प्रकाश का व्यतिकरण, विवर्तन और ध्रुवण: नोट्स

तीन प्रयोगों ने यह तय किया कि प्रकाश एक तरंग है। व्यतिकरण ने दिखाया कि प्रकाश की दो किरण-पुंज एक-दूसरे को बढ़ा या काट सकती हैं, विवर्तन ने दिखाया कि प्रकाश अवरोध के किनारे से मुड़ जाता है, और ध्रुवण ने दिखाया कि यह तरंग अनुप्रस्थ है, अर्थात कंपन गति की दिशा के लंबवत होते हैं। न्यूटन प्रकाश को कणों की धारा मानते थे, परंतु क्रिस्चियन हाइगेंस की तरंग-कल्पना, जिसे 1801 में थॉमस यंग ने पुनर्जीवित किया और ऑगस्टिन फ्रेनेल ने पूर्ण किया, इन तीनों की व्याख्या करती है। परीक्षाओं में यह अध्याय एक घटना, एक सूत्र या एक दैनिक उदाहरण के रूप में पूछा जाता है, इसलिए नाम, सूत्र और उदाहरण एक साथ याद करने चाहिए।

प्रकाश का व्यतिकरण

जब समान आवृत्ति और स्थिर कलांतर वाली दो तरंगें मिलती हैं, तो कुछ स्थानों पर परिणामी तीव्रता योग से अधिक और कुछ स्थानों पर लगभग शून्य हो जाती है। ऊर्जा के इस पुनर्वितरण को व्यतिकरण कहते हैं; ऊर्जा नष्ट नहीं होती, केवल अदीप्त स्थानों से दीप्त स्थानों पर चली जाती है। थॉमस यंग ने 1801 में एक ही स्रोत के प्रकाश को दो निकट झिरियों से गुजारकर पर्दे पर इसे दिखाया, जहाँ एकांतर क्रम में दीप्त और अदीप्त पट्टियाँ, जिन्हें फ्रिंज कहते हैं, बनीं। जहाँ पथांतर तरंगदैर्घ्य का पूर्ण गुणक होता है वहाँ दीप्त फ्रिंज और जहाँ अर्ध तरंगदैर्घ्य का विषम गुणक होता है वहाँ अदीप्त फ्रिंज बनती है। फ्रिंज की चौड़ाई तरंगदैर्घ्य और पर्दे की दूरी के गुणनफल को झिरियों के बीच की दूरी से भाग देने पर मिलती है, इसलिए पर्दा पीछे हटाने, झिरियाँ पास लाने या नीले के स्थान पर लाल प्रकाश लेने से फ्रिंज चौड़ी हो जाती हैं। स्थायी व्यतिकरण के लिए दो कला-सम्बद्ध स्रोत आवश्यक हैं, अर्थात स्थिर कलांतर वाले स्रोत, इसीलिए दो अलग लैंप लेने के बजाय एक ही स्रोत को दो भागों में बाँटा जाता है। साबुन के बुलबुले के रंग, गीली सड़क पर तेल की पतली परत के रंग और न्यूटन के वलय पतली झिल्ली में व्यतिकरण के दैनिक उदाहरण हैं, जो झिल्ली की ऊपरी और निचली सतह से परावर्तित प्रकाश के मिलने से बनते हैं।

प्रकाश का विवर्तन

तरंग का किसी अवरोध या छिद्र के किनारों से मुड़कर ज्यामितीय छाया में फैल जाना विवर्तन कहलाता है। यह तभी स्पष्ट दिखता है जब अवरोध या झिरी का आकार तरंगदैर्घ्य के समकक्ष हो। दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्घ्य केवल लगभग 400 से 700 नैनोमीटर है, इसलिए सामान्य कमरों में प्रकाश सीधी रेखा में चलता प्रतीत होता है, जबकि ध्वनि, जिसकी तरंगदैर्घ्य मीटर की कोटि की है, दरवाजे से सरलता से मुड़ जाती है और दूसरे कमरे से सुनी जा सकती है। एकल झिरी के प्रतिरूप में मध्य की दीप्त पट्टी सबसे चौड़ी और सबसे चमकीली होती है और दोनों ओर की पट्टियाँ क्रमशः धुँधली होती जाती हैं; विवर्तन ग्रेटिंग श्वेत प्रकाश को उसके रंगों में बाँट देती है, इसी कारण कॉम्पैक्ट डिस्क की निचली सतह पर इंद्रधनुषी रंग दिखते हैं। विवर्तन यह भी तय करता है कि कोई यंत्र कितनी सूक्ष्म वस्तुएँ अलग दिखा सकता है: दो बिंदु वस्तुएँ तब ही पृथक दिखती हैं जब उनका कोणीय पृथक्करण 1.22 गुना तरंगदैर्घ्य को द्वारक के व्यास से भाग देने पर प्राप्त मान के बराबर हो, इसीलिए बड़े अभिदृश्यक वाली दूरदर्शी अधिक सूक्ष्म विवरण दिखाती है और सूक्ष्मदर्शी में छोटी तरंगदैर्घ्य का प्रकाश बेहतर होता है।

प्रकाश का ध्रुवण

लैंप या सूर्य से आने वाला सामान्य प्रकाश अपनी गति की दिशा के लंबवत प्रत्येक तल में कंपन करता है और अध्रुवित कहलाता है। यदि कंपन केवल एक तल तक सीमित कर दिए जाएँ तो प्रकाश समतल ध्रुवित कहलाता है, और यह कार्य करने वाली युक्ति, अर्थात एक दिशा में व्यवस्थित लंबी शृंखला वाले अणुओं की शीट, पोलेरॉइड कहलाती है। ध्रुवण केवल अनुप्रस्थ तरंगों में संभव है, इसलिए यही प्रमाण है कि प्रकाश अनुप्रस्थ तरंग है और इसी कारण अनुदैर्घ्य ध्वनि तरंग कभी ध्रुवित नहीं हो सकती। मैलस का नियम बताता है कि दूसरे पोलेरॉइड से निकलने वाली तीव्रता आपाती तीव्रता और दोनों के बीच के कोण की कोज्या के वर्ग का गुणनफल होती है, इसलिए नब्बे अंश पर रखे क्रॉस पोलेरॉइड प्रकाश को पूरी तरह रोक देते हैं। किसी सतह से परावर्तित प्रकाश आंशिक रूप से ध्रुवित होता है, और एक विशेष आपतन कोण, जिसे ध्रुवण कोण कहते हैं, पर परावर्तित प्रकाश पूर्णतः समतल ध्रुवित हो जाता है; ब्रूस्टर का नियम कहता है कि इस कोण की स्पर्शज्या सतह के अपवर्तनांक के बराबर होती है। कैल्साइट और क्वार्ट्ज एक किरण को दो ध्रुवित किरणों में बाँट देते हैं, जिसे द्विअपवर्तन कहते हैं और जिसका उपयोग निकोल प्रिज्म में होता है। प्रकीर्णित प्रकाश भी ध्रुवित होता है, इसीलिए आकाश का नीलापन आंशिक रूप से ध्रुवित होता है।

याद रखने योग्य सूत्र

इन प्रभावों के उपयोग

• पोलेरॉइड धूप-चश्मे और कैमरा फिल्टर पानी, काँच तथा सड़क से परावर्तित चमक को काटते हैं, क्योंकि वह परावर्तित प्रकाश मुख्यतः एक तल में ध्रुवित होता है।
• घड़ियों, कैलकुलेटर और स्क्रीन के द्रव क्रिस्टल प्रदर्श दो पोलेरॉइड के बीच कार्य करते हैं।
• त्रिआयामी फिल्में समकोण पर रखे पोलेरॉइड से दिखाई जाती हैं, जिससे प्रत्येक आँख को अपना चित्र मिलता है।
• पारदर्शी प्रतिरूप में तनाव का अध्ययन पोलेरॉइड के बीच दिखने वाली रंगीन फ्रिंजों से किया जाता है, इस विधि को प्रकाश-प्रत्यास्थता कहते हैं।
• चीनी के विलयन की जाँच पोलेरिमीटर से होती है, क्योंकि चीनी ध्रुवण तल को सांद्रता के अनुसार घुमा देती है।
• कैमरा लेंस पर चढ़ाई गई पतली परतें व्यतिकरण से अवांछित परावर्तन समाप्त करती हैं।