xs
xsm
sm
md
lg

เลเซอร์ความถี่สูงเพื่อ “ถ่ายรูป” การเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนในอะตอม

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน


Ahmed Hassan Zewail
เมื่อเดือนตุลาคม ค.ศ. 1964 ที่สำนักงานการชั่ง ตวง วัด ระหว่างประเทศ (International Bureau of Weights and Measures) ณ กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส ได้มีการประชุมเพื่อกำหนดคำจำกัดความของคำนำหน้าหน่วยต่างๆ ซึ่งแสดงปริมาณที่มีค่าน้อยมาก และเพื่อความสะดวกในการเรียก

เช่น มวลของไวรัส ซึ่งมีค่าประมาณ 3 x 10 -18 กิโลกรัม, แรงกระทำระหว่างโมเลกุลประมาณ 10 x 10-18 นิวตัน, มวลของ E. coli ประมาณ 625 x 10 -15 กิโลกรัม, เส้นผ่าศูนย์กลาง อะตอมไฮโดรเจน ประมาณ 10 x 10 -15 เมตร หรือ ในกรณีของเวลา ซึ่งมีหน่วยเป็นวินาที ก็มีค่าที่แตกต่างกันมากมาย เช่น อายุของเอกภพ ประมาณ 0.434 x 1018 วินาที, อายุของคน (80 ปี) ประมาณ 2.5 x 109 วินาที, เวลา 1 ปี ประมาณ 3.5 x 107 วินาที, คาบการเต้นของหัวใจประมาณ 1 วินาที, ช่วงเวลาที่กระพริบตา ประมาณ 25 x 10 -3 วินาที, ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในช่วงเวลาประมาณ 10-15 วินาที, เวลาที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรรอบอะตอมประมาณ 10-18 วินาที เป็นต้น

และ ที่ประชุมได้กำหนดให้คำนำหน้าเป็น ภาษาละติน ว่า
มิลลิ (milli) แทน จำนวน 10-3
ไมโคร (micro) แทน จำนวน 10– 6
นาโน (nano) แทน จำนวน 10– 9
พิโค (pico) แทน จำนวน 10– 12
เฟ็มโต (femto) แทน จำนวน 10– 15
และ อัตโต (atto) แทน จำนวน 10 – 18

ดังนั้น ในเวลา 1 นาโนวินาที (10 – 9 วินาที ) แสงจะเดินทางได้ประมาณ 30 เซ็นติเมตร

โมเลกุลโฮโดรเจน ซึ่งประกอบด้วย อะตอมโฮโดรเจน 2 อะตอม จะหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวล โดยใช้เวลา 10-2 วินาที หรือ อาจจะกล่าวได้ว่า คาบของการหมุนเท่ากับ 1 พิโควินาที

เส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอนประมาณ 2 x 10-15 เมตร หรือ 2 เฟ็มโตเมตร

เส้นผ่านศูนย์กลางของควาร์ก ประมาณ 100 x 10-18 เมตร หรือ 100 อัตโตเมตร

และให้อักษรย่อ ps แทน picosecond
am แทน attometer
และ fg แทน femtogram เป็นต้น

Ahmed Hassan Zewail (Science History Institute)
ในภาวะปกติ ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดภายในช่วงเวลาประมาณ 10-15 วินาที ความรวดเร็วมากเช่นนี้ แสดงให้เห็นว่า เวลาที่เรากระพริบตา 1 ครั้ง จะไม่เห็นปฏิกิริยาเคมีที่ได้เกิด และสิ้นสุดถึง ล้าน ล้าน ล้าน ครั้ง

ด้วยเหตุนี้ ก่อนปี 1996 นักเคมีจึงต้องใช้จินตนาการในการนึกถึงภาพของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น โดยไม่เห็นเหตุการณ์จริง และรู้เพียงว่าถ้าใช้สารตั้งต้น A กับ B แล้วจะได้สาร X กับ Y แต่ไม่เห็นรายละเอียดของการเปลี่ยนแปลงใดๆ ระหว่างทาง ว่า A + B ได้กลายเป็น P + Q + R ซึ่งในเวลาต่อมา ได้สลายตัวเป็น X และ Y

เปรียบเสมียนกับการดูภาพยนตร์ที่รู้ตัวแสดงและเห็นตอนจบเรื่อง แต่ไม่ได้เห็นการต่อสู้ การโรมรันฟันแทง ฯลฯ ว่าได้มีเหตุการณ์อะไรเกิดขึ้นบ้าง และเหตุการณ์นั้นๆ ใช้เวลานานเพียงใด

พูดง่ายๆ คือ โลกเคมีไม่มีภาพยนตร์ที่แสดงเหตุการณ์ของปฏิกิริยาเคมีเลยนับเป็นเวลานานร่วม 150 ปี

มาบัดนี้ ความต้องการนี้ได้บรรลุความเป็นจริงแล้ว เมื่อ Ahmed H. Zewail แห่ง California Institute of Technology ได้ใช้เทคโนโลยีเฟ็มโต (femtotechnology) เพื่อถ่ายภาพของเหตุการณ์ที่เกิดและสิ้นสุดในช่วงเวลา 10-12 นาทีแล้ว และผลงาน ultrafast laser spectroscopy นี้ได้บุกเบิก วิทยาการสาขาเคมีเฟ็มโตที่สำคัญมาก เพราะได้ช่วยให้นักเคมี เห็นเหตุการณ์การเปลี่ยนแปลงของอะตอมต่างๆขณะเคลื่อนที่มาจับคู่กัน หรือเปลี่ยนคู่กัน ทำให้นักเคมีสามารถควบคุมหรือดัดแปลงปฏิกิริยาเคมีได้ตามที่ใจต้องการ

ผลงานนี้ทำให้ Zewail ได้รับรางวัลในโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1999
โดย Zewail ใช้แสงเลเซอร์ที่ถูกปล่อยออกเป็นห้วง (pulse) สั้นๆ คือเป็นกลุ่มคลื่นที่มีความยาวช่วงสั้น แล้วให้เลเซอร์ห้วงแรก ตกกระทบสารเคมีเริ่มต้น เพื่อเริ่มปฏิกิริยา จากนั้นก็ส่งเลเซอร์ห้วงที่ 2,3,4......ไปกระทบสารที่เกิดตามมา ขณะเวลาต่างๆ กัน เพื่อ “ถ่ายรูป” เหตุการณ์ ณ เวลาต่างๆ กัน จากนั้น ก็นำภาพที่ได้มาร้อยเรียง ทำให้ได้ภาพยนตร์แสดงปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องตั้งแต่ต้นจนจบ

สำหรับการผลิตแสงเลเซอร์ที่เป็นห้วง (pulsed laser) นั้น มีความแตกต่างจากการผลิตเลเซอร์ที่ทุกคนรู้จัก เมื่อ 60 ปี ที่ T.Maiman ได้แสงเลเซอร์ที่อยู่ในลักษณะของคลื่นต่อเนื่อง (continuous – wave laser, cw laser) ซึ่งมีความถี่เดียว และความยาวคลื่นเพียงหนึ่งเดียว แต่เลเซอร์ที่เป็นห้วง จะมีหลายความถี่ที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งถูกส่งออกมาในลักษณะเป็นห้วงๆ จากตัวกลางที่ทำด้วย บุศราคัม (sapphire) ซึ่งถูกโด๊ปด้วย Ti (titanium) ทำให้เกิดระดับพลังงานของอิเล็กตรอน 4 ระดับ ตั้งแต่ 1 , 2, 3 และ 4 โดยระดับ 1 เป็นระดับพื้นฐาน ที่อยู่ต่ำสุด และระดับ 4 จะอยู่สูงสุด ส่วนระดับ 2 และ 3 จะอยู่ระหว่าง 1 กับ 4 และระดับทั้งสองนี้ มิได้มีระดับของพลังงานเพียงหนึ่งเดียว แต่ประกอบด้วยระดับพลังงานย่อยๆ ที่ใกล้เคียงจำนวนมากมาย

ในขั้นตอนการทำงานของเลเซอร์รูปแบบนี้ อิเล็กตรอนจากระดับ 1 จะถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ระดับ 4 แล้วในเวลาต่อมาอิเล็กตรอนนั้น ก็จะลดระดับพลังงานลงมาอยู่ที่ระดับ 2 หรือ 3 จากนั้น อิเล็กตรอนจากระดับ 3 ซึ่งมีจำนวนมากกว่าอิเล็กตรอนในระดับ 2 ก็จะเริ่มเปลี่ยนสถานะลงมาอยู่ระดับ 2 เมื่อมีแสงเข้าไปกระตุ้นการเหนี่ยวนำโดย photon แสงที่เข้าไปกระตุ้นนี้จะทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับ3 ปล่อยแสงที่มีความถี่ใกล้เคียงกันออกมา เพราะอิเล็กตรอนในระดับนี้มีจำนวนมาก ดังนั้น photon แสงที่ถูกเหนี่ยวนำก็จะมีจำนวนมากด้วย และเมื่อแสงเหล่านี้มีความถี่และความยาวคลื่นใกล้เคียงกัน การรวมกันจะเกิดการแทรกสอดทำให้เกิดกลุ่มคลื่น ในลักษณะเดียวกับปรากฏการณ์ beat เกิดเป็นกลุ่มคลื่น หรือ pulse ที่มีช่วงยาวระดับนาโนเมตร และมีความเข้มสูงมาก

ดังนั้นเวลาให้แสงนี้กระทบอะตอม อะตอมจะแตกตัวเป็นไอออน กับอิเล็กตรอน ซึ่งถ้าระบบมีอะตอมเป็นจำนวนมาก ไอออน กับอิเล็กตรอน ก็จะมีจำนวนมากด้วยรวมๆ กันเป็นพลาสมา (plasma) ที่มีพลังงานสูงมาก

นี่จึงเป็นสสารชนิดใหม่ ชื่อ high-energy density matter หรือสสารที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก และเป็นสารที่มีธรรมชาติคล้ายเนื้อของดาว supernova ที่นักฟิสิกส์สามารถสร้างให้เกิดบนโลกได้

งานพัฒนาขั้นต่อไป คือการสร้างเลเซอร์ให้มีความยาวคลื่นสั้นลงไปอีก มีกำลังมากขึ้น และมีเสถียรภาพมากขึ้น เพื่อให้ “เห็น” นิวเคลียสของอะตอม และเห็นเหตุการณ์ขณะ นิวเคลียสเปลี่ยนแปลง เช่น ในปรากฏการณ์กัมมันตรังสี และปรากฏการณ์ fission

ด้านแพทย์ก็สนใจการมีเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากเพื่อใช้ในการผ่าตัดอย่างละเอียด

ส่วนนักวัสดุศาสตร์ก็สนใจจะสร้างสสารชนิดใหม่ที่ตนสามารถควบคุมสมบัติทางกายภาพของมันได้โดยการจัดเรียงนิวเคลียส และอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งที่ต้องการเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฏีกลศาสตร์ควอนตัมด้วย

อ่านเพิ่มเติมจาก “Physics at the attosecond frontier” ใน Nature ฉบับ 29 November 2018


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...