ธาตุ

ในทางเคมี ธาตุ คือ สารบริสุทธิ์ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานเลขอะตอม อันเป็นจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุนั้น ตัวอย่างธาตุที่คุ้นเคยกัน เช่น คาร์บอน ออกซิเจน อะลูมิเนียม เหล็ก ทองแดง ทองคำ ปรอทและตะกั่ว

จนถึงเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2554 มีการบ่งชี้ธาตุแล้ว 118 ธาตุ ล่าสุดคือ ออกาเนสซอน ใน พ.ศ. 2545^[1] ในบรรดาธาตุที่รู้จักกัน 118 ธาตุนั้น มีเพียง 94 ธาตุแรกเท่านั้นที่เชื่อกันว่าเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติบนโลก และมี 80 ธาตุที่เสถียรหรือโดยพื้นฐานแล้วเสถียร ขณะที่ที่เหลือเป็นธาตุกัมมันตรังสี ซึ่งจะสลายตัวไปเป็นธาตุที่เบากว่าในระยะเวลาที่แตกต่างกันจากเสี้ยววินาทีไปจนถึงหลายพันล้านปี ธาตุใหม่ ๆ ซึ่งมีเลขอะตอมสูงกว่าที่มีอยู่ตามธรรมชาติ สังเคราะห์ขึ้นจากผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานิวเคลียร์

ไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นธาตุที่พบได้มากที่สุดในเอกภพ อย่างไรก็ดี ออกซิเจนเป็นธาตุที่พบได้มากที่สุดในเปลือกโลก ประกอบกันเป็นครึ่งหนึ่งของมวลทั้งหมด^[2] แม้สสารเคมีทั้งหมดที่ทราบกันจะประกอบด้วยธาตุอันหลากหลายเหล่านี้ แต่สสารเคมีนั้นประกอบกันขึ้นเป็นเพียงราวร้อยละ 15 ของสสารทั้งหมดในเอกภพ ส่วนที่เหลือนั้นเป็นสสารมืด ซึ่งมิได้ประกอบด้วยธาตุเคมีที่มนุษย์รู้จัก เพราะไม่มีโปรตอน นิวตรอนหรืออิเล็กตรอน

เชื่อกันว่าธาตุเคมีเกิดขึ้นจากกระบวนการของเอกภพหลายอย่าง รวมทั้งไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเทียม เบริลเลียมและโบรอนปริมาณน้อยกว่า เกิดขึ้นระหว่างบิกแบงและปฏิกิริยาการแตกเป็นเสี่ยงของรังสีคอสมิก (cosmic-ray spallation) การเกิดขึ้นของธาตุที่หนักขึ้นตั้งแต่คาร์บอนไปจนถึงธาตุที่หนักที่สุดนั้นเป็นผลจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ และมหานวดาราได้ทำให้ธาตุเหล่านี้มีสำหรับระบบสุริยะเนบิวลาและการก่อตัวของดาวเคราะห์ และเหตุการณ์ของเอกภพซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ซึ่งระเบิดธาตุที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้จากดาวฤกษ์ออกสู่อวกาศ^[3] ขณะที่ธาตุส่วนใหญ่มักถูกมองว่าเสถียร แต่การแปรนิวเคลียส (nuclear transformation) ตามธรรมชาติของธาตุหนึ่งเป็นอีกธาตุหนึ่งนั้นยังดำเนินอยู่ในปัจจุบัน โดยการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เช่นเดียวกับกระบวนการนิวเคลียร์อื่น ๆ เช่น การยิงรังสีคอสมิกและนิวเคลียร์ฟิชชันตามธรรมชาติของนิวเคลียสธาตุหนักหลายชนิด

เมื่อธาตุแตกต่างกันสองธาตุรวมตัวกันทางเคมี โดยมีอะตอมยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะเคมี ผลที่ได้เรียกว่า สารประกอบเคมี สองในสามของธาตุเคมีที่พบได้บนโลกพบเฉพาะในรูปของสารประกอบ และในหลายกรณี หนึ่งในสามที่เหลือนั้นก็มักพบเป็นสารประกอบเป็นส่วนใหญ่ สารประกอบเคมีอาจประกอบด้วยธาตุที่รวมเข้าด้วยกันในสัดส่วนจำนวนเต็มแน่นอน ดังเช่น น้ำ เกลือแกง และแร่ อย่างควอตซ์ แคลไซต์ และแร่โลหะบางชนิด อย่างไรก็ดี พันธะเคมีของธาตุหลายประเภทส่งผลให้เกิดเป็นของแข็งผลึกและอัลลอยโลหะ ซึ่งไม่มีสูตรเคมีแน่นอน สสารของแข็งส่วนใหญ่บนโลกเป็นประเภทหลังนี้ คือ อะตอมก่อเป็นสสารของเปลือกโลก แมนเทิล และแก่นโลกชั้นในก่อสารประกอบเคมีที่มีองค์ประกอบหลากหลาย แต่ไม่มีสูตรเอมพิริคัลแน่ชัด

ในการนำเสนอเหล่านี้ทั้งหมด คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของธาตุบริสุทธิ์แต่ละธาตุนั้นไม่ชัดเจน ซึ่งเป็นเช่นนั้นแม้ธาตุที่เกิดในรูปไม่ผสม หากธาตุเหล่านี้เกิดเป็นสารผสม ซึ่งส่วนใหญ่เป็น ขณะที่ธาตุที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติทั้งหมด 94 ธาตุ จะได้รับการบ่งชี้ในตัวอย่างแร่จากเปลือกโลก มีเพียงธาตุส่วนน้อยพบเป็นแร่ค่อนข้างบริสุทธิ์ที่สามารถรู้ได้ ส่วน "ธาตุธรรมชาติ" ที่หาพบได้ง่ายกว่า เช่น ทองแดง เงิน ทองคำ คาร์บอน (ในรูปถ่านหิน แกรไฟต์ หรือเพชร) กำมะถันและปรอท ธาตุเฉื่อยแทบทั้งหมด เช่น แก๊สเฉื่อยและโลหะมีตระกูล มักพบบนโลกในรูปผสมทางเคมี เป็น สารประกอบเคมี ขณะที่ธาตุเคมีราว 32 ธาตุ พบบนโลกในรูปไม่ผสมตามธรรมชาติ แต่ธาตุเหล่านี้หลายชนิดเกิดเป็นสารผสม ตัวอย่างเช่น อากาศชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่เป็นสารผสมไนโตรเจน ออกซิเจนและอาร์กอน ธาตุของแข็งตามธรรมชาติยังมักเกิดเป็นสารผสมหลายชนิด เช่น อัลลอยของเหล็กและนิกเกิล

ประวัติศาสตร์การค้นพบและการใช้ธาตุเคมีเริ่มขึ้นด้วยสังคมมนุษย์ยุคแรกเริ่มที่พบธาตุธรรมชาติอย่างทองแดงหรือทองคำ และสกัด (หลอม) เหล็กและโลหะอื่นบางชนิดจากแร่โลหะนั้น นักเล่นแร่แปรธาตุและนักเคมีภายหลังบ่งชี้ธาตุเพิ่มขึ้นอีกมาก ซึ่งธาตุที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเกือบทั้งหมดเป็นที่ทราบกันใน ค.ศ. 1900 คุณสมบัติของธาตุเคมีมักสรุปโดยใช้ตารางธาตุ ซึ่งจัดธาตุเรียงตามเลขอะตอม แบ่งเป็นแถว ("คาบ") ซึ่งธาตุที่อยู่ในคอลัมน์ ("หมู่") เดียวกันจะมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีเกิดเวียนซ้ำ เกือบทุกธาตุมีประโยชน์ใช้งานสำคัญต่อมนุษย์อย่างน้อยหนึ่งอย่าง ซึ่งอาจอยู่ในรูปบริสุทธิ์หรืออยู่ในสารประกอบเคมีหรือสารผสมหลายชนิด ยกเว้นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้น ธาตุทั้งหมดหลังยูเรเนียม และรวมไปถึงอะเมริเซียม ปัจจุบันมีผลิตเป็นอุตสาหกรรม ซึ่งส่วนใหญ่มีความบริสุทธิ์สูง

ประมาณยี่สิบสี่ธาตุมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตหลายชนิด ธาตุหายากส่วนใหญ่บนโลกไม่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต (ยกเว้น เซเลเนียมหรือไอโอดีน) ขณะที่ธาตุส่วนน้อยที่พบได้ค่อนข้างทั่วไป (อะลูมิเนียมและไทเทเนียม) ไม่จำเป็น สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีความต้องการธาตุร่วมกัน แต่มีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างพืชและสัตว์ ตัวอย่างเช่น สาหร่ายมหาสมุทรใช้โบรมีน แต่พืชบกและสัตว์ดูเหมือนไม่ต้องการเลย สัตว์ทุกชนิดต้องการโซเดียม แต่พืชบางชนิดไม่ต้องการ พืชต้องการโบรอนและซิลิกอน แต่สัตว์ไม่ต้องการหรืออาจต้องการในปริมาณเล็กน้อยมาก) มีเพียงหกธาตุ ได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน แคลเซียม และฟอสฟอรัส ประกอบกันขึ้นเป็นเกือบ 99% ของมวลร่างกายมนุษย์ นอกเหนือไปจากหกธาตุหลักซึ่งประกอบเป็นร่างกายมนุษย์ส่วนใหญ่นั้น มนุษย์ยังต้องการบริโภคธาตุอีกอย่างน้อยสิบสองธาตุ

ชื่อธาตุแบ่งตามหมู่

• หมู่ 1A ลิเทียม (Lithium) โซเดียม (Sodium -Natrium) โพแทสเซียม (Potassium – Kalium) รูบิเดียม (Rubidium) ซีเซียม (Cesium) แฟรนเซียม(Francium)
• หมู่ 2Aเบริลเลียม (Beryllium) แมกนีเซียม (Magnesium)แคลเซียม (Calcium) สตรอนเชียม (Strontium) แบเรียม (Barium) เรเดียม (Radium)
• หมู่ 3A โบรอน (Boron) อะลูมิเนียม (Aluminum) แกลเลียม (Gallium) อินเดียม (Indium) แทลเลียม (Thallium)
• หมู่ 4A คาร์บอน (Carbon) ซิลิกอน (Silicon) เจอร์เมเนียม (Germanium) ดีบุก (Tin -Stannum) ตะกั่ว (Lead – Plumbum)
• หมู่ 5A ไนโตรเจน (Nitrogen) ฟอสฟอรัส (Phosphorous) อะซินิค (สารหนู) (Arsenic) พลวง (Antimony -Stibium) บิสมัท (Bismuth)
• หมู่ 6A ออกซิเจน (Oxygen) ซัลเฟอร์ (กำมะถัน) (Sulfur)ซีลีเนียม (Selenium) เทลลูเรียม (Tellurium) พอโลเนียม (Polonium)
• หมู่ 7A ฟลูออรีน (Fluorine) คลอรีน (Chlorine) โบรมีน (Bromine) ไอโอดีน (Iodine) แอสทาทีน (Astatine)
• หมู่ 8A ฮีเลียม (Helium) นีออน (Neon) อาร์กอน (Argon) คริปตอน (Krypton) ซีนอน (Xenon) เรดอน (Radon)

ยกเว้นไฮโดรเจน เพราะยังถกเถียงกันอยู่ว่าจะจัดลงไปที่หมู่ 1 หรือ 7 ดี เพราะคุณสมบัติเป็นกึ่ง ๆ กัน ระหว่าง 1A กับ 7A และธาตุประเภททรานซิชัน

แหล่งกำเนิดของธาตุในจักรวาล

1. ไฮโดรเจนและฮีเลียมเกิดเริ่มแรกในจักรวาลหลังบิกแบง

2. ธาตุตัวที่ 3 คือลิเทียม ถึงตัวที่ 26 คือเหล็กเกิดจากภาวะอัดแน่นในดวงดาว

3. ธาตุตัวที่หนักกว่าเหล็กจนถึงยูเรเนียมเกิดจากดาวระเบิดหรือปรากฏการณ์ นิวเคลียร์ฟิวชั่นในดาวฤกษ์ (กรณีหลัง จะได้กัมมันตภาพรังสีเป็นส่วนมาก)

สารประกอบ (Compound) เป็นสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมกัน ด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางเคมี เกิดเป็นสารชนิดใหม่ เรียกว่าสารประกอบ

ดังนั้นหน่วยย่อยของสารประกอบคือ โมเลกุล ซึ่งอาจแยกสลายได้เมื่อได้รับความร้อนหรือพลังงานไฟฟ้า สารประกอบที่พบในชีวิตประจำวัน เช่น น้ำ (H2O) เกลือแกง (NaCl) น้ำตาลทราย (C12H22O11) น้ำตาลกลูโคส (C6H12O6) เอทานอล (C2H5OH) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) หินปูน (CaCO3) ด่างทับทิม (KMnO4) เป็นต้น

 อะตอม (Atom) เป็นโครงสร้างที่เล็กที่สุดของสสาร ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก 3 ชนิด ได้แก่ 

• โปรตอน (Proton) มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุบวก 
• อิเล็กตรอน (Electron) มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ 
• นิวตรอน (Neutron) ไม่มีคุณสมบัติเป็นประจุ 

        โปรตอนและนิวตอนอยู่ตรงนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบนอก เมื่ออะตอมแผ่พลังงานออกภายนอกก็จะลดวงโคจรสู่ระดับต่ำ  เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนจะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรชั้นบนหรือหลุดออกไปเลย เราเรียกอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนไม่เท่ากันว่า "ประจุ" (Ion)

        ธาตุ (Element) คือ โครงสร้างพื้นฐานของสสารที่ไม่สามารถแยกย่อยได้อีกด้วยกระบวนการทางเคมี ซึ่งเราอาจจะกล่าวอีกอย่างว่า ธาตุ คือ เซ็ตโครงสร้างของอะตอม  ธาตุแต่ละชนิดประกอบขึ้นด้วยอนุภาคจำนวนไม่เท่ากัน โดยที่จำนวนของโปรตอนเป็นตัวระบุลำดับของธาตุ (Atomic number)  ยกตัวอย่างเช่น 

• ธาตุลำดับที่ 1 คือ ไฮโดรเจน อะตอมของธาตุไฮโดรเจน ประกอบด้วย โปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน  
• ธาตุลำดับที่ 2 คือ ฮีเลียม อะตอมของธาตุฮีเลียม ประกอบด้วย โปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว   
• ธาตุลำดับที่ 8 คือ ออกซิเจน อะตอมของธาตุออกซิเจน ประกอบด้วย โปรตอน 8 ตัว  นิวตรอน 8 ตัว และอิเล็กตรอน 8 ตัว ดังภาพที่ 1  

ภาพที่ 1 อะตอมของออกซิเจน

        ธาตุแต่ละชนิดมีโครงสร้างอะตอมไม่เหมือนกัน จึงมีคุณสมบัติแตกต่างกัน  เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบา สูญเสียอีเล็กตรอนได้ง่ายเมื่อได้ดูดกลืนรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์   ธาตุออกซิเจนมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น จึงทำให้เกิดสารประกอบจำนวนมากบนเปลือกโลก  ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ค้นพบธาตุทั้งหมดในจักรวาลจำนวน 112 ธาตุ  เป็นธาตุที่เกิดขึ้นเองในธรรมชาติ 88 ธาตุ ส่วนที่เหลือเป็นธาตุที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ  

กำเนิดธาตุ 

        เมื่อจักรวาลกำเนิดขึ้น พลังงานจำนวนมากได้อัดตัวเป็นสสาร ตามทฤษฎีสัมพันธภาพของไอสไตน์ E = mc² (พลังงาน = มวลสาร * ความเร็วแสงยกกำลังสอง)  ธาตุที่มีมากที่สุดในจักรวาลคือ ธาตุไฮโดรเจน  เนื่องจากเป็นธาตุที่มีโครงสร้างอะตอมที่เรียบง่ายที่สุด คือ มีเพียงโปรตอนและอีเล็กตอนอย่างละหนึ่งตัว  เมื่อไฮโดรเจนจำนวนมากรวมตัวกันจะกำเนิดเป็นดาวฤกษ์ แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงกดดันที่ใจกลางของดาวฤกษ์จนมีอุณหภูมิสูง 10 ล้านเคลวิน  เกิดปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน หลอมอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเป็นธาตุลำดับที่ 1 ให้กลายเป็นฮีเลียมซึ่งเป็นธาตุลำดับที่ 2  เมื่อไฮโดรเจนบนดาวเปลี่ยนเป็นฮีเลียมจนหมด  ดาวฤกษ์มวลมากสามารถฟิวชันฮีเลียมให้เป็นคาร์บอน ออกซิเจน นีออน ซิลิกอน ตามลำดับ จนในที่สุดกระบวนการฟิวชันจะหยุดลงที่ธาตุเหล็ก  และเมื่อดาวฤกษ์มวลมากสิ้นอายุขัย จะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลซึ่งมีความร้อนสูงมากทำให้เกิดธาตุที่หนักกว่าเหล็ก ได้แก่ อิริเดียม เงิน ทองคำ ยูเรเนียม เป็นต้น  อย่างไรก็ตามแม้ว่าในธรรมชาติจะมี 88 ธาตุ แต่มีเพียง 8 ธาตุเท่านั้นที่เป็นองค์ประกอบหลักของเปลือกโลก ได้แก่ ออกซิเจน ซิลิกอน อะลูมิเนียม เหล็ก แคลเซียม โซเดียม โปแตสเซียม และแมกนีเซียม 

ตารางที่ 1 ธาตุที่มีอยู่มากบนเปลือกโลก

ธาตุ	สัญลักษณ์	% โดนน้ำหนัก	% โดนปริมาตร	% โดยจำนวนอะตอม
ออกซิเจน	O	46.6	93.8	60.8
ซิลิกอน	Si	27.7	0.9	20.5
อะลูมิเนียม	Al	8.1	0.8	6.2
เหล็ก	Fe	5.0	0.5	1.9
แคลเซียม	Ca	3.6	1.0	1.9
โซเดียม	Na	2.8	1.2	2.5
โปแตสเซียม	K	2.6	1.5	1.8
แมกนีเซียม	Mg	2.1	0.3	1.4
ธาตุอื่นๆ	-	1.5	-	3.3

        โมเลกุล (Molecule) คือเซ็ตการจับกลุ่มของอะตอม   เมื่ออะตอมของธาตุออกซิเจนจับคู่กัน เราเรียกว่า ออกซิเจน (O₂) มีคุณสมบัติเป็นแก๊สที่ช่วยให้ไฟติด  แต่เมื่ออะตอมของธาตุออกซิเจนจับกลุ่มสามอะตอม เราเรียกว่า โอโซน (O₃) มีคุณสมบัติเป็นแก๊สเรือนกระจก  โมเลกุลอาจจะเป็นการจับคู่ของอะตอมต่างชนิดก็ได้  เช่น โมเลกุลของน้ำ (H₂O) ประกอบด้วย อะตอมของไฮโดรเจน 1 ตัว และอะตอมของออกซิเจน 1 ตัว  ทั้งนี้อะตอมของธาตุทั้งหลายสามารถเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ 4 ชนิด ดังนี้ 

• พันธะไอออน (Ion bond) เกิดขึ้นเมื่ออะตอมที่มีประจุบวกจับคู่กับอะตอมที่มีปะจุลบ เช่น เกลือโซเดียมคลอไลน์ (NaCl) ประกอบด้วย โซเดียมประจุบวก และคลอรีนประจุลบ ดังภาพที่ 2
  

  
  
  

  ภาพที่ 2 โมเลกุลของโซเดียมคลอไรด์

  
  

• พันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) เกิดขึ้นเมื่ออะตอมเชื่อมต่อโดยการใช้อิเล็คตรอนร่วมกัน เช่น เพชร มีโครงสร้างที่เป็นอะตอมของธาตุคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันเป็นรูปผลึกโดยใช้อิเล็กตรอนชั้นนอกร่วมกัน จึงมีความแข็งแรงมาก 

• พันธะโลหะ (Metallic bond) เกิดขึ้นกับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนอยู่หลวมๆ นิวเคลียสของแต่ละอะตอมจะอยู่ชิดติดกัน แต่อิเล็กตรอนจะลื่นไหลส่งผ่านกันโดยอิสระ โลหะจึงมีความเหนียวและเหนี่ยวนำไฟฟ้าได้ดี 

• พันธะแวนเดอวาลส์ (Van der Waal's bond) เป็นพันธะที่ยึดแต่ละโมเลกุลไว้ด้วยกัน โดยมีจุดต่อเชื่อมที่อะตอมเพียงบางตัวซี่งยึดเหนี่ยวกันด้วยประจุต่างขั้ว พันธะแบบนี้จึงมีความแข็งแรงน้อย ยกตัวอย่างเช่น กราไฟต์ หรือไมกา ซึ่งสามารถดึงให้หลุดเป็นแผ่นได้โดยง่าย  พันธะไฮโดรเจน เป็นรูปแบบหนึ่งของพันธะแวนเดอวาลส์ ซึ่งทำให้เกิดผลึกของน้ำแข็ง 

อะตอม

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]

"อะตอม" มาจากภาษากรีกว่า ἄτομος/átomos, α-τεμνω ซึ่งหมายความว่า ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป หลักการของอะตอมในฐานะส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไปถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยนักปรัชญาชาวอินเดียและนักปรัชญาชาวกรีก ซึ่งจะตรงกันข้ามกับปรัชญาอีกสายหนึ่งที่เชื่อว่าสสารสามารถแบ่งแยกได้ไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีสิ้นสุด (คล้ายกับปัญหา discrete หรือ continuum) ในคริสต์ศตวรรษที่ 17-18 นักเคมีเริ่มวางแนวคิดทางกายภาพจากหลักการนี้โดยแสดงให้เห็นว่าวัตถุหนึ่ง ๆ ควรจะประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกต่อไป ระหว่างช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 และต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ค้นพบส่วนประกอบย่อยของอะตอมและโครงสร้างภายในของอะตอม ซึ่งเป็นการแสดงว่า "อะตอม" ที่ค้นพบตั้งแต่แรกยังสามารถแบ่งแยกได้อีก และไม่ใช่ "อะตอม" ในความหมายที่ตั้งมาแต่แรก กลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีที่สามารถนำมาใช้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมได้เป็นผลสำเร็จ^[2][3]

ตามความเข้าใจในปัจจุบัน อะตอมเป็นวัตถุขนาดเล็กที่มีมวลน้อยมาก เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยว ๆ ได้โดยอาศัยเครื่องมือพิเศษ เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ มวลประมาณ 99.9% ของอะตอมกระจุกรวมกันอยู่ในนิวเคลียส^{[note 1]} โดยมีโปรตอนและนิวตรอนเป็นมวลที่เหลือประมาณเท่า ๆ กัน ธาตุแต่ละตัวจะมีอย่างน้อยหนึ่งไอโซโทปที่มีนิวเคลียสซึ่งไม่เสถียรและเกิดการเสื่อมสลายโดยการแผ่รังสี ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการแปรนิวเคลียสที่ทำให้จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไป^[4] อิเล็กตรอนที่โคจรรอบอะตอมจะมีระดับพลังงานที่เสถียรอยู่จำนวนหนึ่งในลักษณะของวงโคจรอะตอม และสามารถเปลี่ยนแปลงระดับไปมาระหว่างกันได้โดยการดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอนที่สอดคล้องกับระดับพลังงานที่ต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ และมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอม

แนวคิดที่ว่าสสารประกอบด้วยหน่วยย่อย ๆ ไม่ต่อเนื่องกันและไม่สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กไปได้อีก เกิดขึ้นมานับเป็นพันปีแล้ว แนวคิดเหล่านี้มีรากฐานอยู่บนการให้เหตุผลทางปรัชญา นักปรัชญาได้เรียกการศึกษาด้านนี้ว่า ปรัชญาธรรมชาติ (Natural Philosophy) จนถึงยุคหลังจากเซอร์ ไอแซค นิวตัน จึงได้มีการบัญญัติศัพท์คำว่า 'วิทยาศาสตร์' (Science) เกิดขึ้น (นิวตันเรียกตัวเองว่าเป็น นักปรัชญาธรรมชาติ (natural philosopher) ) ทดลองและการสังเกตการณ์ ธรรมชาติของอะตอม ของนักปรัชญาธรรมชาติ (นักวิทยาศาสตร์) ทำให้เกิดการค้นพบใหม่ ๆ มากมาย

การอ้างอิงถึงแนวคิดอะตอมยุคแรก ๆ สืบย้อนไปได้ถึงยุคอินเดียโบราณในศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล^[5] โดยปรากฏครั้งแรกในศาสนาเชน^[6] สำนักศึกษานยายะและไวเศษิกะได้พัฒนาทฤษฎีให้ละเอียดลึกซึ้งขึ้นว่าอะตอมประกอบกันกลายเป็นวัตถุที่ซับซ้อนกว่าได้อย่างไร^[7] ทางด้านตะวันตก การอ้างอิงถึงอะตอมเริ่มขึ้นหนึ่งศตวรรษหลังจากนั้นโดยลิวคิพพุส (Leucippus) ซึ่งต่อมาศิษย์ของเขาคือ ดีโมครีตุส ได้นำแนวคิดของเขามาจัดระเบียบให้ดียิ่งขึ้น ราว 450 ปีก่อนคริสตกาล ดีโมครีตุสกำหนดคำว่า átomos (กรีก: ἄτομος) ขึ้น ซึ่งมีความหมายว่า "ตัดแยกไม่ได้" หรือ "ชิ้นส่วนของสสารที่เล็กที่สุดไม่อาจแบ่งแยกได้อีก" เมื่อแรกที่ จอห์น ดาลตัน ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับอะตอม นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นเข้าใจว่า 'อะตอม' ที่ค้นพบนั้นไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกแล้ว ถึงแม้ต่อมาจะได้มีการค้นพบว่า 'อะตอม' ยังประกอบไปด้วย โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน แต่นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็ยังคงใช้คำเดิมที่ดีโมครีตุสบัญญัติเอาไว้^[8]

ลัทธินิยมคอร์พัสคิวลาร์ (Corpuscularianism) ที่เสนอโดยนักเล่นแร่แปรธาตุในคริสต์ศตวรรษที่ 13 ซูโด-กีเบอร์ (Pseudo-Geber) ^[9] หรือบางครั้งก็เรียกกันว่า พอลแห่งทารันโท แนวคิดนี้กล่าวว่าวัตถุทางกายภาพทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดละเอียดเรียกว่า คอร์พัสเคิล (corpuscle) เป็นชั้นภายในและภายนอก^[10] แนวคิดนี้คล้ายคลึงกับทฤษฎีอะตอม ยกเว้นว่าอะตอมนั้นไม่ควรจะแบ่งต่อไปได้อีกแล้ว ขณะที่คอร์พัสเคิลนั้นยังสามารถแบ่งได้อีกในหลักการ ตัวอย่างตามวิธีนี้คือ เราสามารถแทรกปรอทเข้าไปในโลหะอื่นและเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของมันได้^[11] แนวคิดนิยมคอร์พัสคิวลาร์อยู่ยั่งยืนยงเป็นทฤษฎีหลักตลอดเวลาหลายร้อยปีต่อมา

ในปี ค.ศ. 1661 นักปรัชญาธรรมชาติ โรเบิร์ต บอยล์ ตีพิมพ์เรื่อง The Sceptical Chymist ซึ่งเขาโต้ว่าสสารประกอบขึ้นด้วยส่วนประกอบอันหลากหลายของ "คอร์พัสคิวลีส" หรืออะตอมที่แตกต่างกัน มิใช่ส่วนประกอบจากอากาศ ดิน ไฟ และน้ำ^[12] ระหว่างช่วงคริสต์ทศวรรษ 1670 ไอแซค นิวตัน ใช้แนวคิดนิยมคอร์พัสคิวลาร์นี้เพื่อพัฒนาทฤษฎีคอพัสคิวลาร์ของแสง^[10][13]

กำเนิดทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์

ไม่มีความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจกับอะตอมเพิ่มมากขึ้นนักจนกระทั่งศาสตร์ทางด้านเคมีเริ่มพัฒนาขึ้น ในปี ค.ศ. 1661 นักปรัชญาธรรมชาติ โรเบิร์ต บอยล์ เผยแพร่งานเขียนเรื่อง The Sceptical Chymist ซึ่งเขาเห็นว่าสสารประกอบขึ้นจากส่วนประกอบหลากหลายระหว่าง "corpuscules" หรืออะตอมที่แตกต่างกัน ซึ่งต่างไปจากธาตุพื้นฐานทั้งสี่คือ อากาศ ดิน ไฟ และน้ำ^[14] ปี ค.ศ. 1789 ขุนนางชาวฝรั่งเศสและนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์ อองตวน ลาวัวซิเยร์ กำหนดคำว่า ธาตุ (element) เพื่อใช้ในความหมายถึงสสารพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกด้วยกระบวนการทางเคมีต่อไปได้อีก^[15]

ปี ค.ศ. 1803 อาจารย์ชาวอังกฤษและนักปรัชญาธรรมชาติ จอห์น ดอลตัน (John Dalton) ใช้แนวคิดของอะตอมมาอธิบายว่าทำไมธาตุต่าง ๆ จึงมีปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนของจำนวนเต็มเล็กที่สุดเสมอ คือ กฎสัดส่วนพหุคูณ (law of multiple proportion) และทำไมก๊าซบางชนิดจึงสลายตัวในน้ำได้ดีกว่าสารละลายอื่น เขาเสนอว่าธาตุแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันที่ไม่เหมือนใคร และอะตอมเหล่านี้สามารถรวมตัวเข้าด้วยกันได้กลายเป็นสารประกอบทางเคมี^[16][17] สิ่งที่ดอลตันกำลังคำนึงถึงนี้เป็นจุดกำเนิดแรกเริ่มของทฤษฎีอะตอมยุคใหม่^[18]

ทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคอีกทฤษฎีหนึ่ง (ซึ่งเป็นส่วนขยายของทฤษฎีอะตอมด้วย) เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1827 เมื่อนักพฤกษศาสตร์ โรเบิร์ต บราวน์ ใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องดูเศษฝุ่นของเมล็ดข้าวที่ลอยอยู่ในน้ำ และพบว่ามันเคลื่อนที่ไปแบบกระจัดกระจายไม่แน่นอน นี่เป็นปรากฏการณ์ที่ต่อมารู้จักกันในชื่อ การเคลื่อนที่แบบบราวน์ ปี ค.ศ. 1877 J. Desaulx เสนอว่าปรากฏการณ์นี้มีสาเหตุมาจากการเคลื่อนของความร้อนในโมเลกุลน้ำ และในปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้คิดค้นการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ขึ้นได้เป็นครั้งแรก^[19][20][21] นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฌอง แปร์แรง ใช้งานของไอน์สไตน์เพื่อทำการทดลองระบุมวลและขนาดของอะตอม ซึ่งในเวลาต่อมาได้พิสูจน์ทฤษฎีอะตอมของดอลตัน^[22]

ปี ค.ศ. 1869 ดมีตรี เมนเดเลเยฟ อาศัยการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ยุคก่อนหน้าเช่นลาวัวซิเยร์ คิดค้นและเผยแพร่ตารางธาตุขึ้นเป็นครั้งแรก^[23] ตารางนี้ใช้เป็นตัวแทนถึงกฎการวนซ้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติทางเคมีเฉพาะตัวของธาตุ ซึ่งจะ วนซ้ำเป็นรอบ ๆ ตามหมายเลขอะตอม

ส่วนประกอบย่อยและทฤษฎีควอนตัม

เจ. เจ. ทอมสัน นักฟิสิกส์ ค้นพบอิเล็กตรอนจากการศึกษารังสีแคโธดเมื่อปี ค.ศ. 1897 และสรุปว่ามันเป็นส่วนประกอบอยู่ในอะตอมทุกตัว ซึ่งเป็นการล้มล้างความเชื่อที่ว่าอะตอมนั้นเป็นอนุภาคเล็กที่สุดของสสารไม่สามารถแบ่งแยกได้^[24] ทอมสันแสดงหลักฐานว่า อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลต่ำมากนี้กระจัดกระจายอยู่ทั่วไปในอะตอม เป็นไปได้ว่าอาจหมุนวนรอบ ๆ อะตอมเหมือนวงแหวน โดยมีประจุที่สมดุลจากการลอยตัวอยู่ในทะเลอนุภาคประจุบวกอันสม่ำเสมอ ในเวลาต่อมาแนวคิดนี้รู้จักกันในชื่อ แบบจำลองอะตอมของทอมสัน (plum-pudding model)

ปี ค.ศ. 1909 ฮันส์ ไกเกอร์ และ เออร์เนสต์ มาร์สเดน ภายใต้การแนะนำของนักฟิสิกส์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ทำการทดลองด้วยการยิงรังสีอัลฟาใส่แผ่นทองคำ ซึ่งเป็นที่รู้กันว่ามีอะตอมฮีเลียมประจุบวก แล้วค้นพบว่าอนุภาคมีการหักเหไปเล็กน้อยเมื่อเทียบกับมุมหักเหที่ควรจะเป็นตามที่บทความของทอมสันเคยทำนายเอาไว้ รัทเทอร์ฟอร์ดตีความการทดลองนี้ว่าเป็นการบ่งชี้ถึงประจุบวกในอะตอมหนักของทองคำ และมวลส่วนมากของมันรวมตัวกันอยู่ที่นิวเคลียสซึ่งอยู่บริเวณศูนย์กลางของอะตอม เรียกชื่อแนวคิดนี้ว่า แบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด^[25]

ปี ค.ศ. 1913 ขณะที่นักเคมีรังสี เฟรเดอริค ซอดดี ทำการทดลองกับผลที่ได้จากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี เขาค้นพบว่าดูเหมือนจะมีชนิดของอะตอมมากกว่าหนึ่งชนิดในแต่ละตำแหน่งของตารางธาตุ^[26] มาร์กาเร็ต ท็อดด์ ตั้งชื่อคำว่า ไอโซโทป ขึ้นเพื่อใช้ในความหมายถึงอะตอมที่แตกต่างกันแต่เป็นอะตอมของธาตุเดียวกัน เจ.เจ. ทอมสัน สร้างเทคนิคในการแบ่งแยกประเภทของอะตอมจากงานเกี่ยวกับแก๊สที่แตกตัวเป็นประจุ ซึ่งต่อมาได้นำไปสู่การค้นพบไอโซโทปเสถียร^[27]

แบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนของบอร์ แสดงการกระโดดของอิเล็กตรอนระหว่างวงโคจรต่าง ๆ ที่คงที่และแผ่โฟตอนออกมาด้วยพลังงานที่ระดับความถี่เฉพาะค่าหนึ่ง

ขณะเดียวกันในปี ค.ศ. 1913 นักฟิสิกส์ นีลส์ บอร์ เสนอรูปแบบของอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น เขากล่าวว่ามันมีวงโคจรหลายระดับแตกต่างกัน และสามารถกระโดดไปมาระหว่างระดับวงโคจรต่าง ๆ ได้ แต่ไม่สามารถหมุนเป็นเกลียวเข้าออกตามใจชอบระหว่างทางได้^[28] อิเล็กตรอนตัวหนึ่ง ๆ จะต้องดูดซับหรือแผ่พลังงานปริมาณจำเพาะเจาะจงขนาดหนึ่งออกมาเพื่อเปลี่ยนระดับวงโคจรที่มีกำหนดตายตัวอยู่แล้ว เมื่อแสงจากวัตถุที่ร้อนจัดวิ่งผ่านปริซึม มันจะสร้างสเปกตรัมหลากสีขึ้น การปรากฏของระดับพลังงานต่าง ๆ ที่กำหนดตายตัวได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์จากการเปลี่ยนระดับวงโคจรนี้^[29]

กิลเบิร์ต นิวตัน ลูอิส สามารถอธิบายถึงพันธะเคมีระหว่างอะตอมได้ในปี ค.ศ. 1916 ว่าเป็นปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนที่เป็นส่วนประกอบภายใน^[30] ดังที่คุณสมบัติทางเคมีของธาตุเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตามที่ปรากฏในตารางธาตุ^[31] ปี ค.ศ. 1919 นักเคมีชาวอเมริกัน เออร์วิง แลงมิวร์ เสนอวิธีการอธิบายว่า ถ้าอิเล็กตรอนในอะตอมเชื่อมต่อกันหรือจับกลุ่มกันในลักษณะบางอย่าง กลุ่มของอิเล็กตรอนน่าจะรวมกันเป็นชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียส^[32]

ปี ค.ศ. 1918 รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบว่าประจุบวกภายในอะตอมแต่ละตัวจะมีจำนวนเท่ากับเลขจำนวนเต็มบวกของนิวเคลียสไฮโดรเจนเสมอ เขาลงความเห็นว่าภายในนิวเคลียสมีอนุภาคประจุบวกอยู่เรียกว่า โปรตอน อย่างไรก็ดี มวลของนิวเคลียสมักจะมากกว่าเลขเหล่านี้ ทำให้คาดการณ์กันว่ามวลส่วนที่เกินไปนั้นน่าจะเป็นของอนุภาคที่มีประจุเป็นกลาง (คือ นิวตรอน)

การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ในปี ค.ศ. 1922 ทำให้เรามีหลักฐานเกี่ยวกับลักษณะความเป็นควอนตัมของอะตอม เมื่อลำอนุภาคอะตอมของเงินวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กที่มีรูปร่างเฉพาะอย่างหนึ่ง ลำอนุภาคนั้นจะแยกออกไปในทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมของอะตอม หรือตามสปิน เนื่องจากทิศทางนี้เกิดขึ้นแบบสุ่ม จึงคาดการณ์ว่าลำอนุภาคจะแยกออกเป็นเส้น ทว่าลำอนุภาคกลับแยกออกเป็นสองส่วนเท่านั้นตามทิศทางสปินของอะตอมว่าเป็นแบบขึ้นหรือแบบลง^[33]

ปี ค.ศ. 1924 หลุยส์ เดอ บรอย เสนอแนวคิดว่าอนุภาคทุกชนิดมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ปี ค.ศ. 1926 แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ใช้แนวคิดนี้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมที่อธิบายอิเล็กตรอนในลักษณะของรูปคลื่นสามมิติแทนที่จะเป็นอนุภาคแบบจุด ผลสืบเนื่องจากการใช้รูปคลื่นอธิบายอนุภาคคือ มันเป็นไปไม่ได้ในทางคณิตศาสตร์ที่จะทราบค่าที่แน่นอนทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคในเวลาเดียวกัน ในเวลาต่อมาแนวคิดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ หลักแห่งความไม่แน่นอน ซึ่งเรียบเรียงขึ้นโดย แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก ในปี ค.ศ. 1926 จากหลักการนี้ ถ้ากำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของอนุภาคแล้วจะสามารถทราบเพียงขอบเขตที่เป็นไปได้ของโมเมนตัม ในทำนองกลับกันก็เช่นเดียวกัน แบบจำลองนี้สามารถใช้อธิบายผลสังเกตการณ์พฤติกรรมของอะตอมแบบที่แบบจำลองอื่น ๆ ก่อนหน้าไม่สามารถอธิบายได้ เช่นโครงสร้างของอะตอมและรูปแบบสเปกตรัมของอะตอมที่มีขนาดใหญ่กว่าไฮโดรเจน ดังนั้นแบบจำลองของอะตอมที่คล้ายคลึงกับแบบจำลองดาวเคราะห์จึงถูกละทิ้งไป หันไปใช้แบบจำลองที่อธิบายถึงโซนวงโคจรในอะตอมที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสอันเป็นบริเวณที่น่าจะสังเกตพบอิเล็กตรอนมากที่สุด^[34][35]

การพัฒนาของเครื่องวิเคราะห์มวล (mass spectrometer) ทำให้สามารถตรวจวัดมวลที่แน่นอนของอะตอมได้ อุปกรณ์นี้อาศัยแม่เหล็กในการเบี่ยงเบนวิถีของลำอนุภาคไอออน และตรวจวัดปริมาณการหักเหจากอัตราส่วนระหว่างมวลอะตอมกับประจุของมัน นักเคมี ฟรานซิส วิลเลียม แอสตันใช้เครื่องมือนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าไอโซโทปมีมวลที่ต่างออกไป มวลอะตอมของไอโซโทปเหล่านี้จะแปรค่าไปเป็นจำนวนเต็มบวก เรียกว่า กฎของเลขจำนวนเต็ม (whole number rule) ^[36] การอธิบายไอโซโทปที่แตกต่างเหล่านี้ต้องรอไปอีกจนกระทั่งมีการค้นพบนิวตรอน หรืออนุภาคที่มีประจุเป็นกลางซึ่งมีมวลเท่ากับโปรตอน นักฟิสิกส์ชื่อ เจมส์ แคดวิคค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 จึงทำให้สามารถอธิบายไอโซโทปได้ในฐานะธาตุที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนภายในนิวเคลียสที่แตกต่างออกไป^[37]

ฟิชชัน ฟิสิกส์พลังงานสูง และสสารหนาแน่น[แก้]

ปี ค.ศ. 1938 นักเคมีชาวเยอรมัน อ็อทโท ฮาน ผู้เป็นศิษย์ของรัทเทอร์ฟอร์ด ยิงนิวตรอนใส่อะตอมยูเรเนียมด้วยสมมุติฐานจะได้ธาตุหลังยูเรเนียมออกมา แต่การทดลองทางเคมีของเขากลับให้ผลลัพธ์ออกมาเป็นแบเรียม^[38] หนึ่งปีต่อมา ลีเซอ ไมท์เนอร์ กับออตโต ฟริสช์ผู้เป็นหลาน สามารถพิสูจน์ว่าผลลัพธ์ของฮานเป็นการทดลอง นิวเคลียร์ฟิชชัน เป็นครั้งแรก^[39][40] ปี ค.ศ. 1944 ฮานได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี แต่ไมต์เนอร์กับฟริสช์กลับไม่มีชื่อได้รับร่วมทั้งที่ฮานได้พยายามเสนอแล้ว^[41]

ช่วงคริสต์ทศวรรษ 1950 มีการพัฒนาเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องตรวจจับอนุภาค ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ระดับพลังงานสูง ๆ ได้^[42] มีการค้นพบฮาดรอนเป็นส่วนประกอบย่อยของนิวตรอนและโปรตอน ซึ่งเป็นอนุภาคประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนที่เล็กกว่าเรียกว่า ควาร์ก แบบจำลองมาตรฐานทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ได้รับการพัฒนาขึ้นจนสามารถอธิบายคุณลักษณะของนิวเคลียสได้อย่างสมบูรณ์ในรูปแบบของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมและแรงต่าง ๆ ที่มีผลต่อปฏิกิริยาของอนุภาคเหล่านั้น^[43]

ส่วนประกอบของอะตอม[แก้]

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]

นิวเคลียส[แก้]

ดูบทความหลักที่: นิวเคลียสอะตอม

โปรตอนกับนิวตรอนที่ยึดเหนี่ยวกันภายในอะตอมหนึ่ง ๆ จะรวมกันเป็นนิวเคลียสอะตอมขนาดเล็ก เรียกชื่อว่า นิวคลีออน รัศมีของนิวเคลียสมีค่าประมาณ ${\displaystyle {\begin{smallmatrix}1.07{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}}$ fm โดยที่ A คือจำนวนนิวคลีออนรวม^[49] นี่มีขนาดเล็กกว่ารัศมีของอะตอมมาก ประมาณ 10⁵ fm นิวคลีออนยึดเหนี่ยวกันเอาไว้ด้วยแรงดึงดูดระยะใกล้ ๆ เรียกว่า แรงนิวเคลียร์ ที่ระยะห่างต่ำกว่า 2.5 fm แรงนี้จะมีพลังแรงมากกว่าแรงไฟฟ้าสถิตซึ่งทำให้ประจุโปรตอนที่เป็นบวกพยายามผลักตัวออกจากกัน^[50]

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เรียกตัวเลขนี้ว่า หมายเลขอะตอม ในธาตุชนิดหนึ่ง ๆ อาจมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นตัวกำหนดค่าไอโซโทปของธาตุนั้น ๆ จำนวนโดยรวมของโปรตอนกับนิวตรอนเป็นตัวระบุนิวไคลด์ จำนวนนิวตรอนเทียบกับโปรตอนเป็นตัวกำหนดความเสถียรของนิวเคลียส และไอโซโทปที่ทำให้เกิดการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี^[51]

นิวตรอนกับโปรตอนต่างเป็นเฟอร์มิออนเพียงแต่เป็นคนละชนิด ตามหลักการกีดกันของเพาลี คือผลจากแรงควอนตัมทำให้เฟอร์มิออน ที่เทียบเท่ากัน ไม่สามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันในเวลาเดียวกันได้ ดังนั้นโปรตอนทุกตัวในนิวเคลียสจึงต้องดำรงอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันด้วยระดับพลังงานต่าง ๆ ของตัวเอง กฎเดียวกันนี้ยังใช้กับนิวตรอนทั้งหมดด้วย แต่ไม่ได้ห้ามโปรตอนกับนิวตรอนให้มีสถานะควอนตัมอันเดียวกัน^[52]

มีความเป็นไปได้ที่นิวเคลียสของอะตอมที่มีหมายเลขอะตอมต่ำซึ่งมีจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนต่างกัน จะลดสถานะพลังงานต่ำลงจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี อันทำให้จำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเกือบจะเท่ากัน ผลที่เกิดขึ้นทำให้อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเกือบเท่ากันนั้นมีภาวะเสถียรขึ้นและไม่สลายตัว อย่างไรก็ดี ยิ่งหมายเลขอะตอมสูงขึ้น แรงผลักระหว่างโปรตอนก็จะยิ่งทำให้สัดส่วนนิวตรอนที่ต้องมีเพื่อรักษานิวเคลียสให้เสถียรต้องเพิ่มจำนวนมากขึ้น ทำให้แนวโน้มเปลี่ยนแปลงไป ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีนิวเคลียสที่เสถียรซึ่งมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเท่า ๆ กันที่หมายเลขอะตอมมากกว่า Z = 20 (แคลเซียม) ยิ่ง Z มีจำนวนมากขึ้นไปสู่นิวเคลียสธาตุหนัก สัดส่วนนิวตรอนต่อโปรตอนที่ต้องมีเพื่อความเสถียรจะยิ่งเพิ่มขึ้นไปที่ประมาณ 1.5^[52]

จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ แม้จะต้องใช้พลังงานสูงมากเพราะมีแรงยึดเหนี่ยวที่เข้มมาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอะตอมหลายตัวรวมตัวกันทำให้เกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่หนักกว่าเดิม เช่นจากการชนกันของนิวเคลียสสองตัว ยกตัวอย่างเช่นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ โปรตอนต้องการพลังงาน 3–10 keV เพื่อเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน หรือ กำแพงคูลอมบ์ (coulomb barrier) แล้วหลอมรวมเข้าด้วยกันกลายเป็นนิวเคลียสเพียงอันเดียว^[53] ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะเกิดขึ้นในทางตรงกันข้าม คือการที่นิวเคลียสหนึ่งแตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กกว่า 2 ตัว โดยมากเกิดขึ้นจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี นิวเคลียสยังอาจเปลี่ยนแปลงได้จากการยิงด้วยอนุภาคขนาดเล็กพลังงานสูง หรือโฟตอน ถ้าสามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสได้ อะตอมก็จะเปลี่ยนคุณลักษณะไปเป็นธาตุชนิดอื่น^[54][55]

ถ้ามวลของนิวเคลียสหลังจากเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นมีน้อยกว่าจำนวนมวลรวมของอนุภาคขณะที่ยังแยกกัน มวลที่แตกต่างกันระหว่างค่าทั้งสองอาจจะแพร่ออกไปในลักษณะของพลังงานบางอย่าง (เช่น รังสีแกมมา หรือพลังงานจลน์ของอนุภาคบีตา) ดังที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายไว้ในสมการสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน E = mc² เมื่อ m คือมวลที่สูญหายไป และ c คือความเร็วแสง จำนวนที่หายไปนี้เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสใหม่ และเป็นการสูญเสียพลังงานแบบไม่มีวิธีย้อนกลับ ซึ่งทำให้อนุภาคที่หลอมรวมกันยังคงอยู่ในสถานะที่จำเป็นต้องใช้พลังงานในระดับนั้นเพื่อแยกตัวออกจากกัน^[56]

การเกิดฟิวชั่นของนิวเคลียสสองตัวให้กลายเป็นนิวเคลียสเดียวที่ใหญ่ขึ้น โดยที่มีหมายเลขอะตอมต่ำกว่าเหล็กและนิกเกิล หรือจำนวนนิวคลีออนรวมประมาณ 60 เรียกว่ากระบวนการคายความร้อน ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานออกมามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการรวมตัวกัน^[57] กระบวนการปลดปล่อยพลังงานเช่นนี้เองที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในดาวฤกษ์ซึ่งสามารถเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง สำหรับนิวเคลียสธาตุหนัก พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนในนิวเคลียสเริ่มต้นลดจำนวนลง นั่นคือกระบวนการฟิวชั่นที่สร้างนิวเคลียสที่มีหมายเลขอะตอมสูงกว่า 26 และมวลอะตอมมากกว่า 60 เรียกว่ากระบวนการดูดความร้อน นิวเคลียสมวลมากเหล่านี้ไม่สามารถสร้างปฏิกิริยาฟิวชั่นต่อเนื่องที่รักษาสภาวะสมดุลอุทกสถิตของดาวฤกษ์เอาไว้ได้^[52]

กลุ่มหมอกอิเล็กตรอน[แก้]

ดูบทความหลักที่: ออร์บิทัลของอะตอม

อิเล็กตรอนในอะตอมถูกดึงดูดเอาไว้กับโปรตอนในนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงชนิดนี้ยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนเอาไว้ภายในหลุมพลังงานไฟฟ้าสถิตที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส นั่นแสดงว่าจำเป็นต้องได้รับพลังงานจากแหล่งภายนอกเพื่อช่วยให้อิเล็กตรอนหนีออกไปได้ ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากเท่าใด แรงดึงดูดนี้ก็ยิ่งมากขึ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางของหลุมพลังงานจำเป็นต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อจะหนีออกมาได้

เช่นเดียวกับอนุภาคอื่น อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติแบบทวิภาค คือเป็นทั้งอนุภาคและเป็นทั้งคลื่น เมฆอิเล็กตรอนเป็นบริเวณภายในหลุมพลังงานที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะสร้างคลื่นนิ่ง 3 มิติประเภทหนึ่งขึ้น อันเป็นรูปคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ตามนิวเคลียส พฤติกรรมนี้ถูกกำหนดจากออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งเป็นฟังก์ชันคณิตศาสตร์ที่แสดงคุณสมบัติความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะปรากฏตัวขึ้นที่จุดเฉพาะหนึ่ง ๆ ขณะที่ถูกวัดตำแหน่ง^[58] รอบ ๆ นิวเคลียสจะมีออร์บิทัลที่ไม่ต่อเนื่องกันล้อมรอบอยู่ในลักษณะของควอนตา ทั้งนี้เพราะรูปแบบคลื่นอื่นที่เป็นไปได้จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วเข้าสู่สถานะที่เสถียรมากกว่า^[59] ออร์บิทัลอาจมีลักษณะวงแหวนหนึ่งวง หลายวง หรือเป็นโครงสร้างโหนดก็ได้ ซึ่งมีความแตกต่างจากออร์บิทัลอื่น ๆ ทั้งด้านขนาด รูปร่าง และศูนย์กลาง^[60]

ออร์บิทัลอะตอมแต่ละแบบจะสอดคล้องกับระดับพลังงานเฉพาะของอิเล็กตรอนค่าหนึ่ง ๆ อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนสถานะของมันไปยังระดับพลังงานที่สูงกว่าได้โดยการดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอจะยกระดับตัวมันขึ้นไปสู่สถานะควอนตัมใหม่ ในทางกลับกัน กระบวนการปลดปล่อยรังสีด้วยตัวเองทำให้อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงสามารถลดระดับพลังงานลงไปยังสถานะที่ต่ำกว่าได้ขณะที่แผ่พลังงานส่วนเกินออกไปเป็นโฟตอน คุณลักษณะของค่าพลังงานที่กำหนดจากสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันนี้ เป็นสาเหตุของการเกิดเส้นสเปกตรัม^[59]

ปริมาณพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ (ทั้งแบบเพิ่มเข้าไปหรือปลดปล่อยออกมา) ในการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนนี้น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนมาก เช่น จำเป็นต้องใช้พลังงานเพียง 13.6 eV เพื่อให้อิเล็กตรอนจากอะตอมของไฮโดรเจนเปลี่ยนระดับลงไปยังสถานะพื้น^[61] เทียบกับพลังงาน 2.23 ล้าน eV ในการแยกนิวเคลียสของดิวเทอเรียม^[62] อะตอมมีประจุเป็นกลางถ้ามันมีจำนวนโปรตอนกับอิเล็กตรอนเท่ากัน อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากหรือน้อยกว่าปกติเรียกว่า ไอออน อิเล็กตรอนที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสมากอาจถ่ายโอนไปยังอะตอมข้างเคียง หรืออยู่ร่วมระหว่างสองอะตอมก็ได้ ด้วยกลไกนี้ อะตอมจึงสามารถเกิดพันธะเคมีกลายเป็นโมเลกุลและสารประกอบเคมีอื่น ๆ เช่น การเกิดผลึกแบบไอโอนิกคริสตัลหรือโคเวเลนต์^[63]

โครงสร้างของเมฆอิเล็กตรอนอาจเปลี่ยนแปลงไปตามจำนวนอิเล็กตรอนที่มีในกลุ่มเมฆนั้น มีวิธีการนับจำนวนอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันอยู่จำนวนหนึ่ง เช่น กฎออกเตต หรือ กฎ 18 อิเล็กตรอน ซึ่งโดยมากจะใช้เป็นเพียงกฎช่วยจำและไม่ได้ใช้แบบเดียวกันกับอะตอมทุกชนิด นักศึกษาใหม่ในวิชาเคมีมักถูกสอนให้จำโครงสร้างอะตอมแบบง่าย ๆ เป็น 2, 8, 8, 8, 8, 8, 8, [...] ทั้งนี้เพื่อให้ลำดับการสอนทำได้ง่ายขึ้น แต่จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละเชลล์สำหรับอะตอมขนาดใหญ่ที่จริงแล้วมีจำนวนที่ต่างไปจากนี้ เช่น 2, 8, 18, 32, 50, 72 แต่ต้องเป็นนักศึกษาชั้นสูงจึงค่อยทำความเข้าใจกับความซับซ้อนนี้

คุณสมบัติ[แก้]

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[แก้]

ดูบทความหลักที่: มวลอะตอม และ เลขมวล

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.^[70]

รูปร่างและขนาด[แก้]

ดูบทความหลักที่: รัศมีอะตอม

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]

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี[แก้]

ไดอะแกรมแสดง ครึ่งชีวิต (T_½) ของไอโซโทปหลายตัวที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากับ Z และจำนวนนิวตรอนเท่ากับ N

ดูบทความหลักที่: การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี

ธาตุทุกชนิดจะมีไอโซโทปอย่างน้อยหนึ่งตัวที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร และมีการสลายตัวของกัมมันตรังสี ทำให้นิวเคลียสนั้นปลดปล่อยอนุภาคออกมาหรือเกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่กัมมันตรังสีสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อรัศมีของนิวเคลียสมีขนาดใหญ่กว่าเทียบกับรัศมีของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งส่งแรงได้ในระยะทางเพียง 1 fm^[82]

รูปแบบการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่พบกันมากที่สุด ได้แก่^[83][84]

• การสลายปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา คือนิวเคลียสฮีเลียมที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ผลจากการแผ่รังสีชนิดนี้จะได้ธาตุใหม่ที่มีเลขอะตอมน้อยลง
• การสลายปลดปล่อยอนุภาคบีตา เกิดขึ้นเนื่องจากแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน หรือโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน แบบแรกคือการแผ่อิเล็กตรอน 1 ตัวกับแอนตินิวตริโน 1 ตัว ส่วนแบบที่สองเป็นการแผ่โพสิตรอน 1 ตัวกับ นิวตริโน 1 ตัว การแผ่อนุภาคของอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนนั้นเรียกว่าอนุภาคบีตา ผลจากการแผ่รังสีชนิดนี้อาจทำให้เลขอะตอมของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างละ 1 หน่วย
• การสลายปลดปล่อยอนุภาคแกมมา เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของนิวเคลียสไปยังระดับที่ต่ำกว่า ทำให้เกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อาจเกิดขึ้นหลังจากมีการปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาหรือบีตาในการสลายตัวของกัมมันตรังสีแล้วก็ได้

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีแบบอื่น ๆ ที่พบค่อนข้างน้อย ได้แก่การปล่อยลำอนุภาคนิวตรอนหรือโปรตอน หรือกลุ่มของนิวคลีออนจากนิวเคลียส การปล่อยอนุภาคบีตามากกว่า 1 ตัว หรือการเกิดอิเล็กตรอนความเร็วสูง (จากการแปลงผันภายใน) ซึ่งมิใช่รังสีบีตา และโฟตอนพลังงานสูงที่มิใช่รังสีแกมมา

ไอโซโทปกัมมันต์แต่ละตัวจะมีระยะเวลาในการปลดปล่อยอนุภาค หรือครึ่งชีวิต ที่เฉพาะตัว ซึ่งกำหนดจากระยะเวลาที่ต้องใช้ในการทำให้สารตัวอย่างนั้นสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งเดียว อันเป็นกระบวนการสลายตัวแบบเอ็กโปเนนเชียล สัดส่วนของไอโซโทปที่เหลืออยู่เป็น 50% ของทุก ๆ ระยะครึ่งชีวิตจะลดลงเรื่อย ๆ นั่นคือ หลังจากที่ผ่านระยะครึ่งชีวิตไป 2 ครั้ง จะเหลือปริมาณไอโซโทปนั้นอยู่ 25% ของจำนวนในครั้งแรก และลดลงในลักษณะนี้ไปเรื่อย ๆ ^[82]

โมเมนต์แม่เหล็ก[แก้]

อนุภาคมูลฐานจะมีคุณสมบัติภายในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมประการหนึ่งรู้จักกันในชื่อ สปิน หากเปรียบเทียบก็อาจคล้ายคลึงกับโมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลของตัวเอง แม้ว่าถ้าจะพูดให้เคร่งครัดแล้ว อนุภาคเหล่านี้มีลักษณะเป็นเหมือนจุดซึ่งไม่สามารถบอกได้ว่ามันกำลังหมุน การวัดค่าสปินใช้หน่วยของค่าคงที่ของพลังค์ (ħ) โดยที่อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ล้วนมีค่าสปิน ½ ħ, or "spin-½" ในอะตอมหนึ่ง ๆ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสจะมีโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรเพิ่มไปกับสปินของมัน ขณะที่ตัวนิวเคลียสเองนั้นมีโมเมนตัมเชิงมุมขึ้นกับนิวเคลียร์สปินของมัน^[85]

สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นโดยอะตอม (หรือโมเมนต์แม่เหล็กของมัน) สามารถนิยามได้จากรูปแบบที่แตกต่างกันของโมเมนตัมเชิงมุม ว่าเป็นวัตถุมีประจุที่กำลังหมุนรอบตัวเองและสร้างสนามแม่เหล็กออกมา อย่างไรก็ดี คุณลักษณะอันโดดเด่นที่สุดก็เกิดขึ้นมาจากสปิน โดยธรรมชาติของอิเล็กตรอนแล้ว มันจะเป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี กล่าวคือ ไม่มีทางที่จะพบอิเล็กตรอน 2 ตัวอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันได้ อิเล็กตรอนที่เป็นคู่จะอยู่ตรงกันข้ามกัน ถ้าสมาชิกหนึ่งอยู่ในสถานะสปินขึ้น อีกตัวจะอยู่ในสถานะตรงกันข้าม คือสปินลง ดังนั้นค่าสปินทั้งสองจะหักล้างกันเอง ทำให้ลดแรงแม่เหล็กสองขั้วลงเป็นศูนย์สำหรับอะตอมบางตัวที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเป็นเลขคู่^[86]

ในธาตุที่มีคุณสมบัติของแม่เหล็กเฟอร์โร อย่างเช่น เหล็ก จำนวนอิเล็กตรอนที่เป็นเลขคี่ทำให้มีอิเล็กตรอนเหลือซึ่งไม่มีคู่ และทำให้เกิดผลรวมโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิขึ้น วงโคจรของอะตอมข้างเคียงจะซ้อนทับกัน และไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าเมื่อสปินของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ได้แนวตรงกันกับตัวอื่น กระบวนการนี้รู้จักกันในชื่อ อันตรกิริยาแลกเปลี่ยน (exchange interaction) เมื่อเกิดแนวโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแม่เหล็กเฟอร์โรขึ้น สสารนั้นก็สามารถสร้างสนามแรงขนาดใหญ่ขึ้นจนตรวจวัดได้ สสารแบบพาราแม็กเนติกมีอะตอมที่มีโมเมนต์แม่เหล็กซึ่งสร้างแนวขึ้นในทิศทางแบบสุ่มโดยที่ไม่สามารถตรวจพบสนามแม่เหล็กเลย แต่โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแต่ละตัวนั้นเรียงแนวกันตามการก่อตัวของสนาม^[86][87]

นิวเคลียสของอะตอมก็สามารถมีค่าสปินสุทธิได้เช่นกัน ตามปกติแล้วนิวเคลียสเหล่านี้จะเรียงตัวกันในทิศทางแบบสุ่ม อันเนื่องมาจากสภาวะสมดุลความร้อน อย่างไรก็ดี มีธาตุบางตัว (เช่น ซีนอน-129 ซึ่งมีความเป็นไปได้ในการเกิดขั้วสปินที่สถาวะนิวเคลียร์สปินอย่างมีนัยสำคัญ จนมันเรียงตัวกันในทิศทางเดียวกันได้ เงื่อนไขเช่นนี้เรียกว่า hyperpolarization ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้กับการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (MRI)^[88][89]

ระดับพลังงาน[แก้]

อิเล็กตรอนที่ถูกดึงดูดอยู่ภายในอะตอมหนึ่ง ๆ จะมีพลังงานศักย์ซึ่งแปรผกผันกับระยะห่างของมันจากนิวเคลียส ค่านี้วัดได้จากขนาดของพลังงานที่จำเป็นต้องใช้เพื่อให้อิเล็กตรอนนั้นหลุดออกจากอะตอม โดยปกติใช้หน่วยวัดเป็น อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ในแบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนที่มีพันธะจะสามารถครอบครองสถานะจำนวนหนึ่งรอบนิวเคลียส แต่ละสถานะนั้นสอดคล้องกับระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจง ระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดของอิเล็กตรอนเรียกว่า สภาวะพื้น (ground state) ส่วนอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าจะเรียกว่าอยู่ในสภาวะกระตุ้น (excited state)^[90]

อิเล็กตรอนที่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างสภาวะที่แตกต่างกันสองสภาวะ จะต้องดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอนออกมาที่ระดับพลังงานหนึ่งซึ่งเท่ากับค่าแตกต่างของพลังงานศักย์ของสภาวะทั้งสอง พลังงานของโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมาเป็นสัดส่วนกับความถี่ของมัน ดังนั้นระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจงจะมีช่วงสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์^[91] ธาตุแต่ละชนิดจะมีสเปกตรัมเฉพาะ ขึ้นอยู่กับประจุนิวเคลียร์ ระดับพลังงานย่อยของอิเล็กตรอน อันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอน และปัจจัยอื่น ๆ ^[92]

ตัวอย่างเส้นดูดกลืนในสเปกตรัม

เมื่อสเปกตรัมพลังงานที่ต่อเนื่องผ่านแก๊สหรือพลาสมา โฟตอนบางส่วนจะถูกอะตอมดูดกลืนไป ทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงระดับพลังงาน อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเหล่านั้นซึ่งยังคงถูกดึงดูดอยู่กับอะตอม จะปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่องเป็นโฟตอน โดยปลดปล่อยออกมาทุกทิศทางอย่างสุ่ม จากนั้นก็ตกลงไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ดังนั้นอะตอมจึงทำตัวเหมือนตัวกรอง ซึ่งทำให้เกิดแนวเส้นดูดกลืนมืด ๆ ต่อเนื่องขึ้นที่พลังงานที่ส่งออกมา (ผู้สังเกตที่มองดูอะตอมจากมุมอื่นซึ่งไม่ได้รวมเอาสเปกตรัมต่อเนื่องเป็นฉากหลัง จะมองเห็นเส้นปลดปล่อยของโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมาจากอะตอมแทน) เครื่องมือวัดสเปกโตรสโกปีสำหรับความแรงและความกว้างของเส้นสเปกตรัมจะช่วยให้เราสามารถระบุองค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพของสสารนั้นได้^[93]

การตรวจสอบเส้นสเปกตรัมอย่างละเอียดพบว่ามีการแบ่งแยกเชิงโครงสร้างอย่างละเอียดจำนวนหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจาก การคู่ควบของสปินกับออร์บิท (spin-orbit coupling) อันเป็นอันตรกิริยาระหว่างสปินกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด^[94] เมื่ออะตอมอยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอก เส้นสเปกตรัมจะแยกออกเป็นสามส่วนหรือมากกว่านั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์ซีแมน (Zeeman effect) ซึ่งเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาของสนามแม่เหล็กกับโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมและอิเล็กตรอนภายใน อะตอมบางตัวอาจมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานเดียวกัน ซึ่งจะปรากฏออกมาเป็นเส้นสเปกตรัมหนึ่งเส้น อันตรกิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กกับอะตอมจะทำให้การจัดเรียงอิเล็กตรอนนี้เคลื่อนไปที่ระดับพลังงานระดับอื่น ส่งผลให้มีเส้นสเปกตรัมหลายเส้น^[95] การที่มีสนามไฟฟ้าภายนอกนี้สามารถทำให้เกิดการแยกตัวและการเคลื่อนตัวของเส้นสเปกตรัมที่เปรียบเทียบกันได้โดยการดัดแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์สตาร์ค (Stark effect)^[96]

ถ้าอิเล็กตรอนใต้แรงดึงดูดอยู่ในสภาวะกระตุ้น โฟตอนที่มีพลังงานเหมาะสมสามารถเปล่งแสงด้วยระดับพลังงานที่ตรงกัน การจะเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ อิเล็กตรอนต้องลดระดับพลังงานลงไปยังสภาวะที่ต่ำกว่าที่ทำให้มีความแตกต่างของระดับพลังงานเท่ากับพลังงานของโฟตอนที่อยู่ในภาวะกระตุ้น โฟตอนที่เปล่งแสงออกมากับโฟตอนในสภาวะกระตุ้นจะเคลื่อนตัวออกโดยขนานกันและด้วยเฟสที่ตรงกัน นั่นก็คือรูปแบบของคลื่นของโฟตอนทั้งสองนั้นสอดประสานกันพอดี คุณสมบัติทางกายภาพเช่นนี้ใช้ในการสร้างเลเซอร์ ซึ่งสามารถเปล่งลำแสงเชื่อมต่อกันของพลังงานแสงภายในแถบความถี่แคบ ๆ แถบหนึ่ง^[97]

พฤติกรรมของเวเลนซ์และแรงยึดเหนี่ยว[แก้]

วงโคจรอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของอะตอมในสภาวะที่ไม่ได้รวมกัน รู้จักกันในชื่อว่า วงโคจรเวเลนซ์ อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนี้จะเรียกชื่อว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน จำนวนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนหาได้จากพฤติกรรมของแรงยึดเหนี่ยวกับอะตอมอื่น ๆ เพราะอะตอมมีแนวโน้มจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับอะตอมอื่น ๆ ในลักษณะที่คอยเติมเต็ม (หรือทำให้ว่าง) วงโคจรเวเลนซ์ชั้นนอกสุด^[98] ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนเดี่ยวระหว่างอะตอมเป็นการประมาณการที่มีประโยชน์สำหรับพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่มีอิเล็กตรอนในวงโคจรเกินมา 1 ตัว กับอีกอะตอมหนึ่งที่ขาดอิเล็กตรอนในวงโคจรไป 1 ตัว ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ และเกลือไอออนทางเคมีอื่น ๆ อย่างไรก็ดี ธาตุหลายชนิดปรากฏว่ามีเวเลนซ์หลายตัว หรือมีแนวโน้มที่จะมีจำนวนอิเล็กตรอนในสารประกอบที่แตกต่างกันเป็นจำนวนไม่เท่ากัน ดังนั้นพันธะเคมีระหว่างธาตุเหล่านี้จึงทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนหลายรูปแบบซึ่งมีการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนมากกว่า 1 ตัว ตัวอย่างเหล่านี้รวมไปถึงธาตุคาร์บอนและสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ ^[99]

ธาตุเคมีมักจะปรากฏตัวในตารางธาตุ ซึ่งวางตำแหน่งตามคุณสมบัติทางเคมีที่ปรากฏ ธาตุที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็นเลขเดียวกันจะจับกลุ่มรวมกันแสดงในแนวดิ่งในตาราง หรืออยู่ในคอลัมน์เดียวกัน (ส่วนแถวแนวนอนสื่อถึงการเติมวงโคจรควอนตัมของอิเล็กตรอน) ธาตุที่อยู่ทางขวาของตารางจะมีอิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นนอกอย่างสมบูรณ์ ทำให้มันมีลักษณะเฉื่อยในทางเคมี รู้จักกันในชื่อ แก๊สมีตระกูล^[100][101]

สถานะ[แก้]

ภาพนิ่งแสดงการก่อตัวของของเหลวผลควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์

จำนวนอะตอมที่พบในสถานะต่าง ๆ ของสสาร ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขทางกายภาพของสสารนั้น ๆ เช่น อุณหภูมิและความดัน เมื่อแปรเงื่อนไขเหล่านี้ สสารนั้นก็สามารถเปลี่ยนสภาพไประหว่างของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา^[102] ในสถานะหนึ่ง ๆ สสารสามารถดำรงอยู่ในสภาพที่แตกต่างกันก็ได้ ตัวอย่างของกรณีนี้เช่น คาร์บอน ซึ่งสามารถดำรงอยู่ได้ทั้งในรูปของแกรไฟต์ หรือเพชร^[103]

เมื่ออุณหภูมิมีค่าเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ อะตอมจะเกิดการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นจุดที่กลศาสตร์ควอนตัมที่ตามปกติสามารถสังเกตการณ์ได้เฉพาะในระดับอะตอมเท่านั้น เริ่มส่งผลและสามารถสังเกตการณ์ในระดับมหภาคได้^[104][105] กลุ่มของอะตอมที่เย็นยิ่งยวดนี้จะมีพฤติกรรมเป็นซูเปอร์อะตอมหนึ่งเดียว ทำให้สามารถตรวจสอบคุณสมบัติพื้นฐานของพฤติกรรมทางกลศาสตร์ควอนตัมได้^[106]

การตรวจจับ[แก้]

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ แสดงให้เห็นอะตอมแต่ละตัวที่ประกอบอยู่บนพื้นผิวของทองคำ (100) การเรียงตัวใหม่บนพื้นผิวทำให้อะตอมบนพื้นผิวบิดเบี้ยวไปจากโครงสร้างคริสตัลแบบเดิม และเรียงตัวใหม่เป็นหลาย ๆ แถวโดยมีช่องว่างระหว่างแต่ละแถว

กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ คือเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจดูพื้นผิวในระดับอะตอม อาศัยปรากฏการณ์ quantum tunneling ซึ่งยอมให้อนุภาคข้ามผ่านชั้นพลังงานที่ตามปกติแล้วจะข้ามไปไม่ได้ อุโมงค์อิเล็กตรอนในสุญญากาศระหว่างแผ่นโลหะอิเล็กโทรดสองชิ้นซึ่งมีชั้นของอะตอมสะสมอยู่ จะทำให้เกิดความหนาแน่นของกระแสในอุโมงค์จนทำให้สามารถตรวจวัดได้ การสแกนอะตอมตัวหนึ่ง (เรียกว่า tip) ขณะที่มันวิ่งผ่านอะตอมอีกตัวหนึ่ง (อะตอมตัวอย่าง) ทำให้สามารถวาดภาพการเคลื่อนที่ของ tip เทียบกับกระแสการเคลื่อนที่ของอะตอมที่แยกกัน ผลการคำนวณทำให้เราสามารถสร้างภาพจากกล้องจุลทรรศน์ scanning tunneling microscope ขึ้นมาเป็นภาพของอะตอมแต่ละอะตอมได้ ภาพเหล่านี้ช่วยยืนยันว่า ที่การกระตุ้นขนาดต่ำ ระยะห่างเฉลี่ยของวงโคจรอิเล็กตรอนจะอยู่ใกล้กับระดับพลังงานแฟร์มี ซึ่งเป็นระดับความหนาแน่นของสถานะโดยปกติ^[107][108]

อะตอมอาจมีประจุขึ้นมาได้ถ้าเอาอิเล็กตรอนตัวหนึ่งออกไปเสีย ประจุไฟฟ้าจะทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของอะตอมเอียงโค้งไปเมื่อเดินทางผ่านบริเวณสนามแม่เหล็ก รัศมีการโค้งไปของไอออนที่เคลื่อนที่อันเนื่องจากสนามแม่เหล็กนั้นสามารถบอกได้จากมวลของอะตอม หลักการนี้นำไปใช้ในเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ของมวลเพื่อตรวจวัดอัตราส่วนมวลต่อประจุ (mass-to-charge ratio) ของไอออน ถ้าตัวอย่างที่ตรวจวัดมีไอโซโทปหลายตัว สเปกโตรมิเตอร์ของมวลจะสามารถระบุสัดส่วนของแต่ละไอโซโทปในตัวอย่างนั้นได้โดยการวัดความเข้มของลำไอออนแต่ละตัวที่แตกต่างกัน เทคนิคในการทำให้อะตอมระเหิดนี้รวมไปถึง inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) และ inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) ซึ่งทั้ง 2 วิธีนี้ใช้พลาสมาในการทำให้อะตอมตัวอย่างระเหิดเพื่อทำการวิเคราะห์^[109]

สำหรับกระบวนวิธีที่เจาะจงมากกว่านี้ได้แก่ การตรวจวัดการสูญเสียพลังงานของอิเล็กตรอน (electron energy loss spectroscopy) ซึ่งจะตรวจวัดพลังงานที่สูญเสียจากลำอิเล็กตรอนภายในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่านเมื่อมันทำอันตรกิริยากับอะตอมตัวอย่าง ภาพโทโมกราฟของอะตอมโพรบได้ผลลัพธ์สามมิติในระดับต่ำกว่านาโนเมตร และสามารถใช้เครื่อง time-of-flight mass spectrometry เพื่อระบุคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมได้^[110]

เราสามารถใช้สเปกตรัมของสถานะกระตุ้นของอะตอมในการวิเคราะห์องค์ประกอบอะตอมในดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลได้ แสงที่สังเกตการณ์จากดาวฤกษ์เหล่านั้นประกอบด้วยความยาวคลื่นแสงขนาดหนึ่ง ๆ ซึ่งสามารถแยกแยะออกได้โดยมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงควอนตัมของอะตอมแก๊สอิสระ อาศัยหลอดปล่อยประจุที่บรรจุธาตุชนิดเดียวกันทำให้เราสามารถเลียนแบบสีแบบเดียวกันได้^[111] ฮีเลียมถูกค้นพบด้วยวิธีการเช่นนี้โดยตรวจได้จากสเปกตรัมของดวงอาทิตย์เป็นเวลา 23 ปีก่อนที่จะพบมันบนโลกเสียอีก^[112]

ต้นกำเนิดและสถานะปัจจุบัน[แก้]

อะตอมเป็นส่วนประกอบราว 4% ของความหนาแน่นพลังงานรวมทั้งหมดในเอกภพที่สังเกตได้ โดยมีค่าความหนาแน่นเฉลี่ยประมาณ 0.25 อะตอมต่อลูกบาศก์เมตร^[113] สำหรับภายในดาราจักรเช่นทางช้างเผือกจะมีอะตอมอยู่เป็นจำนวนหนาแน่นมากกว่ามาก โดยมีความหนาแน่นของสสารในสสารระหว่างดาวระหว่าง 10⁵ ถึง 10⁹ อะตอม/ลบ.ม.^[114] เชื่อกันว่า ดวงอาทิตย์ของเราอยู่ภายในฟองท้องถิ่นซึ่งเป็นบริเวณกลุ่มแก๊สที่มีประจุสูง ดังนั้นความหนาแน่นของบริเวณโดยรอบระบบสุริยะจึงมีเพียง 10³ อะตอม/ลบ.ม.^[115] ดาวฤกษ์ก่อตัวจากกลุ่มเมฆหนาแน่นในสสารระหว่างดาว และกระบวนการวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ส่งผลให้เกิดธาตุจำนวนมากมายขึ้นในอวกาศระหว่างดาวซึ่งมีมวลหนักกว่าไฮโดรเจนกับฮีเลียม อะตอมภายในทางช้างเผือกกว่า 95% รวมตัวกันอยู่ภายในดาวฤกษ์ และมวลรวมของอะตอมคิดเป็นประมาณ 10% ของมวลดาราจักร^[116] (มวลส่วนที่เหลือนั้นยังไม่เป็นที่รู้จัก เรียกกันว่า สสารมืด)^[117]

การสังเคราะห์นิวเคลียส[แก้]

ดูบทความหลักที่: นิวคลีโอซินทีสิส

โปรตอนและอิเล็กตรอนที่เสถียรเกิดขึ้นหลังจากเกิดบิกแบงเพียงหนึ่งวินาที ระหว่างช่วงสามนาทีต่อมา บิกแบงนิวคลีโอซินทีสิสได้สร้างสสารส่วนใหญ่ของฮีเลียม ลิเทียม และดิวเทอเรียมขึ้นในเอกภพ และบางทีอาจรวมถึงเบอริลเลียมและโบรอนด้วย^{[118][119][120]} อะตอมชุดแรก ๆ (ที่อิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบอย่างสมบูรณ์) ในทางทฤษฎีแล้วเชื่อว่าเกิดขึ้น 380,000 ปีหลังจากบิกแบง —คือยุคที่เรียกว่า recombination เมื่อเอกภพที่กำลังขยายตัวออกนั้นเย็นลงเพียงพอที่ทำให้อิเล็กตรอนสามารถเกาะติดกับนิวเคลียสได้^[121] นับแต่นั้น นิวเคลียสอะตอมก็เริ่มรวมตัวเข้าในดาวฤกษ์ผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่นและสร้างธาตุต่าง ๆ ขึ้นไปจนถึงเหล็ก^[122]

ไอโซโทปบางตัวเช่น ลิเทียม-6 เกิดขึ้นในอวกาศโดยผ่านสปอลเลชั่นของรังสีคอสมิก^[123] เมื่อโปรตอนพลังงานสูงปะทะกับนิวเคลียสของอะตอม ทำให้นิวคลีออนจำนวนมากดีดตัวออกมา ธาตุที่หนักกว่าเหล็กเกิดขึ้นในซูเปอร์โนวาผ่านกระบวนการ r-process และในดาวฤกษ์ประเภท AGB ผ่านกระบวนการ s-process ทั้งสองกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการที่นิวเคลียสอะตอมจับนิวตรอนเอาไว้^[124] ธาตุบางชนิดเช่น ตะกั่ว ส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นผ่านกระบวนการสลายให้กัมมันตรังสีของธาตุที่หนักกว่า^[125]

โลก[แก้]

อะตอมส่วนมากที่ก่อตัวกันขึ้นเป็นโลกและสิ่งมีชีวิตที่อยู่บนโลกนั้นเกิดขึ้นจากการสลายตัวของเนบิวลาที่อยู่ในเมฆโมเลกุลเพื่อก่อตัวขึ้นเป็นระบบสุริยะ ส่วนที่เหลือเป็นผลจากการสลายตัวให้กัมมันตรังสี ส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกันนี้สามารถนำมาใช้เพื่อระบุถึงอายุของโลกได้^[126][127] ฮีเลียมส่วนมากที่อยู่บริเวณเปลือกของโลก (ประมาณ 99% เป็นก๊าซ เช่นฮีเลียม-3 ที่มีอยู่เป็นจำนวนมหาศาล) เป็นผลที่เกิดจากการสลายปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา^[128]

มีอะตอมบางส่วนที่ตรวจพบว่าไม่ได้มีอยู่ตั้งแต่ตอนแรกกำเนิดโลก ทั้งไม่ได้เป็นผลที่เกิดจากการสลายตัวให้กัมมันตรังสี เช่น คาร์บอน-14 เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจากรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศ^[129] อะตอมบางชนิดบนโลกถูกประดิษฐ์ขึ้น ทั้งโดยที่ตั้งใจสร้าง หรือเป็นผลพลอยได้จากการแตกตัวหรือการระเบิดของนิวเคลียร์^[130][131] ในบรรดาธาตุหลังยูเรเนียม—คือพวกที่มีเลขอะตอมมากกว่า 92— มีเพียงพลูโตเนียมกับเนปจูเนียมเท่านั้นที่เกิดขึ้นบนโลกโดยธรรมชาติ^[132][133] ธาตุหลังยูเรเนียมนั้นมีอายุกัมมันตรังสีสั้นกว่าอายุปัจจุบันของโลก^[134] และจากปริมาณที่ตรวจได้แสดงว่าธาตุเหล่านั้นเริ่มสลายตัวมานานแล้ว มีข้อยกเว้นเพียงพลูโตเนียม-244 ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากฝุ่นคอสมิก^[126] ส่วนตัวประกอบอื่นของพลูโตเนียมและเนปจูเนียมนั้นเกิดขึ้นจากการจับตัวของนิวตรอนในแร่ยูเรเนียม^[135]

โลกมีอะตอมอยู่ประมาณ 1.33×10⁵⁰ อะตอม^[136] ในชั้นบรรยากาศของดาว มีอะตอมอิสระของก๊าซเฉื่อยอยู่บ้างเล็กน้อย เช่น อาร์กอน และ นีออน ส่วนที่เหลือ 99% ของบรรยากาศจะอยู่ในรูปของโมเลกุล ซึ่งรวมไปถึงคาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจนโมเลกุลคู่ และไนโตรเจน ที่พื้นผิวของโลก อะตอมรวมตัวกันเข้าเป็นสารประกอบหลายชนิด รวมถึง น้ำ เกลือ ซิลิเกต และออกไซด์ อะตอมสามารถรวมตัวกันกลายเป็นสสารใหม่ซึ่งไม่ได้ประกอบด้วยโมเลกุลที่แยกจากกันก็ได้ เช่นคริสตัล และโลหะที่เป็นของเหลวหรือของแข็ง^[137][138]

รูปแบบที่พบได้ยาก และที่มีแต่ในทฤษฎี[แก้]

ขณะที่ทราบกันดีว่า ไอโซโทปซึ่งมีเลขอะตอมสูงกว่าตะกั่ว (82) นั้นเป็นสารกัมมันตรังสี แต่ก็มีแนวคิด "เกาะแห่งความเสถียร" สำหรับธาตุจำนวนหนึ่งที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 103 ธาตุหนักมากเหล่านี้อาจมีนิวเคลียสที่ค่อนข้างเสถียรมากกว่าเมื่อเทียบกับสารสลายกัมมันตรังสี^[139] ธาตุที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นอะตอมธาตุหนักมากที่เสถียร คือ อูนไบเฮกเซียม ซึ่งมีโปรตอน 126 ตัวและนิวตรอน 184 ตัว ^[140]

อนุภาคแต่ละตัวของสสารจะมีปฏิสสารที่คู่กันเสมอโดยมีประจุไฟฟ้าที่ตรงกันข้าม ดังนั้น โพสิตรอนก็คือแอนติอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นบวก และแอนติโปรตอนก็เทียบเท่ากับโปรตอนที่มีประจุเป็นลบ เมื่อสสารกับปฏิสสารของมันมาพบกัน ก็จะทำลายล้างกันและกัน ด้วยเหตุนี้ประกอบกับความไม่สมดุลระหว่างจำนวนของสสารและปฏิสสาร เราจึงพบปฏิสสารในเอกภพได้ยากมาก (สาเหตุที่มีสสารกับปฏิสสารไม่สมดุลกันนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจกันนัก แม้ว่าทฤษฎีแบริโอเจเนซิสจะช่วยเสนอคำอธิบายได้บ้าง) เราจึงไม่สามารถพบอะตอมของปฏิสสารได้ในธรรมชาติ^[141][142] อย่างไรก็ดี ในปี ค.ศ. 1996 ห้องทดลอง CERN ในเจนีวา ได้สังเคราะห์แอนติไฮโดรเจนซึ่งเป็นปฏิสสารตรงข้ามกับไฮโดรเจนขึ้นได้สำเร็จ^[143][144]

อะตอมประหลาดอื่น ๆ ถูกสร้างขึ้นโดยการแทนที่โปรตอน นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งด้วยอนุภาคอื่นที่มีประจุเดียวกัน ตัวอย่างเช่น การแทนที่อิเล็กตรอนด้วยมิวออนซึ่งมีมวลมากกว่า ทำให้เกิดอะตอมมิวออนิกขึ้น อะตอมจำพวกนี้สามารถใช้ทดสอบการทำนายพื้นฐานทางฟิสิกส์ได้^{[145][146][147]}