IV. Spectroscopy


ดอกไม้ไฟ: แสงสีจากเคมีของปฏิกิริยา

พลุหรือดอกไม้ไฟที่ถูกจุดขึ้นกลางท้องฟ้าเพื่อใช้ในจุดประสงค์แตกต่างกัน บ้างก็ใช้ในการเฉลิมฉลองในงานเทศกาลต่างๆ บ้างก็ใช้เพื่อเป็นอุปกรณ์ส่องสว่างท่ามกลางสนามรบในยามค่ำคืน ประกายไฟที่ส่องแสงระยิบระยับในความมืดนั้นไม่ได้เกิดขึ้นง่ายๆ เหมือนกับการนำไม้ขีดไฟมาถูข้างกลักไม้ขีด แต่เบื้องหลังแสงสีที่ปรากฏนั้นเต็มไปด้วยคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านการคิดค้นและพัฒนาจากการค้นพบดินส่วนผสมในการทำระเบิดโดยบังเอิญของชาวจีนเมื่อสองพันปีที่แล้ว

แสงสีที่เกิดขึ้นจากดอกไม้ไฟนับเป็นหัวใจสำคัญที่ดึงดูดความสนใจให้ทุกสายตาต้องจับจ้องมาที่การแสดงนี้ กระบวนการเกิดแสงสีที่เกิดขึ้นเกิดมาจากปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์ในเรื่องของ Atomic emission spectroscopy หรือการปลดปล่อยแสงจากอะตอม ซึ่งมีกลไกการเกิดขึ้นดังนี้

atomic_emission

เมื่ออะตอมได้รับพลังงานในรูปของความร้อน อิเล็กจะถูกกระตุ้นจากสภาวะพื้น (ground state) ขึ้นไปสู่สภาวะเร้า (excited state) ซึ่งมีระดับพลังงานสูงกว่า อะตอมจะไม่คงสภาพอยู่ในระดับนี้เนื่องจากมีพลังงานสูงเกินไปจึงลดระดับพลังงานของอิเล็กตรอนมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ในขณะเดียวกันพลังงานส่วนต่างที่เกิดจากการลดระดับพลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามสมการ E = hc/λ เมื่อ E คือพลังงานส่วนต่างของระดับพลังงาน, h คือค่าคงที่ของแพลงค์, c คือความเร็วของแสง และ λ คือความยาวคลื่นของรังสีที่ปลดปล่อยออกมาเป็นสีต่างๆ

พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมจะเป็นค่าเฉพาะของธาตุแต่ละชนิด ดังนั้นสีที่ปรากฏในดอกไม้ไฟสีต่างๆ จึงเกิดจากการปลดปล่อยแสงจากอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน เช่น

สีแดง จาก สตรอนเชียม (Sr) และ ลิเธียม (Li)
สีส้ม จาก แคลเซียม (Ca)
สีเหลือง จาก โซเดียม (Na)
สีเขียว จาก แบเรียม (Ba)
สีฟ้า จาก ทองแดง (Cu)
สีม่วง จาก สตรอนเชียมผสมกับทองแดง

ในการเลือกใช้ธาตุชนิดต่างๆ เป็นตัวกำเนิดสีในดอกไม้ไฟนิยมใช้เกลือคลอไรด์ของธาตุชนิดนั้นๆ เช่น แคลเซียมคลอไรด์ (CaCl2) และแบเรียมคลอไรด์ (BaCl2) เนื่องจากอะตอมของคลอรีนมีส่วนช่วยในการเพิ่มความเข้มให้กับสีที่ได้จากอะตอมของโลหะ

นอกจากการเลือกใช้สารเคมีในการสร้างสีสันให้กับดอกไม้ไฟแล้ว การออกแบบส่วนประกอบของดอกไม้ไฟถือเป็นสิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งที่จะทำให้ดอกไม้ไฟที่จุดขึ้นสู่ท้องฟ้ามีรูปแบบตามที่ต้องการ ไม่เช่นนั้น การให้ความร้อนกับสารเคมีที่กล่าวไปข้างต้นก็คงไม่ต่างอะไรไปจากการจุดระเบิดที่มีสีเท่านั้น

ส่วนประกอบของดอกไม้ไฟประกอบด้วย 4 ส่วนหลัก คือ ภาชนะบรรจุ, เม็ดดาว, เชื้อปะทุระเบิด และ ชนวน

firework_component3

ภาชนะบรรจุจะแบ่งออกเป็นสองส่วนย่อย คือ ส่วนของฐาน (lift charge) ที่ทำหน้าที่นำดอกไม้ไฟขึ้นสู่ท้องฟ้าก่อนการจุดระเบิด และส่วนของตัวดอกไม้ไฟที่มีชนวนหน่วงเวลา (time fuse) ที่ทำหน้าที่ควบคุมการระเบิดที่ระดับความสูงตามต้องการ

firework_ignite

เมื่อชนวนบริเวณฐานถูกจุดขึ้น (ขั้นตอนที่ 1) ตัวของดอกไม้ไฟจะพุ่งทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าในขณะเดียวกันชนวนหน่วงเวลาจะถูกจุดขึ้นระหว่างนั้น ความยาวของชนวนหน่วงเวลาจะเป็นตัวกำหนดระดับความสูงของการระเบิด (ขั้นตอนที่ 2) และเมื่อชนวนหน่วงเวลาถูกเผาไหม้จนหมดจะทำให้เกิดการระเบิดของเชื้อปะทุระเบิด (burst charge) ที่บรรจุอยู่ภายในตัวดอกไม้ไฟ ส่งผลให้เม็ดดาว (stars) ที่ถูกเรียงตามรูปแบบที่ต้องการเกิดการระเบิดขึ้นอีกต่อหนึ่ง (ขั้นตอนที่ 3)

ภายในเม็ดดาว หรือ stars จะประกอบไปด้วยเชื้อเพลิงและสารเคมีชนิดต่างๆ ที่รอทำปฏิกิริยาภายหลังการระเบิด เมื่อเชื้อเพลิงภายในเม็ดดาวลุกติดไฟจะมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนไปยังตัวออกซิไดซ์ (oxidizer) ซึ่งเป็นสารประกอบเปอร์คลอเรท และเกิดแก๊สออกซิเจนเป็นผลิตภัณฑ์ดังสมการ (1)

equation_firework

ออกซิเจนที่เกิดขึ้นจะทำหน้าที่ในการออกซิไดซ์ซัลเฟอร์และคาร์บอนในเม็ดดาวเพื่อให้เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์อุณหภูมิสูงออกมา ดังสมการที่ (2) และ (3) ความร้อนที่เกิดขึ้นจากแก๊สทั้งสองชนิดนี้จะทำให้สารเคมีที่หน้าหน้าที่เป็นตัวเกิดสีปลดปล่อยแสงออกมาเกิดเป็นดอกไม้ไฟที่มีสีสันและรูปแบบตามต้องการนั่นเอง

แม้ว่าการจุดดอกไม้ไฟในแต่ละครั้งจะเกิดขึ้นในช่วงระยะเวลาชั่วพริบตา แต่กลไกและปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในนั้นต้องผ่านการคิดค้นและพัฒนามาเป็นระยะเวลาอันยาวนานจนทำให้ดอกไม้ไฟบางลูกมีราคาถึงหลักล้านเลยทีเดียว

Advertisements

โลกร้อน รู้ทัน รักษาทัน 

มีข้อมูลอ้างอิงจากการสำรวจที่เทือกเขาแอนดีสพบว่า ช่วง 10 ปีที่ผ่านมาเราจะพบยุงที่เป็นพาหะของไข้เลือดออกได้ที่ระดับสูง 3,300 ฟุตจากระดับน้ำทะเล แต่ข้อมูลล่าสุดได้ระบุออกมาว่าที่ความสูง 7,200 ฟุตบริเวณเทือกเขาแอนดีสก็สามารถพบยุงพวกนี้ได้แล้ว

คำที่หลายๆ คนเคยคุ้นหูกันมาแล้ว แต่ไม่ค่อยมีใครสนใจกับมัน นั่นก็คือคำว่า “ภาวะโลกร้อน” นั่นเองที่ทำให้ยุงต้องบินสูงขึ้น แต่ไหนแต่ไรมาพวกมันก็อยู่ดีมีสุขที่พื้นโลกนั่นแหละ แต่พออุณหภูมิมันเริ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ มันก็ต้องบินขึ้นไปเพื่อหาอากาศที่เย็นลงให้เหมาะสมกับการดำรงชีวิตของมัน แม้ยุงจะไม่ใช่สัตว์ที่มีความรู้แต่มันก็มีสัญชาติญาณที่จะปรับตัวให้เข้ากับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น

อะไรที่อยู่เบื้องหลังเรื่องนี้…?

พลังงานในช่วงคลื่นต่างๆ ที่ดวงอาทิตย์ส่งมายังโลก บ้างก็ถูกสะท้อนออกไป บ้างก็ถูกดูดซับเอาไว้ รังสี UV ถูกชั้นโอโซนดูดกลืนเข้าไป ช่วงคลื่นแสงขาวถูกดูดกลืนโดยรงค-วัตถุต่างๆ ทำให้โลกใบนี้มีสีสันมากยิ่งขึ้น ส่วนที่เหลือคือรังสีอินฟราเรด หรือ IR ซึ่งถูกดูดกลืนโดยโมเลกุลต่างๆ บนพื้นโลก

บรรยากาศของโลกเรานี้เต็มไปด้วยแก๊สชนิดต่างๆ โดยมี N2 และ O2 เป็นตัวหลัก แต่โมเลกุลพวกนี้กลับไม่ดูดซับรังสี IR โมเลกุลแก๊สที่สามารถดูดกลืน IR ได้ก็คือแก๊สที่ไม่ได้อยู่เป็นโมเลกุลของอะตอมคู่ เช่น CO2 ซึ่งมีเพียงร้อยละ 0.33 เท่านั้น

คงจะดีไม่น้อยถ้าโลกเรามี CO2 อยู่เยอะๆ จะได้ดูดกลืนรังสี IR เข้าไปให้หมด ไม่เหลือรังสีพวกนี้มาทำอันตรายต่อพวกเรา แต่กระบวนการดูดกลืนรังสี IR มันซับซ้อนกว่าที่คิด

เมื่อ CO2 ดูดกลืนรังสี IR เข้าไป โมเลกุลจะถูกกระตุ้นขึ้นไปในระดับพลังงานที่สูงขึ้น เมื่อผ่านไประยะหนึ่ง มันจะลดระดับพลังงานลงมาพร้อมกับคายพลังงานในรูปของ mid-IR ซึ่งเป็นคลื่นที่ให้ความร้อนปริมาณมหาศาล ชั้นของ CO2 ที่ห่อหุ้มโลกเอาไว้จึงเปรียบเหมือนผ้านวมที่ห่มตัวเราท่ามกลางอากาศร้อนกลางเดือนเมษา ปรากฏการณ์เช่นนี้เองที่ทำให้ดาวศุกร์มีอุณหภูมิสูงถึง 457 องศาเซลเซียส เนื่องจากชั้นบรรยากาศร้อยละ 97 ของดาวศุกร์คือ CO2

CO2 ไม่ได้เป็นตัวการหลักที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อนอย่างที่หลายคนคิด แต่ตัวการที่แท้จริงที่ทำให้โลกใบนี้ร้อนขึ้นทุกวันๆ ก็คือ “พฤติกรรมของมนุษย์” ต่างหาก ถึงเวลาแล้วที่จะต้องลดกิจกรรมต่างๆ ที่จะเพิ่มปริมาณ CO2 สู่ชั้นบรรยากาศของเรา….

เริ่มต้นง่ายๆ เพียงแค่…

  เปลี่ยนหลอดไฟในบ้านจากหลอดไส้เป็นหลอดฟลูออเรสเซนส์
  ใช้กระดาษรีไซเคิลถึงแม้ว่ามันจะไม่ขาวน่าใช้ก็ตาม และอย่าลืมที่จะใช้มันให้คุ้มทั้งสองด้าน
  วางแผนก่อนเดินทาง ลดการใช้พลังงานฟุ่มเฟือย
  ลดการใช้พลาสติกทุกชนิด ใช้ภาชนะและบรรจุภัณฑ์ที่ใช้ซ้ำได้
  ปลูกต้นไม้ลดคาร์บอนไดออกไซด์และเพิ่มออกซิเจนไปในตัว
  ปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิดเมื่อเลิกใช้และใช้งานเท่าที่จำเป็น
  บอกต่อกับคนที่คุณรู้จักให้ตระหนักถึงเรื่องเหล่านี้

picture credit: www.freewebs.com/save-our-globe/globalwarming.htm