แสงและการเปล่งแสง

แสง (light) คือ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น (visible light) หรืออาจรวมถึงช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ แสงอินฟราเรด (infrared, IR) ถึงแสงอัลตราไวโอเลต (ultraviolet, UV) โดยคุณสมบัติพื้นฐานของแสง ได้แก่ 1) ความเข้มของแสงหรือแอมพลิจูดของคลื่น แสดงอยู่ในรูปความสว่างของแสง และ 2) ความถี่ (หรือความยาวคลื่น แสดงอยู่ในรูปสีของแสง) ฯลฯ เปล่งแสง

การเปล่งแสง (luminescence) หมายถึง การที่วัตถุหรือสิ่งมีชีวิตใดๆ สามารถปลดปล่อยแสงออกมา อันเนื่องมาจากได้รับการกระตุ้นด้วยปัจจัยกระตุ้นแบบต่างๆ เช่น การกระตุ้นทางเคมี ความร้อน หรือแม้กระทั่่งการกระตุ้นด้วยแสง ซึ่งในธรรมชาติไม่เฉพาะแร่ธาตุหรือวัตถุต่างๆ เท่านั้นที่สามารถแสดงพฤติกรรมการเปล่งแสงได้ สิ่งมีชีวิตหลายชนิดก็สามารถเปล่งแสงได้เช่นกัน เช่น หิงห้อย ปลาบางชนิด พืช โดยปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้จำแนกการเปล่งแสงแบ่งออกได้หลายชนิด ตามชนิดของตัวกระตุ้นหรือตามกลไกการเปล่งแสง

1) แบ่งโดยใช้ตัวกระตุ้นให้เกิดการเปล่งแสงเป็นเกณฑ์

• ไพโซลูมิเนสเซนต์ (piezoluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยความดัน
• เรดิโอลูมิเนสเซนต์ (radioluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยอนุภาคพลังงานสูงหรือกัมมันตภาพรังสีจากธาตุกัมมันตรังสี เช่น ยูเรเนียม ทอเรียม หรือ โปแตสเซียม เป็นต้น
• เคมีลูมิเนสเซนต์ (chemiluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยปฏิกิริยาทางเคมีทั้งจากในสสารต่างๆ หรือในสิ่งมีชีวิต
• อิเล็กโตรลูมิเนสเซนต์ (Electroluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยการปลดปล่อยของประจุ
• ไตรโบลูมิเนสเซนต์ (triboluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยการขัดสี ของผลึกซึ่งทำให้เกิดแรงเสียดทานขึ้นจากการขัดสี
• โซโนลูมิเนสเซนต์ (sonoluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยคลื่นเสียง
• คาโทโดลูมิเนสเซนต์ (cathodololuminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยอนุภาคเบตาหรืออิเล็กตรอน ในสภาวะแวดล้อมแบบสุญญากาศ โดยทั่วไปมักใช้ในงานศึกษาวิจัยด้านธรณีวิทยาเกี่ยวกับแร่วิทยา โดยเฉพาะการศึกษาองค์ประกอบของโดโลไมต์
• โฟโต้ลูมิเนสเซนต์ (photoluminescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากวิธี OSL เช่น แสง UV
• เทอร์โมลูมิเนสเซนต์ (thermoluminecence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยความร้อน

2) แบ่งโดยใช้กลไกการเปล่งแสงเป็นเกณฑ์

• ฟลูออเรสเซนต์ (fluorescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่อยู่ใน ระดับพลังงานพื้นฐาน (ground state) ถูกกระตุ้น ทำให้อิเล็กตรอนกระโดดขึ้นไปถึง ระดับพลังงานกระตุ้น (excited state) จากนั้นอิเล็กตรอนพยายามลดพลังงานกลับคืนสู่สภาวะพื้นฐานตามเดิมเพื่อให้ตัวอิเล็กตรอนเองอยู่ในสภาวะเสถียร จึงปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปการเปล่งแสง
• โฟโต้เรสเซนต์ (phosphorescence) คือ การเปล่งแสงที่เกิดขึ้นจากอิเล็กตรอนที่อยู่ใน ระดับพลังงานกระตุ้นกึ่งเสถียร (meta state) ถูกกระตุ้นไปยัง ระดับพลังงานกระตุ้น (excited state) และพยายามลดพลังงานกลับมาที่ระดับพลังงานพื้นฐาน (ground state) ซึ่งเป็นระดับพลังงานที่เสถียรและปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของการเปล่งแสงเช่นกัน

หลักการเปล่งแสงของแร่

การเปล่งแสงของแร่ซึ่งมีสถานะเป็นของแข็ง เป็นแบบ โฟโต้เรสเซนต์ (phosphorescence) อธิบายได้ในรูปของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการกักเก็บอิเล็กตรอน ซึ่งในทางทฤษฎี ผลึกแร่ที่สมบูรณ์จะประกอบด้วยโครงข่ายผลึกของประจุลบและประจุบวกที่ยึดเหนี่ยวกันอยู่อย่างสมดุล (รูป 1) อย่างไรก็ตาม ผลึกแร่ในธรรมชาติ โดยเฉพาะแร่ประกอบหิน โดยส่วนใหญ่มีความบกพร่องเนื่องจากหลายกรณี (รูป 2) เช่น การแทนที่โดยประจุของธาตุมลทินหรือการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของลาวากลายเป็นหิน ซึ่งความบกพร่องดังกล่าว ได้แก่ ประจุลบหายไปจากตำแหน่งที่ควรอยู่หรือประจุลบแทรกอยู่ระหว่างกลางโครงข่ายผลึก เป็นต้น ทำให้โครงข่ายผลึกของแร่มีตำแหน่งของประจุลบบางตำแหน่งไม่พบประจุลบ ซึ่งในตำแหน่งดังกล่าวจะประพฤติตัวเป็น หลุมกักเก็บอิเล็กตรอน (electron trap) ซึ่งอยู่ใน ระดับพลังงานกระตุ้นกึ่งเสถียร (meta state) และเป็นจุดดึงดูดอิเล็กตรอนอื่นๆ ที่กระจายตัวอยู่บริเวณรอบข้างให้เข้ามาฝังตัว (รูป 3)

จากนั้นเมื่อแร่ได้รับการกระตุ้นจากพลังงานจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบ เช่น พลังงานจากการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในธรรมชาติ เช่น ธาตุยูเรเนียม ทอเรียม และธาตุโปแตสเซียม อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นและเข้าไปฝังอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน ซึ่งเมื่อแร่ถูกกระตุ้นอีกครั้งด้วยพลังงานรูปแบบต่างๆ เช่น ความร้อนหรือแสง (รูป 4) อิเล็กตรอนที่อยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนสามารถหลุดออกมาจากหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนและเปล่งแสง

มุมมองระดับพลังงานของการเปล่งแสง

นอกจากการอธิบายหลักการการเปล่งแสงโดยใช้แบบจำลองอย่างง่ายดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น การเปล่งแสงของแร่สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ได้ดังนี้

1. ผลึกแร่ไม่สมบูรณ์ (defected mineral) จะประกอบไปด้วย หลุมกักเก็บอิเล็กตรอน (electron trap) และ ศูนย์กลางการเปล่งแสง (luminescence centers) (หมายเลข 2 และ 4 ของรูปด้านบน) ซึ่งหลุมกักเก็บนี้จะมีระดับพลังงานอยู่ใน ระดับพลังานพื้นฐาน (ground state หรือ valence band) ซึ่งเป็นชั้นที่มีความเสถียรสูง และ ระดับพลังงานกระตุ้น (excited state หรือ conduction band) ซึ่งเป็นสภาวะที่ไม่เสถียร
2. ขั้นการแผ่รังสี (irradiation) เกิดจากอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากตัวแปรต่างๆ เช่น การแผ่กัมมันตภาพรังสีจากธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ ทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นขึ้นไปในสถานะกระตุ้นและเกิดการกักเก็บอิเล็กตรอนไว้ในหลุมกักเก็บ
3. ขั้นการกักเก็บ (storage) โดยที่ระดับความลึกของหลุมกักเก็บนั้นต้องมีพลังงานมากกว่าหรือลึกเพียพอสำหรับการกักเก็บอิเล็กตรอน ซึ่งจำนวนของอิเล็กตรอนในหลุมกักเก็บมีความสัมพันธ์กับอายุของตัวอย่าง ส่วนการเล็ดลอดของอิเล็กตรอนออกจากหลุมกักเก็บในช่วงเวลาการกักเก็บนั้นเกิดขึ้นน้อยมาก จึงไม่นำมาพิจารณา
4. ขั้นการกระตุ้น (activation) โดยเมื่อมีการกระตุ้นด้วยพลังงานในรูปแบบต่างๆ อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นและหลุดออกจากหลุมกักเก็บ ซึ่งหลังจากอิเล็กตรอนถูกขับไล่ออกมา จะเกิดกระบวนการรวมตัวใหม่ (recombination) ที่บริเวณศูนย์กลางการเปล่งแสง (luminescence center) และมีการเปล่งแสงเกิดขึ้น

ดังนั้น หากนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดจำนวนอิเล็กตรอนที่ฝังตัวอยู่ในหลุมกักเก็บได้ และสามรถการประเมินอัตราการแผ่รังสีต่อปี ของสิ่งแวดล้อมรอบข้าง ที่เป็นตัวกระตุ้นให้อิเล็กตรอนเข้าไปเติมเต็มในหลุมกักเก็บได้ ก็สามารถหาอายุของตัวอย่างหรือวัตถุนั้นๆ ได้ จากสมการความสัมพันธ์ของการหาอายุด้วยวิธี TL คือ

อายุวัตถุ = Equivalent Dose/Annual Dose หรือ ED/AD

กำหนดให้

• Paleodose หรือ Equivalent Dose (PE หรือ ED) คือ ค่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน อันเนื่องมาจากการกระตุ้นจากการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีในบริเวณรอบข้าง มีหน่วยเป็น เกรย์ (Gy)
• Annual dose (AD) คือ อัตราการแผ่รังสีต่อปีของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในบริเวณรอบข้าง ซึ่งธาตุกัมมันตรังสีที่สำคัญ ได้แก่ ยูเรเนียม (U) ทอเรียม (Th) และ โปแตสเซียม (K) รวมทั้งรังสีคอสมิก (cosmic ray) จากชั้นบรรยากาศ ซึ่งมีผลแค่เล็กน้อยเท่านั้น โดย AD มีหน่วยเป็น เกรย์ต่อปี (Gy/year)

โดยผลจากการการประเมินรของสองค่านี้และนำไปใส่ตามสมการ จะทำให้ได้ผลลัพธ์ในหน่วยปี และเป็นอายุนับตั้งแต่แร่นั้นได้รับความร้อนครั้งล่าสุดทำให้ลบล้างสัญญาณจนหมด (ในกรณีวัตถุหรือตัวอย่างถูกเผาหรือได้รับความร้อนมา) หรือ เป็นอายุนับตั้งแต่ตะกอนสะสมตัวครั้งสุดท้ายจนถึงปัจจุบัน ในกรณีที่ตะกอนนั้นผ่านกระบวนการพัดพา (transportation) และถูกอาบแดดมา

ปัจจุบันเทคนิคที่นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นขึ้นมาเพื่อตรวจวัดการเปล่งแสงและหาอายุแร่หรือหิน ที่นิยมใช้มีอยู่ 2 รูปแบบ ได้แก่ 1) การกระตุ้นตัวอย่างแร่ด้วยความร้อนและตรวจวัดการเปล่งแสง เรียกว่า การหาอายุด้วยวิธีการเปล่งแสง (Thermoluminescence, TL dating) และ 2) การกระตุ้นการเปล่งแสงด้วยแสงช่วงความถี่เฉพาะ เรียกว่า การหาอายุด้วยวิธีกระตุ้นด้วยแสง (Optically Stimulated Luminescence, OSL dating)

ประยุกต์หาอายุวัสดุที่เคยผ่านความร้อนมา

การประยุกต์หลักการเปล่งแสงกับการหาอายุแร่และหิน เช่น หินอัคนีหรือหินแปร เริ่มต้นจากแร่เดิมนั้นมีการสะสมอิเล็กตรอนอยู่ตลอดเวลาด้วยอัตราที่คงที่ ตามอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ ซึ่งหากแร่ได้รับความร้อนประมาณ 300-500 องศาเซลเซียส (Feathers, 2002) เช่น ลาวาที่กลายเป็นหินอัคนี หินเดิมที่ถูกแปรสภาพด้วยความดันและอุณหภูมิสูง แร่เดิมซึ่งเคยมีอิเล็กตรอนสะสมตัวอยู่จะถูกขับออกจากหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนจนหมด จากนั้นแร่จึงเริ่มต้นสะสมอิเล็กตรอนใหม่อีกครั้ง จนถึงวันที่นำตัวอย่างมาตรวจวัดจำนวนอิเล็กตรอนด้วยการตรวจวัดการเปล่งแสง จำนวนอิเล็กตรอนที่ได้จึงเทียบเคียงได้กับจำนวนอิเล็กตรอนที่สะสมตัว ตั้งแต่แร่นั้นได้รับความร้อนครั้งสุดท้ายจนถึงวันที่นำตัวอย่างแร่หรือหินนั้นมาตรวจวัดการเปล่งแสง

ประยุกต์หาอายุการสะสมตัวของตะกอน

ส่วนในกรณีการหาอายุการสะสมตัวของตะกอน จะมีข้อแตกต่างเล็กน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับการหาอายุแร่หรือวัตถุที่ได้รับความร้อน โดยกระบวนการเริ่มต้นจากหินหรือตะกอนเดิมมีการสะสมตัวของอิเล็กตรอน จนกระทั่งหินหรือตะกอนเหล่านั้นถูกปัจจัยทางธรณีวิทยาต่างๆ เช่น น้ำ ลม ฯลฯ กัดกร่อนและเกิดการผุพัง (weathering) เป็นเม็ดตะกอน

จากนั้นตะกอนเกิดการพัดพา (transportation) จากแหล่งกำเนิดตะกอนลงสู่แหล่งสะสมตะกอน ซึ่งในระหว่างช่วงเวลาของการพัดพา อิเล็กตรอนจะถูกผลักออกจากหลุมกักเก็บเนื่องจากเม็ดตะกอนสัมผัสกับแสงอาทิตย์ และเริ่มต้นสะสมจำนวนอิเล็กตรอนใหม่อีกครั้ง โดยมีเม็ดตะกอนชั้นบนที่ปิดทับเป็นตัวป้องกันแสงอาทิตย์ ดังนั้นเมื่อนำตัวอย่างตะกอนมาวิเคราะห์การเปล่งแสง จำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในผลึกแร่ของตะกอนจึงเทียบเคียงได้กับจำนวนอิเล็กตรอนที่สะสมตัวตั้งแต่แร่หรือตะกอนเม็ดนั้นสะสมตัวในครั้งสุดท้าย จนถึงวันที่นำตัวอย่างแร่หรือหินนั้นมาตรวจวัดการเปล่งแสง

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth