มนุษย์เรารู้กันมาเป็นพันปีแล้ว
เมื่อมองดูสิ่งแวดล้อมรอบตัวเรา
จะพบว่ามีสารต่าง ๆ แตกต่างกัน
สารที่แตกต่างกันเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันด้วย
และไม่เพียงแต่คุณสมบัติที่แตกต่างกันเท่านั้น
สารแต่ละชนิด อาจสะท้อนแสงแตกต่างกัน หรืออาจไม่สะท้อนแสงเลย
หรืออาจมีสี มีอุณหภูมิที่จำเพาะ
อาจเป็นของเหลว หรือก๊าซ หรือของแข็ง
มนุษย์เรายังได้สังเกตด้วยว่า
สารเหล่านี้ทำปฏิกิริยาต่อกันอย่างไรในสภาวะต่าง ๆ
และนี่คือตัวอย่างรูปภาพของสาร
ภาพนี้คือคาร์บอน และนี่คือคาร์บอนในรูปแกรไฟต์
นี่คือตะกั่ว และภาพนี้คือทอง
ซึ่งรูปทั้งหมดนี้
จะมีอยู่ในเวปไซต์ตรงโน้นนะครับ
สารที่กล่าวมานี้เป็นของแข็งทั้งหมด
แต่เราก็รู้ว่าสารบางอย่างอยู่ในอากาศ
เป็นอนุภาคในอากาศ
ขึ้นอยู่กับว่าอนุภาคในอากาศชนิดไหนที่เรากำลังดู
ไม่ว่าจะเป็นคาร์บอน ออกซิเจน หรือไนโตรเจน
ก็ดูเหมือนจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน
หรือ มีสารอื่น ๆ ที่เป็นของเหลว
หรือ ถ้าคุณเพิ่มอุณหภูมิของสารเหล่านี้ให้สูงพอ
เช่น ถ้าเพิ่มอุณหภูมิของทองและตะกั่วให้สูงมากพอ
ทองและตะกั่วก็จะเปลี่ยนเป็นรูปของเหลว
หรือ ถ้าคุณเผาคาร์บอน
ก็จะได้ก๊าซ
ซึ่งคุณสามารถปล่อยเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้
คุณสามารถทำให้สารเหล่านี้มีขนาดเล็กลงได้
สิ่งต่าง ๆ เหล่านี้คือ
สิ่งที่มนุษย์ได้สังเกตเห็นมานานหลายพันปีแล้ว
ซึ่งการสังเกตเหล่านี้ทำให้เกิดคำถามขึ้น
แล้วก็นำไปสู่การตั้งคำถามเชิงปรัชญาขึ้น
แต่ตอนนี้ เราอาจจะตอบคำถามเหล่านี้ได้บ้าง
เช่น ถ้าคุณทำให้คาร์บอนชิ้นนี้
แตกออกเป็นชิ้นเล็กลงเรื่อย ๆ
จนได้ชิ้นที่เล็กที่สุด
ชิ้นเล็ก ๆ เหล่านี้ (ของคาร์บอน)
จะยังมีคุณสมบัติของคาร์บอนอยู่หรือไม่?
และถ้าคุณทำให้ขนาดเล็กลงไปอีก
คุณจะสูญเสียคุณสมบัติต่าง ๆ ของคาร์บอนนี้หรือไม่?
คำตอบก็คือ ใช่
เรามีคำศัพท์ที่เรียกสารที่มีความแตกต่างกันเหล่านี้
ซึ่งเป็นสารบริสุทธิ์ (มีเพียงชนิดเดียว)
มีคุณสมบัติที่จำเพาะ ที่อุณหภูมิหนึ่ง ๆ
และสามารถทำปฏิกิริยาบางอย่างได้นี้
เราเรียกว่า "ธาตุ"
คาร์บอนเป็นธาตุชนิดหนึ่ง ตะกั่วเป็นธาตุชนิดหนึ่ง และทองก็เป็นธาตุชนิดหนึ่ง
คุณอาจจะบอกว่า น้ำก็เป็นธาตุชนิดหนึ่ง
ในอดีต มนุษย์เชื่อว่าน้ำจัดเป็นธาตุ
แต่ตอนนี้ เราทราบแล้วว่า น้ำประกอบด้วยธาตุมากกว่า 1 ชนิด
คือออกซิเจน และไฮโดรเจน
และธาตุทั้งหมด จะเขียนไว้ที่นี่
ใน "ตารางธาตุ"
C ย่อมาจากคาร์บอน
ผมจะเลือกให้ดูธาตุที่มีความสำคัญต่อมนุษยชาติ
ซึ่งคุณน่าจะคุ้นเคยกับธาตุเหล่านี้อยู่แล้ว
เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน ซิลิคอน
นี่คือ Au คือทองคำ นี่คือตะกั่ว
และส่วนประกอบพื้นฐานของธาตุเหล่านี้ ก็คือ "อะตอม"
ถ้าคุณทำให้สารเหล่านี้เล็กลงเรื่อย ๆ
ในที่สุด คุณจะได้อะตอมของคาร์บอน
เช่นเดียวกันกับทองคำ
ในที่สุด คุณจะได้อะตอมของทองคำ
เช่นเดียวกันกับสิ่งนี้
ในที่สุดคุณจะได้ชิ้นส่วนขนาดเล็กมาก
จะใช้คำว่าอะไรดี -- อนุภาค
ซึ่งเรียกว่า อะตอมของตะกั่ว
และคุณจะไม่สามารถทำให้อะตอมมีขนาดเล็กลงได้อีกต่อไป
และยังคงเรียกว่า ตะกั่ว
เพราะมันยังมีคุณสมบัติของตะกั่วอยู่
...ผมอยากบอกว่า
นี่เป็นสิ่งที่ผมมีปัญหาอย่างมากในการจินตนาการ
ว่า อะตอมมีขนาดเล็กอย่างไม่น่าเชื่อ
จริง ๆ ครับ ....มันมีขนาดเล็กกว่าที่คุณคิด
ยกตัวอย่าง... คาร์บอน
เส้นผมของผม ก็มาจากคาร์บอน
อันที่จริง ตัวผมเกือบทั้งตัว ก็มาจากคาร์บอน
ที่จริงแล้ว สิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิดก็มาจากคาร์บอน
เพราะฉะนั้น ถ้าคุณดึงเอาเส้นผมของผมไป.. เส้นผมของผมก็เป็นคาร์บอน
เส้นผมของผม ประกอบด้วยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่
ดังนั้นถ้าคุณดึงเอาเส้นผมของผมตรงนี้ไป
เส้นผมของผมไม่ใช่สีเหลืองนะครับ
แต่เส้นผมอันนี้ สีมันตัดกับสีดำ
เส้นผมของผมเป็นสีดำ แต่ถ้าผมใช้ของตัวเอง
คุณจะไม่มองไม่เห็นบนหน้าจอ
... ถ้าคุณเอาเส้นผมไป ผมอยากทราบว่า.....
เส้นผมของผม มีคาร์บอนจำนวนกี่อะตอม?
ถ้าคุณตัดเส้นผมในแนวขวาง (ไม่ใช่ตามยาว)
และถามว่า...
มีคาร์บอนจำนวนกี่อะตอม?
และคุณอาจจะพอเดาได้ ก็ซัลบอกฉันแล้วว่า อะตอมมีขนาดเล็กมาก
ดังนั้น น่าจะมีคาร์บอนจำนวนหลายพันอะตอมตรงนี้
หรืออาจเป็นหมื่น หรือเป็นแสน
..ผมจะบอกว่า ไม่ใช่หรอกครับ!
มีเป็นล้านอะตอมต่างหาก....
หรือพูดง่าย ๆ คือ คุณสามารถเอาคาร์บอน 1 ล้านอะตอมมาเรียงต่อกัน
จะเท่ากับความกว้างเฉลี่ยของเส้นผมมนุษย์
นั่นเป็นการประมาณนะครับ
จริง ๆ แล้ว คงไม่ใช่ 1 ล้าน
แต่เป็นการเปรียบเทียบให้คุณมองเห็นภาพว่า อะตอมมีขนาดเล็กแค่ไหน
ลองนึกดูซิครับ... ดึงเส้นผมจากศีรษะคุณ
แล้วเอาอะไรสักอย่างมาเรียงต่อกัน 1 ล้านชิ้น
ตามแนวขวางของเส้นผม
ไม่ใช่แนวยาวนะครับ... ตามความกว้างของเส้นผม
แค่ความกว้างของผมก็มองเห็นยากอยู่แล้ว
แต่นี่มีคาร์บอนเรียงกันอยู่ถึง 1 ล้านอะตอม
ต่อไปนี้ จะเป็นสิ่งที่สุดยอดมากของอะตอม
..เรารู้ว่า
มีโครงสร้างพื้นฐานที่สุด (อะตอม) ของคาร์บอนอยู่
โครงสร้างพื้นฐานที่สุด (อะตอม) ของธาตุใด ๆ
แต่สิ่งที่เจ๋งกว่านั้นคือ...
โครงสร้างพื้นฐานเหล่านี้มีความสัมพันธ์กัน
อะตอมของคาร์บอน ยังมีอนุภาคมูลฐานเป็นส่วนประกอบ
อะตอมของทองคำ ก็มีอนุภาคมูลฐานเป็นส่วนประกอบ
และอะตอมเหล่านี้ จริง ๆ แล้วเกิดขึ้นมาจาก....
การจัดเรียงตัวของอนุภาคมูลฐานเหล่านั้น
ซึ่งถ้าคุณเปลี่ยนแปลงจำนวนอนุภาคมูลฐานเหล่านี้
ก็จะทำให้คุณสมบัติของธาตุนั้นเปลี่ยนไป
การทำปฏิกิริยากับสารอื่นก็เปลี่ยนไป
หรืออาจจะทำให้ธาตุนั้นเปลี่ยนไปเป็นธาตุอื่น
...เพื่อให้เข้าใจมากขึ้น
เราจะมาคุยกันในรายละเอียดเรื่องนี้
สมมติว่า คุณมี "โปรตอน"
-จำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมหนึ่ง ๆ
เดี๋ยวผมจะพูดถึงนิวเคลียสทีหลังนะครับ
...นี่คือสิ่งที่กำหนดความเป็น "ธาตุ" ว่าธาตุนั้นเป็นธาตุอะไร
ถ้าคุณดูที่ตารางธาตุ..
จะเห็นว่า มีการเขียนเรียงลำดับของธาตุตาม "เลขอะตอม"
ซึ่ง "เลขอะตอม" นี้
ก็คือ จำนวนของโปรตอนในธาตุ นั่นเอง
ดังนั้น ตามคำจำกัดความ.. ไฮโดรเจนมี 1 โปรตอน
ฮีเลียมมี 2 โปรตอน และคาร์บอนมี 6 โปรตอน
คุณไม่สามารถทำให้คาร์บอน มี 7 โปรตอนได้
เพราะถ้ามี 7 โปรตอน จะกลายเป็นธาตุไนโตรเจน
ไม่ใช่คาร์บอนอีกต่อไป
ออกซิเจนมี 8 โปรตอน
ถ้าคุณเพิ่มอีก 1 โปรตอนเข้าไป
ก็จะไม่ใช่ออกซิเจนอีกต่อไป
แต่จะเป็นฟลูออรีนแทน
ดังนั้น จำนวนโปรตอนจึงเป็นตัวกำหนดว่าธาตุนั้นเป็นธาตุอะไร
เลขอะตอม จำนวนโปรตอน
จำนวนโปรตอน ....จำไว้ว่า
นั่นคือตัวเลขที่เขียนไว้ทางขวาด้านบนสุดตรงนี้
สำหรับแต่ละธาตุในตารางธาตุ
-จำนวนโปรตอน
จะเท่ากับเลขอะตอม
เลขเหล่านี้จะถูกใส่ไว้ด้านบนนี้ เพราะว่า...
ตัวเลขนี้บอกถึงความเป็นธาตุนั้น ๆ (ธาตุนั้นเป็นธาตุอะไร)
ส่วนประกอบของอะตอมอีก 2 ส่วน
ก็คือ "อิเล็กตรอน" และ "นิวตรอน"
...คุณลองนึกถึงภาพแบบจำลอง
- ซึ่งแบบจำลองนี้ เดี๋ยวเราจะได้เห็นเมื่อเราเรียนเคมีในตอนต่อ ๆ ไป
มันจะค่อย ๆ เป็นภาพจินตนาการมากขึ้น
ซึ่งค่อนข้างยากที่จะเข้าใจ
แต่เราอาจคิดถึงภาพเหล่านี้ได้ดังนี้
.. คุณมีโปรตอนและนิวตรอน
อยู่ตรงกลางของอะตอม
เรียกว่า "นิวเคลียส" ของอะตอม
ตัวอย่างเช่น คาร์บอน ซึ่งมี 6 โปรตอน
1, 2, 3, 4, 5 และ 6
คาร์บอน 12 ซึ่งเป็นคาร์บอนรูปแบบหนึ่ง
จะมี 6 นิวตรอน
คาร์บอน อาจมีหลายรูปแบบ
ซึ่งมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน
ดังนั้น จำนวนนิวตรอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ จำนวนอิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้
คุณก็ยังได้ธาตุชนิดเดิม
แต่จำนวนโปรตอนเปลี่ยนแปลงไม่ได้
เพราะถ้าจำนวนโปรตอนเปลี่ยนไป ธาตุนั้นจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่น
ดังนั้น ผมจะวาดนิวเคลียสของ คาร์บอน 12
1, 2, 3, 4, 5 และ 6
ตรงนี้ เป็นนิวเคลียสของคาร์บอน-12
บางครั้งจะเขียนแบบนี้
หรือบางครั้ง อาจจะเขียนจำนวนโปรตอนลงไปด้วย
...เหตุผลว่าทำไมเราจึงเขียน คาร์บอน-12
-- จำได้ใช่มั้ยครับว่า ผมเขียนนิวตรอนลงไป 6 ตัว
นี่คือผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ภายในนิวเคลียส
ธาตุคาร์บอนนี้ ตามคำจำกัดความมีเลขอะตอมเท่ากับ 6
ซึ่งเราจะเขียนไว้ตรงนี้ก่อน
เราจะได้จำได้
ดังนั้น ตรงกลางของอะตอมของคาร์บอน จะมีนิวเคลียส
ซึ่งคาร์บอน-12 จะมี 6 โปรตอนและ 6 นิวตรอน
คาร์บอนอีกรูปแบบหนึ่ง เช่น คาร์บอน 14
ก็ยังคงมี 6 โปรตอน แต่จะมี 8 นิวตรอน
ดังนั้น จำนวนนิวตรอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้
... นี่คาร์บอน 12 อยู่ตรงนี้
ถ้าคาร์บอน 12 มีความเป็นกลาง
ถ้ามันเป็นกลาง จะมี 6 อิเล็กตรอน
...ผมจะวาดอิเล็กตรอน 6 ตัวนะครับ
1, 2, 3, 4, 5, และ 6
นี่เป็นวิธีหนึ่ง ที่จะคิดเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียส
คือ คุณลองจินตนาการว่า ...
อิเล็กตรอนจะวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส
บินหึ่ง ๆ อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสนี้
นี่เป็นแบบจำลองให้เห็นภาพว่า
อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส
แต่ที่จริงแล้ว อาจไม่ถูกต้องนัก
เพราะอิเล็กตรอนจะไม่ได้วิ่งรอบ ๆ เหมือนกับดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์
แต่อย่างน้อยก็ให้นึกภาพตามนี้ไปก่อน
หรืออาจจินตนาการว่าอิเล็กตรอน "กระโดด" อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส
หรือบินหึ่ง ๆ อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส
แต่ถ้าคิดแบบนั้นอาจจะดูประหลาดสำหรับการเรียนเคมีระดับนี้
เพราะเรายังไม่ได้เรียนเกี่ยวกับควอนตัมฟิสิกส์
เพื่อให้เข้าใจว่าจริง ๆ แล้วอิเล็กตรอนทำอะไรอยู่
เพราะฉะนั้น แบบจำลองแบบแรกที่ควรจำไว้ก่อนคือ
ตรงกลางของอะตอมของคาร์บอน 12
จะมีนิวเคลียส
และมีอิเล็กตรอนกระโดดไปมารอบ ๆ นิวเคลียสนี้
... ซึ่งเหตุผลที่ว่าทำไมอิเล็กตรอนเหล่านี้
ไม่หลุดกระเด็นออกไปจากนิวเคลียส
แต่กลับติดอยู่กับนิวเคลียสแบบนี้
กลายเป็นส่วนหนึ่งของอะตอม
ก็เพราะว่า.. โปรตอนมีประจุเป็นบวก
และอิเล็กตรอนมีประจุลบ
นี่เป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งของอนุภาคพื้นฐานเหล่านี้
ถ้าคุณเริ่มคิดว่า....
ประจุคืออะไร
ก็จะเริ่มยากขึ้น
แต่สิ่งหนึ่งที่เรารู้
เวลาเราคุยกันเกี่ยวกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
ก็คือ การที่ประจุที่ต่างกันดึงดูดกันเข้าหากัน
นั่นเป็นวิธีคิดที่ดีที่สุดเกี่ยวกับเรื่องนี้นะครับ
โปรตอน กับอิเล็กตรอน
เนื่องจากมีประจุแตกต่างกัน
จึงดึงดูดเข้าหากัน
แต่นิวตรอนเป็นกลาง
จึงแค่นั่งอยู่เฉย ๆ ในนิวเคลียส
แต่นิวตรอนก็จะมีผลต่อคุณสมบัติของธาตุได้ในบางกรณี
สำหรับอะตอบของธาตุบางชนิด
ส่วนเหตุผลที่ว่า.. ทำไมอิเล็กตรอนจึงไม่บินออกไปอย่างอิสระ
ก็เพราะว่ามันถูกดึงดูดเข้าหานิวเคลียส
ด้วยแรงดึงดูดที่มากอย่างไม่น่าเชื่อ
- มันยากจริง ๆ นะครับ
ที่จะอธิบายให้เห็นภาพที่เกี่ยวกับฟิสิกส์ในเรื่องนี้
ถ้าเราจะมาคุยกันว่า..
อิเล็กตรอนนั้น จริง ๆ แล้วทำอะไรอยู่
-- ผมว่าพอแค่นี้ก่อน
แค่ว่า อิเล็กตรอนกระโดดไปรอบ ๆ ..ก็พอ
ไม่ใช่เข้าไปอยู่ในนิวเคลียสนะครับ
มาดูต่อกัน... ผมได้พูดถึงคาร์บอน 12 ไปแล้วว่า
จะถูกกำหนดด้วยจำนวนโปรตอน
ออกซิเจนจะถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอน 8 ตัว
แต่ย้ำอีกครั้งว่า.. อิเล็กตรอนสามารถทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนอื่น ๆ ได้
และอิเล็กตรอนเหล่านี้ก็อาจถูกอะตอมอื่นดึงไปได้
ซึ่งความเข้าใจเรื่องอิเล็กตรอนนี้ ที่จริงแล้ว
ทำให้เราสามารถเข้าใจเกี่ยวกับเคมีอย่างมาก
มันขึ้นอยู่กับว่าอะตอมนั้น ๆ มีกี่อิเล็กตรอน
หรือธาตุนั้น ๆ มีกี่อิเล็กตรอน
และอิเล็กตรอนเหล่านั้นมีการจัดเรียงตัวอย่างไร
รวมทั้งอิเล็กตรอนของธาตุอื่น ๆ ด้วยว่าเรียงตัวกันอย่างไร
หรือแม้แต่อะตอมของธาตุเดียวกัน
เราลองมาเริ่มทายกันว่า อะตอมของธาตุหนึ่ง ๆ
จะทำปฏิกิริยากับอะตอมของอีกธาตุหนึ่งได้อย่างไร
หรืออะตอมของธาตุหนึ่ง ๆ จะทำปฏิกิริยา..
หรือสร้างพันธะ หรือถูกดึงดูดเข้าหากัน
หรือผลักออกจากอะตอมของธาตุอื่นอย่างไร
ตัวอย่างเช่น....
ซึ่งเราจะได้เรียนต่อไปเกี่ยวกับเรื่องนี้ในตอนหน้า
..เป็นไปได้หรือไม่ว่าอะตอมหนึ่ง ๆ
จะมาดึงเอาอิเล็กตรอนจากคาร์บอนไป
ด้วยเหตุผลอะไรก็ตาม
.อะตอมที่เป็นกลางของธาตุบางชนิด
จะสามารถจับกับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุอื่น
ซึ่งอะตอมเหล่านี้
อาจดึงเอาอิเล็กตรอนจากคาร์บอนได้
ทำให้คาร์บอนมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าโปรตอน
ดังนั้น เราจะมี 5 อิเล็กตรอนและ 6 โปรตอน
และจะมีประจุรวมเป็นบวก
สำหรับคาร์บอน 12
ผมมี 6 โปรตอน และ 6 อิเล็กตรอน ประจุจะหักล้างกันหมด
ถ้ามีการสูญเสียอิเล็กตรอน 1 ตัว จะเหลือเพียง 5 ตัว
ทำให้ได้ประจุบวก
ซึ่งเราจะพูดอย่างละเอียดในตอนหน้า
เกี่ยวกับเรื่องนี้และเรื่องอื่น ๆ ตามหัวข้อ
ผมหวังอย่างยิ่งว่า คุณจะชอบนะครับ
อย่างน้อย การที่ได้เริ่มต้นครั้งนี้แล้วก็ถือว่าเยี่ยมมากครับ
เราก็ได้เข้าใจถึงโครงสร้างมูลฐาน
ที่เรียกว่าอะตอม.. แล้วนะครับ
และที่ดีกว่านั้น
และเรายังรู้ว่าอะตอมนี้
ยังประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน
ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้
ทำให้คุณสมบัติของอะตอมเปลี่ยนไป
หรือแม้กระทั่งเปลี่ยนอะตอมของธาตุหนึ่ง
ไปเป็นอะตอมของอีกธาตุหนึ่ง ...