प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण एवं प्रकीर्णन (Dispersion and Scattering of light)

इस लेख में, हम प्रकाश के वर्ण-विक्षेपण (dispersion) और प्रकीर्णन (scattering) की परिघटना के बारे में अध्ययन करेंगे, और साथ ही उन रंगों के बारे में भी अध्ययन करेंगे जिनसे श्वेत प्रकाश बना है।

Table of Contents

• प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण (Dispersion of Light)
• प्रकाश का प्रकीर्णन
• रंग

प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण (Dispersion of Light)

जब प्रकाश की किरण किसी प्रकाशिक माध्यम (जैसे प्रिज्म) से गुजरती है, तो वह न केवल अपने मूल पथ से भटकती है, बल्कि अपने घटक रंगों में भी विभाजित हो जाती है। उदाहरण के लिए, प्रकाश की एक सफेद किरण सात रंगों के रंगीन बैंड में विभाजित हो जाती है। प्रकाश के अपने घटक भागों में विभाजित होने की इस घटना को प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण कहा जाता है।

नोट

वास्तव में, यह सर आइजैक न्यूटन (Sir Isaac Newton) ही थे जिन्होंने निर्गत किरणों (emergent rays) में प्रकाश के वर्ण-विक्षेपण को देखा था, जब एक प्रिज्म पर प्रकाश की एक संकीर्ण किरण आपतित की गयी थी।

प्रकाश का दृश्यमान स्पेक्ट्रम (Visible spectrum of light)

सात रंगों की रंगीन पट्टी या पैटर्न - बैंगनी, नील, नीला, हरा, पीला, नारंगी और लाल (Violet, Indigo, Blue, Green, Yellow, Orange and Red), प्रकाश का दृश्य स्पेक्ट्रम कहलाता है। ये सात रंग (जिनमें से प्रत्येक विभिन्न तरंग दैर्ध्य के विद्युत चुम्बकीय तरंगों से बने होते हैं) सफेद प्रकाश के घटक होते हैं, और हम उन्हें एक स्मरक VIBGYOR का उपयोग करके याद रख सकते हैं।

नोट

प्रकाश का दृश्य स्पेक्ट्रम पूरे विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का केवल एक छोटा सा हिस्सा भर है। विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम का एक बड़ा हिस्सा मानव आँख को दिखाई नहीं देता है, उदा. रेडियो किरणें, γ-किरणें। ऐसा इसलिए है क्योंकि मानव आंख केवल एक निश्चित श्रेणी की तरंग दैर्ध्य / आवृत्तियों की विद्युत चुम्बकीय तरंगों को देख सकती है। बहुत अधिक या निम्न तरंगदैर्घ्य/आवृत्तियों की विद्युतचुंबकीय तरंगें मनुष्य द्वारा देखी नहीं जा सकती हैं।

विचलन का कोण (Angle of deviation)

विचलन कोण (δ), आपतित किरण और निर्गत किरण के बीच अंतरित कोण होता है।

विभिन्न रंगों की तरंगों का विचलन का कोण/डिग्री अलग-अलग होगा। आइए जानें क्यों।

प्रकाश किरण का विक्षेपण इसलिए होता है क्योंकि विभिन्न तरंग दैर्ध्य (रंगों) के लिए किसी भी माध्यम का अपवर्तनांक (refractive index) भिन्न होता है। तरंगदैर्घ्य जितना कम होगा, अपवर्तनांक उतना ही अधिक होगा और प्रकाश की किरण उतनी ही अधिक विचलित होगी।

हर रंग की एक अलग तरंग दैर्ध्य होती है। दृश्यमान स्पेक्ट्रम में, लाल प्रकाश लंबी तरंग दैर्ध्य अंत (~ 700 nm) पर होता है, जबकि बैंगनी प्रकाश लघु तरंग दैर्ध्य अंत (~ 400 nm) पर होता है। इसका मतलब है कि:

• दृश्य स्पेक्ट्रम में, बैंगनी रंग के प्रकाश के लिए कांच का अपवर्तनांक अधिकतम होता है। तो, बैंगनी रंग की किरण सबसे अधिक विचलन करेगी, अर्थात इसका विचलन कोण अधिकतम होगा।
• दृश्य स्पेक्ट्रम में लाल रंग के प्रकाश के लिए कांच का अपवर्तनांक न्यूनतम होता है। अत: लाल रंग की किरण का विचलन सबसे कम होगा, अर्थात इसका विचलन कोण न्यूनतम होगा। (लाल प्रकाश कांच के प्रिज्म में बैंगनी प्रकाश की तुलना में तेजी से यात्रा करता है)।

नोट

तरंग दैर्ध्य के साथ अपवर्तनांक की भिन्नता प्रत्येक माध्यम के लिए समान नहीं होती है। यह किसी माध्यम में दूसरे से अधिक हो सकता है। वास्तव में, निर्वात में (या हवा में लगभग) प्रकाश की गति तरंग दैर्ध्य से स्वतंत्र होती है (अर्थात सभी रंग समान गति से यात्रा करते हैं); इसलिए किसी भी तरंग दैर्ध्य की प्रकाश तरंगों का अपवर्तनांक निर्वात में लगभग समान होता है। यही कारण है कि पृथ्वी के वायुमंडल की वायु और अंतरिक्ष के निर्वात से गुजरने के बाद भी हमारे सूर्य से आने वाला सफेद प्रकाश बिखरता नहीं है। यह हम तक श्वेत प्रकाश के रूप में पहुंचता है, न कि इसके घटक रंगों के इंद्रधनुष के रूप में। इसलिए हम ऐसे माध्यम को अक्षेपणी माध्यम (non-dispersive medium) कहते हैं। दूसरी ओर, कांच जैसे माध्यम परिक्षेपी माध्यम (dispersive medium) हैं।

प्रकाश के वर्ण-विक्षेपण के उदाहरण

कांच के प्रिज्म द्वारा प्रकाश के वर्ण-विक्षेपण के अलावा, हम इस घटना को विभिन्न अन्य प्राकृतिक और मानव निर्मित परिदृश्यों में देख सकते हैं। आइए उनमें से कुछ को नीचे सूचीबद्ध करें।

इंद्रधनुष

हम सभी ने अपने जीवनकाल में कम से कम एक बार बारिश की बौछार के बाद आसमान में इंद्रधनुष देखा होगा। यह सात रंगों का एक गोलाकार बैंड होता है।

इंद्रधनुष का निर्माण तब होता है जब हवा में लटकी पानी की बूंदों द्वारा सूर्य के प्रकाश का बिखराव (वर्ण-विक्षेपण) होता है। इसलिए आकाश में इंद्रधनुष सूर्य की विपरीत दिशा में बनता है।

नोट

पानी की प्रत्येक बूंद में सूर्य के प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण होता है, और फिर आंतरिक परावर्तन (internal reflection) होता है।

वर्ण विपथन (Chromatic Aberration)

वर्णिक विपथन (या वर्ण विपथन, या रंगीन विपथन) लेंस द्वारा बनने वाले प्रतिबिम्ब में एक सामान्य दोष होता है। इसमें, लेंस द्वारा बनाई गई सफेद वस्तु की छवि आमतौर पर रंगीन और धुंधली बनती है।

इस घटना के पीछे का कारण यह है कि लेंस सामग्री का अपवर्तनांक प्रकाश की तरंग लंबाई (अर्थात रंग) पर निर्भर करता है, और अलग-अलग रंग के लिए भिन्न होता है।

प्रकाश का प्रकीर्णन

प्रकाश के प्रकीर्णन (Scattering of light) का अर्थ है किसी बाधा का सामना करने के बाद प्रकाश की दिशा में परिवर्तन।

उदाहरण के लिए, पृथ्वी का वायुमंडल छोटे-छोटे कणों से भरा हुआ है, जिनका आकार प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के कोटि का है। जैसे ही सूर्य का प्रकाश वायुमंडल से होकर गुजरता है, इन कणों से टकराकर बिखर जाता है।

क्या आप अनुमान लगा सकते हैं कि किस प्रकार का प्रकाश सबसे अधिक प्रकीर्णित होगा?

वैसे इस सवाल का जवाब काफी आसान है। जरा ऊपर आसमान की तरफ देखिये!

किसी प्रकाश किरण की तरंगदैर्घ्य जितनी कम होगी, वह उतनी ही अधिक प्रकीर्णित होगी। गणितीय शब्दों में, प्रकीर्णन की मात्रा तरंग दैर्ध्य की चौथी शक्ति के व्युत्क्रमानुपाती होती है (जिसे रेले/Rayleigh प्रकीर्णन के रूप में जाना जाता है)।

इसका मतलब है कि:

• बैंगनी और नीला प्रकाश, जिनकी तरंगदैर्घ्य कम होती है, सबसे अधिक प्रकीर्णित होते हैं। इसलिए आकाश नीला दिखता है। (यद्यपि अन्य रंग भी कुछ हद तक बिखर जाते हैं, पर नीला रंग प्रबल होता है)
• लाल प्रकाश, जिसकी तरंगदैर्घ्य अधिक होती है, सबसे कम प्रकीर्णित होता है। इसलिए हम अक्सर खतरे के संकेतों के लिए लाल बत्ती का उपयोग करते हैं - क्योंकि वह वातावरण में सबसे कम बिखरता है, उसे दूर से देखा जा सकता है।

प्रकीर्णन से संबंधित अक्सर पूछे जाने वाले सामान्य प्रश्न

आकाश का रंग बैंगनी क्यों नहीं दिखता?

हम जानते हैं कि किसी प्रकाश किरण की तरंगदैर्घ्य जितनी कम होगी, वह उतनी ही अधिक प्रकीर्णित होगी। बैंगनी रंग के प्रकाश की तरंगदैर्घ्य नीले रंग के प्रकाश की तरंगदैर्घ्य से कम होती है। तब इस तर्क से आकाश का रंग बैंगनी होना चाहिए था, नीला नहीं। ऐसा क्यों नहीं है?

हाँ, यह सच है कि बैंगनी प्रकाश नीले रंग से भी अधिक प्रकीर्णित होता है। परन्तु, मानव आंखें बैंगनी/वायलेट की तुलना में नीले रंग के प्रति अधिक संवेदनशील होती हैं। इसलिए हमें आकाश नीला दिखाई देता है।

धूल के कणों और जलवाष्प से भरे होने के बावजूद बादल आमतौर पर सफेद क्यों दिखते हैं?

धूल के कण आकार में बड़े होते हैं और पानी की बूंदें भी। इसलिए वे सभी रंगों को लगभग समान रूप से बिखेरते (प्रकीर्णन करते) हैं। इसलिए ऐसे बादल आमतौर पर सफेद रंग के होते हैं।

सुबह और शाम को आसमान लाल क्यों दिखता है?

सूर्यास्त और सूर्योदय के समय सूर्य के प्रकाश को वायुमंडल में से अधिक दूरी तय करनी पड़ती है।

जब तक सूर्य की किरणें जमीन पर पहुंचती हैं, तब तक लगभग सभी नीली रोशनी और अन्य छोटी तरंग दैर्ध्य पहले ही बिखर (प्रकीर्णन) चुकी होती हैं। शेष प्रकाश में प्रमुखता से नारंगी और लाल रंग ही होते हैं।

क्षितिज के निकट लाल पूर्णिमा के होने के पीछे भी यही कारण है।

अंतरिक्ष काला क्यों दिखता है?

अंतरिक्ष यात्रियों को अंतरिक्ष काला दिखता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अंतरिक्ष में कोई वायुमंडल नहीं है। कोई वायुमंडल नहीं अर्थात प्रकाश का प्रकीर्णन नहीं होगा। तो, अंतरिक्ष काला दिखता है।

रंग

अलग-अलग वस्तुओं के अलग-अलग रंग क्यों होते हैं?

ऐसा इसलिए है क्योंकि जब प्रकाश किसी वस्तु पर आपतित होता है तो वह उसके केवल एक भाग को ही परावर्तित करता है। वस्तुएं कुछ रंगों को अवशोषित (absorb) करती हैं, जबकि अन्य को परावर्तित (reflect) करती हैं। किसी वस्तु द्वारा परावर्तित प्रकाश वस्तु का रंग तय करता है।

आइए कुछ उदाहरण देखें।

• घास हरी दिखती है क्योंकि यह प्रकाश के हरे रंग को वापस परावर्तित कर देती है (और अन्य सभी रंगों को अवशोषित कर लेती है)।
• सेब लाल दिखता है क्योंकि यह प्रकाश के लाल रंग को वापस परावर्तित करता है (और अन्य सभी रंगों को अवशोषित करता है)।

लेकिन क्या होगा यदि आपतित प्रकाश में किसी वस्तु द्वारा परावर्तित होने वाला रंग हो ही नहीं? मान लीजिये, अगर हम गुलाब को हरी रोशनी में देखते हैं, तो गुलाब उसे सोख लेगा। चूँकि यह किसी प्रकाश को परावर्तित नहीं करेगा, वह काले रंग का दिखेगा।

नोट

यदि कोई वस्तु सफेद प्रकाश के सभी रंगों को परावर्तित करती है तो वह सफेद दिखाई देती है।

यदि कोई वस्तु श्वेत प्रकाश के सभी रंगों को अवशोषित कर लेती है तो वह काली दिखाई देती है।

आइए अब रंगों की कुछ श्रेणियों के बारे में जानें।

प्राथमिक वर्ण/रंग (Primary Colours)

अन्य सभी रंग बनाने के लिए प्राथमिक रंगों या मूल रंगों का उपयोग किया जा सकता है। तीन प्राथमिक रंग हैं: लाल, नीला और हरा।

नोट

लाल + हरा + नीला = सफेद

रंगीन टेलीविजन

रंगीन टेलीविजन भी प्राथमिक रंगों की अवधारणा का उपयोग करता है। वास्तव में, टेलीविजन पर दिखाए जाने वाले दृश्य को लाल, हरे और नीले रंग के प्राथमिक रंग घटकों में विभाजित किया जाता है, और फिर दूर के स्थानों पर प्रसारित किया जाता है। टीवी स्क्रीन लाल, नीले और हरे रंग के पिक्सेल का उपयोग आपके टेलीविज़न सेट पर दिखाई देने वाले सभी रंगों को उत्पन्न करने के लिए करती है।

दुय्यम रंग (Secondary Colours)

द्वितीयक/दुय्यम रंग वे रंग हैं जो दो प्राथमिक रंगों के मिश्रण से प्राप्त होते हैं। उदाहरण के लिए, पीला, मैजेंटा और सियान (Cyan)।

दुय्यम रंग गठन

लाल + हरा = पीला
लाल + नीला = मैजेंटा
हरा + नीला = सियान (मयूर नीला)

पूरक रंग (Complementary Colours)

पूरक रंग वो दो प्राथमिक या द्वितीयक रंग होते हैं, जो एक साथ मिलाने पर सफेद रंग उत्पन्न करते हैं।

उदाहरण के लिए:
लाल + सियान = सफेद
लाल + मैजेंटा = सफेद
हरा + मैजेंटा = सफेद
नीला + पीला = सफेद