สเปกตรัม

นักดาราศาสตร์ศึกษาวัตถุท้องฟ้า โดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุแผ่รังสีออกมา  การวิเคราะห์สเปกตรัมทำให้เราทราบถึง คุณสมบัติทางกายภาพซึ่งได้แก่ อุณหภูมิ พลังงาน องค์ประกอบทางเคมี รวมทั้งความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ อย่างไรก็ตามในการศึกษาสเปกตรัม สิ่งแรกที่เราจะต้องทำความรู้จักคือ นิยามของวัตถุดำ 

วัตถุดำ (Blackbody) ไม่ได้หมายถึงวัตถุสีดำ แต่เป็นวัตถุในอุดมคติ (Ideal) ซึ่งมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีทุกชนิด มันจึงไม่สามารถสะท้อนแสง อย่างไรก็ตามวัตถุดำจะแผ่รังสีออกจากตัวมันเอง เมื่อรังสีถูกหักเหด้วยแท่งแก้วปริซึมหรือแผ่นเกรตติ้ง จะให้แถบสเปกตรัมต่อเนื่อง วัตถุที่มีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับวัตถุดำ ได้แก่ โลหะไส้หลอดสูญญากาศ เป็นต้น

ปี ค.ศ.​1672: เซอร์ไอแซค นิวตัน ได้ทำการทดลองโดยใช้แท่งแก้วปริซึมหักเหแสงอาทิตย์ ให้แยกออกเป็นแถบแสงสีรุ้ง เรียกว่า "สเปกตรัม"  ต่อมาในปี ค.ศ.1814 โจเซฟ ฟอน ฟรังโฮเฟอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองซ้ำโดยใช้แผ่นเกรตติ้งแทนแท่งแก้วปริซึมหักเหแสงอาทิตย์ เขาพบเส้นมืดปรากฏบนแถบสเปกตรัมมากกว่า 600 เส้น ดังภาพที่ 1 (ในปัจจุบันตรวจพบมากกว่า 30,000 เส้น) นักเคมีในยุคต่อมาเรียกเส้นมืดเหล่านี้ว่า เส้นดูดกลืน (Absorption lines) ธาตุแต่ละชนิดทำให้เกิดเส้นดูดกลืนที่แตกต่างกัน

ปี ค.ศ.1859: โรเบิร์ต บุนเซน (Robert_Bunsen) และ กุสตาฟ เคิร์ชฮอฟ (Gustaf Kirchhoff) นักเคมีชาวเยอรมันได้ทำการทดลองเผาแก๊สร้อน แล้วพบว่า แสงจากแก๊สร้อนทำให้เกิดเส้นสว่างบนแถบสเปกตรัม  สเปกตรัมของแก๊สแต่ละชนิดมีจำนวนและตำแหน่งของเส้นสว่างแตกต่างกัน เราเรียกเส้นสว่างนี้ว่า “เส้นแผ่รังสี” (Emission lines) ในเวลาต่อมา เคิร์ชฮอฟ ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง เส้นดูดกลืนและเส้นแผ่รังสี ตามกฎของเคิร์ชฮอฟ (Kirchhoff’s laws) ดังนี้ 

• 1. การแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้เกิดสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) 

  2. การแผ่รังสีของแก๊สร้อน ทำให้เกิดสเปกตรัมแผ่รังสี (Emission spectrum) ปรากฏเป็นเส้นสว่างบนแถบมืด 

  3. แก๊สเย็นขวางกั้นการแผ่รังสีจากวัตถุดำ ทำให้เกิดสเปกตรัมดูดกลืน (Absorption spectrum) ปรากฏเป็นเส้นมืดบนแถบสีรุ้ง ดังภาพที่ 2

สเปกตรัมที่เกิดขึ้นจากการแผ่รังสีของสสารแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะตัว ดังตัวอย่างในภาพที่ 3  เส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นจากธาตุแต่ละชนิดแตกต่างไม่ซ้ำกัน ทำนองเดียวกับเส้นลายมือของมนุษย์ ถ้าเราทราบข้อมูลสเปกตรัมของวัตถุต้นกำเนิด เราก็จะสามารถวิเคราะห์ได้ว่า วัตถุนั้นมีองค์ประกอบเป็นธาตุอะไร 

• • วัตถุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุดำ เช่น โลหะไส้หลอดไฟฟ้า แผ่รังสีทำให้เกิดสเปกตรัมต่อเนื่อง

  • กลุ่มแก๊ส เช่น หลอดฟลูโอเรสเซนส์ เนบิวลา โคมาของดาวหาง แผ่รังสีทำให้เกิดสเปกตรัมแผ่รังสี

  • วัตถุที่มีแก๊สหรือบรรยากาศห่อหุ้ม เช่น ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ แผ่รังสีทำให้เกิดให้สเปกตรัมดูดกลืน  

ในการศึกษาองค์ประกอบของดาวฤกษ์ด้วยการวิเคราะห์สเปกตรัม นักดาราศาสตร์แบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น 7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M โดยมีคำพูดให้ท่องจำได้ง่ายว่า Oh Be A Fine Girl Kiss Me (เป็นเด็กดีต้องจูบฉัน) ดังตัวอย่างในภาพที่ 4 ดาว O เป็นดาวเกิดใหม่มีอุณหภูมิสูง 35,000 K ดวงอาทิตย์เป็นดาว G มีอายุปานกลางมีอุณหภูมิสูง 5,800 K   ส่วนดาว M เป็นดาวใกล้สิ้นอายุขัยมีอุณหภูมิต่ำเพียง 3,500 K (ภาพที่ 4) เราจะเห็นได้ว่า สเปกตรัมของดาวฤกษ์แต่ละประเภทจะมีเส้นดูดกลืนสีดำ ซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบในบรรยากาศที่ห่อหุ้มดาวต่างๆ กัน เส้นดูดกลืนของสเปกตรัม O เกิดจากการดูดกลืนของอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียม ส่วนเส้นดูดกลืนของดาว K เกิดจากการดูดกลืนของธาตุหนักหลายชนิด นอกจากนั้นยังพบเส้นดูดกลืนของโมเลกุลอยู่เป็นจำนวนมาก เนื่องจากอุณหภูมิต่ำพอที่อะตอมสามารถจับตัวกันเป็นโมเลกุล เช่น ไททาเนียมออกไซด์ (TiO) เป็นต้น 

อุปกรณ์ที่ใช้ในการศึกษาสเปกตรัมเรียกว่า สเปกโตรมิเตอร์ (Spectrometer) ทำงานโดยใช้เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์รวมแสงของวัตถุให้ตกผ่านช่องแคบๆ (Slit) ตรงเข้าสู่แผ่นเกรตติ้ง (Diffraction grating) ซึ่งพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นร่องสามเหลี่ยมคล้ายสันของปริซึมจำนวนมาก เรียงขนานกันเป็นแถว เพื่อหักเหแสงทำให้เกิดสเปกตรัม แล้วทำการเก็บข้อมูลด้วยเครื่องวัด (Detector) หรืออุปกรณ์บันทึกภาพ CCD  

 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | การแผ่รังสี | อนุภาคแสง | สเปกตรัม | กลไกควอนตัม | ปรากฏการณ์ดอปเปอร์