प्रकाश का व्यतिकरण(Interference)|विवर्तन(diffraction)|डॉप्लर प्रभाव |ध्रुवीकरण(Polarization)

आज इस लेख के माध्यम से जानेंगे कि प्रकाश का व्यतिकरण क्या है | इसके प्रकार क्या हैं | प्रकाश का विवर्तन क्या है | प्रकाश का ध्रुवीकरण क्या है | डॉप्लर का प्रभाव क्या है | और इसके उपयोग क्या हैं ? आइये जानते हैं इस सब के बारे में विस्तार से |

प्रकाश का व्यतिकरण(Interference) | प्रकाश का विवर्तन(diffraction) | डॉप्लर प्रभाव | ध्रुवीकरण(Polarization):

जैसा कि हम प्रकाश के गुणों के बारे में अध्ययन करते हुए जानते हैं कि

प्रकाश में तरंग जैसे गुण होते हैं | प्रकाश तरंगों के रूप में चलता है |

तथा व्यतिकरण (Interference) सब तरह के तरंगों का एक विशेष गुण है | अत: प्रकाश तरंगें भी व्यतिकरण की घटना को दर्शाती हैं |

आज इसके बारे में जानकारी प्राप्त करते हैं |

प्रकाश का व्यतिकरण क्या है ? What is interference of light?:

जब समान आवृत्ति (wave) की दो प्रकाश तरंगें शून्य या स्थिर (constant) कला अंतर (phase difference) के साथ एक ही दिशा में एक साथ फैलती हैं, तो उनके अध्यारोपण (superposition) के परिणामस्वरूप कुछ बिंदुओं पर अधिकतम तीव्रता और कुछ अन्य बिंदुओं पर न्यूनतम तीव्रता होती है।तरंगों के अध्यारोपण के कारण ऊर्जा के पुनर्वितरण की इस घटना को प्रकाश तरंगों का व्यतिकरण(Interference) कहा जाता है।

प्रकाश तरंगों के व्यतिकरण का सिद्धांत प्रकाश के तरंग की प्रकृति पर निर्भर करता है |

थॉमस यंग  ने 1802  ई. में प्रकाश के व्यतिकरण(Interference) को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किया गया।|

जब समान आवृत्ति (frequency) और समान आयाम (amplitude) की दो प्रकाश तरंगें, जो मूल रूप से एक ही प्रकाश स्रोत से होती हैं, एक माध्यम में एक ही दिशा (direction) में यात्रा करती हैं

इसलिए, उनके अध्यारोपण(superposition) के परिणामस्वरूप प्रकाश की तीव्रता(intensity) में परिवर्तन होता है। इस घटना को प्रकाश का व्यतिकरण (Interference) कहा जाता है।

Mathematical Form:

जब लगभग समान (equal amplitude) आयाम और समान आवृत्ति (frequency) की दो प्रकाश तरंगें एक माध्यम (medium) में एक ही दिशा में एक साथ (together) यात्रा(travel) करती हैं,

इसलिए, उनके अध्यारोपण के परिणामस्वरूप बनी परिणामी तरंग (wave) का आयाम (amplitude) मूल तरंगों (original wave) के आयाम से अलग-अलग होता है।

प्रकाश की तीव्रता (I), आयाम (A) के वर्ग के (directly proportional) अनुक्रमानुपाती होती है|

अतः

प्रकाश की  तीव्रता ∝ (आयाम)²

I ∝ (A)²

इसलिए, आयाम (amplitude) में परिवर्तन के कारण प्रकाश की तीव्रता(intensity) भी बदल जाती है।

कुछ स्थानों पर प्रकाश की तीव्रता अधिकतम तथा कुछ स्थानों पर न्यूनतम अथवा शून्य होती है| इस घटना को प्रकाश का व्यतिकरण कहते हैं|

प्रकाश का व्यतिकरण का उदहारण:

जल की सतह पर तेल की बूंदों से रंगीन बनी पतली फिल्म का दिखाई देना |

साबुन के रंगहीन बुलबुले भी सूर्य के प्रकाश में रंगीन देखाई देना|

1. तब प्रकाश का व्यतिकरण देखा जा सकता है जब पानी की सतह पर फैला मिट्टी का तेल प्रकाश के व्यतिकरण के कारण एक अच्छे रंगीन रंग का प्रतीत होता है।
2. प्रकाश के व्यतिकरण के कारण सूर्य के प्रकाश में साबुन के बुलबुले का रंग भी चमकीला होता है।

Types of interference of light प्रकाश का व्यतिकरण के प्रकार:

प्रकाश का व्यतिकरण के दो प्रकार होते हैं |

1) रचनात्मक(Constructive) व्यतिकरण 2) विनाशी (Destructive) व्यतिकरण

1) रचनात्मक या संपोषि व्यतिकरण Constructive interference:

अधिकतम तीव्रता के बिंदुओं पर होने वाले व्यतिकरण को रचनात्मक व्यतिकरण कहा जाता है। अर्थात्

किसी माध्यम के जिस बिंदु पर दोनों तरंगें सामान कला में मिलती हैं वहां प्रकाश की परिणामी तीव्रता अधिकतम होती है, इसको रचनात्मक व्यतिकरण कहते हैं |

माध्यम के जिस बिन्दु पर दोनों तरंगें समान कला में मिलती हैं अर्थात दोनों तरंगों के शीर्ष या गर्त एक साथ पड़ते हैं,

उस बिन्दु पर दोनों तरंगे एक-दूसरे के प्रभाव को बढ़ाती हैं |

अत: प्रकाश की परिणामी तीव्रता अधिकतम होती है | इस प्रकार के व्यतिकरण को संपोषी या रचनात्मक व्यतिकरण कहते हैं |

2) विनाशी व्यतिकरण Destructive interference:

न्यूनतम तीव्रता वाले बिन्दुओं पर होने वाले व्यतिकरण को विनाशी व्यतिकरण कहते हैं।

जब किसी माध्यम के जिस बिन्दु पर तरंगें विपरीत कला में मिलती हैं अर्थात

एक तरंग के शीर्ष पर दूसरी तरंग का गर्त या एक तरंग के गर्त पर दूसरी तरंग का शीर्ष पड़ता है , उस बिन्दु पर दोनों तरंगें एक-दूसरे के प्रभाव को नष्ट कर देती हैं |

अत: उस बिन्दु पर प्रकाश की परिणामी तीव्रता न्यूनतम या शून्य होती है. इस प्रकार के व्यतिकरण को विनाशी व्यतिकरण कहते हैं |

यंग का डबल स्लिट प्रयोग Young‘s double slit experiment:

थॉमस यंग ने प्रयोगात्मक रूप से प्रकाश के व्यतिकरण का प्रदर्शन किया।

उनके प्रयोग ने प्रकाश के कणिका सिद्धांत (Corpuscular theory of light ) को घातक झटका दिया |

ऐसा इसलिए क्योंकि प्रयोग से यह निष्कर्ष निकला कि प्रकाश में तरंग प्रकृति होती है।

मोनोक्रोमैटिक प्रकाश S के एक स्रोत का उपयोग दो संकीर्ण स्लिट्स S1 और स्लिट S2 को रोशन करने के लिए किया जाता है।

दो स्लिट्स एक दूसरे के बहुत करीब और स्रोतों S से समान दूरी पर स्थित हैं।

स्लिट्स S1 और S2 से तरंगें सभी दिशाओं में फैलती हैं और जिस क्षेत्र में वे स्क्रीन पर अध्यारोपित होती हैं |

वैकल्पिक चमकीले B1,B2…) और गहरे फ्रिंज (D1,D2….) देखे जाते हैं।

पर्दे के केंद्र O पर प्रकाश की तीव्रता अधिकतम होती है और इसे केंद्रीय अधिकतम कहा जाता है।

यंग के डबल स्लिट प्रयोगों में, निम्नलिखित तथ्यों को भी सत्यापित किया जा सकता है:

यदि दो स्लिटों में से एक को बंद कर दिया जाए तो व्यतिकरण पैटर्न गायब हो जाता है।

यह दर्शाता है कि व्यतिकरण पैटर्न दो स्लिटों से तरंगों के अध्यारोपण के कारण होता है।

अगर एक ही स्रोत से प्रदीप्त दो स्लिटों के स्थान पर दो स्वतंत्र स्रोतों का उपयोग किया जाता है,

तो प्राप्त व्यतिकरण पैटर्न स्थायी नहीं होता है और अधिकतम तथा न्यूनतम तीव्रता की स्थिति स्थिर नहीं रहती है।

यह दर्शाता है कि एक सतत व्यतिकरण पैटर्न उत्पन्न करने के लिए, एक ही स्रोत से दो स्रोत प्राप्त किए जाने चाहिए। ऐसे स्रोतों को सुसंगत स्रोत (Coherent sources) कहा जाता है।

सुसंगत स्रोत Coherent sources कोहेरेंट स्रोत क्या है ?:

दो स्रोतों को सुसंगत (Coherent sources) कहा जाता है, यदि वे समान आवृत्ति या तरंग दैर्ध्य और एक स्थिर चरण अंतर की प्रकाश तरंगों का उत्सर्जन करते हैं।

इन दो सुसंगत स्रोतों(Coherent sources) से प्रकाश तरंगें समान तरंग दैर्ध्य और आयाम की होती हैं।

प्रकाश के व्यतिकरण के लिए आवश्यक शर्तें Necessary conditions for interference of light:

व्यतिकरण प्राप्त करने के लिए निम्नलिखित शर्ते है।

1)दोनों तरंगों की आवृत्ति व तरंग धैर्य बराबर होनी चाहिए।

2)दोनों प्रकाश तरंगों का आयाम लगभग बराबर होना चाहिए।

3)दोनों प्रकाश तरंगे एक ही दिशा में गमन होनी चाहिए।

4)दोनों प्रकाश तरंगों का कालांतर शून्य तथा समय के साथ नियत तो होना चाहिए।

5)दोनों प्रकाश स्त्रोत कला-सम्बद्ध होना चाहिए|

6)दोनों प्रकाश स्रोत एकवर्णी होने चाहिए |

7)दोनों प्रकाश स्रोत एक दूसरे के अति निकट या अति संकीर्ण होने चाहिए।

8)प्रकाश तरंगों के मध्य पथान्तर बहुत अधिक नहीं होना चाहिए।

9)यदि प्रकाश तरंगें अति ध्रुवित हो तो उनका ध्रुवण एक ही तल में होने चाहिए।

प्रकाश का विवर्तन Diffraction of light :

किसी वस्तु के कोनों के चारों ओर प्रकाश के मुड़ने और अपारदर्शी बाधाओं की ज्यामितीय छाया के भीतर प्रकाश के फैलने की घटना को प्रकाश का विवर्तन कहा जाता है।

इस प्रकार प्रकाश अपने रेखीय पथ से विचलित हो जाता है।

यह विचलन तब अधिक प्रभावी होता है जब एपर्चर या बाधा के आयाम प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के बराबर होते हैं।

प्रकाश के विवर्तन का अनुप्रयोग Application of diffraction of light:

विवर्तन के कारण, उच्च गुणवत्ता वाले सूक्ष्मदर्शी धुंधले चित्र दिखाते हैं।

इसका उपयोग विवर्तन झंझरी में किया जाता है, जहाँ प्रकाश में रंगों को अलग करने के लिए झंझरी का उपयोग किया जाता है।

व्यतिकरण और विवर्तन के बीच अंतर यह है कि व्यतिकरण दो सुसंगत स्रोतों से आने वाली तरंगों के बीच का अध्यारोपण है,

अर्थात निरंतर आवृत्ति और निरंतर चरण अंतर होता है जबकि विवर्तन एकल स्रोत से आने वाली तरंगों के बीच अध्यारोपण है।

Doppler effect डॉप्लर का प्रभाव क्या है ?:

डॉप्लर के प्रभाव के अनुसार, जब भी प्रकाश के स्रोत और प्रेक्षक के बीच सापेक्ष गति होती है,

तो प्रेक्षक द्वारा प्राप्त प्रकाश की आभासी आवृत्ति वास्तव में प्रकाश के स्रोत से उत्सर्जित प्रकाश की वास्तविक आवृत्ति से भिन्न होती है।

जब स्रोत और प्रेक्षक एक-दूसरे के निकट आते हैं, तो ∆v (आवृत्ति में परिवर्तन) धनात्मक होता है अर्थात आभासी आवृत्ति बढ़ती है या आभासी तरंगदैर्ध्य घटती है, इसे ब्लू शिफ्ट कहा जाता है।

जबभी स्रोत और प्रेक्षक एक-दूसरे से दूर हटते हैं, ∆v (आवृत्ति में परिवर्तन) ऋणात्मक होता है, अर्थात आभासी आवृत्ति घट जाती है, इसे लाल विचलन कहते हैं।

Uses of Doppler effect in light प्रकाश में डॉप्लर के प्रभाव का उपयोग:

• किसी तारे की गति और आकाशगंगाओं की गति को मापना।
• सूर्य के घूमने की गति को मापना, जो अपनी धुरी के बारे में लगभग 2km/s हैं।
• हवाई जहाज, रॉकेट पनडुब्बी आदि के वेग का अनुमान लगाना।

प्रकाश का ध्रुवीकरण क्या है? Polarization of light:

वह घटना, जिसके कारण प्रकाश के कंपन एक विशेष तल में प्रतिबंधित हो जाते हैं, प्रकाश का ध्रुवीकरण कहलाता है।

कंपन का प्लेन (सतह) Plane of vibration:

तल (ABCD), जिसमें समतल ध्रुवीकृत प्रकाश का कंपन होता है, कंपन का तल कहलाता है।

ध्रुवीकरण का तल:

कंपन के लंबवत तल (PQRS) को ध्रुवीकरण का तल कहा जाता है।

सतह का ध्रुवीकृत प्रकाश Direct plane polarized light :

इसे प्रकाश के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, जिसमें प्रकाश के कंपन (विद्युत सदिश के कंपन) एक विशेष तल तक सीमित होते हैं।

प्रकाश के वैद्युत सदिशों को एक ही दिशा में सीमित करने की परिघटना को ध्रुवीकरण कहते हैं।

साधारण प्रकाश में प्रकाश की दिशा के लम्बवत् तल में सभी संभावित दिशाओं में विद्युत सदिश होते हैं।

जब साधारण प्रकाश टूमलाइन, कैल्साइट या क्वार्ट्ज क्रिस्टल के माध्यम से पारित किया जाता है,

तो प्रेषित प्रकाश में क्रिस्टल के अक्ष के समानांतर एक विशेष दिशा में विद्युत सदिश होते हैं। यह समतल ध्रुवित प्रकाश है।

ध्रुवीकृत प्रकाश के कंपन वाले तल को कंपन तल कहा जाता है।

कंपन के तल के लंबवत तल को ध्रुवीकरण का तल कहा जाता है। ध्रुवीकरण केवल अनुप्रस्थ तरंगों में ही हो सकता है।

प्रकाश के विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत के अनुसार, विद्युत सदिश प्रकाश सदिश के रूप में कार्य करता है।

इसलिए, एक समतल ध्रुवीकृत प्रकाश में, विद्युत सदिश प्रसार की दिशा के लम्बवत् समतल में एक निश्चित रेखा के साथ कंपन करता है।

ब्रूस्टर का नियम Brewster’s Law:

जब प्रकाश किसी अपवर्तक माध्यम के अंतरापृष्ठ पर ध्रुवण कोण पर आपतित होता है,

तो माध्यम का अपवर्तक सूचकांक ध्रुवीकरण कोण की स्पर्शरेखा के बराबर होता है।

यदि p ध्रुवीकरण कोण है और µ, अपवर्तक माध्यम का अपवर्तनांक है, तो ब्रूस्टर के नियम के अनुसार,

µ = tan P

जब प्रकाश ध्रुवीकरण कोण पर आपतित होता है, तो परावर्तित प्रकाश पूरी तरह समतल ध्रुवीकृत पाया जाता है।

µ = sine P / sine r

sine p / sine r = tan p

अब,

sine p / sine r = sine p / cos p

इसलिए

sine r = cos p

r + p = 90^o

इसलिए, जब प्रकाश की किरण ध्रुवीकरण कोण पर आपतित होती है,

तो परावर्तित किरण परावर्तित किरण के समकोण पर होती है।

पोलरॉइड Polaroid:

यह Polaroid एक ऐसी सामग्री है जो प्रकाश का ध्रुवीकरण करती है।

टूमलाइन एक प्राकृतिक ध्रुवीकरण सामग्री है। Polaroid अब कृत्रिम रूप से बनाया जाता है।

यह पता चला कि कुनैन डिसल्फेट के छोटे सुई के आकार के क्रिस्टल में प्रकाश को ध्रुवीकृत करने का गुण होता है।

इनमें से कई क्रिस्टल अपनी कुल्हाड़ियों के साथ एक दूसरे के समानांतर प्लास्टिक की दो चादरों के बीच पैक किए जाते हैं।

ऐसी शीट Polaroid का काम करती है।

 पोलरॉइड के उपयोग Uses of Polaroid:

• प्रकाश की चकाचौंध से बचना, ध्रुवीकृत धूप के चश्मे Polaroid के प्रमुख उपयोगों में से एक है।
• पोलेरॉइड तीन आयामी चलचित्रों में उपयोगी होते हैं, अर्थात् होलोग्रफ़ी में।
• रात्रि में ड्राइविंग के दौरान विपरीत दिशा से आ रही कार की तेज रोशनी से बचने के लिए,
• पोलेरॉइड को विंड शील्ड और प्रत्येक कार की हेड लाइट के कवर ग्लास पर फिट किया जाता है।
• पोलेरियोड्स का उपयोग पुराने तैल चित्रों में रंग विपरीतता को सुधारने के लिए किया जाता है।
• अतिसूक्ष्म कणों को देखने में चकाचौंध से बचने के लिए सूक्ष्मदर्शी का उद्देश्य पोलेरॉइड्स के साथ लगाया जाता है।
• कैमरे के लेंस के सामने पोलेरॉइड फिट करके सफेद बादलों की स्पष्ट तस्वीरें प्राप्त की जाती हैं।
• पोलेरॉइड का उपयोग ऑप्टिकल तनाव विश्लेषण में भी किया जाता है।

समतल ध्रुवीकृत प्रकाश का उपयोग Uses of Plane Polarized Light:

• सीडी प्लेयर्स में,
• ध्रुवीकृत लेजर बीम कॉम्पैक्ट डिस्क से ध्वनि उत्पन्न करने के लिए सुई के रूप में कार्य करता है, जो एन्कोडेड डिजिटल प्रारूप में होता है।
• ध्रुवीय क्षेत्रों में सौर कम्पास में नेविगेशन के लिए बिखरी हुई धूप के ध्रुवीकरण का उपयोग किया जाता है, जहां चुंबकीय कंपास निष्क्रिय हो जाता है।
• ध्रुवीकरण कोण (आईपी) का निर्धारण करके और ब्रूस्टर के नियम का उपयोग करके, गहरे पारदर्शी पदार्थों का अपवर्तक सूचकांक निर्धारित किया जा सकता है।
• ऑप्टिकल गतिविधि की घटना का उपयोग करके क्रिस्टल और अणुओं में विषमता का अध्ययन करने में |
• गणनाओं और घड़ियों में,
• प्रकाश के ध्रुवीकरण के माध्यम से लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (LCD) द्वारा अक्षरों और संख्याओं का निर्माण किया जाता है।

 

Conclusion: 

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