ฟ สกสยคใหมเบ�องตน

ฟ สกสอะตอม

ฟ สกสนวเคลยร

สรยพร สราภรมย

1

ฟสกสยคใหมเบองตน

• ฟสกสยคเกำเนนอธบำยปรำกฏกำรณทวไปทำงธรรมชำต ทเกยวของกบ แสง ส เสยง ควำมรอน คลนแมเหลกไฟฟำ กำรสน พลงงำนจลน ทปรำกฏกบวตถหรอสสำรทมขนำดใหญและเคลอนทชำ โดยใชกรอบแนวคดของนวตนในกำรอธบำย

• ฟสกสยคใหมเนนอธบำยพฤตกรรมของสสำรในระดบอะตอม หรอนวเคลยสโดยใชทฤษฎควอนตมในกำรอธบำย และ กำรเปลยนรปพลงงำนทเกดกบวตถหรอสสำรทมขนำดเลกและเคลอนทใกลเคยงกบควำมเรวแสงโดยใชทฤษฎสมพนธภำพของไอนสไตนในกำรอธบำย

3

• ทฤษฎสมพนธภาพอธบายพฤตกรรมของอนภภาคท�มอตราเรวสงม

มาก ใน กรอบเวลลาและปรภม (space) เชน ปรรากฏกการณ twin p

aradox

• ทฤษฎสมพนธภาพยงอธบายการเปล�ยนรปพลงงาน เชน มวลเปนรปห

น�งของพลงงงาน โดยปรมาณท �งสองมความสมพนธกนคอ

โดย E คอ พลงงาน และ m คอมวลของวตถ c=3x10^8 m/s คอ อตราเรวของแสงในสญญากาศ

4

2E mc

E m

Twin paradox

5

• ตำมกฎของนวตน (ฟสกสยคเกำ) ถำวตถทมมวล m มควำมเรว vวตถนนจะมพลงงำนจลน ซงหำไดโดยทวไปคอ

• ตวอยำงกำรพจำรณำพลงงำนจลนของวตถสองชนด เชน ชนด A และB มมวล mA = 1 kg, และ mB = 9.1x10^-31 kg วตถทงสองเคลอนทดวยอตรำเรวเปน 2/3 ของอตรำเรวแสง จงหำพลงงำนจลนของวตถทงสอง

6

2

2

1mvEk

16

82

102

)1033

2)(1(

2

1

2

1

A

k

A

k

E

mvE

J 18104.1 B

kE J

ทฤษฎควอนตม

• ทฤษฎควอนตมใชในกำรอธบำยพฤตกรรมของสสำรในระดบอะตอมทมขนำดระดบควำมยำวเปนองสตรอม (Ångstrom)

• ขนำดทเลกกวำอะตอมเรยกวำนวเคลยสทมขนำดในระดบเฟอรม (Fermi)

7

1 Å = 10-10 m

1 เฟอรม = 10-15 m

รปภำพทแสดงถงขนำดของอะตอม และนวเคลยส

• ทฤษฎควอนตมไมไดมองวำอนภำคมต ำแหนงทแนนอน แตใชเรองควำมนำจะเปนในกำรวเครำะหถงต ำแหนงและขนำดของอนภำค ดงนนจงมควำมไมแนนอนในกำรพบอนภำคทเวลำหนงๆ ตำมหลกควำมไมแนนอนของไฮนเซนเบรก

• นอกจำกนทฤษฎควอนตมยงพจำรณำวตถหนงๆมคณสมบตไดทงควำมเปนอนภำค (particle-like) และควำมเปนคลน (wave-like) ซงจะประยกตใชอธบำยในปรำกฏกำรณโฟโตอเลกทรก และ โฟตอน

8

ปรากฏการณโฟโตอเลกทรกและโฟตอน

• เปนปรำกฏกำรณทแสงทมควำมถเฉพำะ (f) ตกกระทบบนผวโลหะแลวท ำใหอเลกตรอนเปลยนวงโคจร หรอ หลดออกจำกอะตอมของโลหะ โดยทอเลกตรอนทหลดออกมำเรยกวำ โฟโตอเลกตรอนซงมประเดนส ำคญดงน

9

1. ถำควำมถของแสง (f) ทตกกระทบมคำต ำกวำควำมถขดเรม(threshold frequency, f0) จะไมมอเลกตรอนหลดออกมำกจำกอะตอมของโลหะนน และไมขนอยกบควำมเขมของแสงทตกกระทบ ควำมถขนต ำนขนอยกบชนดของวสดทแสงตกกระทบ

2. ไมวำควำมเขมของแสงจะมคำต ำเทำใด ถำควำมถแสงมคำสงกวำควำมถขดเรม จะเกดปรำกฏกำรณโฟโตอเลกทรกเสมอ

3. จ ำนวนโฟโตอเลกตรอนจะแปรผนตรงกบควำมเขมของแสงทตกกระทบ

4. พลงงำนของโฟโตอเลกตรอนจะขนกบควำมถแสงทตกกระทบเทำนนไมขนอยกบควำมเขมของแสง

10

• เพอทจะอธบำยปรำกฏกำรณน นกฟสกสตองใชกำรพจำรณำวำแสงทตกกระทบเปนอนภำค กลำวคอ “แสงเปนอนภำค” และอนภำคของแสงนเรยกวำ โฟตอน (photon) ซงมลกษณะเปนกลมกอนพลงงำนทไมมมวล ดงน

เมอ f คอควำมถของคลนแสง และ h=6.626x10-34 J-s คอคำคงทของพลงค (Planck’s constant)

11

hfEphoton 1 โฟตอน

• ในกำรค ำนวณหำพลงงำนจลนของโฟโตอเลกตรอนทหลดออกมำจำกผวโลหะ โฟตอนทตกกระทบจะถำยเทพลงงำนใหกบอเลกตรอนทงหมดซงตองมคำอยำงนอยเทำกบพลงงำนยดเหนยว หรอ ฟงกชนงำน(work function, ) ซงจะเปลยนไปตำมชนดของวสด หรอ ชนดโลหะ

12

• ถำเปลยนพลงงำนโฟตอน (Ephoton) ใหมคำมำกกวำ พลงงำนยดเหนยว หรอ ฟงกชนงำน จงจ ำเปนจะตองเปลยนคำควำมถของแสงทใชในกำรตกกระทบ นนคอ

• ผลตำงระหวำงพลงงำนโฟตอนกบพลงงำนยดเหนยว คอ พลงงำนจลนของอเลกตรอนทหลดออกมำ หำไดจำก

เนองจำกอเลกตรอนไดรบพลงงำนจำกโฟตอนแบบหนงตอหนง ดงนนพลงงำนจลนของอเลกตรอนจงขนอยกบพลงงำนของโฟตอน

13

hfEphoton

hfmvEk

2

2

1กรณทวไป

• ถำตองกำรหำพลงงำนจลนสงสด (K.E.max) ทอเลกตรอนหลดออกมำ ตองพจำรณำอเลกตรอนทอยบนชนนอกสด เนองจำกอเลกตรอนทชนผวโลหะไดรบพลงงำนจำกโฟตอนโดยตรง โดยไมสญเสยพลงงำนในกำรชนกบอเลกตรอนตวอนแลวหลดจำกพนผวโลหะ ในกรณน

14

kEEK ..

hfmvEK 2

maxmax2

1..

• ทฤษฎควอนตมพจำรณำโฟตอนซงกคอแสงทมควำมถเฉพำะ เปนแบบอนภำคแตไมมมวล หรอ กลมกอนพลงงำน

• กลมกอนพลงงำน หรอ โฟตอน มลกษณะเปนแบบไมตอเนอง เพรำะ โฟตอนมพลงงำนไดเฉพำะบำงคำเทำนน ทเปนจ ำนวนเทำของคำคงทของพลงค นนคอ โดย

• ลกษณะกำรมพลงงำนแบบไมตอเนองเรยกวำ ควอนไทเซชน(quantization)

• หนวยของพลงงำนคอ จล โดยทพลงงำน 1.6x10-19 จล เทำกบพลงงำนทท ำใหประจลบเทำกบ 1e- เขำไปในควำมตำงศกยไฟฟำขนำด 1 โวลตหรอ 1 eV = 1 x (1.6x10-19) x 1V = 1.6x10-19 J

15

nhfE ...3,2,1n

• ในกำรยนยนวำอนภำคสำมำรถแสงสมบตเปนคลนตำมทฤษฎควอนตมยงสำมำรถดไดจำกปรำกฏกำรณคอมพตน (compton effect)ทแสดงใหเหนวำกำรชนกนระหวำงแสงกบอเลกตรอนเหมอนกบกำรชนกนระหวำงลกบลเลยดสองลก เปนไปตำมกฎกำรอนรกษพลงงำน

16

ความเปนคลนของอนภาค

• ตำมทฤษฎควอนตม เรำสำมำรถพจำรณำคลนเปนอนภำคได ทไดจำกกำรศกษำของหลยส เดอ บรอกล (Louis deBroglie) นกฟสกสชำวฝรงเศส

• อนภำคมวล m เคลอนทอยดวยอตรำเรว vจะแสดงคณสมบตควำมเปนคลนทมควำมยำวคลน () เปนไปตำมควำมสมพนธ

20

หลยส เดอ บรอกล (1892-1987)

p

h

mv

h

p=mv คอโมเมนตมของวตถ

• เปนกำรบอกควำมสมพนธระหวำง โมเมนตมของวตถกบควำมยำวคลน

• กำรทดลองทยนยนค ำอธบำยวำอนภำคสำมำรถประพฤตตวเปนคลนได คอกำรเลยวเบน ดวยกำรยงรงสเอกซ (คลน) กบ ล ำอเลกตรอน (อนภำค) ผำนผลก ตำมรปดำนซำยมอ

21

ลวดลำยกำรเลยวเบน เหมอนกนทงสองกรณ

ฟสกสของอะตอม

• โครงสรำงพนฐำนของอะตอมประกอบดวย นวตรอน โปรตรอน และอเลกตรอน โดยอเลกตรอนจะโคจรรอบนวเคลยส

23

• อะตอมเปนองคประกอบพนฐำนของสสำรทกชนดทประกอบขนเปนวสด ดงนนในกำรศกษำโครงสรำงของอะตอม ท ำใหเรำสำมำรถเขำใจพนฐำนตำงๆของธรรมชำต

• แบบจ ำลองอะตอม มลกษณะซบซอน และตองใชทฤษฎควอนตมมำอธบำย เชน ทมำของสเปกตรมของอะตอม กระบวนกำรๆสรำงรงสเอกซ และกำรสรำงแสงเลเซอร

24

สเปกตรมแบบเสน

• ในเรองของคลนแมเหลกไฟฟำ ถำประจทเคลอนทดวยควำมเรงจะท ำใหเกดคลนแมเหลกไฟฟำออกมำรอบๆ ซงประจดงกลำวเกดขนทผวดวงอำทตย

• สเปกตรมทมลกษณะตอเนองตลอดทกควำมยำวคลน วำ สเปกตรมแบบตอเนอง

25

• อยำงไรกตำมเรำสำมำรถวดสเปกตรมของแสงทเปลงออกมำจำกอะตอมของธำตตำงๆไดเมอธำตน ำท ำใหอยในสถำนะกำซ หรอกำซรอนท ำใหสเปกตรมทเกดขน มลกษณะเปนเสน เรยกวำ สเปกตรมแบบเสนทมควำมเฉพำะตำมโครงสรำงอะตอมของธำตนนๆ

• ดงนนกำรศกษำโครงสรำงอะตอมสำมำรถดไดจำกสเปกตรมแบบเสนจำกกำรดดกลนพลงงำนโฟตอน และกำรคำยพลงงำนคลนแมเหลกไฟฟำ 26

แบบจ าลองอะตอมของโบร

• นลส โบร นกฟสกสชำวเดนมำรก เปนผ เสนอแบบจ ำลองอะตอมคนแรกทสำมำรถน ำมำใชอธบำยสเปกตรมแบบเสนของอะตอม

27

1. ตำมแบบจ ำลองอะตอมของโบร อเลกตรอนจะอยทชนพลงงำนทมคำไดเฉพำะเพยงบำงคำเทำนน โดยในสภำวะสมดลอเลกตรอนจะเคลอนทโคจรรอบอยนวเคลยสโดยไมมกำรสญเสยพลงงำน และเรยกระดบชนพลงงำนเหลำนวำสถำนะคงท ระบดวยตวเลขจ ำนวนเตม n หรอ เลขควอนตม โดยทชนในสดมคำ n=1 และมพลงงำนต ำสด

2. กำรดดกลนหรอปลดปลอยพลงงำนของอะตอมเกดจำกกำรกระโดดของอเลกตรอนจำกระดบชนพลงงำนหนงไปยงระดบชนพลงงำนทตำงออกไป ในกรณของกำรดดกลนแสง อเลกตรอนจะดดกลนพลงงำนโฟตอนแลวท ำใหเปลยนสถำนะจำกไปยงชนทมพลงงำนสงกวำ

3. ในกรณของกำรปลดปลอยแสง อเลกตรอนจะคำยพลงงำนโฟตอนแลวท ำใหอเลกตรอนเปลยนจำกสถำนะพลงงำนชนสงมำยงชนระดบพลงงำนทต ำกวำ

28

• แบบจ ำลองอะตอมของโบรจะแบงออกเป นสถ ำนะพ น แล ะสถ ำนะ กระตน น นคอ ถำ n=1 เรยกวำสถ ำนะพ น

• สถ ำนะกระตนท 1 นนคอ n=2

• สถ ำนะกระตนท 2 นนคอ n=3

• จ ำกแบบจ ำลองอะตอมของโบรเรำส ำม ำรถค ำนวณหาคว ำมถแสง (โฟ ตอน) ทอะตอมสามารถดดกลนหรอปลดปลอยออกม ำ ดงน

โดยท f และ i มควำมหมำยถง สดทำย (final) และ เรมตน (initial)

ในกรณของ i < f จะเปนกระบวนกำรดดกลนแสง และ กรณท i > f เปนกระบวนกำรปลดปลอยแสง

29

ifphoton EEhfE

• ถำโฟตอนกระทบอะตอมของธาตชนดหนง แลวท าใ ห อเลกตรอน• ของอะตอมเปลยนสถาะนะจากสถานะพน

ไปยงระดบพลงงานกระตนทสอง (n=3) จงหาความถของโฟตอนท ตกกระทบถา

E1 = -5.6 eV และ E3 = -1.6 eV

– วธคด• ใหหาความถโฟตอนจาก hf = E3-E1 ในหนวย SI

30

สเปกตรมของไฮโดรเจนอะตอม

• อะตอมของไฮโดรเจน มโครงสรำงทมควำมซบซอนนอยทสดเนองจำกเปนธำตแรกในตำรำงธำต ตำมแบบจ ำลองอะตอมของโบร ระดบพลงงำนในแตละชนสถำนะสำมำรถค ำนวณไดจำก

31

2

6.13

nEn

มหนวยเปน eV

• ทระดบพลงงำนท n = จะมคำเปนศนย ซงหมำยควำมวำเปนระดบชนพลงงำนนทอเลกตรอนสำมำรถหลดไดพอด

• พลงงำนทตองใชในกำรท ำใหอเลกตรอนทโคจรในชนสถำนะพนหลดออก เรยกวำ พลงงำนไอออไนเซชน (ionization) มคำเทำกบ

32

6.13)1

6.13(0

21 EEEioneV

• ตวอยำงท 1 จงค ำนวณหำ (ก) พลงงำนของโฟตอนหนงตวทมควำมถ6.0x1014 Hz และ (ข) ถำไฟฉำยทมก ำลง 1 Watt ฉำยแสงทควำมถน จะมโฟตอนทงหมดกตวตอวนำท– วธคด

• (ก) จำกพลงงำนของโฟตอน E=hf ท ำใหเรำสำมำรถหำพลงงำนของโฟตอนหนงตวได

• (ข) ก ำลงของไฟฉำย 1 วตตใหพลงงำน 1 จลในหนงวนำท แตเนองจำกโฟตอนหนงตวใหพลงงำน = 4 x 10^-19 จล (ลองใหท ำเปนหนวย eV) ดงนนจ ำนวนโฟตอนทท ำใหเกดพลงงำน 1 J จะมคำเทำกบ N = 1/(4x10-19) ในหนงวนำท

17

• ตวอยำงท 2 โฟตอนทมควำมยำวคลน 400 และ 700 นำโนเมตรจะมพลงงำนเทำไรในหนวย eV

– วธคด• หำพลงงำนโฟตอนจำก E = hf ในหนวยจลกอน โดยควำมถ f หำไดจำกอตรำเรวแสงตอควำมยำวคลน c = f

• แปลงเปนหนวย eV ดวยกำรน ำเอำ 1.6x10^-19 J ไปหำร

18

• ตวอยำงท 3 แสงสมวงควำมยำวคลน 400 nm ตกกระทบโลหะหนงทมฟงกชนงำน 2.6 eV จงหำพลงงำนจลนสงสด (K.E.max) ของโฟโตอเลกตรอนทหลดออกมำ – วธคด

• เรำสำมำรถหำพลงงำนจลนสงสดของโฟโตอเลกตรอนไดจำก K.E.max = hf -

19

ฟสกสนวเคลยร

• องคประกอบของนวเคลยส ประกอบดวยอนภำคสองชนด คอ โปรตรอนและ นวตรอน โดยทโปรตรอน มคณสมบตเปนประจบวกทำงไฟฟำ และนวตรอนมคำเปนกลำงทำงไฟฟำ

34

• มวลของโปรตรอน mp มคำเทำกบ 1.0073 u

• มวลของนวตรอน mn มคำเทำกบ 1.0087 u

• โดยท 1 u มคำเทำกบ 1.6605 x 10-27 kg เรยกวำ unified

atomic mass unit

• มวลของอเลกตรอน me มคำเทำกบ 9.1 x 10-31 kg ซงเบำกวำมวลของโปรตรอนและนวตรอน ถง 1800 เทำ

35

สญลกษณนวเคลยร

• สญลกษณนวเคลยรเปนกำรบอกจ ำนวนอนภำคพนฐำนของอะตอมในแตละธำตประกอบดวย สญลกษณธำต(X) เลขมวล (A) และ เลขอะตอม (Z)

• เลขอะตอม Z จะใชบอกถงจ ำนวนโปรตรอนในนวเคลยสเพยงอยำงเดยว

• เลขมวล A จะใชบอกจ ำนวนโปรตรอนรวมกบนวตรอน

36

• ดงนนจ ำนวนนวตรอน (N) จงหำไดจำกผลตำงระหวำงเลขมวล กบเลขอะตอม

• โดยปกตแลวจ ำนวนโปรตรอน จะเทำกบจ ำนวนนวตรอน• ถำอะตอมของธำตใดๆมควำมเปนกลำงทำงไฟฟำ จ ำนวนโปรตรอนกบจ ำนวนอเลกตรอนจะมคำเทำกน

• ไอโซโทปของธำต หมำยถง ธำตเดยวกนทมจ ำนวนโปรตรอนเทำกนแตมจ ำนวนนวตรอนทแตกตำงกน เชน ไอโซโทปของ ธำตคำรบอน คอ ซงมจ ำนวนนวตรอน 8 ตว

37

ZAN

C12

6

C14

6

• คณสมบตทำงนวเคลยรจะขนอยกบปรมำณของโปรตรอน และนวตรอนใน นวเคลยส และ ควำมมเสถยรภำพของอะตอม เชนกำรสลำยตวของอนภำคในนวเคลยส

• จงหำจ ำนวนนวตรอนของเหลก

• จงหำมวลรวมของนวเคลยสของธำตฮเลยม ( ) และของธำตคำรบอน ( )

38

Fe56

26

He4

2

C12

6

กระบวนการสลายตว

• ขนตอนกำรสลำยตวของสำรกมมนตภำพรงส เรยกวำ กระบวนกำรสลำยตว(decay process) ซงมเกดขนไดทงหมด 4 ประเภทแบงตำมชนดของรงสทเกดขนระหวำงกำรสลำยตว– กระบวนกำรสลำยตวแลวใหรงส แอลฟำ ()– กระบวนกำรสลำยตวแลวใหรงส เบตำ (-)– กระบวนกำรสลำยตวแลวใหรงส โพซตรอน (+)– กระบวนกำรสลำยตวแลวใหรงส แกมมำ ()

รงสแกมมามสมบตเปนคลนแมเหลกไฟฟา

39