लेंस में छवियां, सूक्ष्मदर्शी और दूरबीन जैसे उपकरणों का संचालन, इंद्रधनुष की घटना और पानी के शरीर की गहराई की भ्रामक धारणा प्रकाश के अपवर्तन की घटना के उदाहरण हैं। इस घटना का वर्णन करने वाले कानूनों पर इस लेख में चर्चा की गई है।
अपवर्तन की घटना
भौतिकी में प्रकाश के अपवर्तन के नियमों पर विचार करने से पहले, आइए स्वयं घटना के सार से परिचित हों।
जैसा कि आप जानते हैं कि यदि अंतरिक्ष में सभी बिंदुओं पर माध्यम सजातीय है, तो उसमें प्रकाश एक सीधे पथ के साथ गति करेगा। इस पथ का अपवर्तन तब होता है जब एक प्रकाश किरण दो पारदर्शी सामग्री, जैसे कांच और पानी या हवा और कांच के बीच के अंतरफलक को एक कोण पर पार करती है। दूसरे सजातीय माध्यम में जाने पर, प्रकाश भी एक सीधी रेखा में गति करेगा, लेकिन यह पहले माध्यम में पहले से ही किसी कोण पर इसके प्रक्षेपवक्र के लिए निर्देशित होगा। यह प्रकाश पुंज के अपवर्तन की परिघटना है।
नीचे दिया गया वीडियो एक उदाहरण के रूप में कांच का उपयोग करके अपवर्तन की घटना को दर्शाता है।
यहां पर महत्वपूर्ण बिंदु आपतन कोण हैइंटरफ़ेस विमान। इस कोण का मान निर्धारित करता है कि अपवर्तन की घटना देखी जाएगी या नहीं। यदि बीम सतह पर लंबवत गिरती है, तो, दूसरे माध्यम में जाने के बाद, यह उसी सीधी रेखा के साथ चलती रहेगी। दूसरा मामला, जब अपवर्तन नहीं होगा, एक वैकल्पिक रूप से सघन माध्यम से कम घने माध्यम में जाने वाले बीम की घटना के कोण हैं, जो कुछ महत्वपूर्ण मूल्य से अधिक हैं। इस मामले में, प्रकाश ऊर्जा पूरी तरह से पहले माध्यम में वापस परावर्तित हो जाएगी। अंतिम प्रभाव नीचे चर्चा की गई है।
अपवर्तन का पहला नियम
इसे एक तल में तीन रेखाओं का नियम भी कहा जा सकता है। मान लीजिए कि प्रकाश की किरण A है जो दो पारदर्शी पदार्थों के बीच इंटरफेस पर पड़ती है। बिंदु O पर, बीम अपवर्तित हो जाता है और सीधी रेखा B के साथ चलना शुरू कर देता है, जो A की निरंतरता नहीं है। यदि हम लंबवत N को बिंदु O पर पृथक्करण तल पर पुनर्स्थापित करते हैं, तो घटना के लिए पहला नियम अपवर्तन को निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है: घटना बीम ए, सामान्य एन और अपवर्तित बीम बी एक ही विमान में स्थित है, जो इंटरफेस विमान के लंबवत है।
यह सरल नियम स्पष्ट नहीं है। इसका निरूपण प्रायोगिक डेटा के सामान्यीकरण का परिणाम है। गणितीय रूप से, इसे तथाकथित फ़र्मेट सिद्धांत या कम से कम समय के सिद्धांत का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।
अपवर्तन का दूसरा नियम
स्कूल भौतिकी शिक्षक अक्सर छात्रों को निम्नलिखित कार्य देते हैं: "प्रकाश के अपवर्तन के नियम तैयार करें।" हमने उनमें से एक पर विचार कर लिया है, अब दूसरे पर चलते हैं।
किरण A और लंबवत N के बीच के कोण को θ1 के रूप में निरूपित करें, किरण B और N के बीच के कोण को θ2 कहा जाएगा. हम यह भी ध्यान में रखते हैं कि माध्यम 1 में बीम A की गति v1 है, मध्यम 2 में बीम B की गति v2 है। अब हम विचाराधीन परिघटना के लिए दूसरे नियम का गणितीय सूत्रीकरण दे सकते हैं:
पाप(θ1)/वी1=पाप(θ2)/ वी2.
यह सूत्र 17वीं शताब्दी की शुरुआत में डचमैन स्नेल द्वारा प्राप्त किया गया था और अब उसका अंतिम नाम है।
व्यंजक से एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष निकलता है: माध्यम में प्रकाश के प्रसार की गति जितनी अधिक होगी, किरण सामान्य से उतनी ही दूर होगी (कोण की ज्या उतनी ही अधिक होगी)।
माध्यम के अपवर्तनांक की अवधारणा
उपरोक्त स्नेल सूत्र वर्तमान में थोड़े अलग रूप में लिखा गया है, जो व्यावहारिक समस्याओं को हल करते समय उपयोग करने के लिए अधिक सुविधाजनक है। दरअसल, पदार्थ में प्रकाश की गति v, हालांकि निर्वात में इससे कम है, फिर भी एक बड़ा मूल्य है जिसके साथ काम करना मुश्किल है। इसलिए, भौतिकी में एक सापेक्ष मूल्य पेश किया गया था, जिसके लिए समानता नीचे प्रस्तुत की गई है:
n=सी/वी.
यहाँ c निर्वात में बीम की गति है। n का मान दर्शाता है कि c का मान सामग्री में v के मान से कितनी गुना अधिक है। इसे इस पदार्थ का अपवर्तनांक कहते हैं।
दर्ज किए गए मान को ध्यान में रखते हुए, प्रकाश के अपवर्तन के नियम का सूत्र निम्नलिखित रूप में फिर से लिखा जाएगा:
पाप(θ1)n1=पाप(θ2) एन2.
n के बड़े मान वाली सामग्री,वैकल्पिक रूप से घना कहा जाता है। इससे गुजरते हुए, प्रकाश वायुहीन अंतरिक्ष के लिए समान मान की तुलना में अपनी गति को n गुना धीमा कर देता है।
इस सूत्र से पता चलता है कि किरण अधिक वैकल्पिक रूप से घने माध्यम में सामान्य के करीब होगी।
उदाहरण के लिए, हम ध्यान दें कि हवा के लिए अपवर्तनांक लगभग एक (1, 00029) के बराबर है। पानी के लिए इसका मान 1.33 होता है।
वैकल्पिक रूप से सघन माध्यम में पूर्ण परावर्तन
आइए निम्नलिखित प्रयोग करें: आइए पानी के स्तंभ से इसकी सतह की ओर प्रकाश की किरण शुरू करें। चूँकि पानी वैकल्पिक रूप से हवा से सघन है (1, 33>1, 00029), आपतन कोण θ1 अपवर्तन कोण से कम होगा 2. अब, हम क्रमशः θ1 बढ़ाएंगे, θ2 भी बढ़ेगा, जबकि असमानता θ1 <θ2हमेशा सच रहता है।
एक पल आएगा जब θ1<90o और θ2=90 ओ। यह कोण θ1 जल-वायु माध्यम के युग्म के लिए क्रांतिक कहलाता है। इससे अधिक आपतन कोणों के परिणामस्वरूप बीम का कोई भी भाग जल-वायु अंतरापृष्ठ से कम सघन माध्यम में नहीं जाएगा। सीमा पर पूरी किरण पूर्ण परावर्तन का अनुभव करेगी।
आपतन कोण की गणना θc सूत्र द्वारा की जाती है:
θc=आर्कसिन (n2/n1)।
मीडिया के पानी के लिए औरहवा यह 48 है, 77o।
ध्यान दें कि यह घटना उत्क्रमणीय नहीं है, अर्थात जब प्रकाश हवा से पानी में जाता है, तो कोई क्रांतिक कोण नहीं होता है।
वर्णित घटना का उपयोग ऑप्टिकल फाइबर के संचालन में किया जाता है, और प्रकाश के फैलाव के साथ बारिश के दौरान प्राथमिक और माध्यमिक इंद्रधनुष के प्रकट होने का कारण होता है।
