อนุภาคแสง

อนภุ าคแสง แสง แสดงความประพฤติเป็นท้ัง “คล่ืน” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) เม่ือเรากล่าวถึงแสงในสมบัติของอนุภาค เรา เรียกอนุภาคของแสงว่า “โฟตอน” (Photon) ซึ่งเป็นอนุภาคท่ีไม่มีมวล เคลื่อนท่ีด้วยความเร็วคงท่ี 300,000,000 เมตร/วนิ าที โดยไม่ต้องมีสือ่ หรือตัวกลาง กฎของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law) ในปี ค.ศ.1884 โจเซฟ สเตฟาน (Jožef Stefan) และ ลุดวิก โบลทซ์มานน์ (Ludwig Boltzmann) นักฟสิ กิ สช์ าวออสเตรยี คน้ พบวา่ ความเขม้ ของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกาลัง สข่ี องอุณหภมู ิ มีหนว่ ยเปน็ จลู / ตารางเมตร วนิ าที หรือ วตั ต์ / ตารางเมตร F = σ T4 F = ความเข้มของพลังงาน มีหนว่ ยเปน็ วตั ต/์ ตารางเมตร (Wm2) σ = 5.67 x 10-8 วัตต/์ ตารางเมตร K-4 (Wm-2 K-4) T = อุณหภูมขิ องวัตถุ มหี น่วยเป็นเคลวิน (K) ถ้าเราทราบ ความยาวคลืน่ เข้มสดุ ท่ีดาวแผ่รงั สีออกมา เรากจ็ ะทราบอุณหภมู ิพื้นผิวของดาว (ตามกฎ ของวนี ) และเม่อื เราทราบอุณหภมู พิ ้นื ผวิ ของดาว เราก็สามารถใช้กฎของสเตฟาน-โบลทซม์ านน์ คานวณว่า พลงั งานทีด่ าวแผอ่ อกมานั้นมีความเข้มเทา่ ไร ดงั ตัวอยา่ งที่ 1 ตัวอย่างที่ 1: พืน้ ผิวของดวงอาทิตย์มีอณุ หภูมเิ ฉล่ยี 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเทา่ ไร F = σ T4 = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4) (5800 K)4 = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 1015) = 64,164,532 วตั ต์ / ตารางเมตร กฏระยะทางผกผนั กาลงั สอง (Inverse square law) ในการแผร่ ังสี คล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้าจะแผ่ออกจากจุดกาเนิดทุกทศิ ทุกทาง เปรยี บเสมือนทรงกลมที่มจี ุด กาเนดิ เปน็ จุดศนู ย์กลาง โดยเมอ่ื พลงั งานแพร่ออกไป ความเข้มของพลงั งานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของ ระยะทางยกกาลังสอง ดังแสดงในภาพท่ี 1

ภาพที่ 1 ความเข้มแสงแปรผกผันยกกบั ระยะทางยกกาลังสอง http://www.lesa.biz/astronomy/light/photon F1 / F2 = (D2 / D1)2 F1 = ความเขม้ ของพลังงาน ณ ระยะทางท่ี 1 F2 = ความเข้มของพลงั งาน ณ ระยะทางท่ี 2 D1 = ระยะทางจากจุดกาเนิดถึงระยะทางที่ 1 D2 = ระยะทางจากจุดกาเนดิ ถึงระยะทางที่ 2 ตัวอย่างท่ี 2: ดวงอาทิตย์มีรัศมี 694 ลา้ นเมตร พลังงานท่ีพื้นผวิ ของดวงอาทิตยม์ ีความเข้ม 64 ลา้ นวัตต์/ ตารางเมตร โลกอยหู่ ่างจากดวงอาทติ ย์ 149.6 ลา้ นกิโลเมตร อยากทราบวา่ พลงั งานจากดวงอาทติ ย์ทต่ี ก กระทบบรรยากาศชัน้ บนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร F1 = ความเขม้ ของพลงั งาน ณ บรรยากาศโลกชนั้ บน F2 = ความเขม้ ของพลังงาน ณ ผวิ ดวงอาทิตย์ = 64,000,000 วตั ต/์ ตารางเมตร D1 = รศั มีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ = 149.6 x 109 เมตร D2 = รศั มีของดวงอาทติ ย์ = 694,000,000 เมตร F1 / F2 = (D2 / D1)2 F1 = (64 x 106 วตั ต/์ ตารางเมตร) (694 x 106 เมตร / 149.6 x 109 เมตร)2 = 1,370 วัตต/์ ตารางเมตร

กฏของแพลงก์ (Plank's law) ในปี ค.ศ.1900 แมก็ แพลงก์ (Max Plank) นกั ฟิสิกส์ชาวเยอรมนั ค้นพบว่า พลงั งานของโฟตอนแปร ผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลน่ื โฟตอนของคลืน่ สน้ั มพี ลังงานมากกวา่ โฟตอนของคลืน่ ยาว ตามสูตร E = hf E = hc/λ พลงั งานของโฟตอน = h x ความถ่ี = h x ความเร็วแสง / ความยาวคลน่ื ความถ่ี (f) = จานวนคลืน่ ทเ่ี คลื่อนท่ีผา่ นจุดที่กาหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหนว่ ยเปน็ เฮริ ทซ์ (Hz) ความยาวคล่นื (λ) = ระยะหา่ งระหว่างยอดคลนื่ มีหนว่ ยเป็นเมตร (m) ค่าคงทข่ี องแพลงก์ (h) = 6.6 x 10-34 จูล วนิ าที (J.s) ตัวอยา่ งท่ี 3: โฟตอนของแสงสมี ่วงมีความยาวคล่นื 400 นาโนเมตร, โฟตอนของแสงสีแดงมคี วามยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนทั้งสองมพี ลังงานแตกตา่ งกันอยา่ งไร Eviolet = hc / = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1M / 400 x 10-9 nm = 4.95 x 10-19 จลู Ered = hc / = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1] / 700 x 10-9 nm = 2.83 x 10-19 จูล โฟตอนของแสงสีม่วง มพี ลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสแี ดง 1.75 เทา่ คนส่วนใหญ่ยอมรับว่าแสงเป็นคล่ืนพลังงาน แต่ไม่คุ้นเคยกับหลักการว่า แสงมีสมบัติเป็น อนุภาค อย่างไรก็ตามเครื่องใช้ในชีวิตประจาวันของเราที่ทางานโดยใช้หลักการของแสงมีสมบัติเป็นอนุภาคก็ คือ เซนเซอร์ CMOS หรือ CCD ซ่ึงเป็นอุปกรณ์รับแสงท่ีติดตั้งอยู่ในกล้องถ่ายรูปดิจิตอล เซ็นเซอร์ ประกอบด้วยแผงวงจรซ่ึงติดตั้งเซลล์รับแสงขนาดเล็กๆ นับล้านเซลล์ซึ่งเรียงต่อกันเป็นตารางของพิกเซล ยกตัวอย่างเช่น กล้องถ่ายรูปขนาดความละเอียด 12 ล้านพิกเซล มีเซลล์รับแสงจานวน 4,000 x 3,000 พิก เซล เป็นตน้ พิกเซลเหล่านี้ทาหน้าท่ีเป็นถงั รบั โฟตอน เชน่ เดียวกับถังรบั นา้ ฝน วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะทาหน้าที่ จานวนโฟตอนในแต่ละพกิ เซล แล้วนามาค่าท่ีได้จากทุกพิกเซลมาเรียงต่อกันเป็นตารางภาพสี่เหล่ียมผืนผ้า ดัง ภาพท่ี 2 อุปกรณ์ CCD ซึ่งใช้ติดตั้งอยู่บนกล้องโทรทรรศน์ ดาวเทียม และยานอวกาศ เพื่อใช้ถ่ายภาพโลก และวัตถทุ ้องฟา้ กใ็ ชห้ ลักการเช่นเดยี วกันนี้

ภาพที่ 2 สว่ นประกอบของ CCD ท่มี า : http://www.lesa.biz/astronomy/light/photon