แท่งเรืองแสง (Light Stick) ทำงานอย่างไร?

นับเป็นเวลากว่า 25 ปีมาแล้วที่แท่งเรืองแสงได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย กลายเป็นสินค้าหลักในเทศกาลฮัลโลวีน ผู้คนนิยมใช้มันเนื่องจากถือเล่นได้ ปลอดภัย และเปล่งแสงสดใสออกมาได้ นอกจากนี้ยังใช้กันมากสำหรับคอนเสิร์ต การดำน้ำ หรือผู้ที่ไปอยู่ค่าย มันเหมือนกับจะเป็นสิ่งมหัศจรรย์เหนือธรรมชาติ แต่จริง ๆ แล้วเทคโนโลยีของแท่งเรืองแสงนั้นสุดแสนจะธรรมดามาก แล้วมันมีหลักการทำงานอย่างไรล่ะ ถึงให้แสงไฟที่สว่างมากได้โดยไม่มีหลอดไฟหรือแบตเตอรี่เลย

แสงเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน ซึ่งถูกปลดปล่อยออกมาได้หลายวิธี กระบวนการที่ทำให้เกิดแสงมีดังนี้
•Incandescence – การปล่อยแสงออกมาเนื่องจากความร้อน (เช่น หลอดไฟฟ้า หรือตะเกียงก๊าซ)
•Fluorescence and phosphorescence - การเปล่งแสงออกมาเพื่อตอบสนองต่อพลังงานจากการแผ่รังสี (เช่น หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือโทรทัศน์)
•Laser - ความเข้มข้นในการปล่อยแสงโดยใช้พลังงานกระตุ้น

กระบวนการดังกล่าวทำงานบนพื้นฐานเดียวกัน โดยแหล่งพลังงานภายนอกจะกระตุ้นอะตอม ทำให้อะตอมปลดปล่อยอนุภาคของแสงขนาดเล็ก ๆ ออกมามากมาย เราเรียกอนุภาคเหล่านั้นว่า Photons แต่ถ้าเราเผาสิ่งของ พลังงานความร้อนจะทำุให้อะตอมที่อยู่ในวัตถุนั้นมีความเร็วเพิ่มขึ้น ซึ่งเมื่อแต่ละอะตอมมีความเร็วมาก ๆ จะทำให้เกิดการวิ่งชนกันเองด้วยแรงที่มีค่ามาก ถ้าอะตอมถูกกระตุ้นจนมากพอ การชนกันนี้จะถ่ายเทพลังงานระหว่างอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอม ทำให้อิเล็กตรอนนั้นเลื่อนขึ้นไปอยู่ในระดับชั้นพลังงานที่สูงกว่าชั่วคราว (ไกลออกไปจากนิวเคลียสของอะตอม) และเมื่อมันกลับลงมายังระดับชั้นพลังงานเดิม (ใกล้กับนิวเคลียส) มันจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงหรือโฟตอน (Photons)

แท่งเรืองแสงก็ใช้หลักการอย่างเดียวกัน แต่ว่าจะใช้ปฏิกิริยาเคมีเป็นตัวกระตุ้นอะตอมในวัตถุแทน แล้วก็จะทำให้เปล่งแสงออกมา ปฏิกิริยาเคมีนี้เกิดจากการผสมกันระหว่างสารประกอบทางเคมีหลายชนิด (สารประกอบ หรือ Compound เป็นสารที่เกิดจากอะตอมของธาตุหลายชนิดมาสร้างพันธะกันในโครงสร้างที่แข็งแรง เมื่อทำการผสมสารประกอบ 2 ชนิดหรือมากกว่านั้น อะตอมต่าง ๆ จะเกิดการจัดเรียงตัวเพื่อสร้างเป็นสารประกอบชนิดใหม่ได้ ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารนั้น ๆ จากปฏิกิริยาเหล่านี้จะสามารถคายพลังงานออกมา หรือดูดกลืนพลังงานก็ได้)

ปฏิกิริยาของสารประกอบที่แตกต่างกันในแท่งเรืองแสงจะทำให้เกิดการคายพลังงานออกมามากมาย คล้ายกับแสงที่เกิดจากหลอดไฟพลังงานความร้อน อะตอมจะถูกกระตุ้น ทำให้อิเล็กตรอนของมันเพิ่มระดับพลังงานและกลับลงมาที่ระดับเดิม ในขณะที่กลับลงมานี้จะปล่อยพลังงานในรูปแสงด้วย ซึ่งเรียกกระบวนการนี้ว่า chemiluminesence

ซึ่งปฏิกิริยาในแท่งเรืองแสงจะเกิดขึ้นหลายขั้นตอนด้วยกัน ปกติแล้วในแท่งเรืองแสงจะบรรจุสารละลาย hydrogen peroxide และสารละลายที่มี phenyl oxalate ester รวมกับ fluorescent dye จะเห็นว่ามีสารละลาย 2 ระบบที่อยู่รวมกัน ขั้นตอนของการเกิดแสงมีดังนี้

1.สาร peroxyacid ester ที่ไม่เสถียรจะสลายตัว เป็นผลให้เกิดการรวมตัวของ phenol และ สารประกอบ peroxy แบบวงแหวน
2.สารประกอบ peroxy แบบวงแหวนสลายตัวได้คาร์บอนไดออกไซด์
3.การสลายตัวนี้จะคายพลังงานให้กับ fluotescent
4.อิเล็กตรอนใน dye จะกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น และเมื่อตกกลับมาที่ระดับเดิม ก็จะคายพลังงานออกมาเป็นแสงสว่าง

แท่งเรืองแสงเป็นเพียงพลาสติกที่ใช้บรรจุสารละลาย 2 ประเภทที่ใช้ในปฏิกิริยาซึ่งมีความจำเป็นมาก เนื่องจากนี่เป็นการทดลองทางเคมีที่เคลื่อนย้ายด้วยมือได้เลยทีเดียว ต่อไปจะมาดูว่าการงอแท่งเรืองแสง ทำให้เกิดปฏิกิริยาได้อย่างไร

แท่งเรืองแสงเป็นที่บรรจุสารเคมี 2 ชนิด ที่จะเปล่งแสงออกมาเมื่อสารนั้นมารวมตัวกัน ก่อนที่จะเกิดการเรืองแสงขึ้น ต้องทำการกระตุ้นก่อน เนื่องจากสารทั้ง 2 แยกกันอยู่ใน โดยสารละลาย hydrogen peroxide หรือ ตัวกระตุ้น (Activator) จะอยู่ในกระเปาะแก้วขนาดเล็กที่บางและเปราะที่อยู่แกนกลาง ส่วนสารละลายที่มี phenyl oxalate ester รวมกับ fluorescent dye จะอยู่ในแท่งพลาสติกที่ห่อหุ้มรอบ ๆ แท่งแก้วอีกที

เมื่องอแท่งพลาสติก กระเปาะแก้วจะถูกหักออก การผสมของสารทั้ง 2 ชนิดเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แสงจะถูกปล่อยออกมา จากสีเฉพาะที่ใช้ในสารละลายเคมีนี้ ทำให้แสงที่เปล่งออกมามีสีที่โดดเด่นและสว่างมาก ซึ่งขึ้นอยู่กับสารที่ใช้ ปฏิกิริยานี้อาจเกิดในเวลาเพียงไม่กี่นาทีหรืออาจจะหลายชั่วโมงเลยทีเดียว

ถ้าให้ความร้อนแก่สารละลาย พลังงานที่มากเกินไปจะเร่งปฏิกิริยา และแท่งเรืองแสงจะสว่างมากยิ่งขึ้น แต่ก็ทำได้แค่ช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น แต่ถ้านำแท่งเรืองแสงไปแช่แย็น ปฏิกิริยาจะเกิดช้าลง และแสงสว่างก็จะมัวลง ถ้าต้องการให้แท่งเรืองแสงคงความสว่างไว้ดังเดิมในวันต่อไป ควรจะนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง ซึ่งอาจจะไม่ช่วยหยุดปฏิกิริยา แต่ช่วยชลอการเสื่อมของปฏิกิริยาได้ดีที่สุด

แท่งเรืองแสงเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการใช้ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ที่เรียกว่า ลูมิเนสเซนส์ (Luminescence) ซึ่งถ้าจะทำความเข้าใจง่าย ๆ ก็คือ การปล่อยแสงโดยไม่ได้มีความร้อนมาเกี่ยวข้องนั่นเอง ตามปกติลูมิเนสเซนส์จะใช้กับโทรทัศน์, หลอดไฟนีออน และสติกเกอร์ที่เรืองแสงในความมืดได้ (glow-in-the-dark) ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับหิ่งห้อยที่เรืองแสงใช้



ที่มา http://science.howstuffworks.com/light-stick.htm





จากรูป เมื่อทำการงอแท่งเรืองแสงกระเปาะแก้วตรงกลางจะแตกออก แล้วสารทั้ง 2 ประเภทจะไหลเข้าหากัน และเกิดปฏิกิริยาเคมีทำให้ fluorescent dye เปล่งแสง