คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

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

 

ภาพที่ 1  คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความยาวคลื่น (wavelength), ความถี่ (frequency) และความเร็วแสง (speed)

          

= c / f

ความยาวคลื่น = ความเร็วแสง / ความถี่
ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
ความเร็วแสง (c) = 300,000,000 เมตร/วินาที (m/s)

ตัวอย่างที่ 1: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ มีความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร (0.0000005 เมตร) จะมีความถี่เท่าไร(1 เมตร = 1,000,000,000 นาโนเมตร)      = c / f       f = c /          = [ 300,000,000 เมตร / วินาที ]          = 6 x 10^14 เฮิรทซ์

ประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 

          แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นเพียงส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงซึ่งประสาทตาของมนุษย์สามารถสัมผัสได้ ซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร (1 เมตร = 1,000,000,000 นาโนเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึม (Prism) มาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปคตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุดสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด

 

ภาพที่ 2  ประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ได้แก่ รังสีที่มีความยาวคลื่นถัดจากสีแดงออกไป เราเรียกว่า “รังสีอินฟราเรด” หรือ “รังสีความร้อน” เรามองไม่เห็นรังสีอินฟราเรด แต่เราก็รู้สึกถึงความร้อนได้ สัตว์บางชนิด เช่น งู มีประสาทสัมผัสรังสีอินฟราเรด มันสามารถทราบตำแหน่งของเหยื่อได้ โดยการสัมผัสรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออกมาจากร่างกายของเหยื่อ รังสีที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่าแสงสีม่วงเรียกว่า “รังสีอุลตราไวโอเล็ต” แม้ว่าเราจะมองไม่เห็น แต่เมื่อเราตากแดดนานๆ ผิวหนังจะไหม้ด้วยรังสีชนิดนี้ นอกจากรังสีอุลตราไวโอเล็ตและรังสีอินฟราเรดแล้ว ยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทอื่นๆ ซึ่งเรียงลำดับตามความยาวคลื่นได้ดังนี้
          รังสีแกมมา (Gamma ray) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 นาโนเมตร โฟตอนของรังสีแกมมามีพลังงานสูงมาก กำเนิดจากแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ เช่น ดาวระเบิด หรือ ระเบิดปรมาณู เป็นอันตรายมากต่อสิ่งมีชีวิต
          รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 นาโนเมตร มีแหล่งกำเนิดในธรรมชาติมาจากดวงอาทิตย์ เราใช้รังสีเอ็กซ์ในทางการแพทย์ เพื่อส่องผ่านเซลล์เนื้อเยื่อ แต่ถ้าได้ร่างกายได้รับรังสีนี้มากๆ ก็จะเป็นอันตราย
           รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 นาโนเมตร รังสีอุลตราไวโอเล็ตมีอยู่ในแสงอาทิตย์ เป็นประโยชน์ต่อร่างกาย แต่หากได้รับมากเกินไปก็จะทำให้ผิวไหม้ และอาจทำให้เกิดมะเร็งผิวหนัง
          แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร พลังงานที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ ส่วนมากเป็นรังสีในช่วงนี้ แสงแดดเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญของโลก และยังช่วยในการสังเคราะห์แสงของพืช
          รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร – 1 มิลลิเมตร โลกและสิ่งชีวิตแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา ก๊าซเรือนกระจก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ ในบรรยากาศดูดซับรังสีนี้ไว้ ทำให้โลกมีความอบอุ่น เหมาะกับการดำรงชีวิต
           คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 มิลลิเมตร – 10 เซนติเมตร ใช้ประโยชน์ในด้านโทรคมนาคมระยะไกล นอกจากนั้นยังนำมาประยุกต์สร้างพลังงานในเตาอบอาหาร
           คลื่นวิทยุ (Radio wave) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นมากที่สุด คลื่นวิทยุสามารถเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศได้ จึงถูกนำมาใช้ประโยชน์ในด้านการสื่อสาร โทรคมนาคม

สเปคตรัม

          นักดาราศาสตร์ทำการศึกษาเทห์วัตถุท้องฟ้า โดยการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุแผ่รังสีออกมา สเปคตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เราทราบถึงคุณสมบัติทางกายภาพของดวงดาว อันได้แก่ อุณหภูมิ และพลังงาน (นอกจากนั้นยังบอกถึง ธาตุ องค์ประกอบทางเคมี และทิศทางการเคลื่อนที่ของเทห์วัตถุ แต่คุณสมบัติเหล่านี้ อยู่นอกเหนือที่จะกล่าวในที่นี้)

ภาพที่ 3  สเปคตรัมของแสงอาทิตย์

           สเปคตรัมของแสงอาทิตย์ในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นถึงระดับความเข้มของพลังงานในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ จะเห็นได้ว่า ดวงอาทิตย์มีความเข้มของพลังงานมากที่สุดที่ความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร เส้นสีเข้มบนแถบสเปคตรัม หรือ รอยหยักบนเส้นกราฟ แสดงให้เห็นว่า มีธาตุไฮโดรเจนอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ดาวแต่ละดวงมีสเปคตรัมไม่เหมือนกัน ฉะนั้นสเปคตรัมจึงเป็นเสมือนเส้นลายมือของดาว

ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น และอุณหภูมิ

          วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) มีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ มิใช่มีเพียงสิ่งที่มีอุณหภูมิสูง ดังเช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟฟ้า จึงมีการแผ่รังสี หากแต่สิ่งที่มีอุณหภูมิต่ำดังเช่น ร่างกายมนุษย์ และน้ำแข็ง ก็มีการแผ่รังสีเช่นกัน เพียงแต่ตาของเรามองไม่เห็นพิจารณาภาพที่ 4 เมื่อเราให้พลังงานความความร้อนแก่แท่งโลหะ เมื่อมันเริ่มร้อน มันจะเปล่งแสงสีแดง (สามารถเห็นได้จากขดลวดของเตาไฟฟ้า) เมื่อมันร้อนมากขึ้น มันจะเปล่งแสงสีเหลือง และ.ในที่สุดมันจะเปล่งแสงสีขาวอมน้ำเงิน พิจารณาเส้นกราฟ จะเห็นว่า
           เมื่อโลหะมีอุณหภูมิ 3,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 1000 nm (นาโนเมตร) ซึ่งตรงกับย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีแดง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่ต่ำที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้
           เมื่อแท่งเหล็กมีอุณหภูมิ 5,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 580 nm เราจึงมองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีเหลือง

           เมื่อแท่งเหล็กมีอุณหภูมิ 10,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 290 nm ซึ่งตรงกับย่านรังสีอุลตราไวโอเล็ก ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีม่วง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่สูงที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้

ภาพที่ 4  ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับอุณหภูมิ

          ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น ส่วนวัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว ในปี ค.ศ.1893 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม เวน (Wilhelm Wien) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อน ดังนี้

กฎของเวน (Wien’s Law)

max = 0.0029 / T

max = ความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุด มีหน่วยเป็นเมตร (m)
       T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

ตัวอย่างที่ 2:  แสงอาทิตย์มีพลังงานสูงสุดที่ความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร (0.0000005 เมตร) แสดงว่าดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวเท่าไรmax = 0.0029 / T        T = 0.0029 /max           = 0.0029 / 0.0000005           = 5,800 K

ตัวอย่างที่ 3:  อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกเท่ากับ 15°C (288 K) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่โลกแผ่สู่อวกาศ มีความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุด เท่ากับเท่าไร max = 0.0029 / T           = 0.0029 / 288           = 0.00001 เมตร           = 0.01 มิลลิเมตร คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่โลกแผ่สู่อวกาศ มีความยาวคลื่น 0.01 มิลลิเมตร ตรงกับย่านรังสีอินฟราเรด

พลังงานของโฟตอน

          

           โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง ซึ่งไม่มีมวล แต่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที พลังงานของโฟตอนแปรตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น กล่าวคือ โฟตอนของรังสีคลื่นสั้น ย่อมมีพลังงานมากกว่า โฟตอนของรังสีคลื่นยาว ดังเช่น โฟตอนของรังสีอุลตราไวโอเล็ต มีพลังงานมากกว่า รังสีอินฟราเรด

กฏของแพลงก์ (Plank’s Law)

E = hf = hc /

พลังงานของโฟตอน = h x ความถี่ = h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรซ์ (Hz)
ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10^-34 จูล วินาที (J.s)

ตัวอย่างที่ 4: โฟตอนของแสงสีเหลืองมีความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร (0.0000005 เมตร) โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 656 นาโนเมตร (0.000000656 เมตร) โฟตอนทั้งสองมีพลังงานต่างกันอย่างไร E yellow = hc /            = [6.6 x 10^-34 จูล วินาที] [300,000,000 เมตร / วินาที ]            = 4 x 10^-19 จูล E red    = hc /            = [6.6 x 10^-34 จูล วินาที] [300,000,000 เมตร / วินาที ]            = 1 x 10^-19 จูล โฟตอนของแสงสีเหลือง มีพลังงานมากกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 4 เท่า เนื่องจากคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าคลื่นยาว

ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของพลังงาน และอุณหภูมิ

         ในปี ค.ศ.1879 โจเซฟ สเตฟาน และลุดวิก โบลทซ์มานน์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ได้ค้นพบว่า ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร

กฏของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)

 

F = T4

F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ / ตารางเมตร (W m^-2)
= 5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4 (W m^-2 K^-4)
T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

ตัวอย่างที่ 5: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร         F = T4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร K^4) (5800 K)^4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 10^15)            = 64,164,532 วัตต์ / ตารางเมตร

ตัวอย่างที่ 6: พื้นผิวของโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 288 K (15°C) มีความเข้มของพลังงานเท่าไร         F = T4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร K^4)(288 K)^4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร)(6,879,707,136)            = 390 วัตต์ / ตารางเมตร

ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและระยะทาง ในการแผ่รังสี

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากจุดกำเนิดในทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงยกลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทาง ยกกำลังสอง

 

ภาพที่ 5  ระยะทางผกผันกำลังสอง

           กฎระยะทางผกผันกำลังสอง

F1 / F2 = (D2 / D1)^2

          

           F1 = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 1
           F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 2
           D1 = ระยะทางจากจุดกำเนิดถึงระยะทางที่ 1
           D2 = ระยะทางจากจุดกำเนิด ถึงระยะทางที่ 2

ตัวอย่างที่ 7: พลังงานที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีความเข้ม 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร อยากทราบว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร       F1 = ความเข้มของพลังงาน ณ บรรยากาศโลกชั้นบน       F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ผิวดวงอาทิตย์            = 64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร       D1 = รัศมีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์            =150,000,000,000 เมตร       D2 = รัศมีของดวงอาทิตย์            = 694,000,000 เมตร       F1 = F2 (D2/D1)^2       F1 = (64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร) (694,000,000 เมตร / 150,000,000,000 เมตร)^2            = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร

ตัวอย่างที่ 8: พลังงานจากดวงอาทิตย์ตกกระทบโลกมีความเข้ม 1,370 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร อยากทราบว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบดาวอังคาร จะมีความเข้มเท่าไร       F1 = พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบดาวอังคาร       F2 = พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบโลก = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร       D1 = รัศมีของวงโคจรดาวอังคาร = 1 AU (หน่วยดาราศาสตร์)       D2 = รัศมีของวงโคจรโลก = 1.5 AU       F1 = F2 (D2 / D1)^2       F1 = (1,370 วัตต์/ตารางเมตร) ( 1 / 1.5)^2 = (1,370 วัตต์/ตารางเมตร) (0.444)= 609 วัตต์/ตารางเมตร

สรุปกฎการแผ่รังสี

          1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตร/วินาที

          2. คลื่นสั้นมีความถี่สูง คลื่นยาวมีความถี่ต่ำ
          3. วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 K (-273°C) ล้วนมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
          4. วัตถุที่มีอุณหภูมิสูง ย่อมมีการแผ่พลังงาน (อัตราการไหลของพลังงาน) มากกว่าวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ
          5. พลังงานของโฟตอนแปรผันโดยตรงกับความถี่ (E = h)
          6. พลังงานของโฟตอนแปรผกผันกับความยาวคลื่น (E = hc / )
          7. วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว (max = 0.0029 / T)
          8. ความเข้มของพลังงานแปรผกผันกับหน่วยของระยะทางยกกำลังสอง (F1/F2 = (D2/D1)^2)

การคำนวณหาพลังงานจากดวงอาทิตย์

          1. Spectrum จากดวงอาทิตย์ มีความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุด max = 500 นาโนเมตร .............(ภาพที่ 3)
          2. กฎของเวน T = 0.0029 / max ทำให้ทราบค่าอุณหภูมิพื้นผิว = 5,800 K ........(ตัวอย่างที่ 2)
          3. กฎสเตฟาน-โบลทซ์มานน์ F = T^4 ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่พื้นผิว = 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร........(ตัวอย่างที่ 5)
          4. กฎระยะทางผกผันกำลังสอง F1 / F2 = (D2 / D1)^2  ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่ตกกระทบบรรยากาศของโลก = 1,370 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร ........(ตัวอย่างที่ 6)



                                                                                                            คณะผู้จัดทำ

                                                                                           นางสาวจิรภิญญา       หวังจิ

                                                                                           นางสาวธนาภรณ์        ทัลวัลลิ์

                                                                                           นางสาววชริญาณ์       แซ่หลิน

                                                                                           นางสาววิลาสินี          ปรโลกานนท์

                                                                                           นางสาวอภิสรา          ตันวโรภาส

                                                                                                     ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5/5

ขอขอบคุณ

ที่มา http://202.143.160.21/LM/Sci@/energy/em_wave/em_wave/em_wave.htm