ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเเสง

เนื้อเรื่อง

                แสง คือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย คุณสมบัติพื้นฐานของแสง (และของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงคลื่น)

                ก่อนศตวรรษที่ 17 การศึกษาเรื่องแสงเชื่อกันว่า แสงเป็นอนุภาคที่ถูกส่งออกมาจากต้นกำเนิดแสง แสงสามารถผ่านทะลุวัตถุโปร่งใสและสะท้อนจากผิวของวัตถุทึบแสงได้ เมื่ออนุภาคเหล่านี้ผ่านเข้าสู่ตาจะทำให้เกิดความรู้สึกในการมองเห็น

นิวตัน (Newton) ได้เสนอทฤษฎีอนุภาคของแสง (particle theory) ซึ่งสามารถนำไปใช้อธิบาย ปรากฏการณ์สะท้อนและการหักเหของแสง

ฮอยเกนส์ ( Christain Huygen) ได้เสนอทฤษฏีเกี่ยวกับคลื่นแสง (Waves Theory) กล่าวว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเดินทางในลักษณะของคลื่น นอกจากนี้ยังได้แสดงให้เห็นว่า กฎการสะท้อน และการหักเหสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีคลื่นแสง

ทอมัส ยัง (Thomas Young) ได้ค้นพบปรากฏการณ์การแทรกสอดของแสง

เฟรสเนล (Augustin Fresnel) ได้ทำการทดลอง เกี่ยวกับการ แทรกสอด และการเลี้ยวเบนของแสง

      แสงช่วงที่ตาสามารถ มองเห็นมีค่าอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร และมีความถี่อยู่ในช่วง 103-105 เฮิรตซ์ โดยแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด หรือ ความถี่สูงสุด ส่วนแสงสีอื่น ๆ ให้สเปคตรัมของแสงในช่วงนี้ก็มีความยาวคลื่นสูงขึ้นตามลำดับ จนถึงแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุดหรือมีความถี่ต่ำที่สุด

 

คลื่นที่มีความถี่ต่ำกว่าแสงสีแดงเรียกว่า “อินฟราเรด” (infrared) ส่วนคลื่นที่มีความถี่สูงกว่าแสงสีม่วงเรียกว่า “อัลตราไวโอเลต” (Ultraviolet)

1. การส่องสว่างและการเปรียบเทียบความเข้มแสง

แสงเป็นพลังงาน สามารถทำให้เกิดความสว่างบนผิววัตถุ โดยปริมาณการส่องสว่างของแสงมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับ

ก.       ความเข้มแสงของแหล่งกำเนิด

ข.       ระยะทางจากแหล่งกำเนิดแสงกับพื้นที่ที่แสงตกกระทบ

ค.       มุมตกกระทบของรังสีแสง

ความสว่าง (Illuminance) ของผิวใด ๆ หมายถึงค่าความสว่างที่ตกบนพื้นที่ผิวต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ ถ้าพิจารณาผิวที่อยู่ห่างจากหลอดไฟที่มีกำลังส่องสว่าง 1 แคลเดลลา เป็นระยะทาง 1 เมตร ความเข้มแห่งการส่องสว่างจะมีค่า 1 ลักซ์(lux) โดยความเข้มแห่งการส่องสว่างจะแปรผกผันกับระยะทางกำลังสอง

ให้      E คือความสว่าง (lux)

I คือกำลังส่องสว่าง (แคนเดลลา,cd) โดยที่ I = , P แทนกำลังของ หลอดไฟ (Watt) และ 4R² คือ พื้นที่ผิวที่แสงตกกระทบ(m²)

R คือระยะห่างจากหลอดไฟถึงผิวที่พิจารณา(m)

E= I/R²

2. หน้าคลื่นและรังสีของแสง

เมื่อเกิดคลื่นบนผิวน้ำจะเห็นหน้าคลื่นแผ่ออกจากจุดกำเนิดคลื่นเป็นรูปวงกลม แต่ถ้าเป็นแสง โดยแหล่งกำเนิดแสงเป็นจุดก็จะแผ่หน้าคลื่นออกไปเป็นรูปทรงกลม ถ้าลากเส้นจากจุดกำเนิดคลื่นออกไปในแนวตั้งฉากกับหน้าคลื่น เส้นที่ลากออกไปนี้เราเรียกว่า รังสีของแสง

         ในกรณีที่แหล่งกำเนิดแสงอยู่ไกลมาก ๆ หน้าคลื่นของแสงจะเป็นหน้าคลื่นระนาบ ดังนั้นรังสีของแสงจึงเป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งรังสีของแสงสามารถบอกถึงลักษณะ การเคลื่อนที่ของคลื่นและหน้าคลื่นได้ ดังนั้นในการศึกษาเกี่ยวกับแสงจึงใช้รังสีของแสงแทนหน้าคลื่น

 

หลักของฮอยเกนส์

       หลักของฮอยเกนส์ กล่าวว่า “ทุก ๆ จุดบนหน้าคลื่นเดียวกัน อาจถือว่าเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นชุดใหม่ ที่แผ่ออกไปทุกทิศทางด้วยอัตราเร็วเท่าเดิม”

 

 

หน่วย SI ของแสง
ปริมาณ	หน่วย SI	ตัวย่อ	หมายเหตุ
พลังงานของการส่องสว่าง	จูล (joule)	J
ฟลักซ์ส่องสว่าง (Luminous flux)	ลูเมน (lumen) หรือ แคนเดลา · สเตอเรเดียน (candela · steradian)	lm	อาจเรียกว่า กำลังของความสว่าง (Luminous power)
ความเข้มของการส่องสว่าง (Luminous intensity)	แคนเดลา (candela)	cd
ความเข้มของความสว่าง	แคนเดลา/ตารางเมตร	cd/m2	อาจเรียกว่า ความหนาแน่นของความเข้มการส่องสว่าง
(Luminance)	(candela/square metre)
ความสว่าง (Illuminance)	ลักซ์ (lux) หรือ ลูเมน/ตารางเมตร	lx
ประสิทธิภาพการส่องสว่าง (Luminous efficiency)	ลูเมน ต่อ วัตต์ (lumens per watt)	lm/W

 

 

การแทรกสอดของแสง (Interference) เกิดได้ต่อเมื่อคลื่นแสง 2 ขบวนเคลื่อนที่มาพบกัน จะเกิดการรวมตัวกันและแทรกสอดกันเกิดเป็นแถบมืดและแถบสว่างบนฉาก โดยแหล่งกำเนิดแสงจะต้องเป็นแหล่งกำเนิดอาพันธ์ (Coherent Source) คือเป็นแหล่งกำเนิดที่ให้คลื่นแสงความถี่เดียวกัน และความยาวคลื่นเท่ากัน

แถบสว่างจะเกิดจากการแทรกสอดแบบเสริม และแถบมืดเกิดจากการแทรกสอดแบบหักล้าง

     ถ้าให้ ช่องแคบ S₁ และ S₂ เป็นแหล่งกำเนิดแสงห่างกันเป็นระยะ d เมื่อแสงเดินทางจากช่องแคบมาถึงฉากด้วยระยะทางที่ต่างกัน เดินทางมาพบกันบนจุดเดียวกันคือจุด P จะได้ผลต่าง S₁P กับ S₂P 
การเลี้ยวเบนของแสง (Diffraction)  

การเลี้ยวเบนของคลื่น (Diffraction) เกิดขึ้นเมื่อคลื่นถูกกีดขวาง สิ่งกีดขวางอาจเป็นฉากที่มีรูเปิดเล็ก ๆ หรือช่องแคบที่ปล่อยให้คลื่นผ่านไปได้

     สมมติลำแสงขนานมาจากทางซ้ายผ่านช่องแคบดังรูป ถ้าแสงไม่มีการเลี้ยวเบนแสงที่ผ่านออกไปจะมีขนาดเท่ากับช่องแคบ S แต่ความจริงแล้วแสงมีการเลี้ยวเบน จึงปรากฏเป็นแถบมืดและสว่างสลับซ้ายขวา

ความกว้างของแถบสว่างกลางสัมพันธ์กับความกว้างของช่องแคบและความยาวคลื่น โดยสามารถคำนวณหาความกว้างได้จากสมการของแถบมืดของการเลี้ยวเบนได้ ดังนี้

เกรตติง

     อุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจสอบสเปคตรัมของแสง โดยอาศัยสมบัติการแทรกสอดของคลื่น ลักษณะของเกรตติงเป็นช่องแคบหลาย ๆ ช่องเรียงห่างกันอย่างสม่ำเสมอจำนวนนับพันช่อง

       การเลี้ยวเบน (diffraction) และการแทรกสอด (interference) ของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่สำคัญที่แสดงสมบัติการเป็นคลื่นของแสง การเลี้ยวเบนของแสงจะแสดงออกในกรณีที่แสงผ่านช่องแคบเล็กๆบางครั้งจะปรากฏแถบมืดกับแถบสว่างรอบๆขอบของวัตถุขนาดเล็กซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการแทรกสอดของแสง แสงที่เลี้ยวเบนเช่นกัน การแทรกสอดและการเลี้ยวเบนของแสง สามารถแสดงให้เห็นได้ชัดเจนโดยให้แสงเลเซอร์ผ่านช่องแคบเดี่ยว ช่องแคบคู่ เกรตติง และรูเข็ม

ช่องแคบเดี่ยว

                ถ้าฉายแสงเลเซอร์ความยาวคลื่น l ผ่านช่องแคบเดี่ยวที่มีขนาดความกว้าง b ดังรูปที่ 1 แสงที่ผ่านช่องแคบจะเลี้ยวเบนได้ ถ้าช่องแคบเดี่ยวมีความสูงมากกว่าความกว้างมากๆ แสงที่เลี้ยวเบนจะอยู่ในแนวตั้งฉากกับแนวยาวของช่องแคบ จะทำให้เกิดภาพเป็นแถบมืดและแถบสว่างสลับกัน โดยแถบสว่างตรงกลางจะกว้างและสว่างมากที่สุด ส่วนแถบสว่างแถบสว่างอันดับต่อๆไปจะแคบกว่า และความสว่างจะน้อยลงภาพที่ได้ เรียกว่า ริ้วของการเลี้ยวเบน (diffraction pattern) จำนวนแถบสว่างที่จะเห็นได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่มาตกบนช่องแคบและขึ้นกับขนาดของช่องแคบด้วย

                การเลี้ยวเบนจากช่องแคบเดี่ยว ตำแหน่งของแถบมืดของริ้วของการเลี้ยวเบนจะอยู่ในแนวมุม q ซึ่งสอดคล้องกับสมการ

                                                                nl = b sin q_n                                    ………………. (1)

เมื่อ  n คือ อันดับของแถบมืด ±1, ±2, ±3,…

โดยทั่วไป q มีค่าน้อย                    sin q @   tan q

จะได้                                                      nl   =   b tan q_n

                                                                                                       ………………. (2)

โดยที่      D = ระยะจากช่องแคบเดี่ยวถึงฉาก

            X = ระยะจากกลางแถบมืดถึงกลางแถบสว่างกึ่งกลาง

             b = ความกว้างของช่องแคบเดี่ยว

ช่องแคบคู่

                เมื่อจัดให้แสงเลเซอร์ตกลงบนช่องแคบคู่ที่มีขนาดความกว้างของช่องแคบเป็น bและถ้าระยะห่างระหว่างกึ่งกลางของช่องแคบทั้งสองเป็น a ดังรูปที่ 3 แสงที่ผ่านแต่ละช่องของช่องแคบคู่จะเกิดการเลี้ยวเบนก่อนหลังจากนั้นจะไปแทรกสอดบนฉากเกิดแถบมืดแถบสว่างของการแทรกสอดให้เห็นในแถบสว่างของการเลี้ยวเบนได้

                ริ้วของการเลี้ยวเบนจะมีแถบสว่างตรงกลางกว้างที่สุด ความกว้างของแถบสว่างอันดับต่อไปจะลดลง ดังรูปที่ 2 ส่วนริ้วของการแทรกสอด (interference pattern) แถบสว่างและแถบมืดแต่ละแถบมีระยะห่างเท่ากันหมด เมื่อริ้วของการแทรกสอดซ้อนลงบนริ้วของการเลี้ยวเบนจึงได้ผลดังรูปที่ 4 แถบสว่างตรงกลางของริ้วของการเลี้ยวเบนจะมีจำนวนแถบสว่างของริ้วการแทรกสอดมากกว่าที่มีอยู่ในแถบสว่างอันดับถัดไปของริ้วของการเลี้ยวเบน ซึ่งตำแหน่งของแถบมืด อาจบอกเทอมของระยะทางบนฉาก (X_n) ดังนี้

                                                                                  ………………….. (3)

                เมื่อพิจารณาถึงการแทรกสอดโดยแสงจากช่องแคบคู่ ตำแหน่งของแถบมืดของริ้วการแทรกสอดหาได้จากสมการ

                                                                  ………………….. (4)

เมื่อ   q_m   เป็นมุมที่บอกตำแหน่งของแถบมืด

          m    เป็นอันดับของแถบมืด

มุม q เป็นมุมเล็กๆ จะได้

                                    

                                                  …………………… (5)

เมื่อ   X_m เป็นระยะของตำแหน่งกลางแถบมืดที่วัดถึงจุดกลางของแถบสว่างแถบกลาง ตำแหน่งของแถบสว่างของริ้วของการแทรกสอดจะหาได้จากสมการ

                                                      ml = a sin q_m                            …………………… (6)

และ                                                                          …………………… (7)

เกรตติงเลี้ยวเบน

                เกรตติงเป็นแผ่นใสมีเส้นตรงทึบแสงขนานกันอย่างสม่ำเสมอจำนวนมาก แผ่น เกรตติงจึงเป็นแผ่นที่มีช่องแคบจำนวนมากนั่นเอง แสงความยาวคลื่น l เมื่อผ่านเกรตติงจะมีการเลี้ยวเบนและแทรกสอด ทำนองเดียวกับเมื่อผ่านช่องแคบคู่ โดยปกติขนาดความกว้างของช่องแคบ (b) ของแผ่นเกรตติงจะมีค่าน้อยและน้อยกว่าระยะระหว่างช่องแคบ (a) มาก ผลจากการแทรกสอดของแสงจึงปรากฏชัดเจน ดังนั้นถ้าเริ่มสังเกตริ้วที่ได้ โดยใช้ช่องแคบที่มีขนาดของช่องค่อยๆเล็กลงและมีจำนวนช่องค่อยๆเพิ่มขึ้นจะเห็นได้ว่าแถบสว่างกลางของริ้วการเลี้ยวเบนจะค่อยๆกว้างขึ้น และจะมีแถบส่ว่างที่เนื่องจากการแทรกสอดคมชัดมากและอยู่ห่างกันเท่าๆกัน ยิ่งจำนวนช่องแคบใน 1 หน่วยความยาวของเกรตติงมากขึ้น แถบสว่างกลางของริ้วของการเลี้ยวเบนยิ่งกว้างออก และแถบมืด แถบสว่างของการแทรกสอดที่ปรากฏในแถบสว่างกลางของริ้วการเลี้ยวเบน ก็ยิ่งแยกห่างจากกันมากขึ้น ผลที่ได้เป็นดังรูป ที่ 5 ตำแหน่งของแถบสว่างเหล่านี้จะหาได้จากสมการ คือ

                                                ml = a sin q_m 

เมื่อ   a   คือ ระยะห่างระหว่างช่องแคบ 2 ช่องที่ติดกัน

         m คือ อันดับของแถบสว่างที่ได้บนฉาก

   m = 0 คือ แถบสว่างที่อยู่กลางฉากอยู่ในแนวของแสงตก เรียนกว่า แถบสว่างอันดับที่ศูนย์

   m = ±1, ±2, ±3,… คือ แถบสว่างอันดับที่ 1,2,3,… ทางด้านขวาและด้านซ้ายของแถบ 

                    สว่างอันดับที่ศูนย์ ตามลำดับ

                เกรตติงเป็นอุปกรณ์ที่สามารถสร้างขึ้นด้วยความละเอียดสูงมาก ค่ามุมที่รับภาพก็อาจวัดได้อย่างแม่นยำ ทำให้วิธีการวัดค่าความยาวคลื่นเป็นไปอย่างสะดวกและมีความ แม่นยำสูง ค่าความยาวคลื่นหาได้ดังนี้

                                                                              

 

เกรตติงส่วนใหญ่จะให้มุม q₁ มากกว่า 10 องศา ซึ่งไม่ถือว่าเป็นมุมเล็กๆ ค่า sin q จึงไม่เท่ากับ tan q ดังนั้นจะต้องมีความระมัดระวังในการคำนวณเป็นพิเศษ

                เกรตติงเลี้ยวเบน เป็นอุปกรณ์ทัศนศาสตร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์ความยาวคลื่นในสเปกตรัมของแสง

 

โพลาไรเซชัน (Polarization)

                การที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีเวกเตอร์สนามไฟฟ้า (E) สั่นอยู่ในทิศทางเดียว ทิศของสนามไฟฟ้านี้เรียกว่าเป็น ทิศโพลาไรเซชันของคลื่น กรณีที่คลื่นมีสนามไฟฟ้าสั่นอยู่ในหลายทิศทางจะเป็นคลื่นแบบไม่โพลาไรส์ (Unpolarized Wave) ดังแสดงในภาพที่ 17-4(a)

 

โพลาไรเซชันของแสงมีหลายชนิด แสงจะมีโพลาไรส์เชิงเส้น (Linear Polarization) หรือโพลาไรส์เชิงระนาบ (Plane Polarization) ถ้าสนามไฟฟ้าสั่นในทิศทางเดียวตลอดเวลา ดังแสดงในภาพที่ 4(b) โพลาไรเซชันแบบอื่น ๆ ได้แก่ Circularly Polarization และ Elliptically Polarization ซึ่งจะไม่กล่าวถึงรายละเอียดในที่นี้

คลื่นแสงที่ไม่โพลาไรส์ สามารถทำให้โพลาไรส์ได้ด้วยกระบวนการ

§       การเลือกดูดกลืนคลื่น (Selective Absorption)

§       การสะท้อน (Reflection)

§       การหักเหซ้อน (Double Refraction)

§       การกระเจิง (Scattering)

 

โพลาไรเซชันโดยการเลือกดูดกลืน

                วัสดุที่มีสมบัติไดโครอิก (Dichroic) ยอมให้แสงที่มีทิศโพลาไรเซชันเดียวผ่านและดูดกลืนแสง ในที่มีระนาบโพลาไรเซชันอื่น ๆ เมื่อนำมาสังเคราะห์เป็นแผ่นโพลาไรซ์ (Polariser) จะทำให้แสงที่ส่องผ่านมีเวกเตอร์สนามไฟฟ้าสั่นในทิศทางเดียว

 

 

                การใช้แผ่นโพลาไรส์สองแผ่น เรียกว่า Polariser และ Analyser ตามลำดับการวาง ดังแสดงในภาพที่ 17-5 จึงสามารถลดความเข้มของแสงเป็นค่าต่าง ๆ ได้ดังนี้

เมื่อแสงผ่าน Polariser (แผ่นแรก) คลื่นแสงจะมีเวกเตอร์สนามไฟฟ้า E₁ สั่นในทิศทางเดียว เมื่อแสงผ่านแผ่นที่สอง Analyser ที่มีสมบัติเหมือนกัน แต่บิดแนวแกนเป็นมุม q เทียบกับตัวแรก คลื่นแสงผ่านตัวที่สองจะมีค่าสนามไฟฟ้าลดลงเป็น E₂ ที่มีค่า

                                E₂ =E₁ cos q                        

 

จากทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ค่าความเข้มแสง (I) แปรผันตามค่าสนามไฟฟ้ายกกำลังสอง ดังนั้น                                                           I ₂ = I₁ cos² q                                                                                                                       

เรียกว่า Malus's law ใช้กับแสงที่โพลาไรส์เชิงเส้น (หรือเชิงระนาบ) เท่านั้น

 

โพลาไรส์โดยการสะท้อน

                เมื่อแสงที่ไม่โพลาไรส์ตกกระทบผิวรอยต่อระหว่างตัวกลาง n₁ และ n₂ (ดังภาพที่ 17-6) แสงที่สะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรส์ได้ เมื่อมุมระหว่างรังสีสะท้อนกับรังสีหักเหเป็นมุมฉาก

จากภาพที่ 17-6

                                q_p + 90⁰ + q₂ = 180 ⁰                                                                                                                        

                                q₂= 90⁰ - q_p                                                                                                                                        

โดยที่ q_p คือมุมโพลาไรส์ (Polarizing Angle) เป็นมุมตก (ซึ่งเท่ากับมุมสะท้อน) ที่ทำให้เกิดการสะท้อนเป็นแสงโพลาไรส์ทั้งหมด และ q₂ คือมุมหักเห

ใช้กฏของสเนลล์               

                n₁sin q_p      =   n₂ sin q₂                                                                                                                     

แทนค่า  n₁= 1 (อากาศ) , n₂ = n (วัสดุใด ๆ)   

sin q_p       =   n sin ( 90⁰ - q_p) =   ncos q_p                                                                                      

                                n      =   tan q_p                                                                                                                       

เรียกว่า Brewster's law สามารถใช้หาค่าดัชนีหักเหของวัสดุ โดยการวัดค่ามุมโพลาไรส์ค่าเดียวเท่านั้น

 

โพลาไรส์โดยการหักเหซ้อน

                วัสดุบางชนิดเช่นแคลไซท์หรือควอทซ์ มีคุณสมบัติที่เรียกว่า Birefringent คือมีค่าดัชนีหักเห 2 ค่า เนื่องจากแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เท่ากันในแต่ละทิศทางของผลึก เมื่อฉายแสงที่ไม่โพลาไรส์เข้าสู่ผลึกของวัสดุเหล่านี้ แสงที่หักเหออกมาจึงเป็นลำแสงโพลาไรส์

 

 

โพลาไรส์โดยการกระเจิง

                เมื่อแสงที่ไม่โพลาไรส์เคลื่อนที่ผ่านกลุ่มอนุภาค เช่น กรณีแสงแดดผ่านอากาศ จะเกิดปรากฏการณ์กระเจิง (Scattering) แสงที่กระเจิงจะโพลาไรส์บางส่วน 

                พิจารณา คลื่นแสงความยาวคลื่น l ตกกระทบโมเลกุลก๊าซในอากาศ ขนาด d โดย d << l   (โมเลกุลออกซิเจนและไนโตรเจนในบรรยากาศมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระดับ 0.2 นาโนเมตร) เนื่องจากความเข้มแสงที่กระเจิงมีค่าแปรผกผันตาม   l⁴ ดังนั้น แสงที่มีความยาวคลื่นสั้น (แสงสีน้ำเงิน) สามารถกระเจิงได้มากกว่าแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่า (เช่นสีแดง) ดังนั้นท้องฟ้าจึงปรากฏให้เห็นเป็นสีน้ำเงิน

 

                                                                                                               

 

 

E ve