การดูดกลืนแสงสีแดง MO Memoir : Monday 24 September 2555

ผมเคยนั่งฟังการบรรยายการทำวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการใช้แสง ไม่ว่าจะเป็น photocatalysis หรือการเลี้ยงสาหร่าย สิ่งหนึ่งที่ผมพบก็คือเวลาทำการทดลองนั้นผู้ทำการทดลองมักจะเน้นไปที่ "ความเข้ม - Intensity" ของแสงว่าเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อผลการทดลองเป็นหลัก ไม่ค่อยจะมีการกล่าวถึง "ความยาวคลื่น - Wavelength" ของแสง ทั้ง ๆ ที่ในการทดลองเหล่านี้ "ความยาวคลื่น" ควรจะเป็นปัจจัยที่สำคัญมากกว่า "ความเข้ม"

ตัวอย่างเช่นในการเลี้ยงสาหร่ายในห้องทดลองนั้น เพื่อให้การทดลองเป็นไปได้รวดเร็วภายใต้การควบคุมก็จะใช้แสงจากหลอดไฟฟ้าในการให้แสงสว่าง ซึ่งให้ได้ตลอด ๒๔ ชั่วโมง ส่วนจะใช้หลอดอะไรนั้นพบว่าผู้ทำการทดลองเลือกใช้หลอดที่หาได้สะดวก หรือไม่ก็เลือกใช้ตามงานของคนอื่น พอเจอคำถามว่า "ถ้าใช้หลอดต่างชนิดกันแต่ให้ "ความเข้ม" ของแสงเท่ากัน จะมีผลต่อการทดลองหรือไม่" ก็ไม่สามารถให้คำอธิบายได้

สำหรับคนที่ศึกษาการถ่ายรูปและได้ถ่ายรูปเป็นประจำนั้นจะพบว่าแสง "สีขาว" นั้นไม่เหมือนกันเสมอไป แสงแดดที่เห็นเป็นสีขาวจะให้สีต่าง ๆ ที่เป็นธรรมชาติ (อันที่จริงเราใช้แสงแดดเป็นตัวอ้างอิง) แสงสีขาวที่เราเห็นจากหลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นถ้าถ่ายรูปโดยไม่ใช้แฟลชจะพบว่ามันออกโทนสีเหลือง (รูปจะออกมาเหลือง) พวกหลอดทังสเตน (หลอด day light) ก็จะให้โทนสีขาวอีกแบบหนึ่ง ถ้าอยากทราบรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องพวกนี้ก็ลองไปศึกษาเรื่องเกี่ยวกับ "อุณหภูมิสี - Colour temperature" ดู

กลับมาที่เรื่องการเลี้ยงสาหร่าย เราทราบกันดีว่าสาหร่ายนั้นสามารถใช้แสงแดดในการสังเคราะห์แสงเพื่อการเจริญเติบโต สาหร่ายส่วนใหญ่ที่เราเห็นกันนั้นมีสีเขียว การที่เราเห็นสีเขียวแสดงว่าเมื่อแสงอาทิตย์ส่องไปที่สาหร่าย เฉพาะแสงสีเขียวเท่านั้นที่สามารถเดินทางมาถึงดวงตาของเรา แสดงว่าสาหร่ายนั้นดูดกลืนแสงสีอื่นยกเว้นสีเขียว แต่เวลาที่เราวัดความเข้มของแสงนั้นเราวัดความเข้มของแสงทุกความยาวคลื่น แต่ในการนำไปใช้งานนั้นสาหร่ายนำไปใช้งานได้เพียงแค่ความยาวคลื่นในช่วงหนึ่งเท่านั้น (คือช่วงที่อยู่นอกเหนือช่วงความยาวคลื่นแสงสีเขียว) ดังนั้นถ้าเราให้แสงที่มีความเข้มเท่ากันแต่ช่วงความยาวคลื่นต่างกัน ผลการทดลองก็มีสิทธิที่จะแตกต่างกันออกไปได้

รูปที่ ๑ การดูดกลืนแสงเลเซอร์สีแดงด้วยน้ำแดง จะเห็นว่าลำแสงสีแดงนั้นสามารถส่องผ่านทะลุน้ำแดงในขวดจากทางด้านก้นขวดไปยังฝาขวดได้ (จะเห็นด้านฝาขวดที่อยู่ในกรอบมีความสว่าง)

เช่นถ้าคนหนึ่งทำการทดลองโดยให้แสงสีแดง ส่วนอีกคนทำการทดลองโดยให้แสงสีเขียว ผลการทดลองของคนที่ใช้แสงสีแดงควรที่จะออกมาดีกว่าผลการทดลองของคนที่ใช้แสงสีเขียว เพราะคลอโรฟิลล์ในสาหร่ายสามารถดูดกลืนแสงสีแดงเอาไปใช้ประโยชน์ได้ แต่คลอโรฟิลล์ไม่สามารถดูดกลืนแสงสีเขียวไปใช้ประโยชน์ได้

ศุกร์ที่แล้วบังเอิญผ่านไปทางห้องปฏิบัติการเคมี เห็นในห้องพักมีน้ำอัดลมอยู่ ๓ สี เลยคิดว่าน่าจะเอามาสาธิตให้เห็นการดูดกลืนแสงได้ ก็เลยทดลองเอา laser pointer สีแดงที่ใช้งานประจำมาทดลองยิงผ่านน้ำอัดลมแต่ละสีในห้องที่ค่อนข้างมืดสักนิด และถือโอกาสถ่ายรูปมาให้ดูกัน

ในการทดลองนั้นผมเอาขวดน้ำอัดลมวางนอน เอาด้านฝาขวด (ด้านขวาในรูป) ยันไว้กับผนัง จากนั้นแนบ laser pointer เข้าที่กดขวด (ด้านซ้ายในรูป) ใช้มือซ้ายกดเปิดเลเซอร์ ส่วนมือขวาใช้ถ่ายรูปด้วยกล้องโทรศัพท์ ผลการทดลองกับน้ำสี ๓ สีก็ออกมาดังแสดงในรูปที่ ๑-๓

ในกรณีของน้ำแดง (รูปที่ ๑) พบว่าลำแสงเลเซอร์สีแดงสามารถวิ่งไปจนถึงฝั่งฝาขวด โดยจากทางเข้าไปจนถึงฝาขวดนั้นมองไม่เห็นลำแสง ที่เห็นด้านฝาขวดสว่างนั้นเพราะลำแสงเลเซอร์สีแดงกระทบและกระเจิงออกมา

รูปที่ ๒ การดูดกลืนแสงเลเซอร์สีแดงด้วยน้ำส้ม จะเห็นว่าลำแสงสีแดงค่อย ๆ จางลงเนื่องจากถูกดูดกลืน (เห็นเป็นลำแสงที่มีความเข้มค่อย ๆ ลดลงจากซ้ายมาขวาในกรอบ)

รูปที่ ๓ การดูดกลืนแสงเลเซอร์สีแดงด้วยน้ำเขียว จะมองไม่เห็นแม้แต่ลำแสงเลเซอร์สีแดง แสดงว่าน้ำเขียวดูดกลืนแสงสีแดงเอาไว้หมดตั้งแต่ทางก้นขวด

พอเปลี่ยนมาเป็นน้ำส้มพบว่า จะเห็นลำแสงเลเซอร์สีแดงพุ่งออกมาจากก้นขวด (ด้านซ้ายมือในรูปที่ ๒) โดยลำแสงสีแดงจะค่อย ๆ จางลงและหายไป โดยไปไม่ถึงฝาขวด แสดงว่าน้ำส้มนั้นสามารถดูดกลืนแสงสีแดงได้บ้าง

แต่พอเปลี่ยนมาเป็นน้ำเขียวพบว่าจะไม่เห็นน้ำเขียวในขวดสว่างขึ้นเลย (รูปที่ ๓) ทั้งนี้เพราะน้ำเขียวนั้นดูดกลืนแสงสีแดงเอาไว้ทั้งหมด

ในการทดลองเกี่ยวกับแสงนั้นบ่อยครั้งที่ผู้ทำการทดลองมักจะรายงานในรูป "พลังงานแสงต่อหน่วยพื้นที่" ซึ่งคำนวณได้จาก ((nhv)/(At)) เมื่อ n คือจำนวนโฟตอน h คือค่าคงที่ของพลังค์ v คือความถี่ A คือพื้นที่ และ t คือเวลา

ดังนั้นตามสมการนี้พื้นที่ที่มีแสงความถี่สูง (ความยาวคลื่นสั้น) ตกกระทบ แต่ความเข้มต่ำ (โฟตอนจำนวนน้อย) ก็มีสิทธิที่จะมีค่าพลังงานแสงต่อหน่วยพื้นที่เท่ากับพื้นที่ที่มีแสงความถี่ต่ำ (ความยาวคลื่นสูง) ตกกระทบ แต่ความเข้มสูง (โฟตอนจำนวนมาก) และถ้าในการทดลองที่ศึกษานั้น "ความยาวคลื่น" เป็นตัวกำหนดว่าจะเกิดการดูดกลืนหรือไม่ดูดกลืน การทดลองด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน แม้ว่าจะมีความเข้มเท่ากัน ก็สามารถให้ผลที่แตกต่างกันไปได้