1. อันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร

งานนำเสนอเรื่อง: "1. อันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 1. อันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร
1. อันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร ธรรมชาติของแสง การกระจายแสง การสะท้อนและการหักเห การกระเจิง Pioneer.netserv.chula.ac.th\~wsomrit\

2 แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
f= 3.8 x x1015 Hz l= nm 700 nm 600 nm 500 nm 400 nm แสงขาว

3 แสงเป็นอนุภาคไร้มวล Planck’s Quantum Theory (1900) :
“Radiant energy may only be absorbed or emitted in discrete amounts: quanta.” photon energy E=hf : h = x J.s Photo electron light Metal surface In 1905, Einstein applied this quantum theory to explain the photoelectric effect: X-ray in electron Compton effect (1924) Photon momentum p=h/ l Target X-ray out

4 แสงมีอัตราเร็วสูงมาก
1667 Galileo: at least 10 times faster than sound 1675 Ole Roemer: 200,000 Km/sec 1728 James Bradley: 301,000 Km/s 1849 Hippolyte Louis Fizeau: 313,300 Km/s fig 1926 Leon Foucault 299,796 Km/s Today: km/s ( Vacuum) มีค่าขึ้นกับตัวกลางที่เดินทางผ่าน C = Co/ n (any medium ) โดยที่ n - refractive index of the medium

5 Roemer's Experiment flash
The first successful measurement of c was made by Olaus Roemer in He noticed that the time between the eclipses of the moons of Jupiter was less as the distance away from Earth is decreasing than when it is increasing. He correctly surmised that this is due to the varying length of time it takes for light to travel from Jupiter to Earth as the distance changes. He obtained a value equivalent to 214,000 km/s which was very approximate because planetary distances were not accurately known at that time. Roemer experiment (1675) was "simple", he was the first one in measure the speed of light throw data banks from astronomy, and he found out that The light has a speed of nearly km/seconds, by watching Jupiter eclipses. Earth's orbit is small compared with Jupiter one (Jupiter is the biggest planet in our solar system), and while the first one makes half of it orbit around the sun (half a year because a complete orbit it's a year, the translation movement), Jupiter has only moved once around it own axis (similar to Earth's Rotation movement). Lets call S to the sun's orbit, E to Earth's orbit, J to Jupiter and L to one of Jupiter's satellites. When Earth is between the Sun and Jupiter, we observe the time that L uses for making a round on J, so the time between two eclipses of L. So, since this time, we know that the eclipses will be in half a year till Earth goes to the other side of the Sun. L's eclipses were retarded during half a year in 986 seconds, and we attribute that to the time that the light uses in cover the diameter of the Earth's orbit, kilometers, and if we divide this by 986 we get km/sec approximately, what is the speed of light (till now).

6 Fizeau's Experiment The first measurement of c on Earth was by Armand Fizeau in He used a beam of light reflected from a mirror 8 km away. The beam passed through the gaps between teeth of a rapidly rotating wheel. The speed of the wheel was increased until the returning light passed through the next gap and could be seen. Then c was calculated to be 315,000 km/s. source glass lenses mirror Toothed wheel L w A luminous focus F emit light that pass throw the lens L1 and, after reflecting in a semi-plated badge glass P, it forms the image of the luminous point F', point that coincides with the other lens focus L2, and emits parallel rays, for getting together then in a point thanks to other lens L3, in the union point there is a plane mirror E, that returns the rays for being observed throw the glass by the observer. If F's coincides with the embroider of the dented wheel R, whose teeth are exactly equal to the free space among them, when it rotates faster, we can make that the light that has passed throw the space between those two teeth to spend some time in returning back, reflected by E, the time that a teeth needed for occupy the empty space that precedes it. When this happen the observer won't see the image, knowing that the time necessarily for this journey of the wheel and of the journey of the light, Fizeau calculated the speed obtaining a result of km/sec. Foucalt improved this experiment with a rotating mirror, and he found a speed of km/s.

7 Foucault's apparatus S screen html L เวลาที่แสงใช้เดินทางระหว่างกระจก
Leon Foucault improved the Fizeau's Experiment a year later by using rotating mirrors and got the much more accurate answer of 298,000 km/s. His technique was good enough to confirm that light travels slower in water than in air. Foucault's apparatus Fixed Mirror L Rotating Mirror เวลาที่แสงใช้เดินทางระหว่างกระจก wt S w มุมเบี่ยงลำแสง 2wt screen ระยะเบี่ยงบนฉาก Dx D html

8 ดัชนีหักเหของแสงในตัวกลางบางชนิด
ดัชนีหักเหแสง สุญญากาศ ฮีเลียม (ก๊าซ) อากาศ (–15 oC) ไฮโดรเจน (ก๊าซ) อากาศ ( 0  oC ) ไฮโดรเจน (ของเหลว) 1.0974 อากาศ (+15  oC ) ควอตซ์ 1.544 อากาศ (+30  oC ) ทับทิม 1.76 อากาศ (+60  oC ) เกลือโซเดียมคลอไรด์ 1.516 เนย (40  oC ) 1.455 ไพลิน เนย (60  oC ) 1.447 กลีเซอรีน 1.473 แคลไซต์ 1.486 น้ำแข็ง 1.309 เพชร 2.418 น้ำ (ของเหลว, 0 oC ) แก้วไพเรกซ์ 1.474 น้ำ (ของเหลว, 20 oC ) แก้วคราวน์ (โซดาไลม์) 1.512 น้ำ (ของเหลว, 100 oC ) แก้วฟลินท์ (71% lead) 1.805 น้ำ (ไอ)

9 วัสดุใสส่วนใหญ่จะมี n เพิ่มขึ้นเมื่อ l ลดลง (จากแสงสีแดง  สีน้ำเงิน)
ลดลง (จากแสงสีแดง  สีน้ำเงิน) วัสดุเหล่านี้มีความถี่เรโซแนนซ์อยู่ใน UV แสง f สูงทำให้เกิดการสั่นของไดโพล แรงกว่าแสง f สูง Dense flint glass light flint glass Crystal quartz Acrylic plastic Borosilicate crown glass Vitreous quartz Index of refractive n 200 400 600 800 1000 1.4 1.5 1.6 1.7 Wavelength l (nm)

10 ดัชนีหักเหและความสัมพันธ์ของแมกซ์เวลล์
m -Mag. Permeability e - Elec. susceptibility (4p x 10-7 T m /A) ( 8.85x-12 F/m) โดยที่ KM = m/m0 และ KE = e/e0 สำหรับ nonmagnetic materials KM = m/m0  1 Maxwell’s relation n เป็นค่าที่ขึ้นกับความถี่(สี)ของแสง -> dispersion

11 - + ------FHM Phase difference Amplitude 1800 w w w0 w0

12 P : Electric Polarization (dipolemoment /unit volume) n
1 w w0 Dispersion equation n >1 เมื่อ w < w0 ไดโพลโมเมนต์สั่นทัน ตามสนามไฟฟ้า n <1 เมื่อ w > w0 ไดโพลโมเมนต์สั่นกลับเฟสกับสนามไฟฟ้า ( C>C0 ????)

13 คิดรวมผลของความเสียดทาน
normal dispersion Anomalous dispersion n 1 w01 w02 w03 w

14 การสะท้อนและการหักเห
แสงเดินทางไปตามแนวเส้นตรงตราบเท่าที่ยังไม่เปลี่ยนแปลงตัวกลาง ถ้าแสงมีการเปลี่ยนทิศทาง ==> มีการเปลี่ยนแปลงตัวกลางเกิดขึ้น qi qr qt ni nt กฎของการสะท้อน กฎการหักเหของ snell

15 ni < nt nt ni > nt qc nt fast medium slow medium slow medium

16 การสะท้อนกลับหมดภายใน
qc เกิดขึ้นเมื่อ qi สูงกว่า q c 0% 100% 100% qc จะอยู่ในตัวกลางที่มี r สูงกว่า

17 การกระเจิงแบบ Rayleigh
-การกระเจิงแบบยืดหยุ่น -ความเข้มแสงจากการกระเจิงแปรผกผันกับกำลังสี่ 4 ของความยาวคลื่นแสง R - distance to the particle q - scattering angle n - refractive index of the particle d - diameter of the particle I0 - initial intensity แสงสี…...กระเจิงได้ดีที่สุด

18 -เป็นการกระเจิงแสงโดยอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า กรณีของ Rayleigh
-ความเข้มแสงกระจายไม่สมมาตร (เอนเอียงไปใน ทิศทางไปข้างหน้า การกระเจิงแบบ Mie - ความเข้มแปรค่าตามความยาวคลื่น เพียงเล็กน้อย ทำให้เห็น แสงอาทิตย์ เมื่อผ่านเมฆ-หมอกกระเจิงเป็นสีฝ้า ขาว-เทา

19 การกระเจิงแสงเข้ากับโมเลกุล
Direction of light excitation E-field and electron oscillation Emitted intensity pattern No light is emitted along direction of oscillation! Directions of scat- tered light E-field Directions of scat- tered light E-field

20 การกระเจิงของแสงโพลาไรซ์
No light is scattered along the input field direction, i.e. with k parallel to E. Vertically polarized input light Horizontally polarized input light

21 การกระเจิงของแสงไม่โพลาไรซ์
Again, no light is scattered along the input field direction, i.e. with k parallel to Einput.

22 พระอาทิตย์สีแดงสุก และ ท้องฟ้าสีฟ้า

23 แสงจากท้องฟ้าจะดูโพลาไรซ์ถ้าดวงอาทิตย์อยู่ด้านข้าง
Right-angle scattering is polarized This polarizer transmits horizontal polarization (of which there is very little). Polarizer transmitting vertical polarization การสะท้อนหลายครั้งทำให้โพลาไรเซชันมีความหลากหลาย ถ้ามีมากครั้งเกินไปเช่นในเมฆจะทำลายความเป็นโพลาไรซ์

24 ผ่านปริซึมการหักเหของแสง
a n1 d b1 b4 b3 b2 a n2

25 ที่ d = dmin ==> b1 = b4 ==> b2 = b3

26 รุ้ง