แสงเดินทางเป็นเส้นตรง… แต่ทำไม รุ้งจึงเป็นเส้นโค้ง

      ในวันที่ฝนตก เมื่อยามฟ้าเริ่มโปร่ง หลายคนคงเคยเห็นเจ้ารุ้งอย่างแน่นอน ลักษณะที่เด่นชัดคือ เป็นแสง 7 สี อย่างที่บางคนอาจเคยได้ท่องสมัยเด็กๆ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง  นอกจากลักษณะของสีที่เห็นได้อย่างชัดเจนแล้ว รูปร่างของรุ้งเองที่พบบ่อยๆ จะอยู่ในลักษณะเส้นโค้ง บางท่านอาจทราบดีแล้วว่ารุ้งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากแสง แต่ เคยสงสัยไหมว่า แสงมีคุณสมบัติในการเดินทางเป็นเส้นตรง แล้วทำไม รุ้งถึงโค้งอยู่อย่างนั้นเล่า 

     ก่อนจะอธิบายว่าทำไมรุ้งถึงเป็นเส้นโค้ง เรามากล่าวถึงคุณสมบัติของแสง และสาเหตุของการเกิดรุ้งกันเสียก่อน เผื่อสำหรับใครที่ลืมๆ ไปแล้ว

แสง

แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง  เดินทางในรูปเคลื่อนที่มีอัตราเร็วสูง  สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่บนโลกไม่สามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่มีแสง  แหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญที่สุดของเราคือดวงอาทิตย์  อย่างไรก็ตาม เราสามารถผลิตแสงได้เองเช่นกันโดยใช้ไฟฟ้า

สเปกตรัมของแสง

     แสงจากดวงอาทิตย์เป็นแสงขาว ซึ่งเราสามารถใช้ปริซึมแยกแสงที่เป็นองค์ประกอบของแสงขาวออกจากกันได้เป็นแถบสีต่างๆ 7 สีเรียงติดกัน เราเรียกแถบสีที่เรียงติดกันนี้ว่า สเปกตรัม

รุ้ง

      รุ้ง (Rainbow) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งเกิดจากละอองน้ำในอากาศหักเหแสงอาทิตย์ทำให้เกิดแถบสเปกตรัมเป็นเส้นอาร์ควงกลมเหนือพื้นผิวโลก  แสงอาทิตย์หรือรังสีที่ตามมองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 - 800 นาโนเมตร  โดยที่แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดคือ 400 นาโนเมตร และแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด  ภายหลังฝนตกมักจะมีละอองน้ำหรือหยดน้ำเล็กๆ ลอยอยู่ในอากาศ จะทำหน้าที่เสมือนปริซึมหักเหแสงอาทิตย์ (White light) ให้แยกออกเป็นสเปกตรัม 7 สี ได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง  โดยถ้าแสงอาทิตย์ทำมุมกับหยดน้ำแล้วหักเหเป็นมุม 40° เข้าสู่แนวสายตา ก็จะมองเห็นเป็นแสงสีม่วง  แต่ถ้าแสงอาทิตย์ทำมุมกับหยดน้ำแล้วหักเหเป็นมุม 42° เข้าสู่แนวสายตา ก็จะมองเห็นเป็นแสงสีแดง ดังภาพ

เนื่องจากในบรรยากาศหลังฝนตกมีละอองน้ำเล็กๆ ที่มองไม่เห็นแขวนลอยอยู่เป็นจำนวนมาก ละอองน้ำเล็กๆ เหล่านี้หักเหแสงอาทิตย์มาเข้าตาของเราเป็นมุมที่แตกต่างกัน  ลำแสงจากดวงอาทิตย์ที่ถูกหักเหเข้าสู่แนวสายตาเป็นมุม 40° - 42° จะปรากฏเห็นเส้นโค้งซึ่งเรียกว่า "รุ้ง" โดยจะมีสีจากล่างขึ้นบนเรียงลำดับ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง ดังภาพ

รุ้งจะมี อยู่ 2 ชนิด คือ

1. รุ้งปฐมภูมิ เกิดจากแสงตกกระทบหยดน้ำทางขอบบน เกิดการหักเห 2 ครั้ง สะท้อน 1 ครั้ง โดยจะเห็นเป็นสีต่าง ๆ กันมีสีแดงอยู่บนและมีสีม่วงอยู่ล่างสุด จะเกิดเป็นรุ้งตัวล่าง (มีสีเข้มกว่าตัวล่าง)

2. รุ้งทุติยภูมิ เกิดจากแสงตกกระทบหยดน้ำทางขอบล่าง เกิดการหักเห 2 ครั้ง สะท้อน 2 ครั้ง โดยจะเห็นเป็นสีต่าง ๆ กันมีสีม่วงอยู่บนและมีสีแดงอยู่ล่างสุด จะเกิดเป็นรุ้งตัวบน

ดังนั้นการที่จะมองเห็นรุ้งแสงต้องหักเหในมุมที่แน่นอน ในน้ำ1หยด จะสะท้อนแสงรุ้งได้ 2 มุม  ดังนั้นเราเป็นผู้สังเกต จึงถือเป็นศูนย์กลาง มุมแสงที่หักเหจึงต้องทำมุมมาหาสายตาเราเสมอไม่ว่าเราจะขยับไปไหน มันจึงกลายเป็นเส้นโค้ง เพราะเป็นตำแหน่งเส้นรอบวงที่จะสะท้อนหาสายตาเราได้มุมพอดี

เนื้อหาจาก

http://www.rmutphysics.com/CHARUD/oldnews/231/Light1.htm

http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/Light.htm

http://namo-arm.blogspot.nl/2009/09/blog-post.html

http://www.lesa.biz/earth/atmosphere/phenomenon/rainbow

https://www.gotoknow.org/posts/301656

ภาพจาก

https://www.gotoknow.org/posts/301656

http://www.lesa.biz/earth/atmosphere/phenomenon/rainbow