อนุภาคแสง

        แสง แสดงความประพฤติเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves)  เมื่อเรากล่าวถึงแสงในสมบัติของอนุภาค เราเรียกอนุภาคของแสงว่า “โฟตอน” (Photon) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ 300,000,000 เมตร/วินาที โดยไม่ต้องมีสื่อหรือตัวกลาง  


กฎของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)

           ในปี ค.ศ.1884 โจเซฟ สเตฟาน (Jožef Stefan) และ ลุดวิก โบลทซ์มานน์ (Ludwig Boltzmann) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ค้นพบว่า ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร
          
F    =    σ T4

          F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์/ตารางเมตร (Wm2) 
          σ = 5.67 x 10-8 วัตต์/ตารางเมตร K-4 (Wm-2 K-4) 
          T  = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

          ถ้าเราทราบ ความยาวคลื่นเข้มสุดที่ดาวแผ่รังสีออกมา เราก็จะทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว (ตามกฎของวีน)  และเมื่อเราทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว เราก็สามารถใช้กฎของสเตฟาน-โบลทซ์มานน์ คำนวณว่า พลังงานที่ดาวแผ่ออกมานั้นมีความเข้มเท่าไร ดังตัวอย่างที่ 1

ตัวอย่างที่ 1: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร 
    F = σ T4 
       = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4) (5800 K)4 
       = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 1015) 
       = 64,164,532 วัตต์ / ตารางเมตร


กฏระยะทางผกผันกำลังสอง (Inverse square law)

          ในการแผ่รังสี คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแผ่ออกจากจุดกำเนิดทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทางยกกำลังสอง ดังแสดงในภาพที่ 1


ภาพที่ 1 ความเข้มแสงแปรผกผันยกกับระยะทางยกกำลังสอง

F1 / F2 = (D2 / D1)2

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


ตัวอย่างที่ 2: ดวงอาทิตย์มีรัศมี 694 ล้านเมตร พลังงานที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีความเข้ม 64 ล้านวัตต์/ตารางเมตร โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 149.6 ล้านกิโลเมตร อยากทราบว่า พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร 

    F1  = ความเข้มของพลังงาน ณ บรรยากาศโลกชั้นบน 
    F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ผิวดวงอาทิตย์     = 64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร
    D1 = รัศมีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์          = 149.6 x 109 เมตร 
    D2 = รัศมีของดวงอาทิตย์                              = 694,000,000 เมตร 

    F1 / F2 = (D2 / D1)2
    F1  = (64 x 106 วัตต์/ตารางเมตร) (694 x 106 เมตร / 149.6 x 109 เมตร)2 
         = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร


กฏของแพลงก์ (Plank's law)

        ในปี ค.ศ.1900  แม็ก แพลงก์ (Max Plank) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันค้นพบว่า พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว ตามสูตร 

E = hf
E = hc/λ

          พลังงานของโฟตอน    = h x ความถี่ 
                                        = h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น

        ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)         
        ความยาวคลื่น (λ) = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m) 
        ค่าคงที่ของแพลงก์ (h)   = 6.6 x 10-34 จูล วินาที (J.s)


ตัวอย่างที่ 3: โฟตอนของแสงสีม่วงมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร, โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนทั้งสองมีพลังงานแตกต่างกันอย่างไร 
Eviolet = hc / = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1M / 400 x 10-9 nm 
          = 4.95 x 10-19 จูล 
Ered   = hc /   = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1] / 700 x 10-9 nm 
          = 2.83 x 10-19 จูล 
โฟตอนของแสงสีม่วง มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 1.75 เท่า


อุปกรณ์นับโฟตอน
        คนส่วนใหญ่ยอมรับว่าแสงเป็นคลื่นพลังงาน แต่ไม่คุ้นเคยกับหลักการว่า แสงมีสมบัติเป็นอนุภาค  อย่างไรก็ตามเครื่องใช้ในชีวิตประจำวันของเราที่ทำงานโดยใช้หลักการของแสงมีสมบัติเป็นอนุภาคก็คือ เซนเซอร์ CMOS หรือ CCD ซึ่งเป็นอุปกรณ์รับแสงที่ติดตั้งอยู่ในกล้องถ่ายรูปดิจิตอล  เซ็นเซอร์ประกอบด้วยแผงวงจรซึ่งติดตั้งเซลล์รับแสงขนาดเล็กๆ นับล้านเซลล์ซึ่งเรียงต่อกันเป็นตารางของพิกเซล ยกตัวอย่างเช่น กล้องถ่ายรูปขนาดความละเอียด 12 ล้านพิกเซล มีเซลล์รับแสงจำนวน 4,000 x 3,000 พิกเซล เป็นต้น พิกเซลเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นถังรับโฟตอน เช่นเดียวกับถังรับน้ำฝน วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะทำหน้าที่จำนวนโฟตอนในแต่ละพิกเซล แล้วนำมาค่าที่ได้จากทุกพิกเซลมาเรียงต่อกันเป็นตารางภาพสี่เหลี่ยมผืนผ้า ดังภาพที่ 2   อุปกรณ์ CCD ซึ่งใช้ติดตั้งอยู่บนกล้องโทรทรรศน์ ดาวเทียม และยานอวกาศ เพื่อใช้ถ่ายภาพโลกและวัตถุท้องฟ้าก็ใช้หลักการเช่นเดียวกันนี้ 

ภาพที่ 2 ส่วนประกอบของ CCD