Tip:
Highlight text to annotate it
X
ในวิชาส่วนใหญ่ที่เรียน คุณจะต้องมีความรู้ค่อนข้างมาก
ก่อนที่จะเข้าสู่ทฤษฎี
แต่ในวิชาเคมีนั้น.. กลับเริ่มจาก
ส่วนที่น่าสนใจที่สุดที่ยังมีการถกเถียงกันในเชิงทฤษฎีก่อน
..นั่นก็คือ "อะตอม" นั่นเอง
แนวคิดเกี่ยวกับอะตอมนี้ ... ได้มีนักปรัชญาหลายท่านคิดไว้
ซึ่งเราจะมาดูกันว่าแต่ละท่านเหล่านั้นคิดไว้ต่างกันอย่างไรบ้าง
..ถ้าผมเริ่มจากแอปเปิ้ลผลหนึ่ง
แล้วค่อย ๆ หั่นเป็นชิ้นเล็ก ๆ ไปเรื่อย ๆ
เดี๋ยวให้ผมวาดรูปแอปเปิ้ลให้ดี ๆ นะครับ
ไม่ใช่หัวใจแบบนี้
เอาล่ะครับ
ถ้าคุณมีแอปเปิ้ลผลหนึ่ง แล้วค่อย ๆ หั่นเป็นชิ้นเล็ก ๆ ไปเรื่อย ๆ
แล้วค่อย ๆ หั่นเป็นชิ้นเล็ก ๆ ไปเรื่อย ๆ
จนสุดท้าย คุณจะได้ชิ้นที่เล็กมาก ๆ
ซึ่งไม่สามารถหั่นได้อีก
..ผมเชื่อว่านักปรัชญาบางท่านเหล่านี้
ได้พยายามหั่นด้วยมีดแบบนี้ล่ะครับ แล้วก็จะเริ่มรู้สึกว่า...
ถ้าฉันมีมีดที่คมกว่านี้ล่ะก็
ฉันจะหั่นให้มันเล็กลงได้อีก
นี่เป็นแนวคิดเชิงปรัชญานะครับ
ซึ่งถ้าพูดตรง ๆ.. ก็ไม่ได้ต่างกับแนวคิดเกี่ยวกับเรื่องอะตอมในวันนี้มากนัก
ซึ่งถ้าพูดตรง ๆ.. ก็ไม่ได้ต่างกับแนวคิดเกี่ยวกับเรื่องอะตอมในวันนี้มากนัก
จริง ๆ แล้ว นี่เป็นการวาดภาพเปรียบเทียบ
เพื่อให้เราสามารถอธิบายสิ่งต่าง ๆ ที่มีอยู่มากมายในจักรวาลนี้
อย่างไรก็ตาม นักปรัชญาเหล่านี้ก็ได้กล่าวว่า...
ในที่สุดแล้ว ก็จะมีจุด ๆ หนึ่ง
ที่เราจะไม่สามารถหั่นแอปเปิ้ลให้เล็กลงต่อไปอีกได้
ซึ่งพวกเขาเรียกว่า "อะตอม"
แนวคิดนี้ไม่ใช่สำหรับแอปเปิ้ลเท่านั้นนะครับ
แต่เป็นความจริงสำหรับสารหรือธาตุใด ๆ
ที่คุณพบเห็นในจักรวาลนี้
คำว่า "อะตอม" นั้น ที่จริงแล้วเป็นภาษากรีก แปลว่า "ไม่สามารถตัดได้"
"ไม่สามารถตัดได" หรือ "ไม่สามารถหั่นแบ่งได้"
..แต่ในปัจจุบันนี้ เรารู้กันแล้วว่าที่จริงแล้ว เราสามารถหั่นอะตอมให้เล็กลงไปอีกได้
และไม่ใช่อนุภาคที่เล็กที่สุดของสารอีกต่อไป
ตอนนี้ เรารู้แล้วว่า อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานอื่น ๆ อีก
เดี๋ยวผมจะเขียนให้ดูนะครับ
... เรามีนิวตรอน
แล้วเดี๋ยวผมจะวาดให้ดูนะครับ ว่าอนุภาคเหล่านี้เข้ามาอยู่ในโครงสร้างของอะตอมอย่างไร
..เรามีนิวตรอน
เรามีโปรตอน
และเรามีอิเล็กตรอน
คุณอาจจะคุ้นเคยกับเรื่องนี้แล้ว
ถ้าคุณเคยดูวิดีโอก่อนหน้านี้เกี่ยวกับระเบิดนิวเคลียร์
คุณจะเห็นรูปที่ดูคล้ายๆ แบบนี้
ผมจะลองวาดดูนะครับ
...มีรูปวงกลมคล้ายๆ อย่างนี้
แล้วก็มีลูกกลม ๆ เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ
เป็นวงโคจร ..คล้าย ๆ แบบนี้
ซึ่งภาพนี้
ผมมั่นใจว่า ยังมีให้เห็นอยู่
ในห้องปฏิบัติการของหน่วยงานรัฐบางแห่งที่เกี่ยวกับความมั่นคงของชาติ หรืออะไรทำนองนั้น
..คุณมีนิวเคลียส อยู่ตรงกลางของอะตอม
ซึ่งเราทราบดีว่า ในนิวเคลียสมีนิวตรอนและโปรตอน
เดี๋ยวเราจะมาพูดกันเพิ่มเติมนิดหน่อยว่า ธาตุ ประกอบด้วยอะไรบ้าง
มีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนเท่าใด
แล้วมีอิเล็กตรอนโคจรรอบ ๆ ..ผมจะใช้คำว่า "โคจร" ไปก่อนนะครับ
แต่เดี๋ยวในสองนาทีนี้ เราก็จะได้รู้ว่า
คำว่า "โคจร" ที่จริงแล้ว เป็นคำที่ผิด
ทำให้เราวาดภาพจินตนาการผิดไปเลยว่า
อิเล็กตรอนกำลังทำอะไรอยู่
แนวคิดแบบเดิมที่บอกว่า
อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสนี้ จะคล้ายกับการที่
โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ หรือ
การที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก
แต่แนวคิดนี้ก็ได้ถูกพิสูจน์แล้วว่า
เป็นแนวคิดที่ผิด
ซึ่งถ้าเราได้เรียนเรื่องกลศาสตร์ควอนตัม เราก็จะเข้าใจว่า
เพราะเหตุใดแนวคิดดังกล่าวจึงใช้ไม่ได้ และมีข้อโต้แย้งอะไรบ้าง
ถ้าคุณพยายามจะออกแบบอิเล็กตรอนให้
ให้โคจรเหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์อย่างนั้น
แต่นี่ก็เป็นแนวคิดดั้งเดิมอันหนึ่ง และที่จริงแล้ว
ผมคิดว่า นี่คือแนวคิดหลักง่าย ๆ ที่จะมองอะตอมหนึ่งๆ
ครับ... ผมบอกไว้ก่อนหน้านี้แล้วว่า อะตอมมีความน่าสนใจในเชิงทฤษฎี
ทำไม มันจึงน่าสนใจ?
เนื่องจากภาพของอะตอมที่เรามองดูและยอมรับกัน ณ เวลานี้
เริ่มจะทำให้ความเป็นจริงกับข้อมูลที่มียิ่งคลุมเครือมากขึ้น
ในความเป็นจริงแล้ว มันไม่ได้มีสิ่งนี้หรืออนุภาคที่เราคิดไว้ในทุกวันนี้เลย
สำหรับผม.. "อนุภาค" น่าจะคล้ายกับเม็ดทราย
ที่เราสามารถหยิบจับ สัมผัสได้
ในขณะที่คลื่น อย่างเช่น คลื่นเสียง
เป็นเพียงแค่การเปลี่ยนแปลงพลังงานในช่วงเวลาต่าง ๆ เท่านั้น
แต่เมื่อเราเรียนไป โดยเฉพาะเรื่องกลศาสตร์ควอนตัม
ซึ่งจะสับสน เมื่อเริ่มเข้าสู่เรื่องการวัดหรือขนาดอะตอม
อย่างไรก็ตาม ผมว่านี่เป็นวิธีเรียนที่ผิด
แล้ววิธีที่ถูกต้องคืออะไร
เอาล่ะครับ นี่เป็นรูปภาพ
..ไม่ใช่ครับ เป็นภาพวาด
คำถามที่น่าสนใจ อย่างที่ผมบอกไปแล้วว่า
คุณวาดภาพของ "อะตอม" ไว้อย่างไร
เพราะที่จริงเราพบแล้วว่า
แสงส่วนใหญ่ โดยเฉพาะความยาวคลื่นของแสง
มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของอะตอมมาก
ทุกอย่างที่เราพูดถึง ไม่ได้พูดถึง ที่เห็นในชีวิตเรา
เกิดจากแสงสะท้อนทั้งสิ้น
แต่อยู่ ๆ เมื่อเราต้องมายุ่งกับอะตอม
แสงสะท้อนอาจทำให้เห็นภาพใหญ่เกินจริงหรือ
ไม่ชัดพอที่จะใช้ศึกษาอะตอม
อย่างไรก็ตาม นี่เป็นภาพวาดอะตอมของฮีเลียม
อะตอมเป็นฮีเลียมมี 2 โปรตอนและ 2 นิวตรอน
อะตอมเป็นฮีเลียมมี 2 โปรตอนและ 2 นิวตรอน
อะตอมเป็นฮีเลียมมี 2 โปรตอนและ 2 นิวตรอน
ซึ่งอยู่ในนิวเคลียส ใช่มั้ยครับ..
ผมจะใช้สีแดงสำหรับโปรตอน
และสีม่วงสำหรับนิวตรอนนะครับ
สีม่วง จะทำให้ดูเหมือนมีคุณสมบัติเป็นกลาง
โดยให้อยู่ตรงกลางของอะตอม
ส่วนหมอกรอบ ๆ นี้ ก็คืออิเล็กตรอน 2 ตัวของฮีเลียม
ซึ่งในบางครั้ง อาจจะมีการให้หรือรับอิเล็กตรอนเกิดขึ้นได้
แต่นี่คืออิเล็กตรอน 2 ตัว
บางท่านอาจจะบอกว่า...ซัล.. ทำไมอิเล็กตรอน 23 ตัวนี้ดูพร่ามัวอย่างนั้นล่ะ
เหมือนเป็นรอยเปื้อนๆ อยู่รอบอะตอม
นี่เป็นที่มาที่ทำให้แนวคิดนี้เป็นที่สนใจ
คุณจะไม่สามารถบอกได้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในทิศทางใด และบอกไม่ได้ว่มันวิ่งไปรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นวงโคจรแบบดาวเคราะห์
หรือถ้าเราจะจินตนาการถึงสิ่งที่ใหญ่ขึ้น
เราก็จะพบว่า สำหรับอิเล็กตรอนนั้น เราไม่รู้แน่ชัดว่า
อิเล็กตรอนนั้นมีโมเมนตัมเท่าใด และตำแหน่งของอิเล็กตรอน ณ เวลาต่าง ๆ จะอยู่ตรงไหน
สิ่งที่เรารู้คือ ความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะวิ่งไปที่ตำแหน่งต่าง ๆ
ที่น่าจะพบอิเล็กตรอน
ซึ่งถ้าดูจากรูปนี้คือ สีดำหมายถึงโอกาสสูง
นั่นคือคุณมีโอกาสสูงที่จะพบอิเล็กตรอน..ตรงนี้ มากกว่าที่คุณจะอยู่ตรงนี้
แต่อิเล็กตรอนจริง ๆ แล้วอาจจะอยู่ที่ใดก็ได้
อาจจะเป็นตรงนี้ แม้ว่าพื้นที่นี้จะเห็นเป็นสีขาวก็ตาม
แต่ก็จะมีโอกาสเจอน้อยมาก ๆ ๆ ๆ ๆ ๆ
บริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนอยู่นี้ เราเรียกว่า..
ออร์บิทอล (orbital)
อย่าไปสับสนกับคำว่าวงโคจร (orbit) นะครับ
ออร์บิทอล (orbital)
จำไว้นะครับ ถ้าเป็นวงโคจร (orbit) จะเป็นแบบนี้
เหมือนกับดาวศุกร์โคจรไปรอบ ๆ ดวงอาทิตย์
ซึ่งเราจินตนาการได้ง่ายมาก
แต่สำหรับออร์บิทอล จริง ๆ แล้วเป็นฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ของ "ความน่าจะเป็น"
ที่บอกว่า เราน่าจะเจออิเล็กตรอนได้ที่ใดบ้าง
ซึ่งเราจะได้เรียนละเอียดมากขึ้นในหัวข้อกลศาสตร์ควอนตัมนะครับ
เราจะยังไม่พูดถึงในส่วนบทนำนี้
แต่มันน่าสนใจ ใช่มั้ยครับ?
จะเห็นได้ว่า อิเล็กตรอนนั้นมีพฤติกรรมที่แปลกประหลาด
ซึ่งที่เราบอกว่ามันเป็น "อนุภาค" นั้นอาจทำให้เข้าใจผิดได้
แม้ว่าเราจะเรียกมันว่าเป็นอนุภาค
แต่ก็ไม่ได้มีความหมายเช่นเดียวกับอนุภาคที่เราเข้าใจกันทั่ว ๆ ไป
แต่อิเล็กตรอนเป็นสิ่งที่เราไม่สามารถบอกได้อย่างแท้จริงว่ามันอยู่ที่ไหนกันแน่
มันอาจอยู่ที่ใดก็ได้ในบริเวณหมอกนี้
ซึ่งเราจะได้เรียนต่อไปว่า หมอกนี้เป็นรูปร่างหลายแบบ
หมอกนี้ เหมือนกับเราใส่อิเล็กตรอนเข้าไปในอะตอม
สำหรับผมแล้ว การคิดแบบนี้จะทำให้สับสนได้
ว่าสสารนั้น จริง ๆ แล้วคืออะไรกันแน่ หรือว่าสิ่งต่าง ๆ ที่เรามองเห็นอยู่นี้
หรือว่าสิ่งต่าง ๆ ที่เรามองเห็นอยู่นี้ มีอยู่จริง ๆ หรือเปล่า?
อย่างน้อยเราก็บอกได้ว่ามันมีอยู่จริง
แต่ตอนนี้ ผมยังไม่อยากพูดในเชิงทฤษฎีมากนัก
สำหรับอิเล็กตรอน และโปรตอนนั้น
เราสามารถบอกได้จากประจุ
เราเคยพูดถึงเรื่องนี้มาแล้ว
ตอนที่เราเรียนเกี่ยวกับกฎของคูลอมบ์
คุณไปทบทวนเรื่องกฎของคูลอมบ์จากวิดีโอในวิชาฟิสิกส์ได้นะครับ
สำหรับอิเล็กตรอนนั้น มีประจุลบ
ส่วนโปรตอน.. บางครั้งเราจะเขียนแบบนี้ (P+)
โปรตอนจะมีประจุบวก
และนิวตรอน จะไม่มีประจุ
ถ้าเป็นอย่างนั้น ก็น่าสงสัสยว่า
แล้วแบบจำลองของอิเล็กตรอนที่เราพูดถึงตอนแรกล่ะครับ
ที่บอกว่า ตรงนี้เป็นประจุบวก ใช่มั้ยครับ
ซึ่งประกอบด้วย 2 นิวตรอนและ 2 โปรตอน
ถ้านี่คืออะตอมของธาตุฮีเลียม
ดังนั้น ก็จะมีประจุบวกตรงนี้
และมีประจุลบด้านนอกตรงนี้
ประจุตรงกันข้ามจะดึงดูดกัน
และถ้าประจุเหล่านี้มีความเร่งสูงพอ
มันก็จะวิ่งไปรอบ ๆ แบบนี้
แบบเดียวกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์
แต่ตอนนี้ เรารู้แล้วว่า ที่กล่าวมานั้นเป็นจริงแค่บางส่วน
ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากเท่าไร
ก็จะยิ่งมีพลังงานศักย์มากขึ้นเท่านั้น
ทำให้มันอยากที่จะเคลื่อนที่เข้าหานิวเคลียส
แต่เนื่องจากกลศาสตร์ในระดับควอนตัม
ทำให้มันไม่ได้เคลื่อนที่แบบง่าย ๆ แบบนั้น
แบบที่ดาวหางโคจรรอบดวงอาทิตย์
แต่จริง ๆ แล้ว อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่คล้ายกับคลื่น
ซึ่งอธิบายได้โดยอาศัยฟังก์ชันความน่าจะเป็น
สำหรับอิเล็กตรอน.. ยิ่งห่างจากนิวเคลียสมากเท่าใด
ก็ยิ่งมีพลังงานศักย์มากขึ้นเท่านั้น
ซึ่งในอนาคตเราจะทำวิดีโออธิบายเพิ่มเติมนะครับ
อย่างไรก็ตาม เราจะรู้ได้อย่างไรว่า ธาตุนี้คือธาตุอะไร
ผมได้พูดเกี่ยวกับทฤษฎีต่าง ๆ ให้ฟังไปเยอะ
แต่เราจะรู้ได้อย่างไรว่า นี่คือฮีเลียม
เราจะรู้จากจำนวนนิวตรอนหรือเปล่า?
หรือว่าจะรู้จากจำนวนโปรตอน?
หรือจากจำนวนอิเล็กตรอน?
คำตอบก็คือ เราจะรู้ได้จากจำนวนโปรตอนนะครับ
ดังนั้น ถ้าเรารู้ว่าธาตุนั้นมีจำนวนโปรตอนเท่าใด
เราก็จะบอกได้ว่าธาตุนั้นคือธาตุอะไร
และจำนวนโปรตอนนี้เอง
ที่เป็นตัวกำหนดเลขอะตอม (atomic number)
เอาล่ะครับ... ถ้าผมบอกว่า ธาตุชนิดหนึ่งมี 4 โปรตอน
เราจะรู้ได้อย่างไรว่าธาตุนั้นคืออะไร?
ถ้าเราไม่อยากนั่งท่องจำ
เราก็ไปดูได้จากตารางธาตุ ซึ่งเราจะทำวิดีโอเรื่องนี้เยอะเลยครับ
ลองหาธาตุที่มี 4 โปรตอนนะครับ นั่นก็คือ เบริลเลียม
ตรงนี้ครับ
และเลขอะตอม ก็คือตัวเลขที่คุณเห็นข้างบนนี่
นั่นก็คือ จำนวนโปรตอนนั่นเอง
เลขอะตอมนี้ เป็นสิ่งที่ทำให้ธาตุต่าง ๆ แตกต่างกัน
ถ้าธาตุหนึ่งมี 15 โปรตอน ... ธาตุนั้นก็คือ..ฟอสฟอรัส
ถ้าคุณมี 7 โปรตอน ... คุณก็คือ...
ไนโตรเจน
ถ้าคุณมี 8 โปรตอน ธาตุนั้นก็คือ ออกซิเจน
นั่นคือสิ่งที่กำหนดความเป็นธาตุ
ซึ่งไว้ในบทเรียนต่อไป เราก็จะได้พูดถึงว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับประจุและอื่น ๆ
หรือจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีการรับ หรือสูญเสียอิเล็กตรอน
แต่นั่นก็ไม่ได้ทำให้ธาตุนั้นเปลี่ยนไปเป็นธาตุอื่น
ในทำนองเดียวกัน ถ้าจำนวนนิวตรอนเปลี่ยนไป
ก็ไม่ทำให้ธาตุนั้นเปลี่ยนไปเป็นธาตุอื่นเช่นกันนะครับ
ถ้าเราถามว่า ธาตุหนึ่ง ๆ จะมีจำนวนนิวตรอนและอิเล็กตรอนเท่าไร
อือม...ถ้าอะตอมเป็นกลาง นั่นก็หมายความว่า
นั่นก็หมายความว่า มีจำนวนอิเล็กตรอนกับโปรตอนเท่ากัน
ดังนั้นสมมติว่า ผมมีคาร์บอน
คาร์บอน มีเลขอะตอมเท่ากับ 6
และคาร์บอน มีเลขมวล (mass number) เท่ากับ 12
หมายความว่าอย่างไรครับ...
ถ้าผมบอกว่า นี่เป็นอนุภาคที่เป็นกลาง นี่คืออะตอมที่เป็นกลาง
ดังนั้น ถ้าเลขอะตอมของคาร์บอนเท่ากับ 6
นั่นก็คือจำนวนโปรตอนของคาร์บอนนั่นเอง
ดังนั้น ถ้าผมวาดแบบจำลองนี้
โดยวาด 6 โปรตอน - 2, 3, 4, 5, 6
6 โปรตอนอยู่ตรงกลาง
และสำหรับน้ำหนักของโปรตอนเหล่านี้
แต่ละโปรตอนจะหนักเท่ากับ 1 หน่วยมวลอะตอม (atomic mass unit)
ซึ่งเราจะพูดถึงต่อไปว่าจะคิดเป็นกิโลกรัมได้อย่างไร
เพราะมันเป็นส่วนน้อยนิดเดียวใน 1 กิโลกรัม
คิดคร่าว ๆ ประมาณ 1.67 x 10 ยกกำลัง -27 กิโลกรัม เท่านั้น
ดังนั้น ถ้าแต่ละโปรตอนเท่ากับ 1 หน่วยมวลอะตอม
นั่นก็คือประมาณ 1.67 x 10 ยกกำลัง -27 กิโลกรัม
นี่เป็นตัวเลขที่เล็กมาก ๆ
ซึ่งจริง ๆ แล้วแทบจะมองไม่เห็นเลยครับ
อย่างน้อย ผมก็คิดอย่างนั้น
นี่เป็นสิ่งที่บอกผมว่า มวลของอะตอมของคาร์บอนนั้นเท่ากับเท่าไร
โดยเฉพาะคาร์บอนอะตอม
และจริง ๆ แล้วสามารถเปลี่ยนอะตอมของคาร์บอนหนึ่งไปเป็นอีกอะตอมหนึ่ง
และนี่แท้ที่จริงก็คือ น้ำหนักรวมของโปรตอนทั้งหมดบวกกับนิวตรอนทั้งหมด
โดยแต่ละโปรตอนมีมวลอะตอมเท่ากับ 1 หน่วยมวลอะตอม
และแต่ละนิวตรอนมีมวลอะตอมเท่ากับ 1 หน่วยมวลอะตอม
ดังนั้น น้ำหนักอะตอมก็จะเท่ากับจำนวนโปรตอนบวกกับจำนวนนิวตรอน
ดังนั้น ถ้าเรามี 6 โปรตอน เราก็จะมี 6 นิวตรอน
6 นิวตรอนหกบวกกับ 6 โปรตอน
แล้วอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนครับ
ที่ผมบอกไปแล้วว่า อะตอมเป็นกลาง
แสดงว่าโปรตอนซึ่งมีประจุบวกมีจำนวนเท่ากับอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ
ดังนั้น ถ้าอะตอมนี้เป็นกลาง และมี 6 โปรตอน
ก็จะมี 6 อิเล็กตรอนด้วยเช่นกัน
เดี๋ยวผมวาดให้ดูนะครับ ..เรามี 6 นิวตรอนในนี้
หนึ่ง สอง สาม สี่ ห้า หก
นี่ก็คือนิวเคลียส ..อยู่ตรงนี้นะครับ
ถ้าเราจะวาดอิเล็กตรอน
ผมจะวาดเป็นหมอกก็ได้ แต่ถ้าจะให้เห็นชัดเจน
ผมจะวาด 6 อิเล็กตรอนโคจรรอบ ๆ
หนึ่ง สอง สาม สี่ ห้า หก
อิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ โดยไม่มีทิศทางแน่นอน
ซึ่งจะต้องอธิบายโดยอาศัยฟังก์ชันความน่าจะเป็น
สิ่งน่าสนใจตรงนี้ก็คือ มวลส่วนใหญ่ของอะตอมจะอยู่ที่นี่
ซึ่งคุณอาจสังเกตว่า เวลาเราพูดถึงมวลของอะตอม
หรือเลขมวลอะตอมของอะตอมหนึ่ง ๆ
เราจะไม่พูดถึงอิเล็กตรอนเลย
เพราะว่ามวลของโปรตอนหนึ่ง ๆ
จะเท่ากับ 1,836 อิเล็กตรอน
ดังนั้น โดยทั่วไป เวลาพูดถึงมวลของอะตอม
เราไม่จำเป็นต้องคิดถึงมวลของอิเล็กตรอน
หรือกล่าวได้ว่า มวลของนิวเคลียส ก็คือมวลของอะตอมนั่นเอง
ถึงตอนนี้ ถ้าเรามาดูตารางธาตุ..ตรงข้างบนนี้เป็นเลขอะตอม
เช่น เลขอะตอมของออกซิเจนเท่ากับ 8
หมายความว่า ออกซิเจนมี 8 โปรตอน
เลขอะตอมของซิลิคอนเท่ากับ 14
นั่นก็คือมี 14 โปรตอน
แล้วตัวเลขข้างล่างนี่คืออะไรครับ...
ลองมาดูที่คาร์บอน
คาร์บอน มีเลข 12.0107 ตรงนี้
นั่นคือน้ำหนักอะตอม (atomic weight) ของคาร์บอน
รอให้ผมเขียนก่อนนะครับ
น้ำหนักอะตอมของคาร์บอนเป็น 12.0107
แล้วมันหมายความว่าอะไร
หมายความว่า คาร์บอนซึ่งมี 6 โปรตอน
ส่วนที่เหลือเป็น 6.0107 นิวตรอน
หมายความว่าแต่ละนิวตรอนจะหนักโดยเฉลี่ยจากตัวเลขนี้หรือเปล่า?
ไม่ใช่นะครับ
แต่มันหมายความว่า ถ้าเรานำคาร์บอนที่เคยพบทั้งหมดในโลกนี้มา
แล้วเอาจำนวนนิวตรอนมาเฉลี่ยกันตามปริมาณคาร์บอนแต่ละชนิด
จะได้ค่าเฉลี่ยค่านี้ออกมา
เราจะพบว่า สำหรับคาร์บอนนั้น มี 2 ชนิดใหญ่ ๆ
ที่พบมากที่สุดคือ คาร์บอน-12
เขียนแบบนี้นะครับ
ซึ่งจะมี 6 โปรตอนและ 6 นิวตรอน
ส่วนคาร์บอนอีกรูปหนึ่ง (หรืออีกไอโซโทปหนึ่ง)
ไอโซโทปคือธาตุเดียวกันที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
อีกไอโซโทปหนึ่งของคาร์บอนคือ คาร์บอน-14
ซึ่งพบน้อยกว่ามากในโลกนี้
แต่เราไม่ทราบว่ามีมากแค่ไหนในจักรวาลนะครับ
ถ้าเราจะหาค่าเฉลี่ยของจำนวนนิวตรอน จะหาตรง ๆ ไม่ได้นะครับ
เพราะถ้าทำอย่างนั้น คุณจะได้คาร์บอน-13
และน้ำหนักอะตอมก็จะเท่ากับ 13
แต่เดี๋ยวก่อน..ปริมาณคาร์บอน-12 ในโลกนี้มีมากกว่าคาร์บอน-14 มาก
นี่เป็นคาร์บอนส่วนใหญ่ที่เราเห็นอยู่
ซึ่งมีคาร์บอน-14 อยู่นิดหน่อย
ดังนั้นถ้าคุณเฉลี่ยโดยให้น้ำหนักที่ถูกต้อง
เราจะได้ค่าเฉลี่ยเป็นค่านี้ (12.0107)
ดังนั้น สำหรับคาร์บอนส่วนใหญ่ที่ใดก็ตาม
ค่าเฉลี่ยของน้ำหนักมวลของอะตอมคาร์บอนจะเท่ากับ 12.0107
แต่ว่าแนวคิดของไอโซโทปมีข้อหนึ่งที่น่าสนใจ
จำได้ไหมครับ ถ้าคุณเปลี่ยนจำนวนนิวตรอน
คุณไม่ได้ทำให้ธาตุนั้นกลายเป็นธาตุอื่น
เพียงแต่ทำให้เกิดไอโซโทปที่ต่างไปจากเดิม เป็นอีกเวอร์ชันหนึ่งของธาตุเดิม
ดังนั้น ทั้งคาร์บอน-12 และ 14 นี้จัดเป็นไอโซโทป
เอาล่ะครับ ถึงตอนนี้ผมจะหยุดวิดีโอไว้แค่นี้ก่อน
ซึ่งผมคิดว่ามีอีกแนวคิดหนึ่งเกี่ยวกับอะตอมที่น่าสนใจมาก
และก็มีทฤษฎีต่าง ๆ กล่าวถึงเรื่องนี้
นั่นคือ ขนาดของอะตอม
เรารู้ว่าอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก ๆ เมื่อเทียบกับมวลของทั้งอะตอม
คือประมาณ 1/2000 ของมวลอะตอมเท่านั้น
และก็อธิบายยากว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคหรือไม่
เพราะเราไม่สามารถบอกได้แน่ชัดว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ใดในอะตอม
และเคลื่อนที่ได้เร็วมากน้อยเพียงใด
เพราะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นฟังก์ชันของความน่าจะเป็น
ดังนั้นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของอะตอมจึงอยู่ภายในนิวเคลียส
และนี่คือสิ่งน่าสนใจ
ถ้าคุณมองอะตอมในภาพรวม
แล้วบอกว่า นี่คืออะตอมของฉัน
สมมติว่า ผมมีอะตอม 2 อะตอมจับกันอยู่
และถ้าผมถามว่า ขนาดที่แท้จริงจะเท่ากับเท่าใด
ซึ่งค่อนข้างเป็นนามธรรมนะครับ
เพราะว่าเรากำลังพูดถึงนิวเคลียส ใช่ไหมครับ
เรารู้ว่านิวเคลียสเป็นที่รวมของสิ่งที่เป็นมวลของอะตอม
เป็นที่รวมของทุกอย่าง
กลับกลายเป็นว่า..จริง ๆ แล้ว ส่วนนิวเคลียสนี้เป็นส่วนเล็กนิดเดียวของ "ปริมาตร" ของอะตอม
ซึ่งอะตอมมีปริมาตรแค่ไหนนั้นบอกได้ยาก
เพราะอิเล็กตรอนอาจอยู่ที่ใดก็ได้
แต่ถ้าเรามองปริมาตรของอะตอมเป็นปริมาตรที่เรามีโอกาสพบอิเล็กตรอนได้มากที่สุด
หรือ 90% ที่มีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน
จะพบว่า นิวเคลียสนั้นเท่ากับ 1/10000 ของปริมาตรของอะตอมเท่านั้น
ลองคิดดูนะครับ..เหมือนเวลาที่มองดูสิ่งต่าง ๆ
ไม่ว่าจะเป็นมือเรา หรือผนัง
หรือเครื่องคอมพิวเตอร์ จะพบว่า 99.99% เป็นพื้นที่ว่าง
มันไม่มีอะไรเลยครับ มันเป็นเพียงสุญญากาศ
ถ้าคุณมีอนุภาคอะไรก็ตามที่มีขนาดเล็กมาก ๆ
อนุภาคส่วนใหญ่จะวิ่งเลยผ่านสิ่งใด ๆ ก็ตามที่คุณมองดูอยู่
ตอนนี้ เราก็เริ่มสงสัยว่าอะไรกันแน่ที่เป็นจริง
อะไรอยู่ตรงนั้น นี่เป็นข้อเท็จจริง ไม่ใช่ทฤษฎี
แต่ถ้าคุณจับทุกอย่างมาลงในแม่แบบ ในระดับอะตอม
ก็จะพบว่าพื้นที่ส่วนใหญ่ก็เป็นพื้นที่ว่างเช่นกัน เป็นสุญญากาศ
ซึ่งเราสามารถผ่านเข้าไปในที่ว่างเหล่านั้นได้เช่นกัน
จากรูปอะตอมเป็นฮีเลียมนี้
ตรงนี้เท่ากับ 1 เฟมโตมิเตอร์ (femtometer)
นี่คือมาตราส่วนของนิวเคลียสของอะตอมของฮีเลียม
1 เฟมโตมิเตอร์
และนี่คือ 1 อังสตรอม (angstrom) ใช่ไหมครับ
ซึ่งเท่ากับ 100000 เฟมโตมิเตอร์
ลองมาเปรียบเทียบดูนะครับ..
1 อังสตรอม เท่ากับ 10 x 10 ยกกำลัง -10 เมตร ใช่ไหมครับ
ดังนั้น อะตอมจะมีขนาดโดยประมาณอยู่ในช่วงอังสตรอม
ในกรณีของฮีเลียม นิวเคลียสยิ่งมีขนาดเล็กไปกว่านั้น
เพียง 1/100, 000 เท่านั้น
ดังนั้น หากคุณบอกว่า คุณมีฮีเลียมเหลว
ซึ่งคุณจะหนาวมากเลยครับ กว่าจะเอามาได้
หากคุณมองดู จะเห็นว่าพื้นที่ส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง
หากคุณกำลังมองลูกกรงเหล็ก จะเห็นพื้นที่ส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่างเช่นกัน
นี่เรายังไม่ได้พูดถึงพื้นที่ว่างที่อาจจะพบ "ภายใน" นิวเคลียสนะครับ
ซึ่งไว้เราจะพูดถึงในภายหลังนะครับ
จากตรงนี้ ทำให้ผมอึ้งไปเลยครับ..
ว่าสิ่งที่เราเห็นอยู่ไม่ใช่ของแข็ง
แต่เป็นเพียงพื้นที่ว่าง ที่ดูเหมือนเป็นของแข็ง
เนื่องจากแสงที่สะท้อนบนวัตถุนั้น
แต่จริง ๆ แล้ว ไม่มีอะไรที่เราจับต้องได้เลย
ส่วนใหญ่ตรงนี้ ก็คือพื้นที่ว่างทั้งหมด
เอาล่ะครับ ผมก็ได้พูดถึง พื้นที่ว่าง (free space) ไปแล้ว
สำหรับวิดีโอนี้ พอแค่นี้ก่อน ไว้ดูตอนถัดไปนะครับ