ธรรมชาติของแสง

สมบัติความเป็นคลื่น (wave properties)            รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic radiation) เป็นพลังงานที่แสดงทั้งสมบัติ ความเป็นคลื่น (wave) และอนุภาค (particle) สมบัติที่แสดงความเป็นคลื่นได้แก่  การหักเห การสะท้อน การแทรกสอด เป็นต้น ส่วนสมบัติความเป็นอนุภาคหรือที่ เรียกว่าโฟตอน (photon) หรือคุณสมบัติความเป็นควอนไตซ์ (quantized) กล่าวคือ อนุภาคมีพลังงานเฉพาะในระดับใดระดับหนึ่งเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานจะต้องมีการ ดูดหรือคายพลังงานพอดีกับผลต่างของระดับพลังงาน ก่อนที่เราจะไปศึกษาสมบัติ ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า    เราควรจะรู้ก่อนว่าสมบัติความเป็นคลื่นของรังสี แม่เหล็กไฟฟ้าบอกความหมายอะไรเราได้บ้าง     รูปที่ 1.1 ลักษณะของคลื่น           ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ครบ 1 คาบเรียกว่าความยาวคลื่น () หรือเป็นระยะทางจาก ยอดคลื่นหนึ่งไปยังอีกยอดคลื่นหนึ่งที่อยู่ติดกัน  ส่วนจำนวนรอบที่คลื่นเคลื่อนที่ครบหนึ่งช่วง เวลา หรือส่วนมากใช้เป็นจำนวนรอบภายใน 1 วินาทีเรียกว่าความถี่ () และแสงเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 3 x 108 เมตร/วินาที ดังนั้นจะได้ความสัมพันธ์ ระหว่างความยาวคลื่นและความถี่ดังนี้                                                                   (รอบ/วินาที หรือ Hertz;Hz)             การระบุความยาวคลื่นของช่วงรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการวิเคราะห์ หน่วยของ ความยาวคลื่นจะต่างกันตามช่วงคลื่น แต่หน่วยที่นิยมใช้เป็นมาตรฐาน ได้แก่  นาโนเมตร (nanometer, nm) ซึ่งเท่ากับ 10-9 เมตร อังสตรอม (Angstrom)  เท่ากับ  10-10 เมตร สำหรับแสงในช่วงมองเห็นได้ และช่วงยูวี (ultraviolet ,UV) นิยมใช้หน่วยไมโครเมตร (micrometer;  10-6 เมตร)             เราทราบสมบัติความเป็นคลื่นของแสงไปแล้ว ส่วนสมบัติความเป็นอนุภาคคือ เมื่อแสงกระทบสสาร แสงจะมีสมบัติเป็นกลุ่มพลังงานที่เรียกว่าโฟตอน (photon)  ในลําแสงที่มีความถี่  แต่ละโฟตอนมีพลังงาน E ตามความสัมพันธ์               โดยที่ h คือค่าคงตัวพลังค์ (Planck constant) ที่มีค่าเท่ากับ 6.62 x 10-27 เอิร์ก-วินาที (erg-s) สมการข้างต้นคือความสัมพันธ์ไอน์สไตน์-พลังค์ ที่เป็นจุดเริ่มต้นของทฤษฎีทวิสถานะระหว่างคลื่นกับอนุภาคของแสง            พลังงานของโฟตอนขึ้นอยู่กับความถี่หรือความยาวคลื่นของแสง ดังนั้นแสงหรือ โฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้นหรือความถี่มากจะมีพลังงานมากกว่าแสงที่มีความยาวคลื่น ยาวหรือความถี่น้อย จากสมการจะเห็นว่า ที่ความถี่หนึ่งจะให้พลังงานเฉพาะค่าหนึ่ง  ซึ่งโมเลกุลจะต้องมีผลต่างของระดับพลังงานเท่านี้พอดี ที่ความถี่นี้จึงมีผลต่อการเปลี่ยน ระดับพลังงานภายในโมเลกุลได้