การแผ่รังสี

การแผ่รงั สี เป็นที่ทราบกนั ดวี า่ เรามองเห็นวัตถุเนอ่ื งจากวัตถไุ ด้รบั รังสีแล้วสะท้อนเข้าดวงตาของเรา ทว่าความจริง แล้วทุกสรรพสิ่งในจักรวาลน้ีแผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซ่ึงมีทั้งคล่ืนที่มนุษย์สามารถมองเห็น ได้หรือมองไม่เห็น ทั้งน้ีความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีออกมาขึ้นอยู่กับระดับอุณหภูมิของวัตถุต้น กาเนิด ยกตัวอย่างเช่น หากเราวางแท่งโลหะไว้ในห้องท่ีมืดสนิท เราก็จะมองไม่เห็นมัน แต่ถ้าเราเปิดหน้าต่าง ใหแ้ สงภายนอกส่องมากระทบมันแล้วสะท้อนเข้าตาเรา เราก็จะมองเห็นมัน การเห็นด้วยวิธีนี้ไม่ใช่การแผ่รังสี แต่เป็นการสะท้อนแสง แต่เม่ือเราเอาแท่งโลหะมาเผาไฟด้วยแก๊สร้อน ก็จะเห็นว่าโลหะค่อยๆ เปล่งแสงสีแดง ออกมา และเปล่ียนเปน็ สีส้ม สีเหลอื ง สฟี ้า และสีนา้ ม่วง เม่ืออุณหภมู ิเพ่มิ ขน้ึ ตามลาดับ ภาพที่ 1 ความสัมพันธร์ ะหวา่ งอุณหภูมแิ ละการแผร่ ังสีของแก๊ส https://78462f86-a-f62e00d1-s-sites.googlegroups.com

ภาพที่ 1 แสดงกราฟความสัมพนั ธร์ ะหว่างอุณหภมู ิและการแผร่ งั สีของแทง่ โลหะดังน้ี 1. เม่ือแท่งโลหะมอี ุณหภมู ิ 3,000 K จะแผ่รังสีเขม้ สดุ ที่ความยาวคล่ืน 1,000 nm ซ่งึ อยู่ในย่านรงั สี อินฟราเรด ซ่ึงสายตามนุษย์มองไมเ่ ห็น แตเ่ รามองเหน็ แท่งโลหะเปลง่ แสงสแี ดงความยาวคล่ืน 700 nm เนือ่ งจากเปน็ ความยาวคล่นื ที่ตา่ ทส่ี ดุ ที่มนษุ ยส์ ามารถมองเห็นได้ 2. เมื่อแท่งโลหะมอี ุณหภูมิ 5,000 K จะแผ่รังสีเขม้ สดุ ทค่ี วามยาวคลน่ื 580 nm เราจึงมองเห็นแท่งโลหะ เปล่งแสงสเี หลอื ง 3. เม่ือแทง่ โลหะมอี ุณหภมู ิ 12,000 K จะแผร่ งั สีเข้มสดุ ที่ความยาวคลืน่ 290 nm ซึง่ อยใู่ นย่านรงั สอี ัลตราไว โอเลต็ ซ่งึ สายตามนษุ ย์มองไม่เห็น แต่เรามองเหน็ แทง่ โลหะเปล่งแสงสนี ้าเงินความยาวคล่ืน 400nm เนอื่ งจาก เปน็ ความยาวคลืน่ ที่ตา่ ท่สี ดุ ทมี่ นษุ ย์สามารถมองเห็นได้ หมายเหตุ: ในการมองดดู าวฤกษบ์ นท้องฟา้ ก็เช่นเดียวกัน ดาวฤกษ์ท้ังหลายบนท้องฟา้ แผ่รงั สตี ่างชนิด ข้นึ อยกู่ ับอุณหภมู พิ ้ืนผวิ เรามองเห็นดาวฤกษเ์ ปน็ สตี า่ งๆ ในชว่ งแสงที่ตามองเหน็ อยา่ งไรก็ตามเรามองไม่เหน็ ดาวสมี ว่ ง เน่อื งจากสีม่วงกลมกลืนกบั อวกาศสีดา เรามองดาวไมเ่ หน็ ดาวสเี ขียว เนือ่ งจากแสงสีเขียวอยู่ กึ่งกลางสเปกตรมั พอดี เรามองเหน็ ดาวสีเขยี วเป็นดาวสีขาวแทน เพราะวา่ แสงทุกสีรวมกันเปน็ แสงสขี าว กฎของวีน (Wien's law) การอธบิ ายในเชิงฟสิ ิกส์ อณุ หภูมหิ มายถึงระดบั พลงั งานภายในอะตอม สสารทุกชนิดในจกั รวาลมี อณุ หภูมิสงู กว่า 0 เคลวนิ (-273°C) เนื่องจากอะตอมมีพลงั งาน อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนหมุนรอบ นิวเคลยี ส สภาวะทอ่ี ุณหภมู ิ 0 เคลวนิ เป็นสภาวะไร้พลงั งานและทุกอย่างหยดุ นิ่ง ซึง่ เป็นสภาวะทยี่ งั ไม่มกี าร คน้ พบ ในปี ค.ศ.1893 วิลเฮลม์ วนี (Wilhelm Wien) นกั ฟิสิกสช์ าวเยอรมัน คน้ พบวา่ อุณหภมู ิของสสาร แปรผกผันกับการแผค่ ลื่นคล่ืนแม่เหล็กไฟฟา้ ตามสตู ร λmax = 0.0029 / T โดยท่ี λmax หมายถึง ความยาวคลน่ื เข้มสุดของการแผร่ ังสี มีหน่วยเปน็ เมตร (m) T หมายถึง อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเปน็ เคลวนิ (K) ตัวอย่างท่ี 1: ดวงอาทติ ย์แผร่ ังสที ่ีมคี วามยาวคล่นื เขม้ สดุ 500 นาโนเมตร อยากทราบว่า ดวงอาทติ ย์มีอุณหภูมิ พ้ืนผิวเฉลี่ยเทา่ ไร λmax = 0.0029 / T T = 0.0029 / λmax = 0.0029 / (500 x 10-9 m) = 5,800 K

ตวั อยา่ งที่ 2: โลกแผ่รังสีอนิ ฟราเรดข้ึนสู่อวกาศ ซ่งึ ความยาวคลื่นเข้มสดุ 10,069 นาโนเมตร อยากทราบวา่ โลกมีอณุ หภูมิพืน้ ผวิ เฉลยี่ เทา่ ไร λmax = 0.0029 / T T = 0.0029 / λmax = 0.0029 / (10 x 10-6 m) = 288 K หรือ 15°C ภาพท่ี 2 กราฟแสดงรังสจี ากดวงอาทิตยแ์ ละโลก http://www.lesa.biz/astronomy/light/wien-law ตัวอยา่ งท่ี 3: รา่ งกายมนุษย์มีอุณหภมู ิ 37°C หรอื 410 K อยากทราบว่า รา่ งกายมนุษย์แผ่รงั สีในชว่ งคลืน่ อะไร λmax = 0.0029 / T = 0.0029 / 410 = 7.07 x 10-6 m หรือประมาณ 7 ไมโครเมตร ซงึ่ อยู่ในยา่ นรงั สอี ินฟราเรด

ภาพที่ 3 ภาพสเี ทยี ม (False color) แสดงรงั สอี ินฟราเรดซึ่งแผ่ออกมาจากรา่ งกาย http://www.lesa.biz/astronomy/light/wien-law เราสามารถสรุปกฎของวีน (Wein's law) ได้ว่า วัตถุอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นส้ัน วัตถุอุณหภูมิต่าแผ่รังสี คล่ืนยาว รังสีท่ีมีความยาวคลื่นน้อยกว่าแสงท่ีตามองเห็น เรียกว่า คล่ืนสั้น เป็นอันตรายต่อมนุษย์ รังสีที่มี ความยาวคลน่ื มากกว่าแสงที่ตามองเหน็ เรียกวา่ คลน่ื ยาว ไมเ่ ป็นอันตรายตอ่ มนุษย์ อย่างไรก็ตามไม่ว่ารังสีจะมี ความยาวคล่ืนเท่าไร หากมีความเข้มสูงก็จะทาให้วัตถุท่ีดูดกลืนรังสีน้ันๆ มีอุณหภูมิสูงขึ้นได้ เช่น รังสี อินฟราเรดทาให้โลกร้อน เตาไมโครเวฟสามารถทาให้น้าเดือด ตัวอย่างแหล่งกาเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทั้งท่ี เกิดขึ้นโดยธรรมชาติและเกิดขน้ึ โดยฝีมอื ของมนุษย์ ไดแ้ ก่ 1. รังสีแกมมา เกิดข้ึนจากการระเบิดของดาวมวลมากซ่ึงเรียกว่า ซูเปอร์โนวา หรือระเบิดปรมาณูที่มนุษย์ สร้างขน้ึ 2. รังสีเอก็ ซ์ เกิดขนึ้ จากการยุบตัวของดาวมวลมาก เชน่ หลมุ ดา หรอื รงั สที ใ่ี ช้ในวงการแพทย์ 3. รังสีอัลตราไวโอเลต็ เกิดขนึ้ จากการแผร่ งั สขี องดวงอาทติ ย์ 4. แสงทต่ี ามองเห็น เช่น แสงแดด หลอดไฟฟ้า 5. รงั สีอินฟราเรด เกิดขึน้ จากการแผ่รังสีของโลก แก๊สเรอื นกระจก แก๊สในอวกาศ และสิ่งมีชีวิต 6. คลน่ื ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ เกิดขน้ึ จากธรรมชาติ และมนษุ ย์สร้างขนึ้ เพอื่ การสอื่ สารโทรคมนาคม หมายเหตุ: รังสีคอสมิค (Cosmic rays) ไมใ่ ชค่ ล่นื แมเ่ หล็กไฟฟ้า แตเ่ ปน็ อนภุ าคขนาดเลก็ ท่ีมีอยู่ทั่วไปใน อวกาศ ซ่ึงสามารถเดนิ ทางทะลผุ า่ นโลกและรา่ งกายสง่ิ มชี วี ติ ทมี่ า : http://www.lesa.biz/astronomy/light/wien-law https://78462f86-a-f62e00d1-s-sites.googlegroups.com