แสงคืออะไร?

    ปัจจุบันนักฟิสิกส์ใช้ทฤษฎีทวิภาพ(dual wave particle nature) คือแสงเป็นได้ทั้งคลื่น(wave) และอนุภาค(quantum)
การศึกษาความเป็นคลื่นของแสงในปัจจุบันสรุปได้ว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่าแสงสว่าง (visible light)
มีความถี่อยู่ในช่วง 4.3 x 10 14 Hz -  7.5 x 10 14 Hz  มีความยาวคลื่น  700  -  400  นาโนเมตร ทฤษฎีที่ใช้อธิบายแสงเป็นคลื่น
แบ่งออกเป็นสองแบบ คือ แสงเชิงเรขคณิต (การสะท้อนและการหักเห) และแสงเชิงกายภาพ(การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน)

สมบัติของแสงเชิงกายภาพ (แสงเชิงฟิสิกส์)

การแทรกสอดของแสง (interference of light)
    ในการศึกษาการแทรกสอดของแสงเราจะเห็นเป็นแถบมืดแถบสว่างได้ชัดเจนก็ต่อเมื่อแสงที่จะมาแทรกสอดกันต้องมีความถี่เดียวกันความยาวคลื่นเท่ากัน และมีเฟสตรงกันหรือมีความต่างเฟสคงที่ตลอดเวลา แหล่งกำเนิดคลื่นแบบนี้เรียกว่าแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์ (coherent source) ดังนั้นในการทดลองเรื่องแสง
ในปัจจุบันเราจึงต้องใช้แสงเลเซอร์

การแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่ (double slit)   ดูตัวอย่างจากเวบไซด์

       จากรูป ถ้าระยะระหว่างสลิตกับฉาก (D) อยู่ห่างกันมากเมื่อเทียบกับระห่างระหว่างช่องสลิต (d) เมื่อพิจาระณาจุดกึ่งกลาง
ของแถบสว่างที่ 1 

สมการที่ใช้ในการคำนวณเรื่องการแทรกสอดคือ

ในกรณีที่ต้องการหาค่ามุมหรือบอกมุมมาให้   

สำหรับการหาแถบสว่าง      

สำหรับการหาแถบมืด           

ในกรณีที่ต้องการหาค่า  x หรือบอกค่า  x มาให้   

สำหรับการหาแถบสว่าง    

    = ระยะระหว่างช่องสลิต (เมตร)
q      = มุมที่เบนไปจากแนวกลาง
n      = จำนวนเต็มบวก ( 0, 1, 2, 3, .... )
l      =  ความยาวคลื่นแสง (เมตร)

การเลี้ยวเบนของแสงผ่านสลิตเดี่ยว (single slit)

       การเลี้ยวเบนของแสงเกิดขึ้นได้ เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์เดินทางผ่านช่องแคบที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น
ทุกๆ จุดบนช่องเดี่ยวจะทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงใหม่ตามหลักของฮอยเกน แสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่จะเกิดการซ้อนทับกันบนฉาก ทำให้เราเห็นเป็นแถบมืดและแถบสว่าง ดังรูป

จากการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์จะได้ว่า

 เงื่อนไขสำหรับการหาแถบมืดใดๆ คือ

                   

    = ความกว้างของช่องสลิต (เมตร)
q      = มุมที่เบนไปจากแนวกลาง
n      = จำนวนเต็มบวก ( 1, 2, 3, .... )
l      =  ความยาวคลื่นแสง (เมตร)

ถ้าเราแบ่งช่องเดี่ยวออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน คือครึ่งบนและครึ่งล่าง แสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ครึ่งบนจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างด้านบนของแถบสว่างกลาง และแสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ครึ่งล่างจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างด้านล่างของแถบสว่างกลาง


จากรูป แสดงการเลี้ยวเบนผ่านช่องเดี่ยวที่มีความกว้างต่างกัน

การเลี้ยวเบนของแสงผ่านเกรตติง (Grating)

    เกรตติงเป็นแผ่นกระจกหรือพลาสติกที่โปร่งใส ซึ่งประกอบด้วยช่องขนาดเล็กจำนวนมาก จำนวนช่องของเกตรติงอาจมีตั้งแต่ 1000 - 10000 ช่องใน 1 เซนติเมตรโดยมีความห่างของช่องเท่ากัน ดังนั้นถ้าเราฉายแสงอาพันธ์ผ่านเกรตติงจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างที่อยู่ห่างกันมองเห็นได้จัดเจน ดังรูป เป็นการฉายแสงเลเซอร์สีแดงผ่านเกรตติง

    สมการที่ใช้ในการคำนวณหาแถบสว่างใดๆ ที่เกิดจากการเลี้ยวเบนผ่านเกรตติง คือ

เมื่อ     d = ระยะระหว่างช่อง(มีหน่วยเป็นเมตร)

          q = มุมที่เบนไปจากแถบสว่างกลาง

          l = ความยาวคลื่นแสง

ดูตัวอย่างการแทรกสอดของคลื่นแสง ( click to see )

เนื่องจากมุมที่เบนจากแถบสว่างกลางของแสงแต่ละสีมีค่าต่างกัน ดังนั้นเราสามารถใช้เกรตติงในการแยกสเปกตรัมของแสงขาวได้ หรือใช้เกรตติงแยกสเปกตรัมของแสงที่เกิดจากหลอดบรรจุแก๊สต่างๆ ได้ ดังแสดงในรูป

  รูป แสดงสเปกตรัมของหลอดบรรจุแก๊สไฮโดรเจน

โพลาไรเซชัน (Polarization )

ดูตัวอย่างแสงโพลาไรซ์ที่เกิดจากการสะท้อนที่ผิวน้ำ ( click to see )

        โพลาไรเซชัน เป็นปรากฏารณ์ของคลื่นตามขวาง คือ เป็นคลื่นที่มีระนาบการสั่นในระนาบใดระนาบหนึ่งเพียงระนาบเดียว
คลื่นแสงที่ถูกปล่อยออกมามาจากแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่จะเป็นคลื่นที่มีระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า
หลายระนาบ จึงเป็นแสงที่ไม่โพลาไรซ์ ถาเราเอาแผ่นโพลารอยด์ไปกั้น(Analyzer) แสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์มาจะเป็นแสงที่มี
ระนาบการสั่นเพียงระนาบเดียวตามแกนของแผ่นโพลารอยด์ แสงที่ผ่านมานี้เรียกว่าแสงโพลาไรซ์ (ความเข้นของแสงจะลดไปครึ่งหนึ่งจากเดิม) ดังรูป


 

ดูการใช้แผ่นโพลารอยด์เป็นตัวกรองแสงที่ไม่โพลาไรซ์ให้เป็นแสงโพลาไรซ์ ( click to see )

ดูการใช้แผ่นโพลารอยด์เป็นตัวกรองแสงที่ไม่โพลาไรซ์ให้เป็นแสงโพลาไรซ์ ( click to see )

นอกจากการใช้แผ่นโพลารอยด์แล้ว แสงโพลาไรซ์อาจเกิดจากการสะท้อนได้ ตามหลักของบริวเตอร์(Brewster) กล่าวว่า
" ถ้าแสงไม่โพลาไรซ์ตกกระทบับตัวกลางด้วยมุมตกกระทบค่าหนึ่ง แล้วพอดีทำให้แสงสะท้อนและแสงหักเหตั้งฉากกัน แสงสะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรซ์ " ดังรูป

ดูตัวอย่างมุมบริวสเตอร์ (brewster angle: click to see)