บทที่ ๔ พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์

ทฤษฎีและหลักการพื้นฐานพลังงานนิวเคลียร์

......ในการที่จะเรียนรู้เรื่องราวเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ จะต้องมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม เลขอะตอม เลขมวลและไอโซโทป สัญลักษณ์ทางนิวเคลียร์สารกัมมันตรังสี ปฏิกิริยนิวเคลียร์ฟิชชั่น ....... โครงสร้างอะตอม ในชีวิตประจำวันของคนเราเกี่ยวข้องกับธาตุอยู่ตลอดเวลา ธาตุในโลกปัจจุบันนี้มีจำนวนไม่น้อยกว่า 105 ธาตุ ธาตุที่เรารู้จักกันดีเช่น คาร์บอน โซเดียม อะลูมิเนียม คลอรีน สังกะสี ฯลฯ จากการค้นคว้าสมบัติและรายละเอียดของธาตุแต่ละธาตุ จะพบว่าธาตุ แต่ละธาตุจะมีสมบัติเฉพาะตัวที่ต่างกันออกไป ธาตุมีอนุภาคเล็ก ๆ ประกอบด้วยอะตอม ในภาวะปกติ อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีคุณสมบัติ เหมือนกัน อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีคุณสมบัติต่างกัน ภายในอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สำคัญ 3 ชนิดคือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอนจะอยู่รวมกันตรงกลางเป็นนิวเคลียส โปรตอนมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก นิวตรอนจะมีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วน อิเล็กตรอนจะมีน้ำหนักน้อยมากวิ่งรอบ ๆ นิวเคลียส และมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ความเป็นธาตุจะอยู่ในสภาวะปกติ คือจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับ จำนวนอิเล็กตรอน และจะมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า

เลขอะตอมเลขมวลและไอโซโทป เลขอะตอม เป็นจำนวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอน เลขมวล เป็นผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะ มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนไม่เท่ากันก็ได้ธาตุบางชนิดจึงมีค่าเลขมวลหลายค่า .......นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดสัญลักษณ์ต่างๆเพื่อความสะดวกในการศึกษาชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุ ต่าง ๆ ดังตัวอย่างต่อไปนี้คือ อิเล็กตรอน มีสัญลักษณ์ e มีประจุ - 1 โปรตอน มีสัญลักษณ์ p มีประจุ +1 นิวตรอน มีสัญลักษณ์ n มีประจุ 0 ชื่อธาตุ โดยปกติใช้สัญลักษณ์เป็นภาษาอังกฤษตัวแรกเป็นตัวใหญ่ 1 ตัว เช่น C เป็น สัญลักษณ์ของอะตอมคาร์บอน หากชื่อตัวแรกซ้ำกันเช่น แคลเซี่ยม จะเติมอักษรตัวเล็ก ที่แสดงสัญลักษณ์ธาตุแคลเซี่ยม เป็น Ca ซึ่งเป็นสัญลักษณ์อะตอมของแคลเซี่ยม

............สารกัมมันตรังสี......สารกัมมันตรังสีคือสารที่นิวเคลียสสลายให้พลังงานออกมาซึ่งมีทั้งสารกัมมันตรังสีธรรมชาติเช่นธาตุเรเนียมนิวเคลียส จะแตกตัวโดยธรรมชาติหรือเรียกง่ายๆว่ามีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร เมื่อนิวเคลียส แตกตัวจะได้พลังงานออกมา ขณะที่สลายตัวปริมาณมันจะน้อยลง ช่วงเวลาที่ใช้ในการสลายตัวนี้เรียกว่าครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีนั้น สารกัมมันตรังสี อาจจะทำได้โดยยิงพลังงานที่สูงกว่าเข้าไปในนิวเคลียส เพื่อให้นิวเคลียสแตกตัวและให้พลังงานออกมา อาจกล่าวได้ว่าสารทุกชนิดเป็นสารกัมมันตรังสีหมด แต่ไม่เป็นเช่นนั้นเพราะมีก๊าซบางชนิดที่เราเรียกว่าก๊าซเฉื่อย เช่น นีออน ฮีเลียม อาร์กอน ซีนอน ฯลฯ ที่มีคุณสมบัติคือมีพลังยึดเหนียวแน่นมากหากจะใช้พลังงาน ที่จะยิงให้นิวเคลียสแตกตัวต้องใช้พลังงานระดับสูงมาก ............ พลังงานนิวเคลียร์และปฏิกิริยานิวเคลียร์ ..........พลังงานนิวเคลียร์ .....คือ พลังงานที่ได้จากการที่นิวเคลียสแตกตัวนั่นเอง พลังงานนิวเคลียร์จะมีค่ามากมายมหาศาล และขณะที่นิวเคลียสแตกตัว ปล่อยอนุภาคออกมานั้น เป็นกฎการสลายตัว จะเกิดนิวเคลียสธาตุใหม่พร้อมทั้งพลังงานนิวเคลียร์นั่นเอง ส่วนกัมมันตภาพ (Ratio activity) คือ อัตราการสลายตัว ของสารกัมมันตรังสี ............ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ .....ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์มี 2 ปฏิกิริยา คือ ปฏิกิริยาฟิชชั่น และปฏิกิริยาฟิวชั่น ............ ปฏิกิริยาฟิชชั่น (Fission) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการใช้อนุภาคนิวตรอนหรืออนุภาคอื่นยิงไปที่นิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียส แตกตัวเป็นนิวเคลียสใหม่สองนิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกันและมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่านิวเคลียสของธาตุเดิม ขบวนการฟิชชั่นที่เกิดขึ้นนี้จะมี นิวตรอนอิสระเกิดขึ้นด้วย นิวตรอนอิสระนี้จะไปชนนิวเคลียสอื่นของยูเรเนียมก็จะเกิดฟิชชั่นต่อไปเรียกว่า “ปฏิกิริยาลูกโซ่” ซึ่งเกิดต่อเนื่องกันไปไม่หยุดยั้งและ จะเกิดพลังงานมหาศาล แนวความคิดนี้ถูกนำไปใช้ในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ............ ปฏิกิริยาฟิวชั่น (Fusion) ฟิวชั่นคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งเกิดจากนิวเคลียสธาตุเบามา หลอมรวมกันเป็นนิวเคลียร์ที่หนักกว่า พร้อมกับมีพลังงาน ปล่อยออกมา ปฏิกิริยาฟิวชั่นบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ จะมีพลังงานออกมาไม่สิ้นสุด เพราะการรวมตัวของไฮโดรเจน 4 อะตอม เกิดฮีเลียมและพลังงาน ปฏิกิริยาเช่นนี้เกิดขึ้นมากมายบนดวงอาทิตย์ จึงไม่น่าประหลาดใจว่าเหตุใดใจกลางดวงอาทิตย์จึงมีอุณหภูมิถึง 20,000,000 K (เคลวิน) การสร้างปฏิกิริยา ในห้องปฏิบัติการสามารถทำได้ เช่นระเบิดไฮโดรเจนเป็นผลของปฏิกิริยาฟิวชั่น มีพลังงานสูงกว่าระเบิดนิวเคลียร์มาก แต่เรายังไม่สามารถควบคุมบังคับให้ เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้

การนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์

.....การนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์จะใช้อยู่ 2 ทาง คือ ใช้ในการทำลายและได้จากฟิวชั่นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้คือ 1. ใช้ในการทำลาย ซึ่งมีอำนาจมหาศาล เช่น การขุดคลอง การระเบิดหิน การทหาร 2. ได้จากฟิวชั่นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งจะใช้ประโยชน์ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า .....เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประกอบด้วยแท่งเชื้อเพลิง คือยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม จะผสมอยู่ในมอเดอเรเตอร์และมีแท่งควบคุม ซึ่งทำหน้าที่ควบคุม อัตราการเกิดฟิชชั่น โดยให้เกิดภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรูปความร้อน และเราถ่ายความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์ โดยใช้ของเหลว ของเหลวนี้จะนำความร้อนไปยังเครื่องถ่ายความร้อน ณ ที่นั้นจะทำให้น้ำกลายเป็นไอ ไอน้ำจะไปหมุนกังหันซึ่งมีเพลาต่อกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนและผลิตไฟฟ้าออกจำหน่ายไปตามบ้าน การผลิตไฟฟ้าแบบนี้ต้นทุนจะสูง แต่เมื่อมองในระยะยาวจะ คุ้มทุน เพราะเมื่อเทียบกับพลังงานเชื้อเพลิงปิโตรเลียมแล้ว เชื้อเพลิงปิโตรเลียมจะสิ้นเปลืองมากกว่า

ข้อควรระวังในการใช้พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์เมื่อไม่ระมัดระวังในการใช้จะเกิดโทษดังต่อไปนี้คือ 1. รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี เมื่อผ่านสิ่งมีชีวิตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนั้นจะมีผลถึงพันธุกรรมของ สิ่งมีชีวิต ตัวอย่างคือความพิการของคนในเมืองฮิโรชิมาและนางาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ที่ประเทศสหรัฐอเมริกาทิ้งระเบิดปรมาณูในสงครามโลก ครั้งที่ 2 2. การทิ้งกากสารที่มีกัมมันตรังสี ถ้าทำไม่ระมัดระวังจะทำให้เกิดผลกระทบต่อชีวิตในบริเวณนั้น การป้องกันในการใช้พลังงานนิวเคลียร์ 1. ให้ใช้ในระยะเวลาสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ 2. ให้อยู่ห่างแหล่งกำเนิดหรือบริเวณธาตุกัมมันตรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ 3. เนื่องจากขณะที่เกิดพลังงานนิวเคลียร์ จะมีรังสีออกมาด้วย รังสีนี้จะมีอำนาจในการผ่านวัตถุต่างกัน จึงควรใช้วัตถุที่รังสีทะลุผ่านได้น้อยมาเป็น เครื่องกำบัง โดยมากมักใช้ตะกั่ว คอนกรีต การทำงานเกี่ยวกับนิวเคลียร์ต้องมีเครื่องมือวัดรังสีเพื่อรู้ปริมาณรังสี เพื่อป้องกันอันตรายจากรังสี ..........โดยปกติแล้วในธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตจะได้รับรังสีโดยธรรมชาติอยู่เสมอ แต่ได้รับน้อยจึงไม่มีอันตราย แนวโน้มการใช้พลังงานนิวเคลียร์ จะมีมากขึ้นในอนาคต เพราะความเจริญทางเทคโนโลยี จึงควรใช้ด้วยความระมัดระวังเพราะพลังงานนิวเคลียร์มีทั้งคุณและโทษ

บทที่ ๓ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          ธรรมชาติของ “แสง” แสดงความประพฤติเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) ซึ่งประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทำมุมตั้งฉาก และเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติของอนุภาค
เราเรียกว่า “โฟตอน” (Photon) เป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล แต่เป็นพลังงาน

ภาพที่ 1  คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความยาวคลื่น (wavelength), ความถี่ (frequency) และความเร็วแสง (speed)          

= c / f

ความยาวคลื่น = ความเร็วแสง / ความถี่
ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
ความเร็วแสง (c) = 300,000,000 เมตร/วินาที (m/s)

ตัวอย่างที่ 1: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ มีความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร (0.0000005 เมตร) จะมีความถี่เท่าไร(1 เมตร = 1,000,000,000 นาโนเมตร)      = c / f       f = c /           = [ 300,000,000 เมตร / วินาที ]          = 6 x 10^14 เฮิรทซ์

ประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 
          แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นเพียงส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงซึ่งประสาทตาของมนุษย์สามารถสัมผัสได้ ซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร (1 เมตร = 1,000,000,000 นาโนเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึม (Prism) มาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปคตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด
สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด

ภาพที่ 2  ประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ได้แก่ รังสีที่มีความยาวคลื่นถัดจากสีแดงออกไป
เราเรียกว่า “รังสีอินฟราเรด” หรือ “รังสีความร้อน” เรามองไม่เห็นรังสีอินฟราเรด แต่เราก็รู้สึกถึงความร้อนได้ สัตว์บางชนิด เช่น งู มีประสาทสัมผัสรังสีอินฟราเรด มันสามารถทราบตำแหน่งของเหยื่อได้ โดยการสัมผัสรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออกมาจากร่างกายของเหยื่อ รังสีที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่าแสงสีม่วงเรียกว่า “รังสีอุลตราไวโอเล็ต” แม้ว่าเราจะมองไม่เห็น แต่เมื่อเราตากแดดนานๆ ผิวหนังจะไหม้ด้วยรังสีชนิดนี้ นอกจากรังสีอุลตราไวโอเล็ตและรังสีอินฟราเรดแล้ว ยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทอื่นๆ ซึ่งเรียงลำดับตามความยาวคลื่นได้ดังนี้
          รังสีแกมมา (Gamma ray) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 นาโนเมตร โฟตอนของรังสีแกมมามีพลังงานสูงมาก กำเนิดจากแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ เช่น ดาวระเบิด หรือ ระเบิดปรมาณู เป็นอันตรายมากต่อสิ่งมีชีวิต
          รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 นาโนเมตร มีแหล่งกำเนิดในธรรมชาติมาจากดวงอาทิตย์ เราใช้รังสีเอ็กซ์ในทางการแพทย์ เพื่อส่องผ่านเซลล์เนื้อเยื่อ แต่ถ้าได้ร่างกายได้รับรังสีนี้มากๆ ก็จะเป็นอันตราย
           รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 นาโนเมตร รังสีอุลตราไวโอเล็ตมีอยู่ในแสงอาทิตย์ เป็นประโยชน์ต่อร่างกาย แต่หากได้รับมากเกินไปก็จะทำให้ผิวไหม้ และอาจทำให้เกิดมะเร็งผิวหนัง
          แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร พลังงานที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ ส่วนมากเป็นรังสีในช่วงนี้ แสงแดดเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญของโลก และยังช่วยในการสังเคราะห์แสงของพืช
          รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร – 1 มิลลิเมตร โลกและสิ่งชีวิตแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา ก๊าซเรือนกระจก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ ในบรรยากาศดูดซับรังสีนี้ไว้ ทำให้โลกมีความอบอุ่น เหมาะกับการดำรงชีวิต
           คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 มิลลิเมตร – 10 เซนติเมตร ใช้ประโยชน์ในด้านโทรคมนาคมระยะไกล นอกจากนั้นยังนำมาประยุกต์สร้างพลังงานในเตาอบอาหาร
           คลื่นวิทยุ (Radio wave) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นมากที่สุด คลื่นวิทยุสามารถเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศได้ จึงถูกนำมาใช้ประโยชน์ในด้านการสื่อสาร โทรคมนาคม

สเปคตรัม
          นักดาราศาสตร์ทำการศึกษาเทห์วัตถุท้องฟ้า โดยการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุแผ่รังสีออกมา สเปคตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เราทราบถึงคุณสมบัติทางกายภาพของดวงดาว อันได้แก่ อุณหภูมิ และพลังงาน (นอกจากนั้นยังบอกถึง ธาตุ องค์ประกอบทางเคมี และทิศทางการเคลื่อนที่ของเทห์วัตถุ แต่คุณสมบัติเหล่านี้ อยู่นอกเหนือที่จะกล่าวในที่นี้)

ภาพที่ 3  สเปคตรัมของแสงอาทิตย์

          สเปคตรัมของแสงอาทิตย์ในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นถึงระดับความเข้มของพลังงานในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ จะเห็นได้ว่า ดวงอาทิตย์มีความเข้มของพลังงานมากที่สุดที่ความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร เส้นสีเข้มบนแถบสเปคตรัม หรือ รอยหยักบนเส้นกราฟ แสดงให้เห็นว่า มีธาตุไฮโดรเจนอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ดาวแต่ละดวงมีสเปคตรัมไม่เหมือนกัน ฉะนั้นสเปคตรัมจึงเป็นเสมือนเส้นลายมือของดาว

ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น และอุณหภูมิ
          วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) มีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ มิใช่มีเพียงสิ่งที่มีอุณหภูมิสูง ดังเช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟฟ้า จึงมีการแผ่รังสี หากแต่สิ่งที่มีอุณหภูมิต่ำดังเช่น ร่างกายมนุษย์ และน้ำแข็ง ก็มีการแผ่รังสีเช่นกัน เพียงแต่ตาของเรามองไม่เห็น
พิจารณาภาพที่ 4 เมื่อเราให้พลังงานความความร้อนแก่แท่งโลหะ เมื่อมันเริ่มร้อน มันจะเปล่งแสงสีแดง (สามารถเห็นได้จากขดลวดของเตาไฟฟ้า) เมื่อมันร้อนมากขึ้น มันจะเปล่งแสงสีเหลือง และ.ในที่สุดมันจะเปล่งแสงสีขาวอมน้ำเงิน
พิจารณาเส้นกราฟ จะเห็นว่า
           เมื่อโลหะมีอุณหภูมิ 3,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 1000 nm (นาโนเมตร) ซึ่งตรงกับย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีแดง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่ต่ำที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้
           เมื่อแท่งเหล็กมีอุณหภูมิ 5,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 580 nm เราจึงมองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีเหลือง
           เมื่อแท่งเหล็กมีอุณหภูมิ 10,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 290 nm ซึ่งตรงกับย่านรังสี
อุลตราไวโอเล็ก ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีม่วง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่สูงที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้

ภาพที่ 4  ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับอุณหภูมิ

          ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น ส่วนวัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว
ในปี ค.ศ.1893 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม เวน (Wilhelm Wien) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อน ดังนี้

กฎของเวน (Wien’s Law)

max = 0.0029 / T

max = ความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุด มีหน่วยเป็นเมตร (m)
       T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

ตัวอย่างที่ 2:  แสงอาทิตย์มีพลังงานสูงสุดที่ความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร (0.0000005 เมตร) แสดงว่าดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวเท่าไรmax = 0.0029 / T        T = 0.0029 /max           = 0.0029 / 0.0000005           = 5,800 K

ตัวอย่างที่ 3:  อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกเท่ากับ 15°C (288 K) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่โลกแผ่สู่อวกาศ มีความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุด เท่ากับเท่าไร max = 0.0029 / T           = 0.0029 / 288           = 0.00001 เมตร           = 0.01 มิลลิเมตร คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่โลกแผ่สู่อวกาศ มีความยาวคลื่น 0.01 มิลลิเมตร ตรงกับย่านรังสีอินฟราเรด

พลังงานของโฟตอน          โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง ซึ่งไม่มีมวล แต่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที พลังงานของโฟตอนแปรตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น กล่าวคือ โฟตอนของรังสีคลื่นสั้น ย่อมมีพลังงานมากกว่า โฟตอนของรังสีคลื่นยาว ดังเช่น โฟตอนของรังสีอุลตราไวโอเล็ต มีพลังงานมากกว่า รังสีอินฟราเรด

กฏของแพลงก์ (Plank’s Law)

E = hf = hc /

พลังงานของโฟตอน = h x ความถี่
= h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรซ์ (Hz)
ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10^-34 จูล วินาที (J.s)

ตัวอย่างที่ 4: โฟตอนของแสงสีเหลืองมีความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร (0.0000005 เมตร) โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 656 นาโนเมตร (0.000000656 เมตร) โฟตอนทั้งสองมีพลังงานต่างกันอย่างไร E yellow = hc /             = [6.6 x 10^-34 จูล วินาที] [300,000,000 เมตร / วินาที ]            = 4 x 10^-19 จูล E red    = hc /             = [6.6 x 10^-34 จูล วินาที] [300,000,000 เมตร / วินาที ]            = 1 x 10^-19 จูล โฟตอนของแสงสีเหลือง มีพลังงานมากกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 4 เท่า เนื่องจากคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าคลื่นยาว

ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มของพลังงาน และอุณหภูมิ
         ในปี ค.ศ.1879 โจเซฟ สเตฟาน และลุดวิก โบลทซ์มานน์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ได้ค้นพบว่า ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร

กฏของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)

F = T4

F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ / ตารางเมตร (W m^-2)
 = 5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4 (W m^-2 K^-4)
T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

ตัวอย่างที่ 5: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร         F = T4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร K^4) (5800 K)^4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 10^15)            = 64,164,532 วัตต์ / ตารางเมตร

ตัวอย่างที่ 6: พื้นผิวของโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 288 K (15°C) มีความเข้มของพลังงานเท่าไร         F = T4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร K^4)(288 K)^4            = (5.67 x 10^-8 วัตต์ / ตารางเมตร)(6,879,707,136)            = 390 วัตต์ / ตารางเมตร

ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและระยะทาง ในการแผ่รังสี
          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากจุดกำเนิดในทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงยกลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทาง ยกกำลังสอง

ภาพที่ 5  ระยะทางผกผันกำลังสอง

           กฎระยะทางผกผันกำลังสอง

F1 / F2 = (D2 / D1)^2

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

ตัวอย่างที่ 7: พลังงานที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีความเข้ม 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร อยากทราบว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร       F1 = ความเข้มของพลังงาน ณ บรรยากาศโลกชั้นบน       F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ผิวดวงอาทิตย์            = 64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร       D1 = รัศมีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์            =150,000,000,000 เมตร       D2 = รัศมีของดวงอาทิตย์            = 694,000,000 เมตร       F1 = F2 (D2/D1)^2       F1 = (64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร) (694,000,000 เมตร / 150,000,000,000 เมตร)^2            = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร

ตัวอย่างที่ 8: พลังงานจากดวงอาทิตย์ตกกระทบโลกมีความเข้ม 1,370 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร อยากทราบว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบดาวอังคาร จะมีความเข้มเท่าไร       F1 = พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบดาวอังคาร       F2 = พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบโลก = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร       D1 = รัศมีของวงโคจรดาวอังคาร = 1 AU (หน่วยดาราศาสตร์)       D2 = รัศมีของวงโคจรโลก = 1.5 AU       F1 = F2 (D2 / D1)^2       F1 = (1,370 วัตต์/ตารางเมตร) ( 1 / 1.5)^2 = (1,370 วัตต์/ตารางเมตร) (0.444)= 609 วัตต์/ตารางเมตร

สรุปกฎการแผ่รังสี
          1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตร/วินาที
          2. คลื่นสั้นมีความถี่สูง คลื่นยาวมีความถี่ต่ำ
          3. วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 K (-273°C) ล้วนมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
          4. วัตถุที่มีอุณหภูมิสูง ย่อมมีการแผ่พลังงาน (อัตราการไหลของพลังงาน) มากกว่าวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ
          5. พลังงานของโฟตอนแปรผันโดยตรงกับความถี่ (E = h)
          6. พลังงานของโฟตอนแปรผกผันกับความยาวคลื่น (E = hc / )
          7. วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว (max = 0.0029 / T)
          8. ความเข้มของพลังงานแปรผกผันกับหน่วยของระยะทางยกกำลังสอง (F1/F2 = (D2/D1)^2)

การคำนวณหาพลังงานจากดวงอาทิตย์
          1. Spectrum จากดวงอาทิตย์ มีความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุด max = 500 นาโนเมตร .............(ภาพที่ 3)
          2. กฎของเวน T = 0.0029 / max ทำให้ทราบค่าอุณหภูมิพื้นผิว = 5,800 K ........(ตัวอย่างที่ 2)
          3. กฎสเตฟาน-โบลทซ์มานน์ F = T^4 ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่พื้นผิว = 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร

บทที่ ๒ เสียง

เสียง ( Sound )

มนุษย์ใช้เสียงติดต่อสื่อสารระหว่างกัน และใช้เสียงดนตรีเพื่อทำให้เกิดอารมณ์และการพักผ่อนหย่อนใจในธรรมชาติเราได้ยินเสียงจากแหล่งต่างๆ เสียงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร การศึกษาเกี่ยวกัธรรมชาติและสมบัติของเสียง จะทำให้เราเข้าใจและสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆที่เกี่ยวข้อง รวมทั้งนำความรู้เกี่ยวกับเสียงไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้ธรรมชาติและสมบัติของเสียง

คลื่นเสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นตัวก่อกำเนิดเสียง พลังงานของการสั่นจะถ่ายโอนให้กับอนุภาคของตัวกลางที่สัมผัสกับตัวก่อเกเสียงนั้น และอนุภาคเหล่านี้จะถ่ายโอนพลังงานของการสั่นให้อนุภาคของตัวกลางที่อยู่ถัดกันต่อเนื่องกันไป ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของเสียง ( Sound propagation)

สำหรับคลื่นเสียงในอากาศ เมื่อตัวก่อเกิดเสียงมีการสั่น โมเลกุลของอากาศจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานของการสั่นให้กับโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆโดยการชน

กรณีการเคลื่อนที่ของเสียงในอากาศ พบว่าทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงกับทิศการสั่นของอนุภาคของอากาศอยู่ในแนวเดียวกัน ดังนั้น เสียงจึงเป็นคลื่นเสียงตามยาว

อัตราความเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส

ตัวกลาง	อัตราเร็ว(เมตรต่อวินาที)
คาร์บอนไดออกไซด์ อากาศ ไฮโดรเจน น้ำ น้ำทะเล เเก้ว อะลูมิเนียม เหล็ก	272 346 1339 1498 1531 4540 5000 5200

นักฟิสิกส์ได้ศึกษาความเร็วของเสียงในอากาสพบวาอัตราเร็วของเสียงในอากาศนิ่งที่มีความหนาแน่นปกติ ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส มีค่าประมาณ 331 เมตรต่อวินาที เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้นทุก ๆ 1 องศาเซลเซียสเมื่อเขียนความสัมพันธ์ระหว่างอัตราความเร็วของเสียงในอากาศ กับอุณหภูมิของอากาศจะได้ดังสมการ V_{t =331m/s+}(0.6 m/s C) t……………..(2.1)เมื่อ t เมื่ออุณหภูมิของอากาศมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียสv_t เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t ใดๆ

มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีสมบัติของเสียงเสียงมีสมบัติการสั่นสะท้อน ซึ่งเป็นสมบัติการสั่นสะท้อนที่สำคัญของคลื่น ถ้าตะโกนภายในห้องประชุมใหญ่ๆ จะได้ยินเสียงที่ตะโกนออกไปกระทบกับ ผนังห้อง เพดาน และ พื้นห้องแล้วเกิดการสะท้อนกับมาปกติเสียงที่ถูกส่งไปยังสมองจะติดประสาทหู แยกเสียงตะโกนออกไปเกิน 1/10 วินาที ดังนั้นถ้าเสียงจะสะท้อนกลับมาสู่หูช้ากว่าเสียงตะโกนออกไปเกิน 1/10 วินาที หู จะสามารถแยกเสียงตะโกนและเสียงสะท้อนได้เสียงสะท้อนเช่นนี้เรียกว่า echo

จากการสะท้อนพบว่าของคลื่นพบว่า การสะท้อนเกิดขึ้นได้ดี เมื่อวัตถุหรือสิ่งกีดขวางมีขนาดโตกว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบ นักฟิสิกส์ได้นำความรู้ดังกล่าว นี้สร้างเครื่องมือที่เรียกว่า โซนาร์( Sonar ) ซึ่งสามมารถใช้หาตำแหน่งใต้ทะเล โดยส่งคลื่นของดลของเสียงที่มีความถี่สูง จากใต้ท้องเรือเมื่อกระทบสิ่งกีดขวาง เช่น หินโสโครก ฝูงปลา หรือ เรือใต้น้ำที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือเท่ากับความยาวคลื่นเสียงก็จะเกิดการสั่นของ เสียงกลับมายังเครื่องรับบนเรือ จากช่วงเวลาที่ส่งคลื่นเสียงระหว่างตำเเหน่งกับส่วนของเรือกับสิ่งกีดขวางได้เมื่อคลื่นเสียงคลื่นที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังตัวกลางหนึ่ง จะเกิดการหักเหเช่นเดียวกับคลื่นน้ำเมื่อผ่านระหว่างน้ำตื่นกับน้ำลึก ก็จะเกิดการหักเห ตัวอย่างการหักเหของเสียงที่เกิดตามธรรมชาติ ซึ่งอาจสังเกตได้เช่นการเห็นฟ้าเเลบแต่ไม่ไดัยินเสียงฟ้าร้อง ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นเสียงที่ผ่นอากาศร้อนมากกว่าอากาศเย็น ซึ่งเราทราบแล้วว่าชั้นอากาศเหนือพื้นดินมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน ยิ่งสูงขึ้นไปอุณหภูมิของอากาศยิ่งลดลง ดังในที่สูงๆ จากพื้นผิวโลก อัตราของเสียงจึงน้อยกว่าบริเวณใกล้ผิวโลก ขณะที่เกิดฟ้าแลบฟ้าร้องในตอกลางวันคลื่นเสียงจะเคลื่อนจากอากาศตอนบนซึ่งเย็นกว่ามาถึงอากาศบริเวณใกล้พื้นดินซึ่งร้อนกว่า ทำให้เกิดการหักเหของเสียงฟ้าร้องกลับขึ้นไปในอากาศตอนบนถ้าเสียงเกิดการหักเหทั้งหมด เราจะเห็นเเต่ฟ้าแลบเเต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง ปรากฏการณ์ขั้นต้นนี้แสดงว่าเสียงมีสมบัติการหักเหปรากฏการณ์บางอย่างของเสียง

บีตส์และคลื่นนิ่งของเสียงเมื่อคลื่นจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่มีความถี่เท่ากัน เคลื่อนที่มาพบกันจะเกิดการซ้อนทับและแสดงปรากฏการณ์แทรกสอดขึ้น ถ้าคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย เคลื่อนที่มาแทรกสอดกันเสียงที่ได้ยิน เป็นเสียง บีตส์เสียงที่ได้ยินจาก แหล่งกำเนิดแหล่งเดียวกัน จะเป็นเสียงดังสม่ำเสมอต่อเนื่องกันส่วนเสียงที่ได้ยินจากแหล่งเสียงสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย จะเป็นเสียงที่ดังและค่อยสลับกันเป็นจังหวะคงตัว ซึ่งเรียกว่า เสียงบีตส์ (beats) ของเสียง บีตส์เกิดจากการแทรกสอดของคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันไม่มาก แต่ถ้าความถี่ของเสียงจากแหล่งกำเนิดทั้งสองต่างกันมากขึ้น เสียงท่ได้ยินจะเป็นจังหวะเร็วขึ้น โดยปกติหูมนุษย์สามารถจำแนกเสียงบีตส์ ซึ่งมีความถี่ไม่เกิน 7 เฮิรตว์

ถ้า ƒ₁ และ ƒ₂ เป็นความถี่ของคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งซึ่งต่างกันไม่เกิน 7 เฮิรตซ์ เมื่อมาซ้อนทับกันทำให้เกิดบีตส์ จำนวนครั้งของเสียงดังที่ได้ยินในหนึ่งวินาที เรียกว่า

ความถี่บีตส์ ( beats frequency ) ซึ่งจะหาได้จากผลต่างของความถี่คลื่นเสียงทั้งสองความถี่บีตส์ = ∆ ƒ= ƒ₁ - ƒ₂ ………( 2.3 )

บีตส์ไม่จำเป็นต้องจากเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงประเภทเดียวกันเท่านั้น อาจเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงคนละประเภทกันก็ได้ ในชีวิตประจำวันที่อาจจะพบเห็นได้แก่ การปรับแต่งเสียงของเครื่องดนตรีชนิดต่างๆ เช่น ไวโอลินเทียบกับเสียงจากหลอดเทียบเสียงความถี่มาตรฐาน

ขณะที่ความถี่ของการสั่นของสายไวโอลิน ยังไม่เท่ากับความถี่ของเสียงจากหลอดเทียบเสียงมาตรฐาน เราจะได้ยินบีตส์ จนกระทั่งเมื่อปรับความตรึงของสายไวโอลินไดพอเหมาะ นั่นคือ การสั่นของสายไวโอลินมีความถี่เท่ากับความถี่ของหลอดเทียบเสียงมาตรฐาน บีตส์ก็จะหายไปปฏิบัพและบัพของคลื่นนิ่งของเสียง

ปฏิบัพเป็นตำแหน่งที่ความดันอาการศมีค่าเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดสูงสุด

เรียกตำแหน่งนี้ว่า ปฏิบัพของความดัน ( pressure antinode ) บัพเป็นตำแหน่งที่

ความดันอากาศมีการเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดเป็นศูนย์พอดี เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพของความดัน ( pressure node )

การสั่นพ้องของเสียง

ความถี่ธรรมชาติและการสั่นพ้องเมื่อให้ลูกตุ้มที่ถูกแขวนไว้ด้วยเชือกแกว่งอย่างอิสระ ลูกตุ้มจะแกว่งด้วยความถี่คงตัวค่าหนึ่ง โดยความถี่ของการแกว่งของลูกตุ้มขึ้นอยู่กับความยาวของเชือกที่ผูกลูกตุ้ม นอกจากนี้วัถตุอื่นๆ เช่น เชือกที่ขึงตึง หรือแผ่นเหล็กสปริงที่ยึดปลายข้างหนึ่งไว้ เมื่อทำให้สั่นหรือแกว่งอย่างอสระก็จะสั่นด้วยความถี่คงตัวเช่นกัน ความถี่ในการสั่นหรือแกว่งอย่างอิสระของวัตถุ เรียก ความถี่ธรรมชาติ (natural frequency ) ของวัตถุ

การที่ให้วัตถุสั่นหรือแกว่งได้นั้น จะต้องใช้แรง ซึ่งถ้าออกแรงเพียงครั้งเดียวกระทำต่อวัตถุ แล้วปล่อยให้เคลื่อนที่เป็นอิสระ วัตถุจะสั่นหรือแกว่งด้วยความถี่ธรรมชาติของวัตถุ แต่ถ้าออกแรงหลายๆครั้งต่อเนื่องกัน โดยมีความถี่การออกแรงค่าหนึ่ง วัตถุจะถูกบังคับให้สั่นตามความถี่ของแรงที่มากระทำ การสั่นของวัตถุที่ถูกบังคับให้สั่นตามความถี่ของแรงที่มากระ

ทำจะเป็นอย่างไร

เมื่อออกแรงผลักลูกต้มหลายๆครั้งจะเห็นว่าความถี่ของแรงที่ผลักมีผลต่อการแกว่งของลูกตุ้ม ถ้าความถี่ของแรงที่ผลักเท่ากับความถี่ธรรมชาติของลูกตุ้มจะมีผลให้ลูกตุ้มแกว่งได้ไกลเพิ่มขึ้นหรือแอมพลิจูดของการแกว่งมากขึ้นทุกครั้งที่ออกแรงผลัก

การสั่นพ้องของเสียง

ขณะที่เสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อนุภาพของตัวกลางจะสั่นด้วยความถี่เดียวกับความถี่ของแหล่งกำเนิด แต่ถ้าให้เสียง เคลื่อนที่ผ่านอากาศที่อยู่ในท่อซึ่งมีปริมาตรต่างๆกัน เสียงที่ได้ยินจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร

เมื่อลำโพงทำงาน อนุภาคของอากาศในหลอดเรโซแนนซ์ถูกบังคับให้สั่นด้วยความถี่ของเสียงจากลำโพง การเลื่อนลูกสูบออกห่างจากลำโพงทำให้ความดังของเสียงเปลี่ยนไป จนกระทั่งลูกสูบอยู่ ณ ตำแหน่งหนึ่ง จะได้ยินเสียงดังที่สุด การที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากความถี่ของเสียงจากลำโพงเม่ากับความถี่ธรรมชาติของลำอากาศในหลอดพอดี ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ เรียกว่า การสั่นพ้องของเสียง

บทที่ ๑ คลื่นกล

คลื่นกล

คลื่นกล (Mechanical Wave )

คลื่นกล คือการถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยการเคลือนที่ไปของคลื่นต้องมีโมเลกุลหรืออนุภาคตัวกลางเป็นตัวถ่ายโอนพลังงานจึงจะทำให้คลื่นแผ่ออกไปได้  ดังนั้นคลื่นกลจะเดินทางและส่งผ่านพลังงานโดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง เพราะตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่แต่จะสั่นไปมารอบจุดสมดุล  ต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง

คำว่าคลื่นตามคำจำกัดความ หมายถึง การรบกวน (disturbance) สภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ และการรบกวนนั้นจะเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งออกไปยังอีกจุดหนึ่งได้ตามเวลาที่ผ่านไป  ในบทนี้จะกล่าวถึงกฎเกณฑ์ต่างๆ ของคลื่นในทางฟิสิกส์

การแบ่งประเภทของคลื่น

1. คลื่นตามขวาง (transverse wave)   ลักษณะของอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก

คลื่นตามขวาง

2. คลื่นตามยาว (longitudinal wave)    ลักษณะอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น  เช่น คลื่นเสียง

คลื่นตามยาว

ส่วนประกอบของคลื่น

1.สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2.ท้องคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e

3.แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น สัญลักษณ์ A

4.ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน หรือระยะระหว่าง 2 ตำแหน่งบนคลื่นที่ที่เฟสตรงกัน(inphase) ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ Lamda  มีหน่วยเป็นเมตร (m)  ระยะ xy
5.ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz)  จาก cd   โดย f = 1/T
6.คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ )  โดย  T = 1/f  

7.หน้าคลื่น(wave front)  เป็นแนวเส้นที่ลากผ่านตำแหน่งที่มีเฟสเดียวกันบนคลื่น เช่นลากแนวสันคลื่น หรือลากแนวท้องคลื่น ตามรูป

รูป หน้าคลื่นตรง

รูป หน้าคลื่นวงกลม

    

รูปแสดงหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับรังสีคลื่นเสมอ

อัตราเร็ว

อัตราเร็วในเรื่องคลื่น แบ่งได้ดังนี้

1. อัตราเร็วคลื่น หรือเรียกว่าอัตราเร็วเฟส   เป็นอัตราเร็วคลื่นที่เคลื่อนที่ไปแบบเชิงเส้น  ซึ่งอัตราเร็วคลื่นกลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน

สมการที่ใช้

2. อัตราเร็วของอนุภาคตัวกลาง   เป็นการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก  โดนสั่นซ้ำรอยเดิมรอบแนวสมดุล ไม่ว่าจะเป็นคลื่นกลชนิดตามขวางหรือตามยาว

สมการที่ใช้

1.อัตราเร็วที่สันคลื่นกับท้องคลื่น เป็นศูนย์

2.อัตราเร็วอนุภาคขณะผ่านแนวสมดุล มีอัตราเร็วมากที่สุด

3.อัตราเร็วอนุภาคขณะมีการกระจัด y ใดๆ จากแนวสมดุล



3. อัตราเร็วคลื่นในน้ำ  ขึ้นกับความลึกของน้ำ ถ้าให้น้ำลึก d   จะได้ความสัมพันธ์ 

4. อัตราเร็วคลื่นในเส้นเชือก  ขึ้นอยู่กับแรงตึงเชือก (T) และค่าคงตัวของเชือก (u) ซึ่งเป็นค่ามวลต่อความยาวเชือก  

การศึกษาวีดีโอ : 

1. วีดีโอเปรียบเทียบคลื่นตามขวาง กับคลื่นตามยาว



2. คลื่นผิวน้ำ

เรือกับคลื่นยักษ์กลางทะเล

การเกิดคลื่นและการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล  อนุภาคตัวกลางจะเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย ซ้ำรอยเดิมรอบจุดสมดุล ไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น  การเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางแบบนี้เราจะเขียนแทนการเคลื่อนที่ของคลื่นแบบรูปไซน์ ( sinusoidal wave ) ซึ่งเราสามารถหาค่าปริมาณต่างๆ ได้ ดังนี้

รูปแสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่

ลักษณะการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย

1.เป็นการเคลื่อนที่แบบสั่นหรือแกว่งกลับไปกลับมาซ้ำรอยเดิมโดยมีการกระจัดสูงสุดจากแนวสมดุล 

(แอมพลิจูด) คงที่

2.เป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่งและแรงแปรผันโดยตรงกับขนาดของการกระจัด แต่มีทิศทางตรงข้ามกันเสมอ (แรงและความเร่งมีทิศเข้าหาจุดสมดุล แต่การกระจัดมีทิศพุ่งออกจากจุดสมดุล)

3.ณ ตำแหน่งสมดุล x หรือ y = 0 , F = 0 , a = 0 แต่ v มีค่าสูงสุด

4.ณ ตำแหน่งปลาย x หรือ y , F , a มีค่ามากที่สุด แต่ v = 0

5.สมการการเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิก

คลื่นรูปไซน์ แสดงการกระจัด y  และเฟส

6. กรณีที่มุมเฟสเริ่มต้นไม่เป็นศูนย์ สมการความสัมพันธ์ของการกระจัด ความเร็ว และความเร่ง กับเวลาอาจเขียนได้ว่า

XXXXX1.  XXXXXและXXX

XXXXX2. XX และXXX

XXXXX3.  XและXXX

7. การเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิกของ สปริง และลูกตุ้มนาฬิกา

8. ลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นขณะเวลาต่างๆ( เมื่อ period หรือ คาบ หมายถึงเวลาครบ 1 รอบ)

9. การบอกตำแหน่งบนคลื่นรูปไซน์ ด้วย เฟส (phase)  เป็นการบอกด้วยค่ามุมเป็นเรเดียน หรือองศา

การระบุเฟสด้วยมุมที่เป็นองศาและมุมเรเดียน

เฟสตรงกันบนคลื่น  จะห่างจากตำแหน่งแรก 1 Lamda , 2 Lamda , 3 Lamda , .....

เฟสตรงกันข้ามกันบนคลื่น  จะห่างจากตำแหน่งแรก  1/2  Lamda  , 3/2  Lamda  ,  5/2  Lamda , ....

ตัวอย่าง

การซ้อนทับกันของคลื่น

เมื่อคลื่น 2  ขบวนผ่านมาในบริเวณเดียวกัน มันจะรวมกัน  โดยอาศัยหลักการซ้อนทับของคลื่น ( Superposition principle)  การซ้อนทับกันมี 2 แบบ คือแบบเสริม และแบบหักล้าง

1. การซ้อนทับแบบเสริม   เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกัน เข้ามาซ้อนทับกัน  เช่น สันคลื่น+ สันคลื่น หรือท้องคลื่น+ท้องคลื่น  ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดเพิ่มขึ้นมากที่สุด เท่ากับผลบวกของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง


การซ้อนทับกันของคลื่น แบบเสริม

 2. การซ้อนทับแบบหักล้าง  เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกันข้าม เข้ามาซ้อนทับกัน  เช่น สันคลื่น+ ท้องคลื่น  ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดลดลง เท่ากับผลต่างของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง


 

การซ้อนทับกันของคลื่น แบบหักล้าง

ภาพเคลื่อนไหวการซ้อนทับกันของคลื่นแบบเสริม