สมบัติคลื่นแสง
ผศ.เกศริน มีมล สาขาวิชาฟิสิกส์ (ค.บ. 4 ปี)คณะครุศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา
แสงเป็นคลื่นชนิดหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) โดยคลื่น (Wave) เป็นปรากฏการณ์อย่างหนึ่งของธรรมชาติที่พบได้โดยทั่วไป เช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง และคลื่นแสง ซึ่งต้องมีตัวกลางในการนำพาของคลื่น ตัวกลางนั้นอาจจะเป็นสิ่งที่จับต้องได้ เช่น น้ำ เชือก หรือของแข็งต่างๆ แต่คลื่นบางประเภทไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางเช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กรณีของคลื่นเสียง ตัวกลางจะเป็นโมเลกุลของอากาศ ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า และกรณีของคลื่นแสงไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง
ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับแสง คือ ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต (Geometrical optics) และ ทัศนศาสตร์เชิงกายภาพ (Physical optics) โดยทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต เป็นการพิจารณาจากรังสีของแสง (Light rays) เป็นหลัก สามารถอธิบายเฉพาะเมื่อแสงตกกระทบวัตถุที่มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของแสงแต่ถ้าวัตถุที่แสงตกกระทบมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของแสงจะไม่สามารถอธิบายได้ เช่น การสะท้อนและหักเหของแสง ส่วนทัศนศาสตร์เชิงกายภาพไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแสงเชิงเรขาคณิต เช่น ปรากฏการณ์แทรกสอดและการเลี้ยวเบน
สมบัติของคลื่นแสงแบ่งได้เป็น 4 ข้อ ได้แก่ การสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน และแทรกสอด
การสะท้อน
รังสีของแสงหนึ่งเคลื่อนที่อยู่ในตัวกลางหนึ่งจะเรียกว่า รังสีตกกระทบ (Incident ray) และเมื่อแสงเคลื่อนที่มาถึงรอยต่อระหว่างตัวกลางที่สอง รังสีที่ตกกระทบจะสะท้อนกลับ (Reflected back) เข้ามาที่ตัวกลางที่หนึ่ง
เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวสะท้อน แสงจะมีการสะท้อนเกิดขึ้น จากภาพที่ 1โดยมีเส้นปกติ (Normal) ที่ลากตั้งฉากกับผิวสะท้อน มุมระหว่างที่รังสีตกกระทบกับเส้นปกติ เรียกว่า มุมตกกระทบ และ มุมระหว่างที่รังสีสะท้อนกับเส้นปกติ เรียกว่า มุมสะท้อน มุมทั้งสองจะมีความสัมพันธ์กันเป็นไปตาม กฎการสะท้อนของแสง (Law of reflection) คือ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน และรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นตั้งฉาก อยู่บนระนาบเดียวกัน
การหักเห
เมื่อรังสีแสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่หนึ่ง มากระทบกับรอยต่อชองตัวกลางที่สอง จะมีรังสีบางส่วนสะท้อนกลับตัวกลางที่หนึ่ง และบางส่วนผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สอง ถ้าอัตราเร็วของแสงในตัวกลางที่หนึ่งและสองแตกต่างกัน รังสีทีผ่านเข้าไปจะมีแนวทางเปลี่ยนไปจากแนวรังสีตกกระทบเดิม เรียกรังสีที่ผ่านเข้าไปนี้ว่า รังสีหักเห (Refraction) และ มุมที่รังสีหักเหทำกับเส้นปกติ เรียกว่า มุมหักเห แสดงได้จากภาพที่ 2
จากภาพที่ 2 จะพบว่ารังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน รังสีหักเห และเส้นปกติอยู่ระนาบเดียวกัน และมุมตกกระทบ มุมหักเห ดัชนีหักเหในตัวกลางทั้งสองมีความสัมพันธ์กัน เป็นไปตามกฎการหักเหของสเนลล์ (Snell’s Law)
การเลี้ยวเบน
แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรง แต่ถ้ากีดขวางด้วยวัตถุเล็ก เช่น ช่องเล็กๆ ที่แสงผ่านได้ แสงจะมีการเลี้ยวเบนเกิดขึ้น ถ้าวัตถุหรือช่องแคบมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ผลการเลี้ยวเบนจะน้อยมาก แต่ถ้าวัตถุหรือช่องแคบมีใกล้เคียงกับความยาวคลื่น ผลการเลี้ยวเบนจะชัดเจนมาก ดังภาพที่ 3 สำหรับคลื่นแสงผลการเลี้ยวเบนจะปรากฏเป็นริ้วของการเลี้ยวเบนปรากฏขึ้นบนฉากซึ่งมีทั้งแถบสว่างและแถบมืดคล้าย ๆ กับริ้วของการแทรกสอด
การเลี้ยวเบนจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ การเลี้ยวเบนแบบเฟราน์โฮเฟอร์ (Fraunhofer Diffraction) เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดแสงและฉากอยู่ไกลจากช่องเล็กยาวมาก รังสีจึงเป็นรังสีขนาน ในทางปฏิบัติทำได้โดยใช้เลนส์นูนช่วยสองอัน เลนส์อันแรกช่วยให้แสงขนานกันก่อนเข้าสู่ช่องเล็กยาว ส่วนอีกเลนส์ช่วยรวมแสงให้เลี้ยวเบนไปไปตกที่ฉากรับ การเลี้ยวเบนอีกประเภทคือ การเลี้ยวเบนแบบเฟรสเนล (Fresnel Diffraction) เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดแสงหรือฉาก หรือทั้งสองอย่างอยู่ใกล้ช่องเล็กยาวหน้าคลื่นจึงไม่เป็นหน้าคลื่นระนาบ
การแทรกสอด
การแทรกสอด (Interference) เกิดขึ้นเมื่อคลื่นมากกว่าหนึ่งคลื่น เคลื่อนที่มาพบกันที่จุดหนึ่ง ๆ จะเกิดการซ้อนทับกันของคลื่น (Superposition) และเกิดผลรวมของการกระจัดของคลื่นที่ซ้อนทับกัน เป็นการกระจัดของคลื่นชุดใหม่ขึ้น การแทรกสอดของคลื่นมีสองแบบ คือ การแทรกสอดแบบเสริมกัน (Constructive interference) ซึ่งแอมพลิจูดลัพธ์มีขนาดมากกว่าแอมพลิจูดเดิมของคลื่นที่มาพบกัน และการแทรกสอดแบบหักล้างกัน (Destructive interference) มีแอมพลิจูดลัพธ์ขนาดน้อยกว่าแอมพลิจูดเดิมของคลื่น โดยคลื่นลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการแทรกสอดทั้งสองแบบเป็นคลื่นนิ่ง และมีแอมพลิจูดคงตัว สำหรับคลื่นแสง การแทรกสอดจะสังเกตเห็นเป็นริ้วของการแทรกสอดชัดบนฉาก
การแทรกสอดของแสง เกิดขึ้นเมื่อคลื่นแสงสองชุดมีความถี่เท่ากัน และมีผลต่างของเฟสคงที่ตลอดเวลา เมื่อมาซ้อนทับกันคลื่นลัพธ์จะเป็นคลื่นนิ่ง แต่ถ้าคลื่นแสงสองชุดมี ความถี่ต่างกันและมีผลต่างเฟสต่างกัน คลื่นลัพธ์จะไม่เป็นคลื่นนิ่งแต่จะเป็นคลื่นเคลื่อนที่ ทำให้ไม่เกิดการแทรกสอด
เอกสารอ้างอิง
วิไลวรรณ ภูละออ. (2542). ฟิสิกส์ของคลื่น. พิมพ์ครั้งที่ 2. กรุงเทพมหานคร : ลินคอร์นโปรโมชัน.
สุรศักดิ์ เชียงกา. (2557). ทัศนศาสตร์เบื้องต้น. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพมหานคร : บริษัทแอคทีฟพริ้นท์ จำกัด.
Serway , R.A. and Jewett , J.W. (2004). Physics for Scientists and Engineers. 6th ed. Belmont: Brooks/Cole-Thomson Learning
Serway, R.A. and Jewett, Jr., J.W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. 9th ed. United States of America: Cengage Learning.