तरंगों के प्रकार (Types of Waves)

इस लेख में, हम विभिन्न प्रकार की तरंगों, उनके मूल गुणों और तरंगों से संबंधित कुछ तकनीकी शब्दों पर एक नज़र डालने जा रहे हैं।

लेकिन ऐसा करने से पहले, आइए समझते हैं कि तरंगे क्या होती हैं।

Table of Contents

• तरंगे क्या होती है?
• विभिन्न प्रकार की तरंगें
• तरंगो से संबंधित तकनीकी शब्द

तरंगे क्या होती है?

तरंग, स्पंदनात्मक विक्षोभ (vibratory disturbance) का एक रूप है, जो माध्यम के कणों की उनकी माध्य स्थिति के इर्द-गिर्द बार-बार आवधिक गति (periodic motion) के कारण, एक भौतिक माध्यम से यात्रा करता है।

कृपया ध्यान दें कि यह विक्षोभ पैटर्न है जो यात्रा करता है, न कि माध्यम के भौतिक कण। दूसरे शब्दों में, तरंगें बिना किसी वास्तविक गति, प्रवाह, या माध्यम/पदार्थ के भौतिक हस्तांतरण के माध्यम से ऊर्जा को माध्यम में एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाती हैं।

इसलिए, जब एक तरंग एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक जाती है, तो यह विक्षोभ पैटर्न, तथा ऊर्जा को स्थानांतरित करती है, और इस प्रकार सूचना एक स्थान से दूसरे स्थान तक जाती है।

नोट

स्पंद (Pulse, पल्स) भी एक तरंग है। फर्क सिर्फ इतना है कि जब विक्षोभ अचानक होता है और इसकी अवधि कम होती है, तो हम इसे स्पंद कहना पसंद करते हैं। एक स्पंदित न्यूट्रॉन तारे की कल्पना करें जो प्रति सेकंड हजारों बार अपनी धुरी पर घूम रहा है।

जब हम गतिमान पेंडुलम या स्प्रिंग का अध्ययन करते हैं, तो हम एक ही वस्तु को दोलन में देख रहे होते हैं। परन्तु, जब हम तरंगों के बारे में बात करते हैं तो हम कई वस्तुओं के दोलन के बारे में बात कर रहे होते हैं, उदा. एक भौतिक माध्यम में (वायु माध्यम में वायु के अणु, या जल माध्यम में पानी के अणु, आदि)

ऐसे माध्यम के अणु एक दूसरे से लोचदार बलों (elastic forces) द्वारा जुड़े होते हैं। यदि इनमें से कोई गतिमान होता है, तो वह उस विक्षोभ (disturbance) को अपने आस-पास के सभी अन्य अणुओं तक पहुंचाएगा और वे भी गतिमान हो जाएंगे।

आइए कुछ वास्तविक जीवन के उदाहरण देखें।

• तालाब के पानी में अगर हम एक कंकड़ गिरा दें, तो हमें पानी में बाहर की ओर बहने वाली लहरें देखने को मिलती हैं। यह हमारे मन में भ्रम पैदा करता है कि कंकड़ और पानी की सतह के संपर्क के बिंदु से पानी ही बाहर निकल रहा है। लेकिन ऐसा नहीं है। वास्तव में, यह विक्षोभ है जो बाहर निकलता है। आप पानी की सतह पर कुछ कॉर्क के टुकड़े डालकर इसे प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित कर सकते हैं। जैसे ही विक्षोभ उनके पास से गुजरता है, आप देखेंगे कि वे विक्षोभ के केंद्र से दूर जाने के बजाय ऊपर और नीचे जाते हैं। इसका मतलब है कि पानी खुद बाहर नहीं जा रहा होता है।

• जब हम बोलते हैं, तो ध्वनि तरंगें ही हमारे मुख से बाहर की ओर निकलती हैं, वायु नहीं।

नोट

कृपया ध्यान दें कि, हालांकि ऊपर दी गई परिभाषा में हमने भौतिक माध्यम का उल्लेख किया है जिसके माध्यम से कोई तरंग गुजरती है, पर यह हमेशा आवश्यक नहीं होता है। कुछ तरंगें ऐसी होती हैं जिन्हें यात्रा करने के लिए किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती, उदा. प्रकाश तरंग, जो निर्वात में भी चल सकती है।

विभिन्न प्रकार की तरंगें

हम तरंगों को मोटे तौर पर तीन श्रेणियों में वर्गीकृत कर सकते हैं:

• यांत्रिक तरंगें / Mechanical Waves (या लोचदार तरंगें / Elastic Waves)
• विद्युतचुम्बकीय तरंगें / Electromagnetic Waves
• द्रव्य तरंगें / Matter Waves

आइए इन प्रकार की तरंगों के बारे में अधिक विस्तार से जानें।

यांत्रिक तरंगें (Mechanical Waves)

यांत्रिक तरंगों को प्रसार के लिए एक माध्यम की आवश्यकता होती है, चाहे वह ठोस, तरल या गैस हो। वे निर्वात के माध्यम से यात्रा नहीं कर सकती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि वे माध्यम के लोचदार गुणों पर निर्भर करती हैं।

जब वे माध्यम से गुजरती हैं, तो इसके घटक कण दोलन करते हैं।

यांत्रिक तरंगें सबसे परिचित प्रकार की तरंगें हैं। यांत्रिक तरंगों के कुछ उदाहरण हैं: ध्वनि तरंगें, भूकंपीय तरंगें, जल तरंगें, तार पर तरंगें, आदि।

यांत्रिक तरंगों के प्रकार

यांत्रिक तरंगें दो प्रकार की होती हैं: अनुप्रस्थ तरंगें और अनुदैर्ध्य तरंगें।

अनुप्रस्थ तरंगें (Transverse waves)

जब अनुप्रस्थ तरंगें किसी माध्यम से गुजरती हैं, तो माध्यम के घटक तरंग प्रसार की दिशा के लंबवत दोलन करते हैं। इसलिए इन तरंगों का ध्रुवीकरण (polarized) किया जा सकता है।

ऐसी तरंगों को कठोर माध्यम की आवश्यकता होती है। इसलिए वे केवल ठोस, और तरल पदार्थ की सतह पर ही यात्रा कर सकती हैं। वे गैसों और तरल पदार्थों के अंदर के माध्यम से प्रचार नहीं कर सकतीं।

अनुप्रस्थ तरंगें यात्रा करते समय शिखा (crests) और गर्त (troughs) बनाती हैं।

• शिखा (crests): ऊर्ध्व दिशा में अधिकतम विस्थापन की स्थिति।
• गर्त (Trough): नीचे की दिशा में अधिकतम विस्थापन की स्थिति।

अनुप्रस्थ तरंग की तरंगदैर्घ्य (λ) = दो आसन्न शिखरों या गर्तों के बीच की दूरी।

अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal waves)

जब अनुदैर्ध्य तरंगें किसी माध्यम से गुजरती हैं, तो माध्यम के घटक तरंग प्रसार की दिशा में दोलन करते हैं। इसलिए इन तरंगों का ध्रुवीकरण नहीं किया जा सकता है।

ऐसी तरंगें ठोस, तरल और गैसों में यात्रा कर सकती हैं।

अनुप्रस्थ तरंगें यात्रा करते समय संपीडन और विरलन बनाती हैं। यानी माध्यम में घनत्व और दबाव कुछ बिंदुओं पर अधिकतम और अन्य कुछ बिंदुओं पर न्यूनतम हो जाता है।

• संपीड़न (Compression): वे बिंदु जहां माध्यम में घनत्व और दबाव अधिकतम होता है।
• विरलन (Rarefaction): वे बिंदु जहां माध्यम में घनत्व और दबाव न्यूनतम होता है।

विद्युतचुम्बकीय तरंगें (Electromagnetic Waves)

विद्युत चुम्बकीय तरंगें माध्यम और निर्वात में समान रूप से यात्रा कर सकती हैं। यानी जरूरी नहीं कि उन्हें किसी माध्यम की जरूरत हो।

विद्युत चुम्बकीय तरंगों के कुछ उदाहरण हैं: प्रकाश, रेडियो तरंगें, एक्स-रे, आदि।

नोट

पहले, प्रकाश को भी एक यांत्रिक तरंग माना जाता था। चूंकि यांत्रिक तरंग को प्रसार के लिए एक माध्यम की आवश्यकता होती है, ईथर (ether) नामक एक काल्पनिक माध्यम प्रस्तावित किया गया। हालांकि, ईथर की उपस्थिति कभी साबित नहीं हुई। वास्तव में, माइकलसन-मोरली प्रयोग (Michelson-Morely experiment) ने ईथर ड्रैग के लिए नकारात्मक परिणाम दिया। अतः इस परिकल्पना को त्याग दिया गया।

नोट

कैथोड किरणें (cathode rays), कैनाल किरणें (canal rays), α किरणें, β किरणें, ध्वनि तरंगें और अल्ट्रासोनिक तरंगें, विद्युत चुम्बकीय तरंगें नहीं हैं।

नोट

सभी वैद्युतचुंबकीय तरंगें निर्वात में समान गति से गमन करती हैं। यह गति एक स्थिरांक है, जिसे प्रतीक c द्वारा दर्शाया जाता है। इसका मान 299,792,458 मीटर/सेकंड है।

पदार्थ तरंगें (Matter Waves)

पदार्थ तरंगें उप-परमाणु कणों (जैसे इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, परमाणु और अणु) से सम्बंधित होती हैं, क्योंकि इन क्वांटम आकार के कणों में कण प्रकृति (particle nature) और तरंग प्रकृति (wave nature) दोनों होती हैं। चूंकि ये उपपरमाण्विक कण (subatomic particles) पदार्थ के घटक हैं, इसलिए इनसे जुड़ी तरंगों को पदार्थ तरंगें कहा जाता है।

ये तरंगें यांत्रिक या विद्युत-चुंबकीय तरंगों की तुलना में अवधारणात्मक रूप से बहुत अधिक सारगर्भित (abstract) हैं, क्योंकि वे प्रकृति के क्वांटम यांत्रिक विवरण (quantum mechanical description of nature) से संबंधित हैं। लेकिन वे सिद्धांत तक सीमित नहीं हैं। उनके कई व्यावहारिक अनुप्रयोग भी हैं, उदा. इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी, इलेक्ट्रॉन पदार्थ तरंगों का उपयोग करते हैं।

तरंगो से संबंधित तकनीकी शब्द

तरंग दैर्ध्य (Wavelength)

यह एक तरंग में दो निकटतम बिंदुओं के बीच की दूरी है जो कंपन के एक ही चरण में हैं। यह प्रतीक λ (ग्रीक अक्षर लैम्ब्डा) द्वारा निरूपित किया जाता है।

दूसरे शब्दों में, यह माध्यम के किसी भी कण के एक पूर्ण दोलन को कवर करने के लिए आवश्यक दूरी है।

• अनुप्रस्थ तरंग में: तरंगदैर्घ्य दो क्रमागत/आसन्न शिखरों या गर्तों के बीच की दूरी है।
• अनुदैर्ध्य तरंग में: तरंगदैर्घ्य दो क्रमागत/आसन्न संपीडनों या विरलन के बीच की दूरी है।

आवर्त काल (Time Period)

यह एक तरंग द्वारा एक कंपन को पूरा करने में लगने वाला समय है। इसे प्रतीक T से निरूपित किया जाता है।

दूसरे शब्दों में, यह माध्यम के कणों के कंपन द्वारा एक दोलन पूरा करने में लगने वाला समय है।

आवृत्ति (Frequency)

यह एक सेकंड में एक तरंग द्वारा पूर्ण किए गए कंपनों की संख्या है। इसे प्रतीक v (ग्रीक अक्षर nu), n, या f द्वारा दर्शाया जाता है। इसका SI मात्रक हर्ट्ज़ (hertz) है।

दूसरे शब्दों में, यह एक सेकंड में माध्यम के कणों द्वारा किए गए दोलनों की संख्या है।

आवृत्ति (v) = 1/आवर्त काल (T)

आयाम (Amplitude)

तरंग का आयाम, माध्यम के कणों के कंपन की माध्य/संतुलन स्थिति या साम्यवस्था से अधिकतम विस्थापन (दोनों तरफ) होता है। यह प्रतीक a द्वारा निरूपित किया जाता है।

कला (फेज, Phase)

एक तरंग की कला, एक निश्चित समय में माध्यम के एक कण की गति की स्थिति (state of motion) है।

किसी विशेष समय पर किसी कण की गति की स्थिति, उसकी स्थिति/position (अर्थात जहां वह है) और उस क्षण गति की दिशा (direction of motion) दोनों को संदर्भित करती है।

तरंग गति (Wave Speed)

तरंग गति, तरंग/विक्षोभ द्वारा तय की गई दूरी की दर है। यह प्रतीक v द्वारा निरूपित की जाती है।

तरंग गति (v) = आवृत्ति (n) × तरंग दैर्ध्य (λ)