อนุภาคแสง
แสง มีคุณสมบัติเป็นได้ทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) เมื่อเรากล่าวถึงแสงในความเป็นอนุภาค เราเรียกว่า “โฟตอน” (Photon) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ 300,000,000 เมตร/วินาที โดยไม่ต้องมีสื่อหรือตัวกลาง
กฎของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)
ปี 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
ภาพที่ 1 ความเข้มแสงแปรผกผันยกกับระยะทางยกกำลังสอง
กฏระยะทางผกผันกำลังสอง (Inverse square law)
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากจุดกำเนิดทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทางยกกำลังสอง ดังแสดงในภาพที่ 1
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)
ปี ค.ศ.1900: แม็ก แพลงก์ (Max Plank) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันค้นพบว่า พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว ตามสูตร
E = hf = 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: แสงสีม่วงมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร, แสงสีแดงมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนของแสงทั้งสองมีพลังงานแตกต่างกันอย่างไร
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
คนส่วนใหญ่ยอมรับว่าแสงเป็นคลื่น แต่ไม่คุ้นเคยว่า แสงเป็นอนุภาค อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ในชีวิตประจำวันของเราที่ทำงานโดยใช้หลักการของแสงมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคก็คือ เซนเซอร์ CMOS ซึ่งเป็นอุปกรณ์รับแสงที่ติดตั้งอยู่ในกล้องถ่ายรูปดิจิตอล เซ็นเซอร์ประกอบด้วยแผงวงจรซึ่งติดตั้งเซลล์รับแสงขนาดเล็กๆ นับล้านเซลล์ เรียงต่อกันเป็นตารางของพิกเซล ยกตัวอย่างเช่น กล้องถ่ายรูปขนาดความละเอียด 12 ล้านพิกเซล มีเซลล์รับแสงจำนวน 4,000 x 3,000 พิกเซล เป็นต้น พิกเซลเหล่านี้ทำหน้าที่เสมือนถังรับโฟตอน เช่นเดียวกับถังรับน้ำฝน วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะทำหน้าที่นับจำนวนโฟตอนในแต่ละพิกเซล แล้วนำมาค่าที่ได้จากทุกพิกเซลมาเรียงต่อกันเป็นตารางภาพสี่เหลี่ยมผืนผ้า ดังแสดงในภาพที่ 2 อุปกรณ์ CCD ซึ่งใช้ติดตั้งอยู่บนกล้องโทรทรรศน์ ดาวเทียม และยานอวกาศ เพื่อใช้ถ่ายภาพโลกและวัตถุท้องฟ้าก็ใช้หลักการเช่นเดียวกันนี้
ภาพที่ 2 ส่วนประกอบของ CCD