ຟີຊິກພື້ນຖານຂອງແສງ
ແສງສະຫວ່າງແມ່ນໜຶ່ງໃນປະກົດການທຳມະຊາດທີ່ກ່ຽວຂ້ອງຢ່າງໃກ້ຊິດກັບຊີວິດມະນຸດ. ພວກເຮົາຕ້ອງການມັນເພື່ອເຫັນ, ນຳໃຊ້ມັນເພື່ອເທັກໂນໂລຢີ (ຕັ້ງແຕ່ກ້ອງຖ່າຍຮູບຈົນເຖິງເສັ້ນໄຍແກ້ວນຳແສງ), ແລະສຶກສາມັນເພື່ອເຂົ້າໃຈໂຄງສ້າງພື້ນຖານຂອງຈັກກະວານ. ໃນຟີຊິກສາດ, ແສງສະຫວ່າງຖືກເບິ່ງວ່າເປັນຮູບແບບໜຶ່ງຂອງພະລັງງານທີ່ສາມາດແຜ່ລາມ, ພົວພັນກັບສານ, ແລະສະແດງຄຸນສົມບັດທີ່ບາງຄັ້ງເບິ່ງຄືວ່າ ຄ້າຍຄືຄື້ນ ແລະບາງຄັ້ງກໍ່ຄ້າຍຄືອະນຸພາກ . ບົດຄວາມນີ້ກວມເອົາຟີຊິກພື້ນຖານຂອງແສງສະຫວ່າງໂດຍຫຍໍ້ແຕ່ຄົບຖ້ວນ: ຄຳນິຍາມຂອງມັນ, ຄຸນສົມບັດຄື້ນ, ຄຸນສົມບັດຂອງອະນຸພາກ, ປະຕິກິລິຍາກັບສານ, ແລະການນຳໃຊ້ບາງຢ່າງ.
1. ແສງສະຫວ່າງແມ່ນຫຍັງ?
ໃນທາງກາຍະພາບ, ແສງສະຫວ່າງແມ່ນຄື້ນແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າທີ່ສາມາດແຜ່ລາມໄດ້ໂດຍບໍ່ມີຕົວກາງ. ນີ້ໝາຍຄວາມວ່າມັນບໍ່ຕ້ອງການອາກາດ ຫຼື "ສານຕົວກາງ" ອື່ນໆເພື່ອເດີນທາງ. ນີ້ແມ່ນເຫດຜົນທີ່ແສງແດດສາມາດໄປເຖິງໂລກຜ່ານສູນຍາກາດທີ່ເກືອບເປັນສູນຍາກາດ.
ແສງທີ່ຕາມະນຸດສາມາດເຫັນໄດ້ເອີ້ນວ່າແສງທີ່ເບິ່ງເຫັນໄດ້, ໂດຍມີຄວາມຍາວຄື້ນຕັ້ງແຕ່ປະມານ 400 nm (ສີມ່ວງ) ຫາ 700 nm (ສີແດງ). ນອກເໜືອໄປຈາກຂອບເຂດນັ້ນ, ຍັງມີ ຄື້ນແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ ອື່ນໆ ເຊັ່ນ: ອິນຟາເຣດ, ອັລຕຣາໄວໂອເລັດ, ໄມໂຄເວຟ, ວິທະຍຸ ແລະ ລັງສີເອັກ. ທັງໝົດເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນ "ຍາດພີ່ນ້ອງ" ຂອງແສງ, ແຕກຕ່າງກັນພຽງແຕ່ຄວາມຍາວຄື້ນ ແລະ ພະລັງງານເທົ່ານັ້ນ.
2. ແສງເປັນຄື້ນແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ
ໃນທິດສະດີແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ (ທີ່ສ້າງຂຶ້ນໃນສົມຜົນຂອງ Maxwell), ແສງປະກອບດ້ວຍສະໜາມໄຟຟ້າ ແລະ ສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ສັ່ນສະເທືອນ ເຊິ່ງຕັ້ງສາກກັນ ແລະ ຕັ້ງສາກກັບທິດທາງຂອງການແຜ່ກະຈາຍ. ລັກສະນະຄື້ນນີ້ໃຫ້ແສງມີລັກສະນະສຳຄັນຫຼາຍຢ່າງຄື:
ກ. ຄວາມຍາວຄື່ນ ແລະ ຄວາມຖີ່
- ຄວາມຍາວຄື່ນ (λ) ແມ່ນໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງສອງສັນຄື່ນຕິດຕໍ່ກັນ.
- ຄວາມຖີ່ (f) ແມ່ນຈຳນວນການສັ່ນສະເທືອນຕໍ່ວິນາທີ.
- ທັງສອງແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງກັບຄວາມໄວຂອງແສງ (c) ຜ່ານສົມຜົນ:
c = λ f
ໃນສູນຍາກາດ, ຄວາມໄວຂອງແສງແມ່ນປະມານ 3 × 10⁸ m/s. ຄ່ານີ້ຖືກຖືວ່າເປັນໜຶ່ງໃນຄ່າຄົງທີ່ພື້ນຖານຂອງທຳມະຊາດ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ເມື່ອແສງເຂົ້າສູ່ຕົວກາງເຊັ່ນ: ນ້ຳ ຫຼື ແກ້ວ, ຄວາມໄວຂອງມັນຈະຫຼຸດລົງ.
ຂ. ພະລັງງານ ແລະ ຄວາມສຳພັນຂອງມັນກັບຄວາມຖີ່
ເຖິງແມ່ນວ່າໃນສະພາບການຂອງຄື້ນທີ່ພວກເຮົາເວົ້າກ່ຽວກັບຄວາມຍາວຄື້ນ ແລະ ຄວາມຖີ່, ມັນປາກົດວ່າພະລັງງານແສງສະຫວ່າງມີຄວາມກ່ຽວຂ້ອງຢ່າງໃກ້ຊິດກັບຄວາມຖີ່ຄວາມຖີ່ສູງເທົ່າໃດ (ຄວາມຍາວຄື້ນສັ້ນເທົ່າໃດ), ພະລັງງານກໍ່ຍິ່ງຫຼາຍເທົ່ານັ້ນ.
3. ແສງສະຫວ່າງເປັນອະນຸພາກ: ໂຟຕອນ
ໃນຕົ້ນສະຕະວັດທີ 20, ການທົດລອງຫຼາຍໆຄັ້ງໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າຄຳອະທິບາຍກ່ຽວກັບຄື້ນຢ່າງດຽວນັ້ນບໍ່ພຽງພໍ. ສິ່ງນີ້ນຳໄປສູ່ແນວຄວາມຄິດທີ່ວ່າແສງສະຫວ່າງຍັງສາມາດຖືກເບິ່ງວ່າເປັນຊຸດພະລັງງານແຍກຕ່າງຫາກທີ່ເອີ້ນວ່າໂຟຕອນ. ພະລັງງານຂອງໂຟຕອນແມ່ນໄດ້ມາຈາກ:
ອີ = hf
ບ່ອນທີ່ h ແມ່ນຄ່າຄົງທີ່ຂອງ Planck.
ທັດສະນະນີ້ມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍສຳລັບການອະທິບາຍປະກົດການຕ່າງໆເຊັ່ນ: ຜົນກະທົບຂອງໂຟໂຕໄຟຟ້າ, ບ່ອນທີ່ແສງທີ່ຕົກໃສ່ໜ້າຜິວໂລຫະເຮັດໃຫ້ເອເລັກຕຣອນຖືກປ່ອຍອອກມາ. ໜ້າສົນໃຈ, ເອເລັກຕຣອນຈະຖືກປ່ອຍອອກມາພຽງແຕ່ຖ້າຄວາມຖີ່ຂອງແສງສູງພຽງພໍ, ເຖິງແມ່ນວ່າຄວາມເຂັ້ມຈະຕໍ່າ. ນີ້ຊີ້ໃຫ້ເຫັນວ່າພະລັງງານແສງມາເປັນ "ຢອດ" (ໂຟຕອນ), ແທນທີ່ຈະເປັນກະແສຕໍ່ເນື່ອງຕາມທີ່ຈິນຕະນາການໄວ້ໃນຮູບແບບຄື້ນແບບຄລາສສິກ.
ສະຫຼຸບແລ້ວ, ແສງສະຫວ່າງມີຄວາມເປັນຄູ່ຂອງຄື້ນ-ອະນຸພາກ: ພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂບາງຢ່າງມັນມີພຶດຕິກຳເປັນຄື້ນ, ແລະ ພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂອື່ນໆມັນມີພຶດຕິກຳເປັນອະນຸພາກ.
4. ການພົວພັນລະຫວ່າງແສງສະຫວ່າງກັບສານ
ເມື່ອແສງພົບກັບວັດຖຸ, ມີຫຼາຍສິ່ງຫຼາຍຢ່າງສາມາດເກີດຂຶ້ນໄດ້ຄື: ມັນສາມາດສະທ້ອນ, ຫັກເຫ, ດູດຊຶມ ຫຼື ສົ່ງຕໍ່. ພຶດຕິກຳນີ້ແມ່ນຂຶ້ນກັບຄຸນສົມບັດຂອງວັດສະດຸ ແລະ ຄວາມຍາວຄື້ນຂອງແສງ.
ກ. ການສະທ້ອນ
ການສະທ້ອນແສງເກີດຂຶ້ນເມື່ອແສງສະທ້ອນອອກຈາກພື້ນຜິວ ເຊັ່ນ: ກະຈົກ. ກົດການສະທ້ອນລະບຸວ່າ:
- ມຸມຕົກຕະກອນ = ມຸມສະທ້ອນ
- ລັງສີຕົກกระทบ, ເສັ້ນປົກກະຕິ, ແລະ ລັງສີສະທ້ອນ ແມ່ນຢູ່ໃນລະນາບດຽວກັນ.
ການສະທ້ອນສາມາດເປັນ:
- ຮູບຊົງປົກກະຕິ (ຮູບຊົງ specular): ໜ້າຜິວລຽບຄືກະຈົກ, ຜະລິດຮູບພາບທີ່ຊັດເຈນ.
– ກະຈາຍ: ພື້ນຜິວທີ່ຫຍາບຄາຍເຊັ່ນ: ເຈ້ຍ, ສະທ້ອນໄປໃນທິດທາງຕ່າງໆ ເພື່ອບໍ່ໃຫ້ມີເງົາແຫຼມເກີດຂຶ້ນ.
ຂ. ການຫັກເຫ
ການຫັກເຫຂອງແສງ ແມ່ນການປ່ຽນແປງທິດທາງຂອງແສງ ເມື່ອມັນຜ່ານຕົວກາງສອງຕົວທີ່ແຕກຕ່າງກັນ, ຕົວຢ່າງເຊັ່ນ ຈາກອາກາດໄປຫານໍ້າ. ສິ່ງນີ້ເກີດຂຶ້ນຍ້ອນວ່າຄວາມໄວຂອງແສງປ່ຽນແປງໃນຕົວກາງທີ່ແຕກຕ່າງກັນ. ດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງແສງ (n) ຖືກນິຍາມດັ່ງນີ້:
n = c / v
ບ່ອນທີ່ v ແມ່ນຄວາມໄວຂອງແສງໃນຕົວກາງ.
ການຫັກເຫຂອງແສງອະທິບາຍປະກົດການປະຈຳວັນ: ຫຼອດດູດເບິ່ງຄືວ່າງໍເມື່ອວາງໄວ້ໃນຈອກນ້ຳ, ຫຼື ກົ້ນສະລອຍນ້ຳເບິ່ງຄືວ່າຕື້ນກວ່າທີ່ມັນເປັນຈິງ.
ຄ. ການກະຈາຍຕົວ
ການກະຈາຍແສງແມ່ນການແຍກແສງອອກເປັນສີທີ່ແຕກຕ່າງກັນເນື່ອງຈາກຄວາມແຕກຕ່າງຂອງການຫັກເຫຂອງຄື້ນແສງທີ່ແຕກຕ່າງກັນ. ປຣິຊຶມໄດ້ຖືກນຳໃຊ້ເພື່ອແຍກແສງສີຂາວອອກເປັນສະເປກຕຣຳຂອງສີຕ່າງໆນັບຕັ້ງແຕ່ການທົດລອງຂອງນິວຕັນ. ຮຸ້ງຍັງເປັນຜົນມາຈາກການກະຈາຍແສງ ແລະ ການຫักເຫຂອງແສງ ດວງອາທິດໂດຍຢອດນໍ້າໃນຊັ້ນບັນຍາກາດ.
ງ. ການດູດຊຶມ ແລະ ການປ່ອຍອາຍພິດ
ວັດຖຸສາມາດດູດຊຶມພະລັງງານແສງສະຫວ່າງໄດ້ບາງສ່ວນ; ພະລັງງານນີ້ມັກຈະຖືກປ່ຽນເປັນຄວາມຮ້ອນ. ໃນທາງກັບກັນ, ວັດຖຸຍັງສາມາດປ່ອຍແສງໄດ້, ເຊັ່ນ: ຫລອດໄຟ ຫຼື ດວງດາວ. ໃນລະດັບອະຕອມ, ການປ່ອຍແສງເກີດຂຶ້ນເມື່ອເອເລັກຕຣອນເຄື່ອນຍ້າຍຈາກລະດັບພະລັງງານສູງໄປຫາລະດັບພະລັງງານຕ່ຳ ແລະ ປ່ອຍໂຟຕອນອອກມາ.
5. ໂພລາໄລເຊຊັນແສງ
ໂພລາໄຣເຊຊັນ ແມ່ນຄຸນສົມບັດທີ່ຊີ້ບອກທິດທາງການສັ່ນສະເທືອນຂອງສະໜາມໄຟຟ້າໃນຄື້ນແສງ. ແສງສະຫວ່າງທຳມະຊາດ (ຕົວຢ່າງ, ຈາກດວງອາທິດ) ມັກຈະບໍ່ມີໂພລາໄຣເຊຊັນ, ຊຶ່ງໝາຍຄວາມວ່າທິດທາງການສັ່ນສະເທືອນຂອງມັນແມ່ນແບບສຸ່ມ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ແສງສະຫວ່າງສາມາດມີໂພລາໄຣເຊຊັນຜ່ານຕົວກອງໂພລາໄຣເຊຊັນ ຫຼື ໂດຍການສະທ້ອນໃນມຸມສະເພາະ.
ໂພລາໄຣເຊຊັນມີຫຼາຍການນຳໃຊ້: ແວ່ນຕາໂພລາຣອຍຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນແສງຈ້າ, ໜ້າຈໍ LCD ນຳໃຊ້ຫຼັກການຂອງໂພລາໄຣເຊຊັນ, ແລະ ໃນ ຟີຊິກສ໌ທີ່ທັນສະໄໝ , ໂພລາໄຣເຊຊັນຊ່ວຍໃນການວິເຄາະວັດສະດຸ ແລະ ດາລາສາດ.
6. ການຫັກເຫ ແລະ ການແຊກແຊງ: ຫຼັກຖານຂອງລັກສະນະຄື້ນ
ສອງປະກົດການສຳຄັນທີ່ສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງດ້ານຄື້ນຂອງແສງຄື:
- ການແຊກແຊງ: ການເສີມແຮງ ຫຼື ການອ່ອນແຮງຂອງແສງເມື່ອຄື້ນສອງຄື້ນພົບກັນ. ຕົວຢ່າງ, ຮູບແບບແສງສະຫວ່າງ-ມືດໃນການທົດລອງແບບຊ່ອງສອງຊັ້ນຂອງ Young.
- ການຫັກເຫ: ການໂຄ້ງງໍຂອງແສງເມື່ອມັນຜ່ານຊ່ອງເປີດແຄບ ຫຼື ຂອບຂອງວັດຖຸ. ສິ່ງນີ້ອະທິບາຍວ່າເປັນຫຍັງເງົາຈຶ່ງບໍ່ມີຂອບທີ່ຄົມຊັດສະເໝີໄປ.
ການທົດລອງແບບ double-slit ແມ່ນມີຊື່ສຽງໃນການສະແດງຮູບແບບການແຊກແຊງທີ່ເຂັ້ມແຂງ. ເຖິງແມ່ນວ່າໂຟຕອນຈະຖືກຍິງອອກຄັ້ງລະອັນ, ຮູບແບບການແຊກແຊງຍັງຄົງຢູ່ຫຼັງຈາກໂຟຕອນຫຼາຍອັນໄດ້ສະສົມໄວ້. ສິ່ງນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງຄຸນສົມບັດດ້ານ quantum ທີ່ເປັນເອກະລັກ: ແສງສະຫວ່າງບໍ່ສາມາດອະທິບາຍໄດ້ວ່າເປັນອະນຸພາກຄລາສສິກ ຫຼື ຄື້ນຄລາສສິກເທົ່ານັ້ນ.
7. ການນຳໃຊ້ແນວຄວາມຄິດຂອງແສງສະຫວ່າງໃນເຕັກໂນໂລຊີ
ການເຂົ້າໃຈແສງສະຫວ່າງໄດ້ໃຫ້ກຳເນີດເຕັກໂນໂລຢີທີ່ທັນສະໄໝຫຼາຍຢ່າງ, ຕົວຢ່າງເຊັ່ນ:
- ເລນ ແລະ ກ້ອງສ່ອງທາງໄກ: ແວ່ນຕາ, ກ້ອງຈຸລະທັດ, ກ້ອງສ່ອງທາງໄກ.
- ເລເຊີ: ໃຊ້ໃນການປະຕິບັດງານທາງການແພດ, ການຕັດອຸດສາຫະກໍາ, ເຄື່ອງສະແກນບາໂຄດ, ການສື່ສານ ແລະ ການຄົ້ນຄວ້າ.
- ເສັ້ນໄຍແກ້ວນຳແສງ: ສົ່ງຂໍ້ມູນອິນເຕີເນັດໂດຍໃຊ້ແສງທີ່ມີການສູນເສຍຕໍ່າໂດຍຜ່ານການສະທ້ອນພາຍໃນທັງໝົດ.
- ກ້ອງຖ່າຍຮູບ ແລະ ເຊັນເຊີ: CCD/CMOS ປ່ຽນໂຟຕອນເປັນສັນຍານໄຟຟ້າ, ໂດຍນຳໃຊ້ຜົນກະທົບດ້ານ quantum.
ເທັກໂນໂລຢີນີ້ເຮັດວຽກໄດ້ເພາະວ່າພວກເຮົາເຂົ້າໃຈວ່າແສງເດີນທາງແນວໃດ, ພົວພັນກັບວັດສະດຸແນວໃດ ແລະ ນຳເອົາພະລັງງານມາແນວໃດ.
ສະຫຼຸບ
ແສງສະຫວ່າງເປັນປະກົດການທີ່ອຸດົມສົມບູນ ແລະ ເປັນພື້ນຖານໃນຟີຊິກສາດ: ມັນເປັນຄື້ນແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າທີ່ເຄື່ອນທີ່ໄວປະກອບດ້ວຍໂຟຕອນ, ຄວານຕາຂອງພະລັງງານ. ໂດຍການໃຊ້ແນວຄວາມຄິດຂອງຄວາມຍາວຄື້ນ, ຄວາມຖີ່, ດັດຊະນີການຫັກເຫ, ການສະທ້ອນ, ການຫັກເຫ, ການແຊກແຊງ, ການຫັກເຫ, ແລະ ໂພລາໄຣເຊຊັນ, ພວກເຮົາສາມາດອະທິບາຍປະກົດການທຳມະຊາດຫຼາຍຢ່າງ ແລະ ອອກແບບເຕັກໂນໂລຢີທີ່ສຳຄັນ. ການເຂົ້າໃຈຟີຊິກສາດພື້ນຖານຂອງແສງສະຫວ່າງໝາຍເຖິງການເຂົ້າໃຈໜຶ່ງໃນ "ພາສາ" ພື້ນຖານຂອງຈັກກະວານ - ເຊື່ອມຕໍ່ຂະໜາດອະຕອມ, ຊີວິດປະຈຳວັນ, ແລະ ຈັກກະວານ.
ຖ້າທ່ານຕ້ອງການ, ຂ້ອຍສາມາດເພີ່ມຮູບປະກອບຂອງແນວຄວາມຄິດຕ່າງໆ (ເຊັ່ນ: ແຜນວາດການຫັກເຫ, ສະເປກຕຣຳແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ, ຫຼື ການທົດລອງແບບສອງຊ່ອງ) ຫຼື ສ້າງບົດຄວາມສະບັບທີ່ນິຍົມກວ່າສຳລັບນັກຮຽນມັດທະຍົມຕອນຕົ້ນ/ມັດທະຍົມຕອນປາຍ.
