อนุภาคแสง

วันที่เผยแพร่:

Tue 27 February 2018

แสง แสดงความประพฤติเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) เมื่อเรากล่าวถึงแสงในสมบัติของอนุภาค เราเรียกอนุภาคของแสงว่า “โฟตอน” (Photon) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ 300,000,000 เมตร/วินาที โดยไม่ต้องมีสื่อหรือตัวกลาง

กฎของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)

ในปี ค.ศ.1884 โจเซฟ สเตฟาน (Jožef Stefan) และ ลุดวิก โบลทซ์มานน์ (Ludwig Boltzmann) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ค้นพบว่า ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร

F = σ T⁴

F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์/ตารางเมตร (Wm²)

σ = 5.67 x 10^-8 วัตต์/ตารางเมตร K^-4 (Wm^-2 K^-4)

T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

ถ้าเราทราบ ความยาวคลื่นเข้มสุดที่ดาวแผ่รังสีออกมา เราก็จะทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว (ตามกฎของวีน) และเมื่อเราทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว เราก็สามารถใช้กฎของสเตฟาน-โบลทซ์มานน์ คำนวณว่า พลังงานที่ดาวแผ่ออกมานั้นมีความเข้มเท่าไร ดังตัวอย่างที่ 1

ตัวอย่างที่ 1: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร

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 วัตต์ / ตารางเมตร

กฏระยะทางผกผันกำลังสอง (Inverse square law)

ในการแผ่รังสี คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแผ่ออกจากจุดกำเนิดทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทางยกกำลังสอง ดังแสดงในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 ความเข้มแสงแปรผกผันยกกับระยะทางยกกำลังสอง

F₁ / F₂ = (D₂ / D₁)²

F₁ = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 1

F₂ = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 2

D₁ = ระยะทางจากจุดกำเนิดถึงระยะทางที่ 1

D₂ = ระยะทางจากจุดกำเนิด ถึงระยะทางที่ 2

ตัวอย่างที่ 2: ดวงอาทิตย์มีรัศมี 694 ล้านเมตร พลังงานที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีความเข้ม 64 ล้านวัตต์/ตารางเมตร โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 149.6 ล้านกิโลเมตร อยากทราบว่า พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร

F₁ = ความเข้มของพลังงาน ณ บรรยากาศโลกชั้นบน

F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ผิวดวงอาทิตย์ = 64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร

D1 = รัศมีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ = 149.6 x 10⁹ เมตร

D2 = รัศมีของดวงอาทิตย์ = 694,000,000 เมตร

F₁ / F₂ = (D₂ / D₁)²

F1 = (64 x 10⁶ วัตต์/ตารางเมตร) (694 x 10⁶ เมตร / 149.6 x 10⁹ เมตร)²

= 1,370 วัตต์/ตารางเมตร

กฏของแพลงก์ (Plank's law)

ในปี ค.ศ.1900 แม็ก แพลงก์ (Max Plank) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันค้นพบว่า พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว ตามสูตร

E = hf

E = hc/λ

พลังงานของโฟตอน = h x ความถี่

= h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น

ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)

ความยาวคลื่น (λ) = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)

ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10-³⁴ จูล วินาที (J.s)

ตัวอย่างที่ 3: โฟตอนของแสงสีม่วงมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร, โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนทั้งสองมีพลังงานแตกต่างกันอย่างไร

E_violet = hc / = [6.6 x 10^-34 J.s] [3 x 108 m s-1M / 400 x 10-9 nm

= 4.95 x 10-19 จูล

E_red = 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 มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 1.75 เท่า

อุปกรณ์นับโฟตอน
คนส่วนใหญ่ยอมรับว่าแสงเป็นคลื่นพลังงาน แต่ไม่คุ้นเคยกับหลักการว่า แสงมีสมบัติเป็นอนุภาค อย่างไรก็ตามเครื่องใช้ในชีวิตประจำวันของเราที่ทำงานโดยใช้หลักการของแสงมีสมบัติเป็นอนุภาคก็คือ เซนเซอร์ CMOS หรือ CCD ซึ่งเป็นอุปกรณ์รับแสงที่ติดตั้งอยู่ในกล้องถ่ายรูปดิจิตอล เซ็นเซอร์ประกอบด้วยแผงวงจรซึ่งติดตั้งเซลล์รับแสงขนาดเล็กๆ นับล้านเซลล์ซึ่งเรียงต่อกันเป็นตารางของพิกเซล ยกตัวอย่างเช่น กล้องถ่ายรูปขนาดความละเอียด 12 ล้านพิกเซล มีเซลล์รับแสงจำนวน 4,000 x 3,000 พิกเซล เป็นต้น พิกเซลเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นถังรับโฟตอน เช่นเดียวกับถังรับน้ำฝน วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะทำหน้าที่จำนวนโฟตอนในแต่ละพิกเซล แล้วนำมาค่าที่ได้จากทุกพิกเซลมาเรียงต่อกันเป็นตารางภาพสี่เหลี่ยมผืนผ้า ดังภาพที่ 2 อุปกรณ์ CCD ซึ่งใช้ติดตั้งอยู่บนกล้องโทรทรรศน์ ดาวเทียม และยานอวกาศ เพื่อใช้ถ่ายภาพโลกและวัตถุท้องฟ้าก็ใช้หลักการเช่นเดียวกันนี้