คลื่นแสง

• ความหมายของเเสง (Light)

แสง (light) คือ คลื่นชนิดหนึ่งและมีพลังงานการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลต แสงช่วงที่ตาสามารถ มองเห็นมีค่าอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร และมีความถี่อยู่ในช่วง 103-105 เฮิรตซ์ โดยแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด หรือ ความถี่สูงสุด ส่วนแสงสีอื่น ๆ ให้สเปคตรัมของแสงในช่วงนี้ก็มีความยาวคลื่นสูงขึ้นตามลำดับ จนถึงแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุดหรือมีความถี่ต่ำที่สุด

• น่ารู้..

– แสง เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดเดียวที่ตามองเห็น (visible)   – อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ จะมีค่าประมาณ 3 x 108 m/s

– แสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค (ทวิภาคของคลื่น)

• สมบัติของแสง

– แสงเป็นคลื่น : แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้า และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และแสงก็มีการเลี้ยวเบนด้วย ซึ่งการเลี้ยวเบนก็แสดงคุณสมบัติของคลื่น

– แสงเป็นอนุภาค : แสงเป็นก้อนพลังงานมีค่าพลังงาน E = hf โดยที่ h คือค่าคงตัวของพลังค์ และ f คือความถี่ของแสง เรียกอนุภาคแสงว่าโฟตอน

• หน้าคลื่นและรังสีของแสง

เมื่อเกิดคลื่นบนผิวน้ำจะเห็นหน้าคลื่นแผ่ออกจากจุดกำเนิดคลื่นเป็นรูปวงกลม แต่ถ้าเป็นแสง โดยแหล่งกำเนิดแสงเป็นจุดก็จะแผ่หน้าคลื่นออกไปเป็นรูปทรงกลม ถ้าลากเส้นจากจุดกำเนิดคลื่นออกไปในแนวตั้งฉากกับหน้าคลื่น เส้นที่ลากออกไปนี้เราเรียกว่า รังสีของเเสง ในกรณีที่แหล่งกำเนิดแสงอยู่ไกลมาก ๆ หน้าคลื่นของแสงจะเป็นหน้าคลื่นระนาบ ดังนั้นรังสีของแสงจึงเป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งรังสีของแสงสามารถบอกถึงลักษณะ การเคลื่อนที่ของคลื่นและหน้าคลื่นได้ ดังนั้นในการศึกษาเกี่ยวกับแสงจึงใช้รังสีของแสงแทนหน้าคลื่น

• การสะท้อนของแสง ( Reflection )

เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งตกกระทบกับผิวของอีกตัวกลางหนึ่ง แสงจะเกิดการสะท้อนขึ้นกลับมาในตัวกลางเดิม โดยแสงที่สะท้อนออกมาจะเปลี่ยนแปลงตามพื้นผิว โดยถ้าพื้นผิวเรียบแสงสะท้อนจะเป็นระเบียบ แต่ถ้าผิวขุรขระ แสงสะท้อนจะกระจัดกระจายไม่เป็นระเบียบ ดังรูป

1. มุมตกกระทบ( i ) มีค่าเท่ากับมุมสะท้อน( r )
2. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อนและเส้นแนวฉาก จะอยู่ในระนาบเดียวกัน

• ลักษณะความเป็นคลื่นของแสง

        แสง หมายถึง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าตั้งฉากซึ่งกันและกัน เคลื่อนที่ไปพร้อมกัน โดยทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตั้งฉากกับทิศทางของสนามทั้งสอง (ดูภาพประกอบ) ลักษณะความเป็นคลื่นของแสงระบุได้ด้วยสมบัติอย่างใดอย่างหนึ่งใน 3 อย่าง กล่าวคือ
      - ความยาวคลื่น (): ระยะระหว่างยอดคลื่น(crest)ที่อยู่ติดกัน วัดในหน่วยความยาว เช่น เมตร เซนติเมตร เป็นต้น
      - ความถี่คลื่น (f): จำนวนการสั่นไหวของคลื่น (wave oscillatation) หรือ จำนวนลูกคลื่นต่อวินาที วัดในหน่วย cm^-1 (Hz)
      - ความเร็วคลื่น (V): สัมพันธ์กับความยาวคลื่นและความถี่คลื่นดังสมการ V = f  วัดในหน่วย เมตรต่อวินาที เป็นต้น
        กรณีของคลื่นแสง, v คือ ความเร็วแสง c = 3x10⁸ เมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นค่าคงที่ ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้น จะมีความถี่คลื่นสูง คลื่นที่มีความยาวคลื่นยาวจะมีความถี่ต่ำ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นคลื่นวิทยุ ไมโครเวพ อินฟราเรด อัลตราไวโอเล็ต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา ฯลฯ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันหมด คือ ความเร็วแสง แม้ว่าคลื่นแต่ละชนิดดังกล่าวจะมีพลังงานไม่เท่ากัน
        สมบัติความเป็นคลื่นของแสงได้รับการยืนยันจากการทดลองเกี่ยวกับการสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน และการแทรกสอดว่ามีอยู่จริงและสามารถคำนวณผลลัพธ์ได้อย่างถูกต้อง เช่น การทดลองให้แสงผ่านช่องเล็กยาวแบบคู่ของทอมัส ยัง ในปี 
ค.ศ.1801 พบว่ามีการแทรกสอดของคลื่นแสงจากเส้นสว่างและมืดสลับกันอย่างชัดเจน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดแรกที่ถูกค้นพบ คือ คลื่นวิทยุ พบโดย ไฮน์ริช แฮตซ์ ในห้องทดลองที่เบอร์ลินในปี 1888

ลักษณะความเป็นอนุภาคของแสง
        แสง ประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคขนาดเล็ก แต่ละอนุภาคมีมวลน้อยมากจนถือว่าปราศจากมวล เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง อนุภาคดังกล่าวเราเรียกว่า โฟตอน พลังงานของแต่ละโฟตอนมีค่าเท่ากับ hf เรียกว่าปริมาณ 1 ควอนตัม โดย h คือ ค่าคงที่ของพลังค์ = 6.63x10-^-34 J s และ f คือ ความถี่คลื่นแสง 
        ผู้ที่เสนอความคิดว่าแสงประกอบด้วยกลุ่มก้อนพลังงานที่เรียกว่า ควอนตา เป็นคนแรกคือ มักซ์ พลังค์ ในปี 1900 ผู้ที่พิสูจน์เป็นคนแรกว่าแสงประกอบด้วยลำโฟตอน คือ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ จากการตีพิมพ์คำอธิบายเกี่ยวกับ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในปี 1905

•  ประโยชน์ของแสง

เป็นพลังงานรูปหนึ่งซึ่งไม่ต้องการที่อยู่ ไม่มีน้ำหนัก แต่สามารถทำงานได้  ในแสงอาทิตย์ มีคลื่นรังสีหลายชนิดตามที่ได้กล่าวมาแล้วในตอนต้น  ประโยชน์ที่เราได้รับจากแสงอาทิตย์มีอยู่  2  ส่วนคือ  ความร้อน และแสงสว่าง ในชีวิตประจำวัน เราได้รับประโยชน์จากความร้อน และแสงสว่างของดวงอาทิตย์ตลอดเวลา แสงอาทิตย์ทำให้โลกสว่าง เราสามารถทำกิจกรรมต่างๆ ได้อย่างสะดวก อาชีพหลายอาชีพต้องใช้ความร้อนของแสงอาทิตย์โดยตรง แม้ตอนที่ดวงอาทิตย์ตกดิน เราก็ยังได้รับความอบอุ่นจากแสงอาทิตย์ที่พื้นโลกดูดซับไว้ ทำให้เราไม่หนาวตาย  ประโยชน์ของแสงสามารถแบ่งได้เป็น 2 ทาง คือ ประโยชน์ทางตรง และประโยชน์ทางอ้อม

1) ประโยชน์จากแสงทางตรง   เช่น  การทำนาเกลือ  การทำอาหารตากแห้ง  การตากผ้า  การฆ่าเชื้อโรคในน้ำดื่ม ต้องอาศัยความร้อนจากแสงอาทิตย์  การแสดงหนังตะลุง และภาพยนตร์ ต้องใช้แสงเพื่อทำให้เกิดเงาบนจอ  การมองเห็นก็ถือเป็นการใช้ประโยชน์จากแสงทางตรง

2) ประโยชน์จากแสงทางอ้อม   เช่น ทำให้เกิดวัฏจักรของน้ำ  (การเกิดฝน)  พืชและสัตว์ที่เรารับประทาน ก็ได้รับการถ่ายทอดพลังงานมาจากแสงอาทิตย์

• โทษของคลื่นแสง

แสงแดด นับว่าเป็นแสงที่มีคุณค่า ที่สิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้ใช้ประโยชน์ ในคุณประโยชน์นั้นก็มีโทษ แฝงอยู่เช่นกัน ทั้งนี้เพราะแสงอัลตราไวโอเลตที่มีพลังงานสูง ในแสงแดด อาจทำลายจอประสาทตา และเลนส์ตา จนเสื่อมสภาพ เกิดเป็นโรคต้อกระจก อาจลุกลามจนตาบอดได้ ถ้าเรามองแสงอาทิตย์ โดยตรงเป็นเวลานานๆโดยไม่มีอุปกรณ์ป้องกัน  และ แสง ยูวี บี (UV-B) มีส่วนทำให้ผิวหนังไหม้เกรียม มีส่วนทำให้เกิดมะเร็งผิวหนังได้ ทุกวันนี้แสงยูวี บี ตกกระทบพื้นโลกมากขึ้น ทั้งนี้เพราะปริมาณโอโซน ในบรรยากาศชั้นสตาร์โตสเฟียร์ (stratosphere)ที่ทำหน้าที่ดูดกลืนแสงยูวี มีปริมาณลดลง เนื่องจากถูกทำลายจากสาร CFC ที่ถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งรายละเอียดในเรื่องนี้ จะได้นำมากล่าวในโอกาศต่อไป