प्रकाश-विद्युत प्रभाव, लेज़र और अतिचालकता नोट्स

आधुनिक भौतिकी के तीन सर्वोत्तम प्रश्न एक ही विचार से निकलते हैं: प्रकाश और पदार्थ का व्यवहार उन रूपों में होता है जिन्हें उन्नीसवीं शताब्दी की भौतिकी समझा नहीं सकी। प्रकाश-विद्युत प्रभाव ने भौतिकविदों को मानने पर विवश किया कि प्रकाश पुड़ियों के रूप में आता है। लेज़र ने उसी क्वांटम चित्र से ऐसी शुद्धता वाला प्रकाश बनाया जो प्रकृति में कहीं नहीं मिलता। अतिचालकता ने दिखाया कि विद्युत प्रतिरोध, जो अनिवार्य लगता है, पूरी तरह लुप्त हो सकता है। सामान्य ज्ञान के प्रश्नपत्र इन तीनों से परिभाषा, खोजकर्ता और उपयोग के प्रश्न बनाते हैं, और यह अध्याय तथ्यों को उसी क्रम में रखता है।

प्रकाश-विद्युत प्रभाव

जब उचित आवृत्ति का प्रकाश किसी धातु की सतह पर पड़ता है तो उससे इलेक्ट्रॉन निकल आते हैं। इस प्रभाव को 1887 में हेनरिक हर्ट्ज ने विद्युत स्फुलिंगों का अध्ययन करते हुए देखा, और हालवाक्स तथा लेनार्ड ने इसकी आगे जाँच की। निकले इलेक्ट्रॉनों को प्रकाश-इलेक्ट्रॉन और उनसे बनी धारा को प्रकाश-विद्युत धारा कहते हैं। इस प्रभाव की चार विशेषताओं ने प्रकाश के तरंग सिद्धांत को हरा दिया। पहली, उत्सर्जन केवल एक न्यूनतम आवृत्ति से ऊपर होता है, जिसे देहली आवृत्ति कहते हैं, चाहे प्रकाश कितना ही तीव्र हो। दूसरी, प्रकाश-इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा प्रकाश की आवृत्ति पर निर्भर करती है और उसकी तीव्रता पर बिल्कुल नहीं। तीसरी, प्रकाश-इलेक्ट्रॉनों की संख्या, और इसलिए धारा, तीव्रता पर निर्भर करती है। चौथी, उत्सर्जन तत्क्षण होता है, उसमें कोई मापने योग्य समय-विलंब नहीं है।

आइंस्टाइन की व्याख्या

1905 में अल्बर्ट आइंस्टाइन ने प्रकाश को क्वांटा की धारा मानकर इस प्रभाव की व्याख्या की, जिन्हें बाद में फोटॉन कहा गया और जिनमें से प्रत्येक की ऊर्जा प्लांक नियतांक और आवृत्ति के गुणनफल के बराबर होती है। एक फोटॉन अपनी पूरी ऊर्जा एक इलेक्ट्रॉन को दे देता है। उसका एक भाग इलेक्ट्रॉन को धातु से मुक्त करने में लगता है और शेष गतिज ऊर्जा के रूप में प्रकट होता है। यही आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत समीकरण है: फोटॉन की ऊर्जा कार्यफलन और प्रकाश-इलेक्ट्रॉन की अधिकतम गतिज ऊर्जा के योग के बराबर होती है। कार्यफलन वह न्यूनतम ऊर्जा है जो इलेक्ट्रॉन को धातु से बाहर खींचने के लिए आवश्यक है, और यह प्लांक नियतांक तथा देहली आवृत्ति के गुणनफल के बराबर होती है। निरोधी विभव वह ऋण वोल्टता है जो सबसे तेज प्रकाश-इलेक्ट्रॉन को ठीक रोक देती है, इसलिए वह अधिकतम गतिज ऊर्जा नापती है। इस कार्य के लिए आइंस्टाइन को 1921 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला, और रॉबर्ट मिलिकन के सावधान प्रयोगों ने इस समीकरण की पुष्टि की तथा प्लांक नियतांक का अच्छा मान दिया, लगभग 6.63 गुणा दस की घात ऋण चौंतीस जूल सेकंड।

प्रकाश-विद्युत प्रभाव के उपयोग

उपयोगी धातुएँ वही हैं जिनका कार्यफलन कम है, इसलिए सीजियम, पोटैशियम और सोडियम साधारण दृश्य प्रकाश पर भी प्रतिक्रिया देते हैं जबकि जिंक और मैग्नीशियम को पराबैंगनी प्रकाश चाहिए। इस प्रभाव पर बने प्रकाश-सेल सड़क की बत्तियों के स्वतः स्विच, चोर-घंटी, कैमरे के प्रकाश मापक, फिल्म की ध्वनि पट्टी के पाठक और गिनने तथा छाँटने वाली मशीनों के संवेदक के रूप में कार्य करते हैं। सौर सेल इससे जुड़े प्रकाश-वोल्टीय प्रभाव से प्रकाश को सीधे विद्युत में बदलते हैं।

लेज़र

लेज़र शब्द उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश के प्रवर्धन का संक्षिप्त रूप है। उत्तेजित उत्सर्जन, जिसमें किसी उत्तेजित परमाणु के पास से गुजरता फोटॉन उसे नीचे के स्तर पर गिराकर एक दूसरा समान फोटॉन उत्सर्जित करा देता है, आइंस्टाइन ने 1917 में बताया था। चार्ल्स टाउन्स ने 1954 में सूक्ष्म तरंगों पर कार्य करने वाला पहला मेसर बनाया, और थियोडोर मैमन ने 1960 में पहला कार्यशील लेज़र, रूबी लेज़र, बनाया। किसी लेज़र के लिए तीन चीजें आवश्यक हैं: एक सक्रिय माध्यम, एक पंपन स्रोत जो परमाणुओं को उत्तेजित अवस्था तक उठाए, और दो दर्पणों से बनी अनुनादी गुहा। अनिवार्य शर्त जनसंख्या प्रतिलोमन है, जिसमें ऊँचे ऊर्जा स्तर पर नीचे वाले स्तर से अधिक परमाणु होते हैं, और यह उस मेटास्टेबल अवस्था से संभव होता है जिसमें परमाणु रुक सकते हैं।

लेज़र अपने सक्रिय माध्यम के आधार पर बाँटे जाते हैं। ठोस अवस्था लेज़रों में रूबी लेज़र आता है, जिसके सक्रिय केंद्र एल्युमिनियम ऑक्साइड में क्रोमियम आयन हैं, तथा नियोडिमियम वाईएजी लेज़र। गैस लेज़रों में हीलियम-नियोन लेज़र है, जो परिचित लाल किरण देता है, और कार्बन डाइऑक्साइड लेज़र, जो धातु काटने तथा जोड़ने में प्रयुक्त होता है। अर्धचालक डायोड लेज़र वे छोटे और सस्ते लेज़र हैं जो ऑप्टिकल ड्राइव तथा लेज़र पॉइंटर में लगते हैं। उपयोग सर्वत्र हैं: कॉम्पैक्ट डिस्क और बारकोड पढ़ना, प्रकाशित तंतु संचार, लेज़र मुद्रण, होलोग्राफी, जिसका आविष्कार डेनिस गाबोर ने किया और जिसके लिए उन्हें 1971 का नोबेल पुरस्कार मिला, दूरी मापन तथा लिडार, और चिकित्सा में नेत्र शल्य चिकित्सा, ट्यूमर हटाना तथा रक्तहीन चीरा।

अतिचालकता

अतिचालकता कुछ पदार्थों में विद्युत प्रतिरोध का पूर्णतः लुप्त हो जाना है, जब उन्हें एक विशेष ताप से नीचे ठंडा किया जाए, जिसे क्रांतिक ताप या संक्रमण ताप कहते हैं। इसकी खोज 1911 में डच भौतिकविद हाइके कामरलिंग ओंस ने की, जिन्होंने पाया कि पारा लगभग 4.2 केल्विन से नीचे अपना सारा प्रतिरोध खो देता है, जो द्रव हीलियम के क्वथनांक के निकट है। किसी अतिचालक छल्ले में एक बार चली धारा बिना किसी लगाई गई वोल्टता के बहती रहती है, क्योंकि ऊष्मा के रूप में कोई ऊर्जा नष्ट नहीं होती।

अतिचालक अपने भीतर से चुंबकीय क्षेत्र को बाहर भी धकेल देता है और पूर्ण प्रतिचुंबकीय जैसा व्यवहार करता है। यही माइसनर प्रभाव है, जो 1933 में बताया गया, और इसी कारण किसी ठंडे किए गए अतिचालक के ऊपर चुंबक को तैराया जा सकता है। यदि चुंबकीय क्षेत्र किसी क्रांतिक मान से अधिक बढ़ा दिया जाए, या धारा क्रांतिक धारा से अधिक, तो अतिचालकता नष्ट हो जाती है। सूक्ष्म स्तर की व्याख्या बीसीएस सिद्धांत है, जो 1957 में बार्डीन, कूपर और श्रीफर ने दिया, जिसमें इलेक्ट्रॉन कूपर युग्म नामक बंधित जोड़ों में चलते हैं और जालक से प्रकीर्णित नहीं होते। 1986 में बेडनोर्ज और म्यूलर ने एक सिरैमिक ऑक्साइड में बहुत ऊँचे ताप पर अतिचालकता पाई, और उसके बाद आया यिट्रियम बेरियम कॉपर ऑक्साइड यौगिक 77 केल्विन से ऊपर कार्य करता है, इसलिए उसे द्रव हीलियम के स्थान पर द्रव नाइट्रोजन से ठंडा किया जा सकता है। अतिचालक चुंबक चुंबकीय अनुनाद प्रतिबिंबन मशीनों, कण त्वरकों, चुंबकीय उत्प्लावन रेलगाड़ियों तथा स्क्विड नामक अत्यंत संवेदी चुंबकत्वमापियों में प्रयुक्त होते हैं।