ชั้นอิเล็กตรอนคืออะไร

ชั้นอิเล็กตรอน: ชั้น ๆ ของอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในชั้นอิเล็กตรอน หรือเรียกว่าระดับพลังงาน ซึ่งทำงานคล้ายกับชั้นต่าง ๆ ของอาคาร ชั้นแรกอยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดและมีพลังงานต่ำที่สุด และแต่ละชั้นถัดไปอยู่ไกลออกไปและมีพลังงานสูงขึ้น

ชั้นอิเล็กตรอนมีหมายเลข 1, 2, 3 และต่อไป ไล่ออกจากนิวเคลียส และยังมีชื่อเป็นตัวอักษรด้วย คือ K, L, M และ N สำหรับสี่ชั้นแรก หมายเลขคาบของธาตุบอกว่าอะตอมของธาตุนั้นใช้กี่ชั้น โซเดียมอยู่ในคาบที่ 3 จึงมีอิเล็กตรอนอยู่ใน 3 ชั้น

แต่ละชั้นจุอิเล็กตรอนได้กี่ตัว

แต่ละชั้นจุอิเล็กตรอนได้จำนวนสูงสุดค่าหนึ่ง ตามสูตร 2n² โดย n คือหมายเลขชั้น ชั้นแรกจุได้ 2 × 1² = 2 ชั้นที่สองจุได้ 2 × 2² = 8 ชั้นที่สามจุได้ 2 × 3² = 18 และชั้นที่สี่จุได้ 2 × 4² = 32

อิเล็กตรอนเติมชั้นที่มีพลังงานต่ำสุดก่อน และเมื่อชั้นเต็มแล้ว อิเล็กตรอนตัวถัดไปจะเริ่มชั้นใหม่ที่อยู่ไกลออกไป อิเล็กตรอน 2 ตัวของฮีเลียมเต็มชั้นแรก อิเล็กตรอนตัวที่สามของลิเทียมจึงต้องไปอยู่ในชั้นที่สอง ได้การจัดเรียงเป็น 2, 1

รูปแบบ 2-8-8 สำหรับ 20 ธาตุแรก

สำหรับ 20 ธาตุแรก กฎง่าย ๆ ข้อเดียวบอกการจัดเรียงอิเล็กตรอนได้ คือใส่อิเล็กตรอน 2 ตัวในชั้นแรก ไม่เกิน 8 ตัวในชั้นที่สอง ไม่เกิน 8 ตัวในชั้นที่สาม และที่เหลือในชั้นที่สี่ คาร์บอน (6 อิเล็กตรอน) คือ 2, 4 โซเดียม (11) คือ 2, 8, 1 คลอรีน (17) คือ 2, 8, 7 อาร์กอน (18) คือ 2, 8, 8

ชั้นที่สามจุได้ 18 ตัว แต่โพแทสเซียม (19) คือ 2, 8, 8, 1 และแคลเซียม (20) คือ 2, 8, 8, 2 เพราะส่วนแรกของชั้นที่สี่มีพลังงานต่ำกว่าส่วนที่เหลือของชั้นที่สามเล็กน้อย ตั้งแต่สแกนเดียม (21) เป็นต้นไป อิเล็กตรอนจะกลับไปเติมชั้นที่สามอีก กฎ 2-8-8 จึงใช้ได้ถึงแคลเซียมเท่านั้น

การวาดแผนภาพของโบร์

แผนภาพของโบร์คือภาพร่างอย่างรวดเร็วของชั้นอิเล็กตรอนของอะตอม วาดวงกลมเล็ก ๆ แทนนิวเคลียสโดยมีสัญลักษณ์ของธาตุอยู่ข้างใน จากนั้นวาดวงแหวนหนึ่งวงต่อหนึ่งชั้น และวางอิเล็กตรอนบนวงแหวนเป็นจุด

ตัวอย่าง: โซเดียม เลขอะตอมคือ 11 อะตอมโซเดียมที่เป็นกลางจึงมีอิเล็กตรอน 11 ตัว ใส่ 2 ตัวบนวงแรก เหลือ 9 ใส่ 8 ตัวบนวงที่สอง เหลือ 1 และอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายอยู่โดดเดี่ยวบนวงที่สาม แผนภาพแสดง 2, 8, 1

ทำไมชั้นนอกจึงสำคัญ

อิเล็กตรอนในชั้นนอกสุด หรือเวเลนซ์อิเล็กตรอน เป็นตัวกำหนดว่าอะตอมจะทำปฏิกิริยาอย่างไร อะตอมที่มีชั้นนอกเต็ม เช่น นีออน (2, 8) และอาร์กอน (2, 8, 8) แทบไม่ทำปฏิกิริยาเลย ลิเทียม (2, 1) โซเดียม (2, 8, 1) และโพแทสเซียม (2, 8, 8, 1) ต่างก็มีอิเล็กตรอนชั้นนอก 1 ตัวที่ให้ไปได้ง่าย ทั้งสามจึงเป็นโลหะที่ว่องไวต่อปฏิกิริยา

แบบจำลองของโบร์และข้อจำกัด

นีลส์ โบร์ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก เสนอแบบจำลองนี้ในปี 1913 เขาเสนอว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรที่คงที่และมีพลังงานคงที่ และปลดปล่อยแสงเมื่อตกจากวงโคจรที่สูงกว่ามายังวงที่ต่ำกว่า ซึ่งอธิบายสีของแสงที่แน่นอนจากแก๊สไฮโดรเจนที่เรืองแสงได้ นับเป็นความสำเร็จยิ่งใหญ่ในยุคนั้น

อย่างไรก็ตาม แบบจำลองนี้มีข้อจำกัด มันทำนายแสงได้ถูกต้องเฉพาะจากไฮโดรเจนและอะตอมอื่นที่มีอิเล็กตรอนตัวเดียว และอิเล็กตรอนไม่ได้โคจรรอบนิวเคลียสเหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์จริง ๆ ในแบบจำลองควอนตัมสมัยใหม่ อิเล็กตรอนแต่ละตัวอยู่ในออร์บิทัล ซึ่งเป็นบริเวณที่มีโอกาสพบมัน และแต่ละชั้นแบ่งออกเป็นระดับพลังงานย่อยที่เรียกว่า s, p, d และ f ก็ยังเป็นเครื่องมือที่สะดวกในการนับอิเล็กตรอน ตราบใดที่จำไว้ว่ามันถูกทำให้ง่ายขึ้น