วิทยาศาสตร์: บทที่ 3

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ธรรมชาติของ “แสง” แสดงความประพฤติเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) ซึ่งประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทำมุมตั้งฉาก ดังที่แสดงในภาพที่ 1 แสงเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติของอนุภาค เราเรียกว่า “โฟตอน” (Photon) เป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล

ภาพคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร (1 nm = 10^-9 m หรือ 1/พันล้านเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึมมาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปกตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด (400 nm) สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ เรียงตามขนาดความยาวคลื่นจากน้อยไปมาก ดังภาพที่ 2 ได้แก่

       • รังสีแกมมา (Gamma ray) ความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 nm
       • รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 nm  
       • รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 nm  
       • แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 nm
       • รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 nm – 1 mm
       • คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm  
       • คลื่นวิทยุ (Radio wave) ความยาวคลื่นมากกว่า 10 cm

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทต่างๆ

เราสามารถนำความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ มาเปรียบเทียบกับขนาดของสรรพสิ่งบนโลก จะได้ดังภาพที่ 3 คลื่นแสงที่ตามมนุษย์มองเห็นมีขนาดความยาวคลื่นเท่าโปรโตซัว คลื่นที่มีขนาดเล็กหรือใหญ่กว่านี้ไม่อาจมองเห็นด้วยตาได้ แต่อาจรับรู้ด้วยประสาทสัมผัส เช่น ถ้ารังสีอินฟราเรดทำให้เกิดความอบอุ่น รังสีอัลตราไวโอเล็ตทำให้ผิวหนังไหม้

นอกจากนักวิทยาศาสตร์จะแบ่งประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ความยาวคลื่นเป็นตัวกำหนดแล้ว แต่บางครั้งในวงการวิทยุโทรคมนาคม เรานิยมใช้ความถี่ของคลื่นเป็นตัวกำหนด เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภทเดินทางโดยไม่ต้องใช้ตัวกลางด้วยความเร็วคงที่ 300,000,000 เมตร/วินาที เราสามารถคำนวณหาค่าความถี่ได้โดยใช้สูตร

λ = c / f

ความยาวคลื่น = ความเร็วแสง / ความถี่

ความยาวคลื่น (λ) = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)

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

ความเร็วแสง (c) = 300,000,000 เมตร/วินาที (m/s)

ตัวอย่าง: คลื่นวิทยุมีความยาวคลื่น 10,000 เมตร มีความถี่ = 300,000,000/10,000 Hz = 30,000 Hz

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการทดลองของเฮิรตซ์ มีความยาวคลื่นประมาณ 2.8 เมตร หรือมีความถี่ประมาณ $\displaystyle 10^8$ เฮิรตซ์ จึงอาจสงสัยว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติมีเฉพาะบางความถี่เท่านั้นหรือว่ามีหลายความถี่ ในปัจจุบันได้มีการศึกษาจนทราบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่างๆ มากมายจนเป็นความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างๆ เหล่านี้เรียกรวมกันว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังรูป 18.8

รูป สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อพิจารณาสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีชื่อเรียกต่างๆกัน ทั้งนึ้ขึ้นกับแหล่งกำเนิดและวิธีตรวจวัดคลื่นนั้น คลื่นในความถี่บางช่วงมีชื่อเรียกไม่เหมือนกัน ทั้งๆ ที่มีความถี่เดียวกัน เนื่องจากมีแหล่งกำเนิดคลื่นต่างกัน เช่น รังสีบางความถี่อาจจะเรียกเป็นรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสีเอกซ์ก็ได้ ขึ้นกับวิธีที่ใช้ผลิตรังสีนั้น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแต่ละช่วงความถี่จะมีเอกลักษณ์ที่แตกต่างกัน เช่น รังสีอินฟราเรด หรือคลื่นความร้อนที่เกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง สามารถตรวจจับได้โดยกายสัมผัสแสงที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอะตอม อาจตรวจพบได้ด้วยจักษุสัมผัส รังสีเอกซ์ที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนสามารถตรวจจับได้ง่ายด้วยฟิล์มเอกซเรย์ และคลื่นวิทยุที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนในไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง สามารถตรวจจับได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่างๆ ในสเปกตรัม แม้มีแหล่งกำเนิดและการตรวจจับที่แตกต่างกัน แต่ทุกคลื่นก็มีสมบัติที่สำคัญเหมือนกัน คือ เคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยความเร็วแสง คือ $\displaystyle 300 x 10^8$ เมตรต่อวินาที และมีการส่งผ่านพลังงานไปพร้อมกับคลื่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่ออำนวยประโยชน์ในการดำรงชีพนั้นมีความถี่ต่างๆกัน ซึ่งจะได้ศึกษาต่อไป

คลื่นวิทยุ

ถ้าพิจารณาจากสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นว่าคลื่นวิทยุมีความถี่อยู่ในช่วง $\displaystyle 10^6 - 10^9$ เฮิรตซ์ คลื่นช่วงนี้ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิงไปยังผู้รับ สำหรับคลื่นวิทยุความถี่ตั้งแต่ 530 - 1600 กิโลเฮิรตซ์ ที่สถานีวิทยุส่งออกอากาศใน ระบบเอเอ็ม เป็นการสื่อสารโดยการผสม (modulate) คลื่นเสียงเข้ากับคลื่นวิทยุ ซึ่งเรียกว่า คลื่นพาหะ และสัญญาณเสียงจะบังคับให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงไป ดังรูป 18.9

เมื่อคลื่นวิทยุที่ผสมสัญญาณเสียงกระจายออกจากสายอากาศไปยังเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุจะทำหน้าที่แยกสัญญาณเสียงซึ่งอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้าออกจากสัญญาณคลื่นวิทยุ แล้วขยายให้มีแอมพลิจูดสูงขึ้น เพื่อส่งให้ลำโพงแปลงสัญญาณออกมาเป็นเสียงที่หูรับฟังได้

รูป 18.9 การส่งคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม

ในการกระจายเสียงคลื่นวิทยุระบบเอเอ็มออกอากาศนั้น นอกจากจะใช้คลื่นที่มีความถี่ขนาด 530 - 1600 กิโลเฮิรตซ์ แล้ว ยังมีคลื่นที่มีช่วงความถี่ต่ำกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นยาว และคลื่นที่มีความถี่สูงกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นสั้น ด้วยในการส่งระบบเอเอ็มซึ่งเป็นการผสมคลื่นโดยให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ขณะคลื่นเคลื่อนที่ไปในบรรยากาศ ปรากฏการณ์ฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า สามารถทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ซึ่งคลื่นใหม่ที่เกิดขึ้นนี้สามารถรวมกับคลื่นวิทยุที่ส่งมาแบบเอเอ็ม ทำให้เกิดการรบกวน

การส่งคลื่นวิทยุอีกระบบหนึ่งเรียกว่า ระบบเอฟเอ็ม เป็นการผสมสัญญาณเสียงเข้ากับคลื่นพาหะ โดยให้ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณเสียง ดังรูป 18.10

รูป การส่งคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็ม

การส่งคลื่นในระบบเอฟเอ็มถูกกำหนดให้อยู่ในช่วงความถี่จาก 88-108 เมกะเฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 2.8-3.4 เมตร ระบบการส่งคลื่นแบบเอเอ็มและเอฟเอ็มต่างกันที่วิธีการผสมคลื่น ดังนั้นเครื่องรับวิทยุระบบเอเอ็มกับเอฟเอ็มจึงไม่สามารถรับคลื่นวิทยุของอีกระบบหนึ่งได้

คลื่นวิทยุมีสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง คือ คลื่นวิทยุบางช่วงสามารถสะท้อนได้ที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ เพราะบรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก ดังนั้นเมื่อคลื่นวิทยุเคลื่อนที่มากระทบจะสะท้อนกลับสู่ผิวโลกอีก สมบัติข้อนี้ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการสื่อสารเป็นระยะทางไกลๆได้ แต่ถ้าเป็นคลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงสมบัติการสะท้อนดังกล่าวจะเกิดได้น้อยลง

ในการส่งกระจายเสียงด้วยคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม คลื่นสามารถเดินทางถึงเครื่องรับวิทยุได้สองทาง คือ เคลื่อนที่ไปตรงๆในระดับสายตา ซึ่งเรียกว่า คลื่นดิน ส่วนคลื่นที่สะท้อนกลับลงมาชั้นไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเรียกว่า คลื่นฟ้า

ดังรูป 18.11 ส่วนคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงจะมีการสะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์น้อย ดังนั้นถ้าต้องการส่งกระจายเสียงด้วยระบบเอฟเอ็มให้ครอบคลุมพื้นที่ไกลๆ จึงต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะๆและผู้รับต้องตั้งสายอากาศให้สูง

รูป การเคลื่อนที่ของคลื่นวิทยุไปเครื่องรับ

ในขณะที่คลื่นวิทยุเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงความยาวคลื่นจะมีการเลี้ยวเบนเกิดขึ้น ทำให้คลื่นวิทยุอ้อมผ่านไปได้ แต่ถ้าสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่มาก เช่น ภูเขาคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นสั้นจะไม่สามารถอ้อมผ่านภูเขาไปได้ ทำให้ด้านตรงข้ามของภูเขาเป็นจุดปลอดคลื่น

โลหะมีสมบัติสามารถสะท้อนและดูดกลืนแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ดังนั้นคลื่นวิทยุจะทะลุผ่านเข้าไปถึงภายในโลหะได้ยาก อาจจะสังเกตได้ง่ายเมื่อฟังวิทยุในรถยนต์ เมื่อรถยนต์ผ่านใต้สะพานที่มีโครงสร้างเป็นเหล็ก เสียงวิทยุจะเบาลง หรือเงียบหายไป

ในการส่งกระจายเสียง สถานีส่งคลื่นวิทยุหนึ่งๆจะใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่คลื่นโดยเฉพาะ เพราะถ้าใช้คลื่นที่มีความถี่เดียวกัน จะเข้าไปในเครื่องรับพร้อมกัน เสียงจะรบกวนกัน แต่ถ้าสถานีส่งวิทยุอยู่ห่างกันมากๆ จนคลื่นวิทยุของสถานีทั้งสองไม่สามารถรบกวนกันได้ สถานีทั้งสองอาจใช้ความถี่เดียวกันได้

คลื่นวิทยุที่มีความถี่นอกเหนือจากช่วงส่งออกอากาศตามปกติ อาจนำไปใช้ในการสื่อสารเฉพาะกรณี เช่น ใช้สื่อสารระหว่างเจ้าหน้าที่ตำรวจ ระหว่างหน่วยงานของราชการและในระบบวิทยุสมัครเล่น เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันราชการไม่อนุญาตให้เอกชนมีเครื่องส่งวิทยุในครอบครอง ยกเว้นเพื่อกิจการวิทยุสมัครเล่นหรือเพื่อกิจกรรมสาธารณประโยชน์เท่านั้น

คลื่นโทรทัศน์

คลื่นโทรทัศน์มีความถี่ประมาณเฮิรตซ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงขนาดนี้จะไม่สะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ดังนั้นในการส่งคลื่นโทรทัศน์ไปไกลๆ จะต้องใช้สถานีถ่ายทอดคลื่นเป็นระยะๆ เพื่อรับคลื่นโทรทัศน์จากสถานีส่งซึ่งมาในแนวเส้นตรง แล้วขยายให้สัญญาณแรงขึ้นก่อนที่จะส่งไปยังสถานีที่อยู่ถัดไป เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง ดังนั้นสัญญาณจะไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตร บนผิวโลกเท่านั้น ทั้งนี้เพราะผิวโลกโค้ง หรืออาจใช้คลื่นไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียมซึ่งโคจรอยู่ในวงโคจรที่ตำแหน่งหยุดนิ่งเมื่อเทียบกับตำแหน่งหนึ่งๆ บนผิวโลก นั่นคือดาวเทียมมีความเร็วเชิงมุมเดียวกับความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลก จากนั้นดาวเดทียมจะส่งคลื่นต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกลๆได้

เพราะคลื่นโทรทัศน์ที่มีความยาวคลื่นสั้น ไม่สามารถเลี้ยวเบนอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ได้ ดังนั้นเมื่อคลื่นโทรทัศน์กระทบรถยนต์หรือเครื่องบิน จะเกิดปรากฏการณ์แทรกสอดกับคลื่นที่ส่งมาจากสถานีแล้วเข้ากับเครื่องรับสัญญาณพร้อมกัน ทำให้เกิดภาพซ้อนในจอภาพ ฉะนั้นเพื่อให้ได้ภาพคมชัดเจน ปัจจุบันจึงนิยมใช้ระบบส่งสัญญาณโทรทัศน์ตามสาย

คลื่นไมโครเวฟ

คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นตั้งแต่ $\displaystyle 10^{ - 3}$ เมตร ถึง 0.3 เมตร โดยประมาณ หรืออยู่ในช่วงความถี่ตั้งแต่ $\displaystyle 10^9$ เฮิรตซ์ ถึง $\displaystyle 3x10^{11}$ เฮิรตซ์ สามารถนำคลื่นไมโครเวฟไปใช้ในการสื่อสาร

ในปัจจุบัน มนุษย์ใช้คลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่ 2400 เมกะเฮิรตซ์ ในการทำอาหารเปิดปิดประตูโรงรถ ถ่ายภาพพื้นผิวดาวเคราะห์ ศึกษากำเนิดของจักรวาล เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟสะท้อนจากผิวโลหะได้ดี ดังนั้นจึงมีการนำสมบัตินี้ไปใช้ประโยชน์ ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน ตรวจจับอัตราเร็วของรถยนต์ ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า เรดาร์

ในการตรวจหาตำแหน่งของวัตถุด้วยเรดาร์ อาศัยการส่งคลื่นไมโครเวฟออกจากแหล่งกำเนิดเป็นห้วงๆ และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากวัตถุนั้น เพื่อหาว่าวัตถุนั้นอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดคลื่นเป็นระยะทางเท่าใดและทิศไหน ตามปกติคลื่นไมโครเวฟที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิดจะถูกส่งออกเป็นลำคลื่นขนาน โดยให้แหล่งกำเนิดคลื่นอยู่ที่โฟกัสของจานพาราโบลา เพื่อให้คลื่นกระจายออกเป็นลำขนาน คล้ายกับลำแสงจากหลอดไฟฉายที่สะท้อนจากพาราโบลา เมื่อคลื่นไมโครเวฟไปตกกระทบวัตถุ หรือโลหะจะสะท้อนกลับมาสู่จานพาราโบลา แล้วสะท้อนไปรวมกันที่โฟกัสของจานอีก ซึ่งที่นั่นมีเครื่องรับไมโครเวฟติดตั้งอยู่ เมื่อทราบความเร็วคลื่นและเวลาที่ส่งคลื่นออกไปและรับคลื่นกลับ จะสามารถหาระยะที่วัตถุนั้นอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดคลื่นได้

รังสีอินฟราเรด
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในช่วง $\displaystyle 10^{11} - 10^{14}$ เฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 1-1000 ไมโครเมตร เรียกว่ารังสีอินฟราเรด ที่สามารถแบ่งเป็น 3 ช่วง คือ อินฟราเรดใกล้ (0.7-1.5 ไมโครเมตร) อินฟราเรดปานกลาง (1.5-4.0 ไมโครเมตร) และอินฟราเรดไกล (4.0 - 1000 ไมโครเมตร) จะเห็นว่ารังสีอินฟราเรดมีย่านความถี่คาบเกี่ยวกับคลื่นไมโครเวฟ วัตถุร้อนจะแผ่รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า 100 ไมโครเมตร ทำให้ประสาทสัมผัสทางผิวหนังของมนุษย์รับรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นบางช่วงได้ ฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดก็สามารถตรวจจับรังสีอินฟราเรดได้ ตามปกติสิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะแผ่รังสีอินฟราเรดตลอดเวลาและรังสีอินฟราเรดสามารถทะลุผ่านเมฆหมอกที่หนาทึบเกินกว่าที่แสงธรรมดาจะผ่านได้ นักเทคโนโลยีจึงอาศัยสมบัตินี้ในการถ่ายภาพพื้นโลกจากดาวเทียม เพื่อศึกษาการแปรสภาพของป่าไม้หรือการอพยพเคลื่อนย้ายของฝูงสัตว์ เป็นต้น

รังสีอินฟราเรดมีใช้ในระบบควบคุมที่เรียกว่า รีโมทคอนโทรล (remote control) หรือการควบคุมระยะไกล ซึ่งเป็นระบบควบคุมการทำงานของเครื่องรับโทรทัศน์จากระยะไกล เช่น ทำการปิด-เปิดเครื่อง การเปลี่ยนช่อง ฯลฯ ในกรณีนี้รังสีอินฟราเรดจะเป็นตัวนำคำสั่งจากอุปกรณ์ควบคุมไปยังเครื่องรับ นอกจากนี้ในทางการทหารก็มีการนำรังสีอินฟราเรดมาใช้ควบคุมอาวุธนำวิถีให้เคลื่อนไปยังเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ

เทคโนโลยีปัจจุบันใช้การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง (optical fiber) และคลื่นที่เป็นพาหะนำสัญญาณคือ รังสีอินฟราเรด เพราะการใช้แสงธรรมดานำสัญญาณอาจถูกรบกวนโดยแสงภายนอกได้ง่าย

แสง

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่โดยประมาณตั้งแต่ $\displaystyle 4x10^{14}$ เฮิรตซ์ถึง $\displaystyle 8x10^{14}$ เฮิรตซ์ หรือมีความยาวคลื่นในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ประสาทตาของมนุษย์ไวต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงนี้มาก วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมากๆ เช่น ไส้หลอดไฟฟ้าที่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 2500 องศาเซลเซียส หรือผิวดวงอาทิตย์ที่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 6000 องศาเซลเซียส จะเปล่งแสงได้ สำหรับแสงที่มีความยาวคลื่นประมาณ 700 นาโนเมตร ประสาทตาจะรับรู้เป็นแสงสีแดง ส่วนแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า ประสาทตาจะรับรู้เป็นแสงสีส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน ตามลำดับ จนถึงแสงสีม่วง ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 400 นาโนเมตร แสงสีต่างๆที่กล่าวมานี้ เมื่อรวมตัวกันด้วยปริมาณที่เหมาะสม จะเป็นแสงสีขาว

รูปพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกจากวัตถุร้อน

แสงส่วนใหญ่เกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาก และมีพร้อมกันหลายความถี่ เมื่ออุณหภูมิยิ่งสูง พลังงานของแสงที่มีความถี่สูงจะยิ่งมาก เพราะเปลวไฟจากเตาถ่านมีอุณหภูมิต่ำกว่าเปลวไฟจากเตาแก๊ส เราจึงเห็นแสงไฟจากเตาถ่านสีแดงมากกว่า ดาวฤกษ์สีน้ำเงินจะมีอุณหภูมิสูงกว่าดาวฤกษ์สีแดง อย่างไรก็ตาม แสงอาจเกิดโดยไม่ต้องอาศัยความร้อนโดยตรงก็ได้ เช่น แสงจากจอโทรทัศน์ จากหลอดฟลูออเรสเซนซ์ จากหิ่งห้อย หรือจากเห็ดเรืองแสง เป็นต้น

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับคลื่นวิทยุ ดังนั้นอาจใช้แสงเป็นคลื่นพาหะนำข่าวสารในการสื่อสารได้เช่นเดียวกับการใช้คลื่นวิทยุและคลื่นโทรทัศน์เป็นพาหะนำเสียงและภาพดังกล่าวแล้ว เหตุที่ไม่สามารถใช้แสงที่เกิดจากวัตถุร้อนเป็นคลื่นพาหะเพราะว่าแสงเหล่านี้มีหลายความถี่และเฟสที่ไม่แน่นอน ปัจจุบันเรามีเครื่องกำเนิดเลเซอร์ ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้แสงได้ ได้มีผู้ทดลองผสมสัญญาณเสียงและภาพกับเลเซอร์ได้สำเร็จ นอกจากใช้สื่อสารแล้ว เลเซอร์ยังใช้ในวงการต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง เช่น วงการแพทย์ ใช้ในการผ่าตัดนัยน์ตาเป็นต้น

เลเซอร์เขียนภาษาอังกฤษว่า LASER ซึ่งย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ที่แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า “การขยายสัญญาณแสงโดยการปล่อยรังสีแบบเร่งเร้า” เพราะแสงเลเซอร์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้จากกระบวนการปล่อยรังสีแบบเร่งเร้าและสัญญาณแสงถูกขยายหลอดแก้ว และมีไส้หลอดที่ทำด้วยลวดโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ทังสเตน ภายในหลอดแก้วเกือบเป็นสุญญากาศ กระแสไฟฟ้าที่ผ่านไส้หลอดจะทำให้ไส้หลอดจะร้อนและเปล่งแสงสว่างออกมา

หลักการกำเนิดแสงเลเซอร์

หลักการพื้นฐานที่สำคัญในการทำให้เกิดแสงเลเซอร์

1. การทำให้เกิดปรากฏการณ์ประชากรผกผัน (population inversion)

2. การทำให้เกิดการแกว่งกวัดของเลเซอร์ (laser oscillation) กระบวนการนี้ใช้กระจกเลเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นห้องกำทอนแสง (optical resonator) หรือห้องแสง (optical cavity)

วิทยาศาสตร์

บทที่ 3

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

รายงานการละเมิด