แสงเชิงฟิสิกส์

การแทรกสอดของแสง (Interference)

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

         การทดลองเรื่องการแทรกสอดของแสง ทำได้โดย ให้แสงผ่านช่องแคบ (Slit) So แล้วเลี้ยวเบนตกกระทบช่องแคบคู่ S1 , S2 ซึ่งทำหน้าที่เป็นเสมือนแหล่งกำเนิดอาพันธ์ เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่าน S1 , S2 เดินทางไปพบกัน จะทำให้เกิดการแทรกสอดกันในลักษณะทั้งเสริมและหักล้างกัน โดยปรากฎภาพการแทรกสอดบนฉากเห็นเป็นแถบสว่างแถบมืด ดังรูป

สมการการแทรกสอดของแสง

           ถ้าให้ ช่องแคบ S1 และ S2 เป็นแหล่งกำเนิดแสงห่างกันเป็นระยะ d เมื่อแสงเดินทางจากช่องแคบมาถึงฉากด้วยระยะทางที่ต่างกัน เดินทางมาพบกันบนจุดเดียวกันคือจุด P จะได้ผลต่าง S1P กับ S2P เป็นดังสมการ

จากภาพการแทรกสอดของแสง พบว่า

S2P - S1P  =  dsinθ

เนื่องจากมุมเป็นมุมน้อย ๆจะได้ = สามารถสรุปสมการที่ใช้คำนวณเกี่ยวกับสลิตคู่ ดังนี้
1. เมื่อ S1 , S2 มีเฟสตรงกัน
        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 , S2 มีเฟสตรงข้ามกัน
         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, ....

การเลี้ยวเบนของแสง

             ในปี พ.ศ. 2203 กริมัลดิ (Francesco Maria Grimaldi) เป็นคนแรกที่เห็นสมบัติการเลี้ยวเบนของแสง โดยทดลองให้แสงผ่านสลิตแคบ (คือความยาวคลื่นมากกว่าความกว้างของสลิตมาก) จะเกิดปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน ทุกๆ จุดบนช่องเดี่ยวจะทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงใหม่ ตามหลักของฮอยเกน แสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่จะเกิดการซ้อนทับกันบนฉาก มีผลให้แถบสว่างกลางมีขนาดกว้างกว่าสลิต นอกจากนี้ถัดจากแถบสว่างกลางออกไปทั้งสองข้างยังมีแถบสว่างและแถบมืดสลับกันไป ดังรูป

            จากการทดลองเรื่องการเลี้ยวเบนของแสง สามารถอธิบายได้ดังนี้ เมื่อใช้แสงความยาวคลื่นเดียวจากหลอดไฟส่องผ่านสลิตเดี่ยว โดยให้หลอดไฟอยู่ห่างจากสลิตเป็นระยะทางที่ไกลมากเมื่อเทียบกับความกว้างของสลิต เราจึงอาจประมาณได้ว่า คลื่นแสงที่มาตกกระทบสลิตนั้นเป็นคลื่นระนาบ และโดยใช้หลักการของฮอยเกนส์ที่ถือว่าทุก ๆ จุดบนสลิตจะทำหน้าที่เสมือนแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์ใหม่และคลื่นจากแหล่งกำเนิดเหล่านี้เมื่อพบกันจะแทรกสอดแบบทำลาย ( แถบมืด ) หรือเสริม ( แถบสว่าง ) โดยแถบสว่างกลางจะกว้างและสว่างมากที่สุด  อนึ่งถ้าความกว้างของสลิตเพิ่ม  ความกว้างของแถบสว่างกลางจะแคบลง แต่ถ้าความกว้างของสลิตแคบลง ความกว้างของแถบกลางก็จะเพิ่มขึ้น

การเกิดแถบมืดแถบสว่าง ณ ตำแหน่งต่าง ๆ บนฉาก สามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้

เกรตติง

                สลิตคู่ถือว่าเป็นอุปกรณ์อย่างหนึ่งที่ใช้หาความยาวคลื่นแสง   ยังมีอุปกรณ์อีกอย่างหนึ่งที่ใช้หาความคลื่นของแสงได้ อุปกรณ์ที่ว่านี้ คือ เกรตติง
                เกรตติง จะมีลักษณะเป็นแผ่น ซึ่งประกอบด้วยช่องขนาดเล็กจำนวนมากมาย ตั้งแต่ 1,000 ถึง 10,000 ในช่วงความยาว 1 เซนติเมตร
                ในการทดลอง ถ้าเราให้แสงจากดวงอาทิตย์หรือแสงขาวจากหลอดไฟส่องผ่านเกรตติ้ง เราจะเห็นสเปรคตรัมของแสงอาทิตยหรือแสงขาว แยกออกเป็น 7 สี ดังรูป

              เมื่อแสงความยาวคลื่นเดียวตกกระทบเกรตติง แสงบางส่วนจะเบนออกจากแนวไปปรากฏบนฉาก เป็นแถบสว่างเล็ก ๆ  แถบสว่างนั้นเกิดจากการแทรกสอดของแสงจากช่องอื่น ๆ ทุกช่อง ถ้าแสงขนานกตั้งฉากกับเกรตติง ช่องต่าง ๆ เหล่านนี้จะเป็นแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้คลื่นแสงทุกคลื่นที่มีเฟสตรงกัน

            การหาตำแหน่งของแถบสว่างใช้วิธีการเดียวกับการแทรกสอดผ่านสลิตคู่   โดย 2 ช่องที่อยู่ติดกัน คือ d  เป็นระยะห่าง 1 ช่องในจำนวนช่องทั้งหมดของเกรตติง เมื่อแสงผ่านสลิตมาตกบนฉากจะมีเฟสตรงกัน ทำให้เกิดแถบสว่าง และผลต่างของระยะทางจะเท่ากับ จำนวนเท่าของความยาวคลื่น ( nλ ) สรุปเป็นเงื่อนไขได้ดังนี้

            จากการทดลองให้แสงขาว (เกิดจากการรวมกันของแสงที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ กัน ) จากหลอดไฟฟ้าผ่านเกรตติงจะได้แถบสีเกิดขึ้นโดยที่แสงสีต่าง ๆ ในแถบสีนั้นมีความยาวคลื่นต่างกัน เช่น แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุดและแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด การเรียงแถบสีต่าง ๆ โดยแยกออกตามความยาวคลื่นดังรูป

            ในกรณีที่ฉายแสงที่ไม่ใช่แสงขาว แต่เป็นแสงที่เป็นแสงสีผสมเช่น ฉายแสงสีแดงม่วง ผ่านเกรตติ้ง จะเกิดการแทรกสอด เป็นชุดสเปกตรัมเพียง 2 สี คือ สีม่วง และสีแดง  แถบกลางเป็นแถบสว่างสีแดง ม่วง เหมือนกับแสงที่ฉายเข้ามา ดังรูป

สรุปสมการและการคำนวณเมื่อฉายแสงขาวผ่านเกรตติ้ง

1. เมื่อฉายแสงสีเดียวผ่านเกรตติ้ง

2. เมื่อฉายแสงขาวผ่านเกรตติ้ง

การกระเจิงของแสง

เคยสงสัยไหมว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า? 

           สีของท้องฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ตอนกลางวันท้องฟ้าเป็นสีฟ้าส่วนตอนเช้าและตอนเย็นท้องฟ้าเป็นสีส้มแดงทั้งหมด เกิดจากปรากฎการณ์ที่เรียกว่า “การกระเจิงของแสง” 

           การกระเจิงของแสง(Scattering) หมายถึง การที่คลื่นแสงเดินทางไปชนกับอนุภาคเล็กๆในอากาศ แล้วกระเด็นออกไปทุกทิศทาง 

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

                    <ม่วง> สั้นที่สุด ====ความยาวคลื่น===== ยาวที่สุด <แดง> 

           ซึ่งความยาวของคลื่นแสงแต่ละสีนี้มีส่วนสัมพันธ์ต่อการกระเจิงของแสงโดย แสงที่มีความยาวคลื่นน้อยจะกระเจิงมาก ได้แก่

  แสงสีม่วง คราม น้ำเงิน ส่วนแสงที่มีความยาวคลื่นมาก เหลือง แสด แดง จะกระเจิงน้อย 

           ในเวลากลางวันแสงอาทิตย์ทำมุมชันกับพื้นโลก แสงจะเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางสั้นๆ แสงสีม่วง คราม และน้ำเงิน 

  จะกระเจิงเต็มท้องฟ้า เราจึงมองเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้า 

           ในยามเช้าและยามเย็น แสงอาทิตย์ทำมุมลาดกับพื้นโลก แสงจะเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางยาว แสงสีม่วง ครามน้ำเงิน

            ซึ่งกระเจิงได้ดีที่สุด จะกระเจิงทิ้งไปมากเพราะระยะทางมาก ทำให้เหลือแสงสีแดง ส้ม ซึ่งกระเจิงได้น้อยมากเข้าตาเรา โดยแสงสีม่วงมีคุณสมบัติกระเจิงแสงได้ดีกว่าแสงสีแดงประมาณ 16 เท่า