แสงขาวคืออะไร

แสงที่มองเห็นได้ (visible light)

แสงขาวหรือแสงที่มองเห็นได้ที่จริงแล้วยังประกอบด้วยแสงสีที่รวมกันเรียกว่า สเปกตรัม (spectrum) ประกอบด้วยเจ็ดสีได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง โดยสีม่วงจะมีพลังงานมากสุด(ความยาวคลื่นสั้น) และพลังงานจะลดลงเรื่อยๆตามลำดับ จนกระทั่งสีแดงที่มีพลังงานต่ำสุด (ความยาวคลื่นยาว)            ปรากฎการณ์การเกิดสเปกตรัมของแสงขาวเช่น ถ้าเราเอาปริซึมไปวางให้แสงส่องผ่าน เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีดัชนีหักเหแตกต่างกันความยาวคลื่นที่ต่างกันจะหักเหด้วยมุมที่ไม่เท่ากัน เราจึงมองเห็นสีแสงขาวแยกสเปกตรัมเป็นสีต่างๆได้เมื่อนำฉากไปรับ  ปรากฎการณ์ธรรมชาติอีกอย่างหนึ่งได้แก่ การเกิดรุ้ง ซึ่งเกิดจากการที่แสงเดินทางผ่านหยดไอน้ำในอากาศทำให้เกิดการหักเหของแสง เกิดเป็นสเปกตรัมของแสงขาวขึ้นนั่นเอง

สเปกตรัมของแสงขาว (colors of visible light)       คลื่นแสงที่ตาของมนุษย์สามารถมองเห็นได้อยู่ในช่วงประมาณ 400-800 nm ถ้านัยน์ตาถูกกระตุ้นด้วยแสงตลอดทั้งช่วงความยาวคลื่น (400-800 nm) ผลก็คือจะมองเห็นแสงนั้นเป็นแสงขาว แต่ถ้าคลื่นแสงถูกดูดกลืนแสงไปบางส่วน แสงที่ตามองเห็นจะเป็นสีผสม (complementary) หรือสีที่อยู่ตรงข้ามของสีที่ ถูกดูดกลืนเมื่อเทียบตามวงล้อสี                 ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นแสงที่ถูกดูดกลืนกับสีของสารที่มองเห็นมี ประโยชน์สำหรับใช้ในการทำนายว่าสารประกอบที่มีสีจะดูดกลืนแสงที่มี ความยาวคลื่นในช่วงใด ยกตัวอย่างเช่น สารประกอบ iron(III)thiocyanate หรือ Fe(SCN)2+ เป็นสารละลายที่มีสีแดง อาจทำนายได้ว่า Fe(SCN)2+ ดูดกลืนแสง ในช่วงแสงสีน้ำเงิน-เขียว (470-500 nm) ดังนั้นในการวิเคราะห์ปริมาณ Fe(SCN)2+โดยวิธีทางสเปกโทรสโคปี จึงต้องเลือกใช้ความยาวคลื่นในช่วง 470-500 nm

ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นแสงที่ถูก

                       ดูดกลืนกับสีของสารที่มองเห็น

ความยาวคลื่น (nm)	สีที่ถูกดูดกลืน	สีที่มองเห็น
380-420	ม่วง	เขียว-เหลือง
420-440	ม่วง-ฟ้า	เหลือง
440-470	น้ำเงิน	ส้ม
470-500	เขียว-น้ำเงิน	แดง
500-550	เขียว-เหลือง	ม่วง
550-580	เหลือง	ม่วง-น้ำเงิน
580-620	ส้ม	น้ำเงิน
620-780	แดง	เขียว-น้ำเงิน

ไอแซค นิวตัน & สเปกตรัม

ไอแซค นิวตัน (ค.ศ.1642-1726) ทำการทดลองเกี่ยวกับสเปกตรัม ของแสงขาว พบว่าถ้านำปริซึมไปรับแสงอาทิตย์ จะได้สเปกตรัมของแสงสีต่างๆ           ในทางตรงกันข้าม ถ้าให้สเปกตรัมทั้งหมดผ่านปริซึม แสงสีทั้งหมดจะรวมกันกลายเป็นแสงขาวอีกครั้ง               ขณะเดียวกันถ้านำฉากไปรับสเปกตรัมที่ผ่านปริซึมออกมา ยกเว้นให้แสงสีเดียวเช่นสีแดงผ่านเข้าปริซึมอีกตัว นั่นหมายความว่าแสงสีอื่นถูกดูดกลืนหมดยกเว้นสีแดง ดังนั้นเมื่อผ่านปริซึมตัวที่สองก็จะได้เฉพาะสีแดงเท่านั้น

คุณสมบัติของแสง

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 รังสีตกกระทบ และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน

2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

                เส้นปกติ (Normal Line) คือ เส้นที่ลากขึ้นมาตั้งฉากกับผิวการสะท้อนนั่นเอง 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= n2sin90 ํ

จัดรูปได้ดังต่อไปนี้

sinƟc= n2/ n1

            หลักการนี้สามารถนำไปประยุกต์ทำเป็นใยแก้วนำแสงได้ โดยสร้างใยแก้วเป็นสองชั้นทีมีดัชนีหักเหแสงต่างกัน ชั้นในเป็นส่วนที่ให้แสงเดินทางเข้ามา จึงมีดัชนีหักเหแสงสูง ส่วนชั้นนอกมีหน้าที่สะท้อนแสงกลับ จึงมีดัชนีหักเหแสงต่ำ แสงที่ถูกส่งเข้ามาจะเกิดการสะท้อนกลับหมดที่ขอบเขตกั้นระหว่างส่วนชั้นในกับชั้นนอก ดังนั้นแสงจะสามารถถูกส่งไปมาตามชั้นในของเส้นใยได้

            ในการประยุกต์ใช้ประโยชน์ของใยแก้วนำแสงมีด้วยกันมากมาย ไม่ว่าจะเป็นทางการสื่อสารโดยใช้ใยแก้วนำแสงในการส่งข้อมูล เช่น สัญญาณอินเตอร์เน็ต หรือในทางการแพทย์ที่ใช้ใยแก้วส่องอวัยวะภายในของผู้ป่วย เป็นต้น

สามารถดูคลิปวิดิโอเรื่องแสง เพื่อให้เห็นภาพได้ขัดเจนขึ้น ดังนี้ค่ะ

ขอบคุณภาพจาก http://www.rmutphysics.com