प्रकाश: परावर्तन और अपवर्तन के नोट्स तथा विगत प्रश्न

प्रकाश ऊर्जा का वह रूप है जो विद्युत चुंबकीय तरंग के रूप में चलता है और जिसे किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती, इसीलिए सूर्य का प्रकाश अंतरिक्ष के निर्वात को पार कर लेता है। निर्वात में इसकी चाल लगभग तीन लाख किलोमीटर प्रति सेकंड है, जिसे 3 गुणा 10 की घात 8 मीटर प्रति सेकंड लिखा जाता है, और यह प्रकृति की ज्ञात सबसे बड़ी चाल है। हर दूसरे माध्यम में प्रकाश इससे धीमा चलता है, और इस अध्याय की लगभग हर बात इसी एक तथ्य से निकलती है। परावर्तन, अपवर्तन, पूर्ण आंतरिक परावर्तन और वर्ण विक्षेपण मिलकर दर्पण, लेंस, मरीचिका, इंद्रधनुष और चश्मे की व्याख्या कर देते हैं।

परावर्तन और दर्पण

किसी सतह से प्रकाश का लौट आना परावर्तन कहलाता है। इसके दो नियम हैं। आपतन कोण परावर्तन कोण के बराबर होता है, तथा आपतित किरण, परावर्तित किरण और आपतन बिंदु पर खींचा गया अभिलंब एक ही तल में होते हैं। समतल दर्पण सदैव वस्तु के बराबर आकार का आभासी और सीधा प्रतिबिंब बनाता है, जो दर्पण के पीछे उतनी ही दूरी पर होता है जितनी दूर वस्तु सामने है, और यह प्रतिबिंब पार्श्व उलटा होता है, इसीलिए वाहन के आगे एंबुलेंस शब्द उलटा लिखा जाता है।

गोलीय दर्पण किसी खोखले गोले का भाग होता है। अवतल दर्पण भीतर की ओर मुड़ा होता है और प्रकाश को अभिसरित करता है, इसलिए वह वास्तविक प्रतिबिंब बना सकता है; उत्तल दर्पण बाहर की ओर मुड़ा होता है और प्रकाश को अपसरित करता है, इसलिए उसका प्रतिबिंब सदा आभासी, सीधा और वस्तु से छोटा होता है। गोलीय दर्पण की फोकस दूरी उसकी वक्रता त्रिज्या की आधी होती है। दर्पण सूत्र 1/v + 1/u = 1/f है और आवर्धन m = -v/u होता है। अवतल दर्पण दाढ़ी बनाने, दंत चिकित्सा, टॉर्च तथा हेडलाइट और सौर कुकर में काम आते हैं; उत्तल दर्पण वाहनों के पश्च-दृश्य दर्पण के रूप में और अंधे मोड़ों पर लगाए जाते हैं क्योंकि वे विस्तृत दृष्टि क्षेत्र देते हैं।

अपवर्तन और लेंस

एक पारदर्शी माध्यम से दूसरे में जाते समय प्रकाश का मुड़ जाना अपवर्तन कहलाता है, और यह इसलिए होता है कि प्रकाश की चाल बदल जाती है। विरल माध्यम से सघन माध्यम में जाने वाली किरण, जैसे वायु से काँच में, धीमी होकर अभिलंब की ओर मुड़ती है; सघन से विरल माध्यम में जाने वाली किरण तेज होकर अभिलंब से दूर हटती है। अभिलंब के अनुदिश पड़ने वाली किरण बिल्कुल नहीं मुड़ती। स्नेल के नियम के अनुसार आपतन कोण की ज्या और अपवर्तन कोण की ज्या का अनुपात दो माध्यमों के लिए नियत रहता है, और वही नियतांक अपवर्तनांक कहलाता है। किसी माध्यम का निरपेक्ष अपवर्तनांक निर्वात में प्रकाश की चाल में उस माध्यम की चाल का भाग देने पर मिलता है, इसलिए अधिक अपवर्तनांक का अर्थ है अधिक धीमा और प्रकाशिक रूप से सघन माध्यम।

उत्तल लेंस बीच में मोटा होता है और प्रकाश को अभिसरित करता है; अवतल लेंस बीच में पतला होता है और उसे अपसरित करता है। लेंस सूत्र 1/v - 1/u = 1/f है और आवर्धन m = v/u होता है। लेंस की क्षमता मीटर में मापी गई फोकस दूरी का व्युत्क्रम होती है, अर्थात P = 1/f, और इसका मात्रक डायोप्टर है। अभिसारी लेंस की क्षमता धनात्मक और अपसारी लेंस की ऋणात्मक होती है, इसलिए ऋण 2.5 डायोप्टर के चश्मे का अर्थ है चालीस सेंटीमीटर फोकस दूरी वाला अवतल लेंस।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन और वर्ण विक्षेपण

जब प्रकाश सघन माध्यम से विरल माध्यम में जाए और आपतन कोण क्रांतिक कोण से बड़ा हो, तो उसका कोई भाग बाहर नहीं निकलता और पूरा प्रकाश सघन माध्यम में ही लौट आता है। इसे पूर्ण आंतरिक परावर्तन कहते हैं। यही तराशे हुए हीरे की चमक की व्याख्या करता है, जिसका छोटा क्रांतिक कोण प्रकाश को भीतर ही रोक लेता है, यही प्रकाशिक तंतुओं की कार्यप्रणाली है जो दूरभाष और इंटरनेट के संकेत ले जाते हैं, और यही गर्म सड़क पर दिखने वाली मरीचिका का कारण है, जहाँ भिन्न घनत्व की वायु परतें आकाश से आते प्रकाश को मोड़ देती हैं। श्वेत प्रकाश का प्रिज्म द्वारा सात रंगों में बँट जाना वर्ण विक्षेपण कहलाता है, जिसे सबसे पहले आइजक न्यूटन ने दिखाया। लाल प्रकाश सबसे कम और बैंगनी सबसे अधिक मुड़ता है, क्योंकि काँच का अपवर्तनांक हर रंग के लिए अलग होता है। इंद्रधनुष तब बनता है जब वर्षा की बूँदें सूर्य के प्रकाश का अपवर्तन, आंतरिक परावर्तन और फिर अपवर्तन करती हैं।

नेत्र और उसके दोष

• निकट दृष्टि दोष: प्रतिबिंब रेटिना के आगे बनता है और दूर की वस्तुएँ धुंधली दिखती हैं; अवतल लेंस से सुधार होता है।
• दूर दृष्टि दोष: प्रतिबिंब रेटिना के पीछे बनता है और पास की वस्तुएँ धुंधली दिखती हैं; उत्तल लेंस से सुधार होता है।
• जरा दूरदृष्टिता: आयु के साथ नेत्र की पेशियाँ कमजोर पड़ती हैं और निकट बिंदु दूर हट जाता है; द्विफोकसी लेंस से सुधार होता है।
• अबिंदुकता: कॉर्निया पूरी तरह गोलीय नहीं रहता; बेलनाकार लेंस से सुधार होता है।
• सामान्य वयस्क नेत्र के लिए स्पष्ट दृष्टि की न्यूनतम दूरी लगभग पच्चीस सेंटीमीटर होती है।