เส้นสเปกตรัม: ลายนิ้วมือของธาตุในอวกาศ
Spectral lines and the hydrogen atom
อัปเดตล่าสุด
อะตอมแต่ละธาตุดูดกลืนและปล่อยแสงเฉพาะบางความยาวคลื่นเท่านั้น เส้นสว่างและเส้นมืดในสเปกตรัมจึงบอกได้ว่าดาวที่อยู่ไกลหลายร้อยปีแสงประกอบด้วยอะไร ร้อนแค่ไหน และเคลื่อนที่เร็วเท่าไร
ในปี ค.ศ. 1835 นักปรัชญาชาวฝรั่งเศส โอกุสต์ กงต์ เขียนว่ามนุษย์จะไม่มีวันรู้ว่าดาวทำมาจากอะไร ไม่ถึงสามสิบปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ก็ทำได้สำเร็จด้วยการศึกษาเส้นสเปกตรัม
กฎสามข้อของเคียร์ชฮอฟฟ์
- ของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สหนาแน่นที่ร้อน ให้สเปกตรัมต่อเนื่อง คือแสงทุกสีไม่มีช่องว่าง
- แก๊สเบาบางที่ร้อน ให้สเปกตรัมเส้นสว่าง คือแสงเพียงบางความยาวคลื่น
- แสงต่อเนื่องที่ผ่านแก๊สเบาบางที่เย็นกว่า จะเกิดเส้นมืดที่ความยาวคลื่นเดียวกับเส้นสว่างของแก๊สนั้น
ดาวฤกษ์เป็นแบบที่สาม ผิวที่ร้อนและหนาแน่นให้แสงต่อเนื่อง บรรยากาศชั้นนอกที่เย็นกว่าดูดกลืนบางความยาวคลื่นไป ส่วนเนบิวลาที่ถูกดาวร้อนกระตุ้นให้เรืองแสงเป็นแบบที่สอง
ทำไมเป็นเส้น ไม่ใช่แถบ
อิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ได้เฉพาะบางระดับพลังงาน เมื่อกระโดดจากระดับสูงลงระดับต่ำ มันปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับผลต่างของระดับพอดี และเมื่อดูดกลืนโฟตอนที่มีพลังงานตรงกันก็กระโดดขึ้นได้ ความยาวคลื่นของโฟตอนเชื่อมกับพลังงานด้วย ยิ่งพลังงานสูง ความยาวคลื่นยิ่งสั้น ระดับพลังงานของแต่ละธาตุต่างกัน แต่ละธาตุจึงมีชุดความยาวคลื่นเฉพาะตัว
สำหรับอะตอมไฮโดรเจน ระดับพลังงานมีค่า
สำหรับอะตอมไฮโดรเจน ระดับพลังงานเรียงกันเป็นขั้นที่ชิดกันมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อขึ้นไปสูง ความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมทั้งหมดของไฮโดรเจนจึงคำนวณได้แม่นยำ และแบ่งเป็นชุด ๆ ตามระดับที่อิเล็กตรอนตกลงมา
อนุกรมของไฮโดรเจน
- อนุกรมไลแมน (ตกลงมาที่ระดับ 1) อยู่ในอัลตราไวโอเลต เส้นไลแมนแอลฟาที่ 121.6 นาโนเมตร
- อนุกรมบัลเมอร์ (ตกลงมาที่ระดับ 2) อยู่ในแสงที่ตามองเห็น เส้นไฮโดรเจนแอลฟาสีแดงที่ 656.3 นาโนเมตร ทำให้เนบิวลาเปล่งแสงมีสีชมพูแดง
- อนุกรมพาสเชิน (ตกลงมาที่ระดับ 3) อยู่ในอินฟราเรด
อ่านอะไรได้จากเส้นสเปกตรัม
- ธาตุ แต่ละธาตุมีชุดเส้นเฉพาะตัว ฮีเลียมถูกค้นพบจากเส้นสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ในปี ค.ศ. 1868 ก่อนพบบนโลกเกือบสามสิบปี ชื่อของมันมาจาก helios ซึ่งแปลว่าดวงอาทิตย์
- อุณหภูมิ จากว่าเส้นของธาตุและไอออนใดเข้มหรือจาง
- ความเร็ว จากการเลื่อนดอปเพลอร์ของเส้นทั้งชุด
- ความหนาแน่นและแรงโน้มถ่วงที่ผิว จากความกว้างของเส้น
- สนามแม่เหล็ก จากการแยกเส้นตามปรากฏการณ์ซีมัน
คำศัพท์ในบทความนี้
- spectral lineเส้นสเปกตรัม
- emission lineเส้นเปล่งแสง
- absorption lineเส้นดูดกลืน
- energy levelระดับพลังงาน
- Balmer seriesอนุกรมบัลเมอร์
- Lyman seriesอนุกรมไลแมน
- Paschen seriesอนุกรมพาสเชิน
- Kirchhoff's lawsกฎของเคียร์ชฮอฟฟ์ (สเปกตรัม)
บทความที่เกี่ยวข้อง
- สเปกโทรสโกปี: แยกแสงเพื่ออ่านข้อมูลของดาวภาพถ่ายบอกว่าวัตถุอยู่ที่ไหนและหน้าตาเป็นอย่างไร แต่สเปกตรัมบอกว่ามันทำมาจากอะไร ร้อนแค่ไหน เคลื่อนที่เร็วเท่าไร หมุนอย่างไร และมีอะไรโคจรรอบ งานวิจัยดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันจึงอาศัยการแยกแสง
- ชนิดสเปกตรัมของดาว: OBAFGKMแสงของดาวเมื่อแยกเป็นสเปกตรัมจะมีเส้นมืดเรียงตัวต่างกัน นักดาราศาสตร์จัดดาวเป็นชนิด O B A F G K M ตามลักษณะเส้นเหล่านี้ ซึ่งภายหลังพบว่าลำดับนี้ก็คือลำดับอุณหภูมิของผิวดาว
- ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์และการเลื่อนทางแดงเสียงรถพยาบาลที่แหลมขึ้นเมื่อวิ่งเข้าหาและทุ้มลงเมื่อวิ่งออก เป็นหลักการเดียวกับที่นักดาราศาสตร์ใช้วัดความเร็วของดาว ค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ และค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัว
- การแผ่รังสีของวัตถุดำ: อ่านอุณหภูมิดาวจากแสงวัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิจะแผ่แสงออกมา รูปร่างของสเปกตรัมขึ้นกับอุณหภูมิเท่านั้น กฎสามข้อของวัตถุดำทำให้นักดาราศาสตร์บอกอุณหภูมิ ขนาด และกำลังส่องสว่างของดาวได้จากแสงอย่างเดียว
- เนบิวลากลุ่มแก๊สและฝุ่นในอวกาศ ทั้งที่เป็นแหล่งกำเนิดดาวดวงใหม่ และซากที่ดาวทิ้งไว้เมื่อสิ้นอายุ