ฟิสิกส์อะตอม 3 การทดลองด้านสเปกตรัม การแผ่รังสีของวัตถุดำ

1. ฟิสิกส์อะตอม 3
การทดลองด้านสเปกตรัม
สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
การแผ่รังสีของวัตถุดา
ทฤษฎีอะตอมของโบร์

2. การศึกษาสเปกตรัมของอะตอมเป็นการศึกษาเกี่ยวกับการวัดความยาวคลื่น
และความเข้ม ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ าที่อะตอมปล่อยออกมาหรือดูดกลืน
เข้าไป นักวิทยาศาสตร์ได้อาศัยผลการทดลองเกี่ยวกับสเปกตรัมของ
อะตอมเพื่อเป็นแนวทาง สาหรับสร้างทฤษฎีขึ้นมาอธิบายการจัดเรียงตัว
ของอิเล็กตรอนในอะตอม

3. ทาไม
นักวิทยาศาสตร์สนใจศึกษาสเปกตรัมอะตอม

4. เพราะ สเปกตรัมอะตอมเปรียบเสมือนลายพิมพ์ นิ้วมือของมนุษย์ซึ่งใช้พิสูจน์บุคคลได้ เนื่องจากลายพิมพ์
นิ้วมือแต่ละคนไม่เหมือนกัน เป็นลักษณะเฉพาะบุคคล สเปกตรัมอะตอมก็เช่นกัน เป็นลักษณะเฉพาะอะตอม
ธาตุแต่ละชนิดจะมีชุดของสเปกตรัมอะตอมไม่เหมือนกันเลย ดังนั้นเราจึงใช้ข้อมูลที่อ่านได้จากชุดของ
สเปกตรัมเพื่อพิสูจน์อะตอมได้

5. สเปกตรัมอะตอม
เกิดขึ้นได้อย่างไร

6. 1: เกิดจากการเผาวัตถุแข็งหรือวัตถุเหลวให้ร้อน เช่น การเผาเกลือแกง (NaCl) จะได้
ไอร้อนของโซเดียม บริสุทธ์ซึ่งจะปล่อยคลื่นแสงที่ประกอบด้วยคลื่นทุก ย่านความถี่
อย่างต่อเนื่อง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องแถบสว่าง
(continuous bright spectrum)
2: เกิดจากการเผาแก๊สให้ร้อน แทนที่จะเป็นวัตถุแข็ง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า
สเปกตรัมเส้นสว่าง (bright line spectrum)
3: เกิดจากการปล่อยให้คลื่นแสงที่มีความถี่ต่อเนื่อง(จากแบบที่ 1) ผ่านแก๊สเย็น
สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้ เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องกับเส้นมืด (continuous spectrum
with dark lines)

7. ภาพนี้ดัดแปลงมาจาก
http://www.astro.virginia.edu/class/majewski/astr313/lectures/spectroscopy/spec.html

8. สรุปว่า
สเปกตรัมอะตอมเกิดจากการคายคลื่นแสงของอะตอมขณะร้อน
• ถ้าเป็นอะตอมของวัตถุแข็งหรือเหลวร้อนจะให้สเปกตรัม
ต่อเนื่องแถบสว่าง
• ถ้าเป็นอะตอมของแก๊สร้อนจะให้สเปกตรัมเส้นสว่าง
• แต่ถ้าเป็นอะตอมของแก๊สเย็น จะได้สเปกตรัมแบบเส้นมืด ซึ่ง
เกิดจากการดูดกลืนคลื่นแสง

9. The above image
shows a continuous
spectrum (top), an
absorption
spectrum (middle),
and an emission
spectrum (bottom)
for some of the
"Balmer lines" of
hydrogen—those
that lie within the
visible part of the
spectrum. The
sketch to the right is
a more-detailed
version, indicating
additional possible
transitions for an
electron in a
hydrogen atom.

11. ตัวอย่างสเปกตรัมอะตอมแบบเส้นสว่างของธาตุบางตัว

12. ตัวอย่างการคายพลังงานของอิเล็กตรอนของ
อะตอมไฮโดรเจนเกิดเป็นสเปกตรัมAt left is a hydrogen
spectral tube excited
by a 5000 volt
transformer. The three
prominent hydrogen
lines are shown at the
right of the image
through a 600
lines/mm diffraction
grating.
•Violet (380-435nm)
•Blue(435-500 nm)
•Cyan (500-520 nm)
•Green (520-565 nm)
•Yellow (565- 590 nm)
•Orange (590-625 nm)
•Red (625-740 nm)

13. ความยาวคลื่นของสเปกตรัมของแก๊สไฮโดรเจนร้อนมี 5 อนุกรม โดยมีชื่อเรียกตาม
นักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบสเปกตรัมแต่ละเส้นในอนุกรมนั้น และสามารถคานวณหาค่าความยาว
คลื่นของสเปกตรัมแต่ละเส้นในอนุกรมต่างๆ ได้โดยใช้สมการ
)
n
1
n
1
(R
1
2
i
2
f
H 

เมื่อ  คือ ความยาวคลื่นของสเปกตรัม (m)
RH คือ ค่านิจของริดเบอร์ก = 1.1 x 107 m-1
nf คือ ตัวเลขจานวนเต็มที่เท่ากับ 2
ni คือ ตัวเลขจานวนเต็มเริ่มตั้งแต่ 3, 4, 5,....

14. อนุกรมของสเปกตรัมชุดต่างๆ ของไฮโดรเจน
ชื่ออนุกรม ปีที่ค้นพบ
ส่วนกลับของ
ความยาวคลื่น nf ni
ช่วงของรังสี
ไลมาน (Lyman) 1906-1914 1 2, 3, 4,... อัลตราไวโอเลต( UV )
บัลเมอร์ (Balmer) 1885 2 3, 4, 5,... แสงที่ตามองเห็นถึงUV
พาสเชน (Paschen) 1908 3 4, 5, 6,...
อินฟราเรด ( IR )
แบรกเกต (Bracket) 1922 4 5, 6, 7,...
ฟุนด์ (Pfund) 1924 5 6, 7, 8,...
)
1
1
1
(
1
22
i
H
n
R 

)
1
2
1
(
1
22
i
H
n
R 

)
1
3
1
(
1
22
i
H
n
R 

)
1
4
1
(
1
22
i
H
n
R 

)
1
5
1
(
1
22
i
H
n
R 


15. จากสมการของบัลเมอร์ เมื่อเราแทนค่า nf = 2
ni = 3 จะได้  = 6,562.8 0A เป็นความยาวคลื่นของแสงสีแดง
ni = 4 จะได้  = 4,861.3 0A เป็นความยาวคลื่นของแสงสีน้าเงิน
ni = 5 จะได้  = 4,340.5 0A เป็นความยาวคลื่นของแสงสีม่วง
ni = 6 จะได้  = 4,101.7 0A เป็นความยาวคลื่นของแสงสีเหนือม่วง
)
1
2
1
(
1
22
i
H
n
R 


16. This spectrum was produced by
exciting a glass tube of hydrogen
gas with about 5000 volts from a
transformer. It was viewed
through a diffraction grating
with 600 lines/mm. The colors
cannot be expected to be
accurate because of differences
in display devices.

17. The spectral series of hydrogen, on a logarithmic scale.

18. http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html

19. สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
1. ระดับพลังงานในสุด ( n = 1 ) จะเป็นระดับที่มีพลังงานต่า สุด และ
ถัดออกมาจะเป็น ระดับที่มีพลังงานมากขึ้นเรื่อยๆ และปกติ
อิเล็กตรอนชอบที่จะอยู่ชั้นในสุด ( n = 1 ) เพราะจะมี เสถียรภาพมาก
ที่สุด ภาวะเช่นนี้เรียกสภาวะพื้น( Ground State )

20. สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
2. หากอิเล็กตรอนได้รับพลังงานที่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะดูด
พลังงานนั้นแล้วเคลื่อนย้ายจากระดับพลังงานต่าขึ้นไประดับพลังงาน
สูงกว่าเดิม เรียกภาวะเช่นนี้ว่าเป็นสภาวะกระตุ้น ( Excited State )
แต่ภาวะถูกกระตุ้นนี้อิเล็กตรอนจะมีพลังงานมากเกินไปจึงไม่เสถียร
อิเล็กตรอนจะคายพลังงานส่วนหนึ่งออกมแล้วเคลื่อนย้ายลงมาอยู่ใน
ระดับพลังงานที่ต่ากว่าเดิม

21. สเปกตรัมจากอะตอมของแก๊ส
3. พลังงานที่อิเล็กตรอนคายออกมาจะอยู่ในรูปของคลื่น
แม่เหล็กไฟฟ้ าเสมอ

22. จากการวิเคราะห์สเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจน พบว่าชุดความถี่
ของเส้นสเปกตรัมในช่วงที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่านั้นมี
ชื่อเรียกว่า
ก. Lyman series
ข. Balmer series
ค. Paschen series
ง. Brackett series

23. ในช่วงระดับพลังงานต่าสุดสามระดับแรกของอะตอมไฮโดรเจน คลื่น
แม่เหล็กไฟฟ้ าที่ควรพบจะอยู่ในชุดความถี่ที่เรียกว่า
ก. ชุดไลมานและชุดบาล์มเมอร์
ข. ชุดไลมานและชุดพาเชน
ค. ชุดบาล์มเมอร์และชุดพาเชน
ง. ชุดไลมาน ชุดบาล์มเมอร์ และชุดพาเชน

24. การแผ่รังสีของวัตถุดา
วัตถุดา (Black Body ) คือ วัตถุที่มีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ า
พลังงานที่แผ่ออกมาจากวัตถุดาแต่ละชนิดจะขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดการสั่นของอะตอม
จานวนอะตอมในวัตถุ มีขนาดของพลังงานเป็น E = hf, 2hf, 3hf, . .. ..
สามารถเขียนเป็นสมการได้ ว่า E = n(hf)
เมื่อ n คือ เป็นตัวเลขจานวนเต็มบวก โดย n = 1,2, 3, . . . .
f คือ ความถี่ธรรมชาติการสั่นของอะตอมคู่ ( Hz )
h คือ ค่านิจของแพลงค์ ( h = 6.63 x 10-34 J.s )

25. • ปริมาณ hf จึงหมายถึง 1 ก้อนพลังงานแสง ซึ่งเรียกว่า 1 ควอนตัม
หรือ 1 โฟตอน (1 เม็ดแสง)
• อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) เป็นหน่วยวัดพลังงานสาหรับอนุภาคขนาดเล็ก
โดย 1 eV = 1.6 x 10 -19 จูล
• พลังงาน 1 eV. จะเป็นพลังงานที่ได้จากการเร่งอิเล็กตรอนผ่านความต่าง
ศักย์ 1 โวลต์ (เร่งอิเล็กตรอน
• ผ่านความต่างศักย์ V โวลต์ จะทาให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเป็น V
อิเล็กตรอนโวลต์)

26. Electron transitions and their resulting wavelengths for
hydrogen. Energy levels are not to scale.

28. การเคลื่อนอิเล็กตรอน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ าที่คาย ชื่อชุดสเปกตรัม(อนุกรม)
จากชั้นบน ลงมา ชั้น 1 รังสีอัลตราไวโอเลต ไลแมน
จากชั้น 6 ลงมา ชั้น 2 แสงสีม่วง (410 nm) บัลเมอร์
จากชั้น 5 ลงมา ชั้น 2 แสงสีน้าเงิน(434 nm)
จากชั้น 4 ลงมา ชั้น 2 แสงสีน้าทะเล (484 nm)
จากชั้น 3 ลงมา ชั้น 2 แสงสีแดง (656 nm)
จากชั้นบน ลงมา ชั้น 3 รังสีอินฟาเรด พาสเชน
จากชั้นบน ลงมา ชั้น 4 รังสีอินฟาเรด แบรกเกต
จากชั้นบน ลงมา ชั้น 5 รังสีอินฟาเรด ฟุนด์
ตัวอย่างการคายพลังงานของอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนเกิดเป็นสเปกตรัมดังนี้

29. ทฤษฎีอะตอมของโบร์
อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและ
นิวตรอน อยู่ภายในนิวเคลียส ส่วน
อิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเป็น
ชั้น ๆ หรือเป็นระดับพลังงานซึ่งมีค่า
เป็นขั้น ๆ อย่างเด็ดขาด ไม่มีค่าที่
ต่อเนื่องกัน

30. สรุปผลการทดลอง
การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูง
ไปสู่วงโคจรต่า พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง ๆ
ศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ
โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อย
ประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไปพบว่า
อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบ
ชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสง
ออกมาผ่านปริซึมทาให้เราเห็นเป็นเส้น
สเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ

32. โบร์ ได้เสนอแบบจาลองอะตอมของไฮโดรเจนขึ้นมาโดยนาแนวคิดเรื่อง
ควอนตัมของ พลังงานของพลังค์ มาใช้กับแบบจาลองอะตอมของ
รัทเทอร์ฟอร์ด พร้อมทั้งเสนอสมมติฐานขึ้น ใหม่ 2 ข้อ ได้แก่
• อิเล็กตรอนมีวงโคจรรอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ โดยในแต่ละวงโคจร
จะมีโมเมนตัมเชิงมุม
• เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรจะคายหรือดูดพลังงาน เป็น
1 ควอนตัม

33. จากทฤษฎีของโบร์ทาให้แสดงได้ว่า อะตอมไฮโดรเจน จะมี
1. รัศมีอะตอม ;
2. อัตราเร็วของอิเล็กตรอน ;
3. พลังงานของอะตอม ;

34. ระดับพลังงาน - 13.6 eV เป็นระดับพลังงานของอิเล็กตรอน
อะตอมไฮโดรเจนวงในสุด เรียกว่า สถานะพื้น (ground state)
ถ้าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานสูงกว่าสถานะพื้นหรือในวงโคจร
ที่ n ≥ 2 เรียกสภาวะนี้ว่า สถานะกระตุ้น (excited state)

35. สเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน จะเกิดจากการเปลี่ยนวงโคจรของ
อิเล็กตรอน คานวณได้จากความสัมพันธ์จากสูตร
หรือใช้สูตร Δ E (หน่วยเป็น eV) กับ λ (หน่วยเป็นนาโนเมตร)
จากสูตร

36. ภาพของอะตอมจากทฤษฎีของเบอร์ (Bohr) คือ
• ก. อิเล็กตรอนจะวิ่งวนรอบนิวเคลียสในวงโคจรบางวงโดยไม่แผ่คลื่น
แม่เหล็กไฟฟ้ าออกมา
• ข. อิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นเสมือนกลุ่มหมอกที่ห่อหุ้มนิวเคลียส
อยู่ที่ใดมีหมอกหนาแน่นมากจะมีโอกาสพบอิเล็กตรอน ณ ที่นั้นมาก
• ค. อิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสด้วยระยะห่างจากนิวเคลียสมาก เมื่อ
เทียบกับขนาดนิวเคลียส
• ง. อิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีสมบัติคลื่นนิ่ง

37. อะตอมไฮโดรเจนจะอยู่ในสถานะพื้น เมื่อวงโคจร
อิเล็กตรอน
ก. ติดกับนิวเคลียส
ข. หลุดจากอะตอม
ค. อยู่ในระดับพลังงานต่าสุด
ง. อยู่ในสภาพสมดุล

38. สเปคตรัมที่ได้จากอะตอมของธาตุต่าง ๆ จะ
ก. เหมือนกันสาหรับธาตุทุกธาตุ
ข. จะแสดงคุณสมบัติเฉพาะของแต่ละธาตุ
ค. จะได้เป็นแถบสว่างเสมอ
ง. ได้เป็นเส้นมืดเสมอ

39. อะตอมจะมีการปล่อยโฟตอน เมื่ออิเล็กตรอน ตัวหนึ่งของอะตอม
ก. ชนกับตัวอื่น
ข. เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะ
ค. เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะไปอยู่ใน สถานะที่มีระดับพลังงานต่ากว่า
ง. เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะไปอยู่ในสถานะที่มีระดับพลังงานสูงกว่า