แบบจำลองกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคืออะไร?
(อธิบายแบบเข้าใจง่ายๆ)
ภาพของอะตอมที่เราคุ้นเคยตามโลโก้ของหน่วยงานต่างๆ ทั้งภาครัฐและเอกชน มักเป็นภาพของนิวเคลียสที่มีอิเล็กตรอนโคจรไปรอบๆ แตกต่างกันไปบ้างตามการออกแบบของศิลปิน แต่ในทางฟิสิกส์ ภาพเหล่านี้ไม่ได้สอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัม ในปัจจุบัน ภาพของอะตอมที่นักฟิสิกส์ยอมรับและสอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัมเป็นอย่างดี คือ แบบจำลองกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน (Electron Cloud Model) ซึ่งมีความแตกต่างไปจากภาพที่คุ้นเคยกันอย่างมาก
ก่อนหน้าแบบจำลองกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนจะถือกำเนิดขึ้น นักฟิสิกส์ผู้มีนามว่า นีลส์ บอร์ เสนอว่าอิเล็กตรอนโคจรไปรอบๆนิวเคลียสเป็นวงกลมด้วยระดับพลังงานเป็นขั้นๆไม่ต่อเนื่อง ซึ่งใช้อธิบายสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดีมาก แบบจำลองของบอร์เป็นภาพของอะตอมที่เราพบเห็นตามโลโก้ต่างๆ แต่ปัญหาคือมันไม่สอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัมสมัยใหม่และไม่สอดคล้องกับผลการทดลองอื่นๆทางควอนตัมด้วย
นักฟิสิกส์จำนวนมากมองว่าแบบจำลองของบอร์ เป็น Semiclassical physics คือ กึ่งควอนตัม กึ่งคลาสสิค กล่าวคือมีความเป็นควอนตัมแบบครึ่งตัวในแง่ที่พลังงานของอิเล็กตรอนไม่ต่อเนื่อง แต่ภาพวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นเป็นการมองแบบคลาสสิค
แบบจำลองของ นีลส์ บอร์
แล้วภาพที่ถูกต้องเป็นอย่างไร ?
สมการของชโรดิงเจอร์ซึ่งเป็นรากฐานของทฤษฎีควอนตัมมองว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นที่กระจายอยู่รอบๆนิวเคลียส ผลของการแก้สมการจะบอกได้ว่าเรามีโอกาสพบอิเล็กตรอนที่บริเวณนั้นๆแค่ไหน แต่สมการไม่ได้บอกว่าอิเล็กตรอนอยู่ตรงไหนกันแน่ ดังนั้นภาพของอิเล็กตรอนจึงอยู่ในรูปของโอกาสในการพบรอบๆนิวเคลียส คล้ายกับหมอกอันรางเลือน นี่เองคือ แบบจำลองกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน
จุดแต่ละจุดในภาพไม่ใช่อิเล็กตรอน แต่สื่อถึงโอกาสในการพบอิเล็กตรอน โดยบริเวณใดที่มีจุดกระจายอย่างหนาแน่นย่อมมีโอกาสพบอิเล็กตรอนในบริเวณนั้นๆมากกว่าบริเวณที่มีจุดกระจายอย่างเบาบาง
แบบจำลองกลุ่มหมอกอธิบายอะตอมของไฮโดรเจนว่าโอกาสในการพบอิเล็กตรอนนั้นโดยเฉลี่ยแล้วมีมากที่สุดตามรัศมีวงโคจรแบบที่นีลส์ บอร์นำเสนอ พูดง่ายๆมันมีโอกาสที่อิเล็กตรอนจะไปอยู่ตำแหน่งอื่น แต่ไม่มากเท่าตามรัศมีโคจรของบอร์ นั่นเอง (เราอาจะกล่าวได้ว่าสำหรับอะตอมไฮโดรเจน แบบจำลองของบอร์เป็นค่าเฉลี่ยที่ดีของแบบจำลองกลุ่มหมอก)
ฟังดูเข้าใจง่ายดี แต่ย้อนกลับไปตอนที่แนวคิดนี้ถือกำเนิดขึ้นมาใหม่ๆ นักฟิสิกส์จำนวนมากรับมันไมได้ เพราะฟิสิกส์แบบคลาสสิคนั้น ล้วนแล้วแต่ให้ผลลัพธ์ของการคำนวณเป็นปริมาณที่มีความชัดเจน เช่น ในกลศาสตร์แบบนิวตัน เมื่อรู้แรงที่กระทำกับก้อนหิน เราย่อมคำนวณได้ว่าก้อนหินจะกระเด็นไปตกที่ตำแหน่งไหน มีความเร็วเท่าใด ความชัดเจนในลักษณะนี้ ถูกรองรับด้วยหลักปรัชญาที่เรียกว่า determinism อันแข็งแกร่งและสอดคล้องกับสามัญสำนึก
แต่ทฤษฎีควอนตัมกลับให้ผลลัพธ์เป็นโอกาสในการพบ ซึ่งแปลกไปจากฟิสิกส์แบบคลาสสิค และถ้าโอกาสในการพบอิเล็กตรอนเป็นธรรมชาติพื้นฐานย่อมทำให้หลัก determinism พังทลายลง
นักฟิสิกส์อย่างอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ถึงขั้นกล่าววาทะว่า "พระเจ้าไม่ทอยลูกเต๋าเล่นกับเอกภพ" (God does not play dice with the universe) เพราะลูกเต๋านั้นเป็นตัวแทนสื่อถึงการสุ่มเสี่ยงและโอกาส นักฟิสิกส์อย่าง นีลส์ บอร์ ถึงขั้นกล่าวโต้ด้วยประโยคว่า "เลิกบอกพระเจ้าได้แล้วว่าต้องทำยังไงกับลูกเต๋า" ( Stop telling God what to do with his dice.)
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทุ่มความพยายามไปกับการแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีควอนตัมนั้นไม่สมบูรณ์แบบ เขาเชื่อว่ามีตัวแปรบางอย่างที่นักฟิสิกส์ยังไม่พบ ไปส่งผลบางอย่างกับอิเล็กตรอนทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถรู้ตำแหน่งของมันอย่างแม่นยำได้ ไอน์สไตน์เชื่อว่าทฤษฎีควอนตัมเป็น determinism อย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งแนวคิดดังกล่าวเรียกว่า ทฤษฎีตัวแปรซ่อนเร้น (Hidden-variable theory)
อย่างไรก็ตาม การทดลองทดสอบมากมายในเวลาต่อมากลับแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีตัวแปรซ่อนเร้นตามความคิดของไอน์สไตน์นั้นไม่ถูกต้อง ทำให้มันไม่ใช่ทฤษฎีกระแสหลักอีกต่อไป
โอกาสในการพบอิเล็กตรอน แม้จะฟังดูพร่าเลือนและไม่ชัดเจน แต่มันเป็นภาพที่ชัดเจนที่สุดของธรรมชาติในระดับควอนตัมที่ไม่ได้ขึ้นกับขีดจำกัดของเทคโนโลยีการวัดตำแหน่ง หรือ เป็นเพราะความไม่รู้ของมนุษย์ แต่โอกาสในการพบเป็นธรรมชาติพื้นฐานที่สุดของโลกควอนตัม
หลายคนอาจสงสัยว่า ถ้าภาพการโคจรของอิเล็กตรอนหายไป แล้วอิเล็กตรอนในอะตอมมีสภาพเป็นอย่างไรก่อนเราจะวัดตำแหน่งมัน?
คำตอบคือ ตำแหน่งของอิเล็กตรอนในอะตอมก่อนทำการวัดมันไม่มีความหมายในทฤษฎีควอนตัม นักฟิสิกส์ไม่พูดถึงปริมาณที่ยังไม่ถูกวัดว่าเป็นอย่างไร เรารู้โอกาสในการพบมัน แต่เราไม่มีภาพการเคลื่อนที่(motion)ของอิเล็กตรอนในอะตอม แม้จะฟังดูแปลกๆ แต่ธรรมชาติในระดับควอนตัมก็เป็นแบบนั้น (ผมจะกลับมาอธิบายอีกครั้ง ตอนคุยกันเรื่องปรัชญาเกี่ยวกับการวัด)
ในตอนนี้เมื่อกล่าวถึงอะตอม ขอให้ทุกท่านเข้าใจว่า ภาพของอิเล็กตรอนที่กระจายรอบๆนิวเคลียสคือโอกาสในการพบอิเล็กตรอน ดูแล้วพร่าเลือนเหมือนหมอก แต่หมอกดังกล่าวคือภาพที่สะท้อนความจริงของอิเล็กตรอนที่ชัดเจนที่สุด และไม่มีทางจะชัดเจนไปกว่านี้ได้
- 4
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
