ประวัติการค้นพบสเปกตรัม
เส้นสเปกตรัม คือแสงที่เป็นเส้นหรือแถบที่แสดงออกมาเป็นสี โดยการแผ่รังสีที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านปริซึม แผ่นเกรตติ้ง หรือสเปกโตรสโคป เห็นเป็นสีได้ 7 สี ซึ่งไม่มีความต่อเนื่องกัน มีการเว้นช่วงความถี่และมีความยาวคลื่นแตกต่างกันจนเกิดเป็นแถบ ๆ เรียงกันไป
คำว่า สเปกตรัม มาจากภาษาละตินมีความหมายว่า “Ghost” เพราะแสงพวกนี้ปรากฏแสงเป็นแบบ “Gostlike” จากแสงของจริงที่เป็นแสงสีขาว ไม่มีสีสันอย่างสเปกตรัมนั่นเอง
เส้นสเปกตรัมเป็นหนึ่งในประเภทของสเปกตรัมจาก 2 ประเภท ได้แก่ สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง (Continuous spectrum) และสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ซึ่งสเปกตรัมต่อเนื่องนั้นจะมีแถบสีที่เกิดขึ้นต่อเนื่องกันไป เช่น สเปกตรัมจากวัตถุดำ ซึ่งหมายถึงวัตถุที่มีคุณสมบัติดูดกลืนแสง ไม่สามารถสะท้อนได้ ทึบตัน สามารถหมายถึงดาวฤกษ์ ซึ่งก็คือดวงอาทิตย์ และยังหมายถึงไส้หลอดไฟต่าง ๆ เป็นต้น ส่วนเส้นสเปกตรัมถือเป็นสเปกตรัมไม่ต่อเนื่องที่มีการแผ่รังสีเป็นแถบ ๆ เส้น ๆ เว้นระยะไปและมีความถี่และความยาวคลื่นบางครั้ง ไม่มีความต่อเนื่องกันเลย เช่น สเปคตรัมของอะตอมไฮโดรเจน
เครื่องมือที่ใช้ศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัม
สเปกโตรสโคป (Spectroscope) คำว่า spectro มาจากคำว่า spectrum และคำว่า scope แปลว่าเครื่องมือที่ใช้ส่องดูสเปกตรัม มีความสำคัญในการตรวจดูสเปกตรัมในด้านฟิสิกส์อะตอม ดาราศาสตร์ ซึ่งมีหลักการทำงาน 2 แบบคือ แบบที่ 1 สเปกโตรสโคปแบบปริซึม คือใช้การหักเหของแสง แบบที่ 2 สเปกโตรสโคปแบบเกรตติ้ง คือใช้การเลี้ยวเบนและการแทรกสอดของแสง
ประวัติการค้นพบสเปกตรัม
เมื่อให้แสงของวัตถุดำหรือแสงขาวส่องผ่านปริซึม จะเกิดแถบสีต่าง ๆ ต่อเนื่องกัน 7 สี ได้แก่ สีม่วง สีคราม สีน้ำเงิน สีเขียว สีเหลือง สีส้ม และสีแดง เรียกแถบสีต่อเนื่องทั้ง 7 สีนี้ว่า “สเปกตรัมของแสงสีขาว” แสงขาวนั้นประกอบไปด้วยสีทั้ง 7 สี ซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน ทำให้เกิดการหักเหตามขนาดของมุมต่าง ๆ โดยแสงที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันนั้นก็จะมีการหักเหของแสงในปริซึมไม่เท่ากันเช่นกัน ซึ่งทำให้เกิดการแยกออกเป็นแถบสีต่าง ๆ ที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันต่อเนื่องกันเป็นแถบสเปกตรัม
เซอร์ไอแซค นิวตันเป็นคนแรกที่ค้นพบว่าแสงที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านสามารถแยกแถบสีได้ 7 สี โดยทำการทดลองใช้ปริซึมแยกแสงอาทิตย์ ผลที่ได้คือปรากฏแถบสี 7 สี
ต่อมาในปี ค.ศ.1802 วิลเลียม ไฮด์ วอลลาสตัน นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ค้นพบสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์ที่ถูกบรรยากาศบัง มีเส้นมืดปรากฏอยู่บนแถบห่างกันไม่เท่ากัน ซึ่งหลังจากนั้นโยเซฟ ฟอน ฟรอนโฮเฟอร์ ค้นพบเส้นมืดจำนวน 475 เส้นในสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์
ต่อมาเรียกเส้นมืดที่ถูกค้นพบนี้ว่า เส้นดูดกลืน (Absorption lines) ซึ่งธาตุแต่ละชนิดจะทำให้เกิดเส้นดูดกลืนที่แตกต่างกันออกไป และยังค้นพบเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่องนี้ ซึ่งมีความยาวคลื่นที่ตรงกับสีเหลืองในการเผาเกลือ ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีธาตุโซเดียม (Na) อยู่
ต่อมาในปี ค.ศ.1814 เซอร์ไอแซค นิวตันกับโจเซฟ ฟอน ฟรังโฮเฟอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันก็ได้ทำการทดลองซ้ำอีกครั้ง แต่เปลี่ยนไปใช้แผ่นเกรตติ้งแทนแท่งแก้วปริซึม หักเหแสงอาทิตย์ พวกเขาพบเส้นมืดปรากฏบนแถบสเปกตรัมเพิ่มขึ้นมากกว่า 600 เส้น ซึ่งในปัจจุบันตรวจพบมากกว่า 30,000เส้น ในภายหลังกุสตาฟ เคอร์ชอฟ ได้ประดิษฐ์สเปกโตรสโคปเพื่อใช้ในการแยกสเปกตรัมของแสงขาวและตรวจเส้นสเปกตรัมของสารที่ถูกเผาว่าประกอบด้วยธาตุอะไรบ้างได้
ในปี ค.ศ.1859-1860 โรเบิร์ต บุนเซน และกุสตาฟ เคิร์ชฮอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเผาก๊าซร้อน แล้วพบว่า แสงจากก๊าซร้อนที่ผ่านปริซึมเกิดเส้นสว่างบนแถบสเปกตรัม ซึ่งก๊าซแต่ละชนิดให้จำนวนและตำแหน่งของเส้นสว่างแตกต่างกัน เราเรียกเส้นสว่างนี้ว่า เส้นแผ่รังสีหรือเส้นเปล่งแสง (Emission lines) เวลาต่อมา เคิร์ชฮอฟ ยังค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างเส้นดูดกลืนและเส้นแผ่รังสี เป็นกฏสามข้อของเคิร์ชฮอฟ (Kirchhoff’s Laws) ได้ดังนี้
ข้อที่ 1 วัตถุดำที่ให้แสงขาวทำให้เกิดแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ไม่ปรากฏเส้นมืด ตัวอย่างที่เห็นได้ทั่ว ๆ ไปก็คือ สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่า รุ้งกินน้ำ และแสงรังสีจากหลอดไฟที่กระทบกับไอในกาศเกิดเป็นแถบ 7 สีเช่นกัน
ข้อที่ 2 ก๊าซร้อน ทำให้เกิดเส้นแผ่รังสีหรือเปล่งแสง (Emission lines) เป็นเส้นสีสว่างบนแถบสเปกตรัมมืด ยกตัวอย่างถ้าหากนำก๊าซอย่างโซเดียมคลอไรด์มาเผา ไอของมันจะลอยขึ้นมาเป็นสีเหลือง ซึ่งแสงของไอโซเดียมคลอไรด์เมื่อผ่านสเปกโตรสโคปก็จะมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ 2 เส้นใกล้ ๆ กันตรงที่ปรากฏเป็นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่อง บนแถบดำแทน
ข้อที่ 3 ก๊าซเย็นที่ขวางกั้นการแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้เกิดเส้นดูดกลืน (Absorption lines) ปรากฏเป็นเส้นสีดำบนแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง ยกตัวอย่างถ้านำโซเดียมคลอไรด์ในขณะที่ไม่ได้เผาไหม้ ซึ่งไอของมันจะไม่เป็นสีเหลือง และเมื่อส่องแสงไปยังไอผ่านเข้าไปในสเปกโตรสโคป ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องในตำแหน่งสีเหลืองที่เดียวกับตำแหน่งตอนเผาโซเดียมคลอไรด์แล้วมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ ที่ปรากฏเส้นมืดเพราะถูกไอของโซเดียมดูดกลืนไป ตรงส่วนที่มันเคยให้เส้นสว่างสีเหลือง 2 เส้นใกล้ ๆ กันนั่นเอง
ยกตัวอย่างถ้านำโซเดียมคลอไรด์ในขณะที่ไม่ได้เผาไหม้ ซึ่งไอของมันจะไม่เป็นสีเหลือง และเมื่อส่องแสงไปยังไอผ่านเข้าไปในสเปกโตรสโคป ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องในตำแหน่งสีเหลืองที่เดียวกับตำแหน่งตอนเผาโซเดียมคลอไรด์แล้วมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ ที่ปรากฏเส้นมืดเพราะถูกไอของโซเดียมดูดกลืนไป ตรงส่วนที่มันเคยให้เส้นสว่างสีเหลือง 2 เส้นใกล้ ๆ กันนั่นเอง
สำหรับวัตถุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุดำ เช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟต่าง ๆ นั้น จะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเป็นแสงขาว แต่อาจจะมีเส้นดูดกลืนสีดำคาดแนวดิ่งในแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง ในกรณีที่มีบรรยากาศก๊าซห่อหุ้มอยู่ ก๊าซร้อน ก๊าซเรืองแสงเช่น นีออน จะให้สเปกตรัมเป็นแถบมืด ที่มีเส้นแผ่รังสีสว่างคาดในแนวดิ่ง
การศึกษาเส้นสเปกตรัมของดวงดาวที่อยู่ในบรรยากาศ
สเปกโตรสโคปี (Spectroscopy) คือวิธีการศึกษาดาวฤกษ์ของนักดาราศาสตร์ โดยใช้การดูสเปกตรัมที่เกิดขึ้น จากเครื่องสเปกโตรสโคป ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ ให้รวมแสงจากดาวผ่านเข้าปริซึมหรือเกรตติ้งในสเปกโตรสโคป ทำให้เกิดสเปกตรัมที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ เมื่อได้แล้วก็บันทึกภาพลงด้วยอุปกรณ์บันทึกภาพ CCD
สเปกตรัมสามารถบอกคุณสมบัติของดาวฤกษ์ได้ 3 ประการได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิว องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ และทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวซึ่งสัมพัทธ์กับโลก
อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์
การศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากแสงของดางฤกษ์เพื่อนหาอุณหภูมิพื้นผิวของมันนั้น นักดาราศาสตร์ได้วิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นที่เข้มที่สุด (λmax) กับอุณหภูมิพื้นผิว (T) ของดาวจากสเปกตรัมที่ดาวแผ่รังสีออกมา ตามกฎการแผ่รังสีที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ และการแผ่รังสี ว่า “ความยาวคลื่นของรังสีเข้มสุดที่ดาวแผ่ออกมานั้นจะผันแปรกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว” ซึ่งรังสีเข้มสุดที่ดาวฤกษ์แผ่ออกมานั้นเป็นความยาวคลื่นซึ่งเป็นรังสีอัลตร้าไวโอเล็ตที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด (จากฝั่งซ้าย) สั้นเพียง 250 nm (nm คือ นาโนเมตร หรือ 10-9 เมตร) และมีอุณหภูมิพื้นผิว 12,000 K ในขณะที่ช่วงแถบสเปกตรัมที่เป็นแสงที่คนสามารถมองเห็นได้ (สเปกตรัม) ความยาวคลื่นเข้มสุด 500 nm อุณหภูมิพื้นผิว 6,000 K และสุดท้ายเป็นความยาวคลื่นที่มีการแผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอินฟราเรด 1,000 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 3,000 K
จากที่กล่าวมาเมื่อเรียงลำดับจากความยาวคลื่นของการแผ่รังสีของดาวฤกษ์แล้ว รังสีอัลตร้าไวโอเล็ตมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดแต่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงที่สุด ในขณะที่ช่วงความยาวคลื่นที่ป็นแสงที่คนมองเห็นได้อย่างสปกตรัมนั้น ความยาวคลื่นจะยาวกว่าแต่มีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำกว่า ไปในทิศทางเดียวกับรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่นยาวมากที่สุดและมีอุณหภูมิพื้นผิวน้อยที่สุดเช่นกัน
