แม่สีที่มีต่อเส้นสเปกตรัมในเชิงเคมี

ราเคยสงสัยกันหรือไม่ว่า ทุกสิ่งอย่างบนโลกใบนี้ที่เรามองเห็นเป็นสีสันต่าง ๆ นั้น แถบสีหรือสีสันที่เรามองเห็นเกิดจากอะไร ? และทำไมเวลาเรามองแสงแดดหรือแสง UV เราจึงมองไม่เห็นว่าแสงนั้นมีสีอะไร แต่ทำไมเวลามองสิ่งของอื่น ๆ จึงมองเห็นเป็นสีสันสวยงาม

ภาพที่ 1 สเปกตรัมของแถบสีที่มนุษย์มองเห็น
ที่มา https://pixabay.com/ ,denis_asarenko

แสงหรือสเปกตรัมของแสงคืออะไรนะ ?  สเปกตรัม (spectrum)  มาจากภาษาละตินมีความหมายว่า “Ghost” เพราะแสงพวกนี้ปรากฏแสงเป็นแบบ “Ghostlike” จากแสงของจริงที่เป็นแสงสีขาว ไม่มีสีสันอย่างสเปกตรัมนั่นเอง ส่วนเส้นสเปกตรัม คือแสงที่เป็นเส้นหรือแถบที่แสดงออกมาเป็นสี โดยการแผ่รังสีที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านปริซึม (prism)  หรือเกรตติง (grating) หรือสเปกโตรสโคป (spectroscope) เห็นเป็นสีได้ 7 สี ซึ่งไม่มีความต่อเนื่องกัน มีการเว้นช่วงความถี่และมีความยาวคลื่นแตกต่างกันจนเกิดเป็นแถบ ๆ เรียงกันไป

แล้วสเปกตรัมถูกค้นพบมาได้อย่างไร? เซอร์ไอแซค นิวตันเป็นคนแรกที่ค้นพบว่าแสงที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแยกแถบสีได้ 7 สี โดยทำการทดลองใช้ปริซึมแยกแสงอาทิตย์ ผลที่ได้คือปรากฏแถบสี 7 สี นั่นคือ เมื่อให้แสงของวัตถุดำหรือแสงขาวส่องผ่านปริซึม จะเกิดแถบสีต่าง ๆ ต่อเนื่องกัน 7 สี ได้แก่ สีม่วง สีคราม สีน้ำเงิน สีเขียว สีเหลือง สีส้ม และสีแดง เรียกแถบสีต่อเนื่องทั้ง 7 สีนี้ว่า “สเปกตรัมของแสงสีขาว” แสงขาวนั้นประกอบไปด้วยสีทั้ง 7 สี ซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน ทำให้เกิดการหักเหตามขนาดของมุมต่าง ๆ โดยแสงที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันนั้น ก็จะมีการหักเหของแสงในปริซึมไม่เท่ากันเช่นกัน ซึ่งทำให้เกิดการแยกออกเป็นแถบสีต่าง ๆ ที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันต่อเนื่องกันเป็นแถบสเปกตรัม

ภาพที่ 2 วงล้อสีของสเปกตรัม
ที่มา https://pixabay.com/ ,giorgio9377

ต่อมาในปี ค.ศ.1802 วิลเลียม ไฮด์ วอลลาสตัน นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ค้นพบสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์ที่ถูกบรรยากาศบัง มีเส้นมืดปรากฏอยู่บนแถบห่างกันไม่เท่ากัน ซึ่งหลังจากนั้นโยเซฟ ฟอน ฟรอนโฮเฟอร์ ค้นพบเส้นมืดจำนวน 475 เส้นในสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์ ซึ่งต่อมาเรียกเส้นมืดที่ถูกค้นพบนี้ว่า เส้นดูดกลืน (absorption lines) ซึ่งธาตุแต่ละชนิดจะทำให้เกิดเส้นดูดกลืนที่แตกต่างกันออกไป และยังค้นพบเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่องนี้ ซึ่งมีความยาวคลื่นที่ตรงกับสีเหลืองในการเผาเกลือ ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีธาตุโซเดียม (Na) อยู่

ในปี ค.ศ.1859-1860 โรเบิร์ต บุนเซน และกุสตาฟ เคิร์ชฮอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเผาก๊าซร้อน แล้วพบว่า แสงจากก๊าซร้อนที่ผ่านปริซึมเกิดเส้นสว่างบนแถบสเปกตรัม ซึ่งก๊าซแต่ละชนิดให้จำนวนและตำแหน่งของเส้นสว่างแตกต่างกัน เราเรียกเส้นสว่างนี้ว่า เส้นแผ่รังสีหรือเส้นเปล่งแสง (emission lines) เวลาต่อมา เคิร์ชฮอฟ ยังค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างเส้นดูดกลืนและเส้นแผ่รังสี ซึ่งนั่นก็คือ กฏสามข้อของเคิร์ชฮอฟ (Kirchhoff’s Laws) นั่นเอง

ภาพที่ 3 สเปกตรัมของวัตถุต่างๆ
ที่มา  http://portal.edu.chula.ac.th

เส้นสเปกตรัมที่ได้ส่วนใหญ่เกิดจากอะตอมของธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะให้เส้นสเปกตรัมที่แตกต่างกัน มีลักษณะเฉพาะตัวเช่นเดียวกับลายนิ้วมือของมนุษย์ ดังนั้น การศึกษาวิเคราะห์เรื่องของสเปกตรัม จะทำให้เราสามารถทราบองค์ประกอบต่าง ๆ หรือโครงสร้างภายในอะตอมได้ ยกตัวอย่างจากพวกก๊าซร้อนหรือไอ โดยการนำก๊าซมาบรรจุอยู่ภายในหลอดแก้วสเปกตรัม ใช้การเผาหรือกระแสไฟฟ้าแรงที่สามารถทำให้เกิดความร้อนสูงในก๊าซ ซึ่งไอของก๊าซที่ร้อนนั้น เมื่อให้หักเหผ่านแผ่นเกรตติงหรือสเปกโตรสโคป จะปรากฏเส้นสเปกตรัมที่มีเส้นแผ่รังสีอยู่ และมีสีของสเปกตรัมหนึ่งที่เด่นชัด ซึ่งจะต่างกันไปตามก๊าซแต่ละชนิด ดังตารางแสดงสเปกตรัมของก๊าซหรือไอของสารและภาพ

ภาพที่ 4 สเปกตรัมของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ
ที่มา https://pixabay.com/ ,geralt

สเปกตรัมสามารถบอกคุณสมบัติของดาวฤกษ์ได้ 3 ประการได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิว องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ และทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวซึ่งสัมพัทธ์กับโลกโดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า สเปกโตรสโคปี (Spectroscopy) นั่นก็คือ วิธีการศึกษาดาวฤกษ์ของนักดาราศาสตร์ โดยใช้การดูสเปกตรัมที่เกิดขึ้น จากเครื่องสเปกโตรสโคป ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ ให้รวมแสงจากดาวผ่านเข้าปริซึมหรือเกรตติงในสเปกโตรสโคป ทำให้เกิดสเปกตรัมที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ เมื่อได้แล้วก็บันทึกภาพลงด้วยอุปกรณ์บันทึกภาพ CCD (Charge Coupled Device) ซึ่งนักดาราศาสตร์ศึกษาองค์ประกอบดาวฤกษ์จากสเปกตรัมโดยแบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น 7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M  มีวิธีการท่องจำง่ายเป็นประโยคภาษาอังกฤษมีความหมายว่า  เป็นเด็กดีแล้วจูบฉัน Oh Be A Fine Girl Kiss Me ตามลำดับนั่นเอง

แหล่งที่มา

มาลี บานชื่น. (2514). มนุษย์กับวิทยาศาสตร์กายภาพ ตอนคลื่นแสงและทฤษฏีควอนตัม. กรุงเทพฯ : โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์