ดรรชนีหักเหและผลึก

ทางลัด: ความแตกต่างความคล้ายคลึงกันค่าสัมประสิทธิ์การเปรียบเทียบ Jaccardการอ้างอิง

ความแตกต่างระหว่าง ดรรชนีหักเหและผลึก

ดรรชนีหักเห vs. ผลึก

รรชนีหักเหของวัสดุ คืออัตราส่วนที่ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลดลงภายในวัสดุชนิดนั้น (เทียบกับความเร็วในสุญญากาศ) ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ c นั้นคงที่เสมอและมีค่าประมาณ 3×108 เมตรต่อวินาที ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่หนึ่งมีความเร็วเท่ากับ v ในตัวกลาง ให้ดรรชนีหักเหของตัวกลางที่ความถี่นั้นมีค่าเท่ากับ ตัวเลขดรรชนีหักเหนั้นโดยทั่วไปมีค่ามากกว่าหนึ่ง โดยยิ่งวัสดุมีความหนาแน่นมากเท่าไหร่ แสงก็จะเดินทางได้ช้าลงเท่านั้น แต่ในบางกรณี (เช่นสำหรับรังสีเอกซ์ หรือที่ความถี่ใกล้กับความถี่สั่นพ้องของวัสดุ) ดรรชนีหักเหอาจมีค่าน้อยกว่าหนึ่งได้ สถานการณ์นี้ไม่ได้ขัดกับทฤษฎีสัมพัธภาพซึ่งกล่าวว่าสัญญาณไม่สามารถเดินทางได้เร็วกว่า c เนื่องจากความเร็วเฟส v นั้นเป็นคนละปริมาณกับความเร็วกลุ่ม ซึ่งเป็นปริมาณที่บ่งบองความเร็วที่สัญญาณเดินทาง นิยามของความเร็วเฟสนั้นคือ อัตราเร็วที่สันคลื่นเดินทาง นั้นคือเป็นอัตราเร็วที่เฟสของคลื่นมีการเปลี่ยนแปลง ส่วนความเร็วกลุ่มนั้นเป็นอัตราเร็วที่ รูปคลื่น เดินทาง นั่นคือเป็นอัตราเร็วที่แอมพลิจูดของคลื่นเปลี่ยนแปลง ความเร็วกลุ่มเป็นปริมาณที่บอกถึงความเร็วที่คลื่นส่งสัญญาณและพลังงาน บางครั้งเราเรียก ดรรชนีหักเหของความเร็วกลุ่ม ว่า ดรรชนีกลุ่ม (group index) ซึ่งนิยามเป็น ในการอธิบายปรากฏการที่เกิดขึ้นระหว่างแสงกับวัสดุให้สมบูรณ์ บางครั้งจะสะดวกขึ้นถ้ามองดรรชนีหักเหเป็นจำนวนเชิงซ้อน \tilde ซึ่งประกอบขึ้นจากส่วนจริง และส่วนเสมือน ในกรณีนี้ n คือดรรชนีหักเหในความหมายปกติ และ k คือ extinction coefficient ในวัสดุที่เป็นฉนวน เช่น แก้ว ค่า k เท่ากับศูนย์และแสงก็ไม่ถูกดูดซับในวัสดุจำพวกนี้ แต่ในโลหะ ค่าการดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นสั้น (ช่วงที่ตามองเห็น) นั้นมีค่ามาก และการอธิบายดรรชนีหักเหให้สมบูรณ์จำเป็นต้องรวมส่วน k ด้วย ส่วนจริงและส่วนเสมือนของดรรชนีหักเหนั้นเกี่ยวข้องกันด้วยความสัมพันธ์ของ เครเมอร์-โครนิก (Kramers-Kronig relations) ตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากความสัมพันธ์นี้ได้แก่ การที่เราสามารถหาดรรชนีหักเหเชิงซ้อนของวัสดุได้สมบูรณ์โดยการวัดสเปคตรัมการดูดซับแสงเท่านั้น เมื่อพิจารณาที่สเกลเล็กๆ การที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางช้าลงในวัสดุนั้น เกิดจากการที่สนามไฟฟ้าทำให้ประจุไฟฟ้าในอะตอมมีการเคลื่นที่ (ส่วนใหญ่อิเล็กตรอนคือสิ่งที่เคลื่อนที่) การสั่นของประจุไฟฟ้าเองนั้นสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นเอง โดยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้านี้มีความต่างเฟสกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งต้นเล็กน้อย ผลรวมของคลื่นทั้งสองได้ออกมาเป็นคลื่นที่ความถี่เดิมแต่ความยาวคลื่นสั้นลง ซึ่งทำให้ความเร็วในการเดินทางลดลงนั่นเอง ถ้าเรารู้ดรรชนีหักเหของวัสดุสองชนิดที่ความถี่หนึ่งๆ เราสามารถคำนวณมุมที่หักเหที่ผิวระหว่างตัวกลางสองชนิดนั้นได้ด้วยกฎของสเนล (Snell's law). Quartz crystal Bismuth Crystal Insulincrystals ผลึก (crystal) เป็นของแข็งที่มีองค์ประกอบเป็นอะตอม โมเลกุล หรือ ไอออน ซึ่งอยู่รวมกันอย่างมีระเบียบ เป็นรูปแบบที่ซ้ำกันและแผ่ขยายออกไปในเนื้อที่สามมิติ โดยทั่วไปสสารที่เป็น ของเหลว จะเกิดผลึกได้เมื่ออยู่ภายใต้กระบวนการโซลิดิฟิเคชัน (solidification) ภายใต้สภาวะที่สมบูรณ์ผลที่ได้จะเป็น ผลึกเดี่ยว (single crystal) ที่ซึ่งทุกอะตอมในของแข็งมีความพอดีที่จะอยู่ใน แลตทิช เดียวกัน หรือ โครงสร้างผลึกเดียวกัน แต่โดยทั่วไปจะเกิดหลายรูปแบบของผลึกในระหว่างโซลิดิฟิเคชัน ทำให้เกิดของแข็งที่เรียกว่า พอลิคริสตัลลีน (polycrystalline solid) ตัวอย่าง เช่น โลหะ ส่วนใหญ่ที่พบเห็นในชีวิตประจำวันจะเป็น พอลิคริสตัล (polycrystals) ผลึกที่โตคู่กันอย่างสมมาตร จะเกิดเป็นผลึกที่เรียกว่า ผลึกแฝด (crystal twins) โครงสร้างผลึกจะขึ้นอยู่กับสารเคมี สภาวะแวดล้อมขณะเกิดการแข็งตัวและความกดดันขณะนั้น กระบวนการเกิดโครงสร้างผลึกเราเรียกว่าคริสตัลไลเซชัน (crystallization) ความสำคัญของผลึก ผลึก สามารถพบได้ทั่วไปในธรรมชาติ พบมากในการก่อตัวของหิน เช่น อัญมณีต่างๆ หรือแม้แต่รอบตัวเรา ในรูปของน้ำตาล น้ำแข็ง และเกลือเม็ด เป็นต้น ความงดงามของผลึกเหล่านี้เป็นที่สนใจมาแต่ตั้งแต่ โบราณ ทั้งด้านความสมมาตรของรูปทรงและสีสรรที่หลากหลาย นักผลึกศาสตร์ในอดีต ใช้เรขาคณิตในการศึกษารูปทรงของผลึกที่พบได้ตามธรรมชาติ 5 มีคุณสมบัติเป็นคลื่นแสงพลังงานสูง มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า เมื่อรังสีเอกซ์พุ่งกระทบกับวัตถุ อะตอมในวัตถุจะสามารถทำให้รังสีเอกซ์เกิดการกระเจิงได้ นักผลึกศาสตร์พบว่าการเรียงตัวของอะตอมอย่างเป็นระเบียบในผลึก ทำให้รังสีเอกซ์กระเจิงไปในทิศทางที่จำเพาะเท่านั้น จากข้อมูลความเข้มและทิศทางของรังสีเอกซ์ที่กระเจิงนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างภาพสามมิติของโครงสร้างของสารในผลึกได้ ผลึกจึงเป็นตัวอย่างที่เหมาะสมสำาหรับการศึกษาโครงสร้างของสารที่ให้ความละเอียดในระดับอะตอม ด้วยคุณสมบัติทั่วไปสามประการได้แก่ คุณสมบัติที่เป็นของแข็ง มีสามมิติ และมีการเรียงตัวของอะตอมอย่างเป็นระเบียบมาก และความสมมาตรสูง นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาพันธะเคมี ที่ดึงดูดอะตอมเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น กราไฟท์หรือถ่านที่ทึบแสงและนิ่ม กับเพชรที่โปร่งแสงและแข็งมาก สารทั้งสองนี้มีส่วนประกอบทางเคมีที่เหมือนกัน คือธาตุคาร์บอนเท่านั้น การที่เพชรสามารถกระเจิงแสงได้ เกิดจากพันธะทางเคมีที่เรียงตัวเป็นระเบียบ ทำาให้เพชรแวววาว เรารู้โครงสร้างและพันธะเคมีของเพชร ได้จากศึกษาโครงสร้างผลึกด้วยรังสีเอก ผลึกที่ฉีกกฎธรรมชาติ ในปี..1984 ดร.แดน เชท์มัน ค้นพบผลึกชนิดพิเศษที่มีรูปแบบการเรียงตัวของอะตอมอย่างไม่ต่อเนื่อง รูปแบบนี้ฉีกกฎที่เคยเชื่อกันว่า ผลึกต้องประกอบขึ้นด้วยรูปแบบสมมาตรชนิด 1, 2, 3, 4 และ 6 ด้านเท่านั้น จึงจะเกิดเป็นรูปทรงสามมิติได้ การค้นพบที่เปลี่ยนแปลงความเชื่อครั้งใหญนี้่ เกิดจากการศึกษาโลหะผสมระหว่างอลูมิเนียมและแมงกานีสด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ดร.แดน เชชท์มัน สังเกตเห็นการจัดเรียงตัวแบบห้าเหลี่ยม ในผลึก และต่อมาผลึกในลักษณะนี้ เป็นที่รู้จักว่าเป็น “ผลึกเสมือน” การค้นพบนี้ทำให้ ดร.แดน เชท์มัน ได้รับ รางวัล โนเบล สาขาเคมี ในปี..