ทวิภาคของคลื่นและอนุภาคของเดอ บรอยล์

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่แสงตกกระทบผิวโลหะ แล้วมีอิเล็กตรอนหลุดจากผิวโลหะ โดยไอสน์ไตน์ เสนอแนวคิดว่า การเกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกนี้ แสงไม่ใช่คลื่น แต่เป็นอนุภาคที่มีพลังงาน
เดอ บรอยล์ นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส จึงเสนอแนวคิดว่า ถ้าแสงที่เป็นคลื่นแสดงสมบัติเป็นอนุภาคได้ สิ่งที่เป็นอนุภาค ก็ควรแสดงสมบัติเป็นคลื่นได้
สิ่งใดที่แสดงสมบัติคู่เป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค เรียกว่ามี ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค แสงเป็นได้ทั้งคลื่น และอนุภาค แสงจึงมีทวิภาพของคลื่นและอนุภาค
จากการศึกษาต่อมา พบว่า อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคแสดงสมบัติของคลื่นได้ คือเลี้ยวเบนและแทรกสอดได้ และสามารถหาความยาวคลื่นของอนุภาคได้ เรียกความยาวคลื่นของอนุภาค นี้ว่า ความยาวคลื่นเดอบรอยล์
อนุภาคที่จะแสดงสมบัติเป็นคลื่นได้ ต้องเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็ก
เดอ บรอยล์ ได้นำความรู้เรื่องทวิภาพของคลื่นและอนุภาค ไปอธิบายทฤษฎีอะตอมของบอร์ ข้อ 2 ให้สมบูรณ์ ขึ้น โดยอธิบายว่าอิเล็กตรอนที่จะไม่มีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อิเล็กตรอนตัวนั้นต้องแสดงสมบัติเป็นคลื่นนิ่ง โดยมีความยาวของเส้นรอบวงเป็นจำนวนเต็มเท่าของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน ถ้าคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค จะไม่สามารถอธิบายได้.












ชนิดของคลื่น
คลื่นเป็นปรากฎการณ์ที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่รูปแบบหนึ่ง คลื่นสามารถจำแนกตามลักษณะต่าง ๆได้ดังนี้
1. จำแนกตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง
1.1 คลื่นกล (Mechanical wave) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้ ตัวอย่างของคลื่นกลได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
1.2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น
2. จำแนกตามลักษณะการเคลื่อนที่
2.1 คลื่นตามขวาง (Transverse wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามขวางได้แก่ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2.2 คลื่นตามยาว (Longitudinal wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามยาวได้แก่ คลื่นเสียง
3. จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่น
3.1 คลื่นดล (Pulse wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียว
3.2 คลื่นต่อเนื่อง (Continuous wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่อง ส่วนประกอบของคลื่น
สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก
ท้องคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ
แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ
ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz)
คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s)
อัตราเร็วของคลื่น (wave speed) หาได้จากผลคูณระหว่างความยาวคลื่นและความถี่ สมบัติของคลื่น (wave properties)
คลื่นทุกชนิดแสดงสมบัติ 4 อย่าง คือการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยวเบน
การสะท้อน (reflection) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง แล้วเปลี่ยนทิศทางกลับสู่ตัวกลางเดิม
การหักเห (refraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่ต่างกัน แล้วทำให้อัตราเร็วเปลี่ยนไป
การเลี้ยวเบน (diffraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง ทำให้คลื่นส่วนหนึ่งอ้อมบริเวณของสิ่งกีดขวางแผ่ไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น
การแทรกสอด (interference) เกิดจากคลื่นสองขบวนที่เหมือนกันทุกประการเคลื่อนที่มาพบกัน แล้วเกิดการซ้อนทับกัน ถ้าเป็นคลื่นแสงจะเห็นแถบมืดและแถบสว่างสลับกัน ส่วนคลื่นเสียงจะได้ยินเสียงดังเสียงค่อยสลับกัน












คลื่นและชนิดของคลื่น


คลื่น (Wave) เป็นปรากฏการที่เกิดจากการรบกวนแหล่งกำเนิด หรือตัวกลาง เกิดการสั่นสะทือน ทำให้มีการแผ่หรือถ่ายโอนพลังงานจากการสั่นสะเทือนไปยังจุดต่าง ๆ โดยที่ตัวกลางนั้นไม่มีการเคลื่อนที่ไปกับคลื่น เช่น เด็กชายนั่งอยู่บนเรือ แล้วโยนก้อนหินขนาดใหญ่ลงไปในน้ำให้เกิดคลื่น จะสังเกตเห็นว่า คลื่นจะแผ่ขยายออกเป็นวงกลมโดยรอบจุดที่ก้อนหินตกกระทบผิวน้ำ เรือที่เด็กชายนั่งจะกระเพื่อมขึ้นลงอยู่กับที่ โดยได้รับพลังงานจลน์จากผิวน้ำ แต่จะไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น ซึ่งแสดงให้เห็นว่า การเกิดคลื่นเป็นการถ่ายโอนพลังงานโดยผ่านโมเลกุลของน้ำ ซึ่งโมเลกุลของน้ำ (ตัวกลาง) จะไม่เคลื่อนที่ไปกับคลื่น








!! คลื่นกล







เมื่อจับเชือกเส้นหนึ่งให้อยู่ในแนวราบโดยปลายหนึ่งตรึงไว้กับผนัง แล้วจับอีกปลายหนึ่งสบัดขึ้นลงดังรูปด้านซ้ายมือ การที่เราออกแรงสบัดปลายเชือกเป็นการให้พลังงานแก่เส้นเชือก พลังงานจะถูกถ่ายโอนผ่านเส้นเชือกไปยังปลายเชือกด้านที่ติดกับผนัง การถ่ายโอนพลังงานผ่านเส้นเชือกจะทำให้มีคลื่นเกิดขึ้น ซึ่งมีทิศทางในแนวราบ แต่อนุภาคของเส้นเชือกจะสั่นขึ้นลงในแนวดิ่งเท่านั้น ไม่ได้เคลื่อนที่ไปตามแนวราบกับคลื่น คลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่อย่างนี้ เรียกว่า คลื่นกล ตัวอย่างของคลื่นที่พบเสมอในชีวิตประจำวัน เช่น คลื่นเสียง คลื่นน้ำ คลื่นบนเส้นเชือก




ตัวอย่างของคลื่นบนสปริง ที่เรียกว่าคลื่นกล







ตัวอย่างของคลื่นผิวน้ำ
ตัวอย่างของคลื่นบนเส้นเชือก ที่เรียกว่าคลื่นกล







!! การจำแนกคลื่นตามลักษณะการสั่นของอนุภาคตัวกลางกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น





คลื่นที่เกิดขึ้นในตัวกลาง ถ้าพิจารณาตามลักษณะการสั่นของอนุภาคของตัวกลางกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น จะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่


ก. คลื่นตามขวาง (Transverse wave) เป็นคลื่นที่เกิดขึ้นโดยอนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นน้ำ คลื่นบนเส้นเชือก คลื่นบนสปริง จากรูปทางด้านซ้ายมือ เมื่อเราสะบัดเชือกที่ปลายด้านหนึ่งอาจะจะตรึงติดผนังหรือไม่ตรึงก็ได้ โดยสะบัดขึ้นและลงดังภาพด้านล่างซ้าย จะเห็นท้องคลื่นและสันคลื่นเกิดขึ้น โดยทิศทางของอนุภาคตั้งฉากกับทิศของการเคลื่อนที่ของคลื่น เรียกว่าคลื่นตามขวาง จะเห็นการเคลื่อนที่โดยรวมเมื่อสะบัดอย่างต่อเนื่องในภาพด้านล่างนี้


ภาพก่อนที่จะสะบัดเชือก




ภาพขณะสะบัดเชือกขึ้นลง
ภาพแสดงการเคลื่อนที่ของคลื่นบนเส้นเชือกขณะสะบัดเชือกขึ้นลงอย่างต่อเนื่อง






ข. คลื่นตามยาว (Longitudinal wave ) เป็นคลื่นที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวเดียวกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง ซึ่งบางครั้งเราอาจจะเรียกว่า คลื่นลูกอัด ลูกขยาย ลักษณะการสั่นของอนุภาคของตัวกลางของคลื่นเสียงเราไม่สามารถสังเกตเห็นได้ แต่เราสามารถทดลองได้โดยใช้ลวดสปริง โดยปลายหนึ่งตรึงไว้กับที่ แล้วใช้มือจับอีกลายหนึ่งดึงสปริงเข้าออก จะเห็นว่าระยะห่างระหว่างขดลวดสปริงบางช่วงชิดกันบางช่วงห่างกัน และเปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพ


ภาพแสดงส่วนอัด/ขยายของคลื่นเสียง











ภาพแสดงส่วนอัด/ขยายของคลื่นตามยาวที่เกิดบนสปริงด้วยการออกแรงผลักเข้า - ออก เป็นจังหวะ








ภาพแสดงทิศทางของอนุภาคและทิศทางของคลื่น
ภาพเปรียบเทียบระหว่างคลื่นตามขวางและคลื่นตามยาว สังเกตลูกศรสีแดง















ภาพแสดงให้เห็นว่าพลังงานถ่ายโอนผ่านคลื่นจะมีทิศทางไปทางเดียวกับทิศทางของคลื่น สังเกตลูกศรสีน้ำเงิน












!! การจำแนกคลื่นตามลักษณะของตัวกลาง แบ่งได้เป็น 2 ประเภท





ก. คลื่นกล ( Mechanical ) คือ คลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ได้แก่ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นน้ำ คลื่นสปริง คลื่นเสียง เหล่านี้เป็นต้น


ข. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic ) คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ได้แก่ คลื่นแสง คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอ็กซ์ เป็นต้น












!! การจำแนกส่วนประกอบของคลื่นตามขวาง (คลื่นผิวน้ำ)








ภาพแสดงส่วนประกอบต่าง ๆ ของคลื่นตามขวาง





ก. สันคลื่น ( Crest ) คือ ตำแหน่งสูงสุดของคลื่น จากภาพ คือจุด B และ F


ข. ท้องคลื่น (Trough) คือ ตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น จากภาพ คือจุด D








ภาพแสดงส่วนประกอบต่าง ๆ ของคลื่นตามขวาง


ค. การกระจัด ( Displacement , d) คือ ระยะทางตั้งฉากที่วัดจากตำแหน่งสมดุลไปยังตำแหน่งบนคลื่นมีเครื่องหมายเป็น + และ - แทนทิศทางการกระจัด


ง. แอมพลิจูด ( Amplitude ,A) คือ ระยะการกระจัดที่วัดจากแนวสมดุลไปยังตำแหน่งสูงสุดหรือต่ำสุดของคลื่น จากภาพ แอมพลิจูก คือ D


จ. ความยาวคลื่น ( Wave length ) คือ ระยะห่างระหว่างตำแหน่ง (เฟส) หนึ่งถึงตำแหน่งหนึ่งที่ตรงกันของคลื่นลูกถัดไป ซึ่งวัดได้จาก


=> จากจุดเริ่มต้นของคลื่นถึงจุดสุดท้ายของคลื่นลูกหนึ่ง (สำหรับคลื่น 1 ลูก ประกอบด้วยส่วนที่เป็นท้องคลื่นและสันคลื่น ) จากภาพคือ A


ฉ. คาบ ( Period , T) คือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได้ 1 ลูกคลื่น หรือเวลาที่อนุภาคในตัวกลางสั่นขึ้นลงได้ 1 รอบ มีหน่วยเป็นวินาที (s)


ช. ความถี่ ( Frequency , f) คือ จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุด ๆ หนึ่ง ในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นรอบ/วินาที (Hz)






ซ. ความเร็วคลื่น ( Speed wave, V) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ 1 ลูก( Wave length ) ในเวลา 1 วินาที ใช้บอกการเคลื่อนที่ของคลื่นดลหรือคลื่นต่อเนื่องก็ได้ มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที































ทำไมคลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศได้


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
การเคลื่อนที่แบบคลื่น
คนเราส่วนมากมีประสบการณ์เกี่ยวกับคลื่นมาตั้งแต่อยู่ในวัยเด็ก เช่น เมื่อเราโยนก้อนหินลงไปในสระน้ำ ก้อนหินลงไปรบกวนน้ำทำให้เกิดเป็นระลอกคลื่นเคลื่อนที่ออกไป และในที่สุดก็ถึงขอบสระ ถ้าสังเกตให้ดีจะเห็นใบไม้ที่ลอยอยู่ใกล้ ๆ จุดที่น้ำถูกรบกวนจะกร ะเพื่อมขึ้นลงผ่านตำแหน่งเดิม แต่ไม่มีการกระจัดออกไปหรือเคลื่อนเข้ามาหาตำแหน่งที่ถูกรบกวนเลย มีแต่เพียงคลื่นเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยที่น้ำไม่ได้ถูกนำพาไปด้วย
คลื่นน้ำเป็นเพียงตัวอย่างเดียวของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่มีลักษณะทางคลื่น ในโลกเรานี้มีคลื่นเต็มไปหมด ได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นกล เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแผ่นดินไหว คลื่นกระแทกที่เกิดจากเครื่องบินไอพ่นซึ่งมีความเร็วเหนือเสียง และคลื่นแม่เหล ็กไฟฟ้า เช่น แสงที่เรามองเห็น คลื่นวิทยุ สัญญาณโทรทัศน์ และรังสีเอกซ์ เป็นต้น
สำหรับคลื่นน้ำ สิ่งที่เรามองเห็นก็คือ การจัดพื้นผิวของน้ำใหม่ ถ้าไม่มีน้ำก็จะไม่มีคลื่นเราสะบัดเส้นเชือกให้มีคลื่นวิ่งไป ถ้าไม่มีเส้นเชือกก็จะไม่มีคลื่น คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศก็เพราะว่ามีการแปรผันความดันที่จุดหนึ่งเดินไปยังอีกจุดหนึ่ง เร าเรียกว่า เป็นคลื่นในรูปแบบของการรบกวนที่เกิดต่อตัวกลางและเคลื่อนที่ไปจึงพิจารณาได้ว่า คลื่นก็คือการเคลื่อนที่ของการรบกวน ซึ่งก็เป็นสถานะของตัวกลางนั่นเอง ไม่ใช่การเคลื่อนที่ของอนุภาค

เงื่อนไขในการเกิดคลื่นมีอะไรบ้าง


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
เงื่อนไขในการเกิดคลื่น
เงื่อนไขที่สำคัญของการเกิดคลื่น ได้แก่ ข้อที่หนึ่ง คลื่นเกิดขึ้นเมื่อมีการรบกวนกระทำต่อบริเวณใดบริเวณหนึ่ง การรบกวนดังกล่าวคือ การกระตุ้นด้วยแรงต่อวัตถุหรือมวลซึ่งทำให้เกิดมีการขจัดผ่านตำแหน่งหยุดนิ่งไปมา ข้อที่สอง การรบกวนเดินไปด้วยอัตราเร็วที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวกลาง จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในระยะเวลาอันจำกัด ข้อที่สาม คลื่นต้องอาศัยตัวกลางในการเผยแผ่ออกไป ตัวกลางอาจเป็นของแข็งหรือของไหลก็ได้
ก่อนเกิดคลื่น สภาพของตัวกลางอาจอยู่นิ่ง ๆ หรืออยู่ในสภาพไม่สมดุล เช่น การกระจายของคลื่นน้ำเมื่อโยนก้อนหินลงในสระที่ราบเรียบ ก็เป็นการรบกวนที่เกิดเป็นคลื่น ตรงกันข้ามกับคลื่นในมหาสมุทร ซึ่งสภาพก่อนเกิดคลื่น พื้นน้ำมีการกระเพื่อมอยู่แล้ว หรือการกระจายคลื่นเสียงในอากาศก็เป็นตัวอย่างคล้ายคลื่นในมหาสมุทร กล่าวคือ อนุภาคอากาศเคลื่อนที่สับสนอยู่แล้ว บางครั้งยังมีลมพัดหรือมีอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วย ซึ่งทั้งนี้ก็เป็นสถานะก่อนเกิดคลื่นเสียง ในการยิงปืน ก๊าซที่ดันออกมาจากปากกร ะบอกปืนทำความรบกวนต่ออากาศ เกิดคลื่นเสียงกระจายออกไปซ้อนกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศซึ่งมีอยู่แล้วในทิศทางต่าง ๆ กัน
ความยืดหยุ่นเป็นสมบัติของตัวกลางที่จะสร้างแรงคืนตัวให้กับอนุภาคที่ถูกขจัดออกไปกลับคืนสู่ตำแหน่งสมดุลของมัน ส่วนความเฉื่อยนั้นสัมพันธ์กับมวลของตัวกลางในสองลักษณะที่สำคัญ ข้อแรกคือ อนุภาคของตัวกลางซึ่งมีมวลจะต่อต้านการเปลี่ยนสภาพ (ปกติ) และทิศทางก ารเคลื่อนที่ของมันเพราะมีแรงกระทำ ข้อที่สอง คือ ความสามารถที่อนุภาคส่งถ่ายโมเมนตัมและพลังงานให้กับอนุภาคมวลตัวอื่น

ความเฉื่อยและความยืดหยุ่นมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
ความเฉื่อยและความยืดหยุ่นมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร จึงเกิดเป็นคลื่นส่งกระจายออกมา เริ่มด้วยเมื่อมีการรบกวนเกิดขึ้น และส่งโมเมนตัมให้กับอนุภาคซึ่งมีมวล จากนั้นการเคลื่อนที่จากตำแหน่งสมดุลก็จะเกิดขึ้นด้วยอัตราเร็วค่าหนึ่ง ซึ่งแล้วแต่ว่าจะเ ป็นตัวกลางชนิดใด เนื่องจากอนุภาคมีความเฉื่อยมันจึงยังคงเคลื่อนที่ต่อไปในทิศเดิม ด้วยความเร็วเดิมจนกระทั่งไปกระทบอนุภาคอีกตัวหนึ่งซึ่งถ้าคิดว่าการชนเป็นแบบยืดหยุ่น โมเมนตัมของอนุภาคตัวแรกจะถูกถ่ายทอดให้กับอนุภาคตัวที่สองทำให้อนุภาคแรกหยุดอนุภาคที่สองจ ะวิ่งต่อไปในทิศเดิมเหมือนอนุภาคแรก ด้วยอัตราเร็วเท่าเดิมตามธรรมชาติของความยืดหยุ่น (ทั้งนี้โดยสมมติว่ามวลของอนุภาคทั้งสองมีค่าเท่ากัน) อนุภาคแรกกระทำตัวคล้ายกับเป็นระบบของมวลและสปริงที่ถูกกระทบให้เริ่มมีการกระจัด ดังนั้นหลังจากอนุภาคแรกหยุดนิ่งอาการ สปริงของตัวกลางจะออกแรงทำให้มันถอยกลับผ่านตำแหน่งสมดุล ส่วนอนุภาคที่สองเคลื่อนที่ต่อไปจนชนอนุภาคที่สามและสี่ไปเรื่อย ๆ หลังจากชนแล้วอนุภาคตัวที่ชนจะสั่นไปมาผ่านตำแหน่งสมดุล เหมือนอนุภาคแรก และเกิดเป็นแบบลูกโซ่ต่อกันไป การกระจายคลื่นเกิดขึ้นโดยไม่มี การย้ายที่ของอนุภาคใด ๆ ไปมากนัก เป็นแต่เพียงการสั่นไปมาผ่านตำแหน่งสมดุลของมันเท่านั้น
คลื่นเสียงในอากาศเป็นคลื่นตามยาวกล่าวคือ อนุภาคของอากาศที่กระจายคลื่นจะสั่นในทิศทางที่คลื่นเคลื่อนไป ต่างไปจากคลื่นแสง คลื่นความร้อน คลื่นวิทยุ หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ ที่กระจายออกสู่อากาศตรงที่คลื่นเหล่านี้เป็นคลื่นตามขวาง เพราะสนาม ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในคลื่นสั่นในทิศตั้งฉากกับทิศของคลื่นเอง


เสียงเกิดขึ้นได้อย่างไร



[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
ระบบการได้ยิน
หูเป็นอวัยวะสำหรับฟังเสียง แบ่งเป็น ๓ ส่วนด้วยกันคือ หูชั้นนอก หูชั้นกลาง และหูชั้นใน
หูชั้นนอก ประกอบด้วยใบหู รูหู และเยื่อแก้วหู เยื่อแก้วหูมีลักษณะเป็นเนื้อเยื่อประสานแผ่นบาง ๆ รูปรี ตั้งอยู่ระหว่างหูชั้นนอกกับหูชั้นกลาง เมื่อมีคลื่นเสียงส่งมาตามตัวกลาง เช่น อากาศถึงใบหู ใบหูจะรวบรวมคลื่นเสียง (หรือคลื่นคว ามดังนั่นเอง) เข้าทางรูหูซึ่งอยู่ติดกับอากาศภายนอก เข้าไปถึงเยื่อแก้วหู คลื่นเสียงนี้ทำให้เยื่อแก้วหูสั่น
หูชั้นกลาง เป็นส่วนที่อยู่ต่อจากหูชั้นนอก มีลักษณะเป็นโพรงตั้งอยู่ในกระดูกขมับ มีกระดูกเล็ก ๆ ๓ ชิ้น ได้แก่ กระดูกรูปค้อน ทั่งและโกลน ต่อกันอยู่ด้วยข้อต่อ ปลายด้านหนึ่งของกระดูกค้อนยึดติดอยู่กับเยื่อแก้วหู ส่วนทางด้านกระดูกโก ลนมีฐานยึดติดกับช่องรูปรี ทั้งนี้โดยอาศัยเอ็นของกล้ามเนื้อเป็นตัวยึด หน้าต่าง รูปรีเป็นทางผ่านของการสั่นสะเทือนจากเยื่อแก้วหู ซึ่งถูกส่งถ่ายทอดมาตามกระดูกทั้งสามชิ้นไปยังช่องรูปรีเข้าสู่หูชั้นใน การทำงานของกระดูก ๓ ชิ้น มีลักษณะคล้ายระบบของคาน ซึ่งมีการได้เปรียบเชิงกลประมาณ ๓ : ๑ ผลก็คือ ระยะทางการขยับตัวของเยื่อแก้วหูน้อย เมื่อส่งผ่านเป็นการสั่นไปสู่ฐานของกระดูกโกลน แต่เกิดแรงกระตุ้นมากขึ้น บริเวณด้านล่างของหูชั้นกลางมีท่อซึ่งติดต่อกับอากาศภายนอกทางด้านหลังของจมูกเรียกว่า ท่อยูสเต เชี่ยน ทำหน้าที่ปรับความดันอากาศภายในหูชั้นกลางให้เท่ากับความดันบรรยากาศอยู่เสมอ
หูชั้นใน อยู่ภายในส่วนลึกของกระดูกขมับ ประกอบด้วยอวัยวะที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการได้ยินและอวัยวะที่ใช้ในการทรงตัว มีชื่อว่า โคเคลีย (cochlea) เป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการได้ยินเสียง ลักษณะเป็นท่อยาวประมาณ ๓๐ มม. ขดเป็นวงซ้อนขึ ้นรูปกันหอยประมาณ ๒ ๑/๒ รอบ โคเคลียถูกแบ่งออกเป็น ๒ ส่วน ตามความยาวโดยแผ่นเยื่อ เบซิลาร์ เมมเบรน (Basilar membrane) ช่องบนเรียก สกาลา เวสติบุไล (Scala vestibuli) และช่องล่างเรียกว่า สกาลา ทิมปาไน (Scala tympani) ช่องทั้งสองติดต่ อกันที่บริเวณยอดของโคเคลีย เป็นรูเปิดเล็ก ๆ เรียกว่า เฮลิโคทริมา (Helicotrema) ภายในช่องทั้งสองมีของเหลวบรรจุอยู่
บนเบซิลาร์ เมมเบรน มีอวัยวะรับเสียงคือ ออร์แกนออฟคอร์ติ (Organ of corti) ประกอบด้วยเซลล์ขน (Tectorian membrane) และเซลล์อื่น ๆ เมื่อคลื่นความสั่นสะเทือนถูกส่งมาถึงของรูปรี คลื่นจะถูกส่งผ่านของเหลวในหูส่วนในไปตามช่องบน ผ่านรูเปิดลงสู ่ช่องล่าง สุดท้ายจะไปถึงช่องรูปวงกลม ระหว่างที่มีคลื่นรบกวนเดินผ่านตามเส้นทางดังกล่าว เบซิลาร์ เมมเบรนจะ ถูกกระตุ้นให้สั่น เซลล์ขนซึ่งมีความไวสูงจำนวนมากจะเปลี่ยนความสั่นสะเทือนให้เป็นศักย์ไฟฟ้า กลายเป็นกระแสประสาทสู่สมองทางเส้นประสาทเสียงเพื่อ แปลเป็นความรู้สึกของเสียง อัตราการผลิตกระแสประสาทของเซลล์ขนขึ้นอยู่กับความเข้มและความถื่ของเสียง


ซึ่งสามารถเขียนแผนภาพของสเปคตรัมของอะตอมไฮโดรเจนได้ดังนี้
รูปที่ 15 แสดงสเปกตรัมของตะตอมไฮโดรเจน
ผลของทฤษฎีอะตอมของบอร์สามารถคำนวณหาระดับพลังงานของอะตอม และอธิบายการเกิดสเปกตรัมของไฮโดรเจนได้ดียิ่งขึ้น และยังสามารถทำนายความยาวคลื่นของสเปกตรัมที่ยังไม่ค้นพบซึ่งต่อมาค้นพบภายหลังได้อย่างถูกต้อง แต่อย่างไรก็ตามยังพบว่าแบบจำลองนี้ยังมีข้อจำกัดอยู่มาก โดยไม่สามารถใช้กับอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ และไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่อยู่ในสนามแม่เหล็กได้
ดังนั้นได้มีผู้พยายามค้นหาทฤษฎีใหม่ ๆ เพื่อที่จะอธิบายโครงสร้างอะตอมให้ถูกต้องยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นผลทำให้เกิดวิชากลศาสตร์ขึ้น 2 รูปแบบด้วยกันคือ รูปที่เป็นกลศาสตร์ควันตัม (wave mechanics) ของชโรดิงเจอร์ และรูปที่เป็นกลศาสตร์เมตริกซ์ (matrix mechanics) ของไฮเซนเบอร์ก ซึ่งสองแบบนี้พิสูจน์ได้ภายหลังว่าให้ผลเท่ากัน
6. ทวิภาคของคลื่นและอนุภาค
แสงมีสมบัติคู่ คือเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค โดยแสงมีคุณสมบัติของการแทรกสอดและการเลี้ยวเบน แสดงว่าแสงเป็นคลื่น และจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกทำให้ทราบว่าแสงเป็นอนุภาค (โฟตอน)
หลุยส์ เดอ บรอยด์ (Louis de Broglie) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้แสดงความเห็นว่า “ในสสารทั่วไป ถ้ามีคุณสมบัติเป็นอนุภาค ก็น่าจะมีคุณสมบัติเป็นคลื่นด้วย ” โดยสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นและอนุภาค โดยการหาความยาวคลื่นของสสารได้จากทฤษฎีของไอสไตน์กับทฤษฎีของแพลงค์ ได้ดังนี้
จากทฤษฎีของไอสไตน์
=


เรื่อง ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค1. ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค หมายถึงตอบ การที่คลื่นสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้และในทางกลับกันอนุภาคก็สามารถแสดงสมบัติของคลื่นเช่นกัน ดังปรากฏโฟโตอิเล็กทริก (Photoeletric Effect) , ปรากฏการณ์คอมป์ตัน (Compton Effect) และสมมติฐานของเดอบรอยล์ (De Broglie's Hypothesis)2. ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) หมายถึงตอบ ปรากฏการณ์ที่แสงที่เชื่อว่าเป็นคลื่น แสดงคุณสมบัติเป็นอนุภาค เพื่อสนับสนุนเรื่องทวิภาพคลื่นและอนุภาคเมื่อแสงความยาวคลื่นสั้น (หรือความถี่สูง) ตกกระทบผิวโลหะ จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะได้ (เรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานี้ว่า โฟโตอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่ได้จากปรากฎการณ์ทางแสงเท่านั้น ไม่ได้หมายความว่า โฟโตอิเล็กตรอนจะแตกต่างไปจากอิเล็กตรอนตัวอื่นๆ ซึ่งเป็นที่อิเล็กตรอนสั่น อิเล็กตรอนนั้นจะรับและสะสมพลังงานจากแสงจนเมื่อมีพลังงานมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของโลหะ อิเล็กตรอนก็จะหลุดออก จากผิวโลหะ ยิ่งแสงมีความเข้มมากเท่าไร อิเล็กตรอนก็จะหลุดได้เร็วและมีพลังงานสูง3. หลักทวิภาพของคลื่นและอนุภาคเสนอขึ้นมาโดยใคร ตอบ เดอ บรอยล์4. หางของดาวหางเบนออกจากดวงอาทิตย์เสมอ เพราะเหตุใดตอบ เพราะถูกชนโดยโมเมนตัมของแสง5. ทวิ และ ภาพ แปลว่าอะไรตอบ ทวิ แปลว่า สอง ภาพ แปลว่า ภาวะ6. ใครทดลองได้ว่า อิเล็กตรอน (รังสีแคโทด) เลี้ยวเบนได้จริง และเขาหาความยาวคลื่น ได้หรือไม่ตอบ Germer และ Davisson และเขาวัดหา ได้จริงจากการทดลอง7. ใครเป็นผู้เสนอคนแรกว่า อิเล็กตรอนวนรอบนิวเคลียส คล้ายวงแหวนของดาวพระเสาร์ตอบ นักวิทยาศาสตร์ญี่ปุ่น ชื่อ นาเกาคา8. ความต่างศักย์หยุดยั้ง (Stopping Potential , Vs ) หมายถึง ตอบ ความต่างศักย์ที่พอดีหยุดอิเล็กตรอน เรียกว่า ความต่างศักย์หยุดยั้ง (Stopping Potential , Vs ) ซึ่งอิเล็กตรอนที่ถูกหยุดได้ด้วยความต่างศักย์ Vs ก็แสดงว่าอิเล็กตรอนนั้นมีพลังงาน E = eVs จูล ทำให้เขียนสมการหาพลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนได้ใหม่เป็น eVs = hf – w9. ผลการศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก สรุปได้กี่ข้อ อะไรบ้างตอบ สรุปได้ 3 ข้อ ดังต่อไปนี้1) โฟโตอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้น เมื่อแสงที่ตกกระทบโลหะมีความถี่อย่างน้อยเท่ากับความถี่ขีดเริ่มและโฟโตอิเล็กตรอนจะเกิดทันทีที่แสงตกกระทบผิวของโลหะ2) จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มมากขึ้น ถ้าแสงที่ใช้มีความเข้มมากขึ้น3) พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนไม่ขึ้นกับความเข้มแสง แต่ขึ้นกับความถี่ของแสง10. ในการทดลองเรื่องปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ใช้แสงความถี่ 7.0 x 1014 เฮิรตซ์ ตกกระทบผิวโลหะที่มีค่าฟังก์ชันงานเท่ากับ 2.3 อิเล็กตรอนโวลต์ จงหาความต่างศักย์หยุดยั้งของโฟโตอิเล็กตรอนนี้ตอบ ความต่างศักย์หยุดยั้งของโฟโตอิเล็กตรอนประมาณ 0.6 โวลต์