Blockdit Logo (Mobile)
Antfield
•
21 ก.พ. 2020 เวลา 17:31 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
ครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่นักวิทยาศาสตร์สามารถจับ อะตอมเดี่ยว ๆ เอาไว้ เพื่อที่เราจะได้เห็นอะตอมแบบเดี่ยว ๆ เต็มตัว 📸😯👍
ซึ่งเจ้า "อะตอม" นี้เล็กกว่าไวรัสโคโรนา เล็กกว่าฝุ่น PM 2.5 มากมายนัก
จุดเบลอ ๆ สีขาวนี่แหละคือ "1 อะตอม" ครั้งแรกที่มนุษย์สามารถจับมันเอาไว้และมองเห็นสังเกต และศึกษาพฤติกรรมของอะตอม
แล้วอะตอมที่ว่าเล็กนี่มันเล็กขนาดไหนกัน??
ปัจจุบันเรารู้ขนาด รู้โครงสร้าง ผ่านการอนุมานทางสถิติ ผ่านการศึกษาพฤติกรรมของอะตอมแบบกลุ่มเพราะเราไม่สามารถมองและสังเกตพฤติกรรมได้โดยตรงเพราะมันเล็กมาก ๆ
หนึ่งหยดน้ำนี้จะมีอะตอมอยู่เท่าไหร่หนอ?
หนึ่งหยดน้ำค้างด้านบนนี้ รู้ไหมครับมีโมเลกุลน้ำกี่โมเลกุล??
คำตอบคือ 1,670 ล้านล้านล้านโมเลกุล ซึ่งหนึ่งโมเลกุลของน้ำมี 3 อะตอมของ 2 ธาตุ นั่นคือ ไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม
ฉะนั้นแล้วน้ำหนึ่งหยดมีอะตอมของธาตุไฮโดรเจนและออกซิเจนผสมกันอยู่กว่า 5,000 ล้านล้านล้านอะตอม แบ่งน้ำหนึ่งหยดเป็น 5,000 ล้านล้านล้านส่วนก็จะได้ขนาดโดยประมาณของ "1 อะตอม"
มาวันนี้ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Otago ในนิวซีแลนด์สามารถจับอะตอมให้อยู่นิ่งด้วยเทคนิค LASER-cooled atom ซึ่งใช้แสงเลเซอร์แช่แข็งอะตอมให้มีอุณหภูมิเย็นจัดเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (-273 องศาเซลเซียส)
จับกลุ่มอะตอมขังไว้ด้วยเลเซอร์แกนระนาบ และใช้ Cooling Laser ลดอุณหภูมิ
หลายคงอาจจะงง ยิงเลเซอร์ใส่แล้วเย็นลงได้ไง?
ทั้งนี้อะตอมเมื่อถูกกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ที่มีความถี่เหมาะสมก็จะดูดซับพลังงานเอาไว้ และสักพักก็จะคายพลังงานกลับออกมาเป็นโฟตอน(แสง)
แต่การดูดซับและคายพลังงานเกิดขึ้นในลักษณะที่การดูดซับพลังงานน้อยกว่าการคายพลังงาน อะตอมก็จะสูญเสียพลังงานไปเรื่อย ๆ จนทำให้อุณหภูมิลดลงไปจนใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ในที่สุด
ภาพอธิบาย Doppler laser cooling
จากรูปอธิบายขั้นตอนของ Doppler laser cooling ดังนี้
1 กับ 2 อะตอมที่อยู่นิ่งหรือวิ่งหนีแสงจะไม่ดูดซับพลังงานแสงเพราะคลื่นความถี่ไม่ตรง
3.1 เมื่ออะตอมวิ่งเข้าหาเลเซอร์จะเกิดการดูดซับพลังงานจากโฟตอนและเคลื่อนที่ช้าลง
3.2 ซึ่งพลังงานที่ดูดซับไปจะกระตุ้นให้อิเลคตรอนในอะตอมอยู่ในสถานะกระตุ้น(พลังงานสูง)
3.3 หลังจากนั้นอะตอมจะคายพลังงานกลับออกมาในรูปของโฟตอน(แสง)ในทิศทางแบบสุ่ม ทำให้อะตอมเกิดการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งทุกครั้งของวัฏจักรการดูดซับพลังงานผลรวมโมเมนตัมจะคงเดิมเสมอ
ภาพชุดอุปกรณ์ของการทำ laser cooling แค่เห็นก็ตาลาย
ซึ่งอะตอมในสถานะนี้เรียกว่า Super Cooled Atom มีพลังงานจลน์และพลังงานความร้อนภายในที่เรียกกว่า Thermal Energy ต่ำมาก ๆ
ชั้นตอนที่ทีมวิจัยใช้ในการจับและดูอะตอม
หลังจากนั้นก็จะทำการขนย้ายและคัดแยกอะตอมออกโดยอะตอมที่ยังมีพลังงานจลน์มากพอก็จะหลุดออกจากบริเวณกักกัน จนสุดท้ายก็จะได้อะตอมเป้าหมายที่จะจับและสังเกตุ
ภาพขั้นตอนการทำปฏิกิริยากันของอะตอม rubidium จำนวน 3 อะตอมซึ่งทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นโมเลกุลของ dirubidium
ซึ่งในการวิจัยนี้ยังได้ทำการสังเกตการทำปฏิกิริยากันของอะตอม rubidium จำนวน 3 อะตอมซึ่งทำปฏิกิริยากันจนเป็นโมเลกุลของ dirubidium ด้วย
แต่ทั้งนี้หากใช้อะตอม rubidium แค่ 2 อะตอมนั้นจะไม่เกิดการรวมตัวเป็น dirubidium ต้องใช้ rubidium 3 อะตอม ขึ้นไปถึงจะทำให้เกิด dirubidium ได้
ขั้นตอนฟังดูเหมือนง่ายนะครับ แต่ทำจริงโครตยาก เห็นชุดอุปกรณ์ก็จะเป็นลมแล้วไหนจะต้องอาศัยความชำนาญของทีมที่ทำวิจัยในการหาจังหวะจับอะตอม และที่สำคัญคือความอดทนอย่างสูงของทีมงาน
ผศ. Mikkel Andersen (ซ้าย) และ ดร. Marvin Weyland (ขวา) พร้อมชุดอุปกรณ์ในการทำการอดลอง, Source: University of Otago
ซึ่งความสำเร็จนี้ถือเป็น Ground Braking ในวงการวิทยาศาสตร์เลยทีเดียวที่เราสามารถจับอะตอมแยกมาทีละตัวเพื่อสังเกต รวมถึงสามารถสังเกตุปฏิกิริยาในการรวมตัวเป็นโมเลกุล
ก็เป็นอีกความก้าวหน้าของฟิสิกส์อนุภาคที่น่าตื่นตาเลยทีเดียวครับ 😉👍

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา