเมนตัมเชิงมุมนี้วา โมเมนตัมเชิงมุมของการหมุนรอบตัวเอง (spin angular
momentum,
v
S) เปนปริมาณเวกเตอรและมีสภาพควอนไทซ (quantize) เลขควอนตัม s เรียกวา
เลขควอนตัมของการหมุน (spin quantum number) มีคาเพียงคาเดียวคือ 1/2
โมเมนตัมเชิงมุมของการหมุน (
v
S) หาไดจาก
v
S = s(s 1)
h
2
+
π
....................(9.13)
เมื่อ s =
1
2
จะได
v
S =
3
2
h
2
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
π
เมื่อมีสนามแมเหล็กภายนอกผานในอะตอมพบวาเวกเตอรของโมเมนตัมเชิงมุมของ
การหมุนสามารถจัดตัวไดสองลักษณะคือ ขนานและสวนกับทิศทางของสนามแมเหล็กภายนอก
จะไดเลขควอนตัมแมเหล็กของการหมุน (ms, spin magnetic quantum number) จึงมี 2 คาคือ
+1
2
และ
−1
2
ให
v
Sz เปนโมเมนตัมเชิงมุมของการหมุนซึ่งเกิดจากการฉาย
v
S ในทิศของสนาม
แมเหล็ก จะได
Sz = ms
h
2π
....................(9.14)
มาถึงจุดนี้จะเห็นวาการอธิบายอิเล็กตรอนในอะตอม ไมสามารถใชเลขควอนตัม n
เพียงตัวเดียวเหมือนกับแบบจําลองของบอรไดอีกตอไป การบอกสถานะของอิเล็กตรอนใน
SZmS B
SS
h/4π+1/2
-h/4π-1/2 S
รูป 9.5 การเกิดเลขควอนตัมของการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน
9. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
307
อะตอมซึ่งมีพฤติกรรมเปนแบบคลื่นนั้นตองใชเลขควอนตัม 4 ตัว คือ n, l, ml และ ms สรุปเปน
ตาราง 9.1 ไดดังนี้
ตาราง 91 เลขควอนตัมที่เกี่ยวของกับการบอกสถานะของอิเล็กตรอน
เลขควอนตัม เกี่ยวของกับ คาที่เปนไปได
n พลังงาน 1, 2, 3, .....∞
l โมเมนตัมเชิงมุม 0, 1, 2, ... n-1
ml โมเมนตัมเชิงมุมในแนว
สนามแมเหล็ก
-l ถึง l
ms โมเมนตัมเชิงมุมของการ
หมุนรอบตัวเองในแนว
สนามแมเหล็ก
+
1
2
,
1
2
−
9.1.3 หลักการกีดกันของเพาลี
อะตอมของไฮโดรเจนเปนอะตอมที่มีโครงสรางงายที่สุด อะตอมของธาตุอื่น ๆ จะมี
อิเล็กตรอนตั้งแต 2 ตัวขึ้นไปในอะตอม โครงรูปของอิเล็กตรอน (configuration) ในอะตอมเชนนี้
จะมีลักษณะอยางไร อิเล็กตรอนทั้งหลายจะอยูในสถานะที่มีเลขควอนตัมเหมือนกัน หรืออยูใน
ระดับพลังงานเดียวกันทั้งหมดไดหรือไม ทําไมธาตุที่มีอิเล็กตรอนตางกันเพียง 1 ตัว สมบัติทาง
เคมีของธาตุคูนั้นจึงตางกัน เชน แกสนีออน (เลขอะตอม = 10) และโลหะโซเดียม (เลขอะตอม =
11) แกสนีออนเปนธาตุเฉื่อยไมทําปฏิกิริยากับธาตุใด ๆ ขณะที่โซเดียมไวตอการทําปฏิกิริยากับ
สารอื่น
ผูที่ศึกษาการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมเปนโครงรูปที่ชัดเจนคือเพาลี
(Wolfgang Pauli) เมื่อ ค.ศ. 1925 ตั้งเปนกฎเรียกวา หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli’s
exclusion principle) กลาววาในอะตอมหนึ่ง ๆ อิเล็กตรอนของอะตอมนั้นจะมีเลขควอนตัม n, l,
ml และ ms ชุดเดียวกันนี้ไดเพียงตัวเดียวเทานั้น
การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนจะเริ่มที่ระดับพลังงานต่ําสุดกอน เลขควอนตัม n จะ
บอกชั้น (shell) จะแทนดวยตัวอักษรตัวใหญ K, L, M, N, O และ P แทนชั้นที่ 1, 2, 3, 4, 5, และ
6 ตามลําดับโดยนับเริ่มตนจากวงในสุด
วงโคจรที่มีระดับพลังงาน n แต l มีคาตางกัน คา l แตละคาจะบอกถึงชั้นยอย
(subsheells) จะแทนดวยตัวอักษรตัวเล็ก s, p, d, f, g, h และ i แทนชั้นยอย l = 0, 1, 2, 3, 4, 5
10. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
308
และ 6 ตามลําดับ จํานวนอิเล็กตรอนที่มีอยูในแตละชั้นยอยเทากับ 2 (2l + 1) จํานวน 2 มาจาก
อิเล็กตรอนสามารถมีคา ms ได 2 คา คือ
+1
2
และ
−1
2
จํานวนอิเล็กตรอนที่อยูในชั้นและชั้นยอยแสดงไวในตาราง 9.2
ตาราง 9.2 แสดงจํานวนอิเล็กตรอนในแตละชั้น
n ชั้น l ชั้นยอย จํานวนอิเล็กตรอน
ในชั้นยอย 2(2l +1)
จํานวนอิเล็กตรอน
ทั้งหมด 2n2
1 K 0 1s 2 2
2 L 0
1
2s
2p
2
6
3 M 0
1
2
3s
3p
3d
2
6
10
18
4 N 0
1
2
3
4s
4p
4d
4f
2
6
10
14
อะตอมที่มีอิเล็กตรอนหลายตัวจนอิเล็กตรอนสามารถยึดครองไดถึงระดับพลังงานที่
n = 3 ขึ้นไป การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนจะไมเรียงลําดับตามตาราง ชั้นยอย 4s อาจล้ําเขาไป
ใกลนิวเคลียสมากกวาชั้นยอย 3d ระดับพลังงานยอยจะเหลื่อมกัน ดังรูป 9.6
8
32
รูป 9.6 ระดับพลังงานของชั้นยอยของอะตอมเรียงตามลําดับของระดับพลังงาน
11. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
309
เมื่อพล็อตกราฟระหวางเลขอะตอม และพลังงานยึดเหนี่ยว อิเล็กตรอนของแตละ
ระดับพลังงาน (มีหนวยเปนริดเบอรก) จะเห็นการเหลื่อมล้ํากันของระดับพลังงานยอย เมื่อ
อิเล็กตรอนเริ่มยึดครองที่ระดับพลังงาน n = 3 ขึ้นไป ในรูป 9.7 อะตอมที่มีอิเล็กตรอน 19-20 ตัว
อิเล็กตรอนจะยึดครองชั้นยอย 4s กอน 3d
รูป 9.7 พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุตาง ๆ 1
ตารางที่ 7.3 แสดงการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนของธาตุตาง ๆ เริ่มจากเลขอะตอม 1 ถึง 30
ธาตุ สัญลักษณ เลขอะตอม (Z) การจัดเรียงอิเล็กตรอน
Hydrogen H 1 1s
Helium He 2 1s2
Lithium Li 3 1s2
2s
Beryllium Be 4 1s2
2s2
Boron B 5 1s2
2s2
2p
Carbon C 6 1s2
2s2
2p2
Nitrogen N 7 1s2
2s2
2p3
Oxygen O 8 1s2
2s2
2p4
Fluorine F 9 1s2
2s2
2p5
Neon Ne 10 1s2
2s2
2p6
1
Beiser, Arthur. Concept of Modern Physics.(Singapore : McGraw - Hill, Inc., 1987.) p. 252.
12. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
310
Sodium Na 11 1s2
2s2
2p6
3s
Magnesium Mg 12 1s2
2s2
2p6
3s2
Aluminum Al 13 1s2
2s2
2p6
3s2
3p
Silicon Si 14 1s2
2s2
2p6
3s2
3p2
Phosphorus P 15 1s2
2s2
2p6
3s2
3p3
Sulfur S 16 1s2
2s2
2p6
3s2
3p4
Chlorine Cl 17 1s2
2s2
2p6
3s2
3p5
Argon Ar 18 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
Potassium K 19 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s
Calcium Ca 20 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s2
Scandium Sc 21 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d 4s2
Titanium Ti 22 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d2
4s2
Vanadium V 23 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d3
4s2
Chromium Cr 24 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d4
4s2
Manganese Mn 25 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d5
4s2
Iron Fe 26 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d6
4s2
Cobalt Co 27 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d7
4s2
Nickel Ni 28 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d8
4s2
Copper Cu 29 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s
Zinc Zn 30 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
จากตารางเริ่มตนธาตุไฮโดรเจน มีอิเล็กตรอน 1 ตัว เขียนไดเปน 1s หมายถึงมี
อิเล็กตรอน 1 ตัว อยูที่สถานะพื้นฐานมีเลขควอนตัม n = 1, l = 0, ml = 0, s = +1/2
ธาตุฮีเลียม (Z = 2) มีอิเล็กตรอน 2 ตัว อยูในชั้นที่ 1 มีเลขควอนตัม n = 1, l = 0, ml
= 0 เหมือนกัน แตมีสปนตรงขามกัน คือ ms = 1/2 และ ms = -1/2 อะตอมของฮีเลียมมี
อิเล็กตรอนอยูในระดับพลังงานที่ 1 เต็มพิกัด
ธาตุลิเทียม (Z = 3) มีอิเล็กตรอนอยูในวง n =1 2 ตัว และวง n = 2 1 ตัว
อิเล็กตรอนที่อยูในวง 2s จะอยูหางจากนิวเคลียสมากกวาอิเล็กตรอนที่อยูในวง 1s อิเล็กตรอน 1
ตัวที่อยูในวง 2s จึงถูกยึดไวอยางหลวม ๆ คอนขางจะหลุดเปนอิสระไดงาย โดยใชพลังงาน
ภายนอกเพียง 5.4 eV (อิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนหลุดเปนอิสระไดตองใหพลังงานแก
13. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
311
อะตอมถึง 13.6 eV) ในทางเคมี ลิเธียมจัดเปนโลหะอัลคาไล (alkali) รวมตัวกับธาตุอื่นเปน
สารประกอบประเภทไอออนนิก โดยจะเปนฝายสูญเสียอิเล็กตรอนในวงนอกสุด 1 ตัว ลิเธียมจึงมี
วาเลนซเทากับ 1 ธาตุเบรีลเลียม (Z = 4) มีอิเล็กตรอนครบสองตัวในสถานะนั้น (n = 1) และมี
อิเล็กตรอนในวง L อีก 2 ตัว เบรีลเลียมจัดเปนธาตุแรกของหมูธาตุ alkaline-earth มีวาเลนซี +2
ธาตุอื่น ๆ สามารถไลการจัดเรียงอิเล็กตรอนไดเชนเดียวกับที่กลาวมา เชน ธาตุนีออน
มีเลขอะตอม = 10 อิเล็กตรอนจะอยูในชั้น K และ L จนเต็ม ไมมีอิเล็กตรอนในวง M ธาตุนี้จึง
เสถียร ยากที่จะรับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน ธาตุถัดจากนีออนคือ โซเดียม (Z = 11) อิเล็กตรอนจะ
มีอยูในวง K และ L จนเต็ม มีอิเล็กตรอนเพียง 1 ตัวในวง M มีลักษณะคลายกับธาตุลิเธียม จึง
จัดไวในหมูธาตุอัลคาไลเชนกัน ธาตุฟลูออรีนอยูกอนหนาธาตุนีออน มีเลขอะตอม = 9 จะมีที่วาง
สําหรับอิเล็กตรอน 1 ที่ในวง L ธาตุฟลูออรีนจึงมีแนวโนมที่จะรับอิเล็กตรอนจากธาตุอื่น มีคา
วาเลนซีเทากับ -2 ธาตุที่มีลักษณะคลายธาตุฟลูออรีน ไดแก คลอรีน, โบรมีน, ไอโอดีน และ
แอสทาทีน) เราจัดธาตุเหลานี้ไวในหมูธาตุเดียวกันเรียกวา ธาตุฮาโลเจน (halogens)
นักวิทยาศาสตรไดนําลักษณะการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอน และคุณสมบัติทางเคมีที่
คลายกันของแตละธาตุไปจัดเปนหมวดหมู เรียกวา ตารางธาตุ (periodic table of the elements)
ธาตุที่มีสมบัติทางเคมีคลายคลึงกันจะอยูกันเปนแถวเปนสดมภอยางมีแบบแผน
9.2 เลเซอรเบื้องตน
เลเซอร (Laser) และ เมเซอร (Maser) เปนคลื่นแสงและคลื่นไมโครเวฟ ที่ไดจาก
ขบวนการทางฟสิกส ที่เรียกวา Light Amplification by Stimulated Emission Radiation นํา
ตัวอักษรตัวหนาของแตละคํามารวมกันเปน LASER สําหรับเมเซอรเปลี่ยนจากคําวา Light เปน
Microwave ถาจะแปลตามศัพทในประโยคภาษาอังกฤษ หมายถึงการขยายแสงหรือไมโครเวฟ
โดยการกระตุนใหปลดปลอยรังสีออกมา เลเซอรและเมเซอรจึงมีหลักการทํางานเหมือนกัน
ตางกันตรงชวงความถี่ของคลื่นแมเหล็กไฟฟาเทานั้น
เมเซอรถูกประดิษฐขึ้นในป ค.ศ.1954 ตอมาในป ค.ศ. 1958 ทาวนและชอโลว
(C.H. Townes and A.L. Schawlow) ไดเสนอวาหลักการที่ทําใหเกิดเมเซอร นาจะนํามาใชกับ
คลื่นแสงได ค.ศ. 1960 ไมแมน (Theodore Maiman) ไดผลิตแสงเลเซอรจากผลึกทับทิมไดสําเร็จ
เปนครั้งแรก จัดเปนเลเซอรแบบของแข็ง (solid state laser) ใหแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 694.3
นาโนเมตร ค.ศ. 1961 แจแวน, เบนเนตต และเฮอเรียท (Javan, Bennett and Herriot) สราง
เลเซอรแกส(Gas laser)ทําจากแกสฮีเลียม - นีออน เปนครั้งแรก โดยใหเลเซอรซึ่งเปนแสงอิน
ฟาเรด มีความยาวคลื่น 1.15 ไมโครเมตร ค.ศ. 1962 ริจเดน และไวท (Rigden and White)
สามารถสรางเลเซอรสีแดงที่สงออกมาอยางตอเนื่องจากแกสฮีเลียม-นีออน มีความยาวคลื่น
632.8 นาโนเมตร นํามาใชงานมากที่สุดในหองปฏิบัติการ
14. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
312
ตั้งแตป ค.ศ. 1962 เปนตนมา การพัฒนาการสรางเลเซอรแบบตาง ๆ ดําเนินไปอยาง
รวดเร็ว ปจจุบันมีเลเซอรที่ทําจากของแข็ง ของเหลว และแกส ใหเลเซอรตั้งแบบคลื่นตอเนื่อง
และคลื่นดล (pulse) พื้นฐานการสรางเลเซอรเหลานี้เกิดจากการที่นักวิทยาศาสตรมีความเขาใจ
เกี่ยวกับโครงสรางอะตอมของธาตุตาง ๆ ไดลึกซึ้งนั่นเอง
สมบัติของเลเซอรตางจากคลื่นแสงทั่ว ๆ ไป คือ เลเซอรเปนแสงที่มีความบริสุทธิ์ทาง
แสง (spectral purity) มากที่สุดเทาที่นักวิทยาศาสตรทําได เปนแสงที่มีความถี่เดียว เลเซอรทุก
ขบวนจะมีเฟสที่ตรงกัน ที่เรียกกันวาเปนคลื่นอาพันธ (coherent) สามารถปรับโฟกัสใหเปนจุดเล็ก
ที่สุดไดงาย เพราะไมมีแสงความถี่อื่นเจือปน จุดโฟกัสทําใหเล็กไดถึงขนาด 1-2 ไมครอน
ลําแสงเลเซอรจะมีลักษณะขนานกันไปตลอดระยะทางไกล ๆ ไมบานปลายออก ทําใหความเขม
ของแสงที่ปลายทางกับตนทางตางกันไมมากนัก นักวิทยาศาสตรสามารถสรางเลเซอรใหมีความ
เขมสูงมากเปนพิเศษ เชน สามารถสรางเลเซอรจากผลึกทับทิม ใหมีความสวางถึง 100 วัตต/
เซนติเมตร2
- สเตอเรเดียน (ความสวางของแสงอาทิตยมีคาประมาณ 130 วัตต/เซนติเมตร2
-
สเตอเรเดียน)
9.2.1 หลักการทําใหเกิดแสงเลเซอร
โดยปกติอิเล็กตรอนในอะตอมจะอยูในสถานะพื้นที่มีระดับพลังงานต่ําสุด ถากระตุน
อะตอมโดยใชพลังงานจากภายนอก (เชน กระตุนดวยโฟตอน, หรือชนดวยอิเล็กตรอนจากอะตอม
อื่น ) ทําใหอะตอมไปอยูที่สถานะกระตุน โดยทั่วไปอะตอมจะอยูที่สถานะกระตุนไดไมเกิน 10-8
วินาที จะกลับไปสูสถานะพื้นทันที แตบางครั้งอะตอมจะไปอยูสถานะกระตุนที่ต่ํากวา และ
สามารถอยูในสถานะนี้ไดนานถึง 10-3
วินาที หรือมากกวา เราเรียกสถานะนี้วา เปนสถานะเสถียร
ชั่วคราว (metastable state) กอนที่จะกระจายโฟตอนออกมาแลวกลับมาอยูที่สถานะพื้น
การทําใหเกิดเลเซอรจึงตองเกี่ยวของกับระดับพลังงานอยางนอย 3 ระดับ จากรูป
9.8 ให E1 เปนระดับพลังงานสถานะพื้น E2 และ E3 เปนระดับพลังงานของสถานะกระตุน
E2 จะเปนสถานะเสถียรชั่วคราว การ
ทํางานของเลเซอรเริ่มตนดวยการกระตุนให
อะตอมจากสถานะพื้น E1 ไปสูสถานะกระตุน
E3 อะตอมจะปลดปลอยพลังงานมาอยูที่
สถานะเสถียรชั่วคราว E2อะตอมจะสะสมอยูที่
ระดับE2 นี้มากขึ้น เรียกวาเกิด population
inversionเพราะแทนที่อะตอมจะกลับมาสู
สถานะพื้นทันทีกลับผกผันมาอยูที่สถานะ
กระตุนชั่วคราว แตถาอะตอมที่ระดับพลังงาน E2นี้ถูกกระตุน ซึ่งอาจเกิดจากอะตอมตัวใดตัวหนึ่ง
E1
E2
E3
ใหพลังงาน
ภายนอกเพื่อ
กระตุน
ปลอยโฟตอนโดยการ
กระตุน
สถานะกึ่งเสถียร
สถานะกระตุน
รูป 9.8 ระดับพลังงานที่เกี่ยวของกับการเกิดเลเซอร
15. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
313
ปลอยโฟตอนออกมากอน และโฟตอนที่ปลอยออกมานี้ไปกระตุนใหอะตอมอื่น ๆ ปลดปลอยโฟ
ตอนออกมาพรอม ๆ กันจะไดคลื่นแมเหล็กไฟฟาที่เสริมกัน ถามีอะตอมที่ E2 นี้เปนลานลานตัว จะ
ไดคลื่นแมเหล็กไฟฟาที่มีความถี่เดียวกัน ความเขมของคลื่นจะมากกวาปกติ คลื่นแมเหล็กไฟฟาที่
ไดนี้คือเลเซอรนั่นเอง เลเซอรที่เกี่ยวของกับระดับพลังงาน 3 ระดับ ไดแก เลเซอรจากผลึกทับทิม
เลเซอรที่ไดจากแกสฮีเลียม-นีออน จะเกิด population inversion ตางจากที่เกิดใน
เลเซอรทับทิม ตองใชระดับพลังงานถึง 4 ระดับ ลักษณะของหลอดเลเซอรฮีเลียม-นีออน แสดงไว
ในรูปที่ 9.8
รูป 9.9 สวนประกอบของหลอดฮีเลียม-นีออนเลเซอร
หลอดฮีเลียม-นีออนเลเซอรมีขนาดเสนผาศูนยกลางประมาณ 30-40 มิลลิเมตร
ภายในมีหลอดแกวรูแคบ เสนผาศูนยกลางประมาณ 1.5-3 มิลลิเมตร ภายในหลอดแกวรูแคบนี้
บรรจุแกสฮีเลียม-นีออน อัตราสวนจํานวนอะตอมฮีเลียมมากกวาจํานวนอะตอมนีออน เปน
อัตราสวน 5:1,7 :1 หรือ 10:1 ความดันอากาศภายในหลอดแกวรูแคบประมาณ 1 มิลลิเมตร
ปรอท ปลายหลอดทั้งสองมีกระจกขนาน ดานหนึ่งสะทอนแสงได 100% อีกดานหนึ่งสะทอนแสง
ไดประมาณ 98% แสงเลเซอรจะออกทางดานนี้ ระยะหางระหวางกระจกทั้งสองเปนเลขจํานวน
เต็มของครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นเลเซอรที่ตองการ ความตางศักยที่ขั้วของหลอดประมาณ 1.5
kV ถึง 4 kV ขึ้นอยูกับความยาวของหลอด กําลังที่ไดจากหลอดเลเซอรอยูในชวง 1-5 มิลลิวัตต
ขึ้นอยูกับขนาดของหลอดเลเซอร
เมื่อจายไฟใหหลอดเลเซอรทํางาน อิเล็กตรอนจากแคโธดจะไปกระตุนอะตอมของ
แกสผสม อะตอมฮีเลียมจะถูกกระตุนไดงายกวาอะตอมนีออน อะตอมของฮีเลียมจะถูกกระตุน
จากระดับพลังงาน 1s ไปสูสถานะกระตุน 2s ระดับพลังงานนี้มีคาเทากับ 20.61 eV อะตอม
ฮีเลียมที่ถูกกระตุนบางอะตอมเมื่อชนกับอะตอมนีออนจะถายเทพลังงานใหกับอะตอมนีออน ทํา
ใหอิเล็กตรอนของนีออนที่ระดับพลังงาน 3p ถูกกระตุนไปอยูที่ระดับพลังงาน 4s หรือ 5s ซึ่งมีคา
16. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
314
พลังงาน 19.78 eV และ 20.66 eV ตามลําดับ ทั้งนี้ เพราะระดับพลังงานทั้งสองคานี้มีคาใกลกับ
ระดับพลังงาน 5s บางตัวจะตกมาอยูชั้น 4p แลวคายพลังงานในรูปแสงที่มีความยาวคลื่น 3391
nm และบางตัวจะตกมาอยูที่ระดับพลังงาน 3p ใหแสงสีแดง ความยาวคลื่น 632.8 nm อะตอม
นีออนที่ระดับพลังงาน 4s จะกลับมาสูระดับพลังงาน 3p จะใหแสงที่มีความยาวคลื่น 1152 nm
และ 1118 nm
อะตอมของฮีเลียมมีจํานวนมากกวาอะตอมของนีออน และเมื่ออะตอมฮีเลียมซึ่งถูก
กระตุนมีมาก การชนกับอะตอมนีออนทําใหอะตอมของนีออนไปอยูที่ระดับพลังงาน 4s และ 5s มี
มากกวาอะตอมนีออนที่สถานะปกติ และจะยังคงอยูที่สถานะกระตุน 4s และ 5s นานกวาปกติ จึง
เรียกระดับพลังงาน 4s และ 5s วาเปนสถานะเสถียรชั่วคราว (metastable states) การที่อะตอม
นีออนไปอยูที่สถานะกระตุนเปนจํานวนมากนี้ เรียกวาเกิด population inversion เมื่ออะตอม
นีออนถูกกระตุนใหคายพลังงานเปนแสงที่มีความยาวคลื่นตาง ๆ และมีทิศทางตาง ๆ กัน แสงที่
อยูในแนวแกนของหลอดเลเซอรเทานั้นที่จะสะทอนที่กระจกที่ปลายทั้งสอง แลวบางสวนยอนกลับ
เขามาใหม ซึ่งจะกระตุนใหอะตอมนีออนตัวอื่นคายพลังงานออกมาดวย แสงสวนที่ไมอยูใน
แนวแกนจะผานขางหลอดแกวเปนแสงธรรมดา เราสามารถเลือกความยาวของคลื่นแสงเลเซอรที่
ตองการ โดยเคลือบกระจกสําหรับความยาวคลื่นแสงที่ตองการใหผานเทานั้น เนื่องจากมี
อิเล็กตรอนกระตุนอะตอมฮีเลียมตลอดเวลา ทําใหหลอดเลเซอรฮีเลียม-นีออนทํางานตอเนื่องกัน
แสงเลเซอรที่ไดจึงเปนคลื่นตอเนื่อง เลเซอรฮีเลียม-นีออนนี้นิยมใชในการสาธิตเกี่ยวกับสมบัติ
ของแสงในหองทดลอง
รูป 9.10 แผนภาพระดับพลังงานของการเกิดเลเซอรแบบฮีเลียม-นีออน
17. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
315
9.2.2 ประโยชนของเลเซอร
เลเซอรถูกนําไปใชประโยชนในดานตาง ๆ ดังตอไปนี้
1. ดานการแพทย นําเลเซอรไปใชงานดานศัลยกรรมตาง ๆ เชน ศัลยกรรมตกแตง
ใชผาตัดไฝ ขจัดปานดํา ตกแตงผิวหนัง หรือหนาอกหยอนยาน ใชในการผาตัดกระดูกและขอตอ
ทําลายกอนเนื้องอกและมะเร็ง ใชในงานผาตัดเล็ก ๆ ที่ตองการความละเอียดมาก ๆ เชน ผาตัด
นัยนตา ผาตัดระบบประสาท สมอง แสงเลเซอรสามารถโฟกัสไดเปนบริเวณเล็ก ๆ ดีกวาคมมีด
ผาตัด แสงเลเซอรจะทําใหเสนโลหิตและเม็ดโลหิตปดตัวและแข็งตัวอยางรวดเร็ว ทําใหไมตอง
เสียเลือดมาก การผาตัดจึงสะอาด ลดการติดเชื้อไดมาก
2. ดานอุตสาหกรรม ในงานโลหะ ใชเลเซอรตัดหรือเจาะชิ้นงาน สามารถตัดได
คงที่ทุกทิศทาง ไมตองเริ่มตนจากขอบชิ้นงาน แนวการตัดจะเปนรอยเล็กมาก ผิวที่ตัดจะเรียบไม
ขรุขระเหมือนตัดดวยแกสทั่วไป เลเซอรที่นิยมใชคือ เลเซอรคารบอนไดออกไซด พบวาเลเซอร
CO2 ขนาด 2 กิโลวัตต สามารถตัดเหล็กสแตนเลสหนา 6.3 มิลลิเมตร ดวยความเร็ว 4 มิลลิเมตร
ตอวินาที ตัดทองเหลืองหนา 3.2 มิลลิเมตร ดวยความเร็ว 3 มิลลิเมตร/วินาที ในงาน
อิเล็กทรอนิกสใชเลเซอรในการเชื่อมอุปกรณขนาดเล็ก ซึ่งไมสามารถเชื่อมไดดวยหัวแรงธรรมดา
เชน การเชื่อมตัวเก็บประจุลงบนแผนซิลิคอน การบัดกรีในวงจรไอซี ใชเลเซอรตัดแผนฟลมบาง ๆ
ขนาด 2 × 3 มิลลิเมตร เพื่อทําตัวตานทานแบบฟลมบางใชในการขีดแผน semiconductor wafer
ใหเปนรอยโดยปราศจากฝุนผงรบกวน
3. ดานคอมพิวเตอร สามารถใชเลเซอรบันทึกสัญญาณดิจิตอลลงบนแผนซีดี
(compact disk, CD) ขณะเดียวกันก็ยังอาศัยเลเซอรในการอานขอมูล แผนซีดีเสนผาศูนยกลาง
12 เซนติเมตร สามารถจุขอมูลไดถึง 600 MB (หรือบันทึกตัวอักษรได 2 แสนหนากระดาษ)
แผน laser videodisk มีขนาดใหญประมาณ 12-14 นิ้ว อานไดอยางเดียว
สามารถจุขอมูลได 1000 ถึง 4000 MB หรือมากกวานี้ การใชแผนซีดีเก็บบันทึกขอมูล เปน
ตัวกระตุนใหมีการพัฒนาตัวรับและสงแสงเลเซอร เชน เลเซอรไดโอด ปจจุบันเราสามารถสราง
แผนซีดีที่สามารถอานและเขียนได คาดกันวาระบบนี้จะเขามาแทนที่ไมโครฟลม เพราะสามารถที่
จะจัดเก็บเอกสารและรูปภาพไดมากกวาและละเอียดกวา
4. ดานโทรคมนาคม ใชแสงเลเซอรในการสงขอมูลแทนไมโครเวฟ โดยผานทาง
เสนใยนําแสง (Fibre optics) สามารถสงไดไกลหลายรอยกิโลเมตร ขอมูลที่สงไดมีทั้งเสียง,
ภาพเคลื่อนไหว และตัวอักษร ในอนาคตโทรศัพทที่ใชงานในปจจุบันจะมีจอภาพมองเห็นตัวผูพูด
ดวย
5. ดานการคาขาย ศูนยการคาบางแหงจะใชบารโคด (barcode) ติดไวที่สินคา
บารโคดนี้จะบอกราคา รหัสสินคา ประเภทสินคา สามารถอานบารโคดนี้ดวยเครื่องอานที่ใชแสง
18. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
316
เลเซอรตรวจจับแถบของบารโคด แลวนํามาแปลความหมาย ทําใหคิดราคาสินคาไดรวดเร็ว
สามารถเก็บขอมูลที่อานไดจากการขายสินคาสงไปยังคลังสินคาเพื่อตรวจสอบสต็อก
6. ดานงานวิจัยวิทยาศาสตร ใชในการกําหนดคามาตรฐานของความยาว วัดระดับ
พลังงานของอะตอมและโมเลกุล การสรางภาพโฮโลกราฟฟ (Holography) ใชเลเซอรใน
ขบวนการแยกไอโซโทป และขบวนการปฏิกิริยาเคมี
นอกจากนี้ ยังนําไปใชในดานพลังงาน โดยการโฟกัสแสงเลเซอรใหเปนจุดเล็ก ๆ ทํา
ใหบริเวณที่โฟกัสมีพลังงานสูงมาก มีอุณหภูมิถึง 108
- 109
เคลวิน นําความรอนนี้ไปใชใน
งานวิจัย ทําใหเกิดปฏิกิริยาเทอรโมนิวเคลียรแบบฟวชัน (Thermonuclear fusion)ที่สามารถ
ควบคุมได ดานการทหาร ใชเลเซอรพลังงานสูงเปนอาวุธทําลายรถถังและจรวดนําวิถี ใชเปน
อาวุธในสงครามอวกาศในโครงการ “สตาวอร (starwar)”
9.3 นิวเคลียสและสมบัติของนิวเคลียส
นิวเคลียสเปนแกนของอะตอม อิเล็กตรอนในระดับพลังงานทั้งหลายเปนเพียงผิว
นอกของอะตอมเทานั้น มวลสวนใหญของอะตอมจะอยูที่นิวเคลียส ธาตุตาง ๆ เกิดขึ้นไดเพราะ
จํานวนอนุภาคในนิวเคลียสของแตละธาตุแตกตางกัน
9.3.1 สวนประกอบของนิวเคลียส
นิวเคลียสของธาตุทั้งหลายประกอบดวยอนุภาคพื้นฐาน 2 ชนิด คือ โปรตอน และ
นิวตรอน โปรตอนคือนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน มีขนาดประจุเทากับ 1.6 × 10-19
คูลอมบ
มีมวล 1.673 × 10-27
กิโลกรัม ถูกคนพบในป ค.ศ. 1886 และนิวตรอนเปนอนุภาคไมมีประจุไฟฟา
มีมวล 1.675 × 10-27
กิโลกรัม ถูกคนพบโดยแชดวิก (J. Chadwick) ในป ค.ศ. 1932 เราเรียก
โปรตอนและนิวตรอนที่อยูในนิวเคลียสวา นิวคลีออน (nucleon) ในการเขียนสัญลักษณของธาตุ
X ใด ๆ จะเขียนเปน z
A
X Z จะใชแทนเลขอะตอม (atomic number) เปนตัวเลขที่บอกจํานวน
โปรตอนในนิวเคลียส A แทนเลขมวล (mass number) บอกจํานวนโปรตอนและนิวตรอนใน
นิวเคลียส
จากการใชเครื่องมือ mass spectrometer วัดมวลของอะตอมตาง ๆ ในสภาวะที่เปน
อิออน (ion) เมื่อหักลบมวลของอิเล็กตรอน ผลที่เหลือคือมวลของนิวเคลียส พบวาธาตุชนิด
เดียวกันมีมวลอะตอมไมเทากัน เชน ธาตุคลอรีนมีมวลอะตอม 35.5 kg/kmole เมื่อตรวจดวย
mass spectrometer จะพบคลอรีนที่มีมวลประมาณ 35 kg/kmole 75% และคลอรีนที่มีมวล
ประมาณ 37 kg/kmole ประมาณ 25% เมื่อหาคาเฉลี่ยของมวลอะตอมจะได 35.5 พอดี คลอรีน
ทั้งสองแบบมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันทุกประการ ธาตุเดียวกันแตมีมวลอะตอมไมเทากัน
19. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
317
เรียกวา ไอโซโทป ซึ่งตอมาทราบวามวลอะตอมที่ตางกันนั้นเกิดจากการมีจํานวนนิวตรอนใน
นิวเคลียสไมเทากัน มีธาตุประมาณ 20 ธาตุที่มีไอโซโทปไมนอยกวา 6 ไอโซโทป ดีบุก (Sn) มี
จํานวน 10 ไอโซโทป ไอโซโทปของธาตุหนึ่ง ๆ เรียกวาเปนนิวไคลด (nuclide) ตัวหนึ่ง นิวเคลียส
ของธาตุหนึ่งจึงมีนิวไคลดไดหลายแบบ ปจจุบันพบวามีนิวไคลดประมาณ 280 ชนิดเปนนิวไคลด
ที่เสถียร และประมาณ 1200 ชนิดจะไมเสถียร จะแผรังสีแลวสลายตัวกลายเปนนิวไคลดอีกชนิด
หนึ่ง
เนื่องจากมวลของนิวไคลดมีขนาดเล็กมาก ในป ค.ศ. 1960 นักวิทยาศาสตรจึงได
วางมาตรฐานสากลเพื่อใชวัดนิวไคลด โดยใชหนวย u หรือ amu (Unified Atomic Mass Unit)
กําหนดให 1 u เทากับ 1/12 ของมวลอะตอมของคารบอน 12 (C12
เปนธาตุที่พบในธรรมชาติ
98.89% มีมวลอะตอมเทากับ 12 พอดี) โดย 1 u = 1.66042 × 10-27
กิโลกรัม โดยใชสูตร E =
mc2
จะไดความสัมพันธดังนี้
1 u = 1.660566 × 10-27
กิโลกรัม
= 1.49231 × 10-10
จูล
= 931.476 เมกกะอิเล็กตรอนโวลต
มวลของโปรตอนและนิวตรอนในหนวยของ u และหนวยอื่นจะเปนดังนี้
ตาราง 9.4 มวลของนิวคลีออนและอิเล็กตรอน
อนุภาค มวล (kg) มวล (u) มวล (MeV/c2
)
โปรตอน 1.67252 × 10-27 1.0072825 938.256
นิวตรอน 1.67482 × 10-27
1.0086659 939.550
อิเล็กตรอน 9.1095 × 10-31
5.486 × 10-4 0.511
9.3.2 ขนาดของนิวเคลียสและพลังงานยึดเหนี่ยว
การทดลองของรัทเธอฟอรด โดยยิงอนุภาคแอลฟาเขาไปในแผนโลหะบางๆ สามารถ
คํานวณหาระยะทางที่อนุภาคแอลฟาวิ่งเขาไปใกลนิวเคลียสมากที่สุดไดเมื่อการชนของอนุภาค
แอลฟากับอะตอมอยูในแนวเสนตรง (head on) ทําใหมุมสะทอนกลับของอนุภาคแอลฟาเทากับ
180 องศา เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาผานแผนทองคําเปลว พบวาอนุภาคแอลฟาเขาไปใกลนิวเคลียส
อยูหางจากนิวเคลียสประมาณ 3.0 × 10-14
เมตร นั่นคือ ขนาดของนิวเคลียสประมาณไดไมเกิน
ตัวเลขคานี้ อนุภาคแอลฟาไมสามารถเขาไปถึงนิวเคลียสไดมากกวานี้เพราะแรงผลักคูลอมบจะ
ตานไว
20. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
318
ในการวัดขนาดของนิวเคลียสเพื่อใหไดคาใกลเคียงคาที่แทจริงนั้น ในภายหลังใช
อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง (100 MeV ถึง 1 Gev) หรือนิวตรอนซึ่งเปนอนุภาคเปนกลางมีความเร็ว
สูง (20 MeV หรือมากกวา) การกระเจิงของอิเล็กตรอนจะใหขอมูลเกี่ยวกับประจุที่อยูภายใน
นิวเคลียส การกระเจิงของนิวตรอนทําใหสามารถประมาณเนื้อสารภายในนิวเคลียสได จากการ
ทดลองทุก ๆ กรณีพบวา ปริมาตรของนิวเคลียสจะเปนสัดสวนตรงกับจํานวนนิวคลีออนที่มีอยูใน
นิวเคลียสนั้น หรือขึ้นกับจํานวนโปรตอนและนิวตรอน (A)
ให R เปนรัศมีของนิวเคลียส ปริมาตรของนิวเคลียสคือ
4
3
R3π จะได
R α A
1
3
สมการสําหรับวัดรัศมีของนิวเคลียสจะไดเปน
R = R0 A
1
3 ....................(9.15)
R0 เปนคาคงที่ แตปจจุบันยังวัดคาที่แนนอนไมได (มีคาอยูระหวาง 1.2 × 10-15
ถึง
1.48 × 10-15
เมตร) ขึ้นอยูกับลักษณะการทดลองและอนุภาคที่ใชยิงเขาไปในนิวเคลียส
อิเล็กตรอนและนิวตรอนมีอันตรกิริยากับนิวเคลียสตางกัน คาที่นิยมใชคือ R0 = 1.35 × 10-15
เมตร กําหนดหนวยใหมโดยให 1 เฟอรมิ (Fermi) เทากับ 10-15
เมตร สมการ (9.15) จึงเขียนได
ใหมเปน
R ≅ 1.35 A
1
3 Fermi ....................(9.16)
ตัวอยาง 9.3 จงคํานวณหารัศมีของนิวเคลียสของสังกะสี 30
65
Zn และยูเรเนียม 92
238
U
วิธีทํา จากสมการ (9.15)
รัศมีของนิวเคลียสของสังกะสี≅ 135 65
1
3
. ( )×
≅ 5.428 เฟอรมิ
รัศมีของนิวเคลียสของยูเรเนียม ≅ 135 238
1
3
. ( )×
≅ 8.366 เฟอรมิ
นิวคลีออนถูกยึดไวใหอยูในนิวเคลียสไดทั้ง ๆ ที่โปรตอนเปนประจุบวก แรงผลัก
คูลอมบไมสามารถกระจายโปรตอนเหลานี้ได แสดงวาแรงนิวเคลียรแบบเขม (strong nuclear
force) ยึดนิวคลีออนเหลานี้ไวดวยพลังงานมหาศาล พลังงานนี้เรียกวา พลังงานยึดเหนี่ยวของ
21. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
319
นิวเคลียส (binding energy) พลังงานนี้มีคาเปน MeV เราสามารถใชสูตรมวล-พลังงานของ
ไอนสไตน (E = mc2
) อธิบายพลังงานยึดเหนี่ยวไดในเทอมของมวล
จากการทดลองพบวามวลของนิวเคลียสที่วัดไดจะมีคานอยกวาผลบวกของมวลของ
นิวคลีออนของนิวเคลียสในภาวะอิสระเสมอ มวลที่หายเนื่องจากการรวมตัวของอนุภาคตาง ๆ
เพื่อเปนนิวเคลียส เรียกวามวลพรอง(mass defect) ซึ่งจะกลายเปนพลังงานยึดเหนี่ยวระหวาง
นิวคลีออนในนิวเคลียสนั้น ๆ
ตัวอยาง 9.4 อะตอมไฮโดรเจน (deuterium) มีโปรตอนและนิวตรอนอยางละ 1 ตัวในนิวเคลียส
จงหาพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส
วิธีทํา นิวเคลียสของดิวเทอเรียม เรียกวา ดิวเทอรอน มีลักษณะที่งายที่สุด มวลของอะตอม
ไฮโดรเจนปกติคือ 1.007825 u มวลของนิวตรอน 1 ตัว คือ 1.008665 u ผลรวมของมวลอะตอม
ไฮโดรเจนและนิวตรอน คือ 2.016490 u แตมวลของดิวเทอเรียมที่วัดไดจริง ๆ คือ 2.014102 u
มวลพรอง = 2.016490 - 2.014102 u
= 0.002388 u
มวล 1 u เมื่อเปลี่ยนเปนพลังงานมีคาเทากับ 931.476 MeV
ดังนั้น พลังงานที่ยึดเหนี่ยว = 0.001840 × 931.476
= 2.2244 MeV
นั่นคือ จะตองใหพลังงาน 2.2244 MeV แกดิวเทอรอนเพื่อจะแยกโปรตอนและ
นิวตรอนออกเปนอิสระ
มวลของดิวเทอเรียม 2.014102 เปนมวลของอะตอม ในการคํานวณเราใชมวล
อะตอมแทนมวลของนิวเคลียส เมื่อตองการรูมวลนิวเคลียสก็นําเอามวลอิเล็กตรอนมาหักออก
อะตอมของธาตุใดซึ่งเขียนอยูในรูป z
XA สามารถคํานวณหาพลังงานยึดเหนี่ยว
ไดจากสูตรตอไปนี้
Binding Energy = [ ]Zm A Z m Zm M A Z cp n e+ − + −( ) ( , ) 2
เมื่อ mp, mn และ me คือ มวลของโปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอน ตามลําดับ
M(A,Z) เปนมวลอะตอมที่วัดไดจริงซึ่งจะนอยกวาผลรวมของมวลของอนุภาคทั้งหมด ถา
กําหนดให mp + me = mH ซึ่งเปนมวลของไฮโดรเจนอะตอม สมการพลังงานยึดเหนี่ยวจะเขียน
ไดใหมเปน
22. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
320
Binding Energy = [ ]Zm A Z m M A Z cp n+ − −( ) ( , ) 2
....................(9.17)
ตัวอยาง 9.5 จงหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ 83
209
Bi มีมวลอะตอม 208.980388 u
วิธีทํา
พลังงานยึดเหนี่ยวของบิสมัธ = (83 × 1.007825 + (209 - 83) × 1.008665-
208.980388)× c2
×
931.476
c
2 MeV
= 1640.215 MeV
พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส ขนาด MeV มีคาคอนขางสูงมาก พลังงานยึด
เหนี่ยวของนิวไคลดมีคาเริ่มตั้งแต 2.22 MeV (ของดิวเทอเรียม) จนถึง 1640 MeV (ของบิสมัธ
209) เมื่อเปรียบเทียบพลังงานนี้ใหเปนกิโลจูล/กิโลกรัม พลังงานยึดเหนี่ยวโดยเฉลี่ยเมื่อแปลง
เปนหนวยนี้จะมีคาประมาณ 8 × 1011
kJ/kg พลังงานความรอนที่ไดจากแกสโซลีนมี
คาประมาณ 4.7 × 104
kJ/kg เทานั้น นอยกวาคาพลังงานยึดเหนี่ยวถึง 17 ลานเทา
พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนหมายถึงนําจํานวนนิวคลีออน(โปรตอนและ
นิวตรอน) ไปหารพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนของดิวเทอ
เรียมมีคา 2.2 MeV/2 = 1.1 MeV/nucleon ของบิสมัธ (83
209
Bi ) มีคาเทากับ 1640 MeV/209 =
7.8 MeV/nucleon เมื่อนําคาพลังงานเหนี่ยวนําตอนิวคลีออนเขียนเปนกราฟกับเลข
มวลอะตอมของธาตุตาง ๆ จะไดเสนกราฟ ดังรูป 9.11
23. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
321
นิวเคลียสของธาตุใดที่มีคาพลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนมาก แสดงวานิวเคลียส
นั้นจะเสถียร เพราะจะตองใชพลังงานมากในการที่จะทําใหอนุภาคในนิวเคลียสเปนอิสระ
พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนมีคาสูงสุดที่ A = 56 คือ 26
56
Fe ซึ่งเปนนิวเคลียสของเหล็ก
เหล็กจึงมีนิวเคลียสที่เสถียรที่สุด
เมื่อ A มีคานอย ๆ พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนจะมีคานอย และจะเพิ่มคาอยาง
รวดเร็วจนถึง A = 20 (ธาตุนีออน) นิวเคลียสที่มีเลขมวลอะตอมเทากับ 20 ถึง 160 พลังงาน
ยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนจะมีคาไมแตกตางกันมากนัก มีคาเฉลี่ยประมาณ 8.5 MeV
เมื่อเลขมวลอะตอมมีคาสูง ๆ ตั้งแต 140 เปนตนไป คาพลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลี
ออนจะลดลงอยางชา ๆ และตอเนื่อง ลดลงจนถึง 7.6 MeV ที่ A = 238 ซึ่งเปนธาตุยูเรเนียม
ประกอบดวยโปรตอน 93 ตัว และนิวตรอน 143 ตัว แสดงวานิวคลีออนยึดกันอยูอยางหลวม ๆ
เมื่อพิจารณานิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูง ๆ พบวา พลังงานศักยที่เกิดจากแรงผลักกันระหวาง
โปรตอนจะไปลดพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออน ทําใหนิวเคลียสสลายตัวแผกัมมันตภาพรังสี
ออกมา จํานวนนิวตรอนในนิวเคลียสมีสวนเปนกันชนระหวางโปรตอนกับโปรตอนดวยกัน จะชวย
ลดพลังงานศักยที่เกิดจากแรงคูลอมบ จํานวนนิวตรอนตอจํานวนโปรตอนในนิวเคลียสมีคาตั้งแต
0 ถึง 1.55
รูป 9.11 พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนกับเลขมวลอะตอมของธาตุตาง ๆ
24. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
322
9.3.3 แบบจําลองของนิวเคลียส
โครงสรางที่แทจริงของนิวเคลียสมีลักษณะอยางไรนั้นยังไมเปนที่ทราบแนนอน เรา
ทราบวาแรงนิวเคลียรเปนแรงดึงดูดที่แรงกวาแรงคูลอมบ เปนแรงที่มีระยะพิสัยสั้น มีขอบเขตจาก
จุดศูนยกลางถึงผิวของนิวเคลียสหรือต่ํากวาผิวเล็กนอย ยังไมมีทฤษฎีใดที่อธิบายปรากฏการณ
ตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับนิวเคลียส ลักษณะเสถียรและไมเสถียรของนิวไคลดตาง ๆ ไดอยางสมบูรณ
นักวิทยาศาสตรพยายามสรางแบบจําลองเพื่ออธิบายพฤติกรรมตางๆ ของนิวเคลียส เชน
แบบจําลองหยดของเหลว (liquid drop model) แบบจําลองแบบชั้น (shell model) แบบจําลองที่
มีอันตรกิริยาโดยตรง (direct-interaction model) แบบจําลองเฟอรมิแกส (Fermi gas model)
แบบจําลองนิวเคลียสเปนวัตถุโปรงแสง (optical model) แบบจําลองชั้นและหยดของเหลวผสมกัน
(collective model) แตละแบบที่เสนอมานั้นไมมีแบบใดที่สมบูรณ เพราะแตละแบบสามารถใช
อธิบายปรากฏการณของนิวเคลียสไดสอดคลองบางเรื่องเทานั้น
ตาราง 7.5 แสดงมวลและตัวเลขของอะตอมของธาตุตาง ๆ บางธาตุ
25. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
323
Z ธาตุ สัญลักษณ A มวลอะตอม (u)
0 นิวตรอน n 1 1.008665
1 ไฮโดรเจน H 1 1.007825
2 2.014102
3 3.01605
2 ฮีเลียม He 3 3.016029
4 4.002603
6 6.018891
3 ลิเธียม Li 6 6.015123
7 7.016004
8 8.022487
6 คารบอน C 10 10.016858
11 11.011433
12 12.000000
13 13.003355
14 14.003242
15 15.010599
8 ออกซิเจน O 14 14.008597
15 15.003065
16 15.974915
17 16.999131
18 17.999159
19 19.003576
9 โซเดียม Na 22 21.994435
23 22.98977
24 23.990963
13 อลูมิเนียม Al 27 26.981541
29 ทองแดง Cu 63 62.929599
64 63.929766
65 64.927792
47 เงิน Ag 107 106.905095
108 107.905956
109 108.904754
26. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
324
แบบจําลองหยดของเหลว
เสนอโดยบอร ในปค.ศ. 1937 อาศัยหลักที่วาแรงนิวเคลียรมีระยะพิสัยสั้น นิวคลีออน
ในนิวเคลียสจึงมีอันตรกิริยาตอกันเฉพาะนิวคลีออนที่อยูรอบ ๆ ตัวมันเทานั้น เชนเดียวกับแรง
ระหวางโมเลกุลของของเหลว ซึ่งจะคิดเฉพาะโมเลกุลขางเคียง โมเลกุลมีการสั่นและสามารถ
เคลื่อนที่โดยรักษาระยะหางระหวางโมเลกุลไวเสมอ อันที่จริงผลึกในของแข็งก็เปนแบบนี้เชนกัน
แตเราไมนํามาทําเปนแบบจําลอง เพราะเมื่อคํานวณพลังงานเฉลี่ยซึ่งเกิดจากการสั่นของนิวคลี
ออนในรูปผลึกของแข็ง พบวามีคามากเกินไป ซึ่งทําใหนิวเคลียสไมสามารถคงรูปรางอยูได การใช
หยดของเหลวมาทําเปนแบบจําลองจึงเหมาะสมกวา
แบบจําลองหยดของเหลวนี้กําหนดใหนิวเคลียสมีรูปรางเปนทรงกลมเพราะจะทําให
เกิดแรงตึงผิวมากที่สุด และเสถียรมากที่สุดดวย นิวคลีออนเปรียบเสมือนเปนโมเลกุลของ
ของเหลว แบบจําลองนี้นําไปใชอธิบายพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส สมการพลังงานยึด
เหนี่ยวของนิวเคลียส (9.17) เปนการคํานวณที่ไดจากมวลพรองโดยอาศัยการพิจารณาพลังงาน
อื่น ๆ ที่ทําใหนิวคลีออนยึดติดอยูไดเหมือนเชนหยดของเหลว เราก็จะหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ
นิวเคลียสไดเชนกัน พลังงานที่เกี่ยวของซึ่งตองพิจารณามีดังนี้
ก. พลังงานที่นิวคลีออนใชยึดกันใหเปนรูปทรงปริมาตร (volume energy)นิวคลี
ออน
ที่อยูใกลกัน 2 ตัวถูกยึดไวดวยพันธะ (bond) ระหวางกันดวย พลังงานเทากับ U เมื่อคิดตอหนึ่ง
นิวคลีออนจะเทากับ U/2 นิวคลีออนตัวหนึ่งจะถูกนิวคลีออนอื่นรายรอบทั้งหมด 12 ตัว (เมื่อคิด
วานิวคลีออนแตละตัวมีรูปรางเปนทรงกลม) นิวคลีออนที่อยูภายในนิวเคลียสตัวหนึ่งจึงมี
พลังงานยึดเหนี่ยวเทากับ (12)(U/2) = 6 U
รูป 9.12 นิวคลีออนในนิวเคลียสเปนเสมือนโมเลกุลของหยดน้ํา
(ก) นิวเคลียส 1 ตัวถูกลอมรอบดวยตัวอื่น ๆ 12 ตัว
(ข) นิวคลีออนที่อยูใกลผิวจะมีอันตรกิริยานอยกวาตัวที่อยู
ดานใน
(ข)(ก)
27. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
325
ใหจํานวนนิวคลีออนในนิวเคลียส คือ A พลังงานที่ใชในการยึดเหนี่ยวใหเปนรูปทรง
ทั้งหมด คือ EV
EV = 6 AU
หรือเขียนสั้น ๆ ไดเปน
EV = a1 A
พลังงานที่ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนใหเปนปริมาตรอยูไดจะแปรผันตรงกับจํานวน
นิวคลีออน
ข. พลังงานยึดเหนี่ยวบริเวณพื้นผิว (Surface energy, ES) นิวคลีออนที่อยูภายใน
นิวเคลียสจะมีพลังงานยึดเหนี่ยวมากกวานิวคลีออนที่อยูที่พื้นผิว จํานวนนิวคลีออนที่อยูที่ผิว
นิวเคลียส จะมากหรือนอยขึ้นอยูกับพื้นที่ผิวของนิวเคลียส ให R เปนรัศมีของนิวเคลียส
4πR2
= 4πR A0
2 2/3
ผลที่ตามมาคือพลังงานยึดเหนี่ยวจะลดลงไปตามจํานวนนิวคลีออนที่อยูที่พื้นผิว
ES = - a A
2
2 / 3
ES จะมีผลชัดเจนตอนิวเคลียสที่เบาอยางชัดเจนเพราะสัดสวนจํานวนนิวคลีออน
จะมาอยูที่ผิวมากกวาอยูภายใน และนิวเคลียสที่มีพื้นที่ผิวมาก ๆ เสถียรภาพของนิวเคลียสนั้นจะ
ลดลง
ค. พลังงานคูลอมบ (Coulomb energy, EC) เราหาพลังงานคูลอมบในนิวเคลียสได
โดยคิดวาเคลื่อนยายโปรตอนจํานวน Z ตัวจากระยะอนันต มารวมกันอยูในทรงกลมของนิวเคลียส
ถาโปรตอนแตละคูอยูหางจากกันเปนระยะ r เทากันทุกคู พลังงานศักยเนื่องจากแรงคูลอมบของ
แตละคูคือ
V =
−
∈
e2
4 r0π
โปรตอนจับคูกันไดทั้งหมด
Z Z( )− 1
2
คู ดังนั้น
EC =
-Z(Z 1)e2
8
1
r
0
−
∈π
28. ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
326
ถาโปรตอนกระจายในทรงกลมอยางสม่ําเสมอ อาจประมาณไดวา
1
r
1
R
1
A1 / 3
≈ ≈
ดังนั้น
EC = −
−
a
Z Z
A
3 1
3
1( )
พลังงานยึดเหนี่ยวในขอ ก, ข และ ค นําไปรวมเปนพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส
ทั้งหมด คือ
พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส (Eb)= EV + ES + EC
= a1A -a2A
2
3
- −
−
a
Z Z
A
3 1
3
1( )
............(9.18)
เมื่อเขียนกราฟระหวางพลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนกับจํานวนนิวคลีออน ผลที่ได
จะสอดคลองกับคาที่คํานวณไดจากมวลพรอง
รูป 9.13 พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนหาจากผลรวมของ EV, ES และ EC
2
เราสามารถปรับปรุงสูตรในสมการ (9.18) ใหไดผลลัพธใกลเคียงคาแทจริง โดย
พิจารณาผลกระทบจากสิ่งตอไปนี้
2
Beiser, Arthur. Concepts of Modern Physics. (Singapore : McGraw - Hill, 1987 ), p. 426.
15
25020015010050
-10
-5
0
5
10
พลังงานรวมทั้งหมด
coulomb energysurface energy
volume energy