กลไกควอนตัม

        ปี ค.ศ.1910 เออร์เนส รูเธอร์ฟอร์ด นักเคมีฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ นำเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมว่า  อะตอมประกอบด้วย ประจุบวก (โปรตอน) อยู่ตรงกลาง มีประจุลบ (อิเล็กตรอน) โคจรล้อมรอบเป็นชั้นๆ โดยที่มวลส่วนใหญ่ไม่น้อยกว่า 99.98% อยู่ที่นิวเคลียสของอะตอม (ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่า นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตอน)   หนึ่งปีต่อมา นีล บอฮ์ร นักฟิสิกส์ชาวดัทช์ ได้สร้างแบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจน เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างอะตอมและสเปกตรัม อะตอมของไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 อนุภาคอยู่ตรงใจกลาง มีอิเล็กตรอน 1 อนุภาค เคลื่อนที่อยู่ในวงโคจรซึ่งมีให้เลือก 6 ชั้น  ดังภาพที่ 1  ถ้าอะตอมได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น อีเล็กตรอนจะปรับโคจรสูงขึ้น ถ้าอะตอมสูญเสียพลังงาน อิเล็กตรอนจะปรับวงโคจรต่ำลง


ภาพที่ 1 แบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจน

        ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิ 5,800 K แผ่รังสีความเข้มสูงสุดที่ความยาวคลื่น 500 nm ดวงอาทิตย์จึงเป็นดาวฤกษ์สีเหลือง  แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์มีบรรยากาศซึ่งมีองค์ประกอบหลักเป็นธาตุไฮโดรเจน  แก๊สไฮโดรเจนที่ห่อหุ้มได้ดูดกลืนรังสีบางส่วนของดวงอาทิตย์ ทำให้ปรากฏเป็นสเปกตรัมดูดกลืน (Absorption spectrum) จำนวน 4 เส้นได้แก่ H-alpha ที่ความยาวคลื่น 656 nm, H-beta ที่ความยาวคลืน 486nm,  H-gamma ที่ความยาวคลื่น 434nm และ H-delta ที่ความยาวคลื่น 410 nm ดังที่แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 กราฟแสงและสเปกตรัมของดวงอาทิตย์

        นีล บอฮ์ร ได้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างระดับพลังงานภายในอะตอมในภาพที่ 1 กับสเปกตรัมของรังสีในภาพที่ 2 ว่า  เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก มันจะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรชั้นบน ทำให้เกิดเส้นดูดกลืนบนสเปกตรัมสว่าง  แต่เมื่ออะตอมสูญเสียพลังงาน อิเล็กตรอนจะลดลงสู่วงโคจรชั้นล่าง  ทำให้เกิดเส้นแผ่รังสีบนสเปกตรัมมืด         
        เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนดูดกลืนรังสีในช่วงความยาวคลื่น 656.3 nm อิเล็กตรอนจะยกตัวจากวงโคจรชั้นที่ 2 ขึ้นสู่วงโคจรชั้นที่ 3 ดังภาพที่ 3 ด้านซ้ายมือ  และเมื่ออะตอมของไฮโดรเจนสูญเสียพลังงาน อิเล็กตรอนจะลดวงโคจรจากชั้นที่ 3 ไปสู่วงโคจรชั้นที่ 2 และแผ่รังสีออกมาในช่วงความยาวคลื่น 656.3 นาโนเมตร ทำให้เกิดเส้นดูดกลืน (Absorption line) และเส้นแผ่รังสี (Emission line) ตามลำดับ 


ภาพที่ 3 การดูดกลืนรังสีและการแผ่รังสี


        นีล บอฮ์ร อธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับโครงสร้างอะตอมไฮโดรเจน ด้วยสูตร

                1/λ = R {(1/N2) – (1/n2)} 
                   N = ลำดับวงโคจรชั้นใน 
                   n = ลำดับวงโคจรชั้นนอก 
                   R = Rydberg constant = 1.097 x 107 m-1 
                   λ = ความยาวคลื่นที่ดูดกลืนหรือแผ่รังสี (หน่วยเป็นเมตร) 

          เขาใช้สูตรนี้ อธิบายเส้นดูดกลืนต่างๆ บนสเปคตรัมของดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนในภาพที่ 4 ดังนี้
    • การเลื่อนชั้นวงโคจของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนระหว่างชั้นที่ 1 กับชั้นที่ 2, 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 122 nm (L-alpha), 103 nm (L-beta), 97 nm (L-gamma), 95 nm (L-delta), 94 nm (L-epsilon) เรียกว่า ไลมานซีรีส์ อยู่ในช่วงรังสีอัลตราไวโอเล็ต 

    • การเลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนระหว่างชั้นที่ 2 กับชั้นที่ 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 656 nm (H-alpha), 486nm (H-beta), 434 nm (H-gamma), 410 nm (H-delta) ตามลำดับ เรียกว่า บาลเมอร์ซีรีส์ ซึ่งเป็นแสงในช่วงคลื่นตามองเห็น ดังที่แสดงในภาพท่ี 2  นักดาราศาสตร์นิยมศึกษาพวยแก๊สบนดวงอาทิตย์ (Prominences) ด้วยแสงไฮโดรเจน-อัลฟา ที่ความยาวคลื่น 656 nm

    • การเลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนระหว่างชั้นที่ 3 กับชั้นที่ 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 1875 nm (P-alpha), 1282 nm (P-beta), 1094 nm (P-gamma) ตามลำดับ เรียกว่า ปาสเชนซีรีส์ อยู่ในช่วงรังสีอินฟราเรด 

ภาพที่ 4 การดูดกลืนและแผ่รังสีในซีรีย์ต่างๆ 


          เราสามารถคำนวณระดับพลังงานภายในอะตอมได้โดยใช้สูตร 
               E = hc/λ  
               โดยที่ h = 4.14 x 10-15 อิเล็กตรอนโวลท์ วินาที (eV s) 
               ทั้งนี้ 1 eV มีค่าเท่ากับ 1.6 x 10-19 จูล (J)

          ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นกลไกของระดับพลังงานภายในอะตอม เรียกว่า กลไกควอนตัม (Quantum mechanics) อิเล็กตรอนมีพลังงานต่ำสุดเมื่ออยู่ในวงโคจรชั้นล่างสุดซึ่งเป็นสถานะพื้น (Ground state)  อิเล็กตรอนจะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรชั้นที่ 2 ก็ต่อเมื่อได้รับพลังงานจากโฟตอน L-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 122 nm ซึ่งมีพลังงาน 10.19 eV ในทำนองกลับกันเมื่ออิเล็กตรอนลดวงโคจรจากชั้นที่ 2 ลงสู่สถานะพื้น ก็จะแผ่รังสี Lymann-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 122 nm ในทำนองเดียวกันเมื่ออิเล็กตรอนยกตัวจากสถานะพื้น ไปยังวงโคจรชั้นที 3 จะต้องใช้พลังงาน 12.07 eV ซึ่งได้รับมาจากโฟตอน Lymann-beta ซึ่งมีความยาวคลื่น 103 nm และเมื่ออิเล็กตรอนลดวงโคจรจากชั้น n = 3 ลงสู่ Ground State มันจะแผ่รังสี Lymann-beta ซึ่งมีความยาวคลื่น 103 nm  อย่างไรก็ตามหากอะตอมได้รับพลังงานจากโฟตอนของรังสีอัลตราไวโอเล็ตหรือรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า ซึ่งมีพลังงานสูงมากกว่า 13.6 eV อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมไปเป็นประจุ (Ionization)  

ภาพที่ 5 ระดับพลังงานภายในอะตอมไ​​ฮโดรเจน