บทที่ 2 อะตอมและสมบัติของธาตุ

บทที่ 2 อะตอมและสมบัติของธาตุ

แบบจำลองอะตอม

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

   ในปีพ.ศ.2346 จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงมวลของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยาเคมี ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้

   1.ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้

   2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน เช่น มีมวลเท่ากัน แต่จะมีสมบัติแตกต่างกันจากอะตอมของธาตุอื่น

   3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

แบบจำลองอะตอมตามทฤษฎีดอลตัน

   ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง ต่อมาได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเพิ่มขึ้น และค้นพบว่ามีข้อมูลบางประการไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของดอลตัน เช่นพบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีมวลแตกต่างกันได้ อะตอมสามารถแบ่งแยกได้ แนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

   ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ได้มีการค้นพบรังสีชนิดหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า รังสีแคโทด (cathode ray) ที่ได้จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชื่อ Julius Plicker ซึ่งใช้หลอดแก้วที่สูบอากาศออก และมีอิเล็กโตรด 2 อันอยู่คนละข้าง (แอโนดเป็นขั้วไฟฟ้าบวก และแคโทดเป็นขั้วไฟฟ้าลบ) ของหลอดแก้ว และต่อไปยังไฟฟ้าที่มีศักย์สูง ทำให้เกิดรังสีขึ้นภายในหลอดแก้ว เรียกว่า รังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด

   และในปี 1897 ได้มีผู้ทำการทดลองเกี่ยวกับรังสีแคโทดนี้ โดยค้นพบว่ามีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ ซึ่งต่อมาเรียกว่า "อิเล็กตรอน" จากรังสีแคโทด เขาผู้นี้คือ เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ( Sir Joseph John Thomson ) ดังนั้นความเชื่อที่เข้าใจกันว่าอะตอมแบ่งแยกอีกไม่ได้ จึงไม่ถูกต้องอีกต่อไป และ ทอมสันได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่ ดังนี้ "อะตอมมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบ อะตอมโดยปกติอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งทำให้ทั้งสองประจุนี้มีจำนวนเท่ากันและกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอภายในอะตอม โดยมีการจัดเรียงที่ทำให้อะตอมมีสภาพเสถียรมากที่สุด" ดังรูป

   แต่แบบจำลองอะตอมของทอมสันนี้ยังไม่สามารถอธิบายข้อสงสัยบางอย่างได้ เช่น ประจุไฟฟ้าบวกอยู่กันได้อย่างไรในอะตอม และไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติอื่นๆของอะตอม ตัวอย่างเช่น สเปกตรัมที่แผ่ออกมาจากธาตุ ในช่วงเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเพิ่มเติมและมีข้อมูลเพิ่มขึ้น ซึ่งแบบจำลองอะตอมของทอมสันไม่สามารถอธิบายได้

แบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด

   เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ( นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ) ไปที่แผ่นโลหะบาง ในปี พ.ศ.2449 และพบว่าอนุภาคนี้ สามารถวิ่งผ่านได้เป็นจำนวนมาก แต่จะมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นอนุภาคที่กระเจิง ( การที่อนุภาคเบนจากแนวการเคลื่อนที่จากที่เดิมไปยังทิศทางต่างๆกัน ) ไปจากแนวเดิมหรือสะท้อนกลับทางเดิม

จากการทดลองนี้ รัทเธอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมว่า " อะตอมมีลักษณะโปร่ง ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่ที่ศูนย์กลางเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อเทียบกับขนาดของนิวเคลียส และระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นที่ว่างเปล่า"แต่แบบจำลองนี้ยังมีข้อกังขาที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้คือ

   1อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้พลังงานจลน์ลดลง ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสตามแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด จึงไม่สูญเสียพลังงาน และไปรวมอยู่ที่นิวเคลียส

   2.อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เมื่อวิ่งวนรอบนิวเคลียสจะจัดการเรียงตัวอย่างไร

   3.ประจุบวกที่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส จะอยู่กันได้อย่างไร ทั้งๆที่เกิดแรงผลัก

รูปแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด 

แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

   นีลส์โบร์ได้เสนอแบบจำลองอะตอม โดยอาศัยทฤษฎีของพลังค์และอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ ที่เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับความถี่ของคลื่น ( ควอนตัม ) รวมทั้งความรู้เรื่องของเส้นสเปกตรัม

เรื่องเส้นสเปกตรัม

   เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงาน จึงขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น ทำให้อะตอมไม่เสถียร อิเล็กตรอนจึงคาย พลังงานเท่ากับพลังงานที่ได้รับเข้าไปพลังงานส่วนใหญ่ที่คายออกอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏเป็นเส้น สเปกตรัม 2. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน อาจมีการเปลี่ยนข้ามขั้นได้ 3. อิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียส 4. ระดับพลังงาต่ำอยู่ห่างกันมากกว่าระดับพลังงานสูง ระดับพลังงานยิ่งสูงขึ้นจะยิ่งอยู่ชิดกันมากขึ้น

สรุปแบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

1.อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆตามระดับพลังงานและแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุด

ยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น

อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน

n =  1   ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2 , n = 3,…….ตามลำดับ  หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M  ,N  ,O ,  P , Q ….

รูปแบบจำลองอะตอมของนีลโบร์

แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก

   จากแบบจำลองอะตอมของโบร์ ไม่สามารถอธิบายสมบัติบางอย่างของธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงมีการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาคการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาค

สรุปแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองนี้เชื่อว่า
   1.อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่เคลื่อนที่ไปรอบๆนิวเคลียสเป็นรูปทรงต่างๆตามระดับพลังงาน
   2.ไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนไ้ด้ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากและเคลื่อนที่รวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม
   3.อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส บริเวณที่มีหมอกทึบแสดงว่ามีโอกาสพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีหมอกจาง ดังรูปที่แสดงไว้

อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป

อนุภาคในอะตอม
   ในปีพ.ศ.2451 รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยอาศัยการสังเกตหยดน้ำมันในสนามไฟฟ้า ดังรูป

การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน

    เมื่อละอองน้ำมันที่ร่วงผ่านรูบนขั้วไฟฟ้าบวกกระทบรังสีจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น ทำให้ละอองน้ำมันบางหยดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวก บางหยดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ และบางหยดลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้า และจากความสัมพันธ์ของน้ำหนักของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งเท่ากับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้า ทำให้สามารถคำนวนค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันได้ ซึ่งพบว่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันมีค่าเป็นจำนวนเท่าของ1.6 x 10^–19 คูลอมบ์ เมื่อนำมาคำนวนร่วมกับค่าประจุต่อมวลที่รายงานไว้โดยทอมสันจะได้มวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ9.11 X 10^-28 กรัม
 ในปีพ.ศ.2429 ออยเกน โกลด์ชไตน์ ได้ทำการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยการสลับตำแหน่งของแคโทดและแอโนด ดังรูป

หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลง

   ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปพบว่า ฉากเกิดการเรืองแสง แสดงว่ามีรังสีออกจากแอโนด ซึ่งโกลด์ชไตน์เรียกรังสีชนิดนี้ว่า รังสีแคแนล หรือรังสีแอโนด ซึ่งมีประจุบวก โกลด์ชไตน์ได้ทำการทดลองกับแก๊สหลายชนิดพบว่ารังสีแอโนดมีค่าประจุต่อมวล (e/m)ไม่คงที่ จนกระทั่งกลุ่มนักวิจัยนำทีมโดยรัทเทอร์ฟอร์ดและทอมสันได้ทำการศึกษาหลอดในลักษณะเดียวกันที่บรรจุแก๊สไฮโดรเจน ทำให้ได้ข้อสรุปว่าอนุภาคบวกมีค่าประจุเท่ากันกับอิเล็กตรอน และหาค่ามวลของประจุบวกได้เป็น1.66 x 10^-24 กรัม ซึ่งมากกว่ามวลของอิเล็กตรอนประมาณ1840 เท่า เรียกอนุภาคนี้ว่า โปรตอน
 ในปี พ.ศ. 2475 เจมส์ แชดวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังอะตอมของธาตุต่างๆและทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเที่ยงสูง ทำให้ทราบว่าในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าและเรียกอนุภาคนี้ว่า นิวตรอนซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน การค้นพบนิวตรอนช่วยอธิบายและสนับสนุนข้อมูลเกี่ยวกับมวลของอะตอม ซึ่งพบว่ามีค่ามากกว่ามวลรวมของโปรตอน เช่น ธาตุคาร์บอนมีมวลของโปรตอนรวมกัน 6 หน่วย แต่มวลของอะตอมมีค่า 12 หน่วย และมวลของธาตุส่วนใหญ่มีค่าเป็น 2 เท่าหรือมากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตอนทั้งหมดรวมกัน ดังนั้น อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน จึงเป็น อนุภาคในอะตอม ซึ่งอนุภาคแต่ละชนิดมีรายละเอียด ดังนี้ 

เลขอะตอม เลขมวล และ ไอโซโทป
   อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอม และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับจำนวนโปรตอนเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียส อะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่น ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนเรียกว่า เลขอะตอม และเนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก ดังนั้นมวลของอะตอมส่วนใหญ่จึงเป็นมวลของนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน เรียกผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนว่า เลขมวล เช่น คาร์บอนมี 6 โปรตอนจึงมีเลขอะตอมเท่ากับ 6 โดยอาจมี 6  หรือ 7 นิวตรอน จึงมีเลขมวลเป็น 12 หรือ 13 ตามลำดับ
 สัญลักษณ์ที่เขียนแสดงรายละเอียดเกี่ยวกับสัญลักษณ์ของธาตุ เลขอะตอม และเลขมวลของอะตอม เรียกว่า สัญลักษณ์นิวเคลียร์ วิธีเขียนที่ตกลงกันเป็นสากล ให้เขียนเลขอะตอมไว้ด้านล่างซ้าย และเลขมวลไว้ด้านบนซ้ายของสัญลักษณ์ 

   อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจมีได้หลายค่า ทำให้อะตอมของธาตุเดียวกันมีมวลต่างกัน เฟรเดอริก ซอดดี นักเคมีชาวอังกฤษ เรียกอะตอมของธาตุเดียวกันที่มีเลขมวลต่างกันว่า ไอโซโทป ธาตุชนิดหนึ่งอาจมีหลายไอโซโทป บางไอโซโทปมีอยู่ในธรรมชาติและบางไอโซโทปได้จากการสังเคราะห์ เช่น ไฮโดรเจน มี 3 ไอโซโทป มีเลขมวล 1 2 และ 3 มีชื่อเฉพาะว่า โปรเทียม ดิวทีเรียม และทริเทียม ตามลำดับ ไฮโดรเจนที่เกิดในธรรมชาติมีปริมาณโปรเทียมอยู่ถึงร้อยละ 99.99 แต่ละไอโซโทปของไฮโดรเจนมีชื่อเฉพาะและใช้สัญลักษณ์แทนดังตาราง

การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน
   จากการศึกษาแบบจำลองอะตอม ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆและอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าใด พิจารณา ดังตาราง

   พิจารณาข้อมูลในตารางจะพบว่า จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่1 มีได้มากที่สุด 2 อิเล็กตรอน ระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุด 8 อิเล็กตรอน สำหรับระดับพลังงานที่ 3 นั้นจากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีได้มากที่สุด 18 อิเล็กตรอน นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้ในแต่ละระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ2n² เมื่อ n คือตัวเลขแสดงระดับพลังงาน

   ถ้าพิจารณาตามหลัก2n² การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น 2 8 9 และ 2 8 10 ตามลำดับ เนื่องจากในระดับพลังงานที่ 3 ควรมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดถึง 18 อิเล็กตรอน แต่จากการศึกษาพบว่าการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca เป็น 2 8 8 1 และ 2 8 8 2 ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของทั้งสองธาตุนี้มีเพียง 8 อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนที่เพิ่มมาอีก 1 และ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ทำให้ระดับพลังงานที่ 3 มีอิเล็กตรอนไม่ครบ 18 

ระดับพลังงานหลัก และระดับพลังงานย่อย

   โบร์เสนอแบบจำลองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากัน โดยความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลง เมื่อมีระดับพลังงานสูงขึ้น 

การอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบร์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสงออกมาและมองไม่เห็นเป็น 1 เส้นนั้นแท้จริงแล้วประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้น ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่า เส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้น นอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลัก (principle energy levels หรือ shell) ซึ่งแทนด้วย n แล้ว ยังเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อย (energy sublevels หรือ subshell ) ของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วย 

นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระดับพลังงานย่อยเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับ แนวคิดดังกล่าวนี้สามารถนำมาอธิบายสเปกตรัมของธาตุที่มีมากกว่า 1 อิเล็กตรอนได้ และจากการศึกษาเพิ่มเติมพบว่าจำนวนระดับพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในแต่ละระดับพลังงานหลักที่ 1-4 เป็นดังนี้

แผนภาพระดับพลังงานของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน

ระดับพลังงานหลักที่ 1 (n = 1)  มี 1 ระดับพลังงานย่อย คือ s

ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2)  มี 2 ระดับพลังงานย่อย คือ s p

ระดับพลังงานหลักที่ 3 (n = 3)  มี 3 ระดับพลังงานย่อย คือ s p d 

ระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4)  มี 4 ระดับพลังงานย่อย คือ s p d f

ออร์บิทัล

   เนื่องจากอิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา ความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจึงอยู่ในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกัน บริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสจะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่า ออร์บิทัล (orbital) จากการศึกษาพบว่าจำนวนออร์บิทัลในแต่ละระดับพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกัน ซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้

ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล

แผนภาพระดับพลังงานที่แสดงจำนวนออร์บิทัล 

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในออร์บิทัลที่อยู่ในระดับพลังงานย่อย s p d และ f ดังตาราง

   จากตาราง จะเห็นว่าจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย s p d และ f มีค่าเท่ากับ 2 6 10 และ 14 ตามลำดับ แต่เนื่องจากพลังงานย่อย s p d และ f มี 1 3 5 และ 7 ออร์บิทัลตามลำดับ แสดงว่า 1 ออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2 อิเล็กตรอน 

หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

   การจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งๆให้พิจารณาตาม หลักอาฟบาว (Aufbau principle)ซึ่งเกี่ยวข้องกับระดับพลังงานของแต่ละออร์บิทัล กล่าวคือการบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ นั่นคือเริ่มจาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำดับเพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำที่สุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด1s¹ 

แผนภาพแสดงลำดับการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ

จากแผนภาพสามารถเรียงลำดับพลังงานได้ดังนี้

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s ...

ไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงได้เป็น โดยมีความหมายดังนี้ 

สัญลักษณ์การจัดเรียงอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอม

สำหรับธาตุNa Mg Al Si P S Cl Ar K และ Ca ซึ่งมีอิเล็กตรอน 11 12 13 14 15 16 17 18 19 และ 20 ตามลำดับ สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบเต็มและแบบย่อโดยเขียนแก๊สมีสกุลในวงเล็บแทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแก๊สมีสกุลในชั้นถัดไปและแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนเฉพาะชั้นนอกสุด ดังตาราง 

 

การบรรจุอิเล็กตรอนตามลำดับระดับพลังงานโดยการอาศัยแผนภาพตามหลักอาฟบาวดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่เป็นไปตามหลักการนั้นเช่น ธาตุ Cr เลขอะตอม 24 แสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆได้ ดังนี้

 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶  3d⁵   4s¹     2, 8, 13, 1 

1.กรณีที่ธาตุได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลักอาฟบาว เช่น 

   Cl ^-   มีประจุลบ 1 แสดงว่า อะตอมของ Cl รับอิเล็กตรอนมา 1 ตัว

   O ^2-   มีประจุลบ 2 แสดงว่า อะตอมของ O รับอิเล็กตรอนมา 2 ตัว

   N ^3-   มีประจุลบ 3 แสดงว่า อะตอมของ N รับอิเล็กตรอนมา 3 ตัว 

2.กรณีที่ธาตุเสียอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนตามปกติก่อน จากนั้นจึงนำอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดออก เช่น 

   Na ⁺   มีประจุบวก 1 แสดงว่า อะตอมของ Na สูญเสียอิเล็กตรอนไป 1 ตัว
   Mg²⁺  มีประจุบวก 2 แสดงว่า อะตอมของ Mg สูญเสียอิเล็กตรอนไป 2 ตัว
   Al  ³⁺  มีประจุบวก 3 แสดงว่า อะตอมของ Al สูญเสียอิเล็กตรอนไป 3 ตัว

ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก

วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุ
   เมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆเหล่านี้แล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่างๆของธาตุและนำมาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มได้หลายแบบ ในปี พ.ศ. 2360 โยฮันน์ โวล์ฟกัง เดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่มๆละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าชุดสาม (triads) โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกัน พบว่าค่ามวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือ หลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา
ในปีพ.ศ. 2407 จอห์น นิวแลนด์ (John Newlands) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอกฎในการจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ว่า ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมาก พบว่าธาตุที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและแก๊สมีสกุล) เช่น เริ่มต้นเรียงโดยใช้ธาตุ Li เป็นธาตุที่ 1 ธาตุที่ 8 จะเป็น Na ซึ่งมีสมบัติคล้ายธาตุ Li ดังตัวอย่างการจัดต่อไปนี้ 

 การจัดเรียงธาตุตามแนวคิดของนิวแลนด์ใช้ได้ถึงธาตุแคลเซียมเท่านั้นกฎนี้ไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอม

จึงเกี่ยวข้องกับสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุทำให้ไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา

ในปีพ.ศ. 2412 ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและดิมิทรี เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่างๆมากขึ้นทำให้มีข้อสังเกตว่าถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงๆการที่ธาตุต่างๆมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเช่นนี้เมนเดเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎพิริออดิก (periodic law) และได้เสนอความคิดนี้ในปี พ.ศ. 2412  ก่อนที่ไมเออร์จะเผยแพร่ผลงานของเขาหนึ่งปีเพื่อเป็นการให้เกียรติแก่เมนเด เลเอฟ จึงเรียกตารางนี้ว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ ในปีต่อมาเมนเดเลเอฟได้ปรับปรุงตารางธาตุใหม่

   อย่างไรก็ตามเมนเดเลเอฟไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดจึงต้องจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอม เนื่องจากสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาโครงสร้างของอะตอมและไอโซโทปได้ไม่ชัดเจน

นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาเกิดแนวความคิดว่าตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่น่าจะขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของธาตุแต่น่าจะขึ้นอยู่กับสมบัติอื่นที่มีความสัมพันธ์กับมวลอะตอม 

ในปีพ.ศ. 2456 เฮนรี โมสลีย์  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอให้จัดธาตุเรียงตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่างๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ตารางธาตุในปัจจุบันจึงได้จัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปมากซึ่งสอดคล้อง กับกฎพิริออดิกที่ได้กล่าวมาแล้ว
ตารางธาตุที่นิยมใช้ในปัจจุบันได้ปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟแต่เรียงธาตุตามลำดับเลขอะตอมแทนการเรียงตามมวลอะตอม

ตารางธาตุในปัจจุบัน 

   ตารางธาตุแบ่งธาตุในแนวตั้งเป็น 18 แถว โดยเรียกแถวในแนวตั้งว่า หมู่ และแบ่งธาตุในแนวนอนเป็น 7 แถว เรียกแถวในแนวนอนว่า คาบ ซึ่งแต่ละคาบจัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้นตามลำดับ 

กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ

   การที่นักวิทยาศาสตร์จัดธาตุในตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆ ถ้าแบ่งกลุ่มธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม คือ ธาตุโลหะ เป็นธาตุที่นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดี ธาตุกึ่งโลหะ เป็นธาตุนำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมิห้องแต่นำไฟฟ้าได้ดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และ ธาตุอโลหะ ซึ่งไม่นำไฟฟ้า ยกเว้นคาร์บอน (แกรไฟต์) และฟอสฟอรัสดำ ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุพบว่า ธาตุโลหะอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ

ธาตุกึ่งโลหะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันได และธาตุอโลหะอยู่ขวามือของตารางธาตุ ยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ 

   ถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล s p d และ f ที่มีพลังงานสูงสุดและมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ จะแบ่งธาตุออกเป็น 4 กลุ่มใหญ่คือ ธาตุกลุ่ม s ได้แก่ธาตุในหมู่ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ธาตุในหมู่ 13ถึง 18 ยกเว้น He ธาตุกลุ่ม d ได้แก่ ธาตุในหมู่ 3 ถึง 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่ กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่แยกมาจากหมู่ 3 คาบที่ 6 และ 7 ดังรูป

ตำแหน่งของธาตุตามระดับพลังงานย่อย 

   ธาตุกลุ่ม s และกลุ่ม p เรียกรวมกันว่า ธาตุกลุ่ม A ซึ่งเป็นธาตุเรพรีเซนเททีฟ (representtative element) หรืออาจเรียกว่ากลุ่มธาตุหมู่หลัก (main group element) เมื่อพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุกลุ่ม A พบว่าธาตุในแนวตั้งที่อยู่ในกลุ่ม A จะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากันและจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะตรงกับเลขหมู่ สำหรับธาตุตามแนวนอนที่อยู่ในคาบเดียวกัน พบว่ามีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน และจำนวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่คาบ
ธาตุบางหมู่มีการกำหนดชื่อที่เป็นสากล เช่น
-ธาตุหมู่ IA เรียกว่า โลหะแอลคาไล (alkali metal) ได้แก่ Li , Na , K , Rb , Cs , Fr
-ธาตุหมู่ IIA เรียกว่า โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท (alkaline earth) ได้แก่ Be Mg Ca Sr Ba Ra
-ธาตุหมู่ VIIA เรียกว่า ธาตุแฮโลเจน (halogen) ได้แก่ F Cl Br I At
-ธาตุหมู่ที่ VIIIA เรียกว่า แก๊สมีสกุล (Inert gas) ได้แก่ He Ne Ar Kr Xe Rn
ธาตุกลุ่ม d และ f เรียกรวมกันว่าธาตุกลุ่ม B หรือกลุ่มธาตุทรานซิชัน (transition element) ซึ่งแบ่งเป็น ธาตุทรานซิชันชั้นนอก (outer transition) ได้แก่ธาตุกลุ่ม d และธาตุทรานซิชันชั้นใน (inner transition) ได้แก่ธาตุกลุ่ม f โดยธาตุกลุ่ม f ยังแบ่งได้เป็น 2กลุ่มย่อย 
ประกอบด้วยแลนทานอยด์ และ แอกทินอยด์

ขนาดอะตอมตามแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยวแต่จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกัน จึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอมที่อยู่ในภาวะอิสระหรือเป็นอะตอมเดี่ยว ในทางปฏิบัติจึงบอกขนาดอะตอมด้วย รัศมีอะตอม ซึ่งกำหนดให้มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกัน การศึกษารัศมีอะตอมของธาตุทำให้ทราบขนาดอะตอมของธาตุและสามารถเปรียบเทียบขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันหรือหมู่เดียวกันได้ ตัวอย่างรัศมีอะตอมของธาตุ ดังตาราง

รัศมีอะตอม (พิโกเมตร) ของธาตุบางชนิด

   พิจารณาขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันพบว่า ขนาดอะตอมมีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น อธิบายได้ว่า เนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานเดียวกัน แต่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสแตกต่างกัน ธาตุที่มีจำนวนโปรตอนมากจะดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยแรงที่มากกว่าธาตุที่มีจำนวนโปรตอนน้อย เวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากกว่าทำให้อะตอมมีขนาดเล็กลง ส่วนธาตุในหมู่เดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำนวนระดับพลังงานที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นด้วย อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในจึงเป็นคล้ายฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอน ทำให้แรงดึงดูดต่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีน้อย เป็นผลให้ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม 

ขนาดไอออน
   อะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน เมื่อรับอิเล็กตรอนเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอนออกไปจะกลายเป็นไอออน การบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม กล่าวคือจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสขนาไอออนคู่หนึ่งๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก ตัวอย่าง

   เมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับอโลหะ อะตอมของโลหะจะเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวก จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลง ทำให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วย หรือกล่าวอีกนัยก็คือแรงดึงดูดระหว่างประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนจะเพิ่มมากขึ้น ไอออนบวกจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออนลบ เนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอน ขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิม ไอออนลบจึงมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ตัวอย่างขนาดอะตอมและขนาดไอออนของธาตุ 

รัศมีอะตอมและรัศมีไอออน (พิโกเมตร)ของธาตุบางชนิด

   เมื่อพิจารณาแนวโน้มของรัศมีอะตอมและรัศมีไอออนตามหมู่ ส่วนใหญ่มีแนวโน้มมีขนาดเพิ่มขึ้นจากบนลงล่างเช่นเดียวกับขนาดอะตอม รัศมีไอออนบวกจะมีค่าน้อยกว่ารัศมีอะตอม แต่รัศมีไอออนลบจะมีค่ามากกว่ารัศมีอะตอม 

พลังงานไอออไนเซชัน

พลังงานไอออไนเซชัน (IE) คือค่าพลังงาน ที่ใช้ในการดึงให้อิเล็กตรอนวงนอกสุด (เวเลนซ์อิเล็กตรอน)หลุดออกจากอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ในสถานะก๊าซปริมาณพลังงานที่น้อยที่สุดที่สามารถทำให้อะตอมหรือโมเลกุลปลดปล่อยอิเล็กตรอน ค่าพลังงานไอออไนเซชันจะบ่งบอกว่าอะตอมหรือไอออนนั้นสามารถเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายหรือยาก หรือในอีกมุมหนึ่งเป็นการบ่งบอกระดับพลังงานของอิเล็กตรอนวงนอกสุดของอะตอมหรือไอออนนั้นว่ามีความเสถียรมากเพียงใด โดยทั่วไปค่าพลังงานไอออไนเซชันจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อพยายามที่จะทำให้อิเล็กตรอนตัวต่อไปถูกปลดปล่อยออกมา เนื่องจากการผลักกันของประจุอิเล็กตรอนมีค่าลดลงและการกำบังของอิเล็กตรอนชั้นวงในมีค่าลดลง ซึ่งทำให้แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนมีค่ามาขึ้น อย่างไรก็ตามค่าที่เพิ่มขึ้นอาจไม่เพิ่มเท่าที่ควรจะเป็นในกรณีที่เมื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนตัวนั้นแล้วส่งผลให้เกิดการบรรจุเต็มหรือการบรรจุครึ่งในระดับชั้นพลังงาน เนื่องจากทั้งสองกรณีมีเสถียรภาพเป็นพิเศษ

กระบวนการสูญเสียอิเล็กตรอนนี้เกิดได้หลายครั้งสำหรับอะตอมหรือโมเลกุลที่มีหลายอิเล็กตรอน จึงเรียกเป็น IE₁ IE₂ IE₃ ... ตามลำดับซึ่งก็คือค่าพลังงานในการดึงอิเล็กตรอนตัวที่ 1 2 3 ... นั่นเอง โดยอิเล็กตรอนตัวแรกย่อมจะหลุดออกไปง่ายกว่าอิเล็กตรอนลำดับถัดๆไปเสมอ พลังงานที่ต้องใช้จึงเพิ่มขึ้น

ค่าพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 ของธาตุบางชนิด

การศึกษาแนวโน้มของค่าพลังงานไอออนไนเซชันของอะตอมหรือโมเลกุลนั้น สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจโครงสร้างของอิเล็กตรอนภายในอะตอมและโมเลกุลได้ดีขึ้น หากค่าพลังงานไอออไนเซชันเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงอาจกล่าวได้ว่าอิเล็กตรอนเหล่านั้นมาจากชั้นอิเล็กตรอนเดียวกัน แต่ถ้าพบว่าค่าพลังงานไอออไนเซชันกระโดดไปก็หมายความว่าอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นอยู่ในชั้นที่ลึกเข้าไปอีก นอกจากนี้พลังงานไอออไนเซชันยังเป็นแนวโน้มตามตารางธาตุอย่างหนึ่งที่มีลักษณะชัดเจนและสามารถอธิบายได้โดยโครงสร้างการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอม

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

   สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (electron affinity : EA) หมายถึงพลังงานที่อะตอมในสถานะแก๊สคายออกเมื่ออะตอมได้รับอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน ซึ่งเขียนสมการแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ดังนี้

A(g) + e^– A^–(g) + DE

EA มีค่าเป็นลบ (–) เนื่องจากมีการคายพลังงานออกมา แสดงว่าอะตอมนั้นมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนเข้ามาได้ดี ความสามารถในการรับอิเล็กตรอนของแต่ละธาตุมีความแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง

F(g) + e– F– (g) EA = –333 kJ/mol

O(g) + e– O– (g) EA = –142 kJ/mol

P(g) + e– P– (g) EA = –74 kJ/mol

จากตัวอย่างแสดงว่า F มีแนวโน้มรับอิเล็กตรอนได้สูงกว่า O และ P ตามลำดับ เมื่ออะตอมของธาตุรับ 1 อิเล็กตรอนแล้ว การรับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอีก 1 อิเล็กตรอนจะรับได้ยากขึ้น ดังนั้นค่า EA จึงมีค่าสูงขึ้นจนเป็นบวกได้ เช่น

O^–(g) + e^– O^2–(g) EA = 780 kJ/mol

โลหะมีแนวโน้มที่จะเสียอิเล็กตรอน โดยทั่วไปค่า EA ของโลหะจึงมีค่าเป็นลบน้อย ๆ ถึงค่าบวกน้อย ๆ ดังตาราง

ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของธาตุบางชนิด

   เมื่อพิจารณาตามคาบพบว่า ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของธาตุอโลหะ (ยกเว้นหมู่ VIIA) มีค่ามากกว่าธาตุโลหะ แสดงว่าธาตุอโลหะมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุโลหะ เมื่อพิจารณาโดยภาพรวมทั้งหมดจะพบว่าธาตุหมู่ VIIA มีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูงที่สุดแสดงว่ามีแนวโน้มในการรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าธาตุหมู่อื่น ที่เป็นเช่นนี้อาจอธิบายได้ว่าการรับ 1 อิเล็กตรอนของธาตุในหมู่นี้จะทำให้อะตอมมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนธาตุหมู่ VIIA หรือแก๊สมีสกุลซึ่งมีความเสถียรมาก 

อิเล็กโทรเนกาวิตี

   อิเล็กโทรเนกาติวิตี (electronegativity : EN) หมายถึงค่าที่แสดงความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนของอะตอมคู่ที่เกิดพันธะที่จะรวมกันเป็นโมเลกุล ธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงจะมีความสามารถในการดึงดูดหรือรับอิเล็กตรอนได้ดี ได้แก่พวกอโลหะ ส่วนธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำจะดึงดูดหรือรับอิเล็กตรอนได้ไม่ดี ได้แก่พวกโลหะ เช่น โมเลกุลของ HCl เนื่องจาก Cl ดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่า H ดังนั้น Cl จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า H แนวโน้มค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในตารางธาตุเป็นดังนี้

ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุบางชนิด 

   เมื่อพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในคาบเดียวกันพบว่า มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม เนื่องจากในคาบเดียวกัน อะตอมของธาตุหมู่ IA มีขนาดใหญ่ที่สุด และหมู่ VIIA มีขนาดเล็กที่สุด ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนตามคาบจึงเพิ่มขึ้นจากหมู่ IA ไปหมู่ VIIA ดังนั้นในคาบเดียวกันธาตุหมู่ IA จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำที่สุด ส่วนธาตุหมู่ VIIA มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ธาตุในหมู่เดียวกันมีแนวโน้มของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากขนาดของอะตอมที่เพิ่มขึ้นเป็นผลให้นิวเคลียสดึงดูดอิเล็กตรอนลดลง 

ธาตุทรานซิชัน

   ธาตุทรานซิชันอยู่ระหว่างธาตุหมู่ IIA และหมู่ IIIA ประกอบด้วยธาตุหมู่ IB ถึงหมู่ VIIIB รวมทั้งกลุ่มธาตุแลนทานอยด์กับกลุ่มธาตุแอกทินอยด์ 

ธาตุทรานซิชัน 

สมบัติของธาตุทรานซิชัน

สมบัติบางประการของโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุทรานซิชันในคาบที่ 4

1.โลหะทรานซิชันทุกธาตุจะเป็นโลหะ แต่มีความเป็นโลหะน้อยกว่าธาตุหมู่ IA และ IIA
2.มีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ยกเว้นปรอทที่เป็นของเหลว
3.มีจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความหนาแน่นสูง
4.นำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งในโลหะทรานซิชัน ธาตุที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุดคือ เงิน (คาบ 5) และรองลงมาคือ ทอง (คาบ 6)
5.นำความร้อนได้ดี
6.ธาตุทรานซิชันทั้งหมดมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ยกเว้นธาตุโครเมียม และทองแดง ที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 1
7.สารประกอบของธาตุเหล่านี้จะมีสีสัน
8.มีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 และอิเล็กโทรเนกาติวิตีมาก
9.ขนาดอะตอม จะมีขนาดไม่แตกต่างกันมากโดยที่
-ในคาบเดียวกันจะเล็กจากซ้ายไปขวา
-ในหมู่เดียวกันจะใหญ่จากบนลงล่าง
10.ธาตุเหล่านี้มีหลายออกซิเดชั่นสเตตส์ (oxidation states)
11.ธาตุเหล่านี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalysts) ที่ดี
12.ธาตุเหล่านี้มีสีฟ้า-เงินที่อุณหภูมิห้อง (ยกเว้นทองคำและทองแดง)
13.สารประกอบของธาตุเหล่านี้สามารถจำแนกโดยการวิเคราะห์ผลึก

ธาตุกัมมันตรังสี

   ในปี พ.ศ.2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอเรล (Antoine Henri Becquerel)นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสพบว่า เมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบยูเรเนียม แผ่นฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆก็ได้ผลเช่นเดียวกัน จึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม 
ต่อมาปีแอร์ กูรี และมารี กูรี (Pierre Curie และ Marie Curie) ได้ค้นพบว่า ธาตุพอโลเนียม เรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า กัมมันตรังสี ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร และไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้อย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือ สารกัมมันตรังสี เช่น carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี จะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ
การเกิดกัมมันตภาพรังสี
   กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีเพราะนิวเคลียสมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสี จากการศึกษานักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา (alpha ray) รังสีเบตา (beta ray) หรือแกมมา (gamma ray) ดังรูป

การแผ่รังสีของไอโซโทปกัมมันตรังสีผ่านสนามไฟฟ้า

รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสี เช่น รังสีแอลฟา บีตา แกมมา มีสมบัติ ดังตาราง

   รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสี นอกจากรังสีแอลฟา บีตา แกมมา แล้วยังมีรังสีชนิดอื่น ๆ เช่น โพซิตรอน (β⁺) โปรตอน (p) ดิวเทอรอน (D) ทริทอน (T) นิวตรอน (n) 

การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี
   จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจำนวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่า ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างจากจำนวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียร จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสโดยการแผ่รังสี (rediation) ออกมาแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่า ดังตัวอย่างต่อไปนี้ 
   การแผ่รังสีแอลฟา ส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2 และเลขมวลลดลง 4 ดังตัวอย่าง

   การแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมาก นิวตรอนในนิวเคลียสจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสในรูปของรังสีบีตาและนิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 โดยที่เลขมวลยังคงเดิม ดังตัวอย่าง 

   การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตา แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำลง โดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา ดังตัวอย่าง 

   ชนิดของรังสีที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีหรือธาตุกัมมันตรังสีปลดปล่อยออกมา สามารถพิจารณาได้จากกราฟในรูป 

เขตเสถียรภาพของไอโซโทปของธาตุและชนิดรังสีที่แผ่นอกเขตเสถียรภาพ 

   จากรูป แถบที่แรเงาแทนแถบเสถียรภาพ (belt of stability) ซึ่งจากรูปจะเห็นว่าธาตุที่มีจำนวนโปรตอน (เลขอะตอม) มากกว่า 83 ไม่มีไอโซโทปที่เสถียร ไอโซโทปที่ไม่เสถียรเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะปล่อยรังสีแอลฟาเพื่อเกิดเป็นไอโซโทปใหม่ที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนลดลง สำหรับไอโซโทปที่มีสัดส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนมากเกินไปมีแนวโน้มแผ่รังสีบีตาเพราะเมื่อปล่อยรังสีบีตาออกมาจะเกิดเป็นไอโซโทปใหม่ที่มีจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้นแต่จำนวนนิวตรอนลดลง (เลขมวลเท่าเดิม) ในขณะที่ไอโซโทปที่มีสัดส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนน้อยเกินไปจะมีแนวโน้มแผ่รังสีโพซิตรอน ซึ่งจะทำให้ไอโซโทปที่เกิดขึ้นมีจำนวนโปรตอนลดลงแต่นิวตรอนเพิ่มขึ้น (เลขมวลเท่าเดิม) 
นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถสลายตัวและแผ่รังสีได้ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิหรือความดัน การสลายตัวและแผ่รังสีของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในนิวเคลียสกัมมันตรังสีนั้น 



อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสี
   กิจวัตรต่าง ๆ ในชีวิตประจำวันทั้งการรับประทานอาหาร การดื่มน้ำ การหายใจ ล้วนมีโอกาสที่มนุษย์จะได้รับรังสีจากไอโซโทปกัมมันตรังสี เช่น K-40 C-14 Ra-226 เข้าสู่ร่างกาย นอกจากนี้ยังได้รับรังสีคอสมิก (cosmic ray) ซึ่งส่วนใหญ่มาจากอวกาศ รังสีต่าง ๆ เหล่านี้มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาติ นอกจากนี้บางคนยังได้รับรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้นมา เช่น รังสีจากเครื่องเอกซเรย์ รังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 
แม้มนุษย์จะได้รับรังสีจากกิจวัตรประจำวันแต่การได้รับรังสีจากธรรมชาติหรือจากที่มนุษย์สร้างขึ้นในปริมาณเพียงเล็กน้อย โดยน้อยกว่า 100 มิลลิซีเวิร์ตพบว่า เซลล์เนื้อเยื่อสามารถฟื้นตัวได้แต่การได้รับรังสีมากกว่า 100 มิลลิซีเวิร์ต ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพ เช่น คลื่นไส้ อาเจียน ปวดศีรษะ เป็นมะเร็ง โรคทางพันธุกรรม ต้อแก้วตา การได้รับรังสีปริมาณมากทั่วร่างกายในเวลาสั้น ๆ สามารถทำให้เสียชีวิตได้ 
สำหรับหน่วยงานที่ทำงานเกี่ยวกับรังสีจะต้องแสดงสัญลักษณ์รังสี (radiation symbol) ลงบนฉลากของภาชนะหรือเครื่องมือรวมทั้งบริเวณใกล้เคียง เพื่อให้ผู้พบเห็นได้ระมัดระวัง สัญลักษณ์รังสีใช้เป็นมาตรฐานจะเป็นรูปใบพัด 3 แฉก มีสีม่วงอ่อน ม่วงเข้ม หรือสีดำบนพื้นสีเหลือง

สัญลักษณ์รังสี

   เนื่องจากสัญลักษณ์รังสีดังรูป อาจสื่อความหมายไม่ชัดเจนหรือบุคคลที่ไม่เกี่ยวข้องอาจไม่เข้าใจความหมาย ดังนั้นทบวงปรมาณูระหว่างประเทศ (International Atomic Energy Agency หรือ IAEA) และองค์กรระหว่างประเทศว่าด้วยมาตรฐาน (International Organization for Stan-dardization หรือ ISO) ได้ออกแบบสัญลักษณ์ใหม่เป็นรูปคลื่นของรังสี กะโหลกไขว้ และคนกำลังวิ่ง ดังรูป โดยมีการประกาศใช้เมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ 2550 

สัญลักษณ์รังสีแบบใหม่ 

ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสี
   ไอโซโทปกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลา ไอโซโทปกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน อัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะบอกเป็น ครึ่งชีวิต (half life) ใช้สัญลักษณ์ t 1/2 โดยหมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ เช่น Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24 ปริมาณ 10 กรัม นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลืออยู่ 5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั่นคือเวลาผ่านไปทุกๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม เขียนแสดงได้ดังรูป 

   ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ตัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด แสดงดังตาราง

   ระยะเวลาที่แสดงถึงครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถนำไปใช้คำนวนหาปริมาณของไอโซโทปกัมมันตรังสีในระยะเวลาต่างๆกันได้ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ปฏิกิริยานิวเคลียร์
   ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสี อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่ หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กแล้วได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่ รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาล ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ 
ในปี พ.ศ. 2482 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า เช่น 

   กระบวนการที่นิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุหนักบางชนิด แตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วเรียกว่า ฟิชชัน (fission) ไอโซโทปของธาตุอื่นที่สามารถเกิดฟิชชันได้ เช่น U-238 หรือ Pu-239 การเกิดฟิชชันแต่ละครั้งจะคายพลังงานออกมาจำนวนมากและได้ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลายชนิด จึงถือได้ว่าฟิชชันเป็นวิธีผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญ นอกจากนี้ฟิชชันยังได้นิวตรอนเกิดขึ้นด้วย ถ้านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ชนกับนิวเคลียสอื่น ๆ จะเกิด ฟิชชันต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ เรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) ดังรูป

   ฟิชชันที่เกิดขึ้นภายใต้ภาวะที่เหมาะสม จะได้จำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ฟิชชันดำเนินไปอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมหาศาล ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง หลักการของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้นำมาใช้ในการทำระเบิดปรมาณู การควบคุมฟิชชันทำได้หลายวิธี เช่น ควบคุมมวลของสารตั้งต้นให้น้อยลงเพื่อให้จำนวนนิวตรอนที่เกิดขึ้นมีไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ หรือใช้โลหะแคดเมียมและโบรอนจับนิวตรอนบางส่วนไว้เพื่อลดจำนวนนิวตรอนที่เกิดขึ้น ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์นำฟิชชันมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง เช่น ใช้ผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการเกษตร การแพทย์และอุตสาหกรรม ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าปรมาณู 

ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุเบาสองชนิดหลอมรวมกันเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่าเดิมและให้พลังงานปริมาณมาก ดังตัวอย่าง

   กระบวนการนี้เรียกว่า ฟิวชัน (fusion) ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยาเดียวกับที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ การเกิดฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้ารวมกัน ซึ่งประมาณกันว่าจะต้องมีอุณหภูมิสูงถึงหลายล้านองศาเซลเซียส พลังงานมหาศาลนี้อาจได้จากฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนเป็นชนวนที่ทำให้เกิดฟิวชัน ถ้าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง แต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้า ๆ และต่อเนื่องจะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ฟิวชันมีข้อได้เปรียบกว่าฟิชชันหลายประการกล่าวคือ คายพลังงานออกมามาก สารตั้งต้นของฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมาก นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่าผลิตภัณฑ์จากฟิชชัน แม้จะมีการค้นพบกระบวนการฟิวชันมานานแต่การนำมาใช้อย่างเป็นรูปธรรมเป็นไปได้ยากเพราะการเกิดฟิวชันต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก ซึ่งที่สภาวะนี้สารจะเปลี่ยนรูปเป็นพลาสมา(plasma) ซึ่งไม่เสถียร ดังนั้นการควบคุมกระบวนการฟิวชันให้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นไปได้ยากมาก 

ตัวอย่างของการพยายามนำความรู้เรื่องฟิวชันมาใช้ประโยชน์ เช่น การสร้างโทคาแมค (tokamak)ขนาดใหญ่ภายใต้โครงการผลิตเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งเป็นการร่วมมือกันในระดับนานาชาติ มีสมาชิกหลักคือ สหรัฐอเมริกา ยุโรป รัสเซีย จีน ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ โครงการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างต้นแบบของโรงผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ฟิวชัน 

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี

   สารกัมมันตรังสีแต่ละสารมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากัน และแผ่รังสีแตกต่างกัน การนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน

ด้านธรณีวิทยา ใช้คาร์บอน - 14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5,730 ปี หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่น ไม้   กระดูก หรือสารอินทรีย์อื่น ๆ การหาอายุวัตถุโบราณโดยการวัดปริมาของ คาร์บอน – 14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก ในบรรยากาศ คาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ได้เป็น CO₂ ซึ่งทำให้มีทั้ง ¹²CO₂ และ ¹⁴CO₂ ปนกัน เมื่อพืชนำ
ไปใช้ในการสังเคราะห์แสง C-14 จะอยู่ในพืชและเมื่อสัตว์กินพืชเป็นอาหาร C-14 ก็จะเข้าไปอยู่ในร่างกาย ในขณะที่พืชและสัตว์มีชีวิต ¹⁴CO₂ จะเข้าไปและขับออกมาอยู่ตลอดเวลา ทำให้มี C-14 ด้วยสัดส่วนคงที่แน่นอน แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง   การรับ C-14 ก็จะหยุดลง ปริมาณ C-14 ก็จะลดลงเพราะเกิดการสลายตัวตัวตลอดเวลา ดังนั้นถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ   C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวขณะนั้น ก็สามารถคำนวณอายุได้

ด้านการแพทย์รังสีจากกัมมันตรังรีสามารถตรวจและรักษาโรคได้หลายชนิด ตัวอย่างเช่น การใช้รังสีแกมมาจากโคบอลต์ -60 การรักษาโรคมะเร็ง โดยเฉพาะฉายรังสีแกมมาเข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง การใช้รังสีจากโซเดียม -24 ซึ่งอยู่ในรูปของเกลือโซเดียมคลอไรด์ในการศึกษาลักษณะการหมุนเวียนของโลหิต โดยการฉีดสารดังกล่าวเข้าไปในเส้นเลือด และการติดตามการแผ่รังสีจากสารจะทำให้ทราบว่า มีการอุดตันหรือการหมุนเวียนของเลือดไม่สะดวกในบางส่วนของระบบการไหลเวียนหรือไม่ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีไอโอดีน -131 ในการตรวจดูการทำงานของต่อมไทรอยด์ด้วย

ด้านเกษตรกรรม รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีสามารถทำให้สิ่งมีชีวิตกลายพันธุ์ได้ เช่น รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะทำให้โครโมโซมในเมล็ดพันธุ์พืชเปลี่ยนไป ดังนั้น เมื่อนำเมล็ดพืชไปเพาะก็จะได้พืชพันธุ์ใหม่ พบว่า โอกาสที่จะได้พืชพันธุ์ใหม่ที่ดี โดยวิธีนี้มีน้อย อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ก็มีพันธุ์ดีหลายสิบชนิด ทั้งพันธุ์ไม้ดอกและไม้ผลที่เกิดจากวิธีการนี้

   นอกจากสามารถกลายพันธุ์พืชแล้ว รังสีจากธาตุกัมมันตรังสียังช่วยขจัดแมลงได้ด้วย ซึ่งอาจทำได้โดยรังสีอาบตัวแมลงโดยตรงเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวของอะตอมในเซลล์ของแมลงเป็นไอออน ซึ่งจะทำให้แมลงตายในที่สุด และอีกวิธีหนึ่งนั้นคือ นำเอาเฉพาะแมลงตัวผู้มาอาบรังสีเพื่อให้เป็นหมันจะได้ไม่สามารถแพร่พันธุ์ได้อีกต่อไป
ประโยชน์อีกอย่างหนึ่งของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีคือ การถนอมอาหาร เพราะรังสีนี้สามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา และยีสต์ที่มีอยู่ทั่วไปในอาหารได้ทำให้อาหารไม่เน่าหรือเน่าช้ากว่าปกติ นอกจากนี้รังสียังช่วยป้องกันการงอกของพืชผักบางชนิด เช่น มันฝรั่ง หัวหอม ได้ด้วย ปริมาณรังสีที่ใช้ในการถนอมอาหารแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ดังนั้น ในการนำอาหารที่อาบรังสีมาบริโภค จะต้องแน่ใจก่อนว่าไม่มีอันตรายใดๆ 

ด้านอุตสาหกรรม ตัวอย่างของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสี ในอุตสาหกรรมที่สำคัญพอสรุปได้ดังนี้ 
ในการควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะให้สม่ำเสมอตลอดแผ่น กระทำได้โดยการหยุดเครื่องรีดแผ่นเป็นคราวๆ ไป แต่การทำเช่นนี้ทำให้อัตราการผลิตต่ำ การใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะช่วยให้สามารถตรวจสอบได้โดยไม่ต้องหยุดเครื่องรีดแผ่นโลหะ วิธีการที่ใช้กันนั้นแสดงคร่าวๆ ดังภาพ 

   โดยมีหลักการย่อ ดังนี้ ใช้ธาตุกัมมันตรังสีที่ให้รังสีบีตาเป็นแหล่งกำเนิดรังสี โดยปล่อยให้รังสีตกตั้งฉากกับแผ่นโลหะ ซึ่งกำลังเคลื่อนออกจากเครื่องวัด ตั้งเครื่องวัดรังสีไว้ที่ด้านตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดรังสีโดยมีแผ่นโลหะอยู่ตรงกลาง ถ้าแผ่นโลหะมีความหนาผิดไปจากที่กำหนดไว้ จะทำให้ปริมาณรังสีที่วัดได้มีค่าผิดไปด้วยแล้ว เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปยังเครื่องรีดเพื่อปรับรีดให้เร็วในมาตรฐานที่ตั้งไว้

   การตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อมโลหะ เช่น การเชื่อมท่อ การต่อท่อที่ใช้สำหรับความดันสูง การเชื่อมตัวเรือดำน้ำ การตรวจสอบประเภทนี้สามารถทำได้ โดยใช้รังสีแกมมา ซึ่งสามารถทะลุผ่านแผ่นโลหะได้ โดยนำกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแกมมาวางไว้ด้านหนึ่งของสิ่งที่ต้องการตรวจสอบ แล้วใช้จอหรือแผ่นฟิล์มรับรังสีด้านตรงข้ามกับของสิ่งนั้น เมื่อนำฟิล์มไปล้างสามารถเห็นภาพภายในวัตถุได้ว่ามีรอยร้าวหรือโพรงหรือไม่ การตรวจสอบดังกล่าว จะช่วยประหยัดเวลาและแรงงานกว่าวิธีอื่นๆ เป็นอันมาก

การนำธาตุไปใช้ประโยชน์และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต

   มนุษย์นำธาตุมาใช้ประโยชน์ตั้งแต่อดีตกาล เช่น นำทองคำมาทำเครื่องประดับ นำเหล็กมาทำมีด นำทองแดงมาทำภาชนะเครื่องใช้ ในปัจจุบ้นมีการค้นพบและศึกษาสมบัติของธาตุมากขึ้นจึงมีการนำธาตุมาใช้ประโยชน์ได้หลากหลายมากขึ้น 
ประโยชน์ของธาตุ
   ธาตุโลหะมีสมบัติการนำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดีจึงนิยมนำมาทำเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น นำทองแดงมาทำสายไฟฟ้า นำสังกะสีมาทำขั้วไฟฟ้าของถ่านไฟฉาย 
ธาตุกึ่งโลหะ เช่น ซิลิกอน เจอร์เมเนียม มีสมบัติก้ำกึ่งระหว่างสมบัติของโลหะและอโลหะ เช่น นำไฟฟ้าได้แต่นำได้ไม่ดี นิยมนำมาทำเป็นสารกึ่งตัวนำ ซึ่งมีสมบัติในการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวนเพื่อใช้เป็นวัสดุทำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ 
ธาตุหมู่ 18 หรือ VIIIA เป็นธาตุที่เฉื่อยต่อการเกิดปฏิกิริยาจึงนำมาใช้ประโยชน์ตามสมบัติของแก๊สมีสกุล เช่น นำฮีเลียมซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศมาบรรจุในบอลลูนและเรือเหาะแทนแก๊สไฮโดรเจน เนื่องจากแก๊สฮีเลียมไม่ติดไฟเหมือนแก๊สไฮโดรเจน นำอาร์กอนมาเป็นแก๊สบรรจุในหลอดไฟเพื่อให้ไส้หลอดมีอายุการใช้งานที่นานขึ้น 

ผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม
   ธาตุบางชนิดส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม เช่น ตะกั่วถูกใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ โลหะบัดกรีอิเล็กทรอนิกส์ ล้วนส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต เช่น อาจส่งผลต่อระบบการเจริญพันธุ์ ระบบโลหิตและระบบประสาทของสัตว์ในแหล่งน้ำนั้น มนุษย์สามารถนำตะกั่วเข้าสู่ร่างกายได้ 3 ทาง คือ การบริโภค การหายใจ และทางผิวหนัง เมื่อตะกั่วเข้าไปสะสมในร่างกายจะทำให้มีอาการอ่อนเพลีย ปวดท้อง ท้องอืด เบื่ออาหาร ปวดกล้ามเนื้อ ปวดกระดูกและข้อ ความดันโลหิตสูง โลหิตจาง ความจำเสื่อม ภูมิต้านทานลดลง และขัดขวางการทำงานของเอนไซม์ในร่างกาย 
มนุษย์นำแคดเมียมมาใช้ในอุตสาหกรรมผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า โลหะผสม พืชผลทางการเกษตร เช่นในใบยาสูบเมื่อเข้าสู่ร่างกายจะส่งผลให้ไตทำงานผิดปกติ เกิดโรคความดันโลหิตสูง ปวดกระดูกสันหลังทำให้กระดูกผุ หรือเป็นโรคมะเร็งได้ 
ในอดีตเคยมีการนำแก๊สไฮโดรเจนมาบรรจุในลูกโป่งสวรรค์หรือเรือเหาะ ซึ่งการกระทำดังกล่าวนี้ส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุมีผู้ได้รับบาดเจ็บสาหัสหลายคน ที่เป็นเช่นนี้เพราะแก๊สไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่ติดไฟได้ ซึ่งเมื่อได้รับประกายไฟจึงเกิดระเบิดเป็นเพลิงลุกไหม้ได้ การนำธาตุมาใช้ ล้วนส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม ธาตุบางชนิดแม้ไม่ได้มีสมบัติเป็นพิษร้ายแรงแต่การนำมาใช้ไม่ถูกวิธีก็ส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินได้เช่นกัน