ในเดือนมกราคม พ.ศ.2477 (ตรงกับรัชสมัยของพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 7 แห่งกรุงรัตนโกสินทร์) สามี-ภรรยาคู่หนึ่ง ทำงานอยู่ที่ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัย กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส พวกเขาได้ยิงอนุภาคชนิดหนึ่งที่เรียกว่า แอลฟา ไปยังแผ่นอลูมิเนียม อ่านถึงตรงนี้อาจมองว่างานของเขาก็ง่ายๆ และอาจจะฟังยากว่านี่เป็นเหตุการณ์ที่สำคัญมากทีเดียว
เราจะไม่ใส่ใจในรายละเอียดทางเทคนิคนัก ขอเริ่มตรงที่ว่า สามี-ภรรยาคู่นี้ ชื่อว่า Frederic Joliot และ Irene Curie นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส อนุภาคแอลฟาที่ใช้ได้มาจากโลหะกัมมันตรังสี ที่ชื่อว่า Polonium ซึ่งถูกพบ 36 ปีก่อนหน้านี้ โดยพ่อและแม่ของ Irene , Pierre กับ Marie Curie ผู้ค้นพบเรเดียม สิ่งที่ Frederic และ Irene พบก็คือ เมื่ออลูมิเนียมถูกระดมยิงด้วยอนุภาคแอลฟา มันจะกลายเป็นสารกัมมันตรังสีด้วย
เป็นสิ่งที่แปลกประหลาดทีเดียวในช่วงเวลานั้น แต่ ณ ปัจจุบันสารธรรมดาถูกทำให้เป็นสารกัมมันตรังสีทุกวัน ถึงอย่างนั้นนักฟิสิกส์ก็ไม่สามารถเร่งการกระทำสิ่งนี้ให้เกิดขึ้นในธรรมชาติได้ เป็นเพียงแสดงให้เห็นว่าธรรมชาติทำงานอย่างไร ซึ่งขณะนี้เรารู้แล้วว่าชนิดของรังสีที่เกิดในลักษณะนี้เกิดขึ้นบ่อยทีเดียวในธรรมชาติ เช่น การเกิดสารกัมมันตรังสีบนดวงดาวหรือชั้นบรรยากาศโลกที่ถูกรังสีคอสมิกพุ่งชน
ผลการทดลองของ Frederic และ Irene ผ่านการตีพิมพ์ต่างๆ ยังความตื่นเต้นให้แก่วงการฟิสิกส์อย่างมาก ไม่นานก็มีคนจำนวนมากดำเนินการคล้ายๆ กันตามมา หนึ่งนั้นก็คือ Enrico Fermi นักฟิสิกส์หนุ่มแห่งมหาวิทยาลัยโรม แต่เฟอร์มิกลับทำในสิ่งที่เป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญยิ่งขึ้นไปอีก เรื่องราวบางส่วนถูกเล่าผ่านหนังสือ Atom in the Family โดยภรรยาของเฟอร์มิ ว่า
" เขาตัดสินใจที่จะสร้างสารกัมมันตรังสีประดิษฐ์ขึ้น แต่แทนที่จะใช้อนุภาคแอลฟา เขากลับใช้อนุภาคนิวตรอนแทน เหตุผลก็คือมันไม่มีประจุจึงไม่ถูกต่อต้านโดยประจุในนิวเคลียส ระยะการเคลื่อนที่จึงมากกว่าอนุภาคแอลฟา ในขณะที่ยังคงพลังงานและอัตราเร็วของนิวตรอนในระดับที่สูงกว่า โอกาสการชนอยางจังก็อนุภาคก็มากกว่าอีกด้วย "
โดยปกตินักฟิสิกส์จะถูกชี้นำโดยทฤษฎีและการออกแบบการทดลองก็จะเป็นไปตามทฤษฎีนั้นๆ แต่ในช่วงเวลานั้นกลับไม่มีทฤษฎีใดอธิบายเหตุการณ์ได้ มีเพียงผลเชิงประจักษ์จากการทดลองเท่านั้นที่แสดงให้เห็นว่าสารกัมมันตรังสี ถูกประดิษฐ์ได้จากการยิงอนุภาคนิวตรอน เฟอร์มิขณะอายุ 33 ปี ซึ่งโดดเด่นอยู่แล้วในด้านฟิสิกส์ทฤษฎีจึงเริ่มออกแบบการทดลองเพื่อแก้ปัญหาในประเด็นนี้ สิ่งแรกที่ต้องทำคือหาอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีที่ออกจากสารกัมมันตรังสี ที่ดีที่สุดตอนนั้นคือ เครื่องนับไกเกอร์ (Geiger Counters) แต่ถึงอยางนั้นก็ตามเครื่องมือวัดนี้ยังใหม่มาก(ในปี พ.ศ.2477)และยังอ่านค่าออกมาไม่ได้ ทำให้เฟอร์มิต้องสร้างมันขึ้นมาเอง
เครื่องมือวัดและนับรังสี(อนุภาค)ได้ในที่สุดแต่เฟอร์มิต้องการแหล่งกำเนิดนิวตรอนอิสระด้วย เขาได้ใช้ผงเบอร์ริลเลี่ยมหุ้มห่อแก๊สเรดอนซึ่งเป็นสารกัมมันตรังสีในหลอดแก้ว โดยหวังให้อนุภาคแอลฟาจากเรดอนกระแทกเข้ากับนิวเคลียสของเบอร์ริลเลียมจนนิวตรอนกระเด็นหลุดออกมา ซึ่งมันก็เป็นดังที่เขาคิด
ในตอนนี้เฟอร์มิก็มีกระสุนนิวตรอนที่พร้อมแล้วสำหรับการทดลอง เขาเริ่มต้นกับอนุภาคที่เบาก่อน เช่น ไฮโดรเจน ไล่ไปหาหนัก ผลการยิงนิวตรอนไปยังไฮโดรเจนไม่พบอะไร เปลี่ยนไปเป็นน้ำ(H2O) ลิเทียม ก็ไม่เกิดอะไรที่ตรวจวัดได้ เปลี่ยนมาเป็นเบอร์ริลเลียม แล็วก็โบรอนคาร์บอน ไนโตรเจน ไม่มีอะไรถูกสร้างขึ้นใหม่เลย เฟอร์มิเริ่มหวั่นไหวกับสิ่งที่ทำและอยู่ในจุดที่อาจเลิกทำวิจัย แต่ด้วยความดื้อรั้นของเขาเองทำให้เขาสู้ต่อ ออกซิเจน ซึ่งผลก็น่าจะรู้อยู่แล้วว่าไม่เกิดอะไรเพราะก่อนหน้านี้เคยทดลองกับน้ำมาแล้ว แต่ในที่สุดรางวัลของเฟอร์มิก็ได้จากการนำฟลูออรีน เพราะผลจากการยิงนิวตรอนใส่ฟลูออรีนทำให้ฟลูออรีนแผ่รังสีได้ ซึ่งมันทำให้เขาเดินหน้าต่อไป
ที่จริงดอกผลของความพยายามนี้ไม่ได้เกิดจากเฟอร์มิคนเดียว แต่เพราะเพื่อนร่วมงานของเขาก็มีส่วนช่วยอย่างมาก ซึ่งในบันทึกของภรรยาของเขาบันทึกไว้ว่า
"สารที่ไม่แผ่รังสีถูกทดสอบด้วยเครื่องนับไกเกอร์ แต่การอาบลำอนุภาคนิวตรอนอาจไปรบกวนกับเครื่องนับนี้ด้วย ดังนั้นบริเวณที่มีการอาบลำอนุภาคนิวตรอนกับบริเวณที่เครื่องนับไกเกอร์จะเป็นคนละด้านของทางเดินในอาคาร บางครั้งกัมมันตภาพที่ถูกสร้างขึ้นในสารจะมีช่วงเวลาสั้นมากในบางครั้งน้อยกว่าหนึ่งนาทีก็ตรวจจับไม่ได้แล้ว เพื่อนร่วมงานของเฟอร์มิก็ต้องเป็นม้าเร็ววิ่งไปเอาเครื่องนับมาตรวจวัด ให้ทันก่อนที่สารนั้นจะหมดสภาพการแผ่รังสี ซึ่งปรากฏว่าเฟอร์มินั่นเองที่วิ่งได้เร็วกว่าคนอื่น ... "
เช้าวันหนึ่งของเดือนตุลาคม พ.ศ. 2477 การค้นพบที่ประกอบด้วยโชคได้ถูกพบขึ้นโดยเฟอร์มิและทีมงานจากการนำทรงกระบอกกลวงเงินมาทำให้เป็นสารกัมมันตรังสี ได้มีการใช้แหล่งกำเนิดนิวตรอนวางไว้ตรงกลางเขาพบว่าความแรงของกัมมันตภาพที่เกิดจากเงินจะขึ้นอยู่กับสารที่อยู่ภายในห้องทดลอง
"วัตถุโดยรอบทรงกระบอกของเงินดูจะมีอิทธิพลต่อกัมมันตภาพ ถ้าทรงกระบอกอยู่บนโต๊ะไม้กัมมันภาพที่ได้จะมีความแรงมากเมื่อถูกวางบนโต๊ะโลหะ
ตอนนี้ทุกคนถูกปลุกให้ตื่นด้วยความสนใจต่อเหตุการณ์ที่พบ เขานำเอาแหล่งกำเนิดนิวตรอนออกจากท่อทรงกระบอกของเงินแล้วเอาวัตถุต่างๆ มาวางกั้นไว้ แผนตะกั่วทำให้การแผ่รังสีเพิ่มนิดหน่อย ตะกั่วเป็นโลหะหนัก "เอาที่เบาๆ ไว้ตอนท้าย" เฟอร์มิกล่าว "ต่อไปก็พาราฟิน"
สารที่มีเป็นจำนวนมากในพาราฟินก็คือไฮโดรเจน ผลการทดลองที่ใช้พาราฟินนี้เกิดในวันที่ 22 ตุลาคม
เขานำแท่งบรรจุพาราฟินขนาดใหญ่ทำช่องกลวงไว้ตรงกลางเพื่อให้ใส่แหล่งกำเนิดนิวตรอนได้แล้วก็นำไปใส่ไว้ในท่อทรงกระบอกของเงินอีกทีหนึ่งแล้วใช้เครื่องนับไกเกอร์ตรวจวัดด้านนอกสุด ผลก็คือเครื่องนับไกเกอร์รัวนับรังสีที่ได้อย่างบ้าคลั่ง เสียงโห่ร้องลั่นไปทั่วห้อง "เยี่ยมยอดไปเลย มันเหลือเชื่อ" พาราฟินได้ทำให้ปฏิกิริยาที่มีต่อเงินธรรมดาเป็นเงินที่แผ่รังสีได้เพิ่มเงินเป็นร้อยเท่า "
ช่วงเวลานั้นเฟอร์มิกลับมาจากอาหารกลางวัน เมื่อพบเหตุการณ์นี้ เขามีทฤษฎีที่จะใช้อธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นอยู่แล้ว
"พาราฟินประกอบไปด้วยไฮโดรเจน ที่นิวเคลียสของไฮโดรเจนคือโปรตอน อนุภาคที่มีมวลเกือบจะเท่ากับมวลของนิวตรอน เมื่อแหล่งกำเนิดถูกห่อหุ้มด้วยพาราฟิน นิวตรอนได้ชนกับโปรตอนในพาราฟินก่อนจะทะลุถึงเงินที่ห่ออยู่ด้านนอก ในการชนกันนั้นทำให้นิวตรอนได้สูญเสียพลังงานและช้าลง (คล้ายๆ กับลูกบิลเลียดที่ชนกับลูกบิลเลียดขนาดเดียวกันและช้าลง แต่ถ้าเจอสิ่งที่ใหญ่กว่าก็จะกระดอนกลับ) การชนและแฉลบออกไปนี้ทำให้นิวตรอนมีอัตราเร็วลดลงที่เหมาะสมที่จะทำให้นิวเคลียสของเงินจับนิวตรอนไว้ได้ และจับได้ดีกว่านิวตรอนทีวิ่งเร็ว
ถ้าความเฟอร์มิถูก วัตถุที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนมากๆ ก็ควรให้ผลเช่นเดียวกัน "ลองใช้น้ำดูบ้าง" เฟอร์มิบอกทีมงานในบ่ายวันเดียวกันนั่นเอง
ไม่มีที่ไหนเหมาะสมไปกว่าสระเลี้ยงปลาทองซึ่งมีน้ำพุอยู่ด้วย ซึ่งที่ที่ว่านี้ก็อยู่หลังห้องปฏิบัติการนั่นเอง การทำการทดลองที่นี่ให้ผลการทดลองที่สนับสนุนแนวคิดของเฟอร์มิ เพราะว่าน้ำสามารถชะลอความเร็วของนิวตรอนได้และทำให้ท่อทรงกระบอกของเงินมีความแรงของการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นกว่าปกติหลายเท่าทีเดียว
เฟอร์มิกับเพื่อนร่วมงานของเขาได้เรียนรู้แล้วว่านิวตรอนที่ถูกทำให้ช้าลงทำให้เกิดผลคือสารกัมมันตรังสีที่แรงขึ้นกว่าการใช้นิวตรอนที่เร็ว การค้นพบนี้ได้หันเหไปสู่ขั้นตอนสำคัญของการค้นพบในปีต่อมา ข้อค้นพบนี้เองได้นำเฟอร์มิและคนอื่นๆ สู่การควบคุมผลผลิตที่เป็นพลังงานอะตอมจากยูเรเนียม
ในตอนท้ายๆของคอร์สเราจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์นิวเคลียร์ แต่จะบรรยายถึงการค้นพบของเฟอร์มิเกี่ยวกับนิวตรอนช้าในตอนนี้ แต่ไมใช่การสอนหรือบอกรายละเอียดของนิวเคลียส แต่จะเป็นนำเสนอข้อเท็จจริงเล็กน้อยที่น่าประทับใจ ไม่ใช่ที่การค้นพบทุกครั้งทางฟิสิกส์ที่จะเป็นในแนวทางแบบเดียวกับกรณีของเฟอร์มิ
ความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ผ่านจากปีสู่ปีเป็นผลจากการทำงานของผู้คนมากมายในหลายๆดินแดน เขาอาจจะทำงานอย่างโดดเดี่ยวหรือเป็นคู่ หรือกลุ่มเล็กๆ หรือกลุ่มวิจัยกลุ่มใหญ่ ไม่ใช่เรื่องสำคัญถ้าจะทำงานในวิธีที่แตกต่างกัน ไม่สำคัญว่าจะทำงานในสถานที่ที่แตกต่าง เพราะเขาจะร่วมแลกเปลี่ยนแนวคิดต่อกัน แจ้งผลการทดลองร่วมกันกับนักวิทยาศาสตร์อื่นที่จะพยายามยืนยันในสิ่งที่ค้นพบ ลักษณะเช่นนี้มีความสำคัญเช่นเดียวกับการปฏิบัติร่วมทีมเดียวกันที่เป็นการผสมผสานทั้งความคิดและการสร้างสรรค์
เฟอร์มิกับคณะทำงานปฏิเสธที่จะเลิก และหันหน้าหนีไปจากสิ่งที่ล้มเหลวในระยะแรก เขาแสดงให้เห็นถึงภาพในใจในการสร้างตัวทฤษฎีขึ้นและนำมาสู่การทดลอง เขายังคงมุ่งมั่นในการแสดงให้ถึงสิ่งที่ยังไม่คาดหวังขณะนั้นว่าจะต้องเกิดให้ได้ และเครื่องไม้เครื่องมือต่างๆที่ใช้ในงานนี้ก็มือล้วนแต่อยู่ในมือแล้ว เหนือสิ่งอื่นใดเขาสนุกในการค้นพบสิ่งใหม่และสิ่งที่มีความสำคัญ นี่คือคุณลักษณะของมนุษย์ที่แตกต่างและมีคุณค่าอย่างมากต่อความล้ำหน้าของวิทยาศาสตร์ไม่น้อยกว่าสิ่งใดในชีวิต
นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างสรรค์บนสิ่งที่ค้นพบและรายงานโดยนักวิทยาศาสตร์รุ่นก่อน ในทุกๆ ความก้าวล้ำ นำหน้าของวิทยาศาสตร์ก็ยิ่งเป็นการเพิ่มคำถามทางวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ ขึ้นมาอีก งานของวิทยาศาสตร์ไม่ใช่หนังสือที่มีภาคจบ หรือจบแล้วจบเลย แต่จะเป็นในลักษณะที่ยังคงทิ้งปริศนาให้สืบเสาะกันต่อไป ทำให้เกิดจินตนาการแตกกิ่งก้านไปสู่สาขาวิชาอื่นหรือเกิดเป็นสาขาวิชาที่สำคัญที่น่าสนใจและไม่เคยมีมาก่อนได้อีก
บางงานทางวิทยาศาสตร์จะขึ้นกับการความเพียรพยายามในการเฝ้าสังเกตและวัดค่า บางครั้งผลได้กระตุ้นให้เกิดแนวคิดทฤษฎีใหม่ๆ บางครั้งก็ต้องหันกลับไปปรับแก้ทฤษฎีเก่า อย่างไรก็ตามการวัดโดยตัวมันเองไปถูกชี้นำด้วยทฤษฎีมาก่อน คุณลักษณะที่กล่าวมานี้ไม่ใช่เฉพาะทางฟิสิกส์แต่รวมวิทยาศาสตร์ทั้งหมด แต่นี่เป็นการบอกเล่าเรื่องราวทางฟิสิกส์ :-) คุณอาจถามว่า ใช่แต่ว่า อะไรคือฟิสิกส์ คำถามนี้เป็นธรรมดี แต่คำตอบคงไม่ง่ายนัก ... ฟิสิกส์อาจมองว่าเป็นการจัดแจงตัวของความคิดขั้นทดสอบเกี่ยวกับกายภาพของโลก (ฟังยากจัง ก็บอกแล้วมันไม่ง่ายนัก) ข่าวสารจากโลกที่กำลังรวบรวมมีการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็วมาก สัมฤทธิผลอันยิ่งใหญ่ของฟิสิกส์คือการพบจำนวนของหลักการไม่กี่ข้อที่เป็นพื้นฐานง่ายๆ ที่อธิบาย หรือช่วยจัดแจงข่าวสารที่มีปริมาณมหาศาลจากโลกนี้ได้ ในการเรียนฟิสิกส์แต่ละคอร์สก็จะเสนอจำนวนหนึ่งในหลักการเหล่านั้น
ฟิสิกส์เป็นมากกว่า "กฎ" และ "ข้อเท็จจริง" ฟิสิกส์เป็นกิจกรรมที่แยกออกมาเด่นชัดโดยนักฟิสิกส์ มันเป็นกิจกรรมที่ต่อเนื่อง-เป็นกระบวนการค้นหาที่บางครั้งก็นำเราไปสู่การค้นพบ(สำคัญบ้าง ไม่สำคัญบ้าง) มองดูไปที่นักฟิสิกส์ต่างๆ ที่ทำงานและคุณจะพบความแตกต่างของปัญหาที่แต่ละคนกำลังศึกษา ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ ลีลาหรือวิธีทำงานและอื่นๆ อีกเยอะแยะมากมาย เฟอร์มิเป็นตัวอย่างหนึ่งแต่เชิญชวนให้เรียนรู้วิธีของคนอื่นๆ ด้วย ซึ่งเมื่อเรียนฟิสิกส์เราจะพบมันและเชื่อว่าจะช่วยสร้างสรรค์ไอเดีย
วิทยาศาสตร์ไม่ได้ให้คำตอบสุดท้าย แต่มันเป็นสิ่งที่มหัศจรรย์และบางส่วนของมันอาจทำให้เรารับรู้โลกรอบตัวเราว่าเป็นสิ่งที่วิเศษสุดและปิติสุขที่เราสามารถอยู่ร่วมกันกับมันได้และเข้าใจมันได้
อาจารย์ณรงค์ พิศขุมทอง (ผ.ศ.)เริ่มต้นบรรยายประมาณแปดโมงครึ่ง
เริ่มต้นจากการพยายามศึกษาโครงสร้างอะตอม
ทฤษฎีอะตอมของดาลตัน
"สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมซึ่งแบ่งแยกไมได้และธาตุแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมที่มีสมบัติเหมือนกันทั้งน้ำหนักและขนาด อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีน้ำหนักต่างกัน และอะตอมชนิดหนึ่งไม่สามารถเปลี่ยนเป็นอะตอมชนิดอื่ได้ แต่อาจรวมกับอะตอมของธาตุอื่นในสัดส่วนที่คงตัว ทำให้เกิดสารประกอบ อะตอมที่ยังคงลักษณะเฉพาะของมันขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี"
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
พ.ศ.2395 (155 ปีก่อน) ได้มีการสร้างเครื่องสุญญากาศขึ้น เจ เจ ทอมสัน ทดลองผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดสุญากาศ ทำให้พบรังสีแคโทด ทอมสันสรุปว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ ซึ่งต่อมาได้ชื่อว่า "อิเลกตรอน"
ทอมสันสรุปว่า "อะตอมซึ่งแต่เดิมเข้าใจกันว่าแบ่งแยกไม่ได้นั้น ความจริงสามารถแบ่งย่อยไปได้อีก และอิเล็กตรอนคือองค์ประกอบหนึ่งของอะตอมทุกชนิด" ต่อมามิลลิแกนพบว่า
ประจุของอิเล็กตรอน(e) = 1.602x10-19 คูลอมบ์
มวลของอิเลกตรอน(m)=9.11x10-31 kg
การทดลองของรัทเอทร์ฟอร์ด (พ.ศ. 2453)
รัทเทอร์ฟอร์ดและนักวิจัยผู้ช่วยใช้อนุภาคแอลฟาเป็นกระสุนยิงแผ่นไมกา ทองคำ เงิน และแพลทินัมซึ่งทำให้เป็นแผ่นบางๆ แล้วซึกษาการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา
รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่า อนุภาคแอลฟาเกือบทั้งหมดได้ทะลุผ่านแผ่นทองคำมีอนุภาคส่วนน้อยที่เบนไป อนุภาคที่เบนไปนี้เบนไปเป็นมุมโตได้ถึง 90 องศาแลโตมากกว่า 90 องศาหรือกลับทิศก็มี
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมมใหม่ว่า
"อะตอมประกอบด้วยประจุบวกรวมกันที่ศูนย์กลาง ซึ่งรวมเรียกว่า นิวเคลียส และเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีมวลน้อยมากเคลื่อนที่อยู่รอบนอก ขนาดของอะตอมจึงขึ้นอยู่กั้บบริเวณที่อิเล็กตรอนอยู่ซึ่งนับว่าใหญ่กว่านิวเคลลียสมาก บริเวณที่อิเล็กตรอนอยู่จึงโปร่งต่อการเคลื่อนที่ผ่านของนุภาคแอลฟา"
เส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียส ประมาณ 10-15-10-14 m
เส้นผ่านศูนย์กลางขอองอะตอม ประมาณ 10-10 m
ทฤษฎีอะตอมของโบร์ (พ.ศ.2456)
ปี ค.ศ.1895 ย้อนหลังไปสิบปี เมื่อเทียบกับปีที่ไอน์สไตน์เริ่มโด่งดังในวงการ ในปีนั้น เรินต์เกน ได้ค้นพบรังสีประหลาด โดยบังเอิญ ด้วยความที่รังไม่รู้ว่ามันคือรังสีอะไร เลยตั้งตัวแปร x (เอกซ์) เอาไว้ก่อน ต่อมาภายหลังรู้แล้วว่ามันก็คือคลื่นแม่เหล้กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงมาก ก็ไม่มีใครไปเปลี่ยนชื่อมัน ยังเรียกมันเหมือนเดิมว่า รังสีเอกซ์ (X-rays)
มีอาจารย์ที่เข้าร่วมอบรมท่านหนึ่งถามว่า ทำไมตะกั่วกั้นรังสีเอกซ์ได้ดี อาจารย์ก็ตอบแต่บันทึกไม่ทัน เลย google ได้คำตอบอยูที่นี่
http://wiki.answers.com/Q/Why_does_lead_block_radioactivity
การอธิบายการเกิดของรังสีเอกซ์มีสองวิธี
ดูลักษณะของหลอดรังสีเอกซ์แบบต่างๆ
ความหลากหลายของหลอดเอกซ์เรย์มีค่อนข้างมาก (เพราะมันมีหลายเจ้า หลายสำนัก ทำออกมาขาย เทคโนโลยีที่ใช้จึงแตกต่างกัน) แต่ทั้งหมดต่างที่อาศัยหลักการอย่างที่ได้บรรยายมา
เรินต์เกน เป็นนักฟิสิกส์คนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบล (ในปี 1901)
ในเมื่อแสงมันทำตัวเป็นอนุภาค มีทั้งพลังงานจลน์เป็นก้อนๆ จากปรากฏการณ์โฟโตอิเลกทริก และมันก็มีโมเมนตัมเป็นตัวเป็นตนเสียด้วย จากการพิสูจน์ของคอมพ์ตัน ก็มีคนเริ่มคิดกันว่า แสงมันยังเป็นอนุภาคได้เลย ทำไมอนุภาคชัดๆ มันจะทำตัวเป็นคลื่นบ้างไม่ได้ และนี่คือแนวความคิดของเดอบรอยก์ โดยอาศัยแนวคิดง่ายๆ ดังนี้
E = hf ===> สมมติฐานของแพลงค์
E = mc2 ==> แนวความคิดของไอน์ไตน์ (ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ)
ก็จะได้
hc/λ = m2c2/m = P2 /m
hP/λ = P2
ซึ่งจะได้
λ = h/P
ผู้ที่เสนอเรื่องนี้ก็คือ เดอบรอยก์ ดังกล่าวมาแล้วข้างต้น
แนวคิดของเดอบรอยก์ ในช่วงแรกก็คงเหมือนทฤษฎีทั่วไป ที่ต้องการได้รับการท้าทาย หรือโต้แย้ง แต่สิ่งหนึ่งที่แนวความคิดของเดอบรอยก์นำไปอธิบายได้ ก็คือ ปริศนา สมมติฐานของโบร์ ที่อธิบายไว้ว่า อิเลกตรอนที่เคลือ่นที่รอบนิวเคลียส ไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ไม่ได้มีคำอธิบายไว้ว่าเพราะอะไร ซึ่งในเรื่องนี้ ได้มีคำอธิบายจากสมมติฐานของเดอบรอยก์ออกมาว่า ในขณะที่อิเลกตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอยู่นั้น อิเลกตรอนประพฤติตัวเป็นคลื่น โดยวงโคจรที่อิเลกตรอนไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมานั้น เป็นมีลักษณะเป็นคลื่นนิ่ง
นั่นคือ
nλ=2πrn (จำนวนเท่าของความยาวคลื่นเท่ากับความยาวเส้นรอบวงของวงโคจร
โดยที่ λ = h/mv ดังนั้น
mvrn = h/2π หรือ L = nh_bar
หรือโมเมนตัมเชิงมุมเท่ากับจำนวนนับคูณเอชบาร์ (ตามสมมติฐานข้อที่สองของโบร์)
ดังนั้นปริศนาของโบร์ จึงได้รับความกระจ่างจากสมมติฐานของเดอบรอยก์ ด้วยประการฉะนี้
การแสดงปรากฏการณ์แสง ที่แสดงออกมาหลังจากปี 1905 ก็ชัดเจนแล้วว่า แสงเป็นก้อนพลังงานที่เรียกว่า โฟตอน (โดยไอน์สไตน์) แต่การอธิบายแบบโมเมนตัมต้องรอถึง 18 ปี ที่คอมป์ตันแสดงให้เห็นว่าแสงก็มีโมเมนตัม ทำการทดลองในปี 1923
ภาพแสดงการทดลองแสดงได้ดังภาพ
ภาพจำลองแสดงสิ่งที่เกิดภายในหลอดการทดลองของคอมป์ตันอาจดูได้จากภาพ
ทั้งกรณีคำอธิบายของไอน์สไตน์ที่มีต่อปรากฏการณ์โฟโตอิเลกทริก กับปรากฏการณ์คอมพ์ตัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่า โฟตอนนี้มีโมเมนตัม และประพฤติตนเหมือนก้อนดิน ก้อนหิน ก้อนทรายทั่วไป สองสิ่งนี้เองได้ทำให้รากฐานของทฤษฎีควอนตัมแน่นหนาขึ้นตามลำดับ
อาจารย์แสดงสมการค่อนข้างยุ่งพอสมควร แต่ก็วางบนหลักการของกฎอนุรักษ์โมเมนตัมนั่นแหละ แต่ไม่ได้เน้นย้ำ เพราะอาจารย์บอกว่า ที่ระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย ไม่มีการคำนวณ
ปรากฎการณ์นี้เกิดจากการที่แสงตกกระทบผิวโลหะ แล้วทำให้อิเลกตรอนหลุดออกมา เรียกว่า โฟโตอิเลกตรอน
ปรากฏการณ์นี้ค้นพบโดย เฮิร์ตซ์ และได้มีการทำรายงานการทดลองไว้ โดยลักษณะของการจัดตั้งอุปกรณ์ แสดงได้ดังภาพ
แต่คำอธิบายในช่วงแรกนั้นยังไม่ชัดเจน ผู้ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเลกตริกนี้ได้ ก็คือ ไอน์สไตน์ โดยนำสมมติฐานของแมกซ์ แพลงค์ ที่ว่าด้วยก้อนพลังงานมาใช้ (E=hν)
ภาพที่แสดงแนวคิดของไอน์สไตน์แสดงดังภาพ
ไอน์สไตน์ อธิบายว่า อิเลกตรอนที่เกาะอยู่กับอะตอมจะเกาะอยู่ด้วยพลังงานยึดเหนี่ยวค่าหนึ่ง ที่เรียกว่า Work function หรือ W ซึ่งจากการทดลอง ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวค่านี้ก็คือ
W = hν0 โดยที่ ν0 ก็คือ ความถี่ขีดเริ่มจากการทดลองด้วยอุปกรณ์ที่จัดตั้งตามข้างต้นนั่นเอง ข้อสรุปของสมการของไอน์สไตน์ที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์นี้ แสดงได้ดังนี้
Ek = hν - W
ความสัมพันธ์ที่แสดงนี้ สามารถเขียนเป็นกราฟ ได้ดังภาพ
จบ ...
ภาพ่จำลองแสดงระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจน อาจแสดงได้ดังภาพ
การที่อะตอมจะแผ่รังสีออกมา จะเป็นค่าเฉพาะค่าหนึ่งที่สอดคล้องกับระดับการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน
หรือหากจะมองให้แง่ของวงกลมและเทียบกับอนุกรมของผู้ค้นพบอนุกรมอื่นๆ ของสเปกตรัม ก็จะได้ภาพดังแสดง
คำถาม--ที่อาจารย์ถามคือ แล้ว e มันไปอยู่วงไหน อาจารย์ตอบเองว่า โดยปกติมันจะชอบอยู่ที่ n=1 แต่มันจะอยู่วงอื่นได้ก็ต่อเมื่อมันได้รับพลังงานจากภาพนอก (ซึ่งมีหลายวิธี) ซึ่งสภาวะที่มันอยู่ในวงที่ n <> 1 เนี่ย เรียกว่ามันอย่ในสภาวะ exited stae และมันก็จะพยายามลดระดับพลังงาน โดยปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล้กไฟฟ้า เพื่อตัวมันจะลดระดับลงไปอยุ่ที่ n=1 แต่ มันอาจไม่ได้กระโดดไปอยู่ n=1 ในทันที มันอาจจะโดยไปอยู่ที่ n=3 ก่อนหรือ n=2 ก่อน เป็นต้น ทำให้เกิดอนุกรมของสเปกตรัมที่แตกต่างกันไง
ข้อสรุปของโบร์ที่เด่นชัดก็คือ ระดับพลังงานมีเป็นขั้นๆ ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งก็มีการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ทที่สนับสนุนแนวความคิดนี้อย่างแข็งขัน ตัวอย่างเช่น การทดลองของฟรังซ์และเฮิรตซ์
รูปวงจรการทดลองของฟรังซ์-เฮิร์ตซ์
กราฟแสดงผลการทดลองของฟรังซ์-เฮิร์ตซ์
ภาพแสดงคำอธิบายของฟรังซ์-เฮิร์ตซ์ และผลการทดลอง
แต่อย่างไรก็ตาม มีเหตุการณ์อีกหลายๆ เหตุการณ์ที่โบร์อธิบายไม่ได้ ... ซึ่งรายละเอียดมีค่อนข้างมาก ลองดูเพิ่มเติมที่เว็บไซต์นี้
http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
อาจารย์ได้บรรยายอย่างต่อเนื่องต่อมาอย่างน่าสนใจ
แบบจำลองอะตอมตามแบบของรัทเทอร์ฟอร์ดประสบความสำเร็จในหลายเรื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งภาพร่างเกี่ยวกับอะตอม ขนาดของอะตอม พลังงานที่ต้องใช้ในการโคจร แต่สิงที่ยังมีปัญหาและเริ่มนำไปสู่ความยุ่งยากของการอธิบายมากขึ้นก็มีไม่น้อยเช่น
ทำไมอิเลกตรอนที่มีประจุลบแล้ววิ่งก็วิ่งโค้งเป็นวงกลมรอบนิวเคลียสเนี่ยไม่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอย่างต่อเนื่อง และที่สำคัญ ถ้ามันเคลื่อนที่แบบนี้แล้วแผ่คลื่นแม่เหล้กไฟฟ้าออกมาพลังงานของอิเลกตรอนมันจะลดลงอยางรวดเร็ว ในที่สุดมันก็ต้องถูกผนวกเข้าเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสที่มีประจุบวก แต่จากสิ่งที่ปรากฏไม่น่าจะเป็นเช่นนั้น
กลายเป็นว่าคำอธิบายของรัทเทอร์ฟอร์ดมองเผินๆ แล้วกลับไปโต้แย้งทฤษฎีคลื่นแม่เหล้กไฟฟ้าของแมกเวลล์เข้าอย่างจัง การจะที่จะงดใช้ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์กับการอธิบายโมเดลอะตอมตามแบบรัทเทอร์ฟอร์ด ก็เป็นการกระอักกระอ่วนใจพอสมควร
อาจารย์เว้นช่วงของการอธิบายโมเดลของอะตอมมาอธิบายการค้นพบสเปกตรัมของไฮโดรเจน ซึ่งยาวพอสมควร แต่สรุปได้ว่า มีการทดลองหาสเปกตรัมของไฮโดรเจนอะตอมออกมา คนที่วัดความยาวคลื่นได้ชื่อว่า อังสตรอม เมื่อวัดได้แล้ว คนที่พยายามวัดและทำอนุกรมจากการทดลองได้คนแรกก็คือ บาลเมอร์ ก็มาก็เป็นริดเบอร์ก ทำสมการอธิบายเป็นอนุกรมออกมา
ต่อมาก็มีคนวัดอนุกรมอื่นๆ ที่นอกเหนือไปจากอนุกรมของาบาลเมอร์ได้อีกและเป็นไปตามอนุกรมที่ริดเบอร์กทำไว้ทุกประการ แต่ก็ไม่มีใครอธิบายได้ ว่าทำไมมันเป็นอย่างนั้น สมการที่ว่านี้คือ
1/λ = R( 1/nf2 - 1/ni2)
แบบจำลองอะตอมของโบร์
Niels Bohr (1913) ได้เสนอสมมติฐานดังนี้
คำอธิบายของโบร์ค่อนข้างจะแปลก เพราะเป็นการผสมผสานระหว่างกลศาสตร์ยุคเก่า กับแนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัม แต่ที่สำคัญคือมันสามารถอธิบายสมการอนุกรมของริดเบอร์กได้ หรือได้นัยหนึ่งก็คือ มันไปสอดคล้องกับการทดลองสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนทุกประการ ก็เท่ากับอธิบายอะตอมของไฮโดรเจนนั่นเอง
เบรก.....
เก็บความจาการเลคเชอร์ของ ผศ.วิวัฒน์ นิติวรนันท์
เริ่มต้นแบบจำลองอะตอมแบบต่างๆ แบบโบร์ยังมองภาพออกว่า คล้ายๆ กับระบบสุริยะ แต่หลังจากการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมขึ้นมาแล้ว มันเริ่มจะบอกได้ยากว่า อะตอมจะมีรูปร่างหน้าตาแบบใด จะว่าเป็นทรงกลมก็ไม่เชิง วุ่นวายพอสมควร
ทฤษฎีควอนตัมเป็นอีกเรื่องหนึ่งที่แยกออกมา และอาจารย์จะได้บรรยายแยกออกมา ซึ่งเริ่มตั้งแต่ การแผ่รังสีของวัตถุดำ โฟโตอิเลกตริกเอฟเฟก คอมป์ตันเอฟเฟก และอื่นๆ อันที่จริงทั้งสองส่วนนี้มันต่างพัฒนามาอย่างควบคู่กันแยกกันก็ลำบากแต่แยกกันเรียน ทั้งสองส่วนนี้รวมกันเมื่อก่อนเราเรียกว่า "ฟิสิกส์ยุคใหม่"
ฟิสิกส์ยุคใหม่ เมื่อก่อนตอนที่เราเรียนจะพบว่า มันเกิดจากส่วนประกอบสองส่วนก็คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์กับรากฐานของทฤษฎีควอนตัม
ปี 1905 -- ปี 2005, 100 ปี ของการค้นพบทฤษฎีสำคัญเกี่ยวกับฟิสิกส์ จึงเรียกปี 2005 ว่าเป็น Physics Year
อะตอมมาจากคำว่า "แบ่งแยกไม่ได้" การเริ่มต้นศึกษาเชิงวิชาการอย่างเป็นจริงเป็นจังเริ่มต้นที่ "ดอลตัน"
- ค.ศ. 1855 ไกสเลอร์ สร้างหลอดสุญญากาศขึ้นมา (ภายในหลอดแก้วเหลือความดัน 0.01 เท่าของความดันบรรยากาศ
- พลุกเกอร์ ต่อขั้วไฟฟ้าเข้าไป พบว่ากรระแสไฟฟ้าไหลผ่านหลอดนี้ได้
- ค.ศ. 187 เซอร์วิลเลียม ครุกส์ พบว่ามีรังสีบางอย่างพุ่งออกจากขั้วลบเรียกว่า รังสีแคโทด
- ปี ค.ศ.1897 ทอมสันทำการทดลองจนสามารถวัด q/m ได้ (ถือได้ว่า ทอมสันเป็นผู้ค้นพบอิเลกตรอน) หลักการที่ทอมสันนำมาใช้มากก็คือ หลักการของแม่เหล็ก-ไฟฟ้านั้นเอง หลอดของทอมสันจะมีขั้วไฟฟ้าหลายๆ ขึ้นต่อเข้าไป และสามารถควบคุมการวัดค่าต่างๆ ได้อย่างละเอียด
ภาพที่แสดงให้เห็นนี้คือ เครื่องมือที่ทอมสันนำเอาไปใช้ และเรียกอนุภาคที่พุ่งออกมาจากแคโทดนี้ว่า อิเลกตรอน
- ต่อมามิลลิแกน ได้ทำการวัดประจุของอิเลกตรอนนี้ โดยใช้เครื่องมือหยดน้ำมัน หรือ Oil drop
สิ่งที่ Millikan ค้นพบนอกจากขนาดของประจุของอิเลกตรอนแล้ว ยังพบว่า ประจุไฟฟ้ามีสภาพเป็นควอนไตซ์ และเมื่อนำเอาประจุต่อมวลของทอมสันมาใช้ ก็สามารถหามวลของอิเลกตรอนได้อีกด้วย ซึ่งทำให้ความกระจ่างของอิเลกตรอนปรากฏขึ้น
หลักการทางคณิตศาสตร์ของมิลลิแกน แสดงง่ายๆ ดังนี้
qE = mg ==> q=mg/E
- Thomson's Model ==> โมเดลอะตอมแบบลูกน้อยหน่า
Rutherford Model ==> เป็นโมเดลที่เกิดจากการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาเข้าไปในแผ่นทองคำ (α = 2He4 ) 
จากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้โมเดลอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด มีลักษณะดังภาพ
การคำนวณต่างๆ เกี่ยวกับอะตอมในลักษณะนี้ ยังคงเป็น classical physics อยู่ เพราะในขณะนั้นทฤษฎีควอนตัมยังอยู่ในระหว่างก่อร่างสร้างตัวเองขึ้นมาอยู่ แต่ถือว่าภาพร่างของอะตอมก็ได้กำเนิดขึ้นมาในความคิดคำนึงของนักฟิสิกส์แล้วในขณะนั้น
อาจารย์บรรยายอย่างต่อเนื่อง จึงต้องบันทึกต่อ อาจารย์บรรยายต่อเรี่อง beat , ค้นหาภาพ ได้ภาพนี้ ไม่รู้มันเกี่ยวอะไรกัน
บีตส์
คลื่น 2 ชุด ที่มีแอมปลิจูดเท่ากัน แต่ความถี่ต่างกันเล็กน้อย เคลื่อนที่ผ่านจุดๆ หนึ่ง จะเกิดการแทรกสอด ผลการแทรกสอดจะทำให้ได้ยินเสียง ดัง-เบาสลับกันไป ลองดู สิ่งที่เกิดขึ้นทางคณิตศาสตร์
y1 = y0 cos 2πf1t
y1 = y0 cos 2πf2t
โดย f1 กับ f2 จะมีค่าต่างกันเล็กน้อย หากคนเราต้องการตรวจจับพบ
หลักการของการบีตส์ จริงมีการนำไปใช้ประโยชน์เยอะ อาจารย์ยกตัวอย่าง ระบบของเครื่องรับวิทยุ
การคำกล่าวเกี่ยวกับ low pass filter ซึ่งเป็นส่วนสำคัญอย่างหนึ่งในเครื่องรับวิทยุ เพราะว่า carrier ที่มานั้นมีความถี่สูง แต่ข้อมูลเสียงนั้นจะมีความถี่ต่ำกว่ามาก จึงต้องกรองความถี่สูงทิ้งไป เหลือเฉพาะความถี่ต่ำที่เราจะนำไปขยายก่อนต่อออกลำโพง
จบเช้านี้
หลังจากพักรับกาแฟกับเค้กนุ่มๆ ราดครีมขาวซะล้น ก็มานั่งฟังบรรยายต่อ และนี่คือประเด็นที่เก็บได้ จาก ผศ.ธีรยุทธ ชาญนุวงศ์
คลื่นนิ่งในเชือกตรึงทั้งสองปลาย
จะเห็นว่าปลายทั้งสองช้างเป็นบัพเสมอ (Node) ดังนั้นลำดับของความยาวคลื่นจึงสัมพันธ์กับความยาวดังนี้
l= λ/2 , l=2λ/2=λ , l=3λ/2 , ... หรือเขียนเป็นความสัมพันธ์ ได้ คือ l = nλ/2
ถ้าเราต้องการรู้ความถี่ ก็ใช้ความสัมพันธ์ ระหว่างความเร็ว ความยาวคลื่น และความถี่ จะได้
v = λf
| ความถี่ | Overtone | Harmonic |
| f1 | - | H1 |
| f2 | O1 | H2 |
| f3 | O2 | H3 |
ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต่างๆ สำหรับคลื่นนิ่งในเชือกที่ปล่อยปลายให้อิสระทั้งสองปลาย จะเหมือนกันกับคลื่นนิ่งที่ตรึงปลายทั้งสองด้าน
ลองดูสถานการณ์ของ เช่น สายเปียโนยาย 1 m ถ้าปรับความตึงของสายแล้วเคาะเกิดคลลื่นตามขวางด้วยความเร็ว 500 m/s จงหา
ก) ความถี่มูลฐาน
ข) ฮาร์มอนิกที่ 3
ค) Overtone ที่ 3
ตรงนี้อาจารย์บ่นว่าเรามีภาษาเรียกหลายอย่าง ทั้งๆ ที่มันเป็นสิ่งเดียวกัน เช่น ความถี่มูลฐาน ซึ่งแทนด้วย f0 ที่จริงมันก็อันเดียวกับความถี่ฮาร์มอนิกที่ 1 f1 แล้วก็คำนวณให้ดู พบว่า ความถี่มูลฐานมีค่าเท่ากับ 250 /s
ผ่านจากนี้มา อาจารย์ก็บรรยายเกี่ยวกับการเกิดคลื่นนิ่งของท่อปลายปิดหนึ่งด้าน เปิดอีกหนึ่งด้าน ซึ่งมีความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต่างๆ แตกต่างไปจากกรณีที่แล้ว ความสัมพันธ์ที่ได้จะเป็นดังนี้
l = (2n-1)λ/4
คลื่นเสียง
ความเร็วเสียงในอากาศขึ้นกับชนิดของแก๊สและอุณหภูมิของแก๊ส โดย
v = √ (B/ρ)
แล้วก็เลยข้ามมาพูดถึง ความเข้มเสียงของการได้ยิน
ความเข้มเสียง เป็นการวัดพลังงานเสียงที่ตกลงบนพื้นที่ที่กำหนด ในหนึ่งหน่วยเวลา ความเข้มเสียงของการได้ยินของมนุษย์ต่ำสุดจะมีค่า 10-12 w/m2 ซึ่งความเข้มต่ำสุดที่มนุษย์เราได้ยินนี้ เขียนเป็นตัวแปร คือ I0 ส่วนความเข้มสูงสุดไม่มีตัวแปรเฉพาะให้เรียกใช้ ก็แล้วแต่ใครจะเรียก แต่ค่าที่มีการทำการทดลองไว้คือ 1 w/m2
อาจารย์กล่าวย้ำถึงเสียงและการได้ยินอีกครั้ง ว่า
การตรวจ ultrasonic ใช้เจลเสมอ เจลจะทำหน้าที่ matching ระหว่างหัวอ่านกับผิวหนังของเรา ให้ impedance เท่ากัน ดังนั้นตัวเจล จึงต้องมีความหนาแน่นเท่ากับความแน่นของชั้นกล้ามเนื้อบริเวณผิวหนัง
จับประเด็นจากที่ ผศ.ธีรยุทธ ชาญนุวงศ์ บรรยาย ที่ห้องบรรยายรวมภาควิชาฟิสิกส์ มข.
คลื่นกล เป็นคลื่นที่ใช้ตัวกลาง การที่คลื่นมันเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้ ก็แสดงให้เห็นว่าตัวกลางประกอบด้วยอนุภาคที่ยึดกันอย่างยืดหยุ่น เมื่อได้รับพลังงานมันก็จะเคลื่อนที่จากจุดสมดุลและส่งผ่านพลังงานไปยังอนุภาคถัดไป
จากนั้นก็พูดถึงกายวิภาคของเคลื่อนเมื่อนำมาเขียนเป็นกราฟระหว่างการกระจัดกับเวลา y-t diagram) จากกราฟนั้น เราสามารถเขียนเป็นฟังก์ชั่นได้ดังนี้
y=Asin ωt or y = Acos ωt
ระยะทางระหว่างจุดสองจุดซึ่งมีมุมเฟสเดียวกันและอยู่ถัดไป เรียกว่า ความยาวคลื่น (หน่วยเป็นเมตร)
จำนวนลูกคลื่นในหนึ่งหน่วยเวลาเรียกว่าความถี่ หน่วยคือ ต่อเวลา
เวลาที่อนุภาคเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ เรียกว่า คาบ หน่วยคือ วินาที
ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทั้งสามนี้คือ
อัตราเร็วของคลื่น = ความยาวคลื่น x ความถี่ของคลื่น
การเขียนสมการแสดงการเคลื่อนที่ของคลื่นอาจเขียนได้อีกแบบหนึ่งดังนี้
y(x,t) = y0sin k(x-vt) = y0sin(kx-ωt)
ถ้ามันเคลื่อนที่ไปในทิศทาง -x
y(x,t)=y0sin(kx+ωt)
เมื่อ k = 2π/λ
ตัวอย่างเช่น สมการคลื่นคือ y = 2sin 2π(x/30-t/0.01) จงหา
ก)แอมพลิจูด ==> 2 เมตร
ข) ความยาวคลื่น ==> 30 เมตร
ค) ความถี่ = 100 Hz
ง) อัตรเร็วของคลื่น
จ) เลขคลื่น
จากนั้นอาจารย์ก็พูดถึงคลื่นความขวาง
เคลื่อนที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเส้นเชือก
ความเร็วคลื่นในเส้นเชือก คือ v = √(F/u) m/s เมื่อ F คือแรงตึงในเส้นเชือก และ u คือ มวลต่อความยาวของเชือก มีหน่วยเป็น (kg/m)
แล้วก็ยกตัวอย่างว่า เชือกระดับยาว 5 m มวล 1.45 g เชือกต้องมีแรงดึงเท่าใด จึงจะทำให้ คลื่นความถี่ 120 Hz บนเชือกมีความยาวคลื่น 60 cm ซึ่งอาจารย์ก็ทำให้ดู ปรากฏว่าได้ความตึงของเชือก 1.5 N
แล้วก็พูดถึงคลื่นตามยาว
คือ คลื่นที่อนุภาคของตัวกลาง เคลื่อนที่ขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เกิดเป็นส่วนที่มีความหนาแน่นสูง (ส่วนอัด) และส่วนที่มีความหนาแน่นต่ำ(ส่วนขยาย) เช่น คลื่นเสียงในอากาศ
คลื่นนิ่ง
ถ้าคลื่นตั้งแต่ 2 ชุดขึ้น เคลื่อนที่ในตัวกลางเดียวกัน จะเกิดการแทรกสอด เกิดเป็นคลื่นรวม
- ถ้าคลื่นสองชุดใดๆ ที่มีแอมพลิจูด,ความถี่,และความเร็วเท่ากัน คลื่นรวมที่ได้ จะเป็นคลื่นนิ่ง
คลื่น 2 ชุดใดๆ y1 และ y2
y1 = y0sin(kx-ωt) และ y2=y0win(kx+ωt) ===> มันเคลื่อนที่สวนทางกัน
เอาคลื่นทั้งสองมารวมกันจะได้
y = y1+y2 ซึ่งจะได้
y = y0sin(kx-wt)+y0sin(kx+wt) = y0[sin(kx-wt)+sin(kx+wt)] โดยอาศัยความรู้จากวิชาตรีโกณมิติ เราจะได้
y = 2y0 sin(kx)cos(wt)
รูปกราฟที่ได้ก็คือ รูปกราฟที่เป็นคลื่นนิ่งที่เราเคยเห็นในหนังสือทั่วไป
โดย A = 0 เรียกว่า โหนด(Node) หรือบัพ
ช่วงนี้มีโทรศัพท์เข้า แล้วก็เบรก(หยุดพัก) รับกาแฟและเค้กที่ล้นไปด้วยครีมมันๆ
บทความนี้ต้องการสื่อสารไปยังผู้เริ่มต้นเรียนรู้ฟิสิกส์ (ม.4)
รากฐานของฟิสิกส์ และควรเป็นจุดเริ่มต้นการเรียนฟิสิกส์จะเกี่ยวข้องกับการวัด การวัดก็คือกระบวนการที่ได้มาซึ่งตัวเลขที่ใช้บอกขนาดของสิ่งที่ต้องการ ตัวเลขที่ได้มาต้องมีหน่วยไม่ใช่นั้นก็เถียงกันตายเมื่อใช้หน่วยของการวัดไม่เหมือนกัน หน่วยของไทยก็มี หน่วยของสากลก็มือบางชุมชนในประเทศไทยเองก็มีหน่วยของตนเองเหมือนกัน ดังนั้นเพื่อให้สื่อสารตรงกัน จึงต้องมีการตกลงกันว่าจะใช้หน่วยอะไรสำหรับการวัดปริมาณหนึ่งๆ
ระบบหน่วยที่เราเคยใช้กันมา เช่น CGS (มาจากคำว่า centimeter-gram-second) นี่ก็เคยใช้กันมากระยะหนึ่ง หน่วย MKS (Meter-Kilogram-Second) ก็ใช้เป็นมาตรฐานของหลายๆแห่ง หรือถ้าใช้หน่วยตามระบบของอังกฤษก็จะพบ FPI (foot-pound-inch) การวัดปริมาณต่างๆ จึงต้องมาตกลงกันว่าเราจะใช้ระบบหน่วยแบบใดในการวัด ซึ่งระยะหลังๆ มานี่หลังจากที่มีการพูดคุยกันในระดับโลก ก็มีการกำหนดระบบหน่วยมาตรฐานขึ้นมา เรียกว่า SI ให้ใช้ร่วมกัน
การวัดมูลฐานที่สุด ในทางฟิสิกส์กำหนดไว้ 7 ปริมาณ แต่จะกล่าวถึงตรงนี้ก่อน 3 ปริมาณ เพื่อให้เพียงพอต่อการนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ง่ายๆ เบื้องต้นก่อน ส่วนปริมาณที่เหลือหากนักเรียนสนใจ ลองเปิดหนังสือฟิสิกส์เบื้องต้นดู ในบทแรกๆ เดี๋ยวก็พบ 3 ปริมาณที่ว่านี้คือ
เครื่องมือที่ใช้วัดก็เป็นอีกเรื่องหนึ่งที่การเรียนรู้ในทางวิทยาศาสตร์ เพราะมีอย่างหลากหลายให้เลือกใช้ เช่น ไม้บรรทัด ไม้เมตร เทปวัดความยาว เครื่องชั่งมวล นาฬิกาจับเวลา เป็นต้น เหล่านี้ผู้เรียนฟิสิกส์ก็จำเป็นต้องเรียนรู้และมีทักษะในการวัด แต่เข้าใจว่าการเรียนวิทยาศาสตร์ในระดับชั้นประถมศึกษาหรือมัธยมศึกษาตอนต้นก็คงเคยเรียนรู้กันมาบ้างแล้ว ซึ่งบทความนี้จะไม่ลงรายละเอียด
การบันทึก
เครื่องมือวัด จะมาพร้อมหน่วยที่เกี่ยวข้อง เช่น ไม้บรรทัดที่วัดระยะจะมีหน่วยที่ใช้คือ เซนติเมตรด้านหนึ่ง แล้วก็นิ้วอีกด้านหนึ่ง ผู้ใช้ก็เลือกเอาว่าจะใช้หน่วยอะไรในการวัด เมื่อนำไปวัดก็ได้ตัวเลขออกมา คราวนี้ก็มาถึงการสื่อสารหรือบอกกล่าวไปยังคนอื่น ซึ่งมี 2 อย่าง คือ การเขียน และการพูด ซึ่งก็จะใช้หลักเดียวกัน แต่ถ้าให้ยาวนานบอกได้หลายๆ คนโดยไม่เมื่อยหลายๆครั้งก็ต้องเป็นการเขียน หรือการบันทึกนั่นเอง
การบันทึกตัวเลขก็มีหลักเกณฑ์ของมันอยู่ เพราะว่าสิ่งที่เราจะไปวัดในธรรมชาติมีขนาดที่แตกต่างกันอย่างมาก ลองนึกถึงขนาดของเม็ดดิน หรือขนาดของประเทศไทย เราอาจจะเห็นว่ามันแตกต่างกันมาก แต่นี่ยังเทียบไม่ได้กับการวัดขนาดของอะตอมเทียบกับขนาดของเอกภพหรือจักรวาล ดังนั้นการบันทึกตัวเลขจึงต้องมีหลักเกณฑ์บันทึก และต้องเรียนรู้ให้เข้าใจซะด้วย ลองดูง่ายๆ ก่อน สมมติว่ามีคนถามว่ามวลของอิเลกตรอน(เป็นชื่อเรียกของอนุภาคเล็กๆ ที่เป็นพื้นฐานสรรพสิ่งตัวหนึ่ง) ว่ามีค่าเท่าไร ในหน่วยกิโลกรัม ลองมาดูคำตอบ
ตอบ 0.00000000000000000000000000000091 kg
แล้วเราจะบันทึกกันอย่างที่เห็นอย่างนั้นหรือ คำตอบก็คือได้ก็คงไม่เหมาะเพราะเสียเวลามานับเลขศูนย์กันมากเกินไป ก็เลยปรับเขียนเสียใหม่ โดยใช้หลักคณิตศาสตร์เข้ามาช่วย เขียนใหม่ได้ว่า
9.1x10-31 kg
การเขียนอย่างหลังนี้ เราเรียกว่า การเขียนแบบวิทยาศาสตร์ ซึ่งพยายามที่จะบันทึกตัวเลขให้อยู่ในรูป ax10n เช่น ถ้าเราวัดความกว้างของช้อนได้เป็น 0.025 เมตร เราก็จะเขียนเป็น 2.5x10-2 m ซึ่งหลักการเขียนในรูปแบบนี้ หากใครยังไม่สันทัดก็ขอให้ดูตัวอย่างที่แสดงให้ดูข้างล่างนี้ หากยังไม่เข้าใจออีก ก็รบกวนนักเรียนให้สอบถามครูสอนฟิสิกส์ที่โรงเรียนนะครับ
8900000000 เขียนในรูปวิทยาศาสตร์ได้ คือ 8.9x109
102000 เขียนในรูปวิทยาศาสตร์ได้ คืออ 1.02x105
0.000000000067 เขียนในรูปวิทยาศาสตร์ได้ คืออ 6.7x10-11
การเขียนตัวเลขทางวิทยาศาสตร์นอกจากจะทำให้เราสื่อสารกันง่ายและชัดเจนแล้ว สิ่งสำคัญประการหนึ่งก็คือ ตัวเลขที่อยู่ด้านหน้ายังสามารถบอกได้อีกว่า การวัดที่ได้มานั้น มีความละเอียดมากน้อยเพียงใด นักเรียนลองดูตัวเลข 2 ชุดต่อไปนี้
กนกวัดขนาดความกว้างของโต๊ะได้ 6.7x10-1 เมตร
บุษบาวัดขนาดความกว้างของโต๊ะได้ 6.71x10-1 เมตร
นักเรียนจะเห็นว่า กนกกับบุษบาวัดขนาดโต๊ะเหมือนกัน แต่ตัวเลขที่ได้แตกต่างกันเล็กน้อย หากทั้งคู่เป็นเป็นผู้วัดที่มีคุณภาพ ในทางวิทยาศาสตร์จะบอกว่าบุษบาใช้เครื่องมือที่ละเอียดกว่ากนกใช้ ความละเอียดของเครื่องมือจะระบุออกมาในรูปของจำนวนตัวเลขที่มากกว่า ซึ่งจำนวนตัวเลขที่ได้นี่เราเรียกว่า "เลขนัยสำคัญ" แค่นี้นักเรียนก็จะเห็นว่า การบันทึกไม่ใช่สักแต่ป้อนตัวเลขเท่านั้น เพื่อให้การสื่อสารเป็นที่เข้าใจกัน นักเรียนก็ต้องเรียนรู้หลักเกณฑ์ต่างๆ ของการสื่อสารด้วย เหมือนกับที่นักเรียนไปในต่างถิ่น ที่นักเรียนต้องเรียนรู้ภาษาและวัฒนธรรมของเขานั่นเอง
สรุปก็คือว่า การบันทึกตัวเลขในทางวิทยาศาสตร์จากการอ่านเครื่องมือวัด ก็มีรูปแบบ หลักเกณฑ์หรือจะเรียกว่า มันมีวัฒนธรรมของมันเหมือนกัน ซึ่งเป็นอีกเรื่องที่เราต้องเรียนรู้
การแปลงหน่วย
ดังที่กล่าวมาแล้ว ระบบหน่วยมีอยู่อย่างมากมายในโลกนี้ แล้วก็ใช้ปะปนกันไปหมด ซึ่งในชีวิตประจำวันทั่วไปก็ไม่ใช่เรื่องเสียหายอะไร หากสื่อสารกันรู้เรื่องและเข้าใจกัน แต่ในทางวิทยาศาสตร์แล้ว เราจำเป็นต้องพูดภาษาเดียวกันและพูดให้เป็นระบบ และภาษาหรือระบบนั้นต้องได้รับการยอมรับเพราะเราไม่ได้สื่อสารแค่ชุมชนของเราเท่านั้น แต่บางทีเราต้องสื่อสารกับคนทั้งโลก เพราะว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์ถือเป็นสมบัติของมนุษยชาติร่วมกัน เมื่อใครได้ความรู้ก็จะมาแลกเปลี่ยนแบ่งปันกัน ดังน้นเราจึงต้องมาเรียนรู้เกี่ยวกับการแปลงหน่วยกัน แต่บางครั้งเครื่องมือวัดที่เราใช้อาจไม่เอื้อ หรืออาจใช้ระบบหน่วยบางหน่วยไม่สะดวก เราก็จะอาศัยการแปลงหน่วยเพื่อให้เข้าใจสิ่งที่ผู้อื่นบันทึกไว้ หรือพูดถึงไว้ และนี่คือสิ่งที่ผู้เรียนฟิสิกส์ ต้องรู้
1 เมตร(m) = 100 เซนติเมตร(cm) = 1000 มิลลิเมตร(mm)
1 กิโลเมตร(km) = 1000 เมตร(m)
1 นิ้ว(in)= 2.54 เซนติเมตร(cm)
1 m = 39.37 in (ละภาษาไทยไว้ ในฐานที่นักเรียนคุ้นเคยกับหน่วยย่อเหล่านี้แล้ว)
1 ไมล์(mile)=5280 ฟุต(ft) = 1.609 km
1 วา = 2 m
1 กิโลกรัม(kg) = 1000 กรัม(g)
1 kg = 2.24 ปอนด์(pound)
1 นาที(min) = 60 วินาที(s)
1 ชั่วโมง(hr) = 60 นาที(min) = 3600 วินาที(s)
ตัวอย่างเช่น 1 km มีกี่ cm ก็จะได้ว่า 1 km มี 1000 m และ 1 m ก็คือ 100 cm ดังนั้น 1 km = 1000x100 cm = 100000 cm หรือ 105 cm นักเรียนควรไปหาตัวอย่างโจทย์ปัญหาทำเยอะๆ นะครับ จะได้คล่องแคล่ว เพราะเราจะได้ใช้บ่อยๆ ในการเรียนฟิสิกส์
หรือ 38 นิ้ว (ส่วนบนของดาวยั่ว) นี่มันกี่เซนติมตร ก็ลองดู เพราะว่า 1 นิ้ว = 2.54 cm ดังนั้น 38 in = 38 in x 2.54 (cm/in) เอาไปกดเครื่องคิดเลขดูจะได้ = 96.52 cm ก็เกือบๆ เมตร (เพราะว่า 1 m = 100 cm)
หรือ ครึ่งชั่วโมงมีกี่วินาที ก็จะได้ว่า ครึ่งชั่วโมงมี 30 min และ 1 min = 60 s ดังนั้น ครึ่งชั่วโมงมีค่าเท่ากับ 30x60 = 1800 s
อันที่จริงมีหน่วยมากกว่านี้มาก แต่เราค่อยๆ เริ่มจากง่ายๆ เหล่านี้ก่อนเพื่อเป็นแนวคิดเบื้องต้น ลองหาขนาดที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวันแปลงหน่วยเล่นๆ ดู ก็จะได้ความรู้แตกแขนงออกไปอีก
ลองมาดูไอ้ที่มันซับซ้อนขึ้น เช่น หน่วยของอัตราเร็ว ซึ่งเป็นการนำเอาหน่วยของระยะทางเทียบกับเวลา เช่น ขับมอเตอร์ไซต์ดูหน้าปัดมันชี้ที่ 60 หน่วยที่หน้าปัดบอกว่า km/hr ลองแปลงดูซิว่ามันกี่เมตร/วินาที ลองดู
แปลงกิโลเมตร ให้เป็นเมตรก่อน 1 km=1000 m ฉะนั้น 60 km/hr = 60x1000 m/hr = 60000 m/hr
ตอนนี้เราได้หน่วยข้างบนเหมือนที่ต้องการแล้ว เหลือทำชั่วโมง(hr) ให้เป็นวินาที (s) ก็จะได้ 1 hr = 3600 s เอาไปแทน hr เลยก็จะได้
60000 m/hr = 60000 m/3600 s = 600/36 m/s = 16.67 m/s
ถ้าอดทนอ่านมาถึงตรงนี้ได้ ก็แปลว่าพอรู้เรื่อง เพราะถ้าไม่รู้เรื่องคงไม่อ่านมาถึงบรรทัดนี้ ก็คงจะจบเริ่มต้นกับฟิสิกส์ไว้แค่นี้ก่อน ถ้ายังขยันอยู่ก็แนะนำให้ลองหาตัวเลขกับหน่วยที่เราพบในชีวิตประจำวันลองแปลงเล่นๆ ดู เช่น เรือแล่นด้วยอัตราเร็ว 10 น็อต เนี่ยมันกี่เมตรต่อวินาที อะไรอย่างนี้เป็นต้น
หากมีอะไรติชม หรือคำถาม ก็ทิ้งคำข้อความไว้ได้ที่ท้ายบล็อกนี้
