ฟิสิกส์ของแสงซินโครตรอน เปี้ยว (31,390 views) first post: Tue 26 February 2002 last update: Tue 3 May 2011 บทความจากศูนย์วิจัย Synchrotron แห่งชาติ

เมื่อกล่าวถึงแสงซินโครตรอน โดยทั่วไปเราหมายถึงแสง (คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งถูกผลิตโดยเครื่องมือพิเศษที่เรียกว่า เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ซึ่งโดยหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน เราได้คำจำกัดความของแสงซินโครตรอน คือ

?"คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอน (หรือโพสิตรอน) ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง ขณะกำลังเลี้ยวโค้งในสนามแม่เหล็ก"

แสงซินโครตรอนเกิดขึ้นได้อย่างไร

ไม่ใช่เพียงอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนเท่านั้น แต่ความจริงแล้วอนุภาคมีประจุทุกชนิด เมื่อเคลื่อนที่จะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ ปรากกการณ์นี้อธิบายได้ด้วยสมการแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

?โดย และ เป็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก คือความหนาแน่นประจุ คือความเร็วแสง คือเวลา และ เป็นความเร็วของประจุหารด้วยความเร็วแสง?จากสมการของแมกซ์เวลล์ เราเห็นได้ทันทีว่าประจุที่เคลื่อนที่ นั้นเป็นแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ซึ่งก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อให้เห็นได้ชัดเจน เราแก้สมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งได้ผลลัพธ์คือ

โดย เป็นค่าประจุไฟฟ้า คือระยะห่างจากแหล่งประจุ และ คือค่าความเร่งของประจุ (หารด้วยความเร็วแสง) เราจะเห็นได้ว่าผลลัพธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์ให้ลักษณะสนามไฟฟ้า (และเป็นทำนองเดียวกันสำหรับสนามแม่เหล็ก) ที่ประกอบด้วยสองส่วน คือ ส่วนแรกแปรผกผันกับระยะทางจากแหล่งประจุยกกำลังสอง และไม่ขึ้นกับความเร่งของประจุ ส่วนที่สองแปร ผกผันกับระยะทางจากแหล่งประจุและขึ้นกับทั้งความเร็วและความเร่งของประจุด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในส่วนแรกนั้น มีค่าลดลงอย่างรวดเร็ว (เนื่องจากแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง) และมีความสำคัญ ที่บริเวณใกล้ๆแหล่งประจุเท่านั้น และเนื่องจากแหล่งประจุคืออนุภาคซึ่งมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นแสงซินโครตรอนจึงเกี่ยวข้องกับส่วนที่สอง เท่านั้น และสิ่งสำคัญ ที่เราได้จากผลลัพธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์ก็คือ แสงซินโครตรอนเกิดขึ้นเมื่อประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเท่านั้น

ทำไมต้องทำให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งในสนามแม่เหล็ก

ในการพิจารณาลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยจากอนุภาคมีประจุนี้ เราพิจารณาปริมาณทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า กำลังการแผ่รังสี (radiation power) ซึ่งแปรผันกับค่าสนามไฟฟ้ายกกำลังสอง และเป็นปริมาณที่บอกค่าความเข้มแสง

?เราใช้ผลลัพธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์หาค่ากำลังการแผ่รังสีดังกล่าว และแยกกำลังการแผ่รังสีออกเป็นสองส่วนคือส่วนที่เกิดจากความเร่งในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ และส่วนที่เกิดจากความเร่งในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ กล่าวคือ

?เนื่องจากความเร่งนั้นสัมพันธ์กับแรง เราสามารถหาค่ากำลังการแผ่รังสีในรูปของแรงเร่ง
ใน แนวตั้งฉากและแรงเร่งในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ได้ โดยได้ผลลัพธ์คือ

โดย คือมวลของประจุ และ คือ Lorentz factor ?(ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานของประจุหารด้วย พลังงานมวลนิ่ง)

?จะเห็นได้ว่า ด้วยแรงเร่งเท่ากัน แสงที่ถูกปลดปล่อยออกจากประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่นั้น มีความเข้มสูงกว่าแสง ที่ถูกปลดปล่อยออกจากประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ถึง? เช่น? อิเล็กตรอนพลังงาน 1 GeV มีค่า ดังนั้นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่จะปลดปล่อยแสงที่มีความเข้มสูงกว่าอิเล็กตรอนที่เ คลื่อนที่ด้วยความเร่งในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ถึงเกือบ 4
ล้านเท่า!!

หากต้องการแสงซินโครตรอนซึ่งมีความเข้มสูง ต้องทำให้ประจุเกิดความเร่งในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ นั่นคือทำให้ ประจุเลี้ยวโค้งโดยการเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก (จากผลของ Lorentz force)

ทำไมต้องอิเล็กตรอน

ไม่เพียงแต่อิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนเท่านั้น อนุภาคมีประจุทุกชนิด เมื่อเคลื่อนที่จะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ เพียงแต่เราเห็นได้จากค่ากำลังการแผ่รังสี ว่าความเข้มแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมานั้นแปรผกผันกับมวลของอนุภาคยกกำลังสี่ นั่นเป็นเหตุผลที่ เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนใช้อนุภาคอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุที่มีมวลน้อยที่สุด

ทำไมต้องความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง

ประจุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกันจะปลดปล่อยแสงที่มีลักษณะต่างกัน เราพิจารณากำลังการแผ่รังสีของประจุที่เคลื่อนที่ ด้วยความเร็วต่างกันสองค่าดังรูป

จะเห็นได้ว่า ยิ่งอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จะยิ่งปลดปล่อยแสงออกมาในมุมที่เล็กยิ่งขึ้น
(ในทิศของการเคลื่อนที่) ดังนั้น

แสงซินโครตรอนซึ่งปลดปล่อยจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง
จึงเป็นแสงที่ลำเล็ก และมีความคมสูงมาก (highly collimated light)

จากเหตุผลทางฟิสิกส์ข้างต้น เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน จึงเป็นแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งให้แสงที่มีคุณสมบัติพิเศษหลายประการเหนือกว่าแหล่งกำเนิดแสงประเภทอื่นๆ คือ





- เนื่องจากเป็นแสงที่ถูกปลดปล่อยจากอิเล็กตรอนอิสระ แสงซินโครตรอนจึงเป็นแสงที่มีความช่วงความยาวคลื่นกว้าง และต่อเนื่องตั้งแต่ย่านอินฟราเรดจนถึงรังสีเอ็กซ์ (ดูรูปประกอบ)

- มีความเข้มสูง และเป็นลำเล็กมาก ซึ่งคุณสมบัติทั้งสองนี้รวมกันเรียกว่าความจ้า (brightness) แสงซินโครตรอนจึงเป็นแสงที่มีความจ้าสูงมาก (ดูรูปประกอบ)

- เนื่องจากอิเล็กตรอนคลื่อนที่อยู่ในแนวระนาบของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน แสงซินโครตรอนจึงเป็นแสงที่มีโพลาไรเซชันแน่นอน - เนื่องจากอิเล็กตรอนในวงกักเก็บอิเล็กตรอนนั้นโคจรอยู่เป็นกลุ่มก้อน (bunches) แสงซินโครตรอนจึงเป็นแสงที่มีลักษณะเป็นห้วง (pulsed) ซึ่งมี time structure ที่แน่นอน คุณสมบัติพิเศษเหล่านี้ ทำให้แสงซินโครตรอนเป็นอุปกรณ์สำคัญในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหลากหลายสาขา *หมายเหตุ งานเขียนชิ้นนี้ ได้รับการคุ้มครองสิทธิตามพระราชบัญญัติคุ้มครองสิทธิทางปัญญา โดยลิขสิทธิเป็นของผู้เขียน ที่ให้เกียรตินำเผยแพร่ผ่าน วิชาการ.คอม เรามีความยินดีและอนุญาตให้ทำซ้ำหรือเผยแพร่ต่อเพื่อประโยชน์ทางการศึกษาเท่านั้น กรุณาให้เกียรติผู้เขียน โดยอ้างชื่อผู้เขียนและแหล่งข้อมูลทุกครั้งที่ทำการเผยแพร่ต่อ ห้ามนำส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อในสื่อที่เอื้อประโยชน์ทางธุรกิจก่อนได้รับอนุญาต ขอขอบคุณที่ร่วมกันช่วยสร้างให้สังคมไทยเป็นสังคมแห่งปัญญา สงวนสิทธิ์ภายใต้สัญญาอนุญาต ครีเอทีฟคอมมอนส์ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-ไม่ดัดแปลง 3.0 ประเทศไทย. ท่านสามารถนำเนื้อหาในส่วนบทความไปใช้ แสดง เผยแพร่ โดยต้องอ้างอิงที่มา ห้ามใช้เพื่อการค้าและห้ามดัดแปลง จำนวน 2 ความเห็น, หน้า | 1 | ความเห็น 1 18 ก.พ. 2549 (17:12) ขอทราบประโยชน์ของแสงหน่อยครับเพราะจะต้องเอาไปทำรายงานครับ LUNJA_7 (IP:203.172.208.217,192.168.1.217,) ความเห็น 2 20 ธ.ค. 2552 (20:58) ได้ประโยชน์ใหม่ๆเยอะเลยคะ จิตติมาหีบแก้ว ร่วมแบ่งปัน41 ครั้ง - ดาว 50 ดวง - โหวตเพิ่มดาว เปี้ยว (พิเชษฐ กิจธารา) ผู้ชมข้อมูลนี้แล้ว 21,976 ครั้ง เป็นสมาชิก: นานกว่า 11 ปี แบ่งปันความรู้ 1,205 ครั้ง ได้รับดาว 319 ดวง โหวตเพิ่มดาว   ขอบคุณผู้สนับสนุน ป้อนคำที่ต้องการค้นหา ส่งฟอร์มการค้นหา   เว็บทั่วโลก วิชาการ.คอม องค์ความรู้ เว็บเพื่อนบ้าน วิทยาศาสตร์ ฟิสิกสิ์ เคมี ชีวะ คณิตศาสตร์ ดาราศาสตร์ ธรณีวิทยา เทคโนโลยี เทคโนโลยีสารสนเทศ เทคโนโลยีชีวภาพ เทคโนโลยีพัสดุ นาโนเทคโนโลยี คอมพิวเตอร์ คลังข้อสอบ พลังงาน ศิลปศาสตร์ ภาษาต่างชาติ บัญชี มนุษย์-สังคม ศิลปะและวัฒนธรรม นิเทศ กฎหมาย เศรษฐศาสตร์ กิจกรรมพิเศษ จรวดขวดน้ำ ครูคุยทั่วไป เทคนิควิธีการสอน โครงงานวิทย์ สุขภาพ โรคภัยไข้เจ็บ แม่และเด็ก อาหารการกิน แนะแนว เรียนเมืองไทย เรียนต่อนอก บุุคคลสำคัญ เกม นิยาย ทุนการศึกษา Roadshow แบบทดสอบออนไลน์ scimath ฟิสิกส์ราชมงคล โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ ติดต่อเรา ข้อมูลทั่วไป ติดต่อลงโฆษณา ร่วมงานกับเรา ติดต่อสำนักงานวิชาการ หน้าแรกวิชาการดอทคอม วิชาการดอทคอมคือใคร กฎ กติกา มารยาท ผู้สนับสนุน คลิีกดูสถิติ อีเมล : star@vcharkarn.com โทรศัพท์ : 02-9620127 สงวนสิทธิ์บางประการภายใต้สัญญาอนุญาต ครีเอทีฟคอมมอนส์ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-ไม่ดัดแปลง 3.0 ประเทศไทย. ท่านสามารถนำเนื้อหาในส่วนบทความไปใช้ แสดง เผยแพร่ โดยต้องอ้างอิงที่มา ห้ามใช้เพื่อการค้าและห้ามดัดแปลง Page generated in2.3417 seconds !