6.การทดลองด้านสเปกตรัม

19.5   การทดลองด้านสเปกตรัม

          19.5.1 สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส

                        เมื่อเราใช้เกรตติ้งส่องดูแก๊สร้อนในหลอดบรรจุแก๊สชนิดต่างๆ เราจะพบเห็นว่าสเปกตรัมของแก๊สร้อนชนิดต่างๆ มีลักษณะเป็นเส้นๆ  ไม่ต่อเนื่องกันแต่เส้นสว่างจะมีความยาวคลื่นเรียงกันเป็นกลุ่มอย่างมีระเบียบ  เรียกว่า  อนุกรม  ( Series ) ดังรูป

 

รูป  19.9 ลักษณะสเปกตรัมของแก๊สร้อน

                ความยาวคลื่นของสเปกตรัมของแก๊สไฮโดรเจนร้อนมี  5  อนุกรม  โดยมีชื่อเรียกตามนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบสเปกตรัมแต่ละเส้นในอนุกรมนั้น  และสามารถคำนวณหาค่าความยาวคลื่นของสเปกตรัมแต่ละเส้นในอนุกรมต่างๆ  ได้โดยใช้สมการ

เมื่อ         คือความยาวคลื่นของสเปกตรัม (m)

R_H   คือค่านิจของริดเบอร์ก   =   1.1 x 10⁷  m^-1

n_f     คือตัวเลขจำนวนเต็มที่เท่ากับ  2

n_i     คือตัวเลขจำนวนเต็มเริ่มตั้งแต่  3, 4, 5,….

ตารางที่  19.1  แสดงอนุกรมของสเปกตรัมชุดต่างๆ  ของไฮโดรเจน

ชื่ออนุกรม	ปีที่ค้นพบ	ส่วนกลับของความยาวคลื่น	nf	ni	ช่วงของรังสี
ไลมาน (Lyman)	1906-1914		1	2, 3, 4,…	อัลตราไวโอเลต ( UV )
บัลเมอร์ (Balmer)	1885		2	3, 4, 5,…	แสงที่ตามองเห็นถึง UV
พาสเชน (Paschen)	1908		3	4, 5, 6,…
แบรกเกต (Bracket)	1922		4	5, 6, 7,…	อินฟราเรด ( IR )
ฟุนด์ (Pfund)	1924		5	6, 7, 8,…

จากสมการของบัลเมอร์ เมื่อเราแทนค่า n_f     =   2

n_i     =   3   จะได้   l   =    6,562.8   ⁰A   เป็นความยาวคลื่นของแสงสีแดง

n_i     =   4   จะได้   l   =    4,861.3   ⁰A   เป็นความยาวคลื่นของแสงสีน้ำเงิน

n_i     =   5   จะได้   l   =    4,340.5   ⁰A   เป็นความยาวคลื่นของแสงสีม่วง

n_i     =   6   จะได้   l   =    4,101.7   ⁰A   เป็นความยาวคลื่นของแสงสีเหนือม่วง

 

รูป  19.10  สเปกตรัมเส้นสว่างในอนุกรมบัลเมอร์ของอะตอมไฮโดรเจน

19.5.2   การแผ่รังสีของวัตถุดำ

วัตถุทุกชนิดไม่ว่าจะร้อนหรือเย็นจะมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา โดยทั่วไปเราเข้าใจว่าวัตถุร้อนเท่านั้นที่จะแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา เพราะเรามักจะพบคลื่นแสงแผ่ออกมาจากวัตถุที่ร้อน  เช่น  แสงจากดวงอาทิตย์   แสงจากการเผาถ่านไม้  หรือแสงจากไส้หลอดทังสเตน  เป็นต้น แต่ความเป็นจริงแล้ววัตถุที่เย็นก็มีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเช่นกัน เพียงแต่ความถี่ของคลื่นอยู่ในช่วงของแสงน้อยมาก ส่วนใหญ่จะอยู่ในย่านความถี่ของคลื่นอินฟราเรด หากเรายืนอยู่ในห้องมืดร่างกายเรามีอุณหภูมิประมาณ 310 เคลวิน จะแผ่รังสีของแสงมาน้อยไม่สามารถทำให้ห้องสว่างได้เพราะคลื่นที่แผ่ออกมาโดยส่วนใหญ่อยู่ในย่านอินฟราเรด เราเรียกวัตถุที่มีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ว่าวัตถุดำ (Black  Body )

ปี ค.ศ. 1900 ฟลังก์ได้สร้างภาพจำลองในการแผ่รังสีของวัตถุดำโดยถือว่าวัตถุดำประกอบด้วยอะตอมคู่มากมายและอะตอมทุกคู่จะมีการสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติ เช่นเดียวกับการสั่นของมวลผูกปลายสปริง จึงทำให้มีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอออกมา โดยพลังงานที่แผ่ออกมาจากวัตถุดำแต่ละชนิดจะขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดการสั่นของอะตอม จำนวนอะตอมในวัตถุ โดยมีขนาดของพลังงานเป็น   E    =    hf,    2hf,    3hf, . .. .. ซึ่งเราสามารถเขียนเป็นสมการได้

                                           E   =   n(hf)                 

n    คือเป็นตัวเลขจำนวนเต็มบวก  โดย     n    =  1,2, 3, . . . .

f     คือความถี่ธรรมชาติการสั่นของอะตอมคู่ ( Hz )

h     คือค่านิจของแพลงค์ ( h =  6.6310^-34   J.s )

ดังนั้น ปริมาณ  hf  จึงหมายถึง  1 ก้อนพลังงานแสง ซึ่งเรียกว่า 1 ควอนตัม หรือ 1 โฟตอน  (1 เม็ดแสง)อิเล็กตรอนโวลต์  (eV)  เป็นหน่วยวัดพลังงานสำหรับอนุภาคขนาดเล็ก โดย 1 eV   =  1.6  10 ^-19 จูล

พลังงาน  1 eV. จะเป็นพลังงานที่ได้จากการเร่งอิเล็กตรอนผ่านความต่างศักย์ 1 โวลต์   (เร่งอิเล็กตรอน

ผ่านความต่างศักย์  V  โวลต์  จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเป็น V  อิเล็กตรอนโวลต์)