เรียนรู้หลักฟิสิกส์จากเลเซอร์
ขวัญ อารยะธนิตกุล,รัชภาคย์ จิตต์อารี, เชิญโชค ศรขวัญ และ นฤมล เอมะรัตต์

บทนำ

เรื่องราวเกี่ยวกับเลเซอร์เหมือนว่าจะกลายเป็นเรื่องของเทคโนโลยีไปแล้ว ไม่มีฟิสิกส์ใหม่ ๆ ให้ตื่นเต้น แต่ทุกครั้งที่มาพิจารณา ก็เห็นว่าประกอบไปด้วยฟิสิกส์อย่างมากมาย แสงเลเซอร์มีลักษณะที่พิเศษต่างไปจากแสงแหล่งอื่นหลายประการ การทำความเข้าใจในฟิสิกส์ของเลเซอร์ นับเป็นโอกาสอันดี ที่จะได้มองภาพของฟิสิกส์ จากแง่มุมของเทคโนโลยีที่สำคัญอันหนึ่งของศตวรรษที่ 21 และการเข้าใจในฟิสิกส์ของเลเซอร์ จะเป็นกลไกสำคัญอันหนึ่ง ที่ทำให้เราสามารถนำเลเซอร์ไปใช้งานให้เกิดประโยชน์ได้อย่างเต็มที่

เลเซอร์คืออะไร?

หลายคนนิยมที่จะเริ่มเรื่องเลเซอร์ด้วยชื่อเต็มของมัน คำว่าเลเซอร์ มาจากภาษาอังกฤษว่า L.A.S.E.R. ซึ่งย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ถ้าแปลเป็นภาษาไทยตามตัวเลย จะได้ว่า “การขยายแสงโดยการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้น” คำว่าการขยายแสงก็คือ การเพิ่มจำนวนของโฟตอน หรืออาจจะหมายถึงการเพิ่มความเข้มแสงให้มากขึ้นก็ได้ ส่วนคำว่า Emission of Radiation ก็คือการปล่อยแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง และมักจะเรียกสั้น ๆ ว่า Emission ส่วนคำว่า Stimulated ที่ขยายอยู่ด้านหน้า ของ Emission ก็บ่งว่าเป็นการปล่อยแสงแบบที่ถูกกระตุ้น ซึ่งแตกต่างจากคำที่หลาย ๆ คนรู้จักคือการปล่อยแสงแบบที่เกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission)

ถ้าจะมองเลเซอร์ด้วยมุมมองของฟิสิกส์ ก็คงจะหนีไม้พ้นการอธิบายคำต่างๆ เหล่านี้ เราจะเริ่มต้นด้วยการดูดกลืนแสงของอะตอมหรือสสาร เราทราบดีว่า กระบวนการที่อะตอมดูดกลืนแสง (Absorption) นั้นหมายถึง การที่อะตอมรับพลังงานจากโฟตอน แล้วทำให้อะตอมมีพลังงานสูงขึ้น โดยปกติอะตอมจะอยู่ที่สถานะพื้น (Ground State) และเมื่อมีพลังงานสูงขึ้น เราก็เรียกว่าอะตอมอยู่ในสถานะเร้า (Excited State) จะขอยกตัวอย่าง เช่น ถ้าอะตอมที่สถานะพื้น มีพลังงาน 1.0 eV และอะตอมที่สถานะเร้า มีพลังงาน 4.0 eV ก็แสดงว่าอะตอม จะต้องได้รัยพลังงานจากโฟตอน 4.0.-1.0 = 3.0 eV ซึ่งเป็นไปตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน แต่เนื่องจากพลังงานของโฟตอน ไม่สามารถแบ่งเป็นส่วนๆ ออกมาให้อะตอมได้ จึงต้องใช้โฟตอนที่มีพลังงาน 3.0 eV พอดี ซึ่งก็คือโฟตอนที่มีความยาวคลื่น 313 nm

ย้อนกลับมาพูดถึงอะตอมที่อยู่สถานะเร้า มันก็จะพยายามที่จะลดพลังงานลง เพื่อจะกลับมาอยู่ในระดับชั้นพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งสามารถกระทำได้หลายวิธี เช่น ชนกับอะตอมอื่น แล้วถ่ายเทพลังงานให้ไป หรือปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง ซึ่งการปล่อยแสงออกมา ก็กระทำได้สองวิธี คือ การปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง และการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้น โดยการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเองนี้ ก็คือ กระบวนการปล่อยแสงที่เราเห็นทั่วไป เช่น แสงจากหลอดไฟ แสงจากดวงอาทิตย์ แสงจากการเผาไหม้ โดยแสงที่ปล่อยออกมา จะมีทิศทางที่ไม่แน่นอน และก็มีหลายความยาวคลื่น กระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะเร้า ช่วงเวลาหนึ่งก็จะตกลงมายังสถานะพื้น เราเรียกช่วงเวลานี้ว่า Lifetime กระบวนการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง รวมกับการดูดกลืนแสง คือ สองกระบวนการเกี่ยวข้องกับแสง ที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตได้มานานแล้ว ส่วนการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้น ได้ถูกเสนอโดยไอสไตน์ในปี ค.ศ. 1917 โดยไอส์ไตน์เสนอว่า ก่อนที่อะตอมที่อยู่ที่สถานะเร้า จะกลับมาที่สถานะพื้น โดยการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง ถ้าหากมีโฟตอนพลังงานเท่ากับช่วงต่างของพลังงาน ระหว่างสถานะเร้ากับสถานะพื้นเข้ามา อะตอมมีโอกาสที่จะกลับมาสู่สถานะพื้น โดยการกระตุ้นของโฟตอนที่เข้ามานี้ และอะตอมที่จะปล่อยโฟตอนออกมาตัวหนึ่งซึ่งมีลักษณะเหมือนกับโฟตอนที่เข้ามาทุกประการ คือ มีความยาวคลื่นเท่ากัน ทิศทางเดียวกัน เฟสเดียวกัน และโพลาไรเซชันเดียวกัน

คำถามที่มักพบบ่อยคือเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะเร้า แล้วมีโฟตอนเข้ามา ทำไมอะตอมถึงไม่รับโฟตอนแล้วขึ้นไปสถานะที่สูงกว่านั้น คำตอบก็คือ มันมีโอกาสเป็นไปได้ ที่อะตอมจะรับโฟตอนแล้วขึ้นไปสถานะที่สูงกว่า ซึ่งโอกาสจะมากหรือน้อย ก็ขึ้นอยู่กับว่ามันมีสถานะเร้าอันอื่น ที่ตรงกับพลังงานใหม่ของมันหลังจากที่อะตอมรับพลังงานจากโฟตอนมาแล้วหรือไม่ แต่ไม่ว่ามันจะมีโอกาสเกิดขึ้นมากแค่ไหน มันก็เป็นกระบวนการที่เรายังไม่สนใจในตอนนี้ เราจะสนใจเฉพาะการที่มันมีโฟตอนเข้ามา แล้วทำให้อะตอมปล่อยโฟตอนออกมาอีกตัวหนึ่งเท่านั้น นอกจากนี้ถ้าพิจารณาว่า เราไม่ได้มีอะตอมแค่อะตอมเดียว โฟตอนที่เข้ามาก็อาจจะถูกดูดกลืนโดยอะตอมอื่น ๆ ที่อยู่ที่สถานะพื้นก็ได้

การปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้นนี้ ถ้าพิจารณาในแง่ของ Input และ Output จะเห็นว่ามีโฟตอนเข้ามาหนึ่งตัว แต่ออกไปสองตัว นั้นคือ กระบวนการนี้ มีการเพิ่มจำนวนโฟตอน (Light Amplification) ดังนั้น กระบวนการนี้จึงสำคัญมากสำหรับเลเซอร์ เพราะเลเซอร์ที่เราเห็นความเข้มสูงๆ ก็เกิดจากการเพิ่มความเข้มแสง โดยกระบวนการนี้ ซึ่งเราจะได้พิจารณาต่อไปว่า ทำไมต้องใช้เวลาถึง 40 ปี หลังจากที่ไอสไตน์ได้เสนอแนวคิด เรื่องการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถประดิษฐ์เลเซอร์เครื่องแรกของโลกได้สำเร็จ การทำให้เกิดปล่อยแสงแบบกระตุ้น มันมีความยากที่ตรงไหน

ความเข้าใจผิดบางประการ
หลายคนมักใช้คำว่า อิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพิ่ม แล้วเปลี่ยนจากสถานะพื้น ไปยังสถานะเร้าซึ่งความจริงแล้ว ระดับชั้นพลังงานที่เราพูดถึง เช่น สถานะพื้นของไฮโดรเจนมีค่า +13.6 eV นั้น เป็นระดับพลังงานของอะตอมไม่ใช้อิเล็กตรอน แม้ว่าจะไม่ผิด ที่จะบอกว่าเมื่ออะตอมมีพลังงานสูงขึ้น ก็ทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงขึ้น ที่กล่าวว่าผิดและไม่ควรใช้อิเล็กตรอน ด้วยเหตุผลสองประการ ประการแรก อะตอมโดยทั่วไปมีอิเล็กตรอนหลายตัว และเมื่อเราใช้คำว่า อิเล็กตรอนเปลี่ยนชั้นพลังงาน เราจะหมายถึงอิเล็กตรอนตัวไหน จะตอบว่าตัวนอกสุด (Valence Electron) ก็ไม่เป็นจริงเสมอไป ประการที่สองที่ได้กล่าวมาแล้วก็คือ พลังงานที่เรากล่าวถึง ไม่ใช่พลังงานของอิเล็กตรอน แต่เป็นพลังงานของอะตอม ตัวอย่างเช่น ค่าพลังงาน +13.6 eV ของไฮโดรเจน จะหมายถึงพลังงานรวมของอะตอมของไฮโดรเจน ที่ประกอบด้วย พลังงานจลน์และพลังงานศักย์

ซึ่งพลังงานจลน์จะประกอบด้วยพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนและพลังงานจลน์ของโปรตอน ซึ่งก็ถูกถ้าจะมีใครบอกว่า พลังงานจลน์ของโปรตอนประมาณว่าเป็นศูนย์ เพราะมีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนมาก และแทบจะไม่เคลื่อนที่ นั่นคือพลังงานจลน์เป็นของอิเล็กตรอนแทบจะทั้งหมด ส่วนพลังงานศักย์ซึ่งก็คือพลังงานศักย์ไฟฟ้านั้น ไม่ใช่พลังงานศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กตรอน หรือ พลังงานศักย์ไฟฟ้าของโปรตอน การพูดถึงพลังงานศักย์ของอนุภาค แต่ละตัวถ้าวิเคราะห์จริง จะไม่มีความหมายเลย เราจะต้องพูดว่า เป็นพลังงานศักย์ของระบบโปรตอนกับอิเล็กตรอน เพราะถ้ามีแต่อิเล็กตรอนไม่มีโปรตอนก็ไม่มีพลังงานศักย์ไฟฟ้า เช่นเดียวกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง Ep = mgh เราอาจจะบอกว่าเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุ แต่ต้องเข้าใจว่า เป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงของระบบโลกกับวัตถุ เพราะถ้าไม่มีโลกก็ไม่มีพลังงานศักย์โน้มถ่วงนี้ แม้ว่ายังจะมีวัตถุอยู่ที่เดิมก็ตาม

พลังงานศักย์ไฟฟ้าของระบบโปรตอนกับอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนนั้น มีค่าเป็น
–27.2eV (ควรจะสังเกตว่า 27.2 เป็นสองเท่าของ 13.6) ซึ่งจะมีค่าเป็นเท่าใดนั่นขึ้นกับการกำหนดตำแหน่งอ้างอิง ที่ให้พลังงานศักย์เป็นศูนย์ และเรานิยมที่จะกำหนดให้ค่าออกมาเป็นลบ เพื่อแสดงถึงการยึดเหนี่ยวกันระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอน ส่วนพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนนั้นมีค่าเป็น +13.6eV (ใส่เครื่องหมายบวกเพื่อเน้นให้เห็นถึงค่าที่เป็นบวก เพราะพลังงานจลน์ติดลบไม่ได้) และเมื่อเราคำนวณพลังงานรวมจึงได้เป็น –27.2 + 13.6 = -13.6 eV
จะเห็นได้ว่า จากหลักการของการเกิดเลเซอร์เบื้องต้นนี้ เราสามารถนำมาสอนให้นักเรียนนักศึกษามีความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับเรื่องของอิเล็กตรอนในอะตอม และโครงสร้างอะตอมได้อย่างเห็นภาพชัดเจนขึ้น