การกระเจิง・การกระจายของแสง
การกระเจิงของแสง
ถ้าหากมีวัตถุกีดขวางอยู่ในเส้นทางเดินของแสงแล้ว แสงที่มีความยาวคลื่นสั้น (สีม่วง) จะสะท้อนกลับ แต่แสงที่มีความยาวคลื่นยาว(สีแดง) จะเดินทางผ่านไปได้ครับ แสงที่มีความยาวคลื่นปานกลาง(สีฟ้า) จะสะท้อนออกไปในทิศทางต่าง ๆ ครับ เรียกสิ่งนี้ว่า การกระเจิงของแสง ครับ (ในความเป็นจริงแล้วไม่ได้ง่ายแบบนี้ครับ สำหรับรายละเอียด ลองสืบค้นด้วยคำว่า 「การกระเจิงแบบเรเลห์ (Rayleigh scattering)」ดูนะครับ)
แสงจากดวงอาทิตย์มีทั้งแสงที่มีความยาวคลื่นยาวและแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นปนกันอยู่ครับ แสงสีแดงและแสงสีส้มที่มีความยาวคลื่นสัมพัทธ์ยาวกว่า จะเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศไปตรง ๆ ครับ แสงสีน้ำเงินและม่วงที่มีความยาวคลื่นสัมพัทธ์สั้นกว่า จะเกิดการกระเจิงออกเพราะโมเลกุลของไนโตรเจนและออกซิเจนในชั้นบรรยากาศครับ
ช่วงตอนเย็นของฮาวาย จะตรงกับช่วงกลางวันที่ประเทศญี่ปุ่นครับ แสงสีแดงจะเดินทางไปถึงผู้คนซึ่งกำลังดูพระอาทิตย์ตกที่ฮาวายอยู่มาก แสงสีน้ำเงินจะเดินทางไปถึงผู้คนที่ประเทศญี่ปุ่นอยู่มาก เพราะว่าสำหรับแสงอาทิตย์ที่มุ่งไปยังฮาวายชั้นบรรยากาศจะหนา สำหรับแสงอาทิตย์ที่มุ่งไปยังญี่ปุ่นชั้นบรรยากาศจะบางครับ
เหตุผลที่ มองเห็นท้องฟ้าในตอนเช้าและเย็นเป็นสีแดง และมองเห็นท้องฟ้าในตอนกลางวันเป็นสีฟ้า ก็เพราะหลักการแบบนี้ครับ
การกระจายของแสง
การกระจายของแสง
เรียกแสงที่มีเพียงสีเดียว เช่นแดงก็แดง ฟ้าก็ฟ้า (มีเพียง##ความยาวคลื่นเดียว) ว่า แสงเอกรงค์ ครับ ในทางตรงกันข้ามเรียกแสงที่มีความยาวคลื่นหลาย ๆ ช่วงปนกันอยู่ว่า แสงขาว ครับ เพราะว่า ปรากฏเป็นสีขาวในตาของมนุษย์ครับ
ถ้าพูดในทางกลับกัน หากว่าไม่ได้มีหลาย ๆ ความยาวคลื่นปนกันอยู่ มนุษย์ก็จะไม่รู้สึกว่า 「ขาว」 ครับ
ถ้าหากว่าฉายแสงขาวนี้ซึ่งประกอบไปด้วยแสงหลาย ๆ ความยาวคลื่นเข้าไปในปริซึมแก้วสามเหลี่ยม (Prism) แล้ว แสงจะถูกแยกออกเป็นสีต่าง ๆ เพราะการหักเหครับ แสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นสัมพันธ์ค่อนข้างยาวจะไม่ค่อยถูกหักเห แต่แสงสีฟ้าที่มีความยาวคลื่นสัมพัทธ์ค่อนข้างมากจะหักเหมากครับ เรียกสิ่งนี้ว่า การกระจายของแสง ครับ
แม้ว่าชนิดของสีจะไม่ได้ถูกแยกออกเป็น 7 กลุ่มแบบเป๊ะๆ แต่ก็ควรจะจดจำ ลำดับตามด้านล่างนี้เอาไว้นะครับ
<ความยาวคลื่นยาว>
แดง→
แสด→
เหลือง→
เขียว→
น้ำเงิน→
คราม→
ม่วง <ความยาวคลื่นสั้น>
หมายเหตุผู้แปล : ปกติจะจำกันว่า 「ม่วงครามน้ำเงินเขียวเหลืองแสดแดง」 ครับ
ในตัวกลางทั่วไปแล้ว ยิ่งความยาวคลื่นสั้นความเร็วแสงก็จะช้า
แม้ว่าความเร็วแสงในสุญญากาศจะถูกกำหนดไว้เป็น##ค่านั้นแล้วก็ตาม แต่สำหรับแสงที่ทะลุผ่านเข้าไปในวัตถุนั้น ความเร็วของแสงจะเปลี่ยนไปตามความยาวคลื่นครับ เมื่อรังสีแสงในช่วงที่มองเห็นได้ทะลุเข้าไปในวัตถุ โดยทั่วไปแล้ว แสงที่มีความยาวคลื่นสั้น (ความถี่สูง) จะมีความเร็วช้าลงครับ เหตุผลนั้นยากมากจนผมไม่สามารถอธิบายได้ครับ เรื่องประมาณว่า "สำหรับอะตอมที่จัดเรียงตัวและประกอบกันเป็นวัสดุต่าง ๆ เช่นแก้วนั้น คลื่นสีม่วงจะใกล้กับค่าความถี่ธรรมชาติ (Natural Frequency) ของอะตอมของแก้ว มากกว่าคลื่นสีแดง ทำให้ตั้งแต่คลื่นถูกดูดกลืนเข้าไปจนถึงถูกปล่อยกลับออกมากินเวลามากกว่า" ไปศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยนะครับ
การที่ความเร็วแสงต่ำหมายถึงค่าดัชนีหักเหสมบูรณ์มีค่ามากครับ และ การที่ความเร็วเปลี่ยนไปตามความยาวคลื่นนั้น ก็หมายถึง การที่ดัชนีหักเหสมบูรณ์มีค่าเปลี่ยนไปตามความยาวคลื่น นั่นเองครับ ถึงแม้ในตารางที่ได้แนะนำไปในบท##ดัชนีหักเหสมบูรณ์นั้น ผมได้เรียงค่าตัวเลขออกมาไว้อย่างชัดเจนแล้วก็ตาม แต่ว่าหาพูดแบบรัดกุมแล้ว มันเป็นค่าดัชนีที่วัดได้เมื่อใช้แสงความยาวคลื่น 589.3 nm เดินทางผ่านตัวกลางชนิดต่างๆ ครับ สำหรับแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 589.3 nm แล้ว (เนื่องจากความเร็วแสงต่ำลง) ค่าดัชนีก็จะมีค่ามากกว่าค่าที่ได้เรียงออกมาไว้นิดหน่อยครับ
คำอธิบายโดยใช้หลักการของฮอยเกนส์
ในแสงขาวนั้นประกอบไปด้วยแสงความยาวคลื่นต่าง ๆ เช่นสีแดง เขียว ม่วงเป็นต้น เมื่อตกกระทบที่ปริซึม ความเร็วก็จะแตกต่างไปตามความยาวคลื่น การที่ความเร็วแตกต่าง ก็หมายถึงดัชนีหักเหที่แตกต่าง พูดอย่างก็คือ ลักษณะการหักเหจะแตกต่างกันไปตามความยาวคลื่น ด้วยเหตุนี้แล้ว จึงเกิดการกระจายของแสงขึ้นครับ
จะลองอธิบายเรื่องนี้ดูโดยใช้หลักการของฮอยเกนส์ครับ
รูปด้านซ้าย เป็นรูปที่แสดงเอาไว้ในหัวข้อเรื่อง ##「การหักเหของคลื่น」 ครับ แม้ในหัวข้อนั้น จะได้อธิบายเอาไว้ว่า เมื่อมีตัวกลางสองชนิดวางซ้อนกันจะเกิดการหักเหขึ้นครับ
แต่ตอนนี้สิ่งที่อยากจะอธิบายก็คือ ความแตกต่างของมุมหักเหจาก ความแตกต่างในความยาวคลื่น (ความแตกต่างของสี) ครับ
ในสมการ##กฎการหักเห
\(\hspace{12pt}\large{\frac{\sin i}{\sin r}}=\large{\frac{v_{1}}{v_{2}}}\)
สำหรับคลื่นสีแดงคลื่นสีฟ้าและคลื่นสีม่วง ค่า \(v_{2}\) จะแตกต่างไป ความจริงแล้ว ค่า \(v_{2}\) นั้น แทนที่จะเป็น 「ค่าเฉพาะของตัวกลางที่ 2」 ควรจะเป็น 「ค่าเฉพาะ ของตัวกลางที่ 2 กับทุก ๆ ช่วงคลื่น」 มากกว่าครับ ขนาดของ \(r\) จึงแตกต่างกันไปครับ
ถ้าหากว่าตัวกลางที่ 1 เป็นอากาศ ทั้งคลื่นสีแดง คลื่นสีฟ้า และคลื่นสีม่วงก็จะเดินทางไปด้วยความเร็วเดียวกันครับ แต่หากว่าถ้า ตัวกลางที่ 2 เป็นวัสดุเช่นแก้ว ความเร็วของคลื่นสีแดงและคลื่นสีฟ้าและคลื่นสีม่วง จะแตกต่างกัน (ทันทีที่เกิดการหักเห) ดังนั้น มุมหักเหจึงแตกต่างกัน นั่นเองครับ สิ่งนี้คือการกระจายของแสงครับ
สเปกตรัม
เรียกแถบของสี
แดง
แสด
เหลือง
เขียว
น้ำเงิน
คราม
ม่วง
ที่เรียงตามความยาวคลื่นเอาไว้ตามรูปด้านขวาว่า สเปกตรัม ครับ
เรียกสเปกตรัมที่สีชนิดต่าง ๆ ต่อเนื่องกันไปว่า สเปกตรัมแบบต่อเนื่อง เป็นสเปกตรัมที่ได้จากแสงจากหลอดไส้และแสงจากดวงอาทิตย์ครับ
ทุกวันนี้หลอดไส้ (บางคนก็เรียกหลอดไส้ร้อนครับ) ไม่ถูกวางขายแล้ว น้อง ๆ ที่อายุน้อยอาจจะไม่รู้จักสิ่งนี้นะครับ ร้อนขนาดที่เมื่อสัมผัสแล้วจะเป็นแผลไหม้ได้ครับ
แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นจะไม่ใช่สเปกตรัมแบบต่อเนื่องแต่จะเป็นสเปกตรัมแบบเส้นครับ ให้ความสว่างที่รู้สึกแบบสังเคราะห์ครับ
หลอดLEDในช่วงต้น ก็เป็นสเปกตรัมแบบเส้นครับ แต่ว่าทุกวันนี้เป็นสเปกตรัมแบบต่อเนื่องครับ ให้ความสว่างแบบเป็นธรรมชาติครับ
ส่วนใหญ่ถูกปล่อยออกมาจากวัตถุร้อน
ในทางตรงกันข้าม สเปกตรัมของแสงที่ออกมาจากอะตอมไฮโดรเจนหรือโซเดียม จะเป็นลักษณะแบบเป็นเส้นละเอียด เรียกว่า สเปกตรัมแบบเส้น หรือ สเปกตรัมเส้นสว่าง ครับ เนื่องจากสิ่งนี้ถูกปลดปล่อยออกมาจากอะตอม บางทีก็เรียกว่า สเปกตรัมอะตอม ครับ
นอกจากนี้ ในแถบสเปกตรัมของแสงจากดวงอาทิตย์ มีเส้นมืด (บ้างก็เรียกว่าเส้นดูดกลืน) แทรกอยู่ตามจุดต่าง ๆ ครับ เรียกเส้นเหล่านี้ว่า เส้นฟรอนโฮเฟอร์ (Fraunhofer lines) ครับ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันในช่วงศตวรรษที่ 18 โยเซฟ ฟอน ฟรอนโฮเฟอร์ เป็นผู้ค้นพบครับ นี่เป็นเพราะว่า แสงอาทิตย์ในช่วงความยาวคลื่นพิเศษบางช่วง ถูกอะตอมของธาตุที่อยู่รอบ ๆ ดวงอาทิตย์ และ ออกซิเจนที่อยู่ในชั้นบรรยากาศของโลกดูดกลืนเข้าไปครับ เรียกว่า สเปกตรัมดูดกลืน ครับ สเปกตรัมของแสงดวงอาทิตย์เป็นทั้งสเปกตรัมแบบต่อเนื่องและเป็นสเปกตรัมแบบดูดกลืนด้วยครับ เราสามารถรู้ได้ว่า "บริเวณรอบ ๆ ดวงอาทิตย์นั้นมีธาตุใดอยู่บ้าง" ผ่านการศึกษาสเปกตรัมแบบดูดกลืนนี้ครับ
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น