แสงและการมองเห็น Your Text Here

แสง(optics) ภาพ(image) ทัศนูปกรณ์ การสะท้อน(Reflection) การผสมแสงสี การหักเห(Refraction) การเลี้ยวเบน(Diffraction) การแทรกสอด(Interference) โพลาไรเซชัน(Polarization) การกระจายของแสง(Dispersion) การกระเจิงของแสง(Scattering) รุ้งกินน้ำ(Rainbows) การผสมแสงสี ความสว่าง ภาพ(image) ทัศนูปกรณ์

แสงเชิงเรขาคณิต(geometrical optics) การสะท้อน(Reflection) การหักเห(Refraction)

แสงเชิงกายภาพ(physical optics) การเลี้ยวเบน(Diffraction) การแทรกสอด(Interference) โพลาไรเซชัน(Polarization)

แสงเป็นอนุภาคที่ส่งติดต่อกันออกมา เมื่ออนุภาคเหล่านั้นเข้าสู่นัยน์ตา Isaac Newton แสงเป็นอนุภาคที่ส่งติดต่อกันออกมา เมื่ออนุภาคเหล่านั้นเข้าสู่นัยน์ตา

Galileo เป็นคนแรกที่พยายามวัดอัตราเร็วของแสง แต่ไม่สามารถวัดได้ แต่สรุปได้ว่า แสงมีอัตราเร็วมาก

Ole Roemer สังเกตคาบการโคจรของดวงจันทร์ Io รอบดาวพฤหัสและสรุปว่าอัตราเร็วของแสงเท่ากับ 2.3 x 108 m/s

Fizeau ประสบความสำเร็จในการวัดอัตราเร็วของแสงได้เท่ากับ 3.1 x 108 m/s

Thomas Young

James Clerk Maxwell ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และแสดงให้เห็นว่าแสงเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

Heinrich Rudolf Hertz ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เสนอทฤษฎีควอนตัม อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำ ด้วยสมการ Max Planck เสนอทฤษฎีควอนตัม อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำ ด้วยสมการ E = nhf

Albert Einstein ใช้แนวความคิดแสงเป็นกลุ่มก้อนพลังงานเรียกว่า โฟตอน(Photon) นำไปอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเลคตริกได้ผลถูกต้องตามการทดลอง โดยใช้แนวความคิดเกี่ยวกับการแผ่รังสีเป็นควอนตัมที่ Planck ใช้อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำ แสงเป็นอนุภาคจึงกลับมาเริ่มเป็นที่ยอมรับ

Arthur H Compton ค้นพบปรากฏการณ์คอมป์ตัน(compton effect)โดยทดลองฉายรังสีเอกซ์ความยาวคลื่นเดียวไปยังแท่งกราไฟต์แล้ววัดความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมา พบว่าความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์เปลี่ยนแปลง

Louis de broglie คลื่นนิ่งของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส แสงมีลักษณะเป็นสมบัติคู่ คือแสงอาจทำตัวเป็นคลื่นหรืออนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่งได้

การแทรกสอด

การแทรกสอด

การแทรกสอด

การแทรกสอด d sin  = n 

การแทรกสอด d sin  = m  Imax เมื่อ  = 0 , 2 , 4 ……….

ตัวอย่าง ในการทดลองของยัง ช่องแคบทั้งสอง. ห่างกัน 0 ตัวอย่าง ในการทดลองของยัง ช่องแคบทั้งสอง ห่างกัน 0.8 มิลลิเมตร ส่องด้วยแสง ความยาวคลื่น 590 นาโนเมตร สังเกตเห็นริ้วการแทรกสอดบนจอซึ่งอยู่ ห่าง 0.5 เมตรจากช่องแคบ จงหาระยะ ระหว่างแถบมืดหรือแถบสว่างที่อยู่ ติดกัน

การเลี้ยวเบน (Diffraction)

a = ความกว้างของสลิตเดี่ยว a sin  หรือ a y / D = m a = ความกว้างของสลิตเดี่ยว y = ระยะที่แถบมืดห่างจากกึ่งกลางของแถบสว่าง กลาง(A0) D = ระยะห่างระหว่างสลิตเดี่ยวถึงฉาก m = ลำดับที่ของแถบมืด = 1,2,3......

ตัวอย่าง แสง ความยาวคลื่น 590 นาโนเมตรเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบเดี่ยวที่มีความกว้าง 0.5 มิลลิเมตร แล้วเกิดการเลี้ยวเบนไปปรากฎบนฉากซึ่งห่างจากช่องแคบ 1.0 เมตร จงหาว่าขอบแถบมืดทั้งสองข้างของแถบสว่างกลาง จะอยู่ห่างกันประมาณเท่าไร

เกรตติง(grating) ประกอบด้วยช่องแคบหลายพันเส้นต่อความกว้าง 1 เซนติเมตร ทำโดยขีดเส้นขนานจำนวนมากลงบนแผ่นวัตถุใส เส้นที่ขีดจะเป็นส่วนทึบอยู่ระหว่างช่องแคบทั้งสองข้าง

การแทรกสอดและการเลี้ยวเบนนั้นยังใช้วัดความยาวคลื่นได้ไม่แม่นยำนัก แถบสว่างที่ได้ไม่คมชัดและแคบพอที่จะบอกตำแหน่งของแถบได้แน่นอน ถ้าต้องการให้แถบคมชัดและแคบเพียงพอจะต้องใช้อุปกรณ์ เกรตติงเลี้ยวเบน

Helium spectrum Hydrogen Spectrum

Mercury spectrum Argon spectrum

@ Continuous spectrum แตกต่างจาก Emission line spectrum อย่างไร

แสงทีส่องผ่านgrating ให้ผลที่เหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไรกับแสงที่ส่องผ่านสลิตเดี่ยวและสลิตคู่?

ถ้าแสงที่ผ่านเกรตติงไปเสริมกัน จะได้ d sin  = m d = ระยะห่างของช่อง = 1/จำนวนช่อง = N คือ จำนวนช่องต่อเมตร

ตัวอย่าง จงหามุมที่รองรับสเปกตรัมที่ตามองเห็น ลำดับที่หนึ่งและลำดับที่สองที่เกิดจากเกรตติงจำนวนเส้น 20,000 เส้นต่อความกว้าง 4 cm สเปกตรัมที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่น 400 – 700 nm

โพลาไรเซชัน(polarization) ปรากฏการณ์ที่แสงถูกทำให้เหลือระนาบการสั่นเพียงระนาบเดียวเมื่อ ส่องผ่านวัสดุบางอย่างเช่นแผ่นโพลารอยด์ ,ผ่านผลึกแคลไซต์ หรือการสะท้อนจากวัตถุ

I0 I0

เมื่อแสงผ่านแผ่นโพลารอยด์ 2 แผ่นขึ้นไป ปริมาณแสง(ความเข้มแสง)เป็นปฏิภาคกับกำลังสองของcosine ของมุมระหว่างแกนแผ่นทั้งสอง

กฎมาลุส(Malus’ law) I0 = ความเข้มแสงที่ไม่โพลาไรซ์(unpolarize) Imax = ความเข้มแสงที่ผ่านแผ่น polarizer I1 = ความเข้มแสงที่ผ่านแผ่น analyzer  = มุมระหว่างแกนแผ่น analyzer และpolarizer

ตัวทำแสงโพลาไรซ์จะต้องทำมุมเท่าไรกับตัววิเคราะห์ จึงจะลดความเข้มแสงเหลือ ก. 0.5 ของแสงไม่โพลาไรซ์ ข. 0.25 ของแสงไม่โพลาไรซ์

การสะท้อน การหักเห 2 แนว

แสงไม่โพลาไรซ์ตกกระทบผิวแก้วราบอันหนึ่งที่มีดัชนีหักเห 1 แสงไม่โพลาไรซ์ตกกระทบผิวแก้วราบอันหนึ่งที่มีดัชนีหักเห 1.5 จงหามุมตกกระทบที่ทำให้แสงสะท้อนเป็นแสงโพลาไรซ์

การกระจายของแสง (dispersion) ) ดัชนีหักเหแสงสีต่างๆในปริซึมไม่เท่ากัน อัตราเร็วแสงสีต่างๆไม่เท่ากัน แสงสีแดงมีอัตราเร็วมากที่สุด ดัชนีหักเหแปรตามส่วนกลับของความยาวคลื่น

ดัชนีหักเหแสงสีต่างๆในปริซึมไม่เทากัน

ปรากฏการณ์รุ้ง(Rainbows)

รุ้งปฐมภูมิ(primary rainbow)

รุ้งทุติยภูมิ(secondary rainbow)

การกระเจิง(scattering) ความหมาย เมฆสีขาว ท้องฟ้าสีน้ำเงิน ท้องฟ้าสีแดง การกระเจิง(scattering)

การกระเจิง(scattering) เป็นปรากฏการณ์ที่แสงตกกระทบอนุภาคและอนุภาคดูดกลืนพลังงานแล้วแผ่พลังงานออกมาทุกทิศทาง

การกระเจิง(scattering) ความหมาย การกระเจิง(scattering) เมฆสีขาว ท้องฟ้าสีแดง ท้องฟ้าสีน้ำเงิน

แสงที่ถูกกระเจิงออกมาเนื่องจากการสั่นในแนวราบจะเป็นแสงโพลาไรซ์ในแนวราบ การกระเจิง(scattering) แสงแดดเป็นแสงไม่โพลาไรซ์ประกอบด้วยเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงในระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ เมื่อกระทบกับโมเลกุลของอากาศ จะทำให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลสั่น เวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าทางแนวราบจะทำให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลสั่นในแนวราบ เวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าในแนวดิ่ง จะทำให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลสั่นในแนวดิ่ง แสงที่ถูกกระเจิงออกมาเนื่องจากการสั่นในแนวราบจะเป็นแสงโพลาไรซ์ในแนวราบ แสงที่ถูกกระเจิงออกมาเนื่องจากการสั่นในแนวดิ่งจะเป็นแสงโพลาไรซ์ในแนวดิ่ง

ก้อนเมฆเป็นสีขาว เนื่องจากกระเจิงแสงทุกความยาวคลื่น

การกระเจิง(scattering) ความหมาย การกระเจิง(scattering) เมฆสีขาว ท้องฟ้าสีแดง ท้องฟ้าสีน้ำเงิน เรย์เลห์(Rayleigh) เป็นผู้ศึกษาทางทฤษฎีเรียกว่า การกระเจิงของเรย์เลห์(Rayleigh scattering) ความเข้มของแสงกระเจิงเป็นปฏิภาคกับปริมาตรของอนุภาคยกกำลังสองและความถี่คลื่นยกกำลังสี่ แสงสีน้ำเงินกระเจิงได้ดีกว่าแสงสีแดงเกือบสิบเท่านี่คือเหตุผลของการเห็นควันบุหรี่เป็นสีน้ำเงิน

การมองเห็นดวงอาทิตย์เป็นสีแดงในตอนเย็นเพราะแสงโดยตรงจากดวงอาทิตย์เดินทางผ่านชั้นของบรรยากาศที่หนากกว่าปกติมาก แสงสีน้าเงินกระเจิงออกไปหมด กว่าจะถึงผู้สังเกตจึงเหลือแต่แสงสีแดง ปรากฏการณ์นี้จะยิ่งชัดขึ้นถ้าในบรรยากาศมีฝุ่นหรือหมอก

ทินดอลล์(Tyndall) เป็นคนแรกที่ศึกษาทางภาคปฎิบัติเกี่ยวกับการกระเจิงของแสงที่เกิดจากอนุภาคมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของแสง เช่นการเห็นควันบุหรี่เป็นสีน้ำเงิน

The Earth's Shadow.    As the sun sinks deeper below the horizon, the Earth's shadow rises in the east. The shadow is a three dimensional void of unlit atmosphere. The sky high above the shadowed air is bright because it is still sunlit and the air scatters light down to the eye. This diagram is not to scale! The atmosphere is a thin skin compared to the diameter of the earth.

การผสมแสงสี

สีปฐมภูมิ แดง , น้ำเงิน , เขียว

สีเติมเต็ม(complementary color)

แผ่นกรองสี

การมองเห็นสีวัตถุ

ดูดกลืนสีเขียว สะท้อนสีแดง เสื้อสีเหลือง สะท้อนสีแดง และสีเขียว หมวกสีแดง เสื้อสีขาว กางเกงสีฟ้า รองเท้าสีดำ ถูกฉายด้วยแสงสีเหลือง(แดง+เขียว) หมวกสีแดง ดูดกลืนสีเขียว สะท้อนสีแดง เสื้อสีเหลือง สะท้อนสีแดง และสีเขียว กางเกงสีเขียว ดูดกลืนสีแดง สะท้อนสีเขียว ดูดกลืนทุกสี รองเท้าสีดำ

การสะท้อนของแสง กฎการสะท้อนของแสง 1 รังสีตกกระทบ เส้นปกติ รังสีสะท้อนอยู่ในแนวราบเดียวกัน 2 มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน

ขั้นตอนการเขียนรังสีจากกระจกเงาโค้ง 1 ลากรังสีตกกระทบขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญไปถึงขอบกระจกแล้วลากรังสีสะท้อนผ่านจุดโฟกัส 2 ลากรังสีตกกระทบผ่านจุดศูนย์กลางความโค้งกระจกไปตัดกับเส้นรังสีสะท้อนที่ผ่านจุดโฟกัส

รังสีสะท้อนจากกระจกโค้ง SI I รังสีสะท้อนจากกระจกโค้ง O f f C C S

การหักเหของแสง

กฎสเนลล์ (Snell ‘s Law) n1sin i = n2 sin r

ลึกจริง ลึกปรากฎ

n = ดัชนีหักเหที่ผู้สังเกตอยู่ มองตรง = ระยะลึกปรากฎ S = ระยะลึกจริง = ดัชนีหักเหที่วัตถุอยู่ n = ดัชนีหักเหที่ผู้สังเกตอยู่

มองเฉียง

ตัวอย่าง ปลาตัวหนึ่งอยู่ในน้ำลึก 6 เมตรถ้ามอง ตัวอย่าง ปลาตัวหนึ่งอยู่ในน้ำลึก 6 เมตรถ้ามอง ปลาตัวนี้ในแนวดิ่งและมองทำมุม 45 องศากับผิวน้ำ จะเห็นปลา ซึ่งอยู่ในน้ำที่ มีค่าดัชนีหักเห 4/3อยู่ลึกเท่าไรจากผิวน้ำ

ขั้นตอนการเขียนรังสีหักเหผ่านเลนส์ 1 ลากรังสีตกกระทบขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญไปถึงเส้นกึ่งกลางเลนส์แล้วลากรังสีหักเหผ่านจุดโฟกัส 2 ลากรังสีตกกระทบผ่านจุดศูนย์กลางเลนส์ไปตัดกับเส้นรังสีหักเหที่ผ่านจุดโฟกัส

ภาพจากเลนส์ ภาพจากเลนส์ O I f O

ตัวอย่าง กระจกเว้าและเลนส์นูนมี. ความยาวโฟกัส 10 และ 20 cm ตัวอย่าง กระจกเว้าและเลนส์นูนมี ความยาวโฟกัส 10 และ 20 cm. ตามลำดับ วางห่างกัน 25 ซม. วัตถุวางอยู่หน้าเลนส์นูน 30 cm จงหาตำแหน่งและชนิดของ ภาพสุดท้าย

การสะท้อนกลับหมด เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหมากกว่าเข้าสู่ตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหน้อยกว่า

มุมวิกฤต(critical angle) เมื่อแสงทำมุมตกกระทบมากพอที่ทำให้มุมหักเหเท่ากับ 90 องศา(ขนานกับผิวรอยต่อของตัวกลาง)

มุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต จะไม่มีแสงผ่านไปยังตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหน้อยกว่า จะเกิดการสะท้อนกลับหมดภายในตัวกลางนั้น

การนำไปใช้ประโยชน์ เส้นใยนำแสง(Fiber Optics)