ภาพจาก NASA

คลื่นคืออะไร           เคยเล่นน้ำโต้คลื่นในทะเลหรือไม่ คลื่นในทะเลที่ซัดสาดเข้าชายฝั่งเป็นระลอก ๆ นั้น เดินทางมาบนผิวน้ำทะเล เราสามารถมองเห็นและสัมผัสได้ แต่มีคลื่นบางชนิดที่เราไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เช่น คลื่นเสียง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีอยู่ทั่วไปในชีวิตประจำวัน

ภาพวาดแสดงลูกคลื่น

คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเดินทาง ถึงแม้ว่าเราจะมองไม่เห็นได้ด้วยตามเปล่า แต่หูของเราสามารถสัมผัสได้ คลื่นเสียงสามารถเดินทางได้ดีผ่านอากาศเพราะในอากาศมีโมเลกุลก๊าซ ที่สามารถส่งต่อพลังงานโดยการชนกันต่อ ๆ กันไป คล้ายกับการเล่นโดมิโน ดังนั้นเสียงจึงเดินทางผ่านตัวกลางชนิดอื่น ๆ ที่ประกอบไปด้วยโมเลกุลได้ เช่นน้ำ เป็นตัน คลื่นเสียงไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้เพราะว่า ในสุญญากาศไม่มีโมเลกุลที่จะส่งต่อคลื่นเสียงได้

ส่วนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเป็นคลื่นตามขวางที่ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ จึงสามารถเดินทางผ่านได้ทั้งในอากาศ ของเหลว ของแข็ง และในสุญญากาศ นักบินอวกาศสามารถติดต่อสื่อสารกับศูนย์ควบคุมผ่านสุญญากาศได้โดยใช้คลื่นวิทยุ

ภาพวาดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง ที่ประกอบไปด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในแนวตั้งฉากซึ่งกันและกันและตั้งฉากกับทิศทางการเดินทางของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้โดยไม่อาศัยตัวกลาง เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000 km/s

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีชื่อเรียกต่างกันออกไปตามความถี่ที่มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงจะมีพลังงานสูง จนบางครั้งชื่อว่าเป็นรังสี เช่น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา ส่วนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำก็จะมีพลังงานต่ำลงไปด้วย เช่น คลื่นวิทยุ และคลื่นไมโครเวฟ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งที่ใกล้ตัวเรา และมีประโยชน์ในชีวิตประจำวันอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสังเกตทางดาราศาสตร์ยุคใหม่ที่นอกจากจะใช้กล้องดูดาวในช่วงคลื่นแสงแล้ว นักดาราศาสตร์ยัได้ประดิษฐ์กล้องที่สามารถสังเกตได้ในช่วงความถี่ต่างๆ เพื่อที่จะสามารถศึกษาทุกระดับพลังงานที่แผ่ออกมาจากดาวและกาแลคซี

ทำให้เราสามารถเข้าใจธรรมชาติของเอกภพได้ดียิ่งขึ้น ในบางช่วงความถึ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากอวกาศไม่สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศของโลกเราลงมาได้ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่จะต้องส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศขึ้นไปโคจรอยู่เหนือชั้นบรรยากาศของโลก สมบัติทางฟิสิกส์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เราสามารถอธิบายสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ในรูปของกลุ่มอนุภาคโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไร้มวลและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง โฟตอนแต่ละตัวจะมีพลังงานอยู่ระดับหนึ่ง ความแตกต่างของชนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของกลุ่มโฟตอนที่ประกอบขึ้นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง

คลื่นวิทยุประกอบไปด้วยโฟตอนที่มีพลังงานต่ำ ส่วนรังสีเอ็กซ์ประกอบด้วยโฟตอนที่มีพลังงานสูง เป็นต้น เราสามารถบ่งบอกระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ 3 รูปแบบ คือ 1. พลังงาน(E) ในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ (eV)  2. ความยาวคลื่น (l) ในหน่วยเมตร (m) 3. ความถี่ (n) ในหน่วยรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ (Hertz; Hz) พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสัมพันธ์กับ ความถี่และความยาวคลื่น ดังสมการ

สมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่และความยาวคลื่น

ทำไมจึงจำเป็นต้องมีการบ่งบอกระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถึง 3 รูปแบบ คำตอบ คือนักวิทยาศาสตร์ไม่ต้องการใช้ตัวเลขที่ยืดยาว เช่น ระยะทาง 20,000 เมตร ถ้าแปลงหน่วยเป็น 20 กิโลเมตร ก็จะทำให้อ่านหรือเขียนง่ายขึ้น ในช่วงคลื่นวิทยุนักวิทยาศาสตร์มักจะบ่งบอกระดับพลังงานในรูปของความยาวคลื่น หรือความถี่ เพราะคลื่นวิทยุมีค่าความยาวคลื่นประมาณ 1 เซนติเมตร ถึง 1 กิโลเมตร หรือประมาณ 1 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ถึง 1 เมกะเฮิรตซ์ (MHz)

ในช่วงคลื่นอินฟราเรด จะบ่งบอกในรูปของความยาวคลื่นเช่นกัน ในหน่วย ไมโครเมตร หรือ ไมครอน (micron) มีค่าอยู่ระหว่าง 1 – 100 ไมครอน ในช่วงคลื่นแสง จะบ่งบอกในรูปของความยาวคลื่นเช่นกัน แต่ในหน่วยอังสตรอม (angstroms) 1 angstrom = 0.0000000001 เมตร หรือในระบบเอสไอ มักจะใช้หน่วย นาโนเมตร (nanometers) คลื่นแสงที่ตาเราสามารถมองเห็นได้คือ แสงสี ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด และแดง มีค่าความยาวคลื่น ระหว่าง 400 ถึง 700 นาโนเมตร

ส่วนในช่วงรังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมานั้น มีค่าความยาวคลื่นสั้นมาก จึงนิยมบอกค่าระดับพลังงานในรูปของ ปริมาณพลังงาน ในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) เช่น รังสีอัลตราไวโอเลต มีพลังงานตั้งแต่ 1 eV ถึง 100 eV รังสีเอ็กซ์ มีพลังงานตั้งแต่ 100 eV ถึง 100,000 eV (100 keV) และรังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงที่สุดในสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีพลังงานสูงตั้งแต่ 100 keV ขึ้นไป

ตารางแสดงพลังงานในแต่ละคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า