คุณสมบัติของแสง

จากบทที่แล้ว ที่บอกได้ว่า แสงมีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค บทนี้เราจะมาเรียนรู้คุณสมบัติของแสงกันครับ

แสงจะมีคุณสมบัติที่สำคัญ 4 ข้อ ได้แก่

1) เดินทางเป็นเส้นตรง (Rectilinear propagation)

2) การหักเห (Refraction)

3) การสะท้อน (Reflection)

4) การกระจาย (Dispersion)

การเดินทางเป็นเส้นตรง

การเดินทางแสงเป็นเส้นตรง ในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเห (refractive index ; n) ของแสงเท่ากัน แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงโดยค่าดัชนีการหักเหของแสง หรือ ค่า n สามารถหาได้จาก

n คือ ดัชนีหักเหของแสงในตัวกลางนั้น ๆ

c คือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ

v คือ ความเร็วแสงในตัวกลางนั้น ๆ

การหักเห

เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง แสงบางส่วนสะท้อนกลับไปในตัวกลางเดิม ส่วนแสงที่เหลือจะหักเหเข้าไปในตัวกลางใหม่

ในการหักเหความถี่ของแสงก่อนและหลังการหักเหเท่าเดิมเสมอ แต่แสงจะมีความเร็วลดลงเมื่อเคลื่อนที่เข้าไปในตัวกลาง ดังนั้นเราจึงเราจึงทราบได้ว่า ความยาวคลื่นจะต้องเปลี่ยนไปเป็นสัดส่วนกับความเร็ว ส่วนทิศทางการเคลื่อนที่ของแสงนั้นส่วนมากแล้วจะเปลี่ยนเมื่อเทียบกับทิศทางเดิม ยกเว้นกรณีเดียวคือ กรณีที่มุมตกกระทบเป็นศูนย์ (คือแสงส่องไปเลยตรงๆ)

สมการที่ใช้ในการอธิบายเรื่องการหักเหของแสงคือกฎของสเนลล์ ดังนี้

n1 คือดัชนีหักเหของตัวกลาง 1

n2 คือดัชนีหักเหของตัวกลาง 2

Ɵ1 คือมุมตกกระทบ

Ɵ2 คือมุมหักเห

การสะท้อน

เมื่อแสงเดินทางไปเจอขอบเขตระหว่างตัวกลางสองตัวกลาง แสงบางส่วนสะท้อนกลับ และบางส่วนก็จะเคลื่อนที่ต่อไปนตัวกลางถัดไป โดยกฎการสะท้อนของแสงดังนี้

1. เส้นปกติ รังสีตกกระทรบ และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน

2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

เส้นปกติคือเส้นที่ลากขึ้นมาตั้งฉากกับผิวการสะท้อนนั่นเอง ส่วนมุมตกกระทบกับมุมสะท้อนนั้น เวลาวัดมุมให้วัดเทียบกับเส้นปกติเท่านั้น

การสะท้อนของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ

1. การสะท้อนแบบปกติ (Regular reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบกับวัตถุที่มีผิวเรียบมัน

2. การสะท้อนแบบกระจาย (Diffuse reflection)จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบวัตถุที่มีผิวขรุขระ

โดยการสะท้อนของแสงไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตามจะต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสงที่ว่า"มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ"

การกระจาย

แสงที่เราเห็นในธรรมชาติทุกๆวันเป็นแสงอาทิตย์และแสงจากหลอดไฟ เป็นแสงขาว (white light) โดยแสงขาวที่ประกอบด้วยแสงสีต่างๆได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง เมื่อผ่านแสงเข้าไปในตัวกลาง ที่ยอมให้แสงผ่านได้ เช่น แก้ว หรือน้ำ จะเกิดการหักเหของแสงขึ้น ทั้งนี้ สารชนิดเดียวกันจะมีดรรชนีหักเหของแสงขึ้นอยู่ กับแสงสีต่างๆไม่เท่ากันดังนั้นเมื่อแสงผ่านเข้าไปในอุปกรณ์เช่น ปริซึม(Prism) ซึ่งก็จะเห็นแสงกระจายออกเป็นสีต่างๆ และเรียก แสงที่การกระจายออกมาจากแสงขาวว่าสเปกตรัมของแสงขาว

จากรูปเมื่อฉากแสงขาวผ่านปริซึมและทำให้แสงขาวนั้นกระจายออกเป็นสีต่างมุมในรูปเรียกว่ามุมเบี่ยงเบนสังเกตได้ว่ามุมของแสงสีแดงจะมีค่าน้อยที่สุด และมุมเบี่ยงเบนของสีม่วงมีค่ามากที่สุด

การสะท้อนกลับหมด

การสะท้อนกลับหมดเป็นกรณีพิเศษหนึ่งที่แสงเดินทางจากตัวกลางหมายเลข 1 ที่มีดัชนีหักเหมากไปตัวกลาง 2 ที่มีดัชนีหักเหน้อย แสงจะแบนออกจากเส้นปกติ แต้ถ้ามันเบนออกไปมากจนเกิดกรณีว่ามุมหักเหเป็นมุมฉาก เราจะเรียกมุมตกกระทบที่ทำให้มุมหักเหเป็นมุมฉาก ว่ามุมวิกฤต (Ɵc)

จากนั้นถ้าแสงตกกระทบด้วยมุมที่มากกว่ามุมวิกฤตแล้ว จะเกิด“การสะท้อนกลับหมด”นั่นคือแสงทั้งหมดเกิดการสะท้อนกลับหมด และไม่เกิดการหักเห

จากกฎของสเนลล์

ให้แสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปสอง (n1>n2) ที่มุมวิกฤต Ɵ1= Ɵcจะได้ว่า Ɵ2= 90o

ดังนั้น n1sinƟc= n2sin90oจัดรูปได้ดังต่อไปนี้

sinƟc= n2/ n1

หลักการนี้สามารถนำไปประยุกต์ทำเป็นใยแก้วนำแสงได้ โดยสร้างใยแก้วเป็นสองชั้นทีมีดัชนีหักเหแสงต่างกัน ชั้นในเป็นส่วนที่ให้แสงเดินทางเข้ามา จึงมีดัชนีหักเหแสงสูง ส่วนชั้นนอกมีหน้าที่สะท้อนแสงกลับ จึงมีดัชนีหักเหแสงต่ำ แสงที่ถูกส่งเข้ามาจะเกิดการสะท้อนกลับหมดที่ขอบเขตกั้นระหว่างส่วนชั้นในกับชั้นนอก ดังนั้นแสงจะสามารถถูกส่งไปมาตามชั้นในของเส้นใยได้

ในการประยุกต์ใช้ประโยชน์ของใยแก้วนำแสงมีด้วยกันมากมาย ไม่ว่าจะเป็นทางการสื่อสารโดยใช้ใยแก้วนำแสงในการส่งข้อมูล เช่น สัญญาณอินเตอร์เน็ต หรือในทางการแพทย์ที่ใช้ใยแก้วส่องอวัยวะภายในของผู้ป่วย เป็นต้น

สามารถดูคลิปวิดิโอการสะท้อนกลับหมด เพื่อให้เห็นภาพได้ขัดเจนขึ้น ดังนี้ครับ

ขอบคุณภาพจาก http://www.rmutphysics.com

การเกิดรุ้ง

ปรากฎการณ์การเกิดรุ้ง เป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติที่หยดน้ำฝนหรือละอองน้ำทำหน้าที่ปริซึมหักเหแสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่องลมาจะเกิดการหักเหทำให้เกิดเป็นแถบสีบนท้องฟ้า เรียกว่าการกระจายแสง

การกระจายแสงเกิดขึ้นเพราะแสงแต่ละสีมีความถี่ไม่เท่ากัน ทำให้ดัชนีหักเหสำหรับแสงแต่ละสีไม่เท่ากัน ส่งผลให้การหักเหแสงภายในหยดน้ำแตกต่างกัน

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

ประเภทของรุ้ง

การเกิดรุ้งมี 2 ประเภทคือ

• รุ้งปฐมภูมิเป็นรุ้งตัวล่าง เกิดจากแสงขาวส่องทางด้นบนของละอองน้ำ เกิดการหักเห จากนั้นสะท้อนภายในหยดน้ำ 1 ครั้ง และหักเหออกสู่อากาศเข้าสู่นัยน์ตาของผู้สังเกต รุ้งปฐมภูมินี้จะเห็นสีแดงอยู่บน และสีม่วงอยู่ด้านล่าง
• รุ้งทุติยภูมิเป็นรุ้งตัวบน เกิดจากแสงขาวส่องทางด้านล่างของละอองน้ำ เกิดการหักเห จากนั้นสะท้อนภายในหยดน้ำ 2 ครั้ง และหักเหออกสู่อากาศเขาสู่นัยน์ตาของั้งเกต รุ้งทุติยภูมินี้จะเห็นสีม่วงอยู่บนและสีแดงอยู่ด้านล่าง

การมองเห็นรุ้ง

Aristotle คือนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ได้พยายามอธิบายที่มาของรุ้งว่า เกิดจากการสะท้อนแสดงอาทิตย์โดยก้อนเมฆ และการที่เราเห็นรุ้งโค้งนั้นเพราะแสงอาทิตย์ที่สะท้อนมาเข้าตา เราทำมุมเฉพาะมุมหนึ่งกับเมฆ และเมื่อถ้าทุกรังสีเวลา สะท้อนทำมุมๆ นั้นเท่ากันหมด เราจึงเห็นรุ้งโค้งเป็นรูปครึ่งวงกลม คำอธิบายของ Aristotle จึงมีส่วนถูกในประเด็นที่ว่า ตำแหน่งของเมฆ มิได้เป็นกำหนดการเกิดรุ้งแต่ทิศที่แสงสะท้อนมาเข้าตาเรา ต่างหากที่เป็นตัวกำหนดตำแหน่งและลักษณะของรุ้ง

Roger Bacon เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พบว่า รุ้งปฐมภูมิอยู่สูงกว่าระดับสายตาของคนดูประมาณ 42 องศาเสมอ และรุ้งชนิดทุติยภูมิจะอยู่สูงขึ้นไปอีกประมาณ 8 องศาคือ 50 องศา แต่ในปัจจุบันนี้การวัดมุมแสดงตำแหน่งของรุ้ง มานิยมวัดสวนทิศกับที่ Bacon วัด ดังนั้น มุมของรุ้งทั้งสองจึงเป็น 180-42 = 138 องศา และ 180-50 = 130 องศา ตามลำดับ

หลังจากที่ Aristotle ได้ศึกษารุ้งแล้ว อีก 1,700 ปีต่อมาก็ไม่มีใครสนใจศึกษาเรื่องนี้อีกเลย จนกระทั่งถึงปี พ.ศ. 1847 บาทหลวงชาวเยอรมันคนหนึ่งชื่อ Theodoric แห่งเมือง Freibury ได้ปฏิเสธความคิดของ Aristotle ที่ว่ารุ้งเกิดจาก การสะท้อนของแสงอาทิตย์โดยกลุ่มหยดน้ำฝนในก้อนเมฆเมื่อ Theodoric สร้างถังแก้วรูปทรงกลมที่มีขนาดใหญ่แล้วบรรจุน้ำเต็ม เขาได้ทดสอบทฤษฎีของเขาโดยการฉายแสงเข้าไปในน้ำในถังแก้ว ความโปร่งใสของน้ำทำให้เขาสามารถเห็นเส้นทางเดินของน้ำ ในถังได้ด้วยตาตั้งแต่ต้นจนกระทั่งแสงทะลุผ่านถังแก้วไป และเขาก็ได้พบว่าเพียงถังแก้วถังเดียว เขาก็สามารถทำให้เกิดรุ้งได้แล้ว โดยไม่ต้องใช้ถังเป็นล้านๆ ถัง Theodoric จึงคิดว่ารุ้งสามารถเกิดจากหยดน้ำฝนเพียงหนึ่งหยดได้

การค้นพบของ Theodoric นี้ไม่มีใครสนใจเลย จนกระทั่งถึง 300 ปีต่อมา เมื่อ R. Descartes อ่านผลงานของ Theodoric และได้พัฒนาความคิดเรื่องรุ้งต่อ Descartes ได้แสดงให้เห็นว่า รุ้งปฐมภูมิเกิดเมื่อแสงอาทิตย์สะท้อนภายในหยดน้ำ หนึ่งครั้งและรุ้งทุติยภูมิเกิดเมื่อแสดงอาทิตย์สะท้อนที่ผิวภายในหยดน้ำสองครั้ง เพราะเหตุว่าในการสะท้อนแต่ละครั้ง แสงบางส่วน จะหายไป ดังนั้นเมื่อรุ้งทุติยภูมิเกิดจากการสะท้อนแสงอีกครั้ง รุ้งทุติยภูมิจึงมีความเข้มที่เจือจางยิ่งกว่ารุ้งปฐมภูมิตามที่ตาเห็น

ทำไมรุ้งถึงเป็นเส้นโค้ง?

รุ้งที่เกิดขึ้นทำใมถึงมีลักษณะโค้งก็เนื่องมาจากหยดน้ำที่ทำ ให้เกิดรุ้งนั้นมีลักษณะกลม และผู้สังเกตจะพบว่า เวลาเรามองดูรุ้งขณะที่เราอยู่บนพื้นดิน เราจะเห็นเพียงครึ่งวงกลมเท่านั้น เนื่องจากรัศมีในการมองเห็นของแสงที่สะท้อน แต่ถ้าหากผู้สังเกตอยู่บนที่สูงเช่นยอดเขา หรือหากให้ดีบนเครื่องบินผู้สังเกตอาจพบเห็นรุ้งเป็นวงกลม

ขอบคุณข้อมูลและภาพจาก

http://www.mwit.ac.th
http://www.lesa.biz