प्रकाश के अपवर्तन की अवधारणा

प्रकाशिकी अध्याय में परावर्तन (Reflection) और अपवर्तन (Refraction) दो बहुत ही बुनियादी अवधारणाएँ हैं। इस लेख में, हम उनमें से एक के बारे में जानेंगे - अपवर्तन। हम पूर्ण आंतरिक परावर्तन की एक संबंधित अवधारणा के बारे में भी अध्ययन करेंगे।

Table of Contents

• अपवर्तन क्या होता है?
• पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब (Total Internal Reflection)

अपवर्तन क्या होता है?

जब प्रकाश की किरण एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाती है तो वह थोड़ी मुड़ जाती है (इसमें से कुछ परावर्तित भी हो जाती है)। प्रकाश के मुड़ने की इस घटना को अपवर्तन (Refraction) कहते हैं।

आइए, अब हम अपवर्तन के कुछ नियमों के बारे में जानें।

अपवर्तन के नियम

अपवर्तन के इन नियमों को प्रयोगात्मक रूप से स्नेल (Snell) द्वारा निर्धारित किया गया था। य़े हैं:

• आपतित किरण (incident ray), अपवर्तित किरण (refracted ray), साथ ही आपतन बिंदु पर अंतरापृष्ठ के अभिलम्ब (normal to the interface at the point of incidence), एक ही तल में होते हैं।
• आपतन कोण की ज्या का अपवर्तन कोण की ज्या से अनुपात स्थिर होता है।

अपवर्तनांक और स्नेल का अपवर्तन का नियम

अपवर्तक सूचकांक (अपवर्तनांक, Refractive Index)

अपवर्तक सूचकांक उस प्रत्येक माध्यम से संबंधित एक अवधारणा है जिसमें से प्रकाश गुजर सकता है।

यह निर्वात (c) में प्रकाश की गति का, उस माध्यम (v) में प्रकाश की गति का अनुपात है। इसे प्रतीक μ या n द्वारा दर्शाया जाता है।

अतः, किसी माध्यम का अपवर्तनांक (μ) = c/v

बेशक, यह किसी माध्यम के लिए स्थिर होता है।

उपरोक्त सूत्र हमें निर्वात के सापेक्ष किसी माध्यम का पूर्ण अपवर्तनांक (absolute refractive index) देता है। लेकिन हम किसी दूसरे माध्यम के सापेक्ष भी किसी माध्यम का अपवर्तनांक ज्ञात कर सकते हैं।

स्नेल का अपवर्तन का नियम (Snell’s law of refraction)

मान लीजिए, हमारे पास दो माध्यम 1 और 2 हैं, तो:
पहले माध्यम के सापेक्ष दूसरे माध्यम का अपवर्तनांक, \(n_{21}\) = sin i / sin r

यहाँ, i आपतन कोण है (वह कोण जो आपतित किरण अभिलंब से बनाती है), और r अपवर्तन कोण है (वह कोण जो अपवर्तित किरण अभिलंब से बनाती है)

बेशक, यह अनुपात किन्हीं दो माध्यमों के लिए एक स्थिरांक होता है।

नोट

\(n_{21}\) माध्यमों के जोड़े की विशेषता है (यह प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर भी निर्भर करता है)। हालांकि, यह आपतन कोण (angle of incidence) से स्वतंत्र है।

नोट

कृपया ध्यान दें कि, जब:

• प्रकाश विरल माध्यम से सघन माध्यम में जाता है, तो यह आपतन बिंदु पर अभिलंब की ओर झुक जाता है।

• प्रकाश सघन माध्यम से विरल माध्यम में जाता है, तो यह अभिलम्ब से दूर झुक जाता है।

नोट

जब प्रकाश की किरण एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाती है, तो आप देखेंगे कि:

• इसकी तरंगदैर्घ्य (wavelength) और वेग (velocity) में परिवर्तन होता है।
• इसकी आवृत्ति (frequency) और कला (phase) नहीं बदलते हैं।

अपवर्तन के उदाहरण

अब, आइए कुछ वास्तविक जीवन के उदाहरणों को सूचीबद्ध करें जिनमें हम अपवर्तन देखते हैं।

• वायुमंडलीय अपवर्तन (Atmospheric refraction): अपवर्तन हमारे वायुमंडल में भी होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि पृथ्वी के वायुमंडल का घनत्व ऊंचाई के साथ घटता जाता है, जो प्रभावी रूप से विभिन्न घनत्व और अपवर्तक सूचकांक के कई माध्यमों/परतों के निर्माण का कारण बनता है। सूर्य का प्रकाश विभिन्न अपवर्तनांक की इन विभिन्न परतों से होकर गुजरता है, बार-बार अपवर्तित होता है और इसलिए एक घुमावदार पथ का अनुसरण करता है। यही कारण है कि सुबह और शाम के समय तारे टिमटिमाते हैं और सूर्य का आकार अंडाकार प्रतीत होता है।
  

• वायुमंडलीय अपवर्तन, आकाश में सूर्य की दृश्यता को भी बढ़ाता है। वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण, सूर्य वास्तविक सूर्योदय से थोड़ा पहले और वास्तविक सूर्यास्त के कुछ समय बाद तक दिखाई देता है।
  

• जब हम किसी रैखिक वस्तु को आंशिक रूप से तरल में डुबाते हैं (तरल की सतह से झुकाकर), तो वह मुड़ी हुई दिखती है। आपने इसे पानी के साथ होता देखा होगा।
  

• पानी से भरे बर्तन के आधार पर कोई वस्तु (जैसे सिक्का, रबड़, पेंसिल, आदि) ऊपर उठी हुई दिखाई देती है (अर्थार्थ वो पास में प्रतीत होती है)।

पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब (Total Internal Reflection)

इससे पहले कि हम पूर्ण आंतरिक परावर्तन के बारे में जानें, हमें यह समझना होगा कि आंतरिक प्रतिबिंब क्या होता है।

आंतरिक परावर्तन क्या होता है?

जब प्रकाश प्रकाशिक रूप से सघन (प्रथम) माध्यम से विरल (द्वितीय) माध्यम में जाता है, तब:

• इसका एक हिस्सा इंटरफेस पर (दूसरे माध्यम में) अपवर्तित/refracted होता है।
• इसका एक हिस्सा इंटरफेस पर (पहले माध्यम में वापस) परिवर्तित/reflected होता है। इस परावर्तन को आंतरिक परावर्तन कहते हैं।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन क्या होता है?

यदि हम सघन माध्यम में आपतन कोण बढ़ाते रहें, तो विरल माध्यम में अपवर्तन कोण भी बढ़ता रहता है।

वह आपतन कोण, जिस पर अपवर्तन कोण 90° हो जाता है, क्रांतिक कोण (critical angle, C) कहलाता है।

यदि अब हम आपतन कोण को और बढ़ा दें (ताकि यह क्रांतिक कोण से अधिक हो जाये), तो इंटरफेस पर आपतित प्रकाश सघन माध्यम में वापस परावर्तित हो जाता है। यह पूर्ण आंतरिक परावर्तन है।

तो, पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब होने के लिए, दो शर्तों को पूरा करने की आवश्यकता है:

• पूर्ण आंतरिक परावर्तन तभी होता है जब प्रकाश किरण सघन माध्यम से विरल माध्यम में गमन करती है।
• सघन माध्यम में आपतन कोण, क्रांतिक कोण से अधिक होना चाहिए।

परावर्तन बनाम कुल आंतरिक परावर्तन

सामान्य परावर्तन में, आम तौर पर प्रकाश का कुछ हिस्सा संचरित (transmitted) हो जाता है, यानी परावर्तित होने वाली प्रकाश किरण हमेशा आपतित किरण की तुलना में कम तीव्र होती है (चाहे परावर्तक सतह कितनी भी चमकदार या चिकनी क्यों न हो)।

परन्तु, पूर्ण आंतरिक परावर्तन के मामले में प्रकाश का कोई संचरण नहीं होता है। तो, परावर्तित किरण मूल किरण जितनी ही तीव्र होती है।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन के उदाहरण

अब, आइए कुछ वास्तविक जीवन के उदाहरणों को सूचीबद्ध करें जिनमें हम पूर्ण आंतरिक परावर्तन देखते हैं।

• मिराज (Mirage): यह पानी का एक ऑप्टिकल भ्रम है जो गर्मी के दिनों में रेगिस्तान में होता है। रेगिस्तान में दिन के दौरान (विशेषकर गर्मी के समय में), जमीन बहुत गर्म होती है और इस कारणवश पृथ्वी की सतह के पास गर्म हवा की परतें कम घनी होती है। पृथ्वी की सतह से दूर हवा की परतें अपेक्षाकृत ठंडी होती हैं, और इसलिए सघन होती हैं। जब किसी पेड़ या बादल से प्रकाश की किरण पृथ्वी की ओर बढ़ती है, तो वह धीरे-धीरे अभिलम्ब से दूर चली जाती है। जब आपतन कोण क्रान्तिक कोण से अधिक हो जाता है, तो पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है (अर्थात प्रकाश किरणें वापस ऊपर की ओर परावर्तित होती हैं)। जब कोई यात्री रेगिस्तान में ऐसी किरणें देखता है, तो उसे जमीन पर एक पेड़ की उलटी छवि दिखाई देती है। इससे उसे लगता है कि जमीन पर पानी होना चाहिए।

• पानी में बुलबुले, और हीरा भी बार-बार हो रहे पूर्ण आंतरिक परावर्तन के कारण चमकते हैं।
  

• आप्टिकल फाइबर्स: ये पूर्ण आंतरिक परावर्तन के सिद्धांत पर कार्य करते हैं। ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग दूरसंचार और नेटवर्किंग में किया जाता है, क्योंकि वे कई सिग्नल (प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य का उपयोग करके) ले जा सकते हैं। ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग सर्जिकल प्रक्रियाओं में भी किया जाता है, जैसे एंडोस्कोपी/endoscopy (कैमरे वाले पाइप रोगी के शरीर के अंदर डाले जाते हैं)। उनका उपयोग सजावटी उद्देश्यों के लिए भी किया जाता है, जैसे कि सजावटी टेबल लैंप।

ऑप्टिकल फाइबर की कार्यप्रणाली और अधिक विस्तार से

ऑप्टिकल फाइबर के दो प्रमुख भाग होते हैं:

• भीतरी भाग, उच्च अपवर्तनांक का कांच का कोर होता है।

• बाहरी भाग (क्लैडिंग), कम अपवर्तनांक का गिलास होता है, जो आंतरिक कोर को चारों और से घेरे रहता है। (गिलास की ये दोनों परतें प्लास्टिक के आवरण से ढकी होती हैं।)

जब कोर के अंदर का प्रकाश बाहरी परत की ओर बढ़ता है, तो पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है, और प्रकाश संकेत फिर से कोर की ओर परावर्तित होता है।

ऐसा बार-बार होता है, बिना प्रकाश संकेत को कमजोर किए। तो, एक ऑप्टिकल फाइबर में प्रकाश संकेत ज्यादा तीव्रता को खोए बिना लम्बी दूरी तक जा सकता है।