เส้นสเปกตรัม
เส้นสเปกตรัม คือแสงที่เป็นเส้นหรือแถบที่แสดงออกมาเป็นสี โดยการแผ่รังสีที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านปริซึม แผ่นเกรตติ้ง หรือสเปกโตรสโคป เห็นเป็นสีได้ 7 สี ซึ่งไม่มีความต่อเนื่องกัน มีการเว้นช่วงความถี่และมีความยาวคลื่นแตกต่างกันจนเกิดเป็นแถบ ๆ เรียงกันไป
คำว่า สเปกตรัม มาจากภาษาละตินมีความหมายว่า “Ghost” เพราะแสงพวกนี้ปรากฏแสงเป็นแบบ “Gostlike” จากแสงของจริงที่เป็นแสงสีขาว ไม่มีสีสันอย่างสเปกตรัมนั่นเอง
เส้นสเปกตรัมเป็นหนึ่งในประเภทของสเปกตรัมจาก 2 ประเภท ได้แก่ สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง (Continuous spectrum) และสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ซึ่งสเปกตรัมต่อเนื่องนั้นจะมีแถบสีที่เกิดขึ้นต่อเนื่องกันไป เช่น สเปกตรัมจากวัตถุดำ ซึ่งหมายถึงวัตถุที่มีคุณสมบัติดูดกลืนแสง ไม่สามารถสะท้อนได้ ทึบตัน สามารถหมายถึงดาวฤกษ์ ซึ่งก็คือดวงอาทิตย์ และยังหมายถึงไส้หลอดไฟต่าง ๆ เป็นต้น ส่วนเส้นสเปกตรัมถือเป็นสเปกตรัมไม่ต่อเนื่องที่มีการแผ่รังสีเป็นแถบ ๆ เส้น ๆ เว้นระยะไปและมีความถี่และความยาวคลื่นบางครั้ง ไม่มีความต่อเนื่องกันเลย เช่น สเปคตรัมของอะตอมไฮโดรเจน
เครื่องมือที่ใช้ศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัม
สเปกโตรสโคป (Spectroscope) คำว่า spectro มาจากคำว่า spectrum และคำว่า scope แปลว่าเครื่องมือที่ใช้ส่องดูสเปกตรัม มีความสำคัญในการตรวจดูสเปกตรัมในด้านฟิสิกส์อะตอม ดาราศาสตร์ ซึ่งมีหลักการทำงาน 2 แบบคือ แบบที่ 1 สเปกโตรสโคปแบบปริซึม คือใช้การหักเหของแสง แบบที่ 2 สเปกโตรสโคปแบบเกรตติ้ง คือใช้การเลี้ยวเบนและการแทรกสอดของแสง
ประวัติการค้นพบสเปกตรัม
เมื่อให้แสงของวัตถุดำหรือแสงขาวส่องผ่านปริซึม จะเกิดแถบสีต่าง ๆ ต่อเนื่องกัน 7 สี ได้แก่ สีม่วง สีคราม สีน้ำเงิน สีเขียว สีเหลือง สีส้ม และสีแดง เรียกแถบสีต่อเนื่องทั้ง 7 สีนี้ว่า “สเปกตรัมของแสงสีขาว” แสงขาวนั้นประกอบไปด้วยสีทั้ง 7 สี ซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน ทำให้เกิดการหักเหตามขนาดของมุมต่าง ๆ โดยแสงที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันนั้นก็จะมีการหักเหของแสงในปริซึมไม่เท่ากันเช่นกัน ซึ่งทำให้เกิดการแยกออกเป็นแถบสีต่าง ๆ ที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันต่อเนื่องกันเป็นแถบสเปกตรัม
เซอร์ไอแซค นิวตันเป็นคนแรกที่ค้นพบว่าแสงที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านสามารถแยกแถบสีได้ 7 สี โดยทำการทดลองใช้ปริซึมแยกแสงอาทิตย์ ผลที่ได้คือปรากฏแถบสี 7 สี
ต่อมาในปี ค.ศ.1802 วิลเลียม ไฮด์ วอลลาสตัน นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ค้นพบสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์ที่ถูกบรรยากาศบัง มีเส้นมืดปรากฏอยู่บนแถบห่างกันไม่เท่ากัน ซึ่งหลังจากนั้นโยเซฟ ฟอน ฟรอนโฮเฟอร์ ค้นพบเส้นมืดจำนวน 475 เส้นในสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์
ต่อมาเรียกเส้นมืดที่ถูกค้นพบนี้ว่า เส้นดูดกลืน (Absorption lines) ซึ่งธาตุแต่ละชนิดจะทำให้เกิดเส้นดูดกลืนที่แตกต่างกันออกไป และยังค้นพบเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่องนี้ ซึ่งมีความยาวคลื่นที่ตรงกับสีเหลืองในการเผาเกลือ ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีธาตุโซเดียม (Na) อยู่
ต่อมาในปี ค.ศ.1814 เซอร์ไอแซค นิวตันกับโจเซฟ ฟอน ฟรังโฮเฟอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันก็ได้ทำการทดลองซ้ำอีกครั้ง แต่เปลี่ยนไปใช้แผ่นเกรตติ้งแทนแท่งแก้วปริซึม หักเหแสงอาทิตย์ พวกเขาพบเส้นมืดปรากฏบนแถบสเปกตรัมเพิ่มขึ้นมากกว่า 600 เส้น ซึ่งในปัจจุบันตรวจพบมากกว่า 30,000เส้น ในภายหลังกุสตาฟ เคอร์ชอฟ ได้ประดิษฐ์สเปกโตรสโคปเพื่อใช้ในการแยกสเปกตรัมของแสงขาวและตรวจเส้นสเปกตรัมของสารที่ถูกเผาว่าประกอบด้วยธาตุอะไรบ้างได้
ในปี ค.ศ.1859-1860 โรเบิร์ต บุนเซน และกุสตาฟ เคิร์ชฮอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเผาก๊าซร้อน แล้วพบว่า แสงจากก๊าซร้อนที่ผ่านปริซึมเกิดเส้นสว่างบนแถบสเปกตรัม ซึ่งก๊าซแต่ละชนิดให้จำนวนและตำแหน่งของเส้นสว่างแตกต่างกัน เราเรียกเส้นสว่างนี้ว่า เส้นแผ่รังสีหรือเส้นเปล่งแสง (Emission lines) เวลาต่อมา เคิร์ชฮอฟ ยังค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างเส้นดูดกลืนและเส้นแผ่รังสี เป็นกฏสามข้อของเคิร์ชฮอฟ (Kirchhoff’s Laws) ได้ดังนี้
ข้อที่ 1 วัตถุดำที่ให้แสงขาวทำให้เกิดแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ไม่ปรากฏเส้นมืด ตัวอย่างที่เห็นได้ทั่ว ๆ ไปก็คือ สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่า รุ้งกินน้ำ และแสงรังสีจากหลอดไฟที่กระทบกับไอในกาศเกิดเป็นแถบ 7 สีเช่นกัน
ข้อที่ 2 ก๊าซร้อน ทำให้เกิดเส้นแผ่รังสีหรือเปล่งแสง (Emission lines) เป็นเส้นสีสว่างบนแถบสเปกตรัมมืด ยกตัวอย่างถ้าหากนำก๊าซอย่างโซเดียมคลอไรด์มาเผา ไอของมันจะลอยขึ้นมาเป็นสีเหลือง ซึ่งแสงของไอโซเดียมคลอไรด์เมื่อผ่านสเปกโตรสโคปก็จะมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ 2 เส้นใกล้ ๆ กันตรงที่ปรากฏเป็นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่อง บนแถบดำแทน
ข้อที่ 3 ก๊าซเย็นที่ขวางกั้นการแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้เกิดเส้นดูดกลืน (Absorption lines) ปรากฏเป็นเส้นสีดำบนแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง ยกตัวอย่างถ้านำโซเดียมคลอไรด์ในขณะที่ไม่ได้เผาไหม้ ซึ่งไอของมันจะไม่เป็นสีเหลือง และเมื่อส่องแสงไปยังไอผ่านเข้าไปในสเปกโตรสโคป ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องในตำแหน่งสีเหลืองที่เดียวกับตำแหน่งตอนเผาโซเดียมคลอไรด์แล้วมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ ที่ปรากฏเส้นมืดเพราะถูกไอของโซเดียมดูดกลืนไป ตรงส่วนที่มันเคยให้เส้นสว่างสีเหลือง 2 เส้นใกล้ ๆ กันนั่นเอง
ยกตัวอย่างถ้านำโซเดียมคลอไรด์ในขณะที่ไม่ได้เผาไหม้ ซึ่งไอของมันจะไม่เป็นสีเหลือง และเมื่อส่องแสงไปยังไอผ่านเข้าไปในสเปกโตรสโคป ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องในตำแหน่งสีเหลืองที่เดียวกับตำแหน่งตอนเผาโซเดียมคลอไรด์แล้วมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ ที่ปรากฏเส้นมืดเพราะถูกไอของโซเดียมดูดกลืนไป ตรงส่วนที่มันเคยให้เส้นสว่างสีเหลือง 2 เส้นใกล้ ๆ กันนั่นเอง
สำหรับวัตถุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุดำ เช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟต่าง ๆ นั้น จะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเป็นแสงขาว แต่อาจจะมีเส้นดูดกลืนสีดำคาดแนวดิ่งในแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง ในกรณีที่มีบรรยากาศก๊าซห่อหุ้มอยู่ ก๊าซร้อน ก๊าซเรืองแสงเช่น นีออน จะให้สเปกตรัมเป็นแถบมืด ที่มีเส้นแผ่รังสีสว่างคาดในแนวดิ่ง
การศึกษาเส้นสเปกตรัมของดวงดาวที่อยู่ในบรรยากาศ
สเปกโตรสโคปี (Spectroscopy) คือวิธีการศึกษาดาวฤกษ์ของนักดาราศาสตร์ โดยใช้การดูสเปกตรัมที่เกิดขึ้น จากเครื่องสเปกโตรสโคป ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ ให้รวมแสงจากดาวผ่านเข้าปริซึมหรือเกรตติ้งในสเปกโตรสโคป ทำให้เกิดสเปกตรัมที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ เมื่อได้แล้วก็บันทึกภาพลงด้วยอุปกรณ์บันทึกภาพ CCD
สเปกตรัมสามารถบอกคุณสมบัติของดาวฤกษ์ได้ 3 ประการได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิว องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ และทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวซึ่งสัมพัทธ์กับโลก
อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์
การศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากแสงของดางฤกษ์เพื่อนหาอุณหภูมิพื้นผิวของมันนั้น นักดาราศาสตร์ได้วิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นที่เข้มที่สุด (λmax) กับอุณหภูมิพื้นผิว (T) ของดาวจากสเปกตรัมที่ดาวแผ่รังสีออกมา ตามกฎการแผ่รังสีที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ และการแผ่รังสี ว่า "ความยาวคลื่นของรังสีเข้มสุดที่ดาวแผ่ออกมานั้นจะผันแปรกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว" ซึ่งรังสีเข้มสุดที่ดาวฤกษ์แผ่ออกมานั้นเป็นความยาวคลื่นซึ่งเป็นรังสีอัลตร้าไวโอเล็ตที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด (จากฝั่งซ้าย) สั้นเพียง 250 nm (nm คือ นาโนเมตร หรือ 10-9 เมตร) และมีอุณหภูมิพื้นผิว 12,000 K ในขณะที่ช่วงแถบสเปกตรัมที่เป็นแสงที่คนสามารถมองเห็นได้ (สเปกตรัม) ความยาวคลื่นเข้มสุด 500 nm อุณหภูมิพื้นผิว 6,000 K และสุดท้ายเป็นความยาวคลื่นที่มีการแผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอินฟราเรด 1,000 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 3,000 K
จากที่กล่าวมาเมื่อเรียงลำดับจากความยาวคลื่นของการแผ่รังสีของดาวฤกษ์แล้ว รังสีอัลตร้าไวโอเล็ตมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดแต่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงที่สุด ในขณะที่ช่วงความยาวคลื่นที่ป็นแสงที่คนมองเห็นได้อย่างสปกตรัมนั้น ความยาวคลื่นจะยาวกว่าแต่มีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำกว่า ไปในทิศทางเดียวกับรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่นยาวมากที่สุดและมีอุณหภูมิพื้นผิวน้อยที่สุดเช่นกัน
องค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์
นักดาราศาสตร์ศึกษาองค์ประกอบดาวฤกษ์จากสเปกตรัมโดยแบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M มีวิธีการท่องจำง่ายเป็นประโยคภาษาอังกฤษมีความหมายว่าเป็นเด็กดีแล้วจูบฉัน Oh Be A Fine Girl Kiss Me ตามลำดับ
สเปกตรัมดาวฤกษ์ O เป็นดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงถึง 35,000 K ในขณะที่ดาวสเปกตรัม G มีอุณหภูมิพื้นผิวปานกลางที่ 5,800 ซึ่งเป็นประเภทของดวงอาทิตย์นั่นเอง ส่วนสเปกตรัมดาวฤกษ์ M มีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำอยู่ที่ 3,500 K ซึ่งจะเห็นได้ว่าสเปกตรัมของดาวฤกษ์ทุกประเภทจะมีเส้นดูดกลืนสีดำที่แสดงถึงการมีก๊าซหรือเป็นบรรยากาศที่ห่อหุ้มอยู่รอบ ๆ ดาวแต่ละประเภทแตกต่างกัน ทั้งตำแหน่งเส้นดูดกลืนและจำนวนที่แตกต่างกันนี้จะสามารถบ่งบอกองค์ประกอบของสารหรือก๊าซที่มีอยู่รอบ ๆ บรรยากาศและที่มีอยู่ในดาวฤกษ์แต่ละประเภท
สเปกตรัมดาวฤกษ์ O นั้นถูกธาตุอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมในบรรยากาศบริเวณรอบข้าง รวมทั้งภายในดาวฤกษ์เองดูดกลืนสเปกตรัมจนเกิดเส้นดูดกลืน ส่วนเส้นดูดกลืนของสเปกตรัมดาวฤกษ์ K M G F จะมีเส้นดูดกลืนสเปกตรัมคล้าย ๆ กัน เนื่องจากถูกธาตุชนิดเดียวกันดูด ซึ่งในสเปกตรัมของดาวฤกษ์ 4 ดวงนี้ มีจำนวนเส้นดูดกลืนมากและมีตำแหน่งใกล้เคียงกัน ซึ่งถูกธาตุหนักหลากหลายชนิดจากทั้งในชั้นบรรยากาศรอบ ๆ และภายในตัวมันเองดูดกลืนในรูปแบบเดียวกันหมดังในกรณีข้อ 3 ข้างต้นนอกจากนี้ยังมีเส้นดูดกลืนของโมเลกุลจำนวนมากในสเปกตรัมดาวฤกษ์ 4 ดวงนี้ เนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวต่ำมาก นั่นเป็นสิ่งที่ทำให้อะตอมต่าง ๆ ในบรรยากาศจับกลุ่มรวมกันได้จนเกิดเป็นโมเลกุล เช่น ธาตุไททาเนียม (Ti) กับธาตุออกซิเจน (O) รวมเป็นโมเลกุลเดียวกันได้เป็นไททาเนียมออกไซด์ (TiO) เป็นต้น
ทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ที่สัมพัทธ์กับโลกใช้วิธีการศึกษาทิศทางจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ได้ สเปกตรัม 3 แบบ ดังภาพได้แก่
1. การเลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift) เส้นดูดกลืนมีการเคลื่อนที่ไปทางแถบสีม่วงมากกว่าถ้าให้สเปกตรัมสภาวะปกติเป็นที่ตั้ง เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่เข้าหาโลก
2. สเปกตรัมของดาวฤกษ์ในสภาวะปกติที่เส้นดูดกลืนแสดงอยู่เป็นกลาง เกิดจากเกิดเส้นอิเล็กตรอนมีพลังงานสูงในวงโคจรของอะตอมธาตุไฮโดรเจน ดูดกลืนที่ความยาวคลื่น 410 nm, 434 nm, 486nm, 656 nm ตามลำดับเรียกว่า บาลเมอร์ซีรีส์
3. การเลื่อนทางแดง (Redshift) เส้นดูดกลืนรังสีไปทางแถบสีแดง เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก
การศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอม
เส้นสเปกตรัมที่ได้ส่วนใหญ่เกิดจากอะตอมของธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะให้เส้นสเปกตรัมที่แตกต่างกัน มีลักษณะเฉพาะตัวเช่นเดียวกับลายนิ้วมือของมนุษย์ ดังนั้นการศึกษา วิเคราะห์เรื่องของสเปกตรัม จะทำให้เราสามารทราบองค์ประกอบต่าง ๆ หรือโครงสร้างภายในอะตอมได้ ยกตัวอย่างจากพวกก๊าซร้อนหรือไอ โดยการนำก๊าซมาบรรจุอยู่ภภายในหลอดแก้วสเปกตรัม ใช้การเผาหรือกระแสไฟฟ้าแรงที่สามารถทำให้เกิดความร้อนสูงในก๊าซ ซึ่งไอของก๊าซที่ร้อนนั้นเมื่อให้หักเหผ่านแผ่นเกรตติ้งหรือสเปกโตรสโคป จะปรากฏเส้นสเปกตรัมที่มีเส้นแผ่รังสีอยู่ และมีสีของสเปกตรัมหนึ่งที่เด่นชัด ซึ่งจะต่างกันไปตามก๊าซแต่ละชนิด ดังตารางแสดงสเปกตรัมของก๊าซหรือไอของสารและภาพ
การเกิดเส้นสเปกตรัมของอะตอม
ถ้าเราให้พลังงานแก่อะตอมสูง อิเล็กตรอนภายในอะตอมจะเปลี่ยนจากสถานะพื้น (Ground state) เป็นสถานะกระตุ้น (Excited state) ในกรณีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพื้นจะมีพลังงานต่ำและอะตอมจะเสถียรมาก แต่เมื่ออะตอมมีพลังงานสูงขึ้นอิเล็กตรอนภายในอะตอมจะเปลี่ยนเป็นสถานะกระตุ้นซึ่งพลังงานที่มากนี้ ทำให้อะตอมไม่เสถียร ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงพยายามปล่อยพลังงานออกมาให้กลับไปอยู่ในสถานะพื้นที่พลังงานต่ำ ซึ่งพลังงานที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมาจะอยู่ในรูปพลังงานแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อผ่านแผ่นเกรตติ้งหรือสเปกโตรสโคปจะแยกแถบแสงออกเป็นเส้นสเปกตรัมนั่นเอง
สเปกตรัมอะตอมเกิดขึ้นได้อย่างไร
แบบที่ 1: เกิดจากการเผาวัตถุแข็งหรือวัตถุเหลวให้ร้อน เช่น การเผาเกลือแกง (NaCl) จะได้ไอร้อนของโซเดียมบริสุทธิ์ซึ่งจะปล่อยคลื่นแสงที่ประกอบด้วยคลื่นทุกย่านความถี่อย่างต่อเนื่อง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องแถบสว่าง (continuous bright spectrum)
แบบที่ 2: เกิดจากการเผาแก๊สให้ร้อน แทนที่จะเป็นวัตถุแข็ง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมเส้นสว่าง (bright line spectrum)
แบบที่ 3: เกิดจากการปล่อยให้คลื่นแสงที่มีความถี่ต่อเนื่อง(จากแบบที่ 1) ผ่านแก๊สเย็น สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้ เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องกับเส้นมืด (continuous spectrum with dark lines)
ประวัติการค้นพบเส้นสเปกตรัมของอะตอม
เมื่อปี ค.ศ.1910 เออร์เนส รัทเธอร์ฟอร์ด นักเคมีฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ นำเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมว่าประกอบด้วย นิวเคลียสขนาดเล็กที่มีโปรตอนอยู่ตรงกลางของอะตอม โดยโปรตอนเป็นประจุบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุลบมีมวลน้อยโคจรอยู่รอบนิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ในอะตอม ต่อมาที่เจมส์ แชวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ค้นพบนิวตรอน ซึ่งมีค่าเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่มีเพียงธาตุไฮโดรเจนที่ไม่มีนิวตรอน
ในค.ศ.1911 นีล โบร์ นักฟิสิกส์ชาวดัทช์ สร้างแบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจน เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 อนุภาค และมีอิเล็กตรอน 1 อนุภาคเป็นวงโคจร 4 ชั้น คือ n = 1, 2, 3 และ 4 ตามลำดับ
อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นสามารถข้ามชั้นวงโคจรจากวงหนึ่งสู่อีกวงหนึ่งได้ เมื่ออยู่ในสถานะพื้น หรือสถานะกระตุ้น เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนแต่ละชั้นจะกระโดดไปทางวงโคจรชั้นนอก เกิดเป็นเส้นดูดกลืนในแถบสเปกตรัม แต่เมื่ออะตอมสูญเสียพลังงาน อิเล็กตรอนจะลงสู่วงโคจรชั้นใน เกิดเส้นแผ่รังสีสว่างบนแถบมืด ดังภาพ
อะตอมของไฮโดรเจน เมื่อได้รับรับพลังงานในช่วงความยาวคลื่น 656.3 nm ที่อิเล็กตรอนในวงโคจร n = 2 ซึ่งจะเคลื่อนตัวขึ้นสู่วงโคจร n = 3 ทำให้เกิดเส้นดูดกลืนของไฮโดรเจน-อัลฟา (H-Alpha) ดังภาพที่ 10 ทางซ้ายมือ ส่วนด้านขวา เป็นเส้นแผ่รังสีของไฮโดรเจน-อัลฟา ที่ปลดปล่อยพลังงานในช่วงความยาวคลื่น 656.3 นาโนเมตรของอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเกิดจากการสูญเสียพลังงาน ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนตัวจากวงโคจร n = 3 ลงไปสู่วงโคจร n = 2 การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 1 ถึงชั้น n = 2, 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 122 nm, 103 nm, 97 nm, 95 nm, 94 nm ตามลำดับเรียกว่า ไลมานซีรีส์ อยู่ในช่วงรังสีอัลตราไวโอเล็ต จึงมีพลังงานสูงมากแต่มีความยาวคลื่นสั้น
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 2 ถึงชั้น n = 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 656 nm (H-alpha), 486 nm (H-beta), 434 nm (H-gamma), 410 nm (H-delta) ตามลำดับเรียกว่า บาลเมอร์ซีรีส์ ซึ่งเป็นแสงที่คนสามารถมองเห็นได้
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 3 ถึงชั้น n = 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 1875 nm, 1282 nm, 1094 nm ตามลำดับเรียกว่า ปาสเชนซีรีส์ ในช่วงรังสีอินฟราเรด มีพลังงานต่ำแต่ความยาวคลื่นมาก
จากการเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน มีความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแต่ละชั้น จะมีลักษณะคล้ายกับความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวและการแผ่รังสีของดาวฤกษ์ ที่ความยาวคลื่นสั้น พลังงานจะสูง และความยาวคลื่นต่ำ พลังงานจะมาก ซึ่งมีความสอดคล้องกัน
จากภาพการดูดกลืน/แผ่รังสีของทั้ง 3 ซีรีส์ แสดงให้เห็นถึงระดับพลังงานในอะตอม ซึ่งเรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum machanics) อธิบายได้ว่า
1. อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำสุด อยู่ในวงโคจรชั้นล่างสุด n = 1 เมื่อได้รับพลังงานจากโฟตอน Lymann-alpha ที่มีความยาวคลื่น 122 nm และมีพลังงาน 10.19 eV ก็จะเคลื่อนขึ้นสู่วงโคจรชั้น n = 2 ได้ ในทางกลับกันหากอิเล็กตรอนลงสู่วงโคจรจากชั้น n = 2 มาที่ n = 1 ก็จะแผ่รังสี Lymann-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 122 nm เหมือนกัน
2. ในกรณีอิเล็กตรอนเคลื่อนจาก n = 1 ไปยัง n = 3 และจาก n = 1ลงไปสู่ n = 3 เป็นไปในทำนองเดียวกันกับข้อ 1 เพียงแต่ได้รับพลังงานและแผ่รังสีเป็นโฟตอน Lymann-beta ที่ใช้พลังงาน 12.07 eV มีความยาวคลื่น 103 nm
แต่หากอะตอมได้รับพลังงานจากโฟตอนของรังสีอัลตราไวโอเล็ต หรือช่วงคลื่นรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า แต่มีพลังงานสูงมากกว่า 13.6 eV อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมไปสู่สภาวะถูกทำให้เป็นไอออน หรือกลายเป็นประจุ
อ้างอิง
- มาลี บานชื่น. (2514). มนุษย์กับวิทยาศาสตร์กายภาพ ตอนคลื่นแสงและทฤษฏีควอนตัม. กรุงเทพฯ : โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, 2514
- ร.ศ.ดร. สทบัติ. พุทธจักรทัศนศาสตร์เชิงฟิลิกส์และการประยุกต์. โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ วิทยาเขตปัตตานี, 2554
- ศรีประยูร ชลยุทธ. การวิเคราะห์ด้วยเครื่องวัดแสงสเปกตรัมที่เกิดจากการดูดกลืนของแสง. 2531
- http://portal.edu.chula.ac.th/lesa_cd/assets/document/LESA212/3/nature_ligth/spectrum_lines/spectrum_lines.html
- http://www.promma.ac.th/main/chemistry/jutamas/lesson/spectrum4.htm
- http://www.thaigoodview.com/library/studentshow/2549/bangkok/sathit_cu/atomic_structure/Learn/bore6.html
- http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/2180-บทเรียนที่+10+คลื่น+สมบัติของคลื่นและสเปกตรัมของแสง?groupid=347
- http://www.lesa.biz/astronomy/star-properties/stellar-spectrum
