ประวัติการวัดอัตราเร็วแสง

เรียบเรียงโดย อ. เดชา ศุภพิทยาภรณ์

อัตราเร็วแสงเป็นค่าคงตัวพื้นฐานที่ สำคัญมากที่สุดค่าหนึ่ง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่อดีตหลายคนพยายามศึกษา Galileo ถือว่าเป็นบุคคลแรกที่พยายามทดลองวัดหาอัตราเร็วแสง หลังจากนั้นก็มีนักวิทยาศาสตร์หลายคน/กลุ่ม พยายามวัดให้ได้ค่าที่มีความแม่นยำมากขึ้น จนปัจจุบัน เราสามารถวัดอัตราเร็วแสงที่เป็นค่าที่ถูกต้อง 100% เลยทีเดียว

ความพยายามในการวัดอัตราเร็วแสง

ในปี ค.ศ.1629Beeckmanทำการสังเกตแสงไฟจากลูกปืน ที่สะท้อนออกมาจากกระจกราบซึ่งอยู่ห่างจากปากกระบอกปืน 1 ไมล์ และคิดว่าแสงน่าจะมีอัตราเร็วค่าหนึ่ง

ในปี ค.ศ. 1638Galileoพยายามวัดอัตราเร็วของแสง โดยการไปยืนอยู่บนยอดเขาลูกหนึ่งและให้ผู้ช่วยของเขาอยู่บนยอดเขาอีกลูก หนึ่งที่อยู่ห่างออกไปหลายไมล์ โดยทั้งคู่ถือโคมไฟไว้คนละดวงแล้วตกลงกันว่า เขาจะเปิดโคมไฟให้แสงจากโคมไฟเดินทางจากเขาไปหาผู้ช่วย เมื่อผู้ช่วยของเขาเห็นแสงก็แสดงว่าแสงได้เดินทางไปถึงผู้ช่วยของเขาแล้วและ ให้ผู้ช่วยของเขาเปิดโคมไฟทันทีที่เห็นแสงไฟจากเขา เมื่อเขาเห็นแสงจากผู้ช่วยเดินทางกลับมา เขาก็จะทราบเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปและกลับ โดยการหาอัตราส่วนระหว่างระยะทางไปกลับและเวลาที่แสงเดินทางไปกลับ เขาก็จะทราบความเร็วของแสง

แต่จากผลการทดลอง เขาไม่สามารถวัดเวลาที่แสงเดินทางไปกลับได้เลย Galileo จึงสรุปว่า อัตราเร็วแสงมีค่าสูงมาก ไม่สามารถวัดด้วยวิธีการนี้ได้ แต่ Galileo ได้ประมาณว่าแสงมีอัตราเร็วมากกว่าเสียงประมาณ 10 เท่า

รูปที่ 1 วิธีการวัดอัตราเร็วของแสงของ Galileo

ข้อสังเกต ค่า Reaction time ของคนมีค่าประมาณ 0.2 วินาที จะเห็นว่าช่วงเวลานี้ช้าเกินไปที่จะวัดอัตราเร็วแสงได้ด้วยวิธีของ Galileo

ในปี ค.ศ. 1676Roemerแสดงให้เห็นว่าอัตราเร็วของแสงมีค่าจำกัดค่าหนึ่ง โดยใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตการเกิดจันทรุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัส โดย Roemer สามารถวัดแสงที่ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสถูกบังได้ หลังจากการสังเกตหลายๆ ปี พบว่า เวลาเริ่มต้นที่ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสถูกบังนั้น มีค่าแตกต่างกัน ทั้งๆ ที่การเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ของดาวพฤหัสเหมือนเดิมทุกประการ Roemer จึงตั้งข้อสังเกตว่าเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากดวงจันทร์ที่ถูกบังโดยดาว พฤหัสมายังโลกตอนที่อยู่ตำแหน่งแตกต่างกันรอบดวงอาทิตย์มีค่าแตกต่างกัน ดังรูปที่ 2Roemer พบว่าเวลาที่แสงใช้ในตำแหน่งที่ 1 มีค่าน้อยกว่าในตำแหน่งที่ 2 เหตุที่เป็นเช่นนี้เป็นเพราะว่า แสงเดินทางไกลกว่าตำแหน่งที่ 1 ซึ่งประมาณเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์

รูปที่ 2 ตำแหน่งของโลกรอบดวงอาทิตย์ขณะที่สังเกตจันทรุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัส

อัตราเร็วของแสงสามารถหาจากอัตราส่วนระหว่าง ความยาวของเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ และผลต่างของเวลาในตำแหน่งที่ 1 กับ ตำแหน่งที่ 2 โดยหลักการนี้ Roemer สามารถคำนวณหาอัตราเร็วของแสงได้ประมาณ 185,000 ไมล์ต่อวินาทีหรือ 296,000 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งถือว่าใกล้เคียงกับค่าจริงมากทีเดียว

ต่อมาในปี ค.ศ. 1849 Fizeau ทดลองหาอัตราเร็วของแสงใหม่ และถือว่าเป็นการทดลองแรก ที่ทำโดยใช้อุปกรณ์ที่อยู่บนโลก โดยอาศัยหลักการที่คล้ายๆ กับ Galileo คือ ให้แสงเดินทางจากแหล่งกำเนิดผ่านกระจกที่ใช้แยกแสง (Beam splitter) ดังรูปที่ 3 แสงสะท้อนบางส่วนผ่านแผ่นจานหมุนที่มีลักษณะของขอบเป็นช่องที่ห่างกันสม่ำ เสมอดังรูป ไปสะท้อนกระจกราบที่ระยะห่างออกไป 20 ไมล์หรือประมาณ 35 กิโลเมตร แสงที่สะท้อนกลับมาสามารถผ่านจานหมุนและ Beam splitter ได้ ทำให้ผู้สังเกตที่อยู่ด้านหลังจานหมุนสามารถมองเห็นแสงที่สะท้อนมาได้

ถ้าปรับอัตราเร็วของจานหมุนจนมีค่าที่เหมาะสม แสงที่สะท้อนจากกระจกจะถูกบัง โดยซี่ของจานหมุน ทำให้ผู้สังเกตไม่สามารถเห็นแสงที่สะท้อนกลับมาได้ ดังนั้นเวลาที่ซี่ของจานหมุนเคลื่อนที่ไปบังแสงพอดี จะต้องเท่ากับเวลาที่แสงเดินทางไปและกลับมาที่จานหมุน และถ้าทราบระยะห่างของซี่ของจานหมุน ระยะทางที่แสงเดินทางไปกลับ อัตราเร็วของจานหมุน ก็สามารถคำนวณหาอัตราเร็วของแสงได้ โดยหลักการนี้ Fizeau สามารถหาอัตราเร็วของแสงได้ประมาณ 313,000 กิโลเมตรต่อวินาที ก็ถือว่าเป็นตัวเลขที่ใกล้เคียงกับค่าจริงมาก

รูปที่ 3 การจัดอุปกรณ์การวัดอัตราเร็วของแสงของ Fizeau

ในปี ค.ศ. 1880Michelsonได้ทำการดัดแปลงวิธีการวัดอัตราเร็วของแสงใหม่ โดยใช้กระจกรูปแปดเหลี่ยมหมุน ดังรูปที่ 4เพื่อที่จะวัดระยะเวลาที่แสงเดินทาง 1 รอบ จากภูเขา Wilson ไปยังภูเขา San Antonio ใน California ซึ่งมีระยะทางประมาณ 35 กิโลเมตร โดยให้กระจกรูปแปดเหลี่ยมนี้หมุนด้วยอัตราเร็วค่าหนึ่ง ถ้ามีแสงสะท้อนออกไปตามทิศที่ปรากฏในรูปที่ 4ก็แสดงว่า ระยะเวลาที่แสงเดินทางไปกลับต้องเท่ากับระยะเวลาที่กระจกหมุนไปเท่ากับ 1/8 รอบ เมื่อวัดระยะทางและอัตราการหมุนของกระจกได้ ก็สามารถหาอัตราเร็วของแสงได้

โดยวิธีการนี้ เขาวัดอัตราเร็วของแสงได้ประมาณ 186,285 ไมล์ต่อวินาทีหรือ 299,796 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งถือว่าใกล้เคียงกับค่าจริงมาก เช่นกัน

รูปที่ 4 การจัดอุปกรณ์การวัดอัตราเร็วของแสงของ Michelson

ข้อมูลในตารางที่ 1แสดงพัฒนาการของวิธีการวัดอัตราเร็วของแสง ซึ่งอัตราเร็วของแสงที่ยอมรับกันในปัจจุบันมีค่าเท่ากับ 299,792.458 กิโลเมตรต่อวินาที ในสุญญากาศ (ในอากาศหรือน้ำ แสงจะเดินทางได้ช้ากว่านี้เล็กน้อย)

ตารางที่ 1 แสดงอัตราเร็วของแสงที่วัดได้และวิธีการวัด สังเกตช่องสุดท้าย แสดงค่าความคลาดเคลื่อนเป็นศูนย์เลยทีเดียว

ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากโลกเราประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร ทำให้เราทราบว่าแสงเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลกใช้เวลาประมาณ 8 นาที นอกจากนี้เรายังทราบอีกว่า อัตราเร็วของแสงเป็นอัตราเร็วที่สูงสุดที่สรรพสิ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ หรือกล่าวได้ว่าไม่มีอะไรที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงนั่นเอง

เนื่องจากอัตราเร็วของแสงในตัวกลางหนึ่งๆ มีค่าคงที่ทุกทิศทาง ไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ และการที่อัตราเร็วแสงที่วัดได้ มีความแม่นยำมาก จึงได้มีการกำหนดความยาวมาตรฐานโดยอิงอัตราเร็วของแสง กล่าวคือ แต่เดิมกำหนดว่า ความยาว 1 เมตรมาตรฐานเท่ากับ ส่วนกลับของความยาวเส้นเมริเดียนที่ผ่านกรุงปารีส

ต่อมามีการกำหนดใหม่โดยใช้ความยาวของแท่งมาตรฐานที่เก็บไว้ที่ประเทศ ฝรั่งเศส ซึ่งทำจากโลหะผสมที่มีแพลทินัม 90% และอิริเดียม 10% และวัดความยาวที่จุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง และต่อมาเราทราบว่าอัตราเร็วแสงมีค่าคงที่และถูกต้องร้อยเปอร์เซ็นต์ จึงกำหนดความยาวมาตรฐานใหม่ว่า ความยาว 1 เมตร เท่ากับระยะทางที่แสงเดินทางได้ในเวลา 1/299,792.456 วินาที โดยเริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 1983 และใช้มาจนถึงทุกวันนี้

แหล่งอ้างอิง:ประวัติการวัดอัตราเร็วแสง

1. Speed of Light[online]. Available from: http://csep10.phys.utk.edu/guidry/violence/lightspeed.html [Accessed 2005 August]

2. Speed of Light[online]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light [Accessed 2005 August]

3. ON THE CONSTANCY OF THE SPEED OF LIGHT [online]. Available from: http://www.ldolphin.org/constc.shtml [Accessed 2005 August]

4. How to Measure the Speed of Light [online]. Available from: http://www.speed-light.info/measurement.htm [Accessed 2005 August]

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Metre [online] [Accessed 2005 August]

ธรรมชาติของแสง

http://lightmomentdaily.blogspot.com

แสงคือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย สมบัติพื้นฐานของแสง (และของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงคลื่น) ได้แก่

• ความเข้ม(ความสว่างหรือแอมพลิจูด ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปความสว่างของแสง)
• ความถี่(หรือความยาวคลื่น ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปสีของแสง) และ
• โพลาไรเซชัน(มุมการสั่นของคลื่น ซึ่งโดยปกติมนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้)

แสงจะแสดงคุณสมบัติทั้งของคลื่นและของอนุภาคในเวลาเดียวกัน ทั้งนี้เนื่องจากทวิภาวะของคลื่นและอนุภาคธรรมชาติที่แท้จริงของแสงเป็นปัญหาหลักปัญหาหนึ่งของฟิสิกส์สมัยใหม่

แสงมีคุณสมบัติทวิภาวะกล่าวคือ

1. แสง เป็นคลื่น: แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้า และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และแสงก็มีการเลี้ยวเบนด้วย ซึ่งการเลี้ยวเบนก็แสดงคุณสมบัติของคลื่น
2. แสงเป็นอนุภาค: แสงเป็นก้อนพลังงานมีค่าพลังงานE=hfโดยที่hคือค่าคงตัวของพลังค์

อัตราเร็วของแสง

นักฟิสิกส์หลายคนได้พยายามทำการวัดความเร็วของแสง การวัดแรกสุดที่มีความแม่นยำนั้นเป็นการวัดของ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กOle Rømerในปี ค.ศ. 1676 เขาได้ทำการคำนวณจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวพฤหัสบดี และ ดวงจันทร์ไอโอ ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้กล้องดูดาว เขาได้สังเกตความแตกต่างของช่วงการมองเห็นรอบของการโคจรของดวงจันทร์ไอโอ และได้คำนวณค่าความเร็วแสง 227,000 กิโลเมตร/วินาที หรือค่าประมาณ

Ole Christensen Rømer(25 September 1644 – 19 September 1710) was a Danish astronomer

http://en.wikipedia.org/wiki/Ole_Romer

การวัดความเร็วของแสงบนโลกนั้นกระทำสำเร็จเป็นครั้งแรกโดยHippolyte Fizeauในปี ค.ศ. 1849 เขาทำการทดลองโดยส่องลำของแสงไปยังกระจกเงาซึ่ง อยู่ห่างออกไปหลายพันเมตรผ่านซี่ล้อ ในขณะที่ล้อนั้นหมุนด้วยความเร็วคงที่ ลำแสงพุ่งผ่านช่องระหว่างซี่ล้อออกไปกระทบกระจกเงา และพุ่งกลับมาผ่านซี่ล้ออีกซี่หนึ่ง จากระยะทางไปยังกระจกเงา จำนวนช่องของซี่ล้อ และความเร็วรอบของการหมุน เขาสามารถทำการคำนวณความเร็วของแสงได้ 313,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที

Albert A. Michelsonได้ทำการพัฒนาการทดลองในปี ค.ศ. 1926 โดยใช้กระจกเงาหมุน ในการวัดช่วงเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปกลับจาก ยอด Mt. Wilson ถึง Mt. San Antonio ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งการวัดนั้นได้ 186,285 ไมล์/วินาที (299,796 กิโลเมตร/วินาที) ค่าความเร็วแสงประมาณหรือค่าปัดเศษที่เราใช้กันในทุกวันนี้คือ 300,000 km/s and 186,000 miles/s.

Michelson Interferometer

เรียบเรียงจาก :http://en.wikipedia.org/wiki/Light

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/michel.html

การเลี้ยวเบนของแสง (Diffraction)

ถ้าเราวางวัตถุทึบแสงไว้ระหว่างฉากกับจุดกำเนิดแสงที่สว่างมากเราจหะเห็นขอบของเงาวัตถุนั้นบนฉากพร่ามัว เป็นแถบมืดแถบสว่างสลับกันดังรูป ที่เป็นเช่นนี้ เพราะแสงเกิดการเลี้ยวเบนทำให้เกิดการเลี้ยวเบนทำให้เกิดการแทรกสอดเป็นแถบมืดและแถบสว่าง

จากรูป ถ้าให้แสงที่มีความสว่างมากผ่านวัตถุรูปดาวจะทำให้ เกิดแถบมืดและแถบสว่างที่ขอบในและขอบนอกของรูปดาวปรากฏบนฉาก เพราะคลื่นแสงที่เลี้ยวเบนจากขอบในและขอบนอกของรูปดาวเป็นเสมือนแหล่งกำเนิด แสงใหม่จึงเกิดการแทรกสอดกันเองทำให้เกิดแถบสว่าง และแถบมืดทั้งขอบนอกและขอบในของวัตถุรูปดาว

จากรูป แสดงการเลี้ยวเบนของแสงโดยให้แสงที่มีความสว่างมากผ่านทรงกลมตัน ทำให้เกิดเงาของทรงกลมปรากฏบนฉาก และเกิดแถบมืดแถบสว่างที่ขอบเนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสงที่จุดศูนย์กลางของ เงาทรงกลมจะเป็นจุดสว่าง เพราะแสงที่เลี้ยวเบนผ่านขอบของทรงกลมตันจะเป็นเสมือนแหล่งกำเนิดใหม่ตาม หลักการของฮอยเกนส์จึงให้คลื่นแสงไปพบกัน ที่จุดศูนย์กลางของเงาทรงกลมบนฉากทำให้เกิดการแทรกสอดกันในลักษณะเสริมจึง เห็นเป็นจุดสว่างขึ้น

การเลี้ยวเบนของแสงผ่านช่องเดี่ยว

เมื่อให้แสงเลี้ยวเบนผ่านช่องแคบเดียวจะได้แถบสว่างตรงกลางกว้างและมีความเข้มมากที่สุด แถบสว่างข้างๆ ที่สลับแถบมืดจะมีความเข้มลดลง

การเลี้ยวเบนของแสงผ่านช่องเดี่ยว

image: http://202.143.132.2/el14/sc/sc40_021/e-%20light/Light/Light13.htm

ถ้าแสงที่ผ่านช่องแคบเป็นแสงสีขาวจะได้แถบสว่าง เป็นสีขาวและแถบสว่างข้างๆ จะเป็นสเปคตรัมโดยเรียงจากมีม่วงไปจนถึง สีแดงแต่ถ้าเป็นแสงสีเดียวแถบสีสว่างข้างๆจะเป็นสีเดิม แถบสว่างตรงกลางจะกว้างมากที่สุดและแถบสว่างข้างๆ จะลดลงครึ่งหนึ่งและมีขนาดกว้างเกือบเท่ากันหมด

การหาตำแหน่งแถบมืดแถบสว่างบนฉาก

ให้แสงความยาวคลื่น λ ผ่านช่องเดี่ยวที่มีความกว้าง d ทำให้เกิดการแทรกสอด เนื่องจากการเลี้ยวเบนที่ห่างจากช่องเดี่ยว L ดังรูป

image: http://www.sa.ac.th/winyoo/light/light_physical/diffraction_light.htm

จากการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์จะได้ว่า สมการการแทรกสอดของแสงจากการเลี้ยวเบนผ่านสลิตเดี่ยว จะเป็น

การแทรกสอดแบบเสริมกัน(Anti-Node)

S2P - S1P = (n+1/2)λ

d sinθ=(n+1/2)λ
d /L =(n+1/2)λ

เมื่อ n = 1, 2, 3, ....

การแทรกสอดแบบหักล้างกัน(Node)

S2P - S1P = nλ

d sinθ=nλ
d /L =nλ

เมื่อ n = 1, 2, 3, ....

d =ความกว้างของช่องสลิต (เมตร)

θ=มุมที่เบนไปจากแนวกลาง
n=จำนวนเต็มบวก (1, 2, 3, .... )
λ =ความยาวคลื่นแสง (เมตร)
=ระยะจากกึ่งกลางของแถบสว่างกลางถึง กึ่งกลางของแถบมืดที่nใด ๆ
L =ระยะจากช่องเดี่ยวถึงฉาก (เมตร)

ถ้าเราแบ่งช่องเดี่ยวออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน คือครึ่งบนและครึ่งล่าง แสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ครึ่งบนจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างด้านบนของแถบสว่างกลาง และแสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ครึ่งล่างจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างด้านล่างของแถบสว่างกลาง

จากรูป แสดงการเลี้ยวเบนผ่านช่องเดี่ยวที่มีความกว้างต่างกัน

image: http://www.sa.ac.th/winyoo/light/light_physical/diffraction_light.htm

เรียบเรียงจาก:
http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_23.htm
http://www.sa.ac.th/winyoo/light/light_physical/diffraction_light.htm
http://202.143.132.2/el14/sc/sc40_021/e-%20light/Light/Light13.htm

สีและการมองเห็นสี

ในชีวิตประจำวันเราจะพบแสงอาทิตย์มากที่สุด ซึ่งเป็นแสงสีขาว แต่ความจริงแล้วถ้านำแสงสีขาวผ่านปริซึมจะแยกแสงออกได้ 7 สีไปปรากฏบนฉากจะมีสีม่วงและค่อย ๆ เปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม และ แดง โดยลำดับของสี (Color )จะเรียงตามการกระจายแสงจากมากไปน้อย เรียกแสงสีที่เกิดขึ้นนี้ว่าสเปคตรัมของแสง (Spectrum) ดังรูป

รูปที่ 20 เมื่อแสงขาวผ่านปริซึมจะแยกเป็นแสงสีต่าง ๆ

เราสามารถเห็นสีของวัตถุแตกต่างกันก็เพราะ เมื่อให้แสงกระทบผิววัตถุ ปริมาณแสงสะท้อนจากผิววัตถุหรือปริมาณแสงที่ผ่านจากวัตถุเข้าสู่ตามีปริมาณต่างกัน การที่จะเห็นสีที่แท้จริงของวัตถุ วัตถุนั้นจะต้องส่องด้วยแสงสีเดียวกัน หรือมีแสงสีเดียวกันรวมอยู่ด้วย จึงจะมองเห็นวัตถุด้วยสีแท้จริงของมัน และถ้าส่องด้วยแสงแดด จะเห็นสีที่แท้จริงของวัตถุทั้งนี้เพราะแสงแดดประกอบด้วยแสงสีต่างๆ ทุกสี ดังนั้นแสงที่มีสีเดียวกับวัตถุจะสะท้อนเข้าสู่ตา เช่นถ้าฉายแสงขาว ผ่านแผ่นกรองแสงสีแดง แผ่นกรองแสงสีแดงจะยอมให้สีแดงและสีแสดผ่านได้ เพราะแผ่นกรองแสงสีแดงจะยอมให้แสงที่มีสีเดียวกันหรือสีที่ใกล้เคียงกับสีแดงผ่านเท่านั้น ดังรูป

รูปที่ 21 แผ่นกรองแสงสีแดงจะยอมให้สีแดงผ่านได้

สีของวัตถุ

สีของวัตถุที่มองเห็นแสดงได้ด้วยสมบัติ 3 อย่าง คือ

ก. ฮิว(Hue)คือ แถบแสงสีแต่ละแสงสีในสเปคตรัม เช่น แถบแสงสีแดง สีส้ม สีเหลือง สีเขียว สีน้ำเงิน และสีม่วง
ข. ความสว่างของแสงสี (Lightness)คือปริมาณแสงสะท้อนออกจากแถบแสงสีแต่จะแสงสี ทำให้เกิดความรู้สึกว่ามีแสงผ่านเข้าตามากหรือน้อย
ค. ความอิ่มตัวของสี (Color Saturation)คือจำนวนหรือขนาดที่บอกให้ทราบว่าแถบสีนั้น อยู่ห่างจากที่ไม่มีสี (Achromatic Color) สีที่อิ่มตัวคือสีที่ไม่มีสีขาวปนอยู่เลย เช่น สีแดง สีน้ำเงิน เขียว ส่วนสีที่มีสีขาวปนมากเท่าใด ความอิ่มตัวก็ยิ่งน้อยลงเท่านั้น เรียกว่า สีไม่อิ่มตัว เช่น สีชมพู สีฟ้า เทา เป็นต้น

การมองเห็นสี (Color Vision)

ในปี ค.ศ. 1801 Thomas Young ได้กล่าวว่าการผสมสีของแสงจะทำให้เกิดความรู้สึกในการเห็นแสงสีใหม่ โดยสามารถเห็นได้เพราะนัยน์ตามีเซลล์ประสาทรับแสงสี (Cones) 3 ชุด คือชุดที่มีความไวสูงสุดกับแสงสีแดง ชุดที่มีความไวสูงสุดกับแสงสีเขียว และชุดที่มีความไวสูงสุดกับแสงสีน้ำเงิน เซลล์ประสาทรับแสงสีทั้ง 3 ชุดนี้ จะมีความไวต่อแถบแสงสีในสเปคตรัมที่ตามองเห็นได้ แสงสีแดง แสงสีน้ำเงิน และแสงสีเขียว เรียกว่าเป็น แม่สี หรือ สีปฐมภูม (primary Color) ซึ่งถือว่าเป็นแสงสีบริสุทธิ์ ที่ไม่สามารถจะแยกออกเป็นแสงสีอื่น ๆ ได้

ความรู้สึกในการมองเห็นสีนั้น อยู่ที่ว่าเซลล์ประสาทรับแสงสีชุดใดถูกกระตุ้น เช่น

• ถ้าเซลล์ประสาทรับแสงสีแดงถูกกระตุ้นเพียงชุดเดียว ก็จะมีความรู้สึกเห็นเป็นสีแดง

• ถ้าเซลล์ประสาทรับแสงสีน้ำเงินถูกกระตุ้นเพียงชุดเดียว ก็จะมีความรู้สึกเห็นเป็นสีน้ำเงิน

• ถ้าเซลล์ประสาทรับแสงสีเขียวถูกกระตุ้นเพียงชุดเดียว ก็จะมีความรู้สึกเป็นสีเขียว

• ถ้าเซลล์ประสาทรับแสงสีทั้งสามชุดถูกกระตุ้นให้เกิดความรู้สึกพร้อม ๆ กัน และเท่า ๆ กัน จะเกิดความรู้สึกเห็นเป็นแสงสีขาว

• ถ้าเซลล์ประสาทรับแสงสีสองชุดหรือทั้งสามชุดถูกกระตุ้นความรู้สึกพร้อม ๆ กัน จะเกิดความรู้สึกมองเห็นเป็น แสงสีประกอบ (Compound Color) ซึ่งเป็นสีที่เกิด จากการผสมของแสงสีปฐมภูมิ เช่น สีแดงม่วง น้ำเงิน-เขียว และเหลือง เป็นต้น

• ถ้าหากว่าเซลล์ประสาทรับแสงสีทั้งสามชุดไม่ถูกเร้าหรือกระตุ้นให้เกิดความ รู้สึกเลย จะมีความรู้สึกว่ามองไม่เห็นแสงสีอะไรเลย

การผสมแสงสี

เมื่อฉาย แสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ซึ่งเป็นสีปฐมภูมิไปรวมกันบนฉากขาว ความรู้สึกในการมองเห็นสีบนฉากจะผสมกัน ทำให้เห็นเป็นสีต่าง ๆ ดังนี้

• แสงสีแดง + แสงสีน้ำเงิน = แสงสีม่วงแดง (Magenta)
• แสงสีแดง + แสงสีเขียว = แสงสีเหลือง (Yellow or lemon)
• แสงสีน้ำเงิน + แสงสีเขียว = แสงสีไซแอนหรือน้ำเงิน-เขียว (Cyan or Blue-Green)
• แสงสีแดง + แสงสีน้ำเงิน + แสงสีเขียว = แสงสีขาว(White)

ส่วนสีสอง สีที่รวมกันแล้วได้สีขาว สีทั้งสองเป็นสีเติมเต็ม (complementary colors) ของกันและกัน เช่น สีเหลือง เป็นสีเติมเต็มของสีน้ำเงิน และในขณะเดียวกันสีน้ำเงินก็เป็นสีเติมเต็มของสีเหลืองด้วย

ขอขอบคุณข้อมูลจาก:ผศ.ปรียา อนุพงษ์องอาจ
http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_25.htm

การแทรกสอดของแสง (Interference)

การ แทรกสอดของแสง (Interference) เกิดได้ต่อเมื่อคลื่นแสง 2 ขบวนเคลื่อนที่มาพบกัน จะเกิดการรวมตัวกันและแทรกสอดกันเกิดเป็นแถบมืดและแถบสว่างบนฉาก โดยแหล่งกำเนิดแสงจะต้องเป็นแหล่งกำเนิดอาพันธ์ (Coherent Source) คือเป็นแหล่งกำเนิดที่ให้คลื่นแสงความถี่เดียวกัน และความยาวคลื่นเท่ากัน นักวิทยาศาสตร์ที่ประสบความสำเร็จในการทดลองเพื่อทดสอบทฤษฎี คือ โทมัส ยัง นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ

โทมัส ยัง(Thomas Young - 14 มิถุนายน พ.ศ. 2316 – 10 พฤษภาคม พ.ศ. 2372) เป็นนักวิทยาศาสตร์และแพทย์ ชาวอังกฤษ

http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young_%28scientist%29

การทดลองเรื่องการแทรกสอดของแสง ทำได้โดย ให้แสงผ่านช่องแคบ (Slit) Soแล้วเลี้ยวเบนตกกระทบช่องแคบคู่ S1, S2ซึ่งทำหน้าที่เป็นเสมือนแหล่งกำเนิดอาพันธ์ เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านS1, S2เดินทางไปพบกัน จะทำให้เกิดการแทรกสอดกันในลักษณะทั้งเสริมและหักล้างกัน โดยปรากฎภาพการแทรกสอดบนฉากเห็นเป็นแถบสว่างแถบมืด ดังรูป

image :http://202.183.216.189/lesson/12_Light/content03.html

สมการการแทรกสอดของแสง

ถ้าให้ ช่องแคบ S1และ S2เป็นแหล่งกำเนิดแสงห่างกันเป็นระยะ d เมื่อแสงเดินทางจากช่องแคบมาถึงฉากด้วยระยะทางที่ต่างกัน เดินทางมาพบกันบนจุดเดียวกันคือจุด P จะได้ผลต่าง S1P กับ S2P เป็นดังสมการ

image: http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_21.htm

จากภาพการแทรกสอดของแสง พบว่า

S2P - S1P = d sinθ
เนื่องจากมุมเป็นมุมน้อย ๆ จะได้=สามารถสรุปสมการที่ใช้คำนวณเกี่ยวกับสลิตคู่ ดังนี้

1. เมื่อ S1, S2มีเฟสตรงกัน
การแทรกสอดแบบเสริมกัน(แนวกลางเป็นแนวปฏิบัพ A0)

S2P - S1P = nλ

d sinθ=nλ
d y/L =nλ

เมื่อ n = 0, 1, 2, 3, ....

การแทรกสอดแบบหักล้างกัน

S2P - S1P = (n-1/2)λ

d sinθ=(n-1/2)λ
d y/L =(n-1/2)λ

เมื่อ n = 1, 2, 3, ....

2. เมื่อ S1, S2มีเฟสตรงข้ามกัน
การแทรกสอดแบบเสริมกัน

S2P - S1P = (n-1/2)λ

d sinθ=(n-1/2)λ
d y/L =(n-1/2)λ

เมื่อ n = 1, 2, 3, ....

การแทรกสอดแบบหักล้างกัน(แนวกลางเป็นแนวบัพ N0)

S2P - S1P = nλ

d sinθ=nλ
d y/L =nλ

เมื่อ n = 0, 1, 2, 3, ....

ตัวอย่างช่องแคบคู่มีระยะห่างระหว่างช่อง 0.1 มิลลิเมตร เมื่อฉายแสงความยาวคลื่น 600 นาโนเมตร ผ่านช่องแคบคู่ ปรากฎว่าแถบสว่างลำดับที่สองบนฉากห่างออกไป 80 เซนติเมตร จะอยู่ห่างจากแนวกลางเท่าใด

แนวคิดจากปัญหานี้เราทราบว่า d = 0.1 10-3m, λ = 600 10-9m , L = 0.8 m และ n = 2 ต้องการทราบระยะห่างของแถบสว่างที่สองจากตรงกลาง y = ?
จากความสัมพันธ์

d y/L =nλ

(0.1 10-3m)y/(0.8 m) =2 (600 10-9m)

Vy =9.6 10-3m

Vy =9.6 mm

ตอบแถบสว่างลำดับที่สองอยู่ห่างจากแนวกลาง 9.6 มิลลิเมตร

เรียบเรียงจาก:
http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young_%28scientist%29

http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_21.htm

http://202.183.216.189/lesson/12_Light/content03.html

http://thaigoodview.com/node/76172

เคยสงสัยไหมว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า?

สี ของท้องฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ตอนกลางวันท้องฟ้าเป็นสีฟ้าส่วนตอนเช้าและตอนเย็นท้องฟ้าเป็นสีส้มแดง ทั้งหมดเกิดจากปรากฎการณ์ที่ เรียกว่า“การกระเจิงของแสง”

การกระเจิงของแสง (Scattering)คือ ปรากฏการณ์ที่แสงกระจัดกระจายไปโดยรอบ เมื่อแสงเดินผ่านผ่านโมเลกุลต่าง ๆ โดยแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยจะสามารถกระเจิงแสงได้ดีกว่าแสงที่มีความยาวคลื่นสูง

แสงจากดวงอาทิตย์ประกอบด้วยครื่นแสง 7 สี ที่รวมกันเป็นสีขาว ได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง โดยที่ความยาวคลื่นจะต่างกันไป

<ม่วง> สั้นที่สุด <---> ยาวที่สุด <แดง>

ซึ่งความยาวของคลื่นแสงแต่ละสีนี้มีส่วนสัมพันธ์ต่อการกระเจิงของแสงโดยแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยจะกระเจิงมาก ได้แก่แสงสีม่วง คราม น้ำเงิน ส่วนแสงที่มีความยาวคลื่นมาก เหลือง แสด แดง จะกระเจิงน้อย

ตัวอย่างการกระเจิงของแสงในสารละลาย
ปรากฏการณ์ทินดอลล์ เป็นสมบัติอย่างหนึ่งของคอลลอยด์ ซึ่งเกิดจากการกระเจิงแสง (Scattering of light) ของอนุภาคของคอลลอยด์ที่อยู่ในสารละลาย ดังรูป

จากรูปเมื่อฉายแสงเข้าไปในระบบที่เป็นคอลลอยด์ อนุภาคของคอลลอยด์ สามารถเกิดการกระเจิงแสงได้ ทำให้เราสามารถมองเห็นลำแสงที่วิ่งผ่านคอลลอยด์ แสงที่วิ่งผ่านสารละลาย จึงมีความเข้มของแสงลดลง ปรากฏการณ์ดังกล่าว เรียกว่า ทินดอลล์ (Tyndall effect) จากปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นสามารถอธิบายได้ว่า เมื่อฉายแสงเข้าไปในระบบที่เป็นคอลลอยด์ อนุภาคของคอลลอยด์ซึ่งมีขนาดอนุภาคใกล้เคียงกับความยาวคลื่นแสงที่ตาของคนเรามองเห็น แสงที่ตกกระทบบนอนุภาคของคอลลอยด์จะถูกกระเจิงออก เราจึงสามารถมองเห็นลำแสงที่ผ่านระบบคอลลอยด์ ดังนั้นในการแยกสารละลายคอลลอยด์ จึงใช้ปรากฏการณ์ทินดอลล์ แยกของผสมที่เป็นสารละลายกับคอลลอยด์ออกจากกัน

นอกจากนี้แล้วปรากฏการณ์ทินดอลล์ ก็สามารถเกิดขึ้นในธรรมชาติ และตาคนเราก็สามารถสังเกตเห็นได้ เช่น ปรากฏการณ์รุ้งกินน้ำ ที่เกิดจากโมเลกุลของละอองน้ำ เกิดการกระเจิงกับแสงอาทิตย์ หลังจากที่ฝนตก หรือ การกระเจิงของฝุ่นในอากาศกับแสงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เราทราบว่า แสงเดินทางเป็นเส้นตรงสีของท้องฟ้า

สีของท้องฟ้า

สีของท้องฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ตอนกลางวันท้องฟ้าเป็นสีฟ้า ส่วนตอนเช้าและตอนเย็นท้องฟ้าเป็นสีส้มแดง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะ“การกระเจิงของแสง” (Scattering of light) คลื่นแสงแต่ละสีมีขนาดความยาวคลื่นไม่เท่ากัน เมื่อตกกระทบโมเลกุลของอากาศ ก็จะเกิดการกระเจิงของแสงที่แตกต่างกันออกไป คล้ายกับการที่คลื่นของน้ำเมื่อกระแทกกับเขื่อน ถ้าขนาดของคลื่นเล็กกว่าเขื่อน (<d) คลื่นก็จะกระเจิงหรือสะท้อนกลับ แต่ถ้าขนาดของคลื่นใหญ่กว่าเขื่อน (>d) คลื่นก็จะเคลื่อนที่ข้ามเขื่อนไปได้

ภาพการกระเจิงของแสง

ปัจจัยของการกระเจิงของแสง

ขนาดความยาวคลื่น: แสงสีน้ำเงินมีคลื่นสั้น แสงสีแดงมีคลื่นยาว แสงคลื่นสั้นเกิดการกระเจิงได้ดีกว่าแสงคลื่นยาว
ขนาดของอุปสรรค:โมเลกุลของก๊าซในบรรยากาศมีขนาดเล็ก ส่วนโมเลกุลของไอน้ำ และฝุ่นที่แขวนลอยในบรรยากาศมีขนาดใหญ่
มุมที่แสงตกกระทบกับบรรยากาศ: แสงอาทิตย์เวลาเที่ยงทำมุมชันกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านมวลอากาศเป็นระยะทางสั้น ทำให้แสงเดินทางผ่านอุปสรรคไม่มากนัก ส่วนในตอนเช้าและตอนเย็นแสงอาทิตย์ทำมุมลาดกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านมวลอากาศเป็นระยะทางยาว ทำให้อุปสรรคตามทางเดินของแสงมีมาก

ปริมาณสารแขวนลอยในอากาศ: ในช่วงเวลาบ่ายและเย็น อากาศและพื้นผิวโลกมีอุณหภูมิสูง มีฝุ่นละอองลอยอยู่ในอากาศมาก เป็นอุปสรรคขวางกั้นทางเดินของแสง

ภาพการเคลื่อนที่ข้ามโมเลกุลอากาศของคลื่น

ท้องฟ้าเวลากลางวัน

แสงอาทิตย์ทำมุมชันกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางสั้น อุปสรรคที่กีดขวางมีน้อย แสงสีม่วง คราม และน้ำเงิน มีความยาวคลื่นเล็กกว่าโมเลกุลของอากาศจึงกระเจิงไปบนท้องฟ้าในหลายทิศทาง ทำให้เรามองเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้า ในบริเวณที่มีมลภาวะทางอากาศน้อย เช่น ตามเกาะในทะเล เราจะเห็นท้องฟ้าเป็นสีน้ำเงิน ส่วนในบริเวณที่มีมลภาวะ มีสารแขวนลอยในอากาศมาก แสงสีเขียวและสีเหลืองจะเกิดการกระเจิงด้วย เราจึงมองเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้าอ่อน

ภาพที่ 3 ท้องฟ้าเวลากลางวัน

หมายเหตุ: แม้ว่ารังสีจากดวงอาทิตย์มีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานสูงสุด (lma) อยู่ในย่านสีเหลือง แต่เราจะมองเห็นดวงอาทิตย์เป็นสีขาวในเวลากลางวัน เนื่องจากความเข้มของแสงอาทิตย์มีมาก

ท้องฟ้าเวลาเช้า และเวลาเย็น

แสงอาทิตย์ทำมุมลาดกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านมวลอากาศเป็นระยะทางยาว อุปสรรคที่ขวางกั้นมีมาก แสงสีม่วง คราม และน้ำเงิน ไม่สามารถเดินทางผ่านอุปสรรคไปได้ จึงกระเจิงอยู่รอบนอก ส่วนแสงสีเหลือง ส้ม และแดง กระเจิงในแนวราบตามแนวลำแสง ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์และท้องฟ้าในบริเวณใกล้เคียงเป็นสีแดง

หมายเหตุ: ท้องฟ้าเวลาเย็นมีสีแดงมากกว่าตอนรุ่งเช้า เนื่องจากอุณหภูมิสูงในตอนบ่าย ทำให้มีฝุ่นละอองในอากาศมากกว่าตอนเช้า ประกอบกับฝุ่นละอองในอากาศถูกชะล้างด้วยน้ำค้างในตอนเช้ามืด ดังนั้นตอนเย็นจึงมีการกระเจิงของแสงสีแดงมากกว่าตอนเช้า

ภาพท้องฟ้ารุ่งเช้าและยามเย็น

สรุปการมองเห็นสีของท้องฟ้า

ท้องฟ้าเป็นสีฟ้านั้นเกิดจากการกระเจิงแสงของโมเลกุลในชั้นบรรยากาศของโลก โดยเมื่อแสงขาวจากแสงแดดผ่านเข้ามายังชั้นบรรยากาศของโลกจะกระทบกับโมเลกุลของอากาศทำให้กระจัดกระจายไปโดยรอบ เราพบว่าแสงสีม่วง ซึ่งมีความยาวคลื่นน้อยที่สุดจะกระเจิงได้ดีที่สุดถัดมาคือแสงสีฟ้า แต่ในความเป็นจริงเรตินาของคนเรา มีประสาทรับแสงที่ไวต่อแสงสีฟ้ามากกว่าสีม่วง ทำให้เรามองไม่ค่อยเห็นส่วนที่เป็นสีม่วง แต่จะเห็นสีฟ้ามากกว่าในเวลากลางวัน เมื่อถึงช่วงเวลาเย็นท้องฟ้าจะเปลี่ยนสีกลายเป็นสีส้มหรือสีแดง นั่นเป็นเพราะในเวลาเย็นหรือเช้า แสงจะเข้ามาเฉียงๆ เป็นมุม ทแยงกับพื้นโลก และต้องผ่านบรรยากาศหนาขึ้นมากกว่าเวลาที่พระอาทิตย์ตรงศีรษะ และกว่าจะเดินทางถึงตาเรา แสงสีฟ้าส่วนใหญ่จะกระเจิงออกไปหมด ทำให้แสงที่เหลือ ซึ่งเป็นพวกสีส้มสีแดงที่จะกระเจิงแสงเข้าสู่ตา เมื่อเวลาเย็น ท้องฟ้าก็จะเริ่มเปลี่ยนสีไปทางสีส้มมากขึ้น

ขอขอบคุณข้อมูลจาก
LESA :http://portal.edu.chula.ac.th/lesa_cd/assets/document/LESA212/6/scattering/scattering.html
สำนักเทคโนโลยีเพื่อการเรียนการสอน สพฐ. :http://www.obeclms.com/lesson/12_Light/content06.html

โพลาไรเซชันของแสง (Polarization of light)

ดูตัวอย่างแสงโพลาไรซ์ที่เกิดจากการสะท้อนที่ผิวน้ำ(click to see)

โพลาไรเซชัน เป็นปรากฏการณ์ของคลื่นตามขวาง คือ เป็นคลื่นที่มีระนาบการสั่นในระนาบใดระนาบหนึ่งเพียงระนาบเดียว คลื่นแสงที่ถูกปล่อยออกมามาจากแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่จะเป็นคลื่นที่มีระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าหลายระนาบจึงเป็นแสงที่ไม่โพลาไรซ์ ถ้าเราเอาแผ่นโพลารอยด์ไปกั้น(Analyzer)แสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์มาจะเป็นแสงที่มีระนาบการสั่นเพียงระนาบเดียวตามแกนของแผ่นโพลารอยด์ แสงที่ผ่านมานี้เรียกว่าแสงโพลาไรซ์ (ความเข้มของแสงจะลดไปครึ่งหนึ่งจากเดิม)ดังรูป

ดูการใช้แผ่นโพลารอยด์เป็นตัวกรองแสงที่ไม่โพลาไรซ์ให้เป็นแสงโพลาไรซ์ (click to see)

ตัวอย่างการนำหลักการของโพลาไรซ์ไปประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน

Polarized Light MicroscopyNikon
การถ่ายภาพโดยใช้หลักโพลาไรซ์

นอกจากการใช้แผ่นโพลารอยด์แล้ว แสงโพลาไรซ์อาจเกิดจากการสะท้อนได้ ตามหลักของบริวเตอร์(Brewster)กล่าวว่า
" ถ้าแสงไม่โพลาไรซ์ตกกระทบกับตัวกลางด้วยมุมตกกระทบค่าหนึ่ง แล้วพอดีทำให้แสงสะท้อนและแสงหักเหตั้งฉากกันแสงสะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรซ์"ดังรูป

เมื่อแสงตกกระทบทำมุม(q)ในตัวกลางหนึ่งแล้วทำให้ลำแสงสะท้อนและลำแสงหักเหทำมุมกัน90oดังในรูปที่1(Figure 1)เราเรียกมุมตกกระทบว่ามุม"มุมบริวสเตอร์"(brewsters angle)

ดูตัวอย่างมุมบริวสเตอร์(brewsters angle:click to see)

ข้อมูลจาก :http://www.sa.ac.th/winyoo/light/light_physical/polarization_light.htm