प्रकाशिकी भौतिकी की सबसे पुरानी शाखाओं में से एक है। प्राचीन ग्रीस के बाद से, कई दार्शनिक पानी, कांच, हीरा और वायु जैसे विभिन्न पारदर्शी पदार्थों में गति और प्रकाश के प्रसार के नियमों में रुचि रखते हैं। यह लेख हवा के अपवर्तनांक पर ध्यान केंद्रित करते हुए प्रकाश के अपवर्तन की घटना पर चर्चा करता है।
प्रकाश पुंज के अपवर्तन का प्रभाव
हर किसी ने अपने जीवन में इस प्रभाव के प्रकट होने के साथ सैकड़ों बार सामना किया जब उसने किसी जलाशय के तल पर या उसमें रखी किसी वस्तु के साथ पानी के गिलास को देखा। उसी समय, जलाशय उतना गहरा नहीं लग रहा था जितना वास्तव में था, और एक गिलास पानी में वस्तुएं विकृत या टूटी हुई दिखती थीं।
प्रकाश पुंज के अपवर्तन की घटना दो पारदर्शी पदार्थों के बीच के अंतरापृष्ठ को पार करने पर उसके सीधे पथ में एक विराम है। 17 वीं शताब्दी की शुरुआत में बड़ी संख्या में प्रयोगात्मक डेटा को सारांशित करते हुए, डचमैन विलेब्रोर्ड स्नेल ने गणितीय अभिव्यक्ति प्राप्त की,जिसने इस घटना का सटीक वर्णन किया है। यह अभिव्यक्ति आमतौर पर निम्नलिखित रूप में लिखी जाती है:
1पाप(θ1)=n2पाप(θ 2)=const.
यहाँ n1, n2 संबंधित सामग्री में प्रकाश के पूर्ण अपवर्तनांक हैं, θ1and θ2 - घटना और अपवर्तित बीम के बीच के कोण और इंटरफ़ेस विमान के लंबवत, जो बीम और इस विमान के चौराहे के बिंदु के माध्यम से खींचा जाता है।
इस सूत्र को स्नेल या स्नेल-डेसकार्टेस का नियम कहा जाता है (यह फ्रांसीसी व्यक्ति था जिसने इसे प्रस्तुत रूप में लिखा था, जबकि डचमैन ने साइन नहीं, बल्कि लंबाई की इकाइयों का इस्तेमाल किया था)।
इस सूत्र के अलावा, अपवर्तन की घटना का वर्णन एक अन्य नियम द्वारा किया गया है, जो प्रकृति में ज्यामितीय है। यह इस तथ्य में निहित है कि समतल पर अंकित लंबवत और दो किरणें (अपवर्तित और आपतित) एक ही तल में स्थित होती हैं।
पूर्ण अपवर्तनांक
यह मान स्नेल सूत्र में शामिल है, और इसका मान एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। गणितीय रूप से, अपवर्तनांक n सूत्र से मेल खाता है:
n=सी/वी.
चिह्न c निर्वात में विद्युत चुम्बकीय तरंगों की गति है। यह लगभग 3108मी/सेकेंड है। मान v माध्यम में प्रकाश की गति है। इस प्रकार, अपवर्तनांक वायुहीन स्थान के संबंध में एक माध्यम में प्रकाश के धीमा होने की मात्रा को दर्शाता है।
उपरोक्त सूत्र से दो महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं:
- मान n हमेशा 1 से अधिक होता है (वैक्यूम के लिए यह एक के बराबर होता है);
- यह एक आयामहीन मात्रा है।
उदाहरण के लिए, हवा का अपवर्तनांक 1.00029 है, जबकि पानी के लिए यह 1.33 है।
अपवर्तनांक किसी विशेष माध्यम के लिए एक स्थिर मान नहीं है। यह तापमान पर निर्भर करता है। इसके अलावा, विद्युत चुम्बकीय तरंग की प्रत्येक आवृत्ति के लिए इसका अपना अर्थ होता है। तो, उपरोक्त आंकड़े 20 oC के तापमान और दृश्यमान स्पेक्ट्रम के पीले भाग (तरंग दैर्ध्य लगभग 580-590 एनएम) के अनुरूप हैं।
प्रकाश की आवृत्ति पर n के मान की निर्भरता एक प्रिज्म द्वारा श्वेत प्रकाश के कई रंगों में अपघटन के साथ-साथ भारी बारिश के दौरान आकाश में इंद्रधनुष के निर्माण में प्रकट होती है।
हवा में प्रकाश का अपवर्तनांक
इसका मान पहले ही ऊपर (1, 00029) दिया जा चुका है। चूँकि वायु का अपवर्तनांक शून्य से केवल चौथे दशमलव स्थान में भिन्न होता है, इसलिए व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए इसे एक के बराबर माना जा सकता है। एकता से हवा के लिए n का एक छोटा अंतर इंगित करता है कि प्रकाश व्यावहारिक रूप से हवा के अणुओं द्वारा धीमा नहीं होता है, जो इसके अपेक्षाकृत कम घनत्व से जुड़ा होता है। तो, हवा का औसत घनत्व 1.225 kg/m3 है, यानी यह ताजे पानी की तुलना में 800 गुना हल्का है।
वायु प्रकाशिक रूप से पतला माध्यम है। किसी पदार्थ में प्रकाश की गति को धीमा करने की प्रक्रिया एक क्वांटम प्रकृति की होती है और यह पदार्थ के परमाणुओं द्वारा फोटोन के अवशोषण और उत्सर्जन के कार्यों से जुड़ी होती है।
हवा की संरचना में परिवर्तन (उदाहरण के लिए, इसमें जल वाष्प की मात्रा में वृद्धि) और तापमान में परिवर्तन से संकेतक में महत्वपूर्ण परिवर्तन होते हैंअपवर्तन। मरुस्थल में मृगतृष्णा का प्रभाव इसका एक ज्वलंत उदाहरण है, जो विभिन्न तापमानों के साथ वायु परतों के अपवर्तनांक में अंतर के कारण होता है।
ग्लास-एयर इंटरफेस
कांच हवा से अधिक सघन माध्यम है। कांच के प्रकार के आधार पर इसका पूर्ण अपवर्तनांक 1.5 से 1.66 तक होता है। यदि हम 1.55 का औसत मान लेते हैं, तो एयर-ग्लास इंटरफेस पर बीम के अपवर्तन की गणना सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:
पाप(θ1)/पाप(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
मान n21 वायु-कांच का आपेक्षिक अपवर्तनांक कहलाता है। यदि बीम कांच से बाहर हवा में जाती है, तो निम्न सूत्र का उपयोग किया जाना चाहिए:
पाप(θ1)/पाप(θ2)=n2/ n1=n21=1/1, 55=0, 645.
यदि बाद के मामले में अपवर्तित बीम का कोण 90o के बराबर होगा, तो इसके संगत आपतन कोण को क्रांतिक कहा जाता है। बॉर्डर ग्लास के लिए - हवा यह है:
θ1=आर्कसिन(0, 645)=40, 17o।
यदि बीम 40, 17o से अधिक कोणों के साथ कांच-हवा की सीमा पर गिरेगी, तो यह पूरी तरह से वापस कांच में परावर्तित हो जाएगी। इस घटना को "पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब" कहा जाता है।
क्रिटिकल एंगल तभी मौजूद होता है जब बीम घने माध्यम से (कांच से हवा में, लेकिन इसके विपरीत नहीं) चलती है।
