ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับแสง

การกระจายแสง

เมื่อให้แสงขาวซึ่งประกอบด้วยแสงหลายสีผ่านปริซึมสามเหลี่ยม พบว่าแสงที่หักเหออกมาจากปริซึมจะไม่เป็นแสงขาว แต่จะมีสีต่างๆ กัน แสงแต่ละสีที่หักเหออกมาจะทำมุมหักเหต่างๆ กัน แสงแต่ละสีจึงปรากฏบนฉาก ณ ตำแหน่งต่างๆ กัน ดังรูปปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การกระจายแสง

รูป การกระจายแสง

มุมที่รังสีหักเหออกจากปริซึมทำกับรังสีตกกระทบที่ผิวแรกของปริซึม เรียกว่ามุมเบี่ยงเบน จากรูป  θ_V คือมุมเบี่ยงเบนของแสงสีม่วงซึ่งมีค่ามากที่สุด ส่วนมุมเบี่ยงเบนของแสงสีแดง θ_R นั้นทีค่าน้อยที่สุด ถ้าให้ปริซึมนี้รับแสงอาทิตย์ แถบสีที่ได้ก็จะมีลักษณะเช่นเดียวกับที่ใช้รับแสงจากกล่องแสง เรียกแถบสีนี้ว่า สเปกตรัมของแสงขาว

สำหรับแสงที่มี λ สั้นกว่าคือมี ƒ มากกว่า n จะมีค่ามากกว่า และแสงจะหักเหได้มากกว่า ในตัวกลางอื่นๆ เช่น น้ำ หรือพลาสติกใส ฯลฯ ก็มีสมบัติเช่นเดียวกับแก้ว คือ ดรรชนีหักเหของตัวกลางสำหรับแสงสีต่างๆ จะมีค่าไม่เท่ากัน
การสะท้อนกลับหมดของแสง

รูป  การหักเหของแสงในตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหต่างกัน

เมื่อแสงจากตัวกลางหนึ่งผ่านเข้าไปอีกตัวกลางหนึ่ง ซึ่งมีดรรชนีหักเหมีค่ามากกว่าพบว่ามุมหักเห θ₂ ในตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมีค่ามากกว่าจะเล็กกว่ามุมตกกระทบ θ₁ ดังรูป ก. แต่ถ้าแสงเดินทางกลับกัน มุมหักเห θ₂ ในตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมีค่าน้อยกว่าจะใหญ่กว่ามุมตกกระทบ θ₁ ดังรูป ข.

เมื่อแสงจากแท่งพลาสติกผ่านเข้าไปในตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมีค่าน้อยกว่า เช่น อากาศ มุมตกกระทบที่ผิวรอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสอง ทำให้เกิดมุมหักเหเท่ากับ 90° เรียกมุมตกกระทบดังกล่าวว่า มุมวิกฤต θ_c ถ้ามุมตกกระทบใหญ่กว่ามุมวิกฤตจะไม่มีรังสีหักเห แต่จะมีรังสีสะท้อนเท่านั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การสะท้อนกลับหมด ดังแสดงในรูป หามุมวิกฤตในตัวกลางต่างๆ ได้โดยใช้กฎของสเนลล์

รูป การสะท้อนกลับหมดในตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหมาก

รุ้งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเพราะการกระจายของแสง ซึ่งเราอาจเห็นก่อนหรือหลังฝนตกเล็กน้อย โดยสังเกตได้จากตำแหน่งยืนที่เหมาะสม รุ้งเกิดจากการที่แสงอาทิตย์ส่องผ่านละอองน้ำ หรือหยดน้ำซึ่งมีมากก่อนหรือหลังฝนตก แล้วหยดน้ำทำให้แสงเกิดการกระจาย และสะท้อนกลับหมด ทำให้ได้สเปกตรัมของแสงขาว รุ้งที่ปรากฏบนท้องฟ้าจะเป็นส่วนโค้งของวงกลม รุ้งมี 2 ชนิด คือ

บน - รุ้งทุติยภูมิ และล่าง - รุ้งปฐมภูมิ

รุ้งปฐมภูมิ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบผิวด้านบนของหยดน้ำ แสงจะหักเหผ่าผิวโค้งแรกนี้เข้าสู่หยดน้ำทำให้เกิดการกระจายแสงและแสงสีม่วงจะหักเหมากที่สุด ส่วนแสงสีแดงจะหักเหน้อยที่สุด จากนั้นแสงแต่ละสีจะตกกระทบผิวด้านในของหยดน้ำ แล้วสะท้อนกลับไปสู่ผิวของหยดน้ำด้านที่รับแสงอาทิตย์อีกและหักเหออกสู่อากาศ โดยแสงสีม่วงทำมุม 40° กับแนวระดับและแสงสีแดงทำมุม 42° กับแนวระดับ ดังนั้น ผู้สังเกตจะเห็นรุ้งปฐมภูมิซึ่งมีสีเรียงตามสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ โดยมีสีแดงอยู่ด้านบน และสีอื่นๆ อยู่ลดหลั่นลงมา โดยสีม่วงจะอยู่ต่ำสุด

รุ้งทุติยภูมิ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบผิวด้านล่างของหยดน้ำ จะเกิดการกระจายของแสงภายในหยดน้ำ และการสะท้อนแสงที่ผิวด้านในของหยดน้ำสองครั้งแล้ว แสงทุกสีจะหักเหออกสู่อากาศโดยสีม่วงหักเหออกทำมุม 54° กับแนวระดับและแสงสีแดงหักเหออกทำมุม 50.5° กับแนวระดับ รุ้งทุติยภูมิจึงอยู่เหนือรุ้งปฐมภูมิ และมีสีจางกว่ารุ้งปฐมภูมิ

การเห็นแสงสีต่างๆ จากหยดน้ำในกรณีนี้ อธิบายได้เช่นเดียวกันกับกรณีการเกิดรุ้งปฐมภูมิ แต่ผู้สังเกตจะมองเห็นรุ้งทุติยภูมิมีลำดับสีที่กลับกับรุ้งปฐมภูมิ คือ สีม่วงอยู่ด้านบนและสีแดงอยู่ด้านล่าง
มิราจ
มิราจเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติชนิดหนึ่งที่เกิดจากการหักเหของแสงในบรรยากาศชั้นต่างๆ เพราะความหนาแน่นของอากาศในชั้นต่างๆ ไม่เท่ากัน คนในทะเลทรายอาจเห็นต้นไม้ต้นหนึ่งเป็นสองต้นพร้อมๆ กัน คือ ต้นเดิมกับต้นที่มียอดต้นไม้ปรากฏใต้พื้นทราย ปรากฏการณ์ที่เห็นนี้ คือ มิราจ ตัวอย่างของมิราจนอกจากที่กล่าวมาได้แก่ การเห็นน้ำปรากฏบนผิวถนนที่ร้อน ทั้งๆ ที่ถนนแห้ง การเห็นเรือลอยคว่ำอยู่ในอากาศเหนือท้องทะเล เป็นต้น