กว่าจะเป็นแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

เกริ่นนำ

            ในปี ค.ศ. 1803 John Dalton นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ นับเป็นผู้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายเริ่มที่จะสนใจที่จะศึกษาเกี่ยวกับอะตอมกันมากขึ้น เนื่องจาก Dalton ได้รวบรวมข้อมูลต่าง ๆ มานำเสนอเป็น “ทฤษฎีอะตอม (Atomic theory)” ซึ่งมีใจความสำคัญ ดังนี้ “ธาตุมีองค์ประกอบที่เล็กที่สุดที่เรียกว่า อะตอม ซึ่งมีลักษณะเป็นทรงกลม ไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายให้หายไปได้ ถ้าธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกัน และธาตุต่างชนิดกันจะประกอบด้วยอะตอมของธาตุที่มีสมบัติแตกต่างกัน” จนมาถึงปี ค.ศ.1897 Joseph John "J. J." Thomson นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้นำเสนอแบบจำลองอะตอมที่มีลักษณะที่เรียกกันว่า “plum pudding model” ที่มีใจความสำคัญว่า “อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ”

            จากข้อความข้างต้นผู้อ่านทั้งหลายอาจจะเกิดคำถามขึ้นในใจเล็ก ๆ เช่นเดียวกับผู้เขียนเหมือนกันว่า “สิ่งที่ทั้ง Dalton และ Thomson นำเสนอนั้น สามารถทำการทดลอง เก็บรวบรวมข้อมูลเพียงแค่คนเดียวจริงหรือ” ซึ่งในบทความนี้ ผู้เขียนจะขอนำเสนอเรื่องราวที่เกิดขึ้นระหว่างช่วงเวลาหลังจากที่ Dalton นำเสนอทฤษฎีอะตอมไปแล้วจนถึงช่วงที่Thomson นำเสนอแบบจำลองอะตอมนั้นว่ามีอะไรเกิดขึ้นบ้าง ในแบบฉบับของผู้เขียนเองให้ผู้อ่านได้ติดตาม

อิเล็กตรอนมาจากไหน ?

            อาจจะต้องย้อนไปถึงปี ค.ศ. 1752 Benjamin Franklin ชาวอเมริกันที่นอกจากจะมีบทบาทที่เกี่ยวข้องกับการเป็นผู้ก่อตั้งสหรัฐอเมริกาแล้ว Franklin ก็ยังมีความเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้วยเช่นกัน หนึ่งในการทดลองของ Franklin ที่ตื่นเต้นที่สุดของผู้เขียน คงหนีไม่พ้นการทดลองที่นำว่าวร้อยเข้ากับกุญแจ และมีสายฟ้าแลบแปลบ ๆ ตามมา จนนำไปสู่ข้อค้นพบที่ว่า ในชั้นบรรยากาศประจุไฟฟ้า และจากการทดลองครั้งนั้นเองทำให้ Franklin ได้ประดิษฐ์สายล่อฟ้าขึ้นในเวลาต่อมา

            ผู้อ่านทั้งหลายอาจจะสงสัยว่า “อ่าว!!! แล้วทำไม Dalton ไม่ได้กล่าวถึงอะไรเลยที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าเลย” ในจุดนี้ ผู้เขียนมองว่า อาจจะเป็นไปได้ว่าในสมัยนั้นอาจจะมีข้อจำกัดในเรื่องของเทคโนโลยีที่ใช้ในการศึกษาอาจจะยังไม่สามารถให้คำตอบที่เชื่อมโยงกันมากระหว่างประจุไฟฟ้ากับอะตอม และเมื่อเวลาเหมาะสมก็จะสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ได้มาขึ้น

            หลังจากที่ Dalton ได้นำเสนอทฤษฎีอะตอมในปี ค.ศ. 1803 ไปแล้วนั้น ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความอยากรู้และอยากศึกษาเกี่ยวกับอะตอมทั้งโดยตรงและโดยอ้อมมากขึ้น ในปีค.ศ. 1832 Michael Faraday นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำของแก๊สด้วยการผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านขั้วโลหะที่ปลายหลอดขนาดเล็ก ทำให้เกิดรังสีเกิดขึ้น จากการค้นพบดังกล่าว Faraday จึงได้พัฒนาการทดลองของเขาต่อไป จนนำไปสู่การบัญญัติคำเรียกว่า “การแยกสลายด้วยไฟฟ้า (electrolysis)”

หมายเหตุ. จาก chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/cathode-ray.html

            จากการค้นพบของ Faraday นี้เองทำให้ผู้เขียนเริ่มเกิดคำถามเล็ก ๆ เกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของ Dalton ว่า “น่าจะมีอะไรบางอย่างที่ทฤษฎีอะตอมไม่สามารถอธิบายได้ชัดเจน”ทำให้ผู้เขียนทำการสืบค้นข้อมูลต่อไปอีก 

            ในปี ค.ศ. 1859 นับว่าเป็นช่วงเวลาที่สำคัญช่วงหนึ่งของการศึกษาเกี่ยวกับประจุไฟฟ้าอย่างจริงจังมากขึ้น เนื่องจาก Julius Pluecker นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ร่วมกับ Johann Wilhelm Hittorf และ Heinrich Geißler นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ในการศึกษาและพัฒนา จนสามารถประดิษฐ์หลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube) ที่มีขนาดเล็ก ต่อมาในปี ค.ศ. 1869  Hittorf ทำการศึกษาพบว่า รังสีจะเดินทางเป็นเส้นตรง แต่เวลามีสนามไฟฟ้า ทิศการเคลื่อนที่ของรังสีจะเปลี่ยน ซึ่งแสดงให้เห็นว่า รังสีมีประจุไฟฟ้า และยังพบอีกว่าเมื่อวางกังหันขนาดเล็ก 4 ใบ ทรงตัวอยู่อย่างสมดุล พบว่าเมื่อรังสีตกกระทบบนใบพัดจะทำให้ใบพัดเกิดการหมุนเกิดขึ้น อันเป็นผลเนื่องมาจากรังสีมีอนุภาคอยู่ภายในรังสี

หมายเหตุ. จาก chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/cathode-ray.html

หมายเหตุ. จาก chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/cathode-ray.html

            มาถึงตรงนี้ผู้อ่านหลายคนอาจเกิดคำถามว่า รังสีแคโทดถูกค้นพบและศึกษามาเยอะมาก จนขนาดที่เรียกได้ว่า ถึงจุดนี้แล้วทุกคนรู้แล้วว่ารังสีแคโทดมีสมบัติทั้งเป็นคลื่นและอนุภาคแต่ทำไมยังไม่มีใครเรียกว่า “อิเล็กตรอน (electron)” เสียที จากการค้นหาข้อมูลของผู้เขียนพบว่าในปี ค.ศ. 1874 G.J. Stoney นักวิทยาศาสตร์ชาวไอริช เป็นคนแรกที่กล่าวถึงอนุภาคไฟฟ้าในสสาร โดยอธิบายว่าอนุภาคไฟฟ้าเป็นอนุภาคเล็ก ๆ และอยู่รวมกันกับอะตอม เรียกอนุภาคนี้ว่าอิเล็กตรอน (electron)

            ปี ค.ศ. 1879 เป็นอีกครั้งหนึ่งที่มีการศึกษาเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด ซึ่งคนที่ทำการศึกษาก็คือWilliam Crookes นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เขาได้ทำการปรับปรุงหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาใหม่ เพื่อให้ง่ายต่อการทดลองมากยิ่งขึ้น และจากการทดลองของเขาพบว่า รังสีแคโทดเคลื่อนเป็นเส้นตรงจากขั้วไฟฟ้าด้านแคโทด และถ่ายประจุลบให้กับวัตถุที่มันกระทบ พบว่าเมื่อกระทบ ผนังหลอดแก้วก็เกิดเรืองแสง (fluoresce) พบว่าทำให้ล้อใบพัดที่ตรึงไว้บังทางเคลื่อนที่ของมันก็จะหมุน แสดงว่ารังสีแคโทดมีมวล และพบว่าทำให้ลำรังสีแคโทดเบี่ยงเบนได้ด้วยสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กซึ่งแสดงว่า รังสีแคโทดมีประจุไฟฟ้าลบ

แล้วประจุบวกมาจากไหน?

มาถึงตรงนี้ผู้อ่านสงสัยเหมือนผู้เขียนเหมือนกันไหมว่า “ทำไมมีแต่คนศึกษาแต่รังสีที่เป็นประจุลบกัน แล้วจะมีใครไหมที่จะสนใจบ้างว่าในอะตอมมีประจุบวกเป็นอย่างไรบ้าง?” จากความสงสัยจุดนี้นี่เองที่ทำให้ผู้เขียนสืบค้นต่อไปอีกจนพบว่า ในปี ค.ศ. 1886 Euguen Goldstein นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน เริ่มสังเกตและเริ่มตั้งข้อสงสัยว่า ในหลอดรังสีแคโทดจะให้รังสีแคโทด ที่มีสมบัติเป็นประจุลบแล้ว น่าจะต้องมีอะไรบางอย่างที่มีสมบัติเป็นประจุบวกบ้าง เพราะถ้ามีแต่ประจุลบอย่างเดียวคงจะไม่เกิดภาวะสมดุลทางไฟฟ้าแน่ ๆ ดังนั้น Goldstein ได้ตัดสินใจที่จะทำการทดลองหลอดรังสีแคโทดในมุมมองที่ไม่มีใครคาดคิดว่าจะสามารถทดลอง จนในที่สุด Goldstein ได้ผลการทดลองออกมาว่านอกจากรังสีแคโทดที่มีประจุลบแล้ว ยังพบว่าในหลอดรังสีแคโทดนั้น ยังมีรังสีอีกชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่ผ่านไปในหลอดด้วย ซึ่งรังสี Goldstein ค้นพบนั้นมีสมบัติเป็นประจุบวก และรังสีนี้จะเคลื่อนที่ออกจากขั้วแอโนดไปยังขั้วแคโทด ซึ่งตรงข้ามกับรังสีแคโทดอีกด้วย ต่อมา Goldstein ได้ตั้งชื่อรังสีที่เกิดจากขั้วแอดโนดว่า “รังสีแคแนล (Canal Ray)” หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “รังสีบวก (Positive Ray)” ซึ่งในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ได้เรียกรังสีบวกนี้ว่า “โปรตอน (Proton)”

บทสรุปแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

            มาถึงตรงนี้ผู้อ่านหลายท่านคงจะพอนึกออกกันบ้างแล้วใช่ไหมว่า ในหนังสือเรียนเคมีเมื่อตอนสมัยอยู่มัธยมจะกล่าวว่า Thomson ได้นำเสนอแบบจำลองอะตอมของเขาในปี ค.ศ. 1897 Thomson ได้นำเสนอแบบจำลองตอมที่เขาทำการทดลองและรวบรวมข้อมูลจากนักวิทยาศาสตร์ต่าง ๆ มาประกอบแบบจำลองอะตอมของเขาเอง โดยหนึ่งในการทดลองของเขาที่ถือได้ว่าสร้างอิทธิพลต่อการค้นพบเกี่ยวกับอะตอมมากที่สุดครั้งหนึ่ง คือ การที่เขาสามารถหาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนได้ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1.759 x 10⁸ คูลอมป์ต่อกรัม และในช่วงเวลาเดียวกันนี้ Thomson ยังศึกษารังสีบวกอีกเช่นเดียวกันกับ Goldstein รวมทั้งข้อค้นพบต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับอิเล็กตรอนและโปรตอนอีกด้วย

            แล้ว Thomson นำเสนอแบบจำลองอะตอมอย่างไรบ้าง ? Thomson ได้นำเสนอแบบจำลองอะตอมที่มีใจความสำคัญดังนี้ “อะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบกระจายอยู่ทั่วเนื้ออะตอมที่มีประจุบวก คล้าย ๆ พลัมพุดดิ้ง (plum pudding) ซึ่งเป็นขนมหวานของประเทศอังกฤษที่นิยมรับประทานกันในช่วงเทศกาลคริสต์มาส”

หมายเหตุ. จาก khanacademy.org/science/chemistry/electronic-structure-of-atoms/history-of-atomic-structure/a/discovery-of-the-electron-and-nucleus

บทส่งท้าย

            จากข้างต้นผู้อ่านจะเห็นได้ว่ากว่าที่ Thomson จะนำเสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมาได้นั้น จำเป็นต้องอาศัยข้อมูลที่ได้มาจากการทดลองและรวบรวมจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ด้วย แบบจำลองอะตอมของ Thomson เองจะไม่ประสบผลสำเร็จได้เลยหากปราศจากข้อมูลจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ดังนั้นไม่ว่าจะทำงานใดก็ตามล้วนแล้วแต่จะต้องอาศัยความร่วมมือจากผู้อื่น เพื่อให้งานประสบความสำเร็จได้ โดยไม่จำเป็นว่าความร่วมมือจากผู้อื่นนั้นจะต้องได้รับโดยตรง อาจจะได้มาทางอ้อมก็ได้ และที่สำคัญผู้อ่านน่าจะเห็นแล้วว่านักวิทยาศาสตร์ทุกคนยินดีที่จะเผยแพร่ข้อมูลอันเป็นประโยชน์ต่อสาธารณะโดยมิได้หวงข้อมูลแต่อย่างใด จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์หลาย ๆ คนได้รับการยกย่องอย่างมากมาย และเป็นแรงบันดาลใจให้กับชนรุ่นหลังต่อไปได้

            ในครั้งต่อไปผู้เขียนจะขอนำเสนอวิวัฒนาการของแบบจำลองอะตอมต่าง ๆ ในโอกาสครั้งต่อไปในมุมมองที่ผู้เขียนมองว่ามีประเด็นใดบ้างที่น่าสนใจนำเสนอในโอกาสครั้งต่อไป

เอกสารอ้างอิง

ศุภาวิตา จรรยา. (2563, 24 กันยายน). โครงสร้างอะตอม. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). scimath.org/lesson-chemistry/item/10318-2019-05-13-05-54-21

สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข. (2553, 17 ธันวาคม). ลำดับเหตุการณ์ฉบับสมบูรณ์เรื่องโครงสร้างของอะตอม A Complete Timeline for Atomic Structure. สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (สทน.). nkc.tint.or.th/nkc54/content-01/nstkc54-010.html

Khan Academy. (2016). Dalton's atomic theory. khanacademy.org/science/chemistry/electronic-structure-of-atoms/history-of-atomic-structure/a/daltons-atomic-theory-version-2

Khan Academy. (2016). Discovery of the electron and nucleus. khanacademy.org/science/chemistry/electronic-structure-of-atoms/history-of-atomic-structure/a/discovery-of-the-electron-and-nucleus

Purdue University. (2021, 30 ธันวาคม). Cathode-Ray Tube. chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/cathode-ray.html