s p d f
สิ่งที่ต้องรู้ในการจัดเรียงอิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนในอะตอมมีธรรมชาติอย่างไร?
เป็นคำถามสำคัญมากทั้งทางฟิสิกส์และเคมีเพราะถ้าเราเข้าใจธรรมชาติของอิเล็กตรอนในอะตอมย่อมนำไปสู่ความเข้าใจในปฏิกิริยาเคมี พันธะเคมี และธรรมชาติในแง่มุมอื่นๆอีกมากมาย
ย้อนกลับไปในยุคก่อนที่ทฤษฎีควอนตัมแบบใหม่จะถูกสร้างขึ้น นีลส์ บอร์ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กสร้างแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนที่มองว่าอิเล็กตรอนโคจรรอบๆนิวเคลียสเป็นรูปวงกลม ด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสเป็นขั้นๆ ไม่ต่อเนื่อง ขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอน ระดับพลังงานเหล่านี้เรียกว่าว่า ระดับพลังงานหลัก แทนด้วยอักษร n ไล่ตั้งแต่พลังงานต่ำสุดคือ n=1 แล้วเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ
ต่อมาไม่นานนัก เมื่อนักฟิสิกส์ศึกษาเส้นสเปคตรัมได้ละเอียดขึ้นก็พบเส้นสเปกตรัมปลีกย่อยที่ทฤษฎีของนีลส์ บอร์ ไม่สามารถอธิบายได้ * กล่าวคือ อิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลักนั้น แสดงพฤติกรรมเหมือนมีระดับพลังงานย่อยๆซุกซ่อนอยู่
แบบจำลองอะตอมของนีลส์ บอร์
ต่อมา การคำนวณด้วยกลศาสตร์ควอนตัมยุคใหม่ชี้ว่าพลังงานย่อยดังกล่าวมีอยู่จริง ซึ่งมันก็คือ รูปแบบการโคจรของอิเล็กตรอน** แน่นอนว่ารูปแบบการโคจรที่แตกต่างกันย่อมส่งผลให้ปริมาณโมเมนตัมเชิงมุมแตกต่างกันไปด้วย
- หากอิเล็กตรอนโคจรเป็นทรงกลมที่เราคุ้นเคยกันดี จะเรียกว่า s orbital
- หากอิเล็กตรอนโคจรเป็น ลูกโป่งหกลูกที่ปลายผูกติดกัน จะเรียกว่า p orbital
- ส่วน d orbital และ f orbital นั้นเป็นรูปทรงที่ประหลาดจนไม่สามารถอธิบายออกมาให้เห็นภาพได้ ไปเปิดรูปดูเอาก็จะง่ายกว่า
สีแดงบนสุดคือ s orbital , สีเหลืองส้มคือ p orbital, สีฟ้าน้ำเงินคือ d orbital , ส่วนบรรทัดล่างสุดสีเขียวคือ f orbital
สรุป ก็คือ อิเล็กตรอนไม่ได้มีวงโคจรเป็นวงกลมเพียงอย่างเดียว แต่ยังโคจรเป็นรูปทรงอื่นๆได้ด้วย
ชื่อของวงโคจรเหล่านี้ถูกตั้งด้วยเหตุผลเชิงประวัติศาสตร์ที่เรียกตามลักษณะของเส้นสเปกตรัมที่ปรากฏในแต่ละรูปแบบวงโคจร
s มาจากคำว่า Sharp
p มาจากคำว่า principal
d มาจากคำว่า diffuse
f มาจากคำว่า fundamental
(ถัดจาก f จะเรียงตามลำดับอักษรภาษาอังกฤษ คือ g,h...ไปเรื่อยๆ)
อย่างไรก็ตาม s p d f นั้นเป็นชื่อเรียกลักษณะวงโคจร แต่ในเชิงการคำนวณทางคณิตศาสตร์ พวกมันจะถูกแทนด้วยเลข เรียงจาก 0,1,2,3 ตามลำดับ เลขเหล่านี้มีชื่อว่า angular quantum number (l) เพราะมันสอดคล้องกับรูปแบบการโคจรของอิเล็กตรอนนั่นเอง
ความรู้เรื่องนี้สำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดเรียงอิเล็กตรอน
สำหรับธาตุไฮโดรเจนที่มีอิเล็กตรอนเพียงอนุภาคเดียวนั้น ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจะขึ้นกับระดับพลังงานหลัก เพียงอย่างเดียว โดยไม่ขึ้นกับรูปแบบการโคจรเลย แต่สำหรับธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอน ระดับพลังงานจะแตกต่างไปตามรูปแบบการโคจร เนื่องจากอิเล็กตรอนมีอันตรกิริยาระหว่างกันจึงส่งผลต่อระดับพลังงานในแต่ละรูปแบบวงโคจร
ผลจากการแก้สมการของชโรดิงเจอร์ทำให้ค่า n จะต้องมากกว่า l เสมอ (อยากรู้เหตุผลว่าทำไม ต้องเรียนฟิสิกส์ แล้วดูการแก้สมการนี้)
- สถานะพื้น (n=1) มีระดับพลังงานต่ำสุด
อิเล็กตรอนโคจรได้แบบเดียวคือ s orbital (l =0)
- ที่สถานะ n = 2 อิเล็กตรอนโคจรได้สองรูปแบบคือ s orbital และ p orbital (l =1)
- ที่สถานะ n = 3 อิเล็กตรอนโคจรได้สามรูปแบบ s orbital , p orbital และ d orbital (l =2)
ฯลฯ
คราวนี้ ถ้าเราเขียนสถานะของวงโคจร โดยเขียนระดับพลังงานหลักตามด้วย orbital จะได้ว่า
- ที่ n=1 มีระดับพลังงานย่อยแบบเดียวคือ 1s
- ที่ระดับพลังงาน n = 3 มีระดับพลังงานย่อยสามแบบคือ 3s, 3p ,3d เป็นต้น
เมื่อเขียนระดับพลังงานทั้งหมดเรียงกันจะได้ลักษณะคล้ายกับสามเหลี่ยม ดังนี้
1s
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f 5g
...
นักฟิสิกส์พบว่าอิเล็กตรอน(ในอะตอม)ชอบอยู่ในสถานะที่มีพลังงานต่ำๆ ดังนั้นอิเล็กตรอนจะถูกเติมในระดับพลังงานย่อยเรียงไปมาดังภาพนี้
ลำดับการเรียงอิเล็กตรอนในชั้นพลังงานย่อย
อย่างไรก็ตาม ความเข้าใจเรื่องการจัดอิเล็กตรอนยังไม่จบเพียงเท่านี้เพราะผมยังไม่ได้เล่าว่า วงโคจรแต่ละรูปแบบสามารถมีอิเล็กตรอนได้กี่อนุภาค แต่ก่อนหน้านั้นเราต้องรู้จัก ปรากฏการณ์ Zeeman ก่อนซึ่งผมจะเล่าให้ฟังในอนาคตครับ
หมายเหตุ * อีกทั้งทฤษฎีของบอร์ยังไม่สามารถอธิบายความเข้มที่แตกต่างกันของเส้นสเปกตรัมแต่ละเส้นได้ด้วย
** อธิบายเพิ่มเติม : ผมเขียนว่า Orbital เป็นวงโคจร(Orbit) เพราะเป็นการมองภาพแบบคลาสสิค ซึ่งใช้อธิบายเส้นสเปกตรัมได้ละเอียด(ในระดับหนึ่ง) อธิบายปรากฏการณ์อื่นๆได้หลายอย่าง ดีต่อความเข้าใจของผู้เริ่มต้น และสอดคล้องกับประวัติศาสตร์การค้นพบ ส่วนการอธิบายว่าเป็นโอกาสพบอิเล็กตรอนนั้นถูกต้องกว่า ใช้อธิบายธรรมชาติของอิเล็กตรอนได้กว้างกว่า แต่เห็นภาพยากกว่าผมจึงเลือกใช้คำว่าวงโคจร แต่จะไปอธิบายเพิ่มเติมในแง่การตีความฟังก์ชั่นคลื่นในอนาคต สำหรับผู้ที่ศึกษาอยู่ขอให้รู้ว่า " ภาพของ Orbital s p d f ที่ทุกท่านเห็นนั้นแสดงถึงโอกาสในการพบอิเล็กตรอน" ครับ
- 31
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
