การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน
สู่แบบจำลองอะตอมเชิงควอนตัม
การพยายามมองหากฎที่ใช้อธิบายว่า "ทำไมธรรมชาติจึงเป็นอย่างที่มันเป็น" คือความปรารถนาของนักฟิสิกส์ทุกยุคสมัย และได้กลายเป็นวัตถุดิบสำคัญที่ใช้สร้างสรรค์เทคโนโลยี
หนึ่งในปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนไม่มีรูปแบบใดๆ แต่นักฟิสิกส์กลับสามารถมองหารูปแบบที่ซุกซ่อนอยู่จนพบ และมีการสร้างทฤษฎีที่ใช้อธิบายมันได้อย่างชัดเจน นั่นคือ สเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจน
หากเรานำธาตุมาเผาจะเกิดการเปล่งแสงออกมา ซึ่งธาตุแต่ละชนิดมีรูปแบบการเปล่งแสงเฉพาะตัวที่แตกต่างกันออกไป เรียกว่า สเปกตรัมของธาตุนั้นๆ การศึกษาสเปกตรัมที่เปล่งออกมาจากธาตุเป็นประโยชน์ต่อการวิเคราะห์ชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ จนถึง การตรวจหาสารที่อยู่ในอาหาร
ธาตุที่เรียบง่ายที่สุดในเอกภพคือ ธาตุไฮโดรเจน
ราวปี ค.ศ. 1853 อังเดร อังสตรอม (Anders Jonas Ångström) นักฟิสิกส์ชาวสวีเดนศึกษาสเปกตรัมของไฮโดรเจนก็พบว่าธาตุไฮโดรเจนมีการเปล่งแสงออกมาอย่างเห็นได้ชัด 4 สี โดยสีที่ชัดที่สุดคือสีแดง * (656 นาโนเมตร) รองลงมาเป็นสีเขียวแกมน้ำเงิน (486 นาโนเมตร) สีน้ำเงิน (434 นาโนเมตร)และสีม่วง (410 นาโนเมตร) ตามลำดับ
คำถามคือ ทำไมธาตุไฮโดรเจนจึงเปล่งแสงออกมาในลักษณะนี้ ?
การพยายามสร้างสูตรที่ให้ความยาวคลื่นออกมาดูเหมือนเกมปริศนาที่ยากจะจับต้นชนปลายจนไม่น่าจะมีใครทำได้ แต่ในปี ค.ศ. 1885 โยฮัน เจคอบ บาลเมอร์ (Johann Jakob Balmer) นักคณิตศาสตร์ชาวสวิสสร้างสูตรคณิตศาสตร์ที่ให้ค่าความยาวคลื่นทั้งหมดนี้ออกมาด้วยการลองผิดลองถูกไปเรื่อยๆจนพบ
แม้บาลเมอร์จะไม่มีเหตุผลมารอบรับว่าเหตุใดธโดรเจนจึงเปล่งสีเหล่านี้ออกมา แต่การสร้างสมการขึ้นมาจากชุดข้อมูลตัวเลขแบบนี้นับว่าน่าทึ่งสุดๆ
สูตรของบาลเมอร์
หลังจากนั้นไม่นานมีการสร้างสูตรที่ใช้อธิบายเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนได้ครอบคลุม โดยสูตรดังกล่าวมีชื่อว่า สูตรของริดเบิร์ก (Rydberg formula) ซึ่งถูกต่อยอดมาจากสูตรของบาลเมอร์ ไล่เลี่ยกับในช่วงนั้นมีการทดลองค้นพบเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนในช่วงอัลตราไวโอเล็ต และ ช่วงอินฟราเรด ซึ่งผลการทดลองที่ได้สอดคล้องกันกับสูตรของริดเบิร์กเป็นอย่างดี แต่ก็ยังไม่มีใครรู้ว่าเหตุใดธาตุไฮโดรเจนจึงมีพฤติกรรมตามสูตรดังกล่าว
ช่วงเวลานั้น นักฟิสิกส์กำลังปวดหัวกับคำถามสำคัญอีกข้อ นั่นคือ อะตอม(atom) มีหน้าตาอย่างไรกันแน่ ?
เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ-นิวซีแลนด์ ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟา ซึ่งประกอบไปด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว เข้าใส่ทองคำแผ่นบางเฉียบ
ผลลัพธ์ที่ได้คือ อนุภาคแอลฟาส่วนมากทะลุไปเฉยๆตามคาด แต่มีมีบางส่วนที่เบี่ยงแฉลบซ้ายขวาไปมากพอสมควร และมีส่วนน้อยมากๆที่สะท้อนกลับ!
แบบจำลองอะตอมเก่าอธิบายการสะท้อนกลับนี้ไม่ได้
ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอภาพว่าอะตอมประกอบด้วยก้อนประจุบวกอัดแน่นอยู่ตรงกลางขนาดเล็ก มีอิเล็กตรอนประจุลบวิ่งวนอยู่รอบๆที่ว่างอันกว้างใหญ่ คล้ายกับดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์
แบบจำลองนี้อธิบายได้ว่า อนุภาคแอลฟาส่วนมากทะลุผ่านไปเพราะมันแทบไม่ชนกับอะไร บางส่วนที่เบี่ยงออกซ้ายขวาเพราะมันเฉี่ยวกับประจุบวกที่อัดแน่นตรงกลาง และมีส่วนน้อยมากที่ถึงขั้นสะท้อนกลับเพราะมันชนประจุบวกตรงกลางแบบจังๆ
แต่ปัญหาของแบบจำลองนี้คือ ทำไมประจุบวกถึงอัดแน่นอยู่ตรงกลางได้ทั้งที่จริงๆแล้วประจุบวกควรจะผลักกัน แต่ปัญหาที่ใหญ่กว่านั้นมากๆคือ การโคจรของอิเล็กตรอน
ทำไมอิเล็กตรอนวิ่งวนไปรอบๆได้ ทั้งที่ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบฉบับบ่งชี้ว่า อิเล็กตรอนที่วิ่งวนจะมีการแผ่รังสีออกมาอย่างต่อเนื่อง และเมื่อมันแผ่รังสีออกมา มันจะสูญเสียพลังงานจนวงโคจรเล็กลงเรื่อยๆและตกเข้าสู่ก้อนประจุบวกตรงกลางในที่สุด ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้น สสารต่างๆย่อมไม่มีเสถียรภาพอย่างที่มันเป็น
จนกระทั่งปี ค.ศ. 1913 งานวิจัยของนักฟิสิกส์ชื่อ นีลส์ บอร์ (Niels Bohr) ได้เข้ามาตอบคำถามทั้งสองข้อนี้ด้วยการสร้างแบบจำลองอะตอมเชิงควอนตัม ที่สร้างความเปลี่ยนแปลงให้กับโลกฟิสิกส์อย่างมาก ซึ่งผมจะเล่าให้ฟังในครั้งต่อๆไปครับ
- 26
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
