การแผ่รังสี

เป็นที่ทราบกันดีว่า เรามองเห็นวัตถุเนื่องจากวัตถุได้รับรังสีแล้วสะท้อนเข้าดวงตาของเรา ทว่าความจริงแล้วทุกสรรพสิ่งในจักรวาลนี้แผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีทั้งคลื่นที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้หรือมองไม่เห็น ทั้งนี้ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีออกมาขึ้นอยู่กับระดับอุณหภูมิของวัตถุต้นกำเนิด ยกตัวอย่างเช่น หากเราวางแท่งโลหะไว้ในห้องที่มืดสนิท เราก็จะมองไม่เห็นมัน แต่ถ้าเราเปิดหน้าต่างให้แสงภายนอกส่องมากระทบมันแล้วสะท้อนเข้าตาเรา เราก็จะมองเห็นมัน การเห็นด้วยวิธีนี้ไม่ใช่การแผ่รังสีแต่เป็นการสะท้อนแสง แต่เมื่อเราเอาแท่งโลหะมาเผาไฟด้วยแก๊สร้อน ก็จะเห็นว่าโลหะค่อยๆ เปล่งแสงสีแดงออกมา และเปลี่ยนเป็นสีส้ม สีเหลือง สีฟ้า และสีน้ำม่วง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามลำดับ  

กราฟในภาพที่ 1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและการแผ่รังสีของแท่งโลหะดังนี้ 

• • • เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 3,000 K จะแผ่รังสีเข้มสุดที่ความยาวคลื่น 1,000 nm ซึ่งอยู่ในย่านรังสีอินฟราเรด สายตามนุษย์มองไม่เห็น แต่เรามองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีแดงความยาวคลื่น 700 nm เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด ที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้

    • เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 5,000 K จะแผ่รังสีเข้มสุด ที่ความยาวคลื่น 580 nm เราจึงมองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีเหลือง

    • เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 12,000 K จะแผ่รังสีเข้มสุดที่ความยาวคลื่น 290 nm ซึ่งอยู่ในย่านรังสีอัลตราไวโอเล็ต สายตามนุษย์มองไม่เห็น แต่เรามองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีน้ำเงินความยาวคลื่น 400nm เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่สั้นที่สุด ที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้ 

หมายเหตุ: ในการมองดูดาวฤกษ์บนท้องฟ้าก็เช่นเดียวกัน ดาวฤกษ์ทั้งหลายแผ่รังสีต่างชนิดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพื้นผิว เรามองเห็นดาวฤกษ์เป็นสีต่างๆ ในช่วงแสงที่ตามองเห็น อย่างไรก็ตามเรามองไม่เห็นดาวสีม่วง เนื่องจากสีม่วงกลมกลืนกับอวกาศสีดำ  เรามองดาวไม่เห็นดาวสีเขียว เนื่องจากแสงสีเขียวอยู่กึ่งกลางสเปกตรัมพอดี เรามองเห็นดาวสีเขียวเป็นดาวสีขาว เพราะว่าแสงทุกสีรวมกันเป็นแสงสีขาว 

กฎของวีน (Wien's law)

การอธิบายในเชิงฟิสิกส์ อุณหภูมิหมายถึงระดับพลังงานภายในอะตอม สสารทุกชนิดในจักรวาลมีอุณหภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) เนื่องจากอะตอมมีพลังงาน อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียส สภาวะที่อุณหภูมิ 0 เคลวิน เป็นสภาวะไร้พลังงานและทุกอย่างหยุดนิ่ง ซึ่งเป็นสภาวะที่ยังไม่มีการค้นพบ  ในปี ค.ศ.1893 วิลเฮล์ม วีน (Wilhelm Wien) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ค้นพบว่า อุณหภูมิของสสารแปรผกผันกับการแผ่คลื่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตามสูตร 

λmax = 0.0029 / T 

โดยที่ λmax  หมายถึง ความยาวคลื่นเข้มสุดของการแผ่รังสี มีหน่วยเป็นเมตร (m), T  หมายถึง อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

ตัวอย่างที่ 1: ดวงอาทิตย์แผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด 500 นาโนเมตร อยากทราบว่า ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ยเท่าไร 

          λmax  = 0.0029 / T 

           T       = 0.0029 / λmax

                    = 0.0029 / (500 x 10-9 m) 

                    = 5,800 K

ตัวอย่างที่ 2: โลกแผ่รังสีอินฟราเรดขึ้นสู่อวกาศ ซึ่งความยาวคลื่นเข้มสุด 10,069 nm  อยากทราบว่า โลกมีอุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ยเท่าไร 

          λmax  = 0.0029 / T 

           T       = 0.0029 / λmax

                    = 0.0029 / (10 x 10-6 m) 

                    = 288 K หรือ 15°C

ตัวอย่างที่ 3: ร่างกายมนุษย์มีอุณหภูมิ 37°C หรือ 410 K  อยากทราบว่า ร่างกายมนุษย์แผ่รังสีในช่วงคลื่นอะไร 

          λmax  = 0.0029 / T 

                    = 0.0029 / 410  

                    = 7.07 x 10-6 m หรือประมาณ​ 7 ไมโครเมตร ซึ่งอยู่ในย่านรังสีอินฟราเรด 

สรุปกฎของวีน (Wein's law)  

• วัตถุอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว  

• รังสีที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่าแสงที่ตามองเห็น เรียกว่า คลื่นสั้น เป็นอันตรายต่อมนุษย์  

• รังสีที่มีความยาวคลื่นมากกว่าแสงที่ตามองเห็นเรียกว่า คลื่นยาว ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ อย่างไรก็ตามไม่ว่ารังสีจะมีความยาวคลื่นเท่าไร หากมีความเข้มสูงก็จะทำให้วัตถุที่ดูดกลืนรังสีนั้นๆ มีอุณหภูมิสูงขึ้นได้ เช่น รังสีอินฟราเรดทำให้โลกร้อน  เตาไมโครเวฟสามารถทำให้น้ำเดือด 

ยกตัวอย่างแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 

• • รังสีแกมมา เกิดจากการระเบิดของดาวมวลมากซึ่งเรียกว่า ซูเปอร์โนวา, ระเบิดปรมาณูที่มนุษย์สร้างขึ้น 

  • รังสีเอ็กซ์ เกิดจากการยุบตัวของดาวมวลมาก เช่น หลุมดำ, รังสีที่ใช้ในวงการแพทย์ 

  • รังสีอัลตราไวโอเล็ต เกิดจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ 

  • แสงที่ตามองเห็น เช่น แสงแดด, หลอดไฟฟ้า 

  • รังสีอินฟราเรด เกิดจากการแผ่รังสีของโลก, สิ่งมีชีวิต, แก๊สเรือนกระจก, แก๊สในอวกาศ

  • ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ เกิดจากธรรมชาติ, มนุษย์สร้างขึ้นเพื่อการสื่อสารโทรคมนาคม 

หมายเหตุ: รังสีคอสมิค (Cosmic rays) ไม่ใช่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เป็นอนุภาคขนาดเล็กที่มีอยู่ทั่วไปในอวกาศ ซึ่งสามารถเดินทางทะลุผ่านโลกและร่างกายสิ่งมีชีวิต 

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | การแผ่รังสี | อนุภาคแสง | สเปกตรัม | กลไกควอนตัม | ปรากฏการณ์ดอปเปอร์