ทฤษฎีอะตอมและทฤษฎีจลน์

บทความเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมและทฤษฎีจลน์

ทฤษฎีอะตอม

เป็นเวลาหลายพันปีแล้วที่ชาวกรีกโบราณเชื่อว่าสารบริสุทธิ์ทุกชนิด (เช่น ทองคำ เหล็ก เป็นต้น) ประกอบด้วยอะตอม ตามความเชื่อของพวกเขา หากสารบริสุทธิ์ถูกตัดเป็นชิ้นเล็กๆ แล้วตัดชิ้นเล็กๆ เหล่านั้นอีกครั้ง แล้วตัดกลับไปอีกเรื่อยๆ จนกระทั่งเหลือชิ้นที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถตัดได้อีก ชิ้นที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถตัดได้อีกนี้เรียกว่าอะตอม อะตอมหมายถึง "ไม่สามารถแบ่งแยกได้" (ภาษากรีก)

ในเวลานั้น เชื่อกันว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งย่อยได้อีกต่อไป แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มได้ค้นพบอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอม (โปรตอนและนิวตรอน) ทำให้สมมติฐานที่ว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งย่อยได้นั้นผิด ดังนั้น อะตอมจึงประกอบด้วยอิเล็กตรอน (มีประจุลบ) และนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส ภายในนิวเคลียสมีโปรตอน (มีประจุบวก) และนิวตรอน (เป็นกลางหรือไม่มีประจุ)

มีอีกทฤษฎีหนึ่ง เรียกว่าทฤษฎีต่อเนื่อง ทฤษฎีนี้กล่าวว่าสารบริสุทธิ์สามารถแบ่งย่อยได้เป็นอนันต์ ตามทฤษฎีนี้ ไม่มีสิ่งใดที่เรียกว่าชิ้นส่วนที่เล็กที่สุด ชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดก็ยังสามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กกว่าได้อีก ดังนั้นจึงกลายเป็นอนันต์ แล้วทฤษฎีใดถูกต้องระหว่างทฤษฎีอะตอมกับทฤษฎีต่อเนื่อง?

ในวิชาฟิสิกส์ ทฤษฎีทุกทฤษฎีจะได้รับการยอมรับทางวิทยาศาสตร์ก็ต่อเมื่อสามารถพิสูจน์ทฤษฎีนั้นได้ด้วยการทดลอง ในศตวรรษที่ 18, 19 และ 20 ทฤษฎีอะตอมได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริงผ่านการทดลองที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์

ก่อนอื่น โปรดทำความเข้าใจเนื้อหาต่อไปนี้ ธาตุคือสารบริสุทธิ์ที่ไม่สามารถแบ่งย่อยออกเป็นสารอื่นทางเคมีได้อีก เช่น ทองคำ (Au), เหล็ก (Fe), ทองแดง (Cu), สังกะสี (Zn), โซเดียม (Na), แคลเซียม (Ca), คลอรีน (Cl), ไนโตรเจน (N), ออกซิเจน (O), ไฮโดรเจน (H) เป็นต้น นอกจากธาตุแล้ว ยังมีสารประกอบ สารประกอบประกอบด้วยธาตุ เนื่องจากประกอบด้วยธาตุ สารประกอบจึงยังสามารถแบ่งย่อยออกเป็นธาตุได้อีก ตัวอย่างของสารประกอบคือน้ำ

ส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุคืออะตอม ในขณะที่ส่วนที่เล็กที่สุดของสารประกอบคือโมเลกุล โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมที่ยึดติดกัน ทองคำบริสุทธิ์เป็นตัวอย่างของธาตุ ทองคำบริสุทธิ์ประกอบด้วยอะตอมของทองคำ (Au) ชิ้นส่วนของเหล็กก็เป็นตัวอย่างของธาตุเช่นกัน เหล็กประกอบด้วยอะตอมของเหล็ก (Fe) ดังนั้น ธาตุจึงเป็นสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกัน

น้ำที่คุณเห็น จับต้อง และดื่มอยู่บ่อยๆ นั้นประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำ (สูตรทางเคมีคือ H₂O ₎โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน (H) สองอะตอมและอะตอมออกซิเจน (O) หนึ่งอะตอม

ต่อไปนี้เป็นข้อพิสูจน์บางประการของทฤษฎีอะตอม:

ประการแรก กฎแห่งการเปรียบเทียบอย่างต่อเนื่อง

กฎการเปรียบเทียบกล่าวว่า หากธาตุต่างๆ รวมตัวกันเป็นสารประกอบ สารประกอบที่เกิดขึ้นจะมีอัตราส่วนมวลเท่ากัน ตัวอย่างเช่น เกลือ เกลือที่เราเห็นเป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยโมเลกุลของเกลือ (NaCl) โดยธรรมชาติแล้ว โมเลกุลของเกลือจะเกิดจากโซเดียม (Na) 23 ส่วน และคลอรีน (Cl) 35 ส่วนเสมอ

ทฤษฎีมวลสารไม่สามารถอธิบายได้ แต่ทฤษฎีอะตอมสามารถอธิบายได้ ตามทฤษฎีอะตอม อะตอมเป็นส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของธาตุ ดังนั้นอะตอมจึงมีมวล อัตราส่วนมวลของธาตุในสารประกอบจะต้องสัมพันธ์กับมวลสัมพัทธ์ของอะตอมที่ประกอบเป็นธาตุนั้น นักวิทยาศาสตร์จะกำหนดมวลสัมพัทธ์ของอะตอมโดยพิจารณาจากจำนวนของแต่ละธาตุที่ประกอบเป็นสารประกอบ ที่เรียกว่ามวลสัมพัทธ์เพราะมวลสัมพัทธ์ของธาตุหนึ่งจะถูกนำไปเปรียบเทียบกับมวลสัมพัทธ์ของอะตอมธาตุอื่น

ไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่เบาที่สุด ดังนั้นจึงถูกใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐาน มวลสัมพัทธ์ของอะตอมไฮโดรเจน (H) มีค่าเท่ากับ 1 โดยใช้มวลสัมพัทธ์ของอะตอมไฮโดรเจนเป็นเกณฑ์มาตรฐาน มวลสัมพัทธ์ของอะตอมคาร์บอน (C) จึงมีค่าเท่ากับ 12

มวลสัมพัทธ์ของอะตอมออกซิเจน (O) มีค่าเท่ากับ 16 และอื่นๆ (ดูตารางธาตุ) มวลสัมพัทธ์ของอะตอมคาร์บอน = 12 หมายความว่า มวลของอะตอมคาร์บอนหนึ่งอะตอมมากกว่ามวลของอะตอมไฮโดรเจน (H) หนึ่งอะตอม 12 เท่า มวลสัมพัทธ์ของอะตอมออกซิเจน = 16 หมายความว่า มวลของอะตอมออกซิเจนมากกว่ามวลของอะตอมไฮโดรเจน (H) หนึ่งอะตอม 16 เท่า

ในระบบหน่วยสากล (SI) เรามีมาตรฐานมวล คือ อิริเดียมแพลทินัม ซึ่งเก็บรักษาไว้ในสถาบันน้ำหนักและขนาดระหว่างประเทศในประเทศฝรั่งเศส ตามข้อตกลงระหว่างประเทศ มวลของอิริเดียมแพลทินัมคือ 1 กิโลกรัม ซึ่งถือเป็นกิโลกรัมมาตรฐาน ในระดับอะตอม เรายังมีมาตรฐานมวลที่สอง คือ อะตอมคาร์บอน 12C ตามข้อตกลงระหว่างประเทศ มวลของอะตอมคาร์บอน 12C 1 อะตอม คือ 12,000 หน่วยมวลอะตอมรวม (ย่อว่า u)

1 u = 1.66 x 10 ^-27กก.

มวลของอะตอมคาร์บอน (C) 1 อะตอม = 12.0000 u, มวลของอะตอมไฮโดรเจน (H) 1 อะตอม = 1,0078 u, มวลของอะตอมออกซิเจน (O) 1 อะตอม = 15.9994 u, มวลของอะตอมโซเดียม 1 อะตอม = 22.9897 u และอื่นๆ สำหรับมวลอะตอม สามารถดูรายละเอียดทั้งหมดได้ในตารางธาตุ

นอกจากมวลอะตอมแล้ว ยังมีมวลโมเลกุลด้วย มวลโมเลกุลคือมวลรวมของอะตอมในโมเลกุลหนึ่งๆ ตัวอย่างเช่น มวลของโมเลกุลเกลือ (NaCl) = มวลของอะตอมโซเดียม (Na) หนึ่งอะตอม + มวลของอะตอมคลอรีน (Cl) หนึ่งอะตอม มวลของโมเลกุลน้ำ (H₂O ₎ = มวลของอะตอมไฮโดรเจน (H) 2 อะตอม + มวลของอะตอมออกซิเจน (O) หนึ่งอะตอม

ประการที่สอง การเคลื่อนไหวสีน้ำตาล

ในสมัยโบราณ มีนักชีววิทยาชาวอังกฤษคนหนึ่งชื่อ โรเบิร์ต บราวน์ เขาทำการวิจัยเกี่ยวกับละอองเกสรที่ใส่ในน้ำ (ปี 1827) สามารถมองเห็นน้ำและละอองเกสรได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ โรเบิร์ต บราวน์ รู้สึกแปลกใจหลังจากเห็นละอองเกสรเคลื่อนไหวเอง มันแปลกเพราะละอองเกสรเคลื่อนไหว ทิศทางการเคลื่อนไหวเป็นไปในทิศทางใดก็ได้ แต่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง เขาตั้งข้อสงสัยว่าการเคลื่อนไหวนี้คือสิ่งมีชีวิต ที่ละอองเกสรมีชีวิตอยู่ได้จึงสามารถเคลื่อนไหวได้ แต่ข้อสันนิษฐานของเขาผิด เพราะอนุภาคอินทรีย์ขนาดเล็กอย่างละอองเกสรก็เคลื่อนไหวได้เมื่ออยู่ในน้ำ การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์

การค้นพบนี้ไม่สามารถอธิบายได้จนกว่าจะมีการพัฒนาทฤษฎีจลศาสตร์

ทฤษฎีจลน์

จลนศาสตร์ หมายถึง การเคลื่อนที่ (มาจากภาษากรีก) ทฤษฎีจลนศาสตร์กล่าวว่า สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุล และอะตอมหรือโมเลกุลเหล่านั้นเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องและสุ่ม

เมื่อเคลื่อนที่ อะตอมหรือโมเลกุลจะต้องมีความเร็ว อะตอมหรือโมเลกุลยังมีมวลด้วย เนื่องจากมีมวล (m) และความเร็ว (v) ดังนั้นอะตอมหรือโมเลกุลจึงมีพลังงานจลน์ (EK) และโมเมนตัม (p) พลังงานจลน์: EK = 1/2 mv² ^ในขณะที่โมเมนตัม: p = mv นอกจากโมเมนตัมแล้ว ยังมีแรงด้วย เมื่อเคลื่อนที่ มีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการชนกัน ดังนั้น แรงจึงเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเมื่อเกิดการชนกัน

กล่าวได้ว่าทฤษฎีจลน์นั้นตั้งอยู่บนพื้นฐานของพลังงานจลน์ โมเมนตัม และแรง ทั้งสามสิ่งนี้ได้รับการศึกษาในวิชาพลศาสตร์การเคลื่อนที่ (กฎของนิวตัน แรงดล และโมเมนตัม) ความแตกต่างก็คือ ในทฤษฎีจลน์ เราใช้พลศาสตร์ในระดับอะตอมหรือโมเลกุล ทฤษฎีจลน์ได้รับการพัฒนาโดย บอยล์ (1627-1691), แดเนียล เบอร์นูลลี (1700-1782), จูล (1818-1889), โครนิก (1822-1879), รูดอล์ฟ คลอเซียส (1822-1888) และ คลาร์ก แม็กซ์เวลล์ (1831-1879)

ทฤษฎีจลน์นี้สามารถอธิบายการค้นพบของบราวน์ได้ ตามทฤษฎีจลน์ ละอองเกสรเคลื่อนที่เพราะโมเลกุลน้ำที่เคลื่อนที่เร็วเป็นแรงผลักดัน จำนวนโมเลกุลน้ำมีมหาศาล ดังนั้นละอองเกสรจึงถูกผลักจากหลายทิศทาง

จากกฎการเปรียบเทียบคงที่และการค้นพบการเคลื่อนที่ของบราวน์ ทฤษฎีอะตอมจึงได้รับความเชื่อถือจากนักวิทยาศาสตร์มากขึ้นเรื่อยๆ อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสารใดๆ ดังนั้นอะตอมจึงมีขนาด ขนาดของอะตอมคืออะไร?

ในปี ค.ศ. 1905 ไอน์สไตน์ได้ทำการศึกษาขนาดของอะตอมในเชิงทฤษฎี โดยอาศัยทฤษฎีอะตอม ทฤษฎีจลน์ และข้อมูลที่ได้จากการทดลอง เขาพบว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมมีขนาดประมาณ 10⁻¹⁰ ^เมตรดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมจึงได้มาจากการคำนวณ ขนาดของอะตอมได้รับการค้นพบแล้ว ดังนั้น ทฤษฎีอะตอมและทฤษฎีจลน์จึงได้รับการยอมรับ