อะตอม โครงสร้างอะตอม วิทยาศาสตร์ต้นศตวรรษที่ 20 หากต้องการทราบโครงสร้างอะตอม เราจะต้องทราบสิ่งต่อไปนี้ ในช่วงท้ายของศตวรรษที่ 19 อะตอมถูกคิดว่าเป็นเพียงทรงกลมเล็กๆที่แบ่งแยกไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ชุดของการค้นพบในด้านเคมี ไฟฟ้าและแม่เหล็ก กัมมันตภาพรังสีและกลศาสตร์ควอนตัมในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 ได้เปลี่ยนแปลงสิ่งเหล่านั้นทั้งหมด นี่คือสิ่งที่ฟิลด์เหล่านี้มีส่วนร่วม

เคมีและแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นักเคมีและนักฟิสิกส์กำลังศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับสสาร พวกเขาวางกระแสไฟฟ้าแรงสูงผ่านหลอดแก้วที่บรรจุแก๊สแรงดันต่ำ ปรอท นีออน ซีนอน เหมือนกับไฟนีออน กระแสไฟฟ้าถูกพาจากขั้วหนึ่ง แคโทดผ่านก๊าซไปยังอีกขั้วหนึ่ง แอโนดโดยลำแสงที่เรียกว่ารังสีแคโทด ในปี พ.ศ. 2440 เจ. เจ.ทอมสันนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองหลายครั้งโดยได้ผลดังนี้

เขาพบว่าหากวางหลอดไว้ภายในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก รังสีแคโทดอาจเบี่ยงเบนหรือเคลื่อนที่ได้ ด้วยการใช้สนามไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว สนามแม่เหล็กเพียงอย่างเดียวหรือทั้ง 2 อย่างรวมกันทอมสันสามารถวัดอัตราส่วนของประจุไฟฟ้าต่อมวลของรังสีแคโทดได้ เขาพบว่ารังสีแคโทดมีอัตราส่วนประจุต่อมวลเท่ากัน โดยไม่คำนึงว่าวัสดุใดอยู่ในหลอดหรือแคโทดทำมาจากอะไร ทอมสันสรุปดังต่อไปนี้ รังสีแคโทดเกิดจากอนุภาคขนาดเล็กที่มีประจุลบ

ซึ่งเขาเรียกว่าอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนต้องมาจากภายใน อะตอม ของแก๊สหรืออิเล็กโทรดโลหะ เนื่องจากอัตราส่วนประจุต่อ มวลของสารใดๆเท่ากัน อิเล็กตรอนจึงเป็นส่วนพื้นฐานของอะตอมทั้งหมด เนื่องจากอัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนสูงมาก อิเล็กตรอนจึงต้องมีขนาดเล็กมาก ต่อมานักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อรอเบิร์ต มิลลิกันได้วัดค่าไฟฟ้าของอิเล็กตรอน ด้วยตัวเลข 2 ตัวนี้ ประจุ อัตราส่วนประจุต่อมวล

จากผลลัพธ์ดังกล่าวทอมสันเสนอแบบจำลองอะตอมที่เหมือนแตงโม ส่วนสีแดงคือประจุบวกและเมล็ดคืออิเล็กตรอน กัมมันตภาพรังสี การค้นพบนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอน ในช่วงเวลาเดียวกับการทดลองของทอมสันกับรังสีแคโทด นักฟิสิกส์ เช่น โดย อ็องรี แบ็กแรล,มารี กูว์รี,ปีแยร์ กูว์รีและเออร์เนส รัทเทอร์ฟอร์ดกำลังศึกษากัมมันตภาพรังสี กัมมันตภาพรังสีมีลักษณะของรังสีที่ปล่อยออกมา 3 ประเภท

อนุภาคแอลฟา-มีประจุบวกและมวลมาก เออร์เนส รัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม อนุภาคบีตา-มีประจุลบและเบาต่อมาแสดงเป็นอิเล็กตรอน รังสีแกมมา-มีประจุเป็นกลางและไม่มีมวล เช่น พลังงาน การทดลองจากกัมมันตภาพรังสีที่มีส่วนสำคัญต่อความรู้ของเรา เกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมนั้นทำโดยรัทเทอร์ฟอร์ดและเพื่อนร่วมงานของเขา รัทเทอร์ฟอร์ดยิงลำแสงอนุภาคแอลฟาใส่แผ่นฟอยล์สีทองบางๆ

ซึ่งมองไปที่ลำแสงบนหน้าจอเรืองแสง เขาสังเกตเห็นสิ่งต่อไปนี้ อนุภาคส่วนใหญ่พุ่งตรงผ่านกระดาษฟอยล์และกระทบกับหน้าจอ บางส่วน 0.1 เปอร์เซ็นต์เบี่ยงเบนหรือกระจัดกระจายอยู่ด้านหน้า ตามมุมต่างๆของฟอยล์ ในขณะที่บางส่วนกระจัดกระจายอยู่ด้านหลังฟอยล์ รัทเทอร์ฟอร์ดสรุปว่าอะตอมของทองคำส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง ซึ่งทำให้อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านเข้าไปได้ อย่างไรก็ตาม พื้นที่เล็กๆของอะตอมต้องมีความหนาแน่นมากพอที่จะหักเห

รวมถึงกระจายอนุภาคแอลฟาได้ เขาเรียกบริเวณที่หนาแน่นนี้ว่านิวเคลียส นิวเคลียสประกอบด้วยมวลส่วนใหญ่ของอะตอม ต่อมาเมื่อรัทเทอร์ฟอร์ดระดมยิงไนโตรเจนด้วยอนุภาคแอลฟา อนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งเบากว่าอนุภาคแอลฟาก็ถูกปล่อยออกมา เขาเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าโปรตอนและตระหนักว่าพวกมันเป็นอนุภาคมูลฐานในนิวเคลียส โปรตอนมีมวล 1.673×10 -24 กรัมซึ่งใหญ่กว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1,835 เท่า

อย่างไรก็ตามโปรตอนไม่สามารถเป็นอนุภาคเพียงอนุภาคเดียวในนิวเคลียสได้ เนื่องจากจำนวนโปรตอนในธาตุใดก็ตาม กำหนดโดยประจุไฟฟ้าน้อยกว่าน้ำหนักของนิวเคลียส ดังนั้น จึงต้องมีอนุภาคที่มีประจุเป็นกลางตัวที่ 3 เจมส์แชดวิคนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษและเพื่อนร่วมงานของรัทเทอร์ฟอร์ด เป็นผู้ค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอมตัวที่ 3 ซึ่งก็คือนิวตรอน แชดวิคยิงฟอยล์เบริลเลียมด้วยอนุภาคแอลฟา และสังเกตเห็นการแผ่รังสีที่เป็นกลางออกมา

การแผ่รังสีที่เป็นกลางนี้อาจทำให้โปรตอนหลุดออกจากนิวเคลียสของสารอื่นได้ แชดวิคสรุปว่ารังสีนี้เป็นกระแสของอนุภาคที่มีประจุเป็นกลาง ซึ่งมีมวลเท่ากับโปรตอน นิวตรอนมีมวล 1.675×10 -24 กรัม เมื่อรู้จักส่วนต่างๆของอะตอมแล้ว พวกมันถูกจัดเรียงเพื่อสร้างอะตอมได้อย่างไร การทดลองด้วยแผ่นทองคำเปลวของรัทเทอร์ฟอร์ด ระบุว่านิวเคลียสอยู่ใจกลางอะตอมและอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง ดังนั้น จึงจินตนาการว่าอะตอมเป็นนิวเคลียสที่มีประจุบวกอยู่ตรงกลาง

โดยมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่รอบๆ เหมือนกับดาวเคราะห์ที่มีดวงจันทร์ แม้ว่าเขาไม่มีหลักฐานว่าอิเล็กตรอนล้อมรอบนิวเคลียส แต่แบบจำลองของเขาก็ดูสมเหตุสมผล อย่างไรก็ตาม มันนำเสนอปัญหาเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงกลม พวกมันก็จะสูญเสียพลังงานและให้แสงออกมา การสูญเสียพลังงานจะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้าลงเช่นเดียวกับดาวเทียมใดๆ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ช้าลงจะตกลงสู่นิวเคลียส ในความเป็นจริง มีการคำนวณว่าอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

ซึ่งจะคงอยู่ได้เพียงหนึ่งในพันล้านวินาทีก่อนที่จะพังทลายลงมีบางอย่างหายไป กลศาสตร์ควอนตัมรวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน ในช่วงเวลาเดียวกับที่มีการค้นพบกัมมันตภาพรังสี นักฟิสิกส์และนักเคมีกำลังศึกษาว่าแสงมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร อย่างไร การศึกษาเหล่านี้เริ่มต้นสาขากลศาสตร์ควอนตัม และช่วยแก้ไขโครงสร้างอะตอม กลศาสตร์ควอนตัมส่องแสงบนอะตอมแบบจำลองบอร์ นักฟิสิกส์และนักเคมีศึกษาธรรมชาติของแสงที่ปล่อยออกมา

เมื่อกระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านท่อที่มีองค์ประกอบที่เป็นก๊าซ ไฮโดรเจน ฮีเลียม นีออนและเมื่อองค์ประกอบต่างๆได้รับความร้อน เช่น โซเดียม โพแทสเซียม แคลเซียม ในเปลวไฟพวกเขาส่งแสงจากแหล่งกำเนิดเหล่านี้ ผ่านสเปกโตรมิเตอร์ อุปกรณ์ที่มีช่องแคบและปริซึมแก้ว ตอนนี้เมื่อคุณส่งแสงอาทิตย์ผ่านปริซึม คุณจะได้สเปกตรัมของสีที่ต่อเนื่องเหมือนสีรุ้ง อย่างไรก็ตาม เมื่อแสงจากแหล่งต่างๆเหล่านี้ส่องผ่านปริซึม พวกเขาพบพื้นหลังสีเข้มที่มีเส้นไม่ต่อเนื่องกัน

บทความที่น่าสนใจ : รหัส การอธิบายและให้ความรู้เกี่ยวกับวิธีการเข้ารหัสขั้นสูง 2 ถึง 3 วิธี