การดูดกลืนคลื่นแสงของแก้ว Pyrex และ Duran MO Memoir : Friday 1 June 2561

เครื่องแก้ว (บีกเกอร์ ขวดฟลาสก์ ฯลฯ) ที่เคยเห็นในป้องปฏิบัติการเคมีทั่วไป ถ้าไม่เป็น Pyrex (ของบริษัท Corning) ก็เป็น Duran (ของบริษัท Schott) สำหรับการใช้งานธรรมดาทั่วไปก็ไม่เคยรู้สึกว่าต่างยี่ห้อกันจะให้ผลการทดลองที่แตกต่างกัน แต่ถ้าเป็นการทดลองเกี่ยวกับการใช้ "แสง" ในการทำปฏิกิริยา ก็น่าคิดเหมือนกันว่าแก้วที่เราเห็นว่า "ใส" แบบไม่มีสีนั้น มัน "ใส" เหมือนกันหรือเปล่า
 

โดยทั่วไปเราตัดสินว่าวัสดุใดมีความ "ใส" หรือไม่นั้น เราใช้การมองด้วยสายตาเป็นหลัก และสายตาของเราก็มองเห็นแต่คลื่นแสงช่วง visible light ถ้าหากวัตถุนั้นยอมให้คลื่นแสงช่วง visible light ส่องผ่านได้ทุกความยาวคลื่น เราก็จะเห็นมันใสแบบไม่มีสี แต่ถ้ามันมีการดูดกลื่นคลื่นแสงช่วง visible lighi บางความยาวคลื่น เราก็จะมองเห็นมันมีสีเฉพาะความยาวคลื่นที่ไม่ถูกดูดกลืน (เช่นถ้ามันดูดกลืนแสงช่วงสีเหลือง-แดง และช่วงม่วง-น้ำเงิน เราก็จะมองเห็นมันมีสีเขียว)
 

ในการใช้งานกับความยาวคลื่นที่อยู่นอกช่วง visible light (เช่น UV หรือ IR) เราไม่สามารถใช้ความใสของวัสดุที่เห็นในช่วง visible light เป็นตัวตัดสินได้ เพราะสิ่งที่ใสในช่วง visible light อาจทึบแสงในช่วงนอก visible light ได้ 
  

ปฏิกิริยา "photocatalysis" เป็นปฏิกิริยาหนึ่งที่ได้รับความสนใจกันมากในช่วงปัจจุบัน โดยเฉพาะการใช้แสงในช่วง UV มากระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยา ในปฏิกิริยา photocatalysis นี้จะทำการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาก่อน จากนั้นจึงค่อยให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการกระตุ้นจากแสง UV นั้นเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น ซึ่งไม่เหมือนกับปฏิกิริยา "photolysis" ที่แสงนั้นไปทำให้โมเลกุลเกิดปฏิกิริยาโดยตรง

รูปที่ ๑ การดูดกลืนคลื่นแสงในช่วง UV-IR ของแก้ว pyrex ของบริษัท Corning (จากเอกสาร Technical information ของบริษัท Corning)
 

ในการทำการทดลองเกี่ยวกับปฏิกิริยา photocatalysis ด้วยแสง UV นั้นมีหลายปัจจัยที่ต้องคำนึง ไม่เช่นนั้นอาจเกิดปัญหาในการเปรียบเทียบผลการทดลองได้ ปัจจัยแรกก็คือเรื่องของแหล่งกำเนิดแสง UV ที่แหล่งกำเนิดแต่ละชนิดนั้นผลิตแสง UV ที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน แหล่งกำเนิดแสง UV ที่ให้แสง UV พลังงานต่ำ (เช่นช่วง UV-A) อาจทำให้เกิดเฉพาะปฏิกิริยา photocatalysis เท่านั้น แต่แหล่งกำเนิดแสง UV ที่ใช้แสง UV พลังงานสูง (เช่นใช้หลอด UV ที่ใช้ในการฆ่าเชื้อ) อาจสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยา photolysis ร่วมกับปฏิกิริยา photocatalysis ได้

รูปที่ ๒ การดูดกลืนคลื่นแสงในช่วง UV-IR ของแก้ว Duran ของบริษัท Schott (จากเอกสาร Schott technical glassed : Physical and technical properties)

ปัจจัยที่สองก็คือวัสดุที่ใช้ทำภาชนะและรูปทรงของภาชนะที่ใช้ทำปฏิกิริยา และทิศทางการให้แสง ในกรณีของปฏิกิริยาที่เกิดในเฟสแก๊สนั้น การทำปฏิกิริยาก็จะทำในภาชนะที่ปิดสนิท ซึ่งแสงนั้นต้องส่องผ่านผนังภาชนะเข้าไปข้างใน แต่ถ้าเป็นกรณีของการทำปฏิกิริยาในเฟสของเหลวนั้น พบว่าบ่อยครั้งเป็นการทำปฏิกิริยาในภาชนะเปิด (เช่นบีกเกอร์หรือขวดฟลาสก์ที่ไม่มีการปิดฝา) ดังนั้นจะมีเส้นทางการเดินทางของแสงไปถึงสารละลายอยู่สองเส้นทางด้วยกัน คือเส้นแรกที่เข้าทางปากภาชนะนั้นลงไปสู่สารละลายโดยตรง และเส้นที่สองคือเส้นทางที่เดินทางผ่านผนังของภาชนะนั้น แม้ว่าตัวภาชนะจะดูว่าใสเมื่อดูด้วยตาเปล่า แต่มันก็ยังสามารถดูดกลืน (หรือสะท้อน) คลื่นแสงได้ในระดับหนึ่ง (ดูกราฟในรูปที่ ๑ และ ๒) ดังนั้นการให้แสงด้วยการที่แสงนั้นไม่ต้องเดินทางผ่านผนังภาชนะกับการที่ต้องเดินทางผ่านผนังภาชนะ ก็ย่อมต้องมีความแตกต่างกันอยู่บ้าง
 

สำหรับเครื่องแก้วทั่วไปที่ใช้กันนั้น (ไม่ว่าจะเป็นแก้ว Pyrex หรือ Duran (8271)) สำหรับแก้วที่ให้แสงในช่วง visible light ผ่านได้ดี เมื่อดูด้วยตาเปล่าจะมองไม่เห็นความแตกต่าง แต่ถ้าพิจารณาในช่วงแสง UV ก็อาจแตกต่างกันมากได้ ดังเช่นข้อมูลขอที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ และ ๒ เช่นถ้านำแก้ว Pyrex กับ Duran 8271 มาดูในช่วง visible light ก็จะเห็นว่ามันใสเหมือนกัน แต่ถ้าเป็นช่วง UV จะเห็นว่าแก้ว Pyrex จะยอมให้แสง UV ในช่วง UV-B (ช่วงความยาวคลื่น 280-320 nm) ผ่านได้บ้าง ในขณะที่แก้ว Duran 8271 จะไม่ยอมให้แสงในช่วงนี้ผ่าน แต่ถ้าต้องการใช้แสง UV ในช่วง UV-C (ช่วงความยาวคลื่น 100-280 nm ที่ฆ่าเชื้อโรคได้นั้น) มากระตุ้นการทำปฏิกิริยา ก็ต้องไปหาภาชนะบรรจุที่ยอมให้แสงในช่วงนี้เดินทางผ่านได้ ดังนั้นการศึกษาปฏิกิริยา photocatalysis จึงจำเป็นต้องพิจารณาทั้งแหล่งกำเนิดแสง UV และวัสดุที่ใช้ทำเครื่องปฏิกรณ์ 
  

การเปลี่ยนไปใช้แหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นลง แต่ไม่เปลี่ยนวัสดุที่ใช้ทำเครื่องปฏิกรณ์ที่ยอมให้แสงความยาวคลื่นที่สั้นลงนั้นผ่านไปได้ ก็อาจก่อให้เกิดปัญหาในการทดลองได้เช่นกัน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับงานเคมีวิเคราะห์ MO Memoir : Tuesday 30 August 2554

เนื้อหาในบันทึกนี้เป็นเรื่องที่เล่าให้กับนิสิตที่เรียนวิชาเคมีวิเคราะห์ ในส่วน Instrumental method of analysis ซึ่งปีนี้คงจะได้เล่าเป็นปีสุดท้ายแล้ว เพราะปีหน้าวิชานี้คงจะถูกปิดตัวและไม่มีการสอนอีกต่อไปเพราะวิชานี้ถูกมองว่าไม่ใช่วิชาวิศวกรรมเคมี ดังนั้นก็เลยขอบันทึกเอาไว้ก่อนเพื่อที่จะได้เป็นบันทึกความทรงจำสืบต่อไป

เรื่องที่เล่าเป็นเรื่องเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับงานเคมีวิเคราะห์ โดยได้ยกตัวอย่างให้นิสิตเห็นว่าเราได้นำเอาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแต่ละช่วงความยาวคลื่น/ความถี่นั้นมาใช้ประโยชน์อย่างไรบ้าง ทั้งในชีวิตประจำวันและในงานเคมีวิเคราะห์ โดยเริ่มจากพวกที่มีความถี่ต่ำสุด/ความยาวคลื่นมากที่สุด ไปจนถึงพวกที่มีความถี่สูงสุด/ความยาวคลื่นสั้นที่สุด

เนื้อหาในนี้มีบางส่วนที่อาจแตกต่างไปจากสิ่งที่เล่าในห้องเรียน เพราะที่เล่าในห้องนั้นเป็นสิ่งที่เล่าจากความทรงจำของประสบการณ์ตรง แต่พอมาเขียนเป็นลายลักษณ์อักษรก็เลยต้องมีการตรวจสอบหรือปรับข้อมูลให้มีความละเอียดมากขึ้น โดยเฉพาะตัวเลขในส่วนของความยาวคลื่นหรือความถี่ ซึ่งจะนำตัวเลขมาจาก wikipedia เป็นหลัก (เพราะขี้เกียจไปค้นตำราในห้องสมุด) แต่ก็มีการปัดให้ตัวเลขมันกลม ๆ บ้างเพื่อไม่ให้มันดูยุ่งเหยิงเกินไปและจะได้จำได้ง่าย เพราะบางทีแต่ละภูมิภาคของโลกก็ใช้ช่วงความถี่ที่แตกต่างกันอยู่ด้วย

รูปที่ ๑ ความยาวคลื่นและความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_wave)

ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternative current)

คงจัดได้ว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำที่สุดที่เราใช้งาน ในบ้านเราใช้ไฟฟ้าความถี่ 50 Hz แต่ในบางประเทศจะใช้ความถี่ 60 Hz เรื่องความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับจะส่งผลถึงความเร็วรอบการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ถ้าสงสัยว่าเกี่ยวข้องอย่างไรก็ลองไปค้นดูในวิชาไฟฟ้ากำลังที่เคยเรียนมาก็แล้วกัน

วิทยุคลื่นยาว (Long wave)

คลื่น Long wave เป็นช่วงความถี่ที่ต่ำกว่าวิทยุ AM (ต่ำกว่า 540 kHz) ลักษณะของคลื่นนี้คือเดินทางไปตามพื้นดินและสามารถผ่านชั้นน้ำได้ลึกกว่าคลื่นวิทยุช่วงความถี่อื่น ดังนั้นจึงมีการนำมาใช้ในการบอกทิศทางและตำแหน่งบนผิวโลก ตั้งสัญญาณนาฬิกา (คลื่นที่เดินทางขึ้นไปสะท้อนกับบรรยากาศและกลับลงสู่เครื่องรับบนผิวโลกใหม่นั้น จะใช้เวลาเดินทางมากกว่าคลื่นที่เดินทางไปตามผิวโลก) และติดต่อสื่อสารกับเรือดำน้ำ

รูปที่ ๒ วิทยุเครื่องนี้ผลิตในมาเลเซีย ส่งไปขายที่อังกฤษ ตอนนั้นซื้อเอาไว้ฟังเทป เลยได้รู้ว่ามีการส่งกระจายเสียงด้วยวิทยุคลื่นยาว (Long Wave) ด้วย ตามหน้าจอคือในช่วงความถี่ 150-280 kHz แต่นอกจากประเทศอังกฤษแล้วผมก็ไม่รู้เหมือนกันว่ายังมีประเทศไหนอีกบ้างที่กระจายเสียงในช่วงคลื่นยาวนี้

Medium wave (MW)

ในบ้านเรามักจะรู้จักคลื่น Medium wave ในชื่อของวิทยุ AM (Amplitude modulation) เสียมากกว่า (แม้ว่าบนหน้าจอเครื่องรับวิทยุมันจะเขียนว่า MW ก็ตาม ส่วน AM เป็นรูปแบบการผสมสัญญาณเข้ากับคลื่นวิทยุ) วิทยุ AM บ้านเราจะใช้คลื่นในย่านความถี่ 540 kHz - 1600 kHz คลื่น MW มีข้อดีคือเดินทางได้ไกล ไม่ประสบปัญหาการบดบังจากภูมิประเทศเหมือนคลื่นวิทยุ FM แต่คุณภาพสัญญาณเสียงจะด้อยกว่า ช่วงความยาวคลื่น MW จะอยู่ในช่วง 100-1000 m ในบ้านเราวิทยุ AM มักจะถูกมองว่าเป็นวิทยุของชนชั้นล่างหรือคนในชนบท ในขณะที่วิทยุ FM ถูกมองว่าเป็นวิทยุของคนที่อยู่ในเมือง (ลองถามตัวเองดูก็แล้วกันว่าปรกติฟังวิทยุ AM บ่อยแค่ไหน)

วิทยุคลื่นสั้น (Short wave (SW))

วิทยุคลื่นสั้นมีการกระจายเสียงในช่วงความถี่ประมาณ 1.8 MHz - 30 MHz ในสมัยที่ยังไม่มีการติดต่อสื่อสารผ่านดาวเทียม การรับฟังข่าวต่างประเทศผ่านทางวิทยุคลื่นสั้นก็เป็นหนทางหนึ่งในการรับทราบข่าวสารในต่างประเทศได้อย่างรวดเร็ว แต่ตอนนี้ไม่รู้เหมือนกันว่าคลื่น Short wave หรือวิทยุคลื่นสั้นจะเหลือผู้ฟังมากน้อยเท่าใด เรื่องนี้เคยเขียนเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๑๙๐ วันจันทร์ที่ ๑๖ สิงหาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "วิทยุคลื่นสั้น" ดังนั้นจึงจะไม่ขอเล่าซ้ำอีก ลองไปค้นอ่านเอาเองก็แล้วกัน

ช่วงความถี่ระหว่างคลื่น SW กับวิทยุ FM

ความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงระหว่างวิทยุคลื่นสั้นกับคลื่น FM ที่เห็นเอาไปใช้งานก็คือวิทยุบังคับ ที่เห็นชัดคือรถกระป๋อง (รถบังคับวิทยุ) ที่ขายกันอยู่ในห้างทั่วไป ความถี่ที่ใช้เห็นอยู่ในช่วง 20-50 MHz ดังนั้นเวลาไปซื้อรถกระป๋องมาเล่นกันหลายคนต้องดูให้ดีว่าไม่มีการใช้คลื่นที่มีความถี่ตรงกัน

วิทยุ FM

FM เป็นชื่อวิธีการผสมสัญญาณเข้ากับคลื่นวิทยุย่อมาจาก Frequency Modulation คลื่นวิทยุที่ใช้จะอยู่ในช่วง Very High Frequench (VHF) ในบ้านเรานั้นจะใช้คลื่นในช่วงความถี่ 87.5-108.0 MHz แต่ก็มีบ้างประเทศเหมือนกันที่ใช้คลื่นในช่วงความถี่ที่แตกต่างออกไปคือญี่ปุ่น ซึ่งใช้คลื่นในช่วงความถี่ 76.0-90.0 MHz ดังนั้นใครจะไปซื้อวิทยุที่ญี่ปุ่นเพื่อเอากลับมาฟังที่บ้านเราต้องระวังให้ดี ไม่เพียงแต่ต้องดูว่าสามารถใช้กับความต่างศักย์ที่แตกต่างกันได้ แต่ยังต้องรับฟังช่วงคลื่นที่แตกต่างกันได้ด้วย

วิทยุ FM มีจุดเด่นในเรื่องคุณภาพเสียง แต่มีจุดด้อยในเรื่องการบดบังจากภูมิประเทศ ทำให้ไม่สามารถส่งไปได้ไกล ในภูมิประเทศที่ไม่ราบเรียบ (เช่นมีภูเขาหรือเนินเขาบดบัง) จะมีบางจุดที่ไม่สามารถรับสัญญาณได้ ดังนั้นจึงเหมาะกับการกระจายเสียงในเมืองเสียมากกว่า

ช่วงความถี่ระหว่างคลื่นวิทยุ FM กับ 470 MHz

ช่วงคลื่นวิทยุในช่วงนี้ก็ยังคงส่งด้วยระบบ FM แต่ไม่ใช่การกระจายเสียงให้คนฟังกันทั่วไป เห็นเอามาใช้สำหรับกิจการวิทยุสื่อสาร

รูปที่ ๓ วิทยุคู่นี้ซื้อมาจากมาบุญครอง เห็นแขวนขายอยู่ ใช้ถ่าน AAA 3 ก้อน ทำงานช่วงความถี่ 462-467 MHz ตั้งชื่อให้ว่า "หมูย่าง" กับ "หมูนึ่ง"

โทรศัพท์เคลื่อนที่

ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ในบ้านเราระบบแรกที่เขามาใช้ความถี่ 470 MHz ก่อนที่จะขยับขยายเป็นระบบ 800 และ 900 MHz และขยายต่อขึ้นไปเป็นระบบ 1800-1900 MHz และก็เห็นเอาไว้ใช้กับโทรศัพท์ไร้สายที่ใช้กันตามบ้านทั่วไป ที่ส่งสัญญาณในช่วงความถี่ประมาณ 2-2.4 GHz

ความถี่ในช่วงคลื่นนี้จะเข้าสู่ระดับคลื่นไมโครเวฟแล้ว ลักษณะของคลื่นไมโครเวฟคือจะไม่สะท้อนกับชั้นบรรยากาศ แต่จะทะลุผ่านออกไปได้ จึงนำมาใช้กับการติดต่อสื่อสารผ่านดาวเทียม และใช้เป็นเรดาห์ตรวจจับวัตถุ

คนที่ทำงานเคมีวิเคราะห์หลายรายจะกลัวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงนี้ เพราะเวลามีสัญญาณโทรศัพท์ดังทีไรก็มักมีแต่การใช้โทรสั่งงานให้วิเคราะห์ตัวอย่างเพิ่มเติมอยู่เรื่อย (เงินเดือนก็ได้เท่าเดิม โบนัสก็ไม่มีให้)

คลื่นไมโครเวฟ

มีการให้คำนิยามคลื่นไมโครเวฟว่าเป็นคลื่นที่มีความถี่ในช่วง 300 MHz ถึง 300 GHz ถ้าว่ากันตามนี้ความถี่คลื่นวิทยุที่ใช้กับโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่กล่าวมาข้างบนก็ถูกรวมอยู่ในช่วงคลื่นไมโครเวฟด้วย

เทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมีที่มีการใช้คลื่นวิทยุในช่วงคลื่นไมโครเวฟนี้มีอยู่ 2 เทคนิคด้วยกัน และเกี่ยวข้องกับ spin ทั้งคู่ คือ Electron Spin Resonance (ESR) และ Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

ESR (ยังมีอีกชื่อคือ Electron Paramagnetic Resonance หรือ EPR) เกี่ยวข้องกับ spin ของ unpaired electron หรืออิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ (ใน orbital ที่มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว) ในการวิเคราะห์นั้นมักจะนิยมนำเอาตัวอย่างไปวางไว้ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ 9-10 GHz และปรับความเข้มสนามแม่เหล็ก (หรือนำไปวางในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มคงที่และปรับความถี่คลื่นไมโครเวฟ แต่โดยทั่วไปจะนิยมใช้วิธีแรกมากกว่า) จะถึงระดับหนึ่งจะเห็นการดูดกลืนพลังงาน ESR ใช้ในการตรวจหาสารที่มี unpaired electron เช่นพวกอนุมูลอิสระและ oxidation state ของโลหะทรานซิชันที่เวลามีการเปลี่ยน oxidation state มักมีการเปลี่ยนแค่จำนวนอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว

NMR นั้นเกี่ยวข้องกับ spin ของนิวเคลียสที่จำนวนโปรตอนรวมกับจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ อะตอมที่ถูกศึกษามากที่สุดคือ ¹H และ ¹³C การวิเคราะห์ก็จะทำคล้ายกับ ESR คือนำตัวอย่างไปวางในสนามแม่เหล็กความเข้มสูงและปรับความถี่คลื่นวิทยุ จนกระทั่งพบการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า NMR นั้นมีการนำไปใช้ในทางการแพทย์ในชื่อว่า MRI (Magnetic Resonance Imaging) ซึ่งใช้ในการสร้างภาพอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกายของเรา

เครื่อง NMR นั้นจะใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก ดังนั้นไม่ควรนำสื่อบันทึกที่เป็นแถบแม่เหล็กเข้าใกล้เครื่องดังกล่าว คนที่มีการผ่าตัดใส่ข้อโลหะเทียมหรือใช้เครื่องกระตุ้นหัวใจก็ไม่ควรเข้าใกล้เครื่องดังกล่าวด้วย (ผมเห็นมีป้ายติดเตือนเอาไว้ที่หน้าเครื่องในแลปของเรา แต่ไม่สามารถเข้าไปถ่ายรูปใกล้ ๆ ได้ เลยไม่ได้ถ่ายมาให้ดูกัน)

อินฟราเรด

การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดเกี่ยวข้องกับการสั่นของพันธะระหว่างอะตอมหรือกลุ่มอะตอม แต่ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการสั่นของพันธะระหว่างอะตอมหรือกลุ่มอะตอมมีอยู่ 2 ปรากฏการณ์คือการดูดกลืนอินฟราเรดและปรากฏการณ์รามาน (Raman)

การสั่นที่มีการเปลี่ยนแปลง dipole moment ของโมเลกุลจะมีการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ส่วนการสั่นที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง dipole moment ของโมเลกุลจะไม่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรด แต่จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ Raman

การวิเคราะห์การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดแต่เดิมจะใช้การวัดการดูดกลืนที่ละความยาวคลื่นแสง (อุปกรณ์แบบ dispersive) แต่เมื่อมีการนำเอา interferometer มาใช้ร่วมกับไมโครคอมพิวเตอร์ก็เลยมีการเรียกอุปกรณ์แบบหลังว่า FT-IR ซึ่งในปัจจุบันเครื่องวัดเป็นแบบ FT-IR หมดแล้ว

การวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Raman นั้นจะใช้แสงความถี่เดียว ความเข้มสูงยิงไปที่ตัวอย่าง แล้วดูแสงที่กระเจิงออกมา (ที่ทำมุมฉากกับทิศทางที่ยิงแสง เพราะแสงที่กระเจิงแล้วมีความถี่เปลี่ยนไปนั้นมีความเข้มต่ำกว่าแสงที่ยิงเข้าไปมาก) ว่ามีความถี่เปลี่ยนไปเท่าใด (ที่เรียกว่า Raman shift) ในอดีตนั้นจะใช้แสงสีเหลืองจากหลอด Na แต่เมื่อมีแสงเลเซอร์ให้ใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงจึงมีการเรียกแยกออกมาว่าเป็น Laser Raman ในปัจจุบันจะ Laser Raman หมดแล้ว

UV-Vis

UV ย่อมาจาก Ultraviolet ส่วน Vis ย่อมาจาก Visible light (ช่วงความยาวคลื่นประมาณ 400-700 nm) เหตุผลที่กล่าวถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองตัวนี้คู่กันก็เพราะเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์เดียวกัน คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอม

ซึ่งถ้าจะว่ากันตามทฤษฎีแล้ว การศึกษาการดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงนี้น่าจะให้ข้อมูลที่ดีเกี่ยวกับการสร้างพันธะทางเคมีของสาร เพราะอิเล็กตรอนที่ใช้ในการสร้างพันธะทางเคมีก็เป็นอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอม แต่ในทางปฏิบัติจะพบว่ามีปัญหาค่อนข้างมาก เพราะจำนวนอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกนั้นมีจำนวนมาก และเพิ่มมากตามขนาดอะตอม แถมยังมีระดับพลังงานใกล้กันอีก ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ใช้ในการสร้างพันธะทางเคมีนั้นมีเพียงไม่กี่ตัว จึงทำให้สัญญาณที่เกิดจากอิเล็กตรอนตัวที่สร้างพันธะทางเคมีถูกบดบัง/รบกวนจากอิเล็กตรอนตัวอื่นที่มีระดับพลังงานใกล้เคียงกัน ดูตัวอย่างสัญญาณ UV-Vis ได้จาก Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๖๓ วันอังคารที่ ๒๒ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔ เรื่อง "UV-Vis - peak fitting"

ช่วงรังสี UV ที่ใช้กันในงานเคมีวิเคราะห์จะอยู่ในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 200-400 nm แต่ก็มีบางงานที่ใช้รังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 100-200 nm แต่รังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 100-200 nm นี้ไม่สามารถเดินทางผ่านอากาศได้ (เรียกว่า vacuum UV)

การฆ่าเชื้อโรคด้วยรังสี UV ก็อาศัยการที่รังสี UV ไปทำให้โมเลกุลในเซลล์ (เช่นเอนไซม์) แตกออกและเกิดปฏิกิริยา ณ ตำแหน่งที่ไม่ควรจะเกิด ทำให้กลไกการทำงานของเซลล์ผิดเพี้ยนไป เซลล์จึงตาย ดังนั้นน้ำที่ผ่านการฆ่าเชื้อโรคด้วยรังสี UV จึงไม่มีเชื้อโรคที่มีชีวิตอยู่ในน้ำนั้น แต่มี "ศพ" เชื้อโรคอยู่ในน้ำนั้น (ก็ฆ่าให้ตายแต่ไม่ได้กรองเอาออกนี่นา)

X-ray

การกำเนิดรังสีเอ็กซ์นั้นทำได้สองวิธี คือการให้อนุภาคมีประจุมีความเร่ง และการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนชั้นวงโคร

วิธีการหลักที่ทำให้อนุภาคมีประจุมีความเร่งและใช้กันอย่างแพร่หลายคือการเร่งให้อิเล็กตรอนมีความเร็วสูงและวิ่งเข้าชนเป้าโลหะ ซึ่งจะทำให้ได้รังสีเอ็กซ์ที่เป็นเส้นต่อเนื่อง เทคนิคนี้ใช้ในการผลิตรังสีเอ็กซ์ที่ไม่สนใจเรื่องความยาวคลื่น (เช่นใช้ในทางการแพทย์หรือในการตรวจสอบรอยเชื่อมโลหะ)

อีกวิธีที่ทำให้อนุภาคมีความเร่งคือการให้อนุภาควิ่งเลี้ยวโค้ง ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กับเครื่องเร่งอนุภาค วิธีการนี้มีข้อดีคือผลิตรังสีเอ็กซ์ความยาวคลื่านเดียวที่มีความเข้มสูงได้โดยการปรับความเร็วของอิเล็กตรอนที่วิ่งเข้าโค้ง แต่จากขนาดของอุปกรณ์ก็คงจะมองเห็นแล้วว่าเหมาะแก่การใช้ในห้องทดลองหรือทำวิจัยมากกว่า

การทำให้อิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรในของอะตอมหลุดออกอาจทำได้โดยการยิงอนุภาคเข้าใส่เป้าหมาย (ที่นิยมคือใช้อิเล็กตรอนยิง) หรือใช้การฉายรังสีเอ็กซ์พลังงานสูงใส่เป้าหมาย ซึ่งเมื่ออิเล็กตรอนในชั้นวงโครจรในหลุดออก อิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นวงโคจรที่อยู่ด้านนอกก็จะเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ ในการนี้อิเล็กตรอนตัวที่เคลื่อนตัวลงมาแทนที่จะคายพลังงานออกในช่วงรังสีเอ็กซ์

เรื่องเกี่ยวกับการกำเนิดรังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากการเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนชั้นวงโคจรในนั้นเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๙๘ วันพุธที่ ๑๓ มกราคม ๒๕๕๔ เรื่อง "รังสีเอ็กซ์" แนะนำให้ไปอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมที่นั่น

รังสีเอ็กซ์ที่ใช้จากกระบวนการหลังนี้ถูกนำไปใช้ในเทคนิควิเคราะห์ต่าง ๆ เช่น X-ray diffraction (XRD) ซึ่งใช้รังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากอะตอมโลหะทองแดง X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ซึ่งใช้รังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากอะตอมโลหะแมกนีเซียมหรืออะลูมิเนียม

นอกจากนี้ยังมีการนำเอารังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากกระบวนการหลังนี้ไปใช้ในการระบุชนิดธาตุ เพราะรังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากกระบวนการเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนชั้นวงโคจรในนี้เป็นลักษณะเฉพาะตัวของแต่ละธาตุ เช่นในกรณีของเครื่อง X-ray fluorescence (XRF) และ SEM-EDX

gamma-ray

รังสีแกมมาเป็นรังสีที่พลังงานสูงที่สุด หน่วยที่ใช้เรียกจะใช้เป็นหน่วยพลังงานคืออิเล็กตรอนโวลต์ (eV) แทนการใช้ความยาวคลื่นหรือความถี่

สัปดาห์นี้ในวันอังคาร (วันนี้) และวันพุธ (วันพรุ่งนี้) ก็จะเป็นการสอนในส่วนของภาคปฏิบัติเป็นครั้งสุดท้าย นับจากปีแรกที่เข้ามาทำงานก็ได้สอนวิชานี้เป็นวิชาแรก โดยการชักชวนของอาจารย์ท่านเดิมที่สอนอยู่ในขณะนั้น และเข้าใจว่าเป็นผู้ที่สอนวิชานี้มาตั้งแต่การตั้งภาควิชา (อ.สุวัฒนา ซึ่งท่านได้ถึงแก่กรรมไปแล้ว และเป็นผู้สอนวิชานี้ให้ผมด้วย) ใกล้จะเกษียณอายุราชการ นับจนถึงปีปัจจุบันก็เป็นปีที่ ๑๘ จากเดิมตอนนั้นสอนกันอยู่ ๒ คน คนละครึ่งวิชา ตอนนี้กลายเป็นมีผู้สอน ๔ คน

แต่ก็อย่างว่า งานเลี้ยงย่อมมีวันเลิกรา หลักสูตรย่อมมีการเปลี่ยนแปลง

UV-Vis - peak fitting MO Memoir : Tuesday 22 February 2554

ความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอมจะอยู่ในช่วงระดับพลังงานของรังสีอัลตร้าไวโอเล็ต (Ultraviolet - UV) และแสงในช่วงที่สายตามองเห็น (Visible light - Vis) และเนื่องจากการสร้างพันธะทางเคมีนั้นก็ใช้อิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรรอบนอกของอะตอม ดังนั้นในทางทฤษฎีแล้วถ้าอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรรอบนอกนี้มีพลังงานที่เปลี่ยนไป ความสามารถในการสร้างพันธะทางเคมี (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือความสามารถในการทำปฏิกิริยาเคมีนั่นเอง) ก็น่าจะเปลี่ยนไปด้วย การวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรนอกของอะตอมสามารถดูได้จากการดูดกลืนรังสีในช่วงอัลตร้างไวโอเลตและแสงในช่วงที่สายตามองเห็น (ซึ่งมักเรียกกันสั้น ๆ ว่า UV-Vis) ถ้าเราพบว่าตัวอย่างของเรานั้นมีการดูดกลืนรังสีในช่วง UV-Vis เปลี่ยนไปจากเดิม เราก็อาจคาดหวังได้ว่าตัวอย่างของเรานั้นมีความสามารถในการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างไปจากเดิมได้

แต่การอ่านผลการดูดกลืนรังสีในช่วง UV-Vis นั้นไม่ค่อยง่าย ทั้งนี้เป็นเพราะอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรรเอบนอกจะมีเป็นจำนวนมาก และอิเล็กตรอนเหล่านี้ก็มีระดับพลังงานที่ใกล้เคียงกัน ในขณะที่อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะทางเคมีนั้นมีเพียงไม่กี่ตัว จึงมักทำให้ผลการวัดที่ได้ไม่มีลักษณะเป็นพีคที่เด่นชัด โดยเฉพาะในช่วงรังสี UV ซึ่งมักปรากฏเป็นเพียงแค่ "ไหล่ (shoulder)" (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) ซึ่งทำให้คนที่ไม่มีประสบการณ์มองไม่ออกว่าข้อมูลที่ได้มานั้นมันมีพีคอยู่ตรงไหน หรือไม่ก็ไม่เข้าใจว่าตำแหน่งนั้นเป็นพีคได้อย่างไร

รังสีอัลตร้าไวโอเลต (Ultraviolet - UV) เป็นรังสีที่มีความยาวคลื่นในช่วง 10-400 nm แต่จะมีเฉพาะช่วงความยาวคลื่น 200-400 nm เท่านั้นที่เดินทางผ่านอากาศได้ รังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 10-200 nm จะถูกดูดกลืนโดยอากาศ รังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 10-200 nm จึงถูกเรียกว่า Vacuum UV (หรือ UV สุญญากาศ) ดังนั้นถ้าต้องการวัดการดูดกลืนรังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 10-200 nm ก็ต้องทำในสุญญากาศ แต่ที่นำมาวิเคราะห์กันในวันนี้เป็นผลการวัดในช่วงตั้งแต่ 210-400 nm ซึ่งเป็นช่วง UV ที่เดินทางผ่านอากาศได้

รูปที่ ๑ สัญญาณการดูดกลืนรังสี UV ในช่วงความยาวคลื่น 210-400 nm จะสังเกตเห็น "ไหล่" ที่ตำแหน่งความยาวคลื่น 280-290 nm ที่วงกลมแดงเอาไว้ (วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิตสาขาวิศวกรรมเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เรื่อง "Production of cresol in an one-step reaction" โดยน.ส.รจเรข แพทย์สาสดี ปีการศึกษา 2551)

เช่นเดียวกับใน Memoir ฉบับวันศุกร์ที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔ โปรแกรมที่นำมาใช้ในการทำ peak fitting และ peak deconvolution ในคราวนี้ก็ยังคงเป็น "Fityk" เวอร์ชัน 0.9.7 โดยนำผลมาทำการตัด base line การตัด base line ทำโดยการตัดเป็นเส้นตรงขนานกับแกน x โดยเลื่อนให้จุดข้อมูลที่อยู่ตำสุดเป็นตำแหน่งศูนย์ จากนั้นจึงตัดข้อมูลในช่วง 210-230 nm ออกเนื่องจากสัญญาณมี noise มาก และตัดข้อมูลช่วงประมาณ 375-400 nm ออกไปด้วยเนื่องจากไม่ใช่บริเวณที่สนใจ และบริเวณดังกล่าวไม่ส่งผลต่อการลาก base line เนื่องจากข้อมูลที่นำมาใช้นั้นห่างกันจุดข้อมูลละ 1 nm ดังนั้นการที่จะบอกว่าพีคมีตำแหน่งที่แตกต่างกัน ความแตกต่างของตำแหน่งนั้นควรมากกว่า 2 nm

เมื่อทำการตัด base line แล้วจึงให้โปรแกรมทำการวางตำแหน่งพีคโดยอัตโนมัติ ในกรณีนี้พบว่าวิธีการที่เหมาะสมวิธีคือวางตำแหน่งจำนวน 2 พีคก่อน แล้วทำการคำนวณปรับพีคที่ประมาณไว้ให้เข้ากับผลการทดลองจนได้ค่า Weight Sum of Square Residual (WSSR) ต่ำสุด ซึ่งก็พบว่ายังประมาณค่าได้ไม่ดี จึงได้ให้โปรแกรมวางตำแหน่งพีคเพิ่มอีก 1 พีค และทำการปรับจนได้ค่า WSSR ต่ำสุดอีกครั้ง

ฟังก์ชันที่ใช้ในการทำ peak fitting และ peak deconvolution ก็ยังเป็นฟังก์ชันเดียวกันกับที่เราใช้กับสัญญาณ XRD คือ

1. Gaussian distribution function

2. Lorentzian distribution function และ

3. Voigt distribution function

เหตุผลที่ยังใช้ฟังก์ชันเหมือนเดิมก็เพื่อต้องการเปรียบเทียบให้เห็นว่าแต่ละฟังก์ชันนั้นมีความเหมาะสมกับข้อมูลต่างชนิดกัน

ผลการทำ peak fitting และ peak deconvolution แสดงไว้ในรูปที่ ๒-๔ แล้ว

ในแต่ละรูปนั้น จุดสีเขียวคือข้อมูลจากการวัดจริง เส้นสีแดงคือพีคแต่ละพีคที่ได้จากการทำ peak fitting และ peak deconvolution และเส้นสีเหลืองคือผลรวมของเส้นสีแดง

ในการพิจารณานั้นของให้พิจารณากราฟในช่วง 230-350 nm เพราะเราใช้ข้อมูลในช่วงนี้ เส้นกราฟในช่วง 210-230 nm เป็นซีกด้านซ้ายของพีคที่ 1 ที่เราไม่ใช้ เราใช้แต่เพียงซีกด้านขวาของพีคที่ 1 เท่านั้น ตำแหน่งพีคที่ 1-3 นับจากซ้ายมาขวา

รูปที่ ๒ peak fitting และ peak deconvolutionด้วย Gaussian distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	233.323	0.52427	46.6037	83.5089
Peak 2	298.356	0.277338	17.8513	60.4685
Peak 3	259.815	0.0256887	0.563195	20.5960

WSSR = 0.0010662

รูปที่ ๓ peak fitting และ peak deconvolution ด้วย Lorentzian distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	234.307	0.404066	26.5242	41.7897
Peak 2	264.586	0.308637	22.5158	46.4430
Peak 3	299.062	0.255230	16.5546	41.2921

WSSR = 0.0667446

รูปที่ ๔ peak fitting และ peak deconvolution ด้วย Voigt distribution function

	Centre	Height	Area	FWHM
Peak 1	234.745	0.526614	47.3159	84.3989
Peak 2	260.376	0.020911	0.41192	18.2932
Peak 3	299.249	0.265847	16.9112	59.6842

WSSR = 0.00109706

ก่อนอื่นอยากจะขอกล่าวเตือนไว้ก่อนว่า ในเรื่องการทำ peak fitting และ peak deconvolution นั้น ในมุมมองของผมสิ่งสำคัญคือการเลือกใช้ฟังก์ชันที่ถูกต้องในการทำ peak fitting และ peak deconvolution ซึ่งเมื่อได้ตำแหน่งพีคที่คิดว่าดีที่สุดแล้วจึงค่อยหาทางแปลผลว่าพีคดังกล่าวเป็นของปรากฏการณ์ใด เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้ (รวมทั้งฉบับก่อนหน้าและที่จะออกตามมา) เป็นเพียงการเล่าประสบการณ์ว่าในแต่ละงานนั้นเคยใช้ฟังก์ชันใดบ้างในการทำ peak fitting และ peak deconvolution และทำไมจึงเลือกใช้ฟังก์ชันดังกล่าว

ในกรณีนี้พบว่าฟังก์ชัน Gaussian ให้ผลออกมาดีที่สุด (เมื่อพิจารณาจากค่า WSSR ที่ต่ำที่สุด) โดยมีฟังก์ชัน Voigt ให้ผลดีติดตามมาติด ๆ ส่วนฟังก์ชัน Lorentzian นั้นแม้ว่าจะให้ตำแหน่งพีคที่ 1 และ 3 ใกล้เคียงกับของฟังก์ชัน Gaussian และ Voigt แต่ถ้าพิจารณาดูรูปกราฟแล้วพบว่าไม่สามารถปรับผลรวมของพีคย่อยทุกพีคเข้ากับข้อมูลจริงได้ดี สังเกตได้จากการที่เส้นสีเหลือง (ผลรวมของทุกพีค) แกว่งไปรอบจุดสีเขียว (ข้อมูลการวัดจริง) และในช่วงตั้งแต่ประมาณ 335 nm ออกไปยัง 375 nm ก็ยังให้ค่าที่สูงกว่าข้อมูลการวัดจริงอยู่มาก

ตำแหน่งพีคที่ 1 ที่ออกมาใกล้เคียงกันนั้นเป็นเพราะข้อมูลทางด้านซ้าย (ที่ขอบ 230 nm) เป็นตำแหน่งที่สูงสุด ทำให้โปรแกรมวางยอดพีคไว้ตรงบริเวณนี้ แล้วให้พีคที่ 1 นี้ลาดลงมาทางขวา

ตำแหน่งพีคที่ 2 เป็นตำแหน่งที่น่าสนใจ เพราะถ้าเราดูเฉพาะรูปที่ 1 เราอาจจะคิดว่ามีพีคอยู่ตรงบริเวณ 285-290 nm เพราะตรงนั้นที่ดูเหมือนเป็นตำแหน่งสูงสุดของไหล่ แต่พอทำ peak deconvolution แล้วกลับพบว่าตำแหน่งยอดของพีคอยู่ที่บริเวณ 298-300 nm ซึ่งเป็นการเลื่อนมาทางขวา

ส่วนเหตุผลที่ว่าทำไมฟังก์ชัน Gaussian จึงเข้าได้ดีกับผลการทดลองนั้น ถ้าอยากรู้ก็ลองไปอ่านเองในหัวข้อเรื่อง "Doppler broadening" ที่ http://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_broadening และเรื่อง "Voigt profile" ที่ http://en.wikipedia.org/wiki/Voigt_profile เช่นเดียวกัน