คุณสมบัติของแสง

แสง

แสง คือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย สมบัติพื้นฐานของแสง (และของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงคลื่น) ได้แก่
ความเข้ม (ความสว่างหรือแอมพลิจูด ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปความสว่างของแสง) ความถี่ (หรือความยาวคลื่น ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปสีของแสง) และ โพลาไรเซชัน (มุมการสั่นของคลื่น ซึ่งโดยปกติมนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้) แสงจะแสดงคุณสมบัติทั้งของคลื่นและของอนุภาคในเวลาเดียวกัน ทั้งนี้เนื่องจากทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค ธรรมชาติที่แท้จริงของแสงเป็นปัญหาหลักปัญหาหนึ่งของฟิสิกส์สมัยใหม่
แสงมีคุณสมบัติทวิภาวะ กล่าวคือ
1. แสงเป็นคลื่น : แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้า และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และแสงก็มีการเลี้ยวเบนด้วย ซึ่งการเลี้ยวเบนก็แสดงคุณสมบัติของคลื่น
2. แสงเป็นอนุภาค : แสงเป็นก้อนพลังงานมีค่าพลังงาน E = hf โดยที่ h คือค่าคงตัวของพลังค์ และ f คือความถี่ของแสง เรียกอนุภาคแสงว่าโฟตอน

รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองเห็นได้

แสงคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในช่วง สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถมองเห็นได้ คือ อยู่ในย่านความถี่ 380 THz (3.8×1014 เฮิรตซ์) ถึง 750 THz (7.5×1014 เฮิรตซ์) จากความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็ว (v) ความถี่ (f หรือ ν) และ ความยาวคลื่น (λ) ของแสง:

และ ความเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ดังนั้นเราจึงสามารถแยกแยะแสงโดยใช้ตามความยาวคลื่นได้ โดยแสงที่เรามองเห็นได้ข้างต้นนั้นจะมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 นาโนเมตร (ย่อ 'nm') และ 800 nm (ในสุญญากาศ)
การมองเห็นของมนุษย์นั้นเกิดจากการที่แสง ไปกระตุ้น เซลล์รูปแท่งในจอตา(rod cell) และ เซลล์รูปกรวยในจอตา (cone cell) ที่จอตา (retina) ให้ทำการสร้างคลื่นไฟฟ้าบนเส้นประสาท และส่งผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง ทำให้เกิดการรับรู้มองเห็น

ความเร็วของแสง

นักฟิสิกส์หลายคนได้พยายามทำการวัดความเร็วของแสง การวัดแรกสุดที่มีความแม่นยำนั้นเป็นการวัดของ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Ole Rømer ในปี ค.ศ. 1676 เขาได้ทำการคำนวณจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวพฤหัสบดี และ ดวงจันทร์ไอโอ ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้กล้องดูดาว เขาได้สังเกตความแตกต่างของช่วงการมองเห็นรอบของการโคจรของดวงจันทร์ไอโอ และได้คำนวณค่าความเร็วแสง 227,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที (ประมาณ 141,050 ไมล์ ต่อ วินาที)
การวัดความเร็วของแสงบนโลกนั้นกระทำสำเร็จเป็นครั้งแรกโดย Hippolyte Fizeau ในปี ค.ศ. 1849 เขาทำการทดลองโดยส่องลำของแสงไปยังกระจกเงาซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายพันเมตรผ่านซี่ล้อ ในขณะที่ล้อนั้นหมุนด้วยความเร็วคงที่ ลำแสงพุ่งผ่านช่องระหว่างซี่ล้อออกไปกระทบกระจกเงา และพุ่งกลับมาผ่านซี่ล้ออีกซี่หนึ่ง จากระยะทางไปยังกระจกเงา จำนวนช่องของซี่ล้อ และความเร็วรอบของการหมุน เขาสามารถทำการคำนวณความเร็วของแสงได้ 313,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที
Albert A. Michelson ได้ทำการพัฒนาการทดลองในปี 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.

การหักเหของแสง

แสงนั้นวิ่งผ่านตัวกลางด้วยความเร็วจำกัด ความเร็วของแสงในสุญญากาศ c จะมีค่า c = 299,792,458 เมตร ต่อ วินาที (186,282.397 ไมล์ ต่อ วินาที) โดยไม่ขึ้นกับว่าผู้สังเกตการณ์นั้นเคลื่อนที่หรือไม่ เมื่อแสงวิ่งผ่านตัวกลางโปร่งใสเช่น อากาศ น้ำ หรือ แก้ว ความเร็วแสงในตัวกลางจะลดลงซึ่งเป็นเหตุให้เกิดปรากฏการณ์การหักเหของแสง คุณลักษณะของการลดลงของความเร็วแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงนี้จะวัดด้วย ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) n โดยที่

คุณสมบัติของแสง

แสงจะมีคุณสมบัติที่สำคัญ 4 ข้อ ได้แก่ การเดินทางเป็นเส้นตรง (Rectilinear propagation) , การหักเห (Refraction) , การสะท้อน (Reflection) และการกระจาย (Dispersion)

การเดินทางแสงเป็นเส้นตรง ในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเห (refractive index ; n) ของแสงเท่ากัน แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงโดยค่า n สามารถหาได้จากสมการ

โดยที่ c คือ ความเร็วของแสงในสูญญากาศ และ v คือ ความเร็วของแสงในตัวกลางนั้นๆ

รูปที่ 1 ช่วงแถบความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการสื่อสารเส้นใยแสง

ตัวกลาง ค่าดัชนีการหักเห
อากาศ 1
เพชร 2.42
แก้ว 1.5 - 1.9
เส้นใยแสง 1.5
น้ำ 1.33
ค่าดัชนีการหักเหโดยปกติของตัวกลางต่างๆ

การสะท้อน

การสะท้อนของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ

» การสะท้อนแบบปกติ (Regular reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบกับวัตถุที่มีผิวเรียบมันวาวดังรูป

การสะท้อนแบบปกติ

» การสะท้อนแบบกระจาย (Diffuse reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบวัตถุที่มีผิวขรุขระดังรูป

การสะท้อนแบบกระจาย

โดยการสะท้อนของแสงไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตามจะต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสงที่ว่า "มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ"

การหักเห

การหักเหของแสงจะเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเหไม่เท่ากัน โดยลำแสงที่ตกกระทบจะต้องไม่ทำมุมฉากกับรอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสอง และมุมตกกระทบต้องมีค่าไม่เกินมุมวิกฤต (Critical angel ) โดยการหักเหของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กรณี คือ

» n1 <>

» n1 > n2 แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ

» การสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection) การเกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อค่าดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 1 มีค่ามากกว่าดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 2 (n1 > n2) และ

การกระจาย

ในการพิจารณาการเดินทางของแสงที่ผ่านๆ มา เราสมมติให้แสงที่เดินทางมีความยาวคลื่นเพียงความยาวคลื่นเดียวซึ่งเราเรียกแสงชนิดนี้ว่า "Monochromatic" แต่โดยธรรมชาติของแสงแล้วจะประกอบด้วยความยาวคลื่นหลายความยาวคลื่นผสมกัน ซึ่งเราเรียกว่า "Polychromatic" ดังแสดงในรูปที่ 2.9 จะเห็นว่าแสงสีขาวจะสามารถแยกออกเป็นแสงสีต่างๆ (ความยาวคลื่นต่างๆ) ได้ถึง 6 ความยาวคลื่นโดยใช้แท่งแก้วปริซึม ซึ่งกระบวนการที่เกิดการแยกแสงออกแสงออกมานี้ เราเรียกว่า "การกระจาย (Dispersion)"