เส้น Cu Kα มี ๒ เส้น (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕๒) MO Memoir : Wednesday 2 October 2556

ผมเคยคุยเรื่องนี้กับโดเรมี่ตั้งแต่ก่อนที่เขาจะสอบ บังเอิญเมื่อวานก็ได้คุยกับเขาเรื่องนี้อีก ก็เลยถือโอกาสขอไฟล์ข้อมูลของเขาเอามาให้ดูเป็นตัวอย่าง

เรื่องที่พื้นฐานของบันทึกฉบับนี้คือ Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๙๘ วันพุธที่ ๑๓ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง "รังสีเอ็กซ์" 
 
การผลิตรังสีเอ็กซ์ความถี่เดียว (หรือความยาวคลื่นในช่วงแคบ ๆ) ในห้องทดลองทั่วไปนั้นจะใช้การเร่งอิเล็กตรอนให้พุ่งเข้าชนเป้าโลหะ วิธีการนี้จะทำให้เกิดรังสีเอ็กซ์ออกมาสองแบบ แบบแรกเป็นเส้นต่อเนื่องที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่พุ่งเข้าชนเป้าโลหะนั้นมีความเร็วลดลง (อนุภาคมีความเร่งก็จะเปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา) แบบที่สองเป็นความยาวคลื่นที่โดดเด่นมากเป็นพิเศษ ซ้อนอยู่บนเส้นความยาวคลื่นต่อเนื่อง เส้นแบบที่สองนี้เกิดจากการที่อิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไปนั้น ไปทำให้อิเล็กตรอนในวงโคจรในของอะตอมที่เป็นเป้ากระเด็นหลุดออก อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกของอะตอมโลหะนั้นจึงเคลื่อนตัวเข้าไปแทนที่ ในการนี้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนตัวเข้าไปแทนที่จะคายพลังงานออกในรูปรังสีเอ็กซ์ 
  

รูปที่ ๑ เส้นรังสีเอ็กซ์ความยาวคลื่นต่อเนื่องที่เกิดจากการที่อิเล็กตรอนวิ่งเข้าชนเป้าโลหะมีความเร็วลดลง (ในที่นี้เป้าโลหะคือทองแดง) และเส้นความยาวคลื่นที่เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ในรูปนี้แสดงการตัดเส้น Kβ ของ Cu ออกด้วยการใช้ Ni เป็น filter (ฉากกั้น) รังสีเอ็กซ์ (จากหนังสือ "X-ray methods : Analytical chemistry by open learning" โดย Clive Whiston สำนักพิมพ์ John Wiley & Sons หน้า 16 ปีค.ศ. 1991) 
 
เส้นเอ็กซ์เรย์ที่เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนนั้นมีชื่อเรียกตามระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ถูกชนให้กระเด็นออกไปและระดับพลังงานของอิเล็กตรอนตัวที่เคลื่อนตัวลงมาแทนที่ ในกรณีที่อิเล็กตรอนที่ถูกชนให้กระเด็นออกไปนั้นอยู่ในวงโคจรชั้น K (ชั้นในสุด) ชื่อรังสีเอ็กซ์ก็จะขึ้นต้นด้วยอักษร K ถ้าอิเล็กตรอนที่เข้ามาแทนที่นั้นมาจากวงโครจรที่อยู่เหนือขึ้นไป ๑ ระดับเช่น L ก็จะเรียกรังสีเอ็กซ์นั้นว่า Kα (อ่าน เค-อัลฟ่า) แต่ถ้าอิเล็กตรอนที่เข้ามาแทนที่นั้นมาจากวงโครจรที่อยู่เหนือขึ้นไป ๒ ระดับเช่น M ก็จะเรียกรังสีเอ็กซ์นั้นว่า Kβ (อ่าน เค-เบต้า) การเรียกชื่อเส้นอื่น ๆ ดูได้ในรูปที่ ๒ 

รูปที่ ๒ ชื่อเส้น x-ray ที่เกิดการอิเล็กตรอนในวงโคจรนอกเคลื่อนเข้ามาแทนที่ว่างในวงโคจรใน (จากหนังสือ "X-ray methods : Analytical chemistry by open learning" โดย Clive Whiston สำนักพิมพ์ John Wiley & Sons หน้า 11 ปีค.ศ. 1991)
 
 เส้น x-ray ที่นิยมนำมาใช้ในงานวิเคราะห์โครงสร้างผลึกด้วยเทคนิค x-ray diffraction (XRD) นั้นจะใช้เส้น Kα ที่ได้จากโลหะ Mo หรือ Cu แต่ผมรู้สึกว่าเส้นที่ได้จากโลหะ Cu จะเป็นที่นิยมมากกว่า เส้น x-ray ที่ได้จากโลหะ Cu นั้นจะมีเส้นที่โดดเด่นอยู่สองเส้นคือเส้น Cu Kα และ Cu Kβ โดยเส้น Cu Kα จะเป็นเส้นที่มีความเข้มสูงกว่า Cu Kβ (ดูรูปที่ ๑) แต่ในการใช้งานนั้นเราต้องการเส้นที่ความยาวคลื่นเดียว (หรือความถี่เดียว) ไปใช้ ในทางปฏิบัติจึงทำการตัดเส้น Cu Kβ ทิ้งด้วยการนำแผ่นโลหะ Ni มาวางขวางรังสีเอ็กซ์ที่เกิดจาก Cu แผ่นโลหะ Ni จะดูดกลืนเส้น Cu Kβ ส่วนใหญ่เอาไว้ในขณะที่ยอมให้เส้น Cu Kα ส่วนใหญ่ผ่านไปได้ (ดูรูปที่ ๑)
 
เนื่องจากในวงโคจร K (วงโคจรในสุด) มีอิเล็กตรอนอยู่ 2 ตัว ดังนั้นถ้าอิเล็กตรอนในวงโคจร K ทั้งสองตัวนี้หลุดออกไป อิเล็กตรอนในวงโครจรที่เหนือขึ้นไป โดยเฉพาะของวงโคจร L จึงมีโอกาสที่จะเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ได้ 2 ตัวด้วยกัน การที่อิเล็กตรอนในวงโครจร L เคลื่อนลงมายังวงโครจร K นั้นจะเปล่งรังสีเอ็กซ์ที่มีชื่อว่าเส้น Kα ออกมา แต่เส้น Kα ที่เกิดจากอิเล็กตรอนในวงโครจร L 2 ตัวเคลื่อนลงมายังวงโครจร K นั้นแตกต่างกันอยู่เล็กน้อย ทำให้เกิดเส้น Kα 2 เส้นที่เรียกว่า Kα1 และ Kα2 (หรือ Cu Kα1 และ Cu Kα2) เส้น Cu Kα1 จะมีความยาวคลื่นอยู่ที่ 0.154056 nm และเส้น Cu Kα2มีความยาวคลื่นอยู่ที่ 0.154439 nm โดยเส้น Cu Kα1 เป็นเส้นที่มีความเข้มสูงกว่าเส้น Cu Kα2 
 
สำหรับเครื่อง XRD ที่ไม่ได้มีกำลังแยก (resolutin) ที่สูง (เช่นเครื่องของ Siemens ที่กลุ่มเราใช้ก่อนหน้านี้ที่ซื้อมาตั้งแต่ปี ๒๕๓๙) จะมองเห็นเส้น Cu Kα1 และ Cu Kα2 รวมกันเป็นเส้นเดียว ที่มีความยาวคลื่นอยู่ที่ประมาณ 0.15418 nm เวลาวิเคราะห์ตัวอย่างจึงเห็นเป็นพีคที่เกิดจากการหักเหของรังสีเอ็กซ์ความยาวคลื่น 0.15418 nm เพียงความยาวคลื่นเดียว ทำให้พีคที่เกิดจากการหักเหของระนาบใดระนาบหนึ่งของผลึกนั้นมีเพียงพีคเดียว (ถ้าเห็นเป็นสองพีคอยู่ใกล้กันแสดงว่าเกิดจากการหักเหจากต่างระนาบกัน) 
 
แต่สำหรับเครื่อง Bruker D8 Advance system ที่เราใช้กันอยู่ในขณะนี้เป็นเครื่องรุ่นที่มีกำลังแยกที่สูงกว่า ทำให้เห็นว่าระนาบใดระนาบหนึ่งของผลึกนั้นแสดงการหักเหรังสีเอ็กซ์ได้สองความยาวคลื่นคือ 0.154056 nm และ 0.154439 nm ผลที่เกิดคือแต่ละระนาบนั้นจะให้พีคการหักเห 2 พีคที่อยู่ใกล้กัน (แต่ทั้งนี้ตัวผลึกต้องมีความสมบูรณ์มากด้วยนะ) โดยพีคที่เกิดจากเส้น Cu Kα1 (ความยาวคลื่นคือ 0.154056 nm) จะปรากฏที่มุม 2θ ที่น้อยกว่าพีคที่เกิดจากเส้น Cu Kα2 (ความยาวคลื่นคือ 0.154439 nm) อยู่เล็กน้อย และจะปรากฏเช่นนี้กับทุก ๆ พีค (ดูรูปที่ ๓) 
 
รูปที่ ๓ เป็นพีคการหักเหของคอรันดัม (Corundum เป็นสารประกอบพวก Al2O3) ที่โดเรมี่ทำการวัด และผมขอเอามาใช้เป็นตัวอย่างใน Memoir ฉบับนี้ รูปที่เอามาให้ดูนั้นอาจจะไม่ค่อยชัด แต่พอจะสังเกตได้ว่าแต่ละพีคที่เห็นนั้นจะมีพีคเล็ก ๆ อยู่เคียงข้างด้านขวาเสมอ ถ้าพีคเล็ก ๆ ที่เห็นอยู่เคียงข้างด้านขวานั้นเป็นพีคที่เกิดจากการหักเหจากต่างระนาบกัน มันไม่ควรจะปรากฏเช่นนี้กับทุก ๆ ตำแหน่งมุม 2θ ก่อนหน้านี้ (นานแล้ว) ที่เขาเคยเอาเรื่องนี้มาปรึกษาผม ผมก็ได้ให้ความเห็นไปว่าพีคหลักพีคใหญ่นั้นควรจะเป็นพีคที่เกิดจากเส้น Cu Kα1 ส่วนพีคเล็ก ๆ ที่อยู่ข้าง ๆ นั้นควรเป็นพีคที่เกิดจากเส้น Cu Kα2 
 
เพื่อเป็นการทดสอบให้เห็นผมเลยเอาพีคในช่วงมุม 2θ ระหว่าง 32º-45º ไปขยายให้เห็นในรูปที่ ๔ จาก Bragg's law นั้น (2d.sinθ = nλ) สำหรับการหักเหรังสีเอ็กซ์สองความยาวคลื่นที่ระยะ d spacing เดียวกัน จะได้ว่า

ถ้าให้ λ2 คือความยาวคลื่นของเส้น Cu Kα2 คือ 0.154439 และ λ1 คือความยาวคลื่นของเส้น Cu Kα1 คือ 0.154056 ดังนั้นอัตราส่วน λ2/ λ1 จะเท่ากับ 1.002486 
  
ที่นี้ถ้าเรามาพิจารณาพีคที่มุม 2θ ประมาณ 35º เศษ จะเห็นพีคใหญ่พีคหนึ่งที่ตำแหน่ง 2θ ประมาณ 35.128º และพีคเล็กที่ตำแหน่ง 2θ ประมาณ 35.211º และเมื่อคำนวณค่า (sinθ2/sinθ1) จะได้ค่า 1.002277 
 
ในทำนองเดียวกันถ้าเรามาพิจารณาพีคที่มุม 2θ ประมาณ 43º เศษ จะเห็นพีคใหญ่พีคหนึ่งที่ตำแหน่ง 2θ ประมาณ 43.333º และพีคเล็กที่ตำแหน่ง 2θ ประมาณ 43.436º และเมื่อคำนวณค่า (sinθ2/sinθ1) จะได้ค่า 1.002258 
 
จะเห็นว่าค่าอัตราส่วน (sinθ2/sinθ1) ที่คำนวณได้จากตำแหน่งพีคที่มุม 2θ ต่างกันนั้นให้ค่าที่ใกล้เคียงกันและใกล้เคียงกับค่า λ2/ λ1 นั่นแสดงว่าพีคที่เห็นแยกเป็นสองพีคนั้นเป็นพีคที่เกิดจากเส้น Cu Kα1 และ Cu Kα2 ที่หักเหออกมาจากระนาบผลึกเดียวกัน 
 
ตรงนี้ผมต้องขอขอบคุณโดเรมี่ที่มอบผลการทดลองให้ผมมาเขียน Memoir ฉบับนี้และบอกว่ารออ่านอยู่ ถ้าสงสัยว่าโดเรมี่เป็นใครก็ลองย้อนไปอ่าน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๖๓ วันอาทิตย์ที่ ๑๓ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ความเห็นที่ไม่ลงรอยกับโดเรมี่" เอาเองก็แล้วกัน

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

รังสีเอ็กซ์ MO Memoir : Wednesday 13 January 2553

Memoir ฉบับนี้แก้ไขเพิ่มเติมจากเอกสารคำสอนวิชา ๒๑๐๕-๒๗๐ เคมีวิเคราะห์แก้ไขครั้งสุดท้ายเมื่อเดือนมีนาคม ปีพ.ศ. ๒๕๔๓ จัดทำเป็นพิเศษสำหรับสมาชิกที่กำลังจะต้องสอบเรื่องรังสีเอ็กซ์

ในเย็นวันศุกร์ที่ 8 พฤศจิกายน ค.ศ. 1895 (พ.ศ. 2438 ช่วงสมัยรัชการที่ ๕) ในขณะที่นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Wihelm conrad Rontgen กำลังทำการศึกษาการเรืองแสงที่เกิดขึ้นจากรังสีคาโทด (อิเล็กตรอน) ในห้องมืด เขาได้สังเกตเห็นการเรืองแสงของจอที่เคลือบไว้ด้วยสาร barium platinocyanide ที่วางอยู่ห่างไปประมาณ 1 เมตรจากอุปกรณ์ทำการทดลอง Rontgen สรุปว่าการเรืองแสงนี้ไม่ได้เกิดจากรังสีคาโทด ทั้งนี้เพราะรังสีคาโทดสามารถเดินทางในอากาศได้เป็นระยะทางไม่กี่เซนติเมตรเท่านั้น เขาจึงได้ตั้งชื่อรังสีชนิดใหม่นี้ว่า"รังสีเอ็กซ์" ซึ่งหมายความว่ายังไม่ทราบแน่ชัด ในคืนนั้น Rontgen ทำงานอย่างหนักจนภรรยาโกรธเนื่องจากไม่ยอมไปรับประทานอาหารเย็น Rontgen ยังพบด้วยว่ารังสีเอ็กซ์นี้ไม่ถูกหักเหโดยสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าและยังมีอำนาจการทะลุทะลวงสูง ในผลงานที่เขาตีพิมพ์เป็นครั้งแรกเขาเปิดเผยว่ารงสีเอ็กซ์สามารถทะลุหนังสือที่หนาหนึ่งพันหน้า อะลูมิเนียมหนา 3.5 มิลลิเมตร และแผ่นตะกั่วได้ นอกจากนี้เมื่อนำมือไปขวางระหว่างแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์กับจอ barium platinocyanate เขาสามารถมองเห็นโครงร่างกระดูกมือของเขา สามเดือนหลังจาก Rontgen เปิดเผยการค้นพบ โรงพยาบาลแห่งหนึ่งในกรุงเวียนนาก็ได้นำการฉายรังสีเอ็กซ์ไปช่วยในการผ่าตัด ผลงานการค้นพบนี้ทำให้ Rontgen เป็นนักฟิสิกส์คนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบิลในปี ค.ศ. 1901 (พ.ศ. 2344) อย่างไรก็ตามกว่านักวิทยาศาสตร์จะทำความเข้าใจปรากฏการณ์พื้นฐานของการเกิดรังสีเอ็กซ์ได้ก็ล่วงมาถึงปีค.ศ. 1912 (พ.ศ. 2353) จากการค้นพบว่ารังสีเอ็กซ์สามารถหักเหได้ด้วยผลึกแสดงให้เห็นว่ารังสีเอ็กซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นที่สั้นมาก

1. แหล่งกำเนิดและการเรียกชื่อ

รังสีเอ็กซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง มีความยาวคลื่นอยู่ในระดัง 0.1 - 100 อังสตรอม การผลิตรังสีเอ็กซ์ทำได้โดยการยิงเป้าที่เป็นโลหะด้วยอิเล็กตรอนพลังงานสูง เมื่ออิเล็กตรอนความเร็วสูงพุ่งเข้ากระทบเป้าโลหะ อิเล็กตรอนจะถูกหยุดยั้งโดยอะตอมของโลหะที่เป็นเป้า พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะถูกเปลี่ยนเป็นรังสี ถ้าอิเล็กตรอนถูกหยุดยั้งด้วยการชนเพียงครั้งเดียวและคายพลังงานทั้งหมดออกมาในทีเดียว รังสีที่ได้จะเป็นรังสีที่มีพลังงานสูงสุด (หรือมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด ตำแหน่งลูกศร SWL - shortest wavelength ในรูปที่ 1) ถ้าต้องเกิดการชนขึ้นหลายครั้งก่อนที่อิเล็กตรอนจะหยุดการเคลื่อนที่ จะมีการคายรังสีทีมีระดับพลังงานต่ำออกมาหลายความถี่ ดังนั้นเมื่อรวมผลเนื่องจากการชนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน จะได้สเปกตรัมการแผ่รังสีเอ็กซ์ต่อเนื่องดังแสดงไว้ในรูปที่ 1 สเปกตรัมต่อเนื่องของการแผ่รังสีนี้เรียกว่า White radiation หรือ Background radiation อิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไปจะถูกหน่วงให้ช้าลงและคายพลังงานออกมาในรูปของความร้อนและรังสีเอ็กซ์ อย่างไรก็ตามมีพลังงานเพียงร้อยละ 1 เท่านั้นที่เปลื่ยนเป็นรังสีเอ็กซ์ นอกนั้นกลายเป็นพลังงานความร้อนไป

นอกจากนี้ได้มีการค้นพบว่าถ้าเพิ่มพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนขึ้นไปเรื่อย ๆ จนถึงจุดจุดหนึ่ง จะปรากฏรังสีเอ็กซ์ที่บางความยาวคลื่นที่มีความเข้มมากเป็นพิเศษ ความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ที่จุดเหล่านี้ถูกขนานนามว่าเป็น characteristic radiation เพราะความยาวคลื่นนี้จะขึ้นอยู่กับชนิดโลหะที่ใช้เป็นเป้าเท่านั้น (ดูรูปที่ 2 และ 3 ประกอบ) ไม่ขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไป ตัวอย่างเช่นในรูปที่ 2 ถ้าเพิ่มพลังงานของอิเล็กตรอนให้สูงเกิน 25 kV สิ่งที่ได้คือตำแหน่งความยาวคลื่นที่สั้นที่สุด (SWL) จะลดลงไปอีก แต่ตำแหน่งเส้น characteristic radiation Kα และ Kβ ยังคงอยู่ที่เดิม

รูปที่ 1 สเปกตรัมต่อเนื่องของรังสีเอ็กซ์ที่ได้จากการยิงเป้า Mo ด้วยอิเล็กตรอนความต่างศักย์ 20 kV ⁽¹⁾

รูปที่ 2 สเปกตรัมต่อเนื่องของรังสีเอ็กซ์และ characteristic radiation ที่ได้จากการยิงเป้า Mo ด้วยอิเล็กตรอนความต่างศักย์ 25 kV ⁽¹⁾

รูปที่ 3 สเปกตรัมต่อเนื่องของรังสีเอ็กซ์และ characteristic radiation ที่ได้จากการยิงเป้า Mo และ Cu ⁽²⁾

เพื่อทำความเข้าใจการเกิด characteristic radiation ลองพิจารณาโครงสร้างของอะตอมที่ประกอบด้วยนิวเคลียสและมีอิเล็กตรอนโคจรเป็นวงอยู่รอบๆ วงโคจรรอบใน (เช่น K, L) เป็นวงโคจรที่มีระดับพลังงานต่ำ ถ้าอิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไปมีพลังงานจลน์สูงพอจะทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจร K หรือ L หลุดออกมาจากอะตอมได้ ซึ่งทำให้เกิดเป็นไอออนที่ไม่เสถียร อะตอมจะปรับตัวโดยอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรด้านนอกจะเคลื่อนเข้ามาแทนที่ แต่การเคลื่อนตัวลงมาแทนที่นี้ต้องมีการคายพลังงานออกมาส่วนหนึ่ง พลังงานที่คายออกมานี้อยู่ในระดับรังสีเอ็กซ์และจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานของวงโคจรทั้งสอง ซึ่งความแตกต่างของระดับพลังงานนี้ขึ้นอยู่กับธาตุที่ใช้เป็นเป้า ปรากฏการณ์นี้แสดงไว้ในรูปที่ 4

รูปที่ 4 การกำเนิด characteristic radiation ⁽¹⁾

การเรียกชื่อ characteristic radiation จะใช้อักษรโรมัน + อักษรกรีก + ตัวเลข เช่น Kα₁ ตัวอักษรโรมันหมายถึงวงโคจรของอิเล็กตรอนที่ถูกชนให้หลุดออกมา โดย K หมายถึงวงโครงจรในสุด L หมายถึงวงโคจรที่สอง และนับเช่นนี้ต่อไป ตัวอักษรกรีกบอกให้ทราบถึงวงโคจรของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนตัวลงมาแทนที่ โดย α หมายถึงวงโคจรที่อยู่ถัดไปหนึ่งวงโคจร β หมายถึงวงโคจรที่อยู่ถัดไปสองวงโคจร เป็นต้น ส่วนตัวเลขนั้นบ่งบอกถึงรังสีเอ็กซ์ในอนุกรมนั้น ตัวอย่างเข่นถ้าเราทำให้อิเล็กตรอนในวงโคจร K หลุดออกมา แล้วอิเล็กตรอนในวงโคจร L เคลื่อนที่ไปแทนที่ รังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาจะเรียกว่า Kα แต่เนื่องจากในวงโคจร K มีอิเล็กตรอนได้ 2 ตัว ดังนั้นการเคลื่อนที่ลงมาแทนที่จึงมีโอกาสเกิดได้สองครั้ง ทำให้เกิดรังสีเอ็กซ์สองความถี่ที่เรียกว่า Kα₁ และ Kα₂ รังสีทั้งสองความถี่นี้จะอยู่ใกล้กันมากและแยกออกจากกันได้ยาก โดยที่รังสี Kα₁ จะมีความยาวคลื่นที่สั้นกว่า Kα₂ เล็กน้อย ถ้าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนตัวลงมาแทนที่มาจากวงโคจร M รังสีเอกซ์ที่ได้ก็จะมีชื่อเป็น Kβ

2. การดูดกลืนรังสีเอ็กซ์

เมื่อรังสีเอ็กซ์ผ่านเข้าไปในเนื้อวัตถุ ความเข้มของรังสีที่ผ่านออกมาจะลดลง ทั้งนี้เนื่องจากเกิดการดูดกลืน (absorption) และการกระเจิง (scattering) ผลเนื่องจากการกระเจิงมีน้อยสำหรับธาตุที่มีเลขอะตอมต่ำและสามารถตัดทิ้งไปได้ ส่วนใหญ่ของรังสีที่หายไปเกิดจากการดูดกลืน จากการทดลองพบว่างรังสีเอ็กซ์ยิ่งมีความยาวคลื่นสั้นจะถูกดูดกลืนได้น้อยลง แต่มีการสังเกตพบว่าที่ความยาวคลื่นบางคลื่น ค่าการดูดกลืนของรังสีเอ็กซ์จะเกิดการเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหัน ทำให้กราฟขาดความต่อเนื่อง ดังเช่นที่แสดงไว้ในรูปที่ 5

รูปที่ 5 การดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ของตะกั่วและเงิน ⁽³⁾

การดูดกลืนรังสีเอ็กซ์จะทำให้อิเล็กตรอนในวงโคจรวงในของอะตอมหลุดออกมาได้ ในกระบวนการนี้การดูดกลืนจะเกิดได้ดีที่สุดเมื่อพลังงานของรังสีเอ็กซ์มีค่าเท่ากับพลังงานยึดเหนึ่ยวของอิเล็กตรอนในวงโคจรนั้น ถ้ารังสีเอ็กซ์มีพลังงานต่ำเกินไป (หรือมีความยาวคลื่นที่มากเกินไป) โอกาสที่จะไปทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากวงโคจรได้จะน้อย แต่ถ้ามีระดับพลังงานมากเกินไป (หรือมีความยาวคลื่นสั้นเกินไป) โอกาสที่อิเล็กตรอนจะรับพลังงานได้ก็จะน้อยลงไปเช่นกัน ตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่าในกรณีของโลหะตะกั่วจะมีการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ที่ความยาวคลื่น 0.14 อังสตรอม (peak K) ได้ดี ซึ่งรังสีเอ็กซ์ที่ความยาวคลื่นนี้มีพลังงานเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนในวงโคจร K ของอะตอมตะกั่ว ในทำนองเดียวกันโลหะเงินจะดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ได้ดีที่ความยาวคลื่น 0.458 อังสตรอม (peak K) ซึ่งรังสีเอ็กซ์ที่ความยาวคลื่นนี้มีพลังงานเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนในวงโคจร K ของอะตอมเงิน ส่วนวงโคจร L นั้นมีอิเล็กตรอนจำนวนมากกว่า การดูดกลืนรังสีเอ็กซ์จึงปรากฎขึ้นที่ตำแหน่ง L_I, L_II และ L_III ดังแสดงไว้ในรูปที่ 5

ในงานวิเคราะห์บางด้านนั้นเช่นในการวิเคราะห์โครงสร้างผลึก จำเป็นต้องใช้รังสีเอ็กซ์ที่มีความถี่เดียวหรือมีช่วงความถี่ที่แคบที่สุด แต่เนื่องจากรังสีเอ็กซ์ที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดมีลักษณะเป็นสเปกตรัมต่อเนื่องรวมอยู่กับเส้น characteristic line ซึ่งเป็นช่วงความยาวคลื่นแคบ ๆ ถ้าเราสามารถหาโลหะที่เหมาะสมมาดูดกลืนเส้นสเปกตรัมต่อเนื่องออกไปเหลือไว้แต่ characteristic line ได้ เราก็จะสามารถนำเอา characteristic line มาใช้ประโยชน์ได้ ตัวอย่างหนึ่งของคู่โลหะที่เหมาะสมได้แก่การใช้โลหะนิเกิลเป็นตัวกรองรังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาจากโลหะทองแดง ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 6

รูปที่ 6 การดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาจากโลหะทองแดง (เส้นทึบ) ด้วยโลหะนิเกิล (เส้นประ) ⁽¹⁾

จากรูปจะเห็นว่าความสามารถของโลหะนิเกิลในการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นต่ำจะลดลงจนถึงระดับความยาวคลื่นประมาณน้อยกว่า 1.5 อังสตรอนเล็กน้อย จากนั้นความสามารถในการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ของโลหะนิเกิลจะเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหันก่อนที่จะค่อย ๆ ลดลงใหม่อีกครั้งหนึ่งเมื่อความยาวคลื่นสั้นลง ดังนั้นรังสีเอ็กช์ของโลหะทองแดงที่มีความยาวคลื่น Kβ₁ (ช่วงประมาณ 1.4 อังสตรอม) จะหายไป เหลือไว้แต่รังสีเอ็กซ์ความยาวคลื่น Kα (ซึ่งอยู่ในช่วงประมาณ 1.5-1.7 อังสตรอม) เท่านั้นที่ผ่านออกมาได้มาก นอกจากนี้รังสีเอ็กซ์ในส่วนที่เป็นสเปกตรัมต่อเนื่องจะถูกดูดกลืนหายไปด้วย ทำให้เราสามารถผลิตรังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นในช่วงแคบ ๆ ที่มีความเข้มสูง (เมื่อเทียบกับช่วงความยาวคลื่นข้างเคียง) ไปใช้งานได้ อย่างไรก็ตามวิธีการนี้ทำได้ไม่บ่อยครั้งนัก เนื่องจากคู่ (โลหะที่เป็นเป้า + โลหะที่เป็นตัวกรอง) มีจำนวนไม่มากที่ให้ผลเช่นนี้ได้


3. การหักเหของรังสีเอกซ์

เนื่องจากรังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ดังนั้นมันจึงมีคุณสมบัติในการหักเหเหมือนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงที่ตาคนมองเห็น แต่เนื่องจากรังสีเอกซ์มีความยาวคลื่นสั้นกว่ารังสีแสงมากดังนั้นการที่จะหักเหรังสีเอกซ์ได้ จึงจำเป็นต้องใช้ระนาบระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลในโครงสร้างของผลึก เนื่องจากในระหว่างการหักเห รังสีเอกซ์จำเป็นต้องเดินทางผ่านระนาบระหว่างอะตอมในผลึกอย่างน้อย 2 ครั้ง (ดังที่แสดงในรูปที่ 7) Bragg จึงได้ทำการเสนอสมการเพื่ออธิบายการหักเหของรังสีเอกซ์ดังนี้ (Bragg's equation)

2d sinθ = nλ

เมื่อ n คือเลขจำนวนเต็ม

λ คือความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์

d คือระยะห่างระหว่างระนาบในผลึก

θ คือมุมตกกระทบของรังสีเอกซ์

รูปที่ 7 แสดงการหักเหของรังสีเอกซ์ผ่านผลึก

การหักเหของรังสีเอกซ์ได้ถูกนำมาใช้เป็นเครื่องมือในการวิเคราะห์ที่สำคัญชนิดหนื่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการศึกษาโครงสร้างของผลึกต่างๆ ทั้งนี้เนื่องจากว่าเป็นการยากมากที่จะมีผลึกมากกว่าหนึ่งชนิดที่จะมีการเรียงตัวเหมือนกันและระยะห่างระหว่างอะตอมเท่ากันในทุกทิศทาง ด้วยเหตุผลนี้จึงทำให้รูปแบบการหักเหของรังสีเอกซ์ผ่านผลึกต่าง ๆ เป็นลักษณะเฉพาะตัวของผลึกชนิดนั้น

เทคนิคการหักเหของรังสีเอกซ์ ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้างของโมเลกุลและการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของผลึกต่างๆ ตัวอย่างการใช้งานในการวิเคราะห์โครงสร้างของโมเลกุลได้แก่การค้นพบโครงสร้างของ DNA (Deoxyribonucleic acid) นอกจากนี้เทคนิคนี้ยังสามารถแยกแยะสาร 2 ชนิด ที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกันแต่ลักษณะการเรียงตัวของอะตอมในผลึกไม่เหมือนกัน ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ในกรณีนี้ได้แก่การตรวจสอบการเปลี่ยนเฟสของ Alumina-Al₂O₃ (ซึ่งใช้เป็นองค์ประกอบหนึ่งของตัวเร่งปฏิกิริยา) จากรูปแบบ Gamma ไปเป็นรูปแบบ Alpha ในระหว่างการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยา Al₂O₃ ในรูปแบบ Gamma จะค่อยๆเปลื่ยนไปเป็นรูปแบบ Alpha ที่อุณหภูมิสูงได้ ทำให้โครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงไป ในกรณีเช่นนี้วิธีการทางเคมีวิเคราะห์ทั่วไปไม่สามารถทำการแยกแยะสารทั้งสองชนิดออกจากกันได้ จึงจำเป็นต้องใช้เทคนิคการหักเหของรังสีเอกซ์เข้าช่วยเหลือ อีกตัวอย่างหนึ่งของการประยุกต์เทคนิคนี้ใช้ได้แก่การวิเคราะห์เลขออกซิเดชันของอะตอมในผลึก ทั้งนี้เนื่องจากวิธีการนี้ไม่มีการนำเอาสารเคมีอื่นๆมาใช้ระหว่างการทำการวิเคราะห์จึงทำให้สามารถตัดปัญหาการรบกวนเนื่องจากสารเคมีตัวอื่นออกไปได้

(1) Clive Whiston,”X-Ray Methods”, John Wiley&Son, 1991

(2) ภาพจาก http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02-en.html

(3) Skoog,D.A. and Leary,J.J., "Principle of Instrumental Analysis", Saunders College Publishing, 1992

ดำหรือขาว MO Memoir : วันพุธที่ ๑๙ สิงหาคม ๒๕๕๒

ลองตอบคำถามต่อไปนี้ทีละข้อก่อนที่จะอ่านคำถามข้อต่อไป คำตอบไม่จำเป็นต้องเขียนออกมา เก็บเอาไว้ในใจก็พอ คำถามเหล่านี้ผมใช้ถามนิสิตที่เรียนวิชาปฏิบัติการเคมีวิเคราะห์ในเรื่องสเปกโตรสคปีเกี่ยวกับ FT-IR เพื่อทดสอบความเข้าใจเรื่องการดูดกลืนและการเปลี่ยนรูปของพลังงานแสง

ข้อ ๑.๑ ถ้าคุณนั่งอยู่ในห้องริมหน้าต่างที่มีแดดส่องเข้ามาทางหน้าต่างโดนตัวคุณ ระหว่างการไม่ติดผ้าม่านกันแดดและการติดผ้าม่านกันแดด แบบไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๑.๒ ถ้าคุณนั่งอยู่ในห้องริมหน้าต่างที่มีแดดส่องเข้ามาทางหน้าต่างโดนตัวคุณ ระหว่างการติดผ้าม่านสีขาวกันแดดและการติดผ้าม่านสีดำกันแดด แบบไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๒. ถ้าคุณนั่งอยู่ในรถที่ปิดกระจก ระหว่างรถที่กระจกไม่ติดฟิล์มกันแดดและรถที่ติดฟิล์มกันแดดสีดำ ถ้ารถตากแดด กระจกแบบไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๓.๑ ถ้าคุณต้องอยู่กลางแดด ระหว่างการใส่เสื้อสีดำกับเสื้อสีขาว ใส่เสื้อสีไหนจะทำให้คุณรู้สึกร้อนกว่ากัน

ข้อ ๓.๒ ถ้าคุณต้องอยู่กลางแดด ระหว่างการใส่เสื้อสีดำกับเสื้อสีขาว ใส่เสื้อสีไหนจะป้องกันผิวหนังคุณจากแสงแดดได้ดีกว่ากัน

ข้อ ๔.๑ คำตอบของคุณในข้อ ๒ และ ๓.๑ เหมือนกันไหม ถ้าคำตอบเหมือนกันก็แล้วไป แต่ถ้าคำตอบของคุณแตกต่างกัน คุณจะให้เหตุผลอย่างไร

ข้อ ๔.๒ คำตอบของคุณในข้อ ๓.๑ และ ๓.๒ เหมือนกันไหม ถ้าคำตอบเหมือนกันก็แล้วไป แต่ถ้าคำตอบของคุณแตกต่างกัน คุณจะให้เหตุผลอย่างไร

คำถามเหล่านี้มีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน คือสิ่งที่มาขวางกันระหว่างตัวคุณกับแสงแดดคือสิ่งที่ดูดกลืนแสงแดดได้น้อย (ผ้าขาวหรือกระจกใส) หรือสิ่งที่ดูดกลืนแสงแดดได้มาก (ผ้าดำหรือกระจกติดฟิล์ม) แล้วคำตอบของคุณแต่ละข้อเหมือนกันไหม

โดยปรกติแล้วเมื่ออะตอมหรือโมเลกุลรับโฟตอนเข้าไป จะทำให้อะตอมหรือโมเลกุลนั้นถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานสูงขึ้นไปอยู่ที่สถานะถูกกระตุ้น (excited state) อะตอมหรือโมเลกุลนั้นจะคายพลังงานออกมาเพื่อกลับคือสู่สถานะพื้นฐาน (ground state) ตามเดิม ถ้าพลังงานที่รับเข้าไปนั้น

ก) คายออกมาในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานเท่าเดิม ก็จะไม่เห็นการดูดกลืนคลื่นแสง

ข) คายออกมาในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าจำนวนหลายตัว ก็จะเกิดปรากฏการณ์เรืองแสง เช่นในกรณีของสารที่เคลือบผิวหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่รับโฟตอนที่มีพลังงานในระดับอัลตร้าไวโอเล็ต และคายออกมาในรูปของโฟตอนในช่วงแสงที่ตามองเห็น (พลังงานต่ำกว่า)

ค) เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานเคมี โดยเปลี่ยนสารที่มีพลังงานต่ำให้กลายเป็นสารที่มีพลังงานสูงขึ้น เช่นในกรณี การสังเคราะห์แสงของใบไม้ที่เปลี่ยนน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ไปเป็นน้ำตาล หรือการทำให้โมเลกุลแตกตัวออก

ง) เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานความร้อน

การที่เราเห็นสิ่งของมีสีต่าง ๆ นั้นเป็นเพราะอะตอมหรือโมเลกุลดูดกลืนคลื่นแสงในบางช่วงคลื่นเอาไว้ สีที่เรามองเห็นคือสีที่ไม่ถูกดูดกลืน คลื่นแสงที่หายไปจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานเคมีหรือพลังงานความร้อน

ดังนั้นกระจกใสหรือผ้าขาว จะยอมให้แสงผ่านได้มากกว่ากระจกติดฟิล์มดำหรือผ้าดำ แต่กระจกดำหรือผ้าดำจะเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อนได้มากกว่ากระจกใสหรือผ้าขาว

ทีนี้ลองพิจารณาคำถามต่อไปนี้

ข้อ ๕.๑ ถ้าคุณจุดเตาแก๊สหุงต้ม ระหว่างเปลวไฟสีฟ้ากับเปลวไฟสีแดง เปลวไฟสีไหนให้แก๊สที่มีอุณหภูมิสูงกว่ากัน

ข้อ ๕.๒ ถ้าคุณนั่งอยู่ข้างกองไฟ ระหว่างกองไฟที่มีเปลวไฟสีฟ้ากับเปลวไฟสีแดง เปลวไฟสีไหนทำให้คุณรู้สึกร้อนมากกว่ากัน

ข้อ ๖. รังสีในช่วงไหนที่ทำให้คุณรู้สึกร้อน และรังสีในช่วงไหนที่เป็นอันตรายต่อผิวหนังของคุณ

รังสีที่ทำให้เรารู้สึกร้อนนั้นคือรังสีอินฟราเรด รังสีอินฟราเรดมีพลังงานต่ำกว่าแสงช่วงตามองเห็นหรือรังสีอัลตร้าไวโอเล็ต เปลวไฟสีแดงนั้นมีอุณหภูมิเปลวไฟต่ำกว่าเปลวไฟสีฟ้า แต่จะแผ่รังสีอินฟราเรดรุนแรงกว่า จึงทำให้เรารู้สึกร้อนมากกว่า ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไปเวลาอยู่ใกล้เตาถ่านที่ร้อนแดงจะรู้สึกร้อนมากกว่าเมื่ออยู่ใกล้เตาแก๊สที่มีเปลวไฟสีฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงมากขึ้นไปอีกเช่นรังสีเอ็กซ์หรือรังสีแกมม่า ไม่ได้ทำให้เรารู้สึกร้อน แต่พลังงานระดับนั้นไปทำให้โมเลกุลแตกตัวออกเป็นอนุมูลอิสระ

ถึงตอนนี้แล้วถ้าคุณกลับไปตอบคำถามข้างต้นใหม่ คุณยังคงคำตอบเดิมเอาไว้ไหม

คำตอบของคำถามต่าง ๆ ข้างต้นไม่มีให้ ขอให้ลองพิจารณาไตร่ตรองด้วยตนเองหรือปรึกษากับเพื่อน ๆ ในกลุ่มดู