บทที่4 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.......นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดสัญลักษณ์ต่างๆเพื่อความสะดวกในการศึกษาชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุต่าง ๆ ดังตัวอย่างต่อไปนี้คือ อิเล็กตรอน มีสัญลักษณ์ e มีประจุ - 1 โปรตอน มีสัญลักษณ์ p มีประจุ +1 นิวตรอน มีสัญลักษณ์ n มีประจุ 0 ชื่อธาตุ โดยปกติใช้สัญลักษณ์เป็นภาษาอังกฤษตัวแรกเป็นตัวใหญ่ 1 ตัว เช่น C เป็นสัญลักษณ์ของอะตอมคาร์บอน หากชื่อตัวแรกซ้ำกันเช่น แคลเซี่ยม จะเติมอักษรตัวเล็กที่แสดงสัญลักษณ์ธาตุแคลเซี่ยม 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

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

บทที่3 พลังงาน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic disturbance) โดยการทำให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หรือถ้าสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง จึงสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ สเปกตรัม (Spectrum) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นแตกต่างกัน ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ คลื่นแสงที่ตามองเห็น อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด คลื่นวิทยุ โทรทัศน์ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงมีประโยชน์มากในการสื่อสารและโทรคมนาคม และทางการแพทย์ สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 1. ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ 2. อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 3x108m/s ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง 3. เป็นคลื่นตามขวาง 4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง 5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร 6. ไม่มีประจุไฟฟ้า 7. คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้ 1. คลื่นวิทยุ คลื่นวิทยุมีความถี่ช่วง 104 - 109 Hz( เฮิรตซ์ ) ใช้ในการสื่อสาร คลื่นวิทยุมีการส่งสัญญาณ 2 ระบบคือ 1.1 ระบบเอเอ็ม (A.M. = amplitude modulation) ระบบเอเอ็ม มีช่วงความถี่ 530 - 1600 kHz( กิโลเฮิรตซ์ ) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุเรียกว่า "คลื่นพาหะ" โดยแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ในการส่งคลื่นระบบ A.M. สามารถส่งคลื่นได้ทั้งคลื่นดินเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงขนานกับผิวโลกและคลื่นฟ้าโดยคลื่นจะไปสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา จึงไม่ต้องใช้สายอากาศตั้งสูงรับ 1.2 ระบบเอฟเอ็ม (F.M. = frequency modulation) ระบบเอฟเอ็ม มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้ากับคลื่นพาหะ โดยความถี่ของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่างเดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถ่ายทอดและเครื่องรับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ 2. คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟมีความถี่ช่วง 108 - 1012 Hz มีประโยชน์ในการสื่อสาร แต่จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ในการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะ ๆ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้นสัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ดาวเทียมนำสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ เนื่องจากไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำไปใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน เรียกอุปกรณ์ดังกล่าวว่า เรดาร์ โดยส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำให้ทราบระยะห่างระหว่างอากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้ 3. รังสีอินฟาเรด (infrared rays) รังสีอินฟาเรดมีช่วงความถี่ 1011 - 1014 Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-3 - 10-6 เมตร ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรดสามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้ และใช้เป็นการควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลกับเครื่องรับโทรทัศน์ได้ 4. แสง (light) แสงมีช่วงความถี่ 1014Hz หรือความยาวคลื่น 4x10-7 - 7x10-7 เมตร เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับได้ สเปคตรัมของแสงสามารถแยกได้ดังนี้ สี สี ความยาวคลื่น (nm) ม่วง 380-450 น้ำเงิน 450-500 เขียว 500-570 เหลือง 570-590 แสด 590-610 แดง 610-760 5. รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays) รังสีอัลตราไวโอเลต หรือ รังสีเหนือม่วง มีความถี่ช่วง 1015 - 1018 Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลต สามารถทำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน 6. รังสีเอกซ์ (X-rays) รังสีเอกซ์ มีความถี่ช่วง 1016 - 1022 Hz มีความยาวคลื่นระหว่าง 10-8 - 10-13 เมตร ซึ่งสามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์คือ การเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก 7. รังสีแกมมา ( -rays) รังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และสามารถกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ มีอำนาจทะลุทะลวงสูง

 

จากภาพเป็นการแสดงช่วงความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเครื่องมือวัด (Sensor) ของดาวเทียมหรืออุปกรณ์ตรวจวัดจะออกแบบมาให้เหมาะสมกับช่วงความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นต่างกัน เช่น ช่วงรังสีแกมมา (gamma ray : l < 0.1 nm) และช่วงรังสีเอ็กซ์ (x-ray : 0.1 nm < l < 300 nm) เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง แผ่รังสีจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ หรือจากสารกัมมันตรังสี ช่วงอัลตราไวโอเลต เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง เป็นอันตรายต่อเซลสิ่งมีชีวิต ช่วงคลื่นแสง เป็นช่วงคลื่นที่ตามนุษย์รับรู้ได้ ประกอบด้วยแสงสีม่วง ไล่ลงมาจนถึงแสงสีแดง ช่วงอินฟราเรด เป็นช่วงคลื่นที่มีพลังงานต่ำ ตามนุษย์มองไม่เห็น จำแนกออกเป็น อินฟราเรดคลื่นสั้น และอินฟราเรดคลื่นความร้อน Near Infrared (NIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 0.7 ถึง 1.5 µm. Short Wavelength Infrared (SWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 1.5 ถึง 3 µm. Mid Wavelength Infrared (MWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 3 ถึง 8 µm. Long Wavelength Infrared (LWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 8 ถึง 15 µm. Far Infrared (FIR) ความยาวคลื่นจะมากกว่า 15 µm. ช่วงคลื่นวิทยุ (radio wave) เป็นช่วงคลื่นที่เกิดจากการสั่นของผลึกเนื่องจากได้รับสนามไฟฟ้า หรือเกิดจากการสลับขั้วไฟฟ้า สำหรับในช่วงไมโครเวฟ มีการให้ชื่อเฉพาะ เช่น P band ความถี่อยู่ในช่วง 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) L band ความถี่อยู่ในช่วง 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) S band ความถี่อยู่ในช่วง 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) C band ความถี่อยู่ในช่วง 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) X band ความถี่อยู่ในช่วง 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) Ku band ความถี่อยู่ในช่วง 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) K band ความถี่อยู่ในช่วง 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) Ka band ความถี่อยู่ในช่วง 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm ความยาวช่วงคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิ 6,000 K จะแผ่พลังงานในช่วงคลื่นแสงมากที่สุด วัตถุต่างๆ บนพื้นโลกส่วนมากจะมีอุณหภูมิประมาณ 300 K จะแผ่พลังงานในช่วงอินฟราเรดความร้อนมากที่สุด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ จะถูกโมเลกุลอากาศ และฝุ่นละอองในอากาศดูดกลืน และขวางไว้ทำให้คลื่นกระเจิงคลื่นออกไป คลื่นส่วนที่กระทบถูกวัตถุจะสะท้อนกลับ และเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศมาตกสู่อุปกรณ์วัดคลื่น

เนื่องจากวัตถุต่างๆ มีคุณสมบัติการสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ช่วงคลื่นต่างๆ ไม่เหมือนกัน ดังนั้นเราจึงสามารถใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการสำรวจจากระยะไกลได้ รูปต่อไปนี้แสดงลักษณะการสะท้อนแสงเปรียบเทียบระหว่างวัตถุต่างชนิดกันที่ช่วงคลื่นต่างๆ กัน ความสามารถในการสะท้อนแสงของวัตถุต่างๆ บนพื้นโลกสามารถสรุปได้ดังนี้ น้ำสะท้อนแสงในช่วงแสงสีน้ำเงินได้ดี และดูดกลืนคลื่นในช่วงอื่นๆ และให้สังเกตว่าน้ำจะดูดกลืนคลื่น IR ช่วง 0.91 mm ในช่วงนี้ได้ดีมาก ดินสะท้อนแสงในช่วงคลื่นแสงได้ดีทุกสี พืชสะท้อนแสงช่วงสีเขียวได้ดี และสะท้อนช่วงอินฟราเรดได้ดีกว่าน้ำและดินมาก

บทที่2 คลื่นเสียง

เสียงเป็นคลื่นความดัน (Pressure Wave) จะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ของแข็งหรือของเหลว แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสูญญากาศได้ คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวเกิดจากการสั่นของวัตถุ ความถี่ของเสียงจะมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิด และในขณะที่มี การสั่น โมเลกุลของตัวกลางจะมีการถ่ายทอดพลังงานทำให้เกิดความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่ง ทำให้เกิดเป็นช่วงอัด และ ช่วงขยายโดยที่ช่วงอัดคือบริเวณที่อนุภาคของตัวกลางอัดเข้าหากัน บริเวณนี้มีจะมีความดันสูงสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่ง สมดุลของอนุภาค โดยการขจัดของอนุภาคน้อยที่สุด ส่วนช่วงขยายคือบริเวณที่อนุภาคตัวกลางแยกห่างจากกัน บริเวณนี้มีความดัน ต่ำสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่งสมดุลของอนุภาค การขจัดของอนุภาคมากที่สุด ซึ่งสามารถเขียนเป็นกราฟได้ ดังรูป เสียงเป็นคลื่นตามยาวชนิดหนึ่งซึ่งอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นคุณสมบัติของเสียงจึงเหมือนคลื่นทุกประการ ตามปกติหูคนสามารถได้ยินเสียงในช่วงความถี่ 20 เฮิร์ตซ์ ถึง 20,000 เฮิร์ตซ์ คลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 เฮิร์ตซ์นั้น เรียกว่าคลื่นเหนือเสียงหรืออัลตราโซนิก (ultrasonic) ส่วนเสียงที่ความถี่ต่ำกว่า 20 Hzเรียกว่าคลื่นใต้เสียงหรืออินฟราโซนิก(Infrasonic Wave) 1. ธรรมชาติและความดันของเสียง เสียงเป็นคลื่นความดัน (Pressure Wave) จะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ของแข็งหรือของเหลว แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสูญญากาศได้ คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวเกิดจากการสั่นของวัตถุ ความถี่ของเสียงจะมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิด และในขณะที่มี การสั่น โมเลกุลของตัวกลางจะมีการถ่ายทอดพลังงานทำให้เกิดความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่ง ทำให้เกิดเป็นช่วงอัด และ ช่วงขยายโดยที่ช่วงอัดคือบริเวณที่อนุภาคของตัวกลางอัดเข้าหากัน บริเวณนี้มีจะมีความดันสูงสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่ง สมดุลของอนุภาค โดยการขจัดของอนุภาคน้อยที่สุด ส่วนช่วงขยายคือบริเวณที่อนุภาคตัวกลางแยกห่างจากกัน บริเวณนี้มีความดัน ต่ำสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่งสมดุลของอนุภาค การขจัดของอนุภาคมากที่สุด ซึ่งสามารถเขียนเป็นกราฟได้ ดังรูป

รายละเอียดทั่วไปของคลื่นเสียง ความถีคลื่นเสียงคือระดับความถี่ที่มนุษย์สามารถ รับฟังได้ปกติ ระหว่าง 20 Hz to 20,000 Hz คลื่นต่ำ (Infrasonic waves) ความถีที่ต่ำกว่า 20 Hz คลื่นเหนือเสียง (Ultrasonic waves) ความถี่ที่สูงกว่า 20,000 Hz ความสัมพันธ์ ระหว่างความถี ความยาวคลื่น และความเร็วคลื่น v = λ f

ความเร็วคลื่นเสียง(Speed of Sound) ความเร็วคลื่นเสียงในตัวกลางของแข็งมากกว่าในตัวกลางของเหลว และความเร็วในของเหลว มากกว่าในตัวกลางที่เป็นกาซ ส่วนความเร็วคลื่นเสียงในตัวกลางที่เป็นเส้นหาได้จาก Y คือยังมอดูลัสของวัสดุที่เป็นตัวกลาง ρ คือความหนาแน่น ความเร็วเสียงในของเหลว(Fluid B คือบลัคมอดูลัสของของเหลว ρ คือความหนาแน่นของของเหลว ความเร็วเสียงในตัวกลางอากาศ ความหนาแน่นแปรเปลี่ยนตามอุณหภูมิดังนั้น 331 m/s ความเร็วเสียงที่อุณหภูมิ 0° C T คืออุณหภูมิของตัวกลาง ความเข้มเสียง (Intensity of Sound Waves) intensity ของคลื่นคืออัตราการส่งผ่านพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ A ที่ปกคลุมโดยรอบและตั้งฉาก กับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น P

บทที่ 1 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

2. คลื่นตามยาว (longitudinal wave) ลักษณะอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง 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

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

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

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

My Inspiration

______________________________________________

              

______________________________________________________________

About Me