อากาศ

อากาศ

 แก๊สผสมที่ประกอบด้วยไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ใช้หายใจหรือช่วยในการเผาไหม้เป็นต้น (ปรัชญา) ที่ที่ว่างเปล่าซึ่งมีอยู่เป็นเอกเทศจากสสาร เป็นธาตุอย่าง ๑ ใน ๖ คือ ปฐวีธาตุ (ธาตุดิน) อาโปธาตุ (ธาตุนํ้า) เตโชธาตุ (ธาตุไฟ) วาโยธาตุ (ธาตุลม) อากาศธาตุ (ที่ว่างเปล่า) และวิญญาณธาตุ (ธาตุรู้) ท้องฟ้า เช่น นกบินไปในอากาศ บางทีใช้หมายถึงสภาพดินฟ้าอากาศโดยทั่ว ๆ ไป เช่น เช้านี้อากาศดีจัง. (ส. ป. อากาส).[อากาด อากาดสะ] น. แก๊สผสมที่ประกอบด้วยไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ใช้หายใจหรือช่วยในการเผาไหม้เป็นต้น

 ส่วนประกอบของอากาศ

อากาศจัดเป็นของผสม โดยประกอบด้วยก๊าซต่างๆ เช่น ไอน้ำ, เขม่า, ควันไฟ, และอนุภาคต่างๆ ปะปนกันอยู่ สำหรับอากาศที่ไม่มีไอน้ำอยู่เลย เรียกว่า อากาศแห้ง ส่วนอากาศที่มีไอน้ำเป็นส่วนผสมอยู่ด้วยเรียกว่า อากาศชื้น

ส่วนผสมของอากาศในที่ต่างๆ จะแตกต่างกันไปตามสถานที่และเวลา อีกทั้งส่วนประกอบของอากาศในดินไม่มีสัดส่วนที่คงที่เหมือนของบรรยากาศ เพราะในดินจะมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผันแปรตลอดเวลาตามกระบวนการต่างๆ ที่เกิดขึ้นในดิน เช่น การสลายตัวของสารอินทรีย์โดยกิจกรรมของจุลินทรีย์ที่อยู่ในดิน ด้วยเหตุนี้ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในดินจึงไม่คงที่ ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม, อุณหภูมิและความชื้นของดิน โดยดินที่มีอุณหภูมิและความชื้นสูงจะช่วยให้กระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ต่างๆ ในดินมีอัตราสูงขึ้นทำให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมามากขึ้นด้วย นอกจากนี้แบคทีเรียบางชนิดที่มีอยู่ในดินจะทำให้เกิดกระบวนการดูดกลืนก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจน ทำให้ก๊าซที่เป็นองค์ประกอบของอากาศในดินมีความผันแปรสูง

องค์หลักประกอบกว่า 78.08% ของอากาศ

เป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) มีคุณสมบัติที่ไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น แต่เมื่อมีอะตอมเดี่ยวของมันแยกออกมาจะรวมเข้าเป็นองค์ประกอบของสารอื่น เช่น สารไนเตรท จะมีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต และอีกกว่า 20.95% เป็นก๊าซออกซิเจน (O2) ซึ่งเป็นผลผลิตจากการสังเคราะห์แสงของพืช, สาหร่าย, แพลงตอน และสิ่งมีชีวิต อีกทั้งยังมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารอื่น และช่วยให้ไฟติด ถ้าปริมาณของออกซิเจนในอากาศมีมากกว่า 35% โลกทั้งดวงจะลุกไหม้ติดไฟ ดังนั้นสิ่งมีชีวิตบนโลกจึงวิวัฒนาการให้มีสัตว์ ซึ่งใช้ออกซิเจนในการเผาผลาญธาตุอาหาร และคายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา ส่วนที่เหลืออีก 0.93% ก๊าซอาร์กอน (Ar) เป็นก๊าซเฉื่อยไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น เกิดขึ้นจากการสลายตัว (ซากกัมมันตภาพรังสี) ของธาตุโปแตสเซียมภายในโลก และอีก 0.036% เป็นในส่วนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) แม้มีอยู่ในบรรยากาศเพียง 0.036% แต่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต เนื่องจากก๊าซเรือนกระจกมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออกจากโลก ทำให้โลกอบอุ่น อุณหภูมิของกลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างจนเกินไป นอกจากนั้นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังเป็นแหล่งอาหารของพืช ส่วนที่เหลืออีก 0.01% เป็นในส่วนของก๊าซอื่นๆ โดยทั้งนี้สิ่งที่แสดงให้เราเห็นว่าในอากาศนั้นมีฝุ่นละอองอยู่ คือลำแสงที่ส่องไปในอากาศ โดยเราจะสังเกตพบว่ามีฝุ่นละอองลอยปะปนอยู่ในลำแสงนั้น ส่วนประกอบของอากาศ 1. ก๊าซไนโตรเจน เป็นก๊าซที่มีปริมาณมากที่สุดในอากาศ ไนโตรเจนมีสมบัติเป็นก๊าซเฉื่อย มีประโยชน์ที่สำคัญ คือ ช่วยเจือจางความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศทำให้ออกซิเจนมีความเข้มข้นพอเหมาะสำหรับสิ่งมีชีวิตที่จะนำไปใช้ได้ โดยไม่ก่อให้เกิดอันตราย เพราะการหายใจเอาออซิเจนที่มีความเข้มข้นสูงเข้าไปจะทำให้เกิดการสันดาป (เผาไหม้) ภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเป็นไปอย่างรุนแรง และก่อให้เกิดอันตรายจนอาจถึงแก่ชีวิตได้ นอกจากนี้ไนโตรเจนยังเป็นธาตุที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของปุ๋ยซึ่งเป็นอาหารของพืช ซึ่งไนโตรเจนในดินจะช่วยให้พืชเจริญเติบโตได้ดี 2. ก๊าซออกซิเจน เป็นก๊าซที่สำคัญที่สุดของสิ่งมีชีวิต เพราะสิ่งมีชีวิตใช้ก๊าซออกซิเจนในการหายใจ เมื่อสิ่งมีชีวิตหายใจเอาออกซิเจนเข้าไป ก็จะไปสันดาป (เผาไหม้ กับอาหารภายในเซลล์ และให้พลังงานออกมา ซึ่งจะถูกเซลล์นำไปใช้ในกิจกรรมต่างของการดำรงชีวิต เช่น การเคลื่อนไหว, การเจริญเติบโต, การสืบพันธุ์ เป็นต้น อีกทั้งก๊าซออกซิเจนในอากาศจะช่วยในการสันดาป (เผาไหม้) กับเชื้อเพลิง ซึ่งจะ ให้พลังงานความร้อนและแสงสว่างออกมา ซึ่งพลังงานที่ได้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้แก่ การนำไปปรุงอาหาร, ให้ความอบอุ่นในฤดูหนาว, ให้แสงสว่างในตอนกลางคืน นอกจากนี้ก๊าซออกซิเจนในอากาศบางส่วนยังถูกเปลี่ยนไปเป็นก๊าซโอโซน (O3) ที่ทำหน้าที่สำคัญในการดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ 3. ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์แสง ซึ่งเป็นกระบวนการสร้างอาหารของพืช ซึ่งผลจากการสร้างอาหารของพืชจะทำให้ได้พลังงาน, ก๊าซออกซิเจน, และน้ำ ซึ่งจะมีประโยชน์ต่อพืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ด้วย 4. ไอน้ำ ในอากาศจะมีไอน้ำอยู่เสมอ โดยปริมาณจะมากหรือน้อยตามแต่สถานที่ ทั้งนี้ไอน้ำในอากาศได้มาจากการระเหยของน้ำที่ผิวโลก โดยเฉพาะจากบริเวณที่แหล่งน้ำขนาดใหญ่ เช่น มหาสมุทร, ทะเลสาบ, แม่น้ำลำคลอง ฯลฯ ไอน้ำในอากาศอาจอยู่ในรูปของก๊าซ หรือรวมตัวกันเป็นละอองหยดน้ำเล็กๆ เมื่อละอองหยดน้ำเล็กๆ เหล่านี้รวมตัวกัน ก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้นและกลายเป็นฝนตกลงมาในที่สุด จากการเปลี่ยนแปลงของไอน้ำในอากาศ คือ สาเหตุของการเกิดเมฆ, หมอก, หิมะ, ฝน, ลูกเห็บ และอื่นๆ และเราสามารถทดลองได้ว่ามีไอน้ำอยู่ในอากาศที่อยู่รอบๆ ตัวเรา โดยมีวิธีการทดสอบง่ายๆ คือ ใส่น้ำแข็งประมาณ 4 - 5 ก้อน ลงไปในถ้วยแก้วที่มีน้ำอยู่ในถ้วย จากนั้นรอสักครู่หนึ่ง ก็จะพบว่ามีหยดน้ำเกาะอยู่รอบๆ ภายนอกถ้วยแก้ว ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่ามีไอน้ำอยู่ในอากาศ และเมื่อากาศเย็นลงจะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำเกาะติดอยู่ที่ถ้วยแก้ว ซึ่งเราสามารถมองเห็นได้

อะตอม

โครงสร้างอะตอม

 

อะตอม (กรีก: άτομον; อังกฤษ: Atom) คือหน่วยพื้นฐานของสสาร ประกอบด้วยส่วนของนิวเคลียสที่หนาแน่นมากอยู่ตรงศูนย์กลาง ล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกกับนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า (ยกเว้นในกรณีของ ไฮโดรเจน-1 ซึ่งเป็นนิวไคลด์ชนิดเดียวที่เสถียรโดยไม่มีนิวตรอนเลย) อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทำนองเดียวกัน กลุ่มของอะตอมสามารถดึงดูดกันและกันก่อตัวเป็นโมเลกุลได้ อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มิฉะนั้นแล้วมันอาจมีประจุเป็นบวก (เพราะขาดอิเล็กตรอน) หรือลบ (เพราะมีอิเล็กตรอนเกิน) ซึ่งเรียกว่า ไอออน เราจัดประเภทของอะตอมด้วยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียส จำนวนโปรตอนเป็นตัวบ่งบอกชนิดของธาตุเคมี และจำนวนนิวตรอนบ่งบอกชนิดไอโซโทปของธาตุนั้น^[1]

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

ในสมัยนั้น เชื่อว่าสสารแต่ละชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก เรียกว่ากันว่า  อะตอม ซึ่ง  แบ่งแยกไม่ได้หรือทำให้เกิดใหม่หรือสูญหายไปไม่ได้อะตอมของธาตุเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันอะตอมของธาตุต่างชนิดกันมีสมบัติต่างกันการเกิดสารประกอบเกิดจากอะตอมธาตุต่างชนิดกันมารวมตัวกันด้วยอัตราส่วน อะตอมคงที่และเป็นเลข  จำนวนน้อย ดอลตันยังพบอีกว่า การเกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดจากการที่อะตอมธาตุต่างๆมีการแลกเปลี่ยนที่อยู่ซึ่งกันและกันไม่มีการสูญหาย ไปไหนเลย  เราจึงสรุปได้ว่า แบบจำลองอะตอมของดาลตัน คือ

"อะตอมที่มีขนาดเล็กมาก แบ่งแยกไม่ได้"

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

อะตอมมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบอะตอมโดยปกติอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งทำให้ทั้งสองประจุนี้มีจำนวนเท่ากันและกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอภายในอะตอมโดยมีการจัดเรียงที่ทำให้อะตอมมีสภาพเสถียรมากที่สุด" ต่อมาภายหลังแบบจำลองนี้ถูกคัดค้านโดยการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ที่ว่า เนื้ออะตอมจะไม่สม่ำเสมอ  แต่จะไปอัดกันแน่นตรงบริเวณเล็กๆ ส่วนหนึ่งในอะตอมเท่านั้น (ซึ่งต่อมาเรียกว่า นิวเคลียส)

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

1. อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่  : ผ่านเป็นเส้นตรง  แสดงว่าในอะตอมมีที่ว่าง

         2. อนุภาคแอลฟาส่วนน้อย : หักเห  (เลี้ยวเบน)  แสดงว่าชนกับโปรตอนที่มีมวลมากอยู่ด้านข้างของอะตอม

         3. อนุภาคแอลฟาบางส่วน : สะท้อนกลับมาด้านหน้าแสดงว่าชนกับโปรตอนในส่วนกลางของอะตอมที่มีมวลจำนวนมาก  เรียกว่า  “นิวเคลียส”

Ä  นิวเคลียสมีขนาดเล็กมีมวลมากควรจะประกอบด้วยโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนเพราะอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก จะไม่มีผลต่อการสะท้อนกลับของอนุภาคแอลฟา

                ต่อมา เจมส์ แชดวิก  ได้ทำการทดลองยิงอะตอมของเบริลเลียมด้วยอนุภาคแอลฟา พบว่าจะมีอนุภาคชนิดใหม่ที่ไม่มีประจุหลุดออกมา และมวลของอนุภาคตัวใหม่นี้มีค่าใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน  จึงเรียกอนุภาคชิดใหม่ว่า  “ นิวตรอน       

แบบจำลองอะตอมของนิลส์ โบร์

1. อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆตามระดับพลังงาน และแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว                                 2. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุดยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้นระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น      3. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน n =  1ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2 , n = 3,……. ตามลำดับ  หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M  ,N  ,O ,  P , Q ....

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

จากแบบจำลองอะตอมของโบร์ ไม่สามารถอธิบายสมบัติบางอย่างของธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงมีการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาคการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาคสรุปแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกแบบจำลองนี้เชื่อว่า

     1. อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่เคลื่อนที่ไปรอบๆนิวเคลียส เป็นรูปทรงต่างๆตามระดับพลังงาน

     2. ไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้เนื่องจากอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก และเคลื่อนที่รวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม

     3. อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส บริเวณที่มีหมอกทึบแสดงว่ามีโอกาสพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีหมอกจาง

 สัญลักษณ์นิวเคลียส และไอโซโทป

1.สัญลักษณ์ที่ใช้เขียนแทนอะตอมของธาตุ

  เนื่องจากในปัจจุบันมีการค้นพบธาตุประมาณ 118 ธาตุ อะตอมแต่ละธาตุจะแตกต่างกันไม่สะดวกต่อการจดจำ ในศตวรรษที่ 19 โจนส์ จาคอบ เบอร์ซีเลียส นักเคมีชาวสวีเดน ได้เสนอให้ใช้ตัวอักษรตัวแรกของชื่อธาตุในภาษาอังกฤษหรือภาษาละติน เป็นสัญลักษณ์แทนอะตอมของธาตุ

   2.สัญลักษณ์นิวเคลียร์

 สัญลักษณ์นิวเคลียร์ คือ สัญลักษณ์ที่ใช้เขียนแทนอะตอมของธาตุ ที่แสดงอนุภาคมูลฐาน ของอะตอมในรูปแบบของเลขมวล และเลขอะตอม   เลขมวล (Mass number) คือ ตัวเลขที่แสดงผลบวกของโปรตอนกับนิวตรอน ใช้สัญลักษณ์ว่า A  เลขอะตอม (Atomic number)คือ ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนของธาตุ ซึ่งเป็นค่าเฉพาะของธาตุแต่ละชนิด ใช้สัญลักษณ์ว่า Z   ดังนั้นการเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ของธาตุจึงเขียนได้ในลักษณะดังนี้

จากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ สามารถหาจำนวนอนุภาคพื้นฐานของธาตุได้ดังนี้

          เลขมวล     =  จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน

          เลขอะตอม    =  จำนวนโปรตอน หรืจำนวนอิเล็กตรอน

 3.ไอโซโทปไอโซโทป (Isotope) คือ ธาตุชนิดเดียวกัน ที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกันหรือไอโซโทป คือธาตุชนิดเดียว แต่มีจำนวนอนุภาคนิวตรอนต่างกันตัวอย่าง ไอโซโทปของธาตุ C มี 3 ไอโซโทปดังนี้

ส่วนประกอบของอะตอม

อนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม[แก้]

ดูบทความหลักที่: อนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม

แม้คำว่า อะตอม จะมีกำเนิดจากรากศัพท์ที่มีความหมายถึงอนุภาคที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป แต่การใช้งานในทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่นั้น อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมอีกมากมาย อนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของอะตอมได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน อย่างไรก็ดี อะตอมของไฮโดรเจน-1 นั้นไม่มีนิวตรอน และประจุไฮโดรเจนบวกก็ไม่มีอิเล็กตรอน

เท่าที่รู้กันในปัจจุบัน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยที่สุดในบรรดาอนุภาคทั้งหมด คือประมาณ 9.11×10⁻³¹ kg โดยมีประจุไฟฟ้าลบและมีขนาดที่เล็กเกินกว่าจะวัดได้ด้วยเทคนิคเท่าที่มีอยู่^[44] โปรตอนมีประจุบวก และมีมวลราว 1,836 เท่าของอิเล็กตรอน คือประมาณ 1.6726×10⁻²⁷ kg แม้ว่าอาจลดลงได้จากการเปลี่ยนแปลงพลังงานยึดเหนี่ยวของโปรตอนที่มีต่ออะตอม ส่วนนิวตรอนนั้นไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลราว 1,839 เท่าของมวลอิเล็กตรอน^[45] หรือ 1.6929×10⁻²⁷ kg นิวตรอนกับโปรตอนมีขนาดพอ ๆ กันที่ประมาณ 2.5×10⁻¹⁵ ม. แม้ว่า 'พื้นผิว' ของอนุภาคเหล่านี้จะไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนก็ตาม^[46]

ในแบบจำลองมาตรฐานทางฟิสิกส์ ทั้งโปรตอนและนิวตรอนต่างประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานเรียกว่า ควาร์ก ควาร์กเป็นหนึ่งในสองชนิดของกลุ่มอนุภาคเฟอร์มิออนซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร องค์ประกอบอีกตัวหนึ่งคือเลปตอน ซึ่งมีอิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบ ควาร์กมีอยู่ 6 ประเภท แต่ละประเภทมีประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วนที่แตกต่างกันคือ +2/3 หรือ −1/3 โปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว ขณะที่นิวตรอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 1 ตัวและดาวน์ควาร์ก 2 ตัว ความแตกต่างนี้เป็นตัวบ่งบอกถึงความแตกต่างของมวลและประจุระหว่างอนุภาคสองชนิด ควาร์กยึดเหนี่ยวกันไว้ได้ด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งเป็นลักษณะของกลูออน กลูออนเป็นอนุภาคชนิดหนึ่งในตระกูลเกจโบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานทางด้านแรงปฏิกิริยาทางฟิสิกส์^[47][48]

ตารางธาตุ

ตารางธาตุ (อังกฤษ: Periodic table) คือ การจัดเรียงธาตุเคมีในรูปแบบของตารางตามเลขอะตอม การจัดเรียงอิเล็กตรอน และสมบัติทางเคมีที่ซ้ำกัน โดยจะใช้แนวโน้มพิริออดิกเป็นโครงสร้างพื้นฐานของตาราง แถวแนวนอนทั้ง 7 ของตารางเรียกว่า "คาบ" โดยปกติโลหะอยู่ฝั่งซ้ายและอโลหะอยู่ฝั่งขวา ส่วนแถวแนวตั้งเรียกว่า "หมู่" ประกอบด้วยธาตุที่มีสมบัติทางเคมีคล้ายคลึงกัน มี 6 หมู่ที่ได้รับการตั้งชื่อที่ยอมรับกันทั่วไปและเลขหมู่ เช่น ธาตุหมู่ 17 มีชื่อว่า แฮโลเจน และธาตุหมู่ 18 มีชื่อว่า แก๊สมีตระกูล ตารางธาตุยังมีอาณาเขตรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าอย่างง่าย 4 รูปที่เรียกว่า "บล็อก" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเติมออร์บิทัลเชิงอะตอมที่แตกต่างกัน

นิวเคลียสของอะตอม

นิวเคลียส ของอะตอม (อังกฤษ: Atomic nucleus) เป็นพื้นที่ขนาดเล็กที่หนาแน่นในใจกลางของอะตอม ประกอบด้วยโปรตอน และนิวตรอน (สำหรับอะตอมของไฮโดรเจนธรรมดา นิวเคลียสมีแต่โปรตอนเท่านั้น ไม่มีนิวตรอน) นิวเคลียสถูกค้นพบในปี 1911 โดยเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ที่ได้จาก'การทดลองฟอยล์สีทองของ Geiger-Marsden ในปี 1909'. หลังจากการค้นพบนิวตรอนในปี 1932 แบบจำลองของนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วโดย Dmitri Ivanenko^[1] และเวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก^{[2][3][4][5][6]} เกือบทั้งหมดของมวลของอะตอมตั้งอยู่ในนิวเคลียสกับอยู่ในขนาดที่เล็กมากของ'เมฆอิเล็กตรอน' โปรตอนและนิวตรอนจะหลอมรวมกันเพื่อก่อตัวขึ้นเป็นนิวเคลียสด้วยแรงนิวเคลียร์

เส้นผ่าศูนย์กลางของนิวเคลียสอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1.75 fm (1.75 × 10^-15 เมตร) สำหรับไฮโดรเจน (เป็นเส้นผ่าศูนย์กลางของโปรตอนตัวเดียว)^[7] จนถึงประมาณ 15 fm สำหรับอะตอมหนักที่สุดเช่นยูเรเนียม. มิติเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของอะตอมเองอย่างมาก (นิวเคลียส + เมฆอิเล็กตรอน) ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 350,000 fm (ยูเรเนียม) จนถึงประมาณ 50,000 fm (ไฮโดรเจน)^[8]

การประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียส

นิวเคลียสของอะตอมจะประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนและอนุภาตโปรตอน ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นชัดถึงอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ที่เรียกว่าควาร์ก ที่จะถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง ในการผสมกันของอนุภาคที่เสถียรและแน่นอนชุดหนึ่งของแฮดรอนที่เรียกว่าแบริออน แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งจะขยายออกไปจนไกลพอจากแบริออนแต่ละตัวเพื่อที่จะหลอมรวมนิวตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกันต้านกับแรงไฟฟ้​​าที่ผลักออกระหว่างโปรตอนด้วยกันที่มีประจุบวก แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมีระยะทำการที่สั้นมากและเป็นลดลงเป็นศูนย์อย่างรวดเร็วเพียงแค่เลยขอบของนิวเคลียส การปฏิบัติการร่วมกันของนิวเคลียสประจุบวกก็คือเพื่อที่จะยึดอิเล็กตรอนประจุไฟฟ้าลบให้อยู่ในวงโคจรของพวกมันรอบนิวเคลียส การสะสมของอิเล็กตรอนประจุลบที่โคจรรอบนิวเคลียสจะแสดงความเป็นพี่น้องกันเพื่อการกำหนดรูปแบบการทำงานบางอย่างและจำนวนของอิเล็กตรอนที่จะทำให้วงโคจรของพวกมันมีเสถียรภาพ องค์ประกอบทางเคมีที่อะตอมจะแสดงออกมาแบบไหนจะถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสนั้น โดยที่อะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสเท่ากันกับจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียส องค์ประกอบทางเคมีของแต่ละอะตอมจะสามารถสร้างรูปแบบการทำงานของอิเล็กตรอนที่มีเสถียรมากยิ่งขึ้นโดยการทำงานร่วมกันเพื่อแบ่งปันอิเล็กตรอนของพวกมัน การแบ่งปันของอิเล็กตรอนเพื่อสร้างวงโคจรรอบนิวเคลียสที่เสถียรทำให้เกิดวิชาการด้านเคมีของโลกแมคโครของเรา

โปรตอนและนิวตรอน

โปรตอนและนิวตรอนเป็นพวกเฟอร์มิออน ที่มีเลขควอนตัมแบบ isospin ที่แข็งแกร่ง (อังกฤษ: strong isospin quantum number) ที่แตกต่างกัน ดังนั้นสองโปรตอนและสองนิวตรอนสามารถแชร์การทำงานแบบคลื่น (อังกฤษ: wave function) ในพื้นที่เดียวกันได้เนื่องจากพวกมันมีตัวตนแบบควอนตัมไม่เหมือนกัน บางครั้งพวกมันถูกมองว่าเป็นอนุภาคเดียวกันแต่มีสภาวะควอนตัมสองสภาวะที่แตกต่างกัน นั่นคือเป็น นิวคลีออน.^[12][13] อนุภาคในกลุ่มเฟอร์มีออนสองตัว เช่นสองโปรตอน หรือสองนิวตรอน หรือโปรตอนหนึ่งตัว + นิวตรอนหนึ่งตัว (เป็นดิวเทอรอน) สามารถแสดงพฤติกรรมแบบโบซอน เมื่อพวกมันถูกผูกเข้าด้วยกันเป็นคู่อย่างหลวม ๆ ที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม

ในกรณีที่หายากของ hypernucleus แบริออนตัวที่สามเรียกว่า ไฮเปอรอน จะมีสเตรนจ์ควาร์กหนึ่งตัวหรือมากกว่า และ/หรือควาร์กผิดปกติอื่น ๆ, มันก็ยังสามารถแชร์ฟังก์ชันคลื่นได้อีกด้วย อย่างไรก็ตามนิวเคลียสประเภทนี้ไม่เสถียรอย่างยิ่งและไม่สามารถพบได้บนโลกยกเว้นในการทดลองทางฟิสิกส์พลังงานสูง

นิวตรอนมีประจุบวก มีรัศมี ≈ 0.3 เฟมโตเมตรล้อมรอบด้วยประจุลบชดเชยด้วยรัศมีระหว่าง 0.3 เฟมโตเมตรถึง 2 เฟมโตเมตร โปรตอนมีการกระจายประจุบวกที่สลายตัวแบบเอ็กโปเนนเชียลด้วยรัศมีกำลังสองเฉลี่ย (อังกฤษ: mean square radius) ประมาณ 0.8 เฟมโตเมตร^[14]

คุณสมบัติ

คุณสมบัติทางนิวเคลียร์[แก้]

ตามคำนิยามแล้ว อะตอมสองตัวที่มีจำนวน โปรตอน ในนิวเคลียสเท่ากัน จะเป็นอะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวน นิวตรอน แตกต่างกันจัดว่าเป็นไอโซโทปของธาตุเดียวกัน ตัวอย่างเช่น อะตอมของไฮโดรเจนทั้งหมดจะมีโปรตอน 1 ตัวเหมือนกัน แต่ไอโซโทปของไฮโดรเจนมีหลายชนิด ตั้งแต่แบบไม่มีนิวตรอน คือ ไฮโดรเจน-1, แบบนิวตรอน 1 ตัว (ดิวเทอเรียม), แบบนิวตรอน 2 ตัว (ทริเทียม) และที่มีนิวตรอนมากกว่า 2 ตัว ไฮโดรเจน-1 เป็นรูปแบบที่พบกันแพร่หลายมากที่สุด บางคราวก็เรียกว่า โปรเทียม^[64] ธาตุที่เรารู้จักแล้วมีกลุ่มหมายเลขอะตอมตั้งแต่ไฮโดรเจน ซึ่งมีโปรตอน 1 ตัว ไปจนถึง ออกาเนสซอน ซึ่งเป็นธาตุที่มีโปรตอน 118 ตัว^[65] ไอโซโทปของธาตุทั้งหมดที่เรารู้จักที่มีหมายเลขอะตอมมากกว่า 82 จัดเป็นสารกัมมันตรังสี^[66][67]

มีนิวไคลด์อยู่ 339 ชนิดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก^[68] ในจำนวนนี้ 256 ชนิด (ประมาณ 76%) ไม่พบการสลายตัว ซึ่งจะเรียกว่าเป็นไอโซโทปเสถียร ในบรรดาธาตุ 80 ชนิดจะมีไอโซโทปเสถียรอย่างน้อย 1 ตัว สำหรับธาตุหมายเลข 43, 61, และทุกธาตุที่หมายเลข 83 หรือสูงกว่า ไม่มีไอโซโทปที่เสถียร อาจกำหนดเป็นกฎได้ว่า สำหรับธาตุทุกชนิด มีไอโซโทปเสถียรอยู่เพียงจำนวนน้อยนิด เฉลี่ยมีไอโซโทปเสถียรประมาณ 3.1 ตัวต่อธาตุที่มีไอโซโทปเสถียร มีธาตุอยู่ 27 ชนิดที่มีไอโซโทปเสถียรเพียงตัวเดียว ขณะที่จำนวนไอโซโทปเสถียรมากที่สุดเท่าที่เคยพบคือ 10 โดยพบในดีบุก^[69]

ความเสถียรของไอโซโทปเกิดจากสัดส่วนระหว่างโปรตอนต่อนิวตรอน รวมไปถึง "จำนวนมหัศจรรย์" ของนิวตรอนหรือโปรตอนที่แสดงถึงระดับพลังงานควอนตัมทั้งแบบ closed และแบบ filled ระดับชั้นพลังงานควอนตัมเหล่านี้คือระดับพลังงานภายในแบบจำลองชั้นพลังงานของนิวเคลียส ดังเช่น filled shell ของโปรตอน 50 ตัวในดีบุก แสดงถึงความเสถียรของนิวไคลด์แบบไม่ปกติ จากจำนวนนิวไคลด์เสถียรทั้งหมดที่รู้จักกัน 256 ชนิด มีเพียง 4 ชนิดเท่านั้นที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่ ได้แก่ ไฮโดรเจน-2 (ดิวเทอเรียม), ลิเธียม-6, โบรอน-10 และ ไนโตรเจน-14 นอกจากนี้ สำหรับนิวไคลด์กัมมันต์แบบคี่-คี่ ที่มีครึ่งชีวิตมากกว่าพันล้านปี ก็มีเพียง 4 ชนิดเท่านั้นคือ โปแตสเซียม-40, วานาเดียม-50, แลนทานัม-138 และ แทนทาลัม-180m นิวเคลียสที่มีจำนวนแบบคี่-คี่ ส่วนใหญ่จะไม่เสถียรอย่างมากโดยเกิดการสลายปลดปล่อยอนุภาคบีตา เพราะผลจากการสลายนั้นจะได้จำนวนมาเป็นแบบคู่-คู่ ซึ่งเป็นพันธะที่แข็งแรงกว่า ตาม nuclear pairing effects^[69]

มวล

เนื่องจากมวลส่วนมากของอะตอมอยู่ในโปรตอนและนิวตรอน ดังนั้นจำนวนรวมของอนุภาคเหล่านี้ (เรียกรวมกันว่า "นิวคลีออน") ในอะตอมหนึ่ง ๆ จึงเรียกว่าเป็น เลขมวล โดยมากมักจะแสดงมวลนิ่งโดยใช้หน่วยมวลอะตอม (u) ซึ่งบางครั้งก็เรียกว่า ดาลตัน (Da) หน่วยนี้นิยามจาก 1 ส่วน 12 ของมวลของอะตอมอิสระที่เป็นกลางของคาร์บอน-12 ซึ่งมีค่าประมาณ 1.66×10⁻²⁷ kg^[70] ไฮโดรเจน-1 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เบาที่สุดของไฮโดรเจนและเป็นอะตอมที่มีมวลน้อยที่สุด มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 1.007825 u^[71] อะตอมหนึ่ง ๆ จะมีมวลโดยประมาณเท่ากับเลขมวลคูณด้วยหน่วยมวลอะตอม^[72] อะตอมเสถียรที่หนักที่สุด คือ ตะกั่ว-208^[66] ซึ่งมีมวล 207.9766521 u^[73]

ถึงแม้จะเป็นอะตอมที่มีมวลมากที่สุด มันก็ยังเบาเกินกว่าที่เราจะไปทำอะไรด้วยโดยตรงได้ นักเคมีจึงนิยมใช้หน่วย โมล แทน โมลมีนิยามว่า หนึ่งโมลของธาตุใด ๆ จะมีจำนวนอะตอมเท่ากันเสมอ (ประมาณ 6.022×10²³) ที่เลือกใช้จำนวนนี้ก็เพื่อว่า ถ้าธาตุใด ๆ มีเลขอะตอมเป็น 1 u แล้ว โมลอะตอมของธาตุนั้นจะมีมวลใกล้เคียงกับ 0.001 กก. หรือ 1 กรัม อาศัยคำนิยามของหน่วยมวลอะตอมนี้ คาร์บอน-12 จึงมีมวลอะตอมเท่ากับ 12 u พอดี และหนึ่งโมลของอะตอมคาร์บอนมีน้ำหนักเท่ากับ 0.012 กก.^[

รูปร่างและขนาด

เราไม่สามารถบอกขอบเขตที่แน่นอนของอะตอมได้ การบอกขนาดของอะตอมจึงมักอธิบายในลักษณะรัศมีอะตอม คือการวัดระยะห่างของเมฆอิเล็กตรอนที่แผ่ออกไปจากนิวเคลียส อย่างไรก็ดี การบอกระยะห่างเช่นนี้อยู่บนสมมุติฐานว่าอะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม ซึ่งจะเป็นจริงก็ต่อเมื่ออะตอมนั้นอยู่ในสุญญากาศหรืออวกาศเสรีเท่านั้น รัศมีอะตอมหาได้จากระยะห่างระหว่างนิวเคลียสอะตอม 2 ตัวที่ดึงดูดกันอยู่ในพันธะเคมี มีค่าแปรเปลี่ยนไปตามแต่ตำแหน่งของอะตอมบนแผนผังอะตอม หรือตามชนิดของพันธะเคมี จำนวนอะตอมเพื่อนบ้าน (เลขโคออร์ดิเนชัน) และคุณสมบัติทางควอนตัมที่เรียกว่า สปิน^[74] ตามที่ปรากฏในตารางธาตุ ขนาดอะตอมมีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นถ้ายิ่งอยู่ในคอลัมน์ที่ต่ำลงไปข้างล่าง แต่มีขนาดเล็กลงหากเปรียบเทียบจากด้านซ้ายไปขวา^[75] เทียบกันแล้ว อะตอมที่มีขนาดเล็กที่สุดคืออะตอมของฮีเลียม ซึ่งมีรัศมี 32 พิโคเมตร ส่วนอะตอมใหญ่ที่สุดคือ ซีเซียม มีขนาด 225 พิโคเมตร^[76]

ถ้าอะตอมอยู่ในสนามพลังงานอื่น ๆ เช่น สนามไฟฟ้า รูปร่างของอะตอมจะบิดเบี้ยวไปไม่เป็นทรงกลม การเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับขนาดความแรงของสนามพลังงานและชนิดวงโคจรของอิเล็กตรอนในเชลล์นอกสุด ซึ่งแสดงไว้ในทฤษฎีกรุป การเปลี่ยนแปลงรูปร่างอื่น ๆ เช่นรูปทรงคริสตัล เกิดขึ้นจากสนามพลังงานไฟฟ้า-คริสตัล ในการก่อตัวแบบสมมาตรต่ำ^[77] มีรูปทรงโดดเด่นอีกแบบหนึ่งคือทรงรี เกิดขึ้นกับไอออนซัลเฟอร์ในสารประกอบประเภท pyrite^[78]

มิติของอะตอมนั้นเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง (400-700 นาโนเมตร) นับหลายพันเท่า จึงไม่สามารถมองดูอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงได้ อย่างไรก็ดี เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยว ๆ ได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ ซึ่งบางตัวอย่างอาจแสดงให้เห็นความเล็กจิ๋วของอะตอมได้ เส้นผมของมนุษย์มีขนาดความกว้างประมาณ 1 ล้านเท่าของอะตอมคาร์บอน^[79] หยดน้ำหนึ่งหยดมีอะตอมออกซิเจนอยู่ประมาณ 2 เซ็กซ์ทิลเลียน (2×10²¹) และอะตอมไฮโดรเจนอีก 2 เท่าของจำนวนนี้^[80] เพชร 1 กะรัต มีมวล 2×10⁻⁴ กิโลกรัม ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนจำนวน 10 เซ็กซ์ทิลเลียน (10²²) อะตอม^{[note 2]} ถ้าเราขยายขนาดผลแอปเปิ้ลให้ใหญ่เท่าขนาดของโลก หนึ่งอะตอมในแอปเปิ้ลจะมีขนาดประมาณผลแอปเปิ้ลปกติ^[81]