กลไกควอนตัม

ปี ค.ศ.1910 เออร์เนส รูเธอร์ฟอร์ด (Earnest Rutherford) 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 ไฮโดรเจนดูดกลืนรังสีบางส่วนของดวงอาทิตย์ ทำให้ปรากฏเป็นสเปกตรัมดูดกลืน (Absorption spectrum) จำนวน 4 เส้น ได้แก่ H-alpha ที่ความยาวคลื่น 656 nm, H-beta ที่ความยาวคลืน 486nm, H-gamma ที่ความยาวคลื่น 434nm และ H-delta ที่ความยาวคลื่น 410 nm ดังที่แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 กราฟแสงและสเปกตรัมของดวงอาทิตย์

นีลส์ บอฮ์ร (Neils Bohr) นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ค ได้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างระดับพลังงานภายในอะตอมในภาพที่ 1 กับสเปกตรัมในภาพที่ 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 อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับโครงสร้างอะตอมไฮโดรเจน 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

- การเลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนระหว่างชั้นที่ 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) อิเล็กตรอนมีพลังงานต่ำสุดเมื่ออยู่ในวงโคจรชั้นล่างสุด ซึ่งเป็นสถานะพื้น (Ground state) อิเล็กตรอนจะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรชั้นที่ 2 ก็ต่อเมื่อได้รับพลังงานจากโฟตอน L-alpha ความยาวคลื่น 122 nm ซึ่งมีพลังงาน 10.19 eV ในทำนองกลับกันเมื่ออิเล็กตรอนลดวงโคจรจากชั้นที่ 2 ลงสู่สถานะพื้น จะแผ่รังสี Lymann-alpha ความยาวคลื่น 122 nm ในทำนองเดียวกันเมื่ออิเล็กตรอนยกตัวจากสถานะพื้น ไปยังวงโคจรชั้นที 3 จะต้องใช้พลังงาน 12.07 eV ซึ่งได้รับมาจากโฟตอน Lymann-beta ความยาวคลื่น 103 nm และเมื่ออิเล็กตรอนลดวงโคจรจากชั้น n = 3 ลงสู่ Ground State มันจะแผ่รังสี Lymann-beta ความยาวคลื่น 103 nm อย่างไรก็ตามหากอะตอมได้รับพลังงานจากโฟตอนของรังสีอัลตราไวโอเล็ต หรือรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นซึ่งมีพลังงานสูงมากกว่า 13.6 eV อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมไปเป็นประจุ (Ionization)

ภาพที่ 5 ระดับพลังงานภายในอะตอมไฮโดรเจน