पूर्ण आंतरिक परावर्तन और क्रांतिक कोण

प्रकाश हमारे दैनिक जीवन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। यह हमें हमारे चारों ओर की दुनिया को देखने में मदद करता है, और इसके व्यवहार को भौतिकी की शाखा प्रकाशिकी द्वारा वर्णित किया जा सकता है। प्रकाश के व्यवहार से संबंधित दो दिलचस्प घटनाएं हैं पूर्ण आंतरिक परावर्तन (टीआईआर) और क्रांतिक कोण।

अपवर्तन को समझना

पूर्ण आंतरिक परावर्तन और क्रांतिक कोण में और गहराई से जाने से पहले, अपवर्तन को समझना आवश्यक है। अपवर्तन प्रकाश के झुकने की प्रक्रिया है जब यह एक माध्यम से दूसरे माध्यम में गुजरता है जिसकी घनत्व भिन्न होती है, जैसे हवा से पानी में। जब प्रकाश एक घने माध्यम में प्रवेश करता है, यह धीमा हो जाता है और सामान्य (दो माध्यमों की सीमा पर लंबवत एक काल्पनिक रेखा) की तरफ झुक जाता है। जब यह एक घने माध्यम से कम घने माध्यम में गुजरता है, तो यह तेज हो जाता है और सामान्य से दूर झुक जाता है।

स्नेल का नियम

प्रकाश का अपवर्तन एक सिद्धांत द्वारा नियमन किया जाता है जिसे स्नेल का नियम कहा जाता है। स्नेल के नियम को निम्नलिखित रूप से गणितीय रूप से व्यक्त किया जा सकता है:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

जहाँ:

• n1 पहले माध्यम का अपवर्तनांक है।
• θ1 आपतन कोण है (आपतित किरण और सामान्य के बीच का कोण)।
• n2 दूसरे माध्यम का अपवर्तनांक है।
• θ2 अपवर्तन कोण है (अपवर्तित किरण और सामान्य के बीच का कोण)।

अपवर्तन का दृश्यात्मककरण

यह समझने के लिए कि प्रकाश अपवर्तन के दौरान कैसे झुकता है, कल्पना करें कि एक प्रकाश का किरण हवा से पानी में प्रवेश कर रहा है। हवा का अपवर्तनांक लगभग 1 है, जबकि पानी का अपवर्तनांक लगभग 1.33 है। जैसे ही प्रकाश पानी की सतह पर लगता है, यह धीमा हो जाता है और सामान्य की तरफ झुक जाता है। इस प्रभाव का प्रदर्शन निम्नलिखित उदाहरण द्वारा किया जा सकता है:

पूर्ण आंतरिक परावर्तन

पूर्ण आंतरिक परावर्तन तब होता है जब प्रकाश एक घने माध्यम से कम घने माध्यम में उच्च आपतन कोण पर गुजरने का प्रयास करता है। अपवर्तन के बजाय, प्रकाश पूरी तरह से घने माध्यम में ही परावर्तित हो जाता है। यह घटना केवल तब हो सकती है जब प्रकाश उच्च अपवर्तनांक माध्यम से कम अपवर्तनांक माध्यम में गुजरता है, जैसे पानी से हवा में।

क्रांतिक कोण

क्रांतिक कोण वह आपतन कोण होता है जो घने माध्यम में होता है जब कम घने माध्यम में अपवर्तन कोण 90 डिग्री होता है। इस कोण पर, अपवर्तित किरण सीमा के साथ चलती है, बस दो माध्यमों के बीच के इंटरफ़ेस को छूती है। स्नेल के नियम से क्रांतिक कोण θc के लिए सूत्र प्राप्त किया जा सकता है:

θc = arcsin(n2 / n1)

जहाँ n1 घने माध्यम का अपवर्तनांक होता है और n2 कम घने माध्यम का अपवर्तनांक होता है।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन और क्रांतिक कोण के व्यावहारिक उदाहरण

पूर्ण आंतरिक परावर्तन का एक सबसे प्रसिद्ध व्यावहारिक उदाहरण ऑप्टिकल फाइबर केबल है। इन केबलों का संचार प्रौद्योगिकी में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इन केबलों में टीआईआर द्वारा प्रकाश को केबल में ही रखा जाता है, जो इसे लंबे समय तक केबल से बाहर निकले बिना यात्रा करने की अनुमति देता है।

मृगतृष्णा एक और उदाहरण हैं। जब प्रकाश विभिन्न तापमानों की वायु की परतों से गुजरता है, तो यह झुक सकता है (विभिन्न अपवर्तनांकों के कारण) और दृश्य भ्रम उत्पन्न कर सकता है। गर्म दिनों में, जमीन इसके ऊपर की हवा को गरम करती है, जिससे एक तापमान ग्रेडिएंट बनता है। आकाश से आती प्रकाश किरणें इसप्रकार झुकती हैं कि वे सतह से आती प्रतीत होती हैं, जिससे मृगतृष्णा बनती है, जो प्राकृतिक सेटिंग में टीआईआर का एक उदाहरण है।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन का दृश्यात्मककरण

एक कांच के प्रिज्म के अंदर एक प्रकाश किरण की कल्पना करें। जब यह कांच और हवा के बीच की सीमा के करीब एक तेज आपतन कोण (क्रांतिक कोण से बड़ा) पर पहुंचती है, तो यह अपवर्तित होने के बजाय पूरी तरह से कांच में परावर्तित हो जाती है। इस स्थिति को दृश्यात्मक रूप से निम्नलिखित रूप से प्रदर्शित किया जा सकता है:

सूत्र और गणना

जबकि टीआईआर और क्रांतिक कोण की गुणात्मक समझ आवश्यक है, कभी-कभी गणना इन अवधारणाओं को स्पष्ट करने में मदद करती है। उदाहरण के लिए, मान लीजिए कि हमें पता है कि पानी का अपवर्तनांक लगभग 1.33 है और हवा का 1 है। क्रांतिक कोण के लिए सूत्र का उपयोग करते हुए:

θc = arcsin(1 / 1.33) ≈ 48.75°

यह गणना दर्शाती है कि यदि पानी में प्रकाश सतह पर 48.75 डिग्री से अधिक कोण पर गिरता है, तो यह पूरी तरह से पानी में ही परावर्तित हो जाएगा न कि हवा में अपवर्तित होगा।

वास्तविक जीवन में अनुप्रयोग

फाइबर ऑप्टिक्स: इनका उपयोग दूरसंचार और इंटरनेट कनेक्शन में किया जाता है। कांच या प्लास्टिक के कोर के भीतर प्रकाश को उछाल कर, ये लंबी दूरी पर जानकारी को प्रभावी रूप से स्थानांतरित कर सकते हैं।

एंडोस्कोप: चिकित्सा उपकरण जो टीआईआर का उपयोग करके डॉक्टरों को बिना आक्रामक सर्जरी के मानव शरीर के अंदर देखने की अनुमति देते हैं।

पेरिस्कोप: उपकरण जो आड़ी दर्पणों का उपयोग करके एक प्रकाशपथ को परावर्तित करते हैं, जो आपको वस्तुओं को अवरोधों के ऊपर या आसपास देखने की अनुमति देता है।

निष्कर्ष

पूर्ण आंतरिक परावर्तन और क्रांतिक कोण आकर्षक विषय हैं जो विभिन्न माध्यमों में प्रकाश के अद्वितीय गुणों को प्रदर्शित करते हैं। इनके वास्तविक दुनिया में व्यावहारिक अनुप्रयोग हैं और प्रकाशिकी के अध्ययन में आवश्यक अवधारणाएं हैं। इन घटनाओं को समझना न केवल विज्ञान के पीछे की तकनीक की सराहना करने में मदद करता है बल्कि प्राकृतिक दुनिया में हमारी अंतर्दृष्टि को भी गहरा करता है।

टिप्पणियाँ