Blockdit Logo (Mobile)
อาจวรงค์ จันทมาศ
•
8 ต.ค. 2020 เวลา 09:22 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
ปรากฏการณ์ซีมาน (Zeeman effect) สเปกตรัมของอะตอมในสนามแม่เหล็ก การค้นพบที่มาก่อนกาล
อะตอมนั้นมีขนาดเล็กมาก จนมนุษย์เราไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า นักฟิสิกส์จึงออกแบบการทดลองเพื่อศึกษาพฤติกรรมของอะตอม แล้วนำข้อมูลที่ได้มาสร้างแบบจำลองเพื่ออธิบายผลการทดลองนั้น
หนึ่งในการทดลองที่ทำให้นักฟิสิกส์เข้าใจธรรมชาติของอะตอมได้อย่างลึกซึ้งที่สุดคือ การศึกษาแสงที่อะตอมของธาตุต่างๆเปล่งออกมาเมื่อได้รับความร้อน หรือที่เรียกว่า การศึกษาสเปกตรัม นั่นเอง
1
ในช่วงปี ค.ศ. 1896 นักฟิสิกส์ชื่อ ปีเตอร์ ซีมาน (Pieter Zeeman) ทำการทดลองเพื่อศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอม แต่แทนที่จะทำเหมือนที่นักฟิสิกส์คนอื่นๆทำ เขากลับใส่สนามแม่เหล็กผ่านเข้าไปในอะตอมด้วย
ผลที่เกิดขึ้นคือ เส้นสเปกตรัมที่ได้นั้นแตกต่างไปจากอะตอมในสภาวะที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก โดยเส้นสเปกตรัมหลายตำแหน่งมีการแยก (Split) ออกเป็นหลายเส้นจากเดิมที่มีเพียงเส้นเดียว ปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกเรียกว่า ปรากฏการณ์ซีมาน (Zeeman effect) ตามชื่อผู้ที่ค้นพบมัน
การแยกของเส้นสเปกตรัมในปรากฏการณ์ซีมานแบบปกติ
ปัญหาใหญ่ที่เกิดขึ้นคือ นักฟิสิกส์จะอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างไร? ลองนึกดีๆนะครับ ในปี ค.ศ. 1896 ที่มีการค้นพบปรากฏการณ์ซีมานนั้น นักฟิสิกส์ยังไม่ได้ค้นพบอิเล็กตรอน ยังไม่มีการค้นพบทฤษฎีการแผ่รังสีของวัตถุดำ ยังไม่มีทฤษฎีแบบจำลองอะตอมแบบบอร์ด้วย กล่าวได้ว่าการทดลองของซีมานนั้นมาก่อนกาลมากๆ
หลังจากการค้นพบของซีมานได้ไม่นานนัก ในปี ค.ศ. 1897 มีการค้นพบอิเล็กตรอนโดยเจ เจ ทอมสัน (J.J. Thomson) และในปีนั้นเอง เฮนดริก ลอเรนตซ์ (Hendrik A. Lorentz) อาจารย์ที่ปรึกษาของปีเตอร์ ซีมาน อธิบายปรากฏการณ์ซีมานด้วยทฤษฎีอิเล็กตรอนในแบบของเขา (นับว่ารวดเร็วทันใจสดใหม่มากๆ)
1
เขาอธิบายว่าอิเล็กตรอนในอะตอมที่ถูกกระตุ้นมีการสั่นด้วยความถี่ค่าหนึ่ง ทำให้มีการปลดปล่อยแสงออกมา แต่เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก ความถี่ดังกล่าวจะถูกรบกวนจนแยกออกเป็นสามความถี่ ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์ซีมานได้เป็นอย่างดี ผลงานดังกล่าวทำให้ปีเตอร์ ซีมานและเฮนดริก ลอเรนตซ์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1902
1
(ซ้าย) ปีเตอร์ ซีมาน , (ขวา) เฮนดริก ลอเรนตซ์
แต่ปัญหาคือ ทฤษฎีของลอเรนตซ์ อธิบายเส้นสเปกตรัมที่แยกออกเป็นสามเส้นได้เท่านั้น ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าว เรียกว่า ปรากฏการณ์ซีมานแบบปกติ( Normal Zeeman effect) แต่ยังมีเส้นสเปกตรัมบางเส้นที่แยกออกเป็นจำนวนอื่นๆ เช่น 4 เส้น หรือ 6 เส้น เรียกว่า ปรากฏการณ์ซีมานแบบวิปริต (anomalous Zeeman effect) ซึ่งการจะอธิบายธรรมชาติของปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้ได้อย่างครอบคลุมต้องเข้าใจธรรมชาติของอิเล็กตรอนตามทฤษฎีควอนตัมสมัยใหม่เป็นอย่างดี
ปรากฏการณ์ซีมานแบบวิปริต
คำอธิบายสมัยใหม่แบบคร่าวๆ(เบื้องต้น) คือ อิเล็กตรอนในอะตอมมีลักษณะวงโคจรที่เรียกว่า ออร์บิทัล (orbital) อยู่หลายรูปแบบ การโคจรของอิเล็กตรอนย่อมทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น(เพราะกระแสไฟฟ้าเกิดจากการไหลของอิเล็กตรอน) ซึ่งกระแสไฟฟ้าดังกล่าวย่อมเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้น เปรียบเหมือนกับมีแท่งแม่เหล็กเล็กๆเกิดขึ้น
เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็กจากภายนอก แท่งแม่เหล็กเล็กๆที่เกิดจากอิเล็กตรอนในอะตอมจะหันทิศทางแบบสุ่มๆ แต่ถ้าใส่สนามแม่เหล็กเข้ามา แท่งแม่เหล็กดังกล่าวจะเกิดการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอก ทำให้เกิดการหันไปในทิศทางบางอย่าง (ขึ้นอยู่กับลักษณะของออร์บิทัล)
P orbital
ยกตัวอย่างเช่น
- ก่อนจะใส่สนามแม่เหล็กเข้าไปในอะตอม อิเล็กตรอนทุกตัวใน p-orbital นั้น ล้วนมีระดับพลังงานเท่ากันหมด แต่เมื่อใส่สนามเหล็กเข้าไป อิเล็กตรอนใน p-orbital จะเกิดการวางตัวตามสนามแม่เหล็กแตกต่างกันออกไป 3 รูปแบบ ส่งผลให้ระดับพลังงานแยกออกเป็น 3 ขั้น
แต่ถ้าใส่สนามแม่เหล็กเข้าไปใน d-orbital อิเล็กตรอนจะเกิดการวางตัวตามสนามแม่เหล็กแตกต่างกันออกไป 5รูปแบบและระดับพลังงานแยกออกเป็น 5 ขั้น
d orbital
ตอนนี้จะเห็นได้ว่า สนามแม่เหล็กสามารถส่งผลให้ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนแยกออกเป็นชั้นย่อยๆได้
ความเข้าใจนี้เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพราะเมื่อทำการวิเคราะห์ร่วมกับกฎที่เรียกว่า Selection rule จะทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่าอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากระดับพลังงานหนึ่งๆ มายังระดับพลังงานใดได้บ้าง ทำให้นักฟิสิกส์จะอธิบายปรากฏการณ์ซีมานได้อย่างชัดเจน
อีกอย่างคือ การแยกของชั้นพลังงาน เมื่ออิเล็กตรอนได้รับสนามแม่เหล็ก จะบ่งชี้ถึงความสามารถในการจุอิเล็กตรอนใน ออร์บิทัลนั้นๆ เช่น d-orbital สามารถจุอิเล็กตรอนได้มากกว่า p-orbital ทำให้ d-orbital เกิดการแบ่งชั้นพลังงานมากกว่า p- orbital เมื่อได้รับสนามแม่เหล็กนั่นเอง
แต่ปัญหาที่ยังเหลือคือ ปรากฏการณ์ซีมานแบบวิปริต นั้น จำเป็นต้องมีตัวแปรบางอย่างเพิ่มเข้ามา นั่นคือ สปิน (Spin) ซึ่งเป็นตัวแปรพื้นฐานสุดท้ายที่สำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจธรรมชาติของอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งผมจะเล่าให้ฟังในครั้งถัดๆไปครับ
โฆษณา