บทที่ 2 อะตอมและสมบัติของธาตุ

แนวคิดที่ว่าสิ่งต่างๆประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมาก ที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าได้เริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณโดยดิโมคริตุส ซึ่งเป็นนักปราชญ์ชาวกรีกผู้หนึ่งได้เสนอแนวคิดว่าถ้าแบ่งสิ่งต่างๆให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จะได้หน่วยย่อยซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กได้อีกเรียกว่าอะตอม ซึ่งอะตอมมาจากคำในภาษากรีกแปลว่า แบ่งแยกอีกไม่ได้

2.1 แบบจำลองอะตอม

2.1.1 แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
ในปีพ.ศ 2346 จอห์นดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมีรวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบหนึ่งหนึ่งซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1.ธาตุประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กๆเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันเช่นมีมวลเท่าแต่จะมีสมบัติแตกต่างจาก อะตอมของธาตุอื่น
3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นสามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่งต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้นและค้นพบว่ามีข้อมูลแบบประกันไม่สอดคล้องกับแนวคิดของดอลตัน เช่นคำว่าต่อมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้อะตอมสามารถแบ่งแยกได้อีกแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง

2.1.2 แบบจําลองอะตอมของทอมสัน
นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการนำไฟฟ้าของแก๊สโดยทดลองเกี่ยวกับผลของการใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงต่อกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าของอะตอมแก๊สเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างภายในอะตอมโดยผ่านกระแสไฟฟ้าตรงเข้าไปในหลอดแก้วบรรจุแก๊สความดันต่ำซึ่งที่ภาวะนี้มีจำนวนอะตอมของแก๊สไม่หนาแน่นประจุไฟฟ้าสามารถเดินทางผ่านได้ไกลและพบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตลอด ขณะเดียวกันจะมีรังสีออกจากแคโทดไปยังแอโนดรังสีนี้เรียกว่า รังสีแคโทด เรียกหลอดแก้วชนิดนี้ว่า หลอดรังสีแคโทด เนื่องจากมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้ จึงต้องฉาบสารเรืองแสงไว้ที่ฉาก เมื่อรังสีตกกระทบที่ฉากจะปรากฏเป็นจุดเรืองแสงที่สามารถเห็นด้วยตาเปล่าได้
ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของแก๊สและชนิดของโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วแคโทดปรากฏว่าอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดมีค่าโดยประมาณเท่ากันคือ 1.76 × 10^8 คูลอมบ์/กรัมจึงสรุปได้ว่าอนุภาครังสีแคโทดที่ออกมาจากโลหะต่างชนิดกันเป็นอนุภาคเดียวกันซึ่งต่อมาได้ด้วยอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน
การค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสันทำให้สรุปได้ว่าอะตอมทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบซึ่งลบล้างแนวคิดที่ว่าอะตอมแบ่งแยกไม่ได้และเนื่องจากสารต่างๆที่อยู่ในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้านักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่าอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งจากข้อมูลดังกล่าวทำให้ทอมสันเสนอแบบจำลองของอะตอมว่า อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป

2.1.3 แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

เมื่อปีพ.ศ 2454 รัทเทอร์ฟอร์ดนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ และ ฮันส์ ไกเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมัน ได้ที่สุดแบบจำลองของอะตอมของทอมสันโดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบางๆ
ผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายลักษณะภายในอะตอมว่าการที่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านแผ่นทองคำไปได้แสดงว่าภายในแผ่นทองคำต้องมีที่ว่างอยู่เป็นบริเวณกว้างการที่รังสีแอลฟาบางอนุภาคเบี่ยงเบนหรือสะท้อนกลับมาบริเวณด้านในของฉากเรืองแสงแสดงว่าภายในอะตอมน่าจะมีกลุ่มอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากมีมวลสูงมากกว่ารังสีแอลฟาและมีประจุบวกและทดสอบจึงได้เสนอแบบจำลองใหม่ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กอยู่ภายในและมีประจุไฟฟ้าโดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆ

2.1.4 แบบจำลองอะตอมของโบร์

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกันและมีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างมีทั้งที่มองเห็นได้และมองเห็นไม่ได้มีชื่อเรียกต่างกันแสงที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้เรียกว่าแสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ซึ่งประกอบด้วยแสงสีต่างๆแต่ประสาทตาของมนุษย์ไม่สามารถแยกแสงที่มองเห็นเป็นสีต่างๆได้เองทำให้มองเห็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่าแสงขาวและเมื่อแสงขาว ส่องผ่านปริซึม แสงขาวจะแยกออกเป็นแสงสีรุ้งต่อเนื่องกันเรียกว่าแถบสเปกตรัมของแสงขาว
มักซ์ พลังค์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมันได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ข้อสรุปเกี่ยวกับความสำคัญระหว่างพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผันตามความถี่ของคลื่นและแปรผกผันกับความยาวของคลื่นดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้

E แปรผันตรงกับ v

 หรือ E = hv
เนื่องจาก E = c/แลมดาร์
ดังนั้น E = hc/แลมดาร์ช
เมื่อ E คือพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
h คือค่าคงตัวของพลังค์ มีค่า 6.626 × 10^-34 จูลต่อวินาที
v คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์
c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เท่ากับ 3 × 10^8 เมตรต่อวินาที
และ แลมดาร์ คือ ความยาวคลื่นของแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเมตร

จากการทดลองการใช้เกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ สังเกตสิ่งที่ปรากฏแล้ว พบว่าสเปกตรัมจากแสงอาทิตย์มีสีต่อเนื่องกันเป็น แถบสเปกตรัม เส้นสเปกตรัมที่มองเห็นจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ นอกจากจะมองเห็นเป็นแถบสเปกตรัมของสีชนิดต่างๆแล้วพื้นยังมีเส้นสีต่างๆปรากฏในแถบสเปกตรัมอีกด้วยและจากการสังเกตสเปกตรัมของไฮโดรเจนฮีเลียม นีออน และปรอท เพราะว่าถ้าแต่ละชนิดให้สเปกตรัมที่มีแสงสีต่างกันและมีจำนวน เส้นสีเฉพาะตัวเส้นสีนี้เรียกว่า เส้นสเปกตรัม

ธาตุต่างๆ เมื่อได้รับพลังงานจะเปล่งแสงเป็นสีต่างๆหลายสีเมื่อสีเหล่านั้นรวมกันแล้วจะสังเกตเห็นเป็นสีเดียวกันซึ่งทางเราไม่สามารถบอกความแตกต่างได้แต่เมื่อใช้แผ่นเกรตติงส่องดูจะเห็นเส้นสเปกตรัมของแต่ละธาตุที่มีลักษณะเฉพาะเช่นจำนวนสี จำนวนเส้น หรือตำแหน่งที่เกิดต่างกันไปการเกิดเส้นสเปกตรัมของธาตุอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบบริเวณนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัวที่ต่ำหรือกล่าวได้ว่าอะตอมอยู่ใน สถานะพื้น เมื่ออะตอมได้รับ พลังงานเพิ่มขึ้นทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นหรือ อะตอมอยู่ใน สถานะกระตุ้น ที่สถานะอะตอมจะไม่เสถียรเนื่องจากมีพลังงานสูงอิเล็กตรอนจึงคายพลังงานออกมาส่วนหนึ่งทำให้อะตอมมีพลังงานลดลงและกลับเข้าสู่สภาพที่มีพลังงานต่ำลงเพื่อให้อะตอมมีความเสถียรมากขึ้นพลังงานส่วนใหญ่ที่ขายออกมาจะปรากฏในรูปพลังงานแสงและสามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์ตามสมการของพลังค์ ซึ่งได้กล่าวไว้แล้วในข้างต้นถ้าแสงสีเหล่านี้แยกออกจากกันอย่างชัดเจนจะปรากฏเป็นเส้นสเปกตรัมแต่ถ้าแสงสีที่ปรากฏออกมามีลักษณะต่อเนื่องกันเป็นเส้นเดียวอย่างกับรุ้งหรือจากไส้หลอดไฟฟ้า ซึ่งเป็นโลหะร้อนและมีอะตอมอยู่กันอย่างหนาแน่นจะให้สเปกตรัมเป็นแถบสเปกตรัมซึ่งยากแก่การวิเคราะห์และแปลผลต่อภาวะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างๆเรียกว่า ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน

จากการศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนทำให้สรุปได้ว่า

1.เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานในปริมาณที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิมแต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ได้รับการที่เล็กตามขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานใหม่ทำให้ อะตอมไม่เสถียรอิเล็กตรอนจะกลับมาอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าซึ่งการเปลี่ยนตำแหน่งของแต่ละระดับพลังงานนี้อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่เฉพาะค่าหนึ่งหรือกล่าวได้ว่าการดูดหรือคายพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมต้องมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของคลังโดยมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นคุณด้วยค่าคงที่ของพลังค์ดังกล่าวมาแล้ว

2.การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไประดับพลังงานที่อยู่ติดกันอาจมีการเปลี่ยนข้ามระดับพลังงานได้และจะอยู่ระหว่างระดับพลังงานไม่ได้

3.ผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานต่ำจะมีค่ามากกว่าผลต่างของระดับพลังงานที่สูงขึ้นไป สร้างความรู้เรื่องการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการเกิดสเปกตรัมช่วยให้โบร์นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก สร้างแบบจำลองอะตอมเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมดังกล่าวโดยกล่าวว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงกลมคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัวระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดมีระดับพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่าระดับเขตและระดับพลังงานที่อยู่ถัดออกมาเรียกเป็น L M N ... ตามลำดับ

ต่อมาได้มีการใช้ตัวเลขแสดงถึงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนคือ n = 1 หมายถึงระดับพลังงานที่ 1 ซึ่งอยู่ใกล้กับบริเวณนิวเคลียสและฉันผ่านมา n = 2 หมายถึงระดับพลังงานที่ 2 ต่อจากนั้น N = 3 4 ... หมายถึงระดับพลังงานที่ 3 4 และสูงขึ้นไปตามลำดับ

2.1.5 แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมของโบร์มีข้อจำกัดคือไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีลายเล็กตรอนได้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเพิ่มเติมจนได้รับข้อมูลเพียงพอที่เชื่อถือว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นทางอนุภาพและคลื่นโดยเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสบริเวณที่พบอิเล็กตรอนมีหลายลักษณะเป็นรูปทรงต่างๆกันตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจากการประยุกต์ใช้สมการทางคณิตศาสตร์และใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณเพื่อหาโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆพบว่าสามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำลองของโบร์ และสามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอมจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบางบริเวณเท่านั้นทำให้สามารถมโนภาพได้ว่าอะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสบริเวณที่กลุ่มออกหรือแสดงว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีกลุ่มออกจากเรื่องแบบจำลองนี้ว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก(แต่ละจุดคือ1โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน)

2.2 อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป

2.2.1 อนุภาคในอะตอม

ในปีพ.ศ 2451 โรเบิร์ตแอนดรูส์มิลลิแกน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยการอาศัยสังเกตหยดน้ำมันในสนามไฟฟ้า

                                         

เมื่อละอองน้ำมันที่ร่วงผ่านรูบนขั้วไฟฟ้าบวกกระทบรังสีจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นทำให้ละอองน้ำมันบังหมดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกบางหยดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าล็อคและปลดลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้าขนาดของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้าสามารถสังเกตได้จากกล้องจุลทรรศน์และนำมาคำนวณหามวลของหยดน้ำมันที่สร้างความหนาแน่นของน้ำมันและจากความสำคัญของน้ำหนักของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งเท่ากับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าทำให้สามารถคำนวณค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันได้ ซึ่งพบว่าค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันมีค่าเป็นจำนวนเท่ากับ 1.60 × 10^-19 คูลอมบ์ มิลลิแกนจึงสรุปว่าประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.60 × 10^-19 คูลอมบ์ ไม่นำมาใช้คำนวณร่วมกับค่าประจุต่อมวลที่รายงานไว้โดยทอมสันจะได้หมดอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 × 10^-28 กรัม

ในปีพศ. 2429 ออยเกนโกลด์ ชไตน์ ได้ทำการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยการสลับตำแหน่งของแคโทดแอโนดซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปพบว่าจะเกิดการเรืองแสงแสดงว่ามีรังสีจากแอโนดซึ่ง เรียกรังสีนี้ว่ารังสีแคแนลหรือรังสีแอโนดซึ่งมีประจุบวก

      โกลด์ชไตน์ได้ทำการทดลองกับแก๊สหลายชนิดพบว่ารังสีเอกซ์มีค่าประจุต่อมวลไม่คงที่จนกระทั่งกลุ่มนักวิจัยนำทีมโดยรัฐศาสตร์และทอมสันได้ทำการศึกษาหล่อในลักษณะเดียวกันที่บรรจุแก๊สไฮโดรเจนทำให้ได้ข้อสรุปว่าอนุภาคบวกมีค่าประจุเท่ากับอิเล็กตรอนและหาค่ามวลของประจุได้เป็น 1.673 × 10^-24 กรัมซึ่งมากกว่ามวลอิเล็กตรอนประมาณ 1840 เท่าที่อนุภาคนี้ว่าโปรตอน

        ในปีพศ 2475 เจมส์แชดวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาเพลงอะตอมของธาตุต่างๆและทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเสี่ยงสูงทำให้ทราบว่าในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าและเรียกว่านิวตรอนซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอนการค้นพบนิวตรอนช่วยอธิบายและสนับสนุนข้อมูลเกี่ยวกับมวลของอะตอมซึ่งคำว่ามีค่ามากกว่ามวลรวมของโปรตอนเสื้อผ้าคาร์บอนมีมวลของโปรตอนรวมกัน 6 หน่วยประมวลของอะตอมมีค่า 12 หน่วยและมวลของธาตุส่วนใหญ่มีค่าเป็น 2 เท่าหรือมากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตอนทั้งหมดรวมกันดังนั้นอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอนจึงเป็นอนุภาคในอะตอม

2.2.2 เลขอะตอมเลขมวลและไอโซโทป
อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอมและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับจำนวนโปรตอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆอะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่นตัวเลขที่แสดงจํานวนโปรตอน เรียกว่า เลขอะตอม และเนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมากดังนั้นเมื่อของอะตอมส่วนใหญ่จึงเป็นมวลของนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอน ว่า เลขมวล สัญลักษณ์ที่แสดงรายละเอียดเกี่ยวกับสัญลักษณ์ของธาตุเลขอะตอมและเลขมวลของอะตอมเรียกว่าสัญลักษณ์นิวเคลียส
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนอาจมีได้หลายค่าทำให้อะตอมของธาตุเดียวกันมีมวลต่างกัน นอกจากนี้ยังมี ไอโซโทน ซึ่งหมายถึง ธาตุต่างชนิดกันแต่มีนิวตรอนเท่ากัน ไอโซบาร์ หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันเลขมวลเท่ากันแต่ละอะตอมต่างกัน และไอโซอิเล็กทรอนิกส์ หมายถึง ธาตุหรือไอออนที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน
2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
2.3.1 จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน
การศึกษาแบบจำลองอะตอมทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียสโดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบและอยู่ในระดับพลังงานต่างกันเล็กตอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าไหร่ให้พิจารณาข้อมูลแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุ

มื่อพิจารณาข้อมูลแล้วจะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 1 มีได้มากที่สุดคือ 2 อิเล็กตรอนระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุดคือแบบอิเล็กตรอนสำหรับระดับพลังงานที่ 3 จากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีมากที่สุด 18 อิเล็กตรอนด้วยคือจำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้ในแต่ระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ 2n^2 เมื่อ n คือตัวเลขแสดงระดับพลังงานถ้าพิจารณาตามหลัก 2n^2 การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น 289 และจากการศึกษาพบว่าการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca เป็น 2 8 8 1 และ 2 8 8 2 ตามลำดับซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของธาตุทั้งสองมีเพียง 8 อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนที่เพิ่มมา 1 และ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ทำให้ระดับพลังงานที่ 3 มีอิเล็กตรอนไม่ครบ 18 อิเล็กตรอน
2.3.2 ระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย
นักเรียนทราบมาแล้วว่าโบเสนอแบบจำลองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากันโดยความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลงเมื่อระดับพลังงานสูงขึ้นการอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบว์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสงออกมาและมองเห็นเป็นหนึ่งเส้นแท้จริงนั้นประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้นซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่าเส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นนอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลักซึ่งแทนด้วย n แล้วยังเป็นการ พลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อยของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วยนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระดับพลังงานย่อยเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับ
ระดับพลังงานที่ 1 (n = ) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p ระดับพลังงานที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d และระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d ตามลำดับแนวคิดดังกล่าวนี้สามารถนำ มาอธิบายสเปกตรัมของธาตุที่มีมากกว่า 1 อิเล็กตรอนได้ และจากการศึกษาเพิ่มเติมพบว่าจำนวนระดับพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในแต่ละระดับพลังงานหลักที่ 1 – 4 เป็นดังนี้

                            

สามารถสรุปได้ว่า
                         ระดับพลังงานหลักที่ 1 (n = 1) มี1 ระดับพลังงานย่อยคือ s
                         ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2) มี2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p
                         ระดับพลังงานหลักที่ 3 (n = 3) มี3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d
                         ระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4) มี4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f

2.3.3 ออร์บิทัล
อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน ซึ่งอยู่ในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกันบริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่าออเรนทอลการศึกษา พบว่าจำนวนออร์บิทัลในแต่ละพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกันซึ่งสรุปได้ดังนี้
ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อยดีมี 5 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล
2.3.4 หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
     การจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่ง ๆ ให้พิจารณาตาม หลักอาฟบาว (Aufbau principle) ซึ่งเกี่ยวข้องกับลำ ดับพลังงานของแต่ละออร์บิทัล กล่าวคือการบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัล ที่มีพลังงานต่ำ สุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ ดังรูป 2.17 นั่นคือเริ่มจาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำ ดับ เพราะจะทำ ให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำ ที่สุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด
สำหรับธาตุHe Li Be B C N O F Ne Na และ Mg ซึ่งมีอิเล็กตรอน 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 และ 12 ตามลำ ดับ สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบเต็ม และแบบย่อโดยเขียนแก๊สมีสกุลในวงเล็บแทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแก๊สมีสกุลในชั้นถัดเข้ามา และแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนเฉพาะชั้นนอกสุด

อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน การบรรจุอิเล็กตรอน ตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว ดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่ได้เป็นไปตามหลักการนั้น เช่น Cr มีเลขอะตอม 24 Cu มีเลขอะตอม 29 ธาตุที่ได้รับหรือเสียอิเล็กตรอน สามารถเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนได้ดังนี้ 1.กรณีที่ถ้าได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว 2.กรณีที่ถ้าเสียอิเล็กตรอนให้บรรจุอิเล็กตรอน ตามปกติก่อนจากนั้นจึงนำอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดออก

2.4 ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบธาตุแล้วเป็นจำนวนมากถ้าเรานั้นอาจมีสมบัติบางประการคล้ายกัน และบางประการแตกต่างกันจึงยากที่จะจดจำสมบัติต่างๆของแต่ละธาตุได้ทั้งหมดนักวิทยาศาสตร์จึงหาเกณฑ์ในการจัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายการให้อยู่ในกลุ่มเดียวกันเพื่อง่ายต่อการศึกษา

2.4.1 วิวัฒนาการของตารางธาตุ

เมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุเหล่านี้แล้วเราวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่างๆ ของธาตุและนำมาใช้จัดตารางธาตุเป็นกลุ่มได้หลายแบบ

ในปีพศ. 2360 โยฮันน์เดอเบอไรเนอร์ เต้นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดตารางธาตุเป็นกลุ่มกลุ่มกลุ่มละ 3 ช่าตอนสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าชุดสาม โดยพบว่าท่าทางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีก 2 ธาตุที่เหลือ

                                        

     ในปีพ.ศ. 2407 จอห์น นิวแลนด์(John Newlands) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอกฎ ในการจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ว่า ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมาก พบว่าธาตุที่ 8 จะมีสมบัติ เหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและแก๊สมีสกุล) เช่น เริ่มต้นเรียงโดยใช้ธาตุ Li เป็น ธาตุที่ 1 ธาตุที่ 8 จะเป็น Na ซึ่งมีสมบัติคล้ายธาตุLi ดังตัวอย่างการจัดต่อไปนี้

      การจัดเรียงธาตุตามแนวคิดของนิวแลนด์ใช้ได้ถึงธาตุแคลเซียมเท่านั้น กฎนี้ไม่สามารถอธิบาย ได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอมจึงเกี่ยวข้องกับสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุ ทำ ให้ไม่เป็นที่ยอมรับในเวลา ต่อมา
     ในปีพ.ศ. 2412 ยูลิอุส โลทาร์ไมเออร์(Julius Lothar Meyer) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน และดิมิทรี เมนเดเลเอฟ (Dimitri Mendeleev) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียด ของธาตุต่าง ๆ มากขึ้นทำ ให้มีข้อสังเกตว่า ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมาก จะพบว่า ธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ การที่ธาตุต่าง ๆ มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเช่นนี้เมนเดเลเอฟตั้ง เป็นกฎเรียกว่า กฎพิริออดิก (periodic law) การจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟไม่ได้ยึดการ เรียงลำ ดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเพียงอย่างเดียว แต่ได้นำ สมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุที่ ปรากฏซ้ำ กันเป็นช่วง ๆ มาพิจารณาด้วย นอกจากนี้ยังได้เว้นช่องว่างไว้โดยคิดว่าน่าจะเป็นตำ แหน่ง ของธาตุที่ยังไม่ได้มีการค้นพบ โดยที่ตำ แหน่งของธาตุในตารางธาตุมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ เมนเดเลเอฟจึงได้ทำ นายสมบัติของธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ 3 ธาตุ ให้ชื่อว่า เอคา-โบรอน เอคาอะลูมิเนียม และเอคา-ซิลิคอน ในเวลาต่อมาก็ได้ค้นพบธาตุสแกนเดียม แกลเลียม และเจอร์เมเนียม ตามลำ ดับ ซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับที่ได้ทำ นายไว้ ตัวอย่างธาตุเอคา-ซิลิคอน ซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับ ธาตุเจอร์เมเนียม 

                                     
 ตารางธาตุในรูป แบ่งธาตุในแนวตั้งเป็น 18 แถว โดยเรียกแถวในแนวตั้งว่า หมู่ (group) และแบ่งธาตุในแนวนอนเป็น 7 แถว เรียกแถวในแนวนอนว่า คาบ (period) ซึ่งแต่ละคาบจัดเรียง ธาตุตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้นตามลำ ดับ จำ นวนธาตุในแต่ละคาบเป็นดังนี้คาบที่ 1 มี 2 ธาตุ
คาบที่ 2 และ 3 มีคาบละ 8 ธาตุ คาบที่ 4 และ 5 มีคาบละ 18 ธาตุ คาบที่ 6 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม กลุ่มแรกมี17 ธาตุ คือ Cs ถึง Rn กลุ่มที่สองมี15 ธาตุ คือ La ถึง Lu คาบที่ 7 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม เช่นเดียวกัน โดยกลุ่มแรกมี17 ธาตุคือ Fr ถึง Og กลุ่มที่สองมี15 ธาตุคือ Ac ถึง Lr

2.4.2 กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ

การที่นักวิทยาศาสตร์จัดธาตุในตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆถ้าแบ่งกลุ่มของธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้ 3 กลุ่มคือธาตุโลหะเป็นธาตุที่นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีธาตุกึ่งโลหะเป็นธาตุที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมิห้องจะจะนำไฟฟ้าได้ดีเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและธาตุอโลหะซึ่งเป็นธาตุที่ไม่นำไฟฟ้าเลยยกเว้นคาร์บอนและฟอสฟอรัสดำเมื่อพิจารณาตำแหน่งของธาตุพบว่าธาตุโลหะอยู่ทางซ้ายมือของตารางธาตุ ธาตุอโลหะจะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันไดและธาตุอโลหะจะอยู่ขวามือของตารางธาตุยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางซ้ายมือของตารางธาตุ

ถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอน ในออร์บิทัล s p d f ที่มีพลังงานสูงสุด และมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่จะแบ่งธาตุได้เป็น 4 กลุ่มใหญ่คือถ้ากลุ่ม s ได้แก่ธาตุในหมู่ที่ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ธาตุในหมู่ที่ 13 ถึง 18 ยกเว้นฮีเลียมธาตุกลุ่มดีได้แก่ธาตุในหมู่ที่ 3 ถึง 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่นิยมมาจากหมู่ 3 คาบที่ 6 และ 7

                              


ธาตุกลุ่ม s และกลุ่ม p เรียกรวมกันว่า ธาตุกลุ่ม A ซึ่งเป็นกลุ่มของธาตุเรพรีเซนเททีฟ (representative element) หรืออาจเรียกว่ากลุ่มธาตุหมู่หลัก (main group element) เมื่อ พิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุกลุ่ม A พบว่าธาตุในแนวตั้งที่อยู่ในกลุ่ม A จะมีเวเลนซ์ อิเล็กตรอนเท่ากันและจำ นวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะตรงกับเลขหมู่ สำ หรับธาตุตามแนวนอนที่อยู่ใน คาบเดียวกัน พบว่ามีจำ นวนระดับพลังงานเท่ากัน และจำ นวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่คาบ เช่น ธาตุNa มีเลขอะตอมเท่ากับ 11 จัดอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ซึ่งมีจำ นวนอิเล็กตรอนใน แต่ละระดับพลังงานเป็น 2 8 1 ดังนั้น Na จึงอยู่ในหมู่ IA เพราะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 และอยู่ ในคาบที่ 3 เพราะมีจำ นวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ 3
     ธาตุ Br มีเลขอะตอม 35 จัดอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ จึงมีจำ นวน อิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานเป็น 2 8 18 7 ดังนั้น Br จึงอยู่ในหมู่ VIIA เพราะมีเวเลนซ์ อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 และอยู่ในคาบที่ 4 เพราะมีจำ นวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ 4
     ธาตุบางหมู่มีการกำ หนดชื่อที่เป็นสากล เช่น หมู่ IA (1) มีชื่อเรียกว่า โลหะแอลคาไล (alkali metal) ธาตุหมู่ IIA (2) เรียกว่า โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท (alkaline earth metal) ธาตุหมู่ VIIA (17) เรียกว่า ธาตุแฮโลเจน (halogen) และหมู่ VIIIA (18) (ยกเว้น Og) เรียกว่า แก๊สมีสกุล (noble gas)
     ธาตุกลุ่ม d และ f เรียกรวมกันว่าธาตุกลุ่ม B หรือ กลุ่มธาตุแทรนซิชัน (transition element) ซึ่งแบ่งเป็น ธาตุแทรนซิชันชั้นนอก (outer transition) ได้แก่ธาตุกลุ่ม d และ ธาตุแทรนซิชันชั้นใน (inner transition) ได้แก่ธาตุกลุ่ม f โดยธาตุกลุ่ม f ยังสามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มย่อย กลุ่มแรกอยู่ คาบที่ 6 และมีเลขอะตอมตั้งแต่ 57–71 (La–Lu) เรียกกลุ่มนี้ว่ากลุ่มธาตุแลนทานอยด์(lanthanoid) กลุ่มที่สองอยู่คาบที่ 7 และมีเลขอะตอมตั้งแต่ 89–103 (Ac–Lr) เรียกกลุ่มนี้ว่ากลุ่มธาตุแอกทินอยด์ (actinoid) เมื่อพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุแทรนซิชัน พบว่าจำ นวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน ส่วนใหญ่เท่ากับ 2 เมื่อพิจารณาธาตุกลุ่มนี้ตามแนวนอนพบว่าจำ นวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่ คาบเช่นเดียวกับธาตุในกลุ่มธาตุหมู่หลัก
     จากการศึกษาการจัดเรียงธาตุในตารางธาตุ ช่วยให้ทราบว่าตารางธาตุในปัจจุบันจัดธาตุเป็น หมู่และคาบโดยอาศัยสมบัติบางประการที่คล้ายกัน สมบัติของธาตุหมู่หลักตามหมู่และตามคาบซึ่ง ได้แก่ขนาดอะตอม รัศมีไอออน พลังงานไอออไนเซชัน อิเล็กโทรเนกาติวิตี สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน มีแนวโน้มเป็นดังนี้

     2.4.3 ขนาดอะตอม
      ตามแบบจำ ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ตลอดเวลา ด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำ แหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำ หนดขอบเขตที่แน่นอน ของอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยวแต่จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง อะตอมไว้ด้วยกัน จึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอม (atomic radius) ที่อยู่ในภาวะอิสระหรือเป็นอะตอมเดี่ยว ในทางปฏิบัติจึงบอกขนาดอะตอมด้วย รัศมีอะตอม (atomic radius) ซึ่งกำ หนดให้ มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกัน
      การศึกษารัศมีอะตอมของธาตุทำ ให้ทราบขนาดอะตอมของธาตุและสามารถเปรียบเทียบ ขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันหรือหมู่เดียวกันได้ ตัวอย่างรัศมีอะตอมของธาตุในตาราง ธาตุซึ่งได้จากการคำนวณ


                                         
 เมื่อพิจารณาขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันพบว่า ขนาดอะตอมมีแนวโน้มลดลง เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น อธิบายได้ว่าเนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับ พลังงานเดียวกัน แต่มีจำ นวนโปรตอนในนิวเคลียสแตกต่างกัน ธาตุที่มีจำ นวนโปรตอนมากจะดึงดูด เวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยแรงที่มากกว่าธาตุที่มีจำ นวนโปรตอนน้อย เวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเข้าใกล้ นิวเคลียสได้มากกว่าทำ ให้อะตอมมีขนาดเล็กลง
     ส่วนธาตุในหมู่เดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นจำ นวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำ นวนระดับ พลังงานที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นด้วย อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในจึงเป็นคล้ายฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่าง โปรตอนในนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอน ทำ ให้แรงดึงดูดต่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีน้อย เป็นผลให้ ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม

     2.4.4 ขนาดไอออน
     อะตอมซึ่งมีจำ นวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน เมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอน ออกไปอะตอมจะกลายเป็นไอออน การบอกขนาดของไอออนทำ ได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม กล่าวคือจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน (ionic radius) ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของ ไอออนคู่หนึ่ง ๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก ตัวอย่างรัศมีไอออนของ Mg² + และ O2- ในสารประกอบ MgO 
 เมื่อโลหะทำ ปฏิกิริยากับอโลหะ อะตอมของโลหะจะเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวก จำ นวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลง ทำ ให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วย หรือกล่าวอีกนัยก็คือ แรงดึงดูดระหว่างประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนจะเพิ่มมากขึ้น ไอออนบวกจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอม เดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออนลบ เนื่องจากมี การเพิ่มขึ้นของจำ นวนอิเล็กตรอน ขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิม ไอออนลบ จึงมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ตัวอย่างขนาดอะตอมกับขนาดไอออนของธาตุแสดงดังรูป

                                                       

 2.4.5 พลังงานไอออไนเซชัน

     พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำ ให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะแก๊สเรียกว่า พลังงานไอออไนเซชัน (ionization energy, IE) โดยค่า IE แสดงถึงความยากง่ายในการทำ ให้อะตอมใน สถานะแก๊สกลายเป็นไอออนบวก โดย IE น้อยแสดงว่าทำ ให้เป็นไอออนบวกได้ง่ายแต่ถ้า IE มาก แสดงว่าทำ ให้เป็นไอออนบวกได้ยาก

 การทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุด 1318 กิโลจูลต่อโมล นั่นคือพลังงานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนอะตอมเท่ากับ 1318 กิโลจูลต่อโมล 

ธาตุไฮโดรเจนมี 1 อิเล็กตรอน จึงมีค่าพลังงานไอออไนเซชันเพียงค่าเดียว ถ้าเป็นธาตุที่มีหลาย อิเล็กตรอนก็จะมีพลังงานไอออไนเซชันหลายค่า พลังงานน้อยที่สุดที่ทำ ให้อิเล็กตรอนตัวแรกหลุดออก

จากอะตอมที่อยู่ในสถานะแก๊สเรียกว่า พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่หนึ่ง (first ionization energy) เขียนย่อเป็น IE₁ พลังงานที่ทำ ให้อิเล็กตรอนในลำ ดับต่อ ๆ มาหลุดออกจากอะตอมเรียกว่าพลังงาน ไอออไนเซชันลำ ดับที่ 2 3 … และเขียนย่อเป็น IE₂ IE₃ … ตามลำ ดับ เช่น ธาตุคาร์บอนมี6 อิเล็กตรอนจึงมีพลังงานไอออไนเซชัน 6 ค่า 

                                                 

 เมื่อพิจารณาพลังงานไอออไนเซชันลำ ดับที่ 1 ของธาตุตามคาบพบว่า มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตาม เลขอะตอม เนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีจำ นวนโปรตอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้นและมีขนาดอะตอม เล็กลง แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเพิ่มมากขึ้น อิเล็กตรอนจึงหลุดออกจาก อะตอมได้ยาก

      พลังงานไอออไนเซชันลำ ดับที่ 1 ของธาตุตามหมู่พบว่า มีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากระยะระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น ทำ ให้แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับ เวเลนซ์อิเล็กตรอนลดลงอิเล็กตรอนจึงหลุดจากอะตอมได้ง่ายขึ้น ดังนั้นค่าพลังงานไอออไนเซชัน จึงสามารถใช้ในการพิจารณาความยากง่ายในการเกิดเป็นไอออนบวกของอะตอมธาตุแต่ละชนิด ถ้าพลังงานไอออไนเซชันมีค่าน้อย จะเกิดเป็นไอออนบวกได้ง่าย

    2.4.6 สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

     พลังงานที่ถูกคายออกมาเมื่ออะตอมในสถานะแก๊สได้รับอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน เรียกว่า สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (electron affinity, EA) เขียนสมการแสดงการเปลี่ยนแปลงได้ดังนี้

 ถ้าค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนมีค่าเป็นบวก หมายความว่า อะตอมคายพลังงานเมื่อได้รับ อิเล็กตรอน แสดงว่าอะตอมของธาตุนั้นมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนได้ดี ความสามารถในการรับ อิเล็กตรอนของแต่ละธาตุมีความแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง

                                       

เมื่อพิจารณาตามคาบพบว่า ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของธาตุอโลหะ (ยกเว้นธาตุหมู่VIIIA) มีค่ามากกว่าธาตุโลหะ แสดงว่าธาตุอโลหะมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุโลหะ เมื่อพิจารณา โดยภาพรวมทั้งหมดจะพบว่าธาตุหมู่ VIIA มีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูงที่สุดแสดงว่ามีแนวโน้มใน การรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุหมู่อื่น ที่เป็นเช่นนี้อาจอธิบายได้ว่าการรับ 1 อิเล็กตรอนของธาตุในหมู่ นี้จะทำ ให้อะตอมมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนธาตุหมู่ VIIIA หรือแก๊สมีสกุลซึ่งมีความเสถียรมาก

2.4.7 อิเล็กโทรเนกาติวิตี

     อิเล็กโทรเนกาติวิตี (electronegativity, EN) คือความสามารถของอะตอมในการดึงดูด อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันในโมเลกุลของสาร แนวโน้มค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในตารางธาตุ

  เมื่อพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในคาบเดียวกันพบว่า มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม เนื่องจากในคาบเดียวกันอะตอมของธาตุหมู่ IA มีขนาดใหญ่ที่สุด และหมู่ VIIA มีขนาดเล็กที่สุด ความ สามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนตามคาบจึงเพิ่มขึ้นจากหมู่ IA ไปหมู่ VIIA ดังนั้นในคาบเดียวกันธาตุ หมู่ IA จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำ ที่สุด ส่วนธาตุหมู่ VIIA มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ธาตุในหมู่ เดียวกันมีแนวโน้มของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากขนาดของอะตอมที่ เพิ่มขึ้นเป็นผลให้นิวเคลียสดึงดูดอิเล็กตรอนลดลง

2.5 ธาตุแทรนซิชัน

     นักเรียนได้ศึกษาสมบัติบางประการของธาตุหมู่ A มาแล้ว ต่อไปจะได้ศึกษาธาตุอีกกลุ่มหนึ่ง ซึ่งอยู่ระหว่างธาตุหมู่ IIA และหมู่ IIIA ที่เรียกว่า ธาตุแทรนซิชัน ประกอบด้วยธาตุหมู่ IB ถึงหมู่ VIIIB รวมทั้งกลุ่มธาตุแลนทานอยด์กับกลุ่มธาตุแอกทินอยด์ 

                                              

    ธาตุแทรนซิชันเหล่านี้มีอยู่ทั้งในธรรมชาติและได้จากการสังเคราะห์ บางธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสี ธาตุแทรนซิชันมีสมบัติอย่างไร จะได้ศึกษาต่อไป

     2.5.1 สมบัติของธาตุแทรนซิชัน

     นักเคมีจัดธาตุแทรนซิชันไว้ในกลุ่มของธาตุที่เป็นโลหะ แต่ไม่ได้อยู่กลุ่มเดียวกับธาตุหมู่ IA IIA และ IIIA เพราะเหตุใดจึงจัดธาตุแทรนซิชันไว้อีกกลุ่มหนึ่ง เพื่อตอบคำ ถามนี้ให้ศึกษาสมบัติของ ธาตุแทรนซิชันเปรียบเทียบกับสมบัติของธาตุหมู่ IA และ IIA ที่อยู่ในคาบเดียวกันจากตาราง 

 จากตาราง 2.11 พบว่าธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 มีสมบัติหลายประการคล้ายกับโลหะหมู่หลัก ในคาบเดียวกัน เช่น มีค่าพลังงานไอออไนเซชันลำ ดับที่ 1 และอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำ อย่างไรก็ตาม ธาตุแทรนซิชันมีจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความหนาแน่นสูงกว่าโลหะหมู่หลัก เมื่อพิจารณาขนาด อะตอมพบว่า ธาตุแทรนซิชันมีขนาดใกล้เคียงกันและมีขนาดเล็กกว่าโลหะโพแทสเซียมและแคลเซียม เพื่ออธิบายเกี่ยวกับขนาดอะตอมของธาตุแทรนซิชัน ให้นักเรียนพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของ ธาตุโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 

 จากตาราง 2.12 จะเห็นได้ว่าธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 ส่วนใหญ่มีจำ นวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน เป็น 2 และมีจำ นวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยที่อยู่ถัดจากระดับพลังงานนอกสุดเข้าไปไม่เท่ากัน เนื่องจากอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายบรรจุอยู่ในระดับพลังงานย่อย 3d 

2.6 ธาตุกัมมันตรังสี

     ธาตุอีกกลุ่มหนึ่งในตารางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างจากธาตุที่เคยศึกษามาแล้วคือ สามารถแผ่รังสี แล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้นักเรียนคิดว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร

     ในปีพ.ศ. 2439 อองตวน อองรีแบ็กเกอเรล (Antoine Henri Becquerel) นักวิทยาศาสตร์ ชาวฝรั่งเศสพบว่า เมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำ ไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม แผ่น ฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำ การทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ก็ได้ ผลเช่นเดียวกัน จึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม

     ต่อมาปีแอร์กูรีและมารีกูรี(Pierre Curie และ Marie Curie) ได้ค้นพบว่า ธาตุพอโลเนียม เรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ ไม่เสถียร และไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive isotope) หรือสารกัมมันตรังสี(radioactive substance) เช่น carbon-14 (C-14) สำ หรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีจะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 เช่น U-238 U-235 Th-232 Rn-222 ในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุ กัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ

     2.6.1 การเกิดกัมมันตภาพรังสี

     กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีเพราะนิวเคลียสมีพลังงาน สูงมากและไม่เสถียร จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสี จากการศึกษาของ นักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา (alpha ray) รังสีบีตา (beta ray) หรือแกมมา (gamma ray)

   2.6.2 การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี

     จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจำ นวนมากทำ ให้ได้ข้อสังเกตว่า ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มี อัตราส่วนระหว่างจำ นวนนิวตรอนต่อจำ นวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำ นวนนิวตรอน แตกต่างจากจำ นวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียร จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสโดย การแผ่รังสี(radiation) ออกมาแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่า ดังตัวอย่างต่อไปนี้

     การแผ่รังสีแอลฟา ส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 และมีจำ นวนนิวตรอน ต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่ เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2 และเลขมวลลดลง 4 

     การแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำ นวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมาก นิวตรอนในนิวเคลียส จะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสในรูปของ รังสีบีตาและนิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 โดยที่เลขมวลยังคงเดิม

     การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายตัวให้ รังสีแอลฟาหรือบีตา แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลง ในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำ ลง โดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา

แถบที่แรเงาแทนแถบเสถียรภาพ (belt of stability) จุดสีดำ แทนไอโซโทปของ ธาตุที่เสถียร ซึ่งจากรูปจะเห็นว่าธาตุที่มีจำ นวนโปรตอน (เลขอะตอม) มากกว่า 83 ไม่มีไอโซโทปที่ เสถียร ไอโซโทปที่ไม่เสถียรเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะปล่อยรังสีแอลฟาเพื่อเกิดเป็นไอโซโทปใหม่ที่มี จำ นวนโปรตอนและนิวตรอนลดลง สำ หรับไอโซโทปที่มีสัดส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนมากเกินไป (แถบสีเขียว) มีแนวโน้มแผ่รังสีบีตาเพราะเมื่อปล่อยรังสีบีตาออกมาจะเกิดเป็นไอโซโทปใหม่ที่มี จำ นวนโปรตอนเพิ่มขึ้นแต่จำ นวนจำ นวนนิวตรอนลดลง (เลขมวลเท่าเดิม) ในขณะที่ไอโซโทปที่มี สัดส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนน้อยเกินไป (แถบสีเหลือง) จะมีแนวโน้มแผ่รังสีโพซิตรอน ซึ่งจะ ทำ ให้ไอโซโทปที่เกิดขึ้นมีจำ นวนโปรตอนลดลงแต่นิวตรอนเพิ่มขึ้น (เลขมวลเท่าเดิม)

    นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถสลายตัวและแผ่รังสีได้ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับ อุณหภู

รือความดัน การสลายตัวและแผ่รังสีของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ จำ นวนอนุภาคในนิวเคลียสกัมมันตรังสีนั้น 

 2.6.3 อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสี

     กิจวัตรต่าง ๆ ในชีวิตประจำ วันทั้งการรับประทานอาหาร การดื่มน้ำ การหายใจ ล้วนมีโอกาส ที่มนุษย์จะได้รับรังสีจากไอโซโทปกัมมันตรังสีเช่น K-40 C-14 Ra-226 เข้าสู่ร่างกาย นอกจากนี้ ยังได้รับรังสีคอสมิก (cosmic ray) ซึ่งส่วนใหญ่มาจากอวกาศ รังสีต่าง ๆ เหล่านี้มีแหล่งกำ เนิดจาก ธรรมชาตินอกจากนี้บางคนยังได้รับรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้นมา เช่น รังสีจากเครื่องเอกซเรย์รังสีจาก โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

  แม้มนุษย์จะได้รับรังสีจากกิจวัตรประจำ วัน แต่การได้รับรังสีจากธรรมชาติหรือจากที่มนุษย์ สร้างขึ้นในปริมาณเพียงเล็กน้อย โดยน้อยกว่า 100 มิลลิซีเวิร์ตพบว่า เซลล์เนื้อเยื่อสามารถฟื้นตัวได้ แต่การได้รับรังสีมากกว่า 100 มิลลิซีเวิร์ต ทำ ให้ เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพ เช่น คลื่นไส้ อาเจียน ปวดศีรษะ เป็นมะเร็ง โรคทางพันธุกรรม ต้อแก้วตา การได้รับรังสีปริมาณมากทั่วร่างกายในเวลาสั้น ๆ สามารถทำ ให้เสียชีวิตได้

     สำหรับหน่วยงานที่ทำ งานเกี่ยวกับรังสีจะต้องแสดงสัญลักษณ์รังสี(radiation symbol) ลงบน ฉลากของภาชนะหรือเครื่องมือรวมทั้งบริเวณใกล้เคียง เพื่อให้ผู้พบเห็นได้ระมัดระวัง สัญลักษณ์รังสี ใช้เป็นมาตรฐานจะเป็นรูปใบพัด 3 แฉก มีสีม่วงอ่อน ม่วงเข้ม หรือสีดำ บนพื้นสีเหลือง

 2.6.4 ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสี

     ไอโซโทปกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลา ไอโซโทป กัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน อัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี จะบอกเป็น ครึ่งชีวิต (half life) ใช้สัญลักษณ์t₁/₂ โดยหมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของไอโซโทป กัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมี ครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ เช่น Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมีNa-24 ปริมาณ 10 กรัม นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจน กระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมง จะมีNa-24 เหลืออยู่ 5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมง จะมีNa-24 เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั่นคือเวลาผ่านไปทุก ๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียง ครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม

                                 

โดยสูตรการคำนวณครึ่งชีวิต มีดังนี้

Nเหลือ = Nเริ่มต้น/2n

T = nt1/2

โดย Nเหลือ แทนปริมาณกัมตรังสีที่เหลือ

T แทนจำนวนเวลาที่ธาตุสลายตัว

Nเริ่มต้น แทนปริมาณกับมมันตรังสีเริ่มต้น

n แทนจำนวนครั้งในการสลายตัวของครึ่งชีวิต

2.6.5 ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กแล้วได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาลซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้

ในปีพศ. 2482 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียส U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า กระบวนการที่นิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุบางชนิดแตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วเรียกว่า ฟิชชัน ไอโซโทปของธาตุอื่นที่สามารถเกิดฟิชชันได้ เช่น U-238 การเกิดฟิชชัน แต่ละครั้งจะคายพลังงานออกมาเป็นจำนวนมากและได้ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลายชนิดซึ่งถือว่าได้เป็นวิธีผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญนอกจากนี้ฟิสชั่นยังได้นิวตรอนเกิดขึ้นอีกด้วย ถ้านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ชนกับนิวเคลียสอื่นจะเกิดเป็นฟิชชันต่อเนื่องไปเรื่อยๆเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่

                      

ฟิชชันที่เกิดภายในภาวะที่เหมาะสม จะได้จำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้ฟิชชัน ดำเนินไปอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมาเป็นจำนวนมหาศาลถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดรุนแรงหลักการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้นำมาใช้ในการทำระเบิดปรมาณูการควบคุมฟิชชันทำได้หลายวิธี เช่นควบคุมมวลของสารตั้งต้นให้น้อยลงเพื่อให้จำนวนนิวตรอนที่เกิดมีไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุเบา 2 ชนิดหลอมรวมกันเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่า เดิมและให้พลังงานปริมาณมาก ปฏิกิริยานี้เรียกว่า ฟิวชัน ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยากับที่เกิดบนดวงอาทิตย์การเกิดฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากและเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้าร่วมกันซึ่งประมาณว่าจะต้องมีอุณหภูมิสูงถึงหลายล้านองศาเซลเซียส พลังงานมหาศาลนี้อ่านได้จากฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนฉนวนที่ทำให้เกิดฟิวชั้น ถ้าพลังงานที่ปล่อยออกมามาจากฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงแต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆและต่อเนื่องจะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ฟิวชันมีข้อได้เปรียบมากกว่าฟิชชันหลายประการกล่าวคือคายพลังงานออกมาม่าสารตั้งต้นของฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมากนอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่า ผลิตภัณฑ์จากการเกิดฟิชชัน แม้จะมีการค้นพบกระบวนการฟิวชั่นมานานแต่ การนำมาใช้อย่างเป็นรูปธรรม เป็นไปได้ยากเพราะการเกิดฟิวชั้นต้องใช้อุณหภูมิสูงมากซึ่งที่สภาวะนี้แสนจะเปลี่ยนเป็นรูป Plasma ซึ่งไม่เสถียรดังนั้นการควบคุมกระบวนการฟิวชันให้เกิดอย่างต่อเนื่องเป็นไปได้ยากมาก
2.6.6 เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี
สารกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันการนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน
ด้านธรณีวิทยา ใช้ C-14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5730 ปีหาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่นไม้กระดูกการหาอายุโบราณโดยการวัดปริมาณของ C-14 อธิบายได้ว่าในบรรยากาศมี C-14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก
ด้านการแพทย์ ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่างๆในร่างกายโดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อยจากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมของไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่างๆ
ด้านเกษตรกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืชโดยเริ่มจากการดูดซึมที่รากจนถึงการคายออกที่ใบ หรือจำนวนแร่ธาตุที่พืชสะสมไว้ในใบ
ด้านอุตสาหกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่างเช่นใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลวผสมไอโซโทปกัมมันตรังสีกับของเหลวที่จะขนส่งไปตามท่อและติดตามการแผ่รังสีด้วยเครื่องไกเกอร์ มึลเลอร์ เคาน์เตอร์ บริเวณใดที่มี สัญญาณจำนวนนับมากผิดปกติแสดงว่าบริเวณนั้นมีการรั่วไหลเกิดขึ้น
2.7 การนำภาพไปใช้ประโยชน์และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตมนุษย์
มนษย์นำธาตุุมาใช้ประโยชน์ตั้งแต่อดีตกาลเช่นนำทองคำมาทำเป็นเครื่องประดับ นำเหล็กมาทำเป็นมีน้ำทองใดมาทำเป็นภาชนะหรือเครื่องใช้ ในปัจจุบันมีการค้นพบและศึกษาสมบัติของธาตุมากขึ้นจึงมีการนำธาตุมาใช้ประโยชน์ได้หลากหลายขึ้น
2.7.1 ประโยชน์ของธาตุ
การจำแนกธาตุออกเป็นกลุ่มนอกจากจะช่วยให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุแล้วยังง่ายต่อการพิจารณาสมบัติที่เหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้งานอีกด้วย
-ธาตุโลหะ มีสมบัติการนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีจึงนิยมนำมาเป็นอุปกรณ์นำไฟฟ้าเช่นนำทองแดงมาทำสายไฟน้ำสังกะสีมาทำขั้วไฟฟ้าของถ่านไฟฉาย
-ธาตุกึ่งโลหะ เช่นซิลิกอน เจอร์เมเนียม มีสมบัติก้ำกึ่งระหว่างโลหะกับโลหะ นำไฟฟ้าได้แต่นำไม่ดีนิยมนำมาทำเป็นสารกึ่งตัวนำ
-ธาตุหมู่ 18 เป็นธาตุที่เฉยต่อการเกิดปฏิกิริยาจึงนำมาใช้ประโยชน์ตามสมบัติของแก๊สมีสกุลเช่นนำ-ฮีเลียมซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศมาบรรจุในบอลลูนและเรือเหาะแทนแก๊สไฮโดรเจน

-ธาตุมีไอโซโทปกัมมันตรังสี สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ดังที่กล่าวไว้ในหัวข้อ 2.6.6 และธาตุุที่อยู่กลุ่มเดียวกันจะมีสมบัติคล้ายกันแต่ถ้าชุดชนิดยังมีสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างกันด้วยดังนั้นการนำไปใช้ประโยชน์จึงมีความจำเพาะแตกต่างกันการที่ธาตุแต่ละชนิดมีสมบัติเฉพาะตัวแตกต่างกันทำให้บางครั้งนักวิทยาศาสตร์ต้องนำธาตุมากกว่า 1 ชนิดมาละลายหรือผสมกันเพื่อให้มีสมบัติตามที่ต้องการและนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลายมากขึ้น     

 2.7.2 ผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

      จากความรู้เดิมนักเรียนคงทราบมาแล้วว่า ธาตุบางชนิดส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม เช่น ตะกั่วได้ถูกใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ โลหะบัดกรีอิเล็กทรอนิกส์ อุตสาหกรรมสีหรือ ใช้เคลือบภาชนะ การปนเปื้อนของตะกั่วทั้งในดิน น้ำ และอากาศ ล้วนส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต เช่น ถ้าตะกั่วปนเปื้อนในน้ำ อาจส่งผลต่อระบบการเจริญพันธุ์ ระบบโลหิตและระบบประสาทของสัตว์ใน แหล่งน้ำ นั้น มนุษย์สามารถนำ ตะกั่วเข้าสู่ร่างกายได้3 ทาง คือ การบริโภค การหายใจ และทางผิวหนัง เมื่อตะกั่วเข้าไปสะสมในร่างกายจะทำ ให้มีอาการอ่อนเพลีย ปวดท้อง ท้องอืด เบื่ออาหาร ปวดกล้าม เนื้อ ปวดกระดูกและข้อ ความดันโลหิตสูง โลหิตจาง ความจำ เสื่อม ภูมิต้านทานลดลง และขัดขวาง การทำ งานของเอนไซม์ในร่างกาย

     มนุษย์นำแคดเมียมมาใช้ในอุตสาหกรรมผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า โลหะผสม แบตเตอรี่ อะไหล่ รถยนต์ การชุบโลหะ แคดเมียมที่ปนเปื้อนในน้ำ อากาศ อาหาร พืชผลทางการเกษตร เช่นในใบ ยาสูบเมื่อเข้าสู่ร่างกายจะส่งผลให้ไตทำ งานผิดปกติ เกิดโรคความดันโลหิตสูง ปวดกระดูกสันหลัง ทำ ให้กระดูกผุหรือเป็นโรคมะเร็งได้

     ในอดีตเคยมีการนำแก๊สไฮโดรเจนมาบรรจุในลูกโป่งสวรรค์หรือเรือเหาะ ซึ่งการกระทำ ดังกล่าวนี้ส่ง ผลให้เกิดอุบัติเหตุมีผู้ได้รับบาดเจ็บสาหัสหลายคน ที่เป็นเช่นนี้เพราะแก๊สไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่ติดไฟได้ ซึ่งเมื่อได้รับประกายไฟจึงเกิดระเบิดเป็นเพลิงลุกไหม้ได้ตัวอย่างอุบัติเหตุ เช่น ข่าวเพลิงไหม้เรือเหาะ ไฮเดนเบิร์กของเยอรมันในวันงดสูบบุหรี่โลก ข่าวไฟไหม้ในงานชกมวยที่ประเทศไทยเนื่องจากการนำ ลูกโป่งสวรรค์หลายร้อยลูกมาประดับ จากตัวอย่างที่กล่าวมาแสดงให้เห็นว่าการนำ ธาตุมาใช้ล้วนส่ง ผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม ธาตุบางชนิดแม้ไม่ได้มีสมบัติเป็นพิษร้ายแรงแต่การนำ มาใช้ไม่ ถูกวิธีก็ส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินได้เช่นกัน

ที่มา: หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิยาศาสตร์ เคมมีเล่ม1 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่4