การทดลองเรื่อง Spectrum

สเปกตรัมของอะตอม

การศึกษาสเปกตรัมของอะตอมเป็นการศึกษาเกี่ยวกับการวัดความยาวคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อะตอมปล่อยออกมาหรือดูดกลืนเข้าไป นักวิทยาศาสตร์ได้อาศัยผลการทดลองเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอมเพื่อเป็นแนวทางสำหรับสร้างทฤษฎีขึ้นมาอธิบายการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอม

รูป การจัดเครื่องมือการทดลองเพื่อสังเกตสเปกตรัมของอะตอมต่างๆ

จากรูป แสดงการจัดเครื่องมือเพื่อใช้สังเกตสเปกตรัมของอะตอม แหล่งกำเนิดแสงเกิดจากก๊าซอะตอมเดี่ยวหรือไอของอะตอมที่ถูกกระตุ้น เช่นด้วยการผ่านกระแสไฟฟ้า จากขบวนการนี้ อะตอมจะถูกทำให้อยู่ในสถานะซึ่งมีพลังงานสูงกว่า (กล่าวคืออยู่ในสถานะถูกกระตุ้น) เมื่อมันอยู่ในสถานะปกติหรือสถานะพื้น อะตอมที่อยู่ในสถานะกระตุ้นจะไม่สามารถอยู่ในสถานะนี้ได้เกินกว่า 10^-8 s ก่อนที่มันจะกลับลงสู่สถานะปกติ ระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากสถานะพลังงานสูงกว่ามายังสถานะพลังงานต่ำกว่า อะตอมจะปล่อยพลังงานส่วนที่เหลือออกมาในรูปของการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีนี้จะถูกส่องผ่านไปยังช่องแคบ และตกลงบนปริซึม (หรือเกรตติง) ปริซึมจะทำหน้าที่กระจายรังสีนี้ทำให้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันไปรวมกันที่จุดต่างๆ บนแผ่นฟิล์ม ซึ่งจะปรากฏให้เห็นเป็นเส้นสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่ต่างกัน สเปกตรัมที่ได้นี้มีชื่อเรียกว่า เส้นสเปกตรัม (line spectrum)

สเปกตรัมของสารต่างๆ ประกอบด้วยเส้นสเปกตรัม ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนสถานะของแต่ละอะตอม ดังนั้นสเปกตรัมจึงเป็นลักษณะเฉพาะตัวของอะตอมแต่ละชนิด (ลักษณะนี้ต่างจากสเปกตรัมต่อเนื่องของการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้จากผิวของวัตถุร้อนเช่นในกรณีของวัตถุดำ) เครื่องมือที่ใช้ศึกษาสเปกตรัมของอะตอมเรียกว่า สเปกโตรมิเตอร์ (spectrometer)

ในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวัดความยาวคลื่นเส้นสเปกตรัมของธาตุต่างๆ สเปกตรัมของอะตอมกลายเป็นสิ่งที่มีประโยชน์เพราะสามารถบ่งชี้ธาตุได้โดยอาศัยลักษณะเฉพาะของเส้นสเปกตรัม นอกจากนี้ยังพบว่าเส้นสเปกตรัมมีลักษณะที่เป็นระเบียบและแบ่งแยกออกเป็นอนุกรม (series) โดยที่ในแต่ละอนุกรมนั้นระยะระหว่างเส้นสเปกตรัมจะลดลงเรื่อยๆ เมื่ออนุกรมนี้เข้าใกล้ขีดจำกัดของมัน เช่นอนุกรมสเปกตรัมกลุ่มแรกที่สังเกตโดย เจ.เจ.บาลเมอร์ (J.J.Balmer) ในปี ค.ศ. 1885 จากสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน ความถี่ของเส้นสเปกตรัมในอนุกรมนี้เรียกว่าอนุกรมบาลเมอร์ ซึ่งอยู่ในช่วงที่มองเห็นได้ บาลเมอร์ได้แสดงความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมในอนุกรมนี้ ด้วยสมการ

เมื่อ = 3, 4, 5, 6,…

เป็นความยาวคลื่นในหน่วยอังสตรอม สำหรับ = 3 = 6562.8 อังสตรอม เรียกว่าเส้น สำหรับ = 4 = 4861.3 อังสตรอม เรียกว่าเส้น ในทำนองเดียวกัน = 5, 6,… ให้เส้น , … ตามลำดับ แสดงให้เห็นว่าเมื่อ เพิ่มขึ้น ความยาวคลื่นจะมีค่าใกล้กันมากขึ้นๆ จนกระทั่ง = 3645.6 อังสตรอม ซึ่งเรียกว่าขีดจำกัดของอนุกรม