การหักเหขอแสง

การหักเหของแสง

การหักเหของแสง หมายถึง การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง เมื่อแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางชนิดหนึ่งไปยังอีกตัวกลางชนิดหนึ่งที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน สาเหตุที่ทำให้แสงหักเหเนื่องจากอัตราเร็วของแสงในตัวกลางทั้งสองไม่เท่ากัน การหักเหของแสงเกิดขึ้นตรงผิวรอยต่อของตัวกลาง ลักษณะการหักเหของแสง เมื่อแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า แสงจะหักเหเข้าหาเส้นปกติ ในทางตรงกันข้ามถ้าแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติดังรูปต่อไปนี้

รูปแสดงการหักเหของแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน

ดรรชนีหักเหของตัวกลาง
แสงเคลื่อนที่ในตัวกลางต่างชนิดกันจะมีอัตราเร็วต่างๆ กัน เช่น อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ของแสงในอากาศเท่ากับ 300,000,000 เมตรต่อวินาที หรือการเคลื่อนที่ของแสงในแก้วหรือพลาสติกจะมีอัตราเร็วเท่ากับ 200,000,000 เมตรต่อวินาที การเปลี่ยนอัตราเร็วของแสงผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน ทำให้เกิดการหักเห ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างอัตราเร็วของแสงในตัวกลางที่แสงตกกระทบกับอัตราเร็วของแสงในตัวกลางที่แสงหักเห หรืออัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบกับไซน์ของมุมหักเหจะมีค่าคงที่ และค่าคงที่นี้เรียกว่า "ดรรชนีหักเหของวัตถุ" ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของสเนลล์ สัญลักษณ์ที่นิยมใช้คือ n เขียนแสดงความสัมพันธ์ได้ดังนี้

โดยทั่วไปนิยมกำหนดค่าดรรชนีหักเหของวัตถุหรือตัวกลางต่างๆ เทียบกับสุญญากาศ นั่นคืออัตราส่วนระหว่างอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศกับอัตราเร็วของแสงในตัวกลางนั้น จะได้



กำหนดให้

c เป็นอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ
v เป็นอัตราเร็วของแสงในตัวกลางใดๆ

เมื่อประมาณค่าให้อัตราเร็วของแสงในอากาศเท่ากับอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ ในการหาค่าดรรชนีหักเหของวัตถุหรือตัวกลางที่แสงเดินทางจากอากาศผ่านเข้าไปในวัตถุหรือตัวกลางจึงถือเป็นค่าเดียวกับที่แสงเดินทางจากสุญญากาศผ่านเข้าไปในวัตถุหรือตัวกลาง ดังตารางต่อไปนี้

ตารางแสดงค่าดรรชนีหักเหของตัวกลางและอัตราเร็วของแสงในตัวกลางต่างๆ



หมายเหตุ เมื่อแสงขาวผ่านปริซึม พบว่าแสงที่หักเหออกมาจากปริซึมจะไม่เป็นแสงขาว แต่จะแยกออกเป็นสีต่างๆ กัน และแสงแต่ละสีที่หักเหออกมาจะทำมุมหักเหต่างๆกัน การที่แสงแยกออกในลักษณะนี้เรียกว่า "การกระจายแสง" แถบสีที่เกิดจากการกระจายแสงของดวงอาทิตย์เรียกว่า "สเปกตรัมของแสงขาว" เมื่อแถบสเปกตรัมนี้ผ่านปริซึมอีกอันที่วางกลับหัวกับปริซึมอันแรก แสงสีต่างๆ ที่กระจายออกมาจากปริซึมอันแรกจะรวมกันเป็นสีขาวเหมือนเดิม
ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการกระจายของแสงที่มักเห็นกันบ่อยๆ คือ รุ้ง ซึ่งเกิดจากแสงขาวจากดวงอาทิตย์ส่องผ่านละอองน้ำหรือหยดน้ำซึ่งมีมากก่อนหรือหลังฝนตก โดยหยดน้ำทำให้แสงเกิดการกระจายและสะท้อนกลับหมด ทำให้ได้แถบสีหรือสเปกตรัมของแสงขาว รุ้งอาจเกิดขึ้นได้ในบริเวณอื่นที่มีละอองน้ำ เช่น น้ำพุ น้ำตก เป็นต้น

กฎการหักเหของแสง
1. รังสีตกกระทบ เส้นแนวฉาก และรังสีหักเห อยู่ในระนาบเดียวกัน
2. สำหรับตัวกลางคู่หนึ่ง ๆ อัตราส่วนระหว่างค่า sin ของมุมตกกระทบ ในตัวกลางหนึ่งกับ
ค่า sin ของมุมหักเหในอีกตัวกลางหนึ่ง มีค่าคงที่เสมอ

การหักเหของแสงเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือ
1.การหักเหเข้าหาเส้นแนวฉาก เกิดขึ้นเมื่อ
- แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก
หรือ - แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อยไปสู่ตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมาก
หรือ - แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความเร็วมากไปสู่ตัวกลางที่มีความเร็วน้อย
2. การหักเหออกจากเส้นแนวฉาก เกิดขึ้นเมื่อ
- แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย
หรือ - แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมากไปสู่ตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อย

หรือ - แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความเร็วน้อยไปสู่ตัวกลางที่มีความเร็วมาก

การหักเหของแสง (เบนเข้า)

การหักเหของแสง(เบนออก)

คุณสมบัติของแสง

คุณสมบัติของแสง
แสงจะมีคุณสมบัติที่สำคัญ 4 ข้อ ได้แก่ การเดินทางเป็นเส้นตรง (Rectilinear propagation) , การหักเห (Refraction) , การสะท้อน (Reflection) และการกระจาย (Dispersion) การเดินทางแสงเป็นเส้นตรงในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเห (refractive index ; n) ของแสงเท่ากัน แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงโดยค่า n สามารถหาได้จากสมการ โดยที่ คือ ความเร็วของแสงในสูญญากาศ
คือ ความเร็วของแสงในตัวกลางนั้นๆ

รูปที่ 1 ช่วงแถบความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการสื่อสารเส้นใยแสง

1. การสะท้อน

การสะท้อนของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ

การสะท้อนแบบปกติ (Regular reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบกับวัตถุที่มีผิวเรียบมันวาวดังรูปที่ 2

รูปการสะท้อนแบบปกติ

การสะท้อนแบบกระจาย (Diffuse reflection) จะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบวัตถุที่มีผิวขรุขระดังรูปที่ 2

รูปการสะท้อนแบบกระจาย

โดยการสะท้อนของแสงไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตามจะต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสงที่ว่า "มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ" ซึ่งแสดงให้ดูในรูป

2. การหักเห

การหักเหของแสงจะเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเหไม่เท่ากัน โดยลำแสงที่ตกกระทบจะต้องไม่ทำมุมฉากกับรอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสองและมุมตกกระทบต้องมีค่าไม่เกินมุมวิกฤต (Critical angel ; ) โดยการหักเหของแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กรณี คือ

» n1 <>

รูปการหักเหของแสงกรณี n1 <>

จากรูประยะเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางในช่วง BC จะเท่ากับระยะเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางในช่วง B'C' ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังสมการ

จากสมการจะได้เมื่อพิจารณารูปสามเหลี่ยม BCC' และ BB'C' จะได้ความสัมพันธ์ทางตรีโกณดังนี้
และ

นำสมการและแทนลงไปในสมการจะได้

» n1 > n2 แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ

รูปที่ 2.6 การหักเหของแสงกรณี n1 > n2

จากรูปที่ 2.6 จะเห็นว่าระยะทาง BC มีค่ามากกว่า B'C' เนื่องจากระยะทาง BC เป็นการเดินทางของแสงในตัวกลางที่มีค่าดัชนีการหักเหน้อยกว่า ดังนั้นในระยะเวลาเท่ากันแสงจะสามารถเดินทางได้มากกว่า

» การสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection) การเกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อค่าดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 1 มีค่ามากกว่าดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 2 (n1 > n2) และ ซึ่งจะส่งผลให้ มีค่าเท่ากับ หรือมากกว่าโดยเราสามารถหาค่า ได้จาก Snell's Law

เมื่อ จะเกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงซึ่งจะได้ ดังนั้น

ดังนั้นจะได้


รูปที่ 2.7 การสะท้อนกลับหมดของแสง

ในรูปที่ 2.8 แสดงตัวอย่างของการสะท้อนกลับหมดของแสง โดยการมองเครื่องบินที่อยู่ในอากาศจากใต้น้ำ ซึ่งจะสามารถมองเห็นเครื่องบินได้ก็ต่อเมื่อเรามองทำมุมกับผิวน้ำมากกว่า ค่าดังกล่าวได้มาจากการคำนวณมุมวิกฤตดังนี้

รูปที่ 2.8 ตัวอย่างการสะท้อนกลับหมดของแสง

จากสมการ แทนค่า n2=1 และ n1=1.33 จะได้

ดังนั้นการมองจะต้องทำมุมกับเส้นปกติน้อยกว่า จึงจะสามารถมองเห็นเครื่องบินได้ ถ้าเรามองทำมุมกับเส้นปกติเท่ากับหรือมากกว่า จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงจึงไม่สามารถมองเห็นเครื่องบินได้ ซึ่งปรากฏการณ์การสะท้อนกลับหมดของแสงนี้จะทำให้แสงสามารถเดินทางไปในเส้นใยแสงได้

3. การกระจาย

ในการพิจารณาการเดินทางของแสงที่ผ่านๆ มา เราสมมติให้แสงที่เดินทางมีความยาวคลื่นเพียงความยาวคลื่นเดียวซึ่งเราเรียกแสงชนิดนี้ว่า "Monochromatic" แต่โดยธรรมชาติของแสงแล้วจะประกอบด้วยความยาวคลื่นหลายความยาวคลื่นผสมกัน ซึ่งเราเรียกว่า "Polychromatic" ดังแสดงในรูปที่ 2.9 จะเห็นว่าแสงสีขาวจะสามารถแยกออกเป็นแสงสีต่างๆ (ความยาวคลื่นต่างๆ) ได้ถึง 6 ความยาวคลื่นโดยใช้แท่งแก้วปริซึม ซึ่งกระบวนการที่เกิดการแยกแสงออกแสงออกมานี้ เราเรียกว่า "การกระจาย (Dispersion)"

การกระจายของแสงนี้จะตั้งอยู่บนความจริงที่ว่า "แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกันในตัวกลางเดียวกัน" นอกจากคุณสมบัติดังกล่าวทั้ง 4 ข้อแล้ว แสงยังมีคุณสมบัติอื่นๆ อีกคือ 1. แสงจัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) ชนิดหนึ่ง 2. คลื่นแสงเป็นคลื่นมี่มีการเปลี่ยนแปลงตามขวาง (Transverse wave) ซึ่งทั้ง 2 กรณีนี้ ทำให้เราสามารถสรุปได้ว่าคลื่นแสงเป็นคลื่น TEM โดยลักษณะการเดินทางของแสงแสดงในรูปที่ 2.10



รูปที่ 2.10 การเดินทางของคลื่นแสง

กล้องจุลทรรศน์

กล้องจุลทรรศน์ (Microscope)

กล้องจุลทรรศน์เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้เรามองเห็นวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก ประกอบด้วยเลนส์นูนความยาวโฟกัสสั้น ๆ 2 อัน โดยเลนส์อันหนึ่งอยู่ใกล้วัตถุเรียกว่าเลนส์ใกล้วัตถุ (Objective Lens) และเลนส์อันหนึ่งอยู่ใกล้ตาเรียกว่าเลนส์ใกล้ตา(Eyepiece Lens) โดยความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุน้อยกว่าความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตามาก

วางวัตถุไว้ในระหว่าง ของเลนส์ใกล้วัตถุ จะได้ภาพจริงขนาดขยายอยู่หน้าเลนส์ใกล้ตาโดยจะเป็นวัตถุเสมือนของเลนส์ใกล้ตา โดยวัตถุเสมือนนี้ จะต้องอยู่ระหว่างความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุกับเลนส์ เกิดภาพเสมือนขนาดขยายที่ระยะที่เห็นชัดปกติของตา คือประมาณ 25 เซนติเมตร โดยในทาง ปฏิบัติวิธีทำให้เห็นภาพชัดเรียกว่าการโฟกัสภาพทำได้โดยเลื่อนเลนส์ใกล้ตาเพื่อปรับระยะวัตถุให้เหมาะสมที่จะเกิดภาพที่ระยะเห็นได้ชัดเจน
แสดงทางเดินแสงของกล้องจุลทรรศน์

ชนิดของกล้องจุลทรรศน์
กล้องจุลทรรศน์สามารถแบ่งออกเป็นประเภทใหญ่ๆได้ 2 ประเภท คือ กล้องจุลทรรศน์แบบแสง (Optical microscopes) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน((((Electron microscopes))))
กล้องจุลทรรศน์ชนิดที่พบได้มากที่สุด คือชนิดที่ประดิษฐ์ขึ้นเป็นครั้งแรก เรียกว่า กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (optical microscope) เป็นอุปกรณ์ใช้แสงอย่างหนึ่ง มีเลนส์อย่างน้อย 1 ชิ้น เพื่อทำการขยายภาพวัตถุที่วางในระนาบโฟกัสของเลนส์นั้นๆ

กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง
Light microscope เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่พบอยู่ทั่วไป โดยเวลาส่องดูจะเห็นพื้นหลังเป็นสีขาว และจะเห็นเชื้อจุลินทรีย์มีสีเข้มกว่า
Dark field microscoe เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่มีพื้นหลังเป็นสีดำ เห็นเชื้อจุลินทรีย์สว่าง เหมาะสำหรับใช้ส่องจุลินทรีย์ที่มีขนาดเล็ก ที่ติดสียาก
Phase contrast microscope ใช้สำหรับส่องเชื้อจุลินทรีย์ที่ยังไม่ได้ทำการย้อมสี จะเห็นชัดเจนกว่า Light microscope
Fluorescence microscope ใช้แหล่งกำเนิดแสงเป็น อัลตราไวโอเลต ส่องดูจุลินทรีย์ที่ย้อมด้วยสารเรืองแสง ซึ่งเมื่อกระทบกับแสง UV จะเปลี่ยนเป็นแสงช่วงที่มองเห็นได้ แล้วแต่ชนิดของสารที่ใช้ พื้นหลังมักมีสีดำ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron microscope) เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังการขยายสูงมาก เพราะใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแทนแสงปกติและใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแทนเลนส์แก้ว เป็นกล้องที่ใช้ในการศึกษาโครงสร้าง และส่วนประกอบของเซลล์ ได้อย่างละเอียด ที่กล้องชนิดอื่นไม่สามารถทำได้

ส่วนประกอบของกล้องจุลทรรศน์
1. ฐาน (Base) เป็นส่วนที่ใช้วางบนโต๊ะ ทำหน้าที่รับน้ำหนักทั้งหมดของกล้องจุลทรรศน์ มีรูปร่างสี่เหลี่ยม หรือวงกลม ที่ฐานจะมีปุ่มสำหรับปิดเปิดไฟฟ้า
2. แขน (Arm) เป็นส่วนเชื่อมตัวลำกล้องกับฐาน ใช้เป็นที่จับเวลาเคลื่อนย้ายกล้องจุลทรรศน์
3. ลำกล้อง (Body tube) เป็นส่วนที่ปลายด้านบนมีเลนส์ตา ส่วนปลายด้านล่างติดกับเลนส์วัตถุ ซึ่งติดกับแผ่นหมุนได้ เพื่อเปลี่ยนเลนส์ขนาดต่าง ๆ ติดอยู่กับจานหมุนที่เรียกว่า Revolving Nosepiece
4. ปุ่มปรับภาพหยาบ (Coarse adjustment) ทำหน้าที่ปรับภาพโดยเปลี่ยนระยะโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ

(เลื่อนลำกล้องหรือแท่นวางวัตถุขึ้นลง) เพื่อทำให้เห็นภาพชัดเจน
5. ปุ่มปรับภาพละเอียด (Fine adjustment) ทำหน้าที่ปรับภาพ ทำให้ได้ภาพที่ชัดเจนมากขึ้น
6. เลนส์ใกล้วัตถุ (Objective lens) เป็นเลนส์ที่อยู่ใกล้กับแผ่นสไลด์ หรือวัตถุ ปกติติดกับแป้นวงกลมซึ่งมีประมาณ 3-4 อัน แต่ละอันมีกำลังบอกเอาไว้ เช่น x3.2, x4, x10, x40 และ x100 เป็นต้น ภาพที่เกิดจากเลนส์ใกล้วัตถุเป็นภาพจริงหัวกลับ
7. เลนส์ใกล้ตา (Eye piece) เป็นเลนส์ที่อยู่บนสุดของลำกล้อง โดยทั่งไปมีกำลังขยาย 10x หรือ 15x ทำหน้าที่ขยายภาพที่ได้จากเลนส์ใกล้วัตถุให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ทำให้เกิดภาพที่ตาผู้ศึกษาสามารถมองเห็นได้ โดยภาพที่ได้เป็นภาพเสมือนหัวกลับ
8. เลนส์รวมแสง (Condenser) ทำหน้าที่รวมแสงให้เข้มขึ้นเพื่อส่งไปยังวัตถุที่ต้องการศึกษา
9. กระจกเงา (Mirror) ทำหน้าที่สะท้อนแสงจากธรรมชาติหรือแสงจากหลอดไฟภายในห้องให้ส่องผ่านวัตถุโดยทั่วไปกระจกเงามี 2 ด้าน ด้านหนึ่งเป็นกระจกเงาเว้า อีกด้านเป็นกระจกเงาระนาบ สำหรับกล้องรุ่นใหม่จะใช้หลอดไฟเป็นแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งสะดวกและชัดเจนกว่า
10. ไดอะแฟรม (Diaphragm) อยู่ใต้เลนส์รวมแสงทำหน้าที่ปรับปริมาณแสงให้เข้าสู่เลนส์ในปริมาณที่ต้องการ
11. แท่นวางวัตถุ (Speciment stage) เป็นแท่นใช้วางแผ่นสไลด์ที่ต้องการศึกษา
12. ที่หนีบสไลด์ (Stage clip) ใช้หนีบสไลด์ให้ติดอยู่กับแท่นวางวัตถุ ในกล้องรุ่นใหม่จะมี Mechanical stage แทนเพื่อควบคุมการเลื่อนสไลด์ให้สะดวกยิ่งขึ้น
13. แท่นวางวัตถุ (Stage) เป็นแท่นสำหรับวางสไลด์ตัวอย่างที่ต้องการศึกษา มีลักษณะเป็นแท่นสี่เหลี่ยม หรือวงกลมตรงกลางมีรูให้แสงจากหลอดไฟส่องผ่านวัตถุแท่นนี้สามารถเลื่อนขึ้นลงได้ด้านในของแท่นวางวัตถุจะมีคริปสำหรับยึดสไลด์และมีอุปกรณ์ช่วยในการเลื่อนสไลด์ เรียกว่า Mechanical Stage นอกจากนี้ยังมีสเกลบอกตำแหน่งของสไลด์บนแทนวางวัตถุ ทำให้สามารถบอกตำแหน่งของภาพบนสไลด์ได้