प्रकाशाचे अपवर्तन

प्रकाशाचे अपवर्तन (Refraction of Light)

• व्याख्या: जेव्हा प्रकाश किरण एका पारदर्शक माध्यमातून दुसऱ्या पारदर्शक माध्यमात प्रवेश करतो, तेव्हा तो आपल्या मूळ मार्गापासून विचलित होतो. या घटनेला प्रकाशाचे अपवर्तन म्हणतात.
• कारणे:
• वेगवेगळ्या माध्यमांमध्ये प्रकाशाचा वेग भिन्न असतो.
• प्रकाश किरण एका माध्यमातून दुसऱ्या माध्यमात जाताना त्याचा वेग बदलतो, ज्यामुळे त्याची दिशा बदलते.
• अपवर्तनाचे नियम:

1. आपतन किरण, अपवर्तित किरण आणि दोन माध्यमांना वेगळे करणाऱ्या पृष्ठभागावरील आपतन बिंदूत काढलेला स्तंभिका (normal) हे सर्व एकाच प्रतलात (plane) असतात.
2. स्नेलचा नियम (Snell's Law): विशिष्ट रंगाच्या प्रकाशासाठी आणि विशिष्ट माध्यमांच्या जोडीसाठी, आपतन कोनाच्या (angle of incidence, \(i\)) sin चे अपवर्तन कोनाच्या (angle of refraction, \(r\)) sin शी असलेले गुणोत्तर स्थिर असते. या स्थिर गुणोत्तराला दुसऱ्या माध्यमाचा पहिल्या माध्यमाच्या संदर्भात अपवर्तनांक म्हणतात.

• गणितीय सूत्र: \(\frac{\sin i}{\sin r} = n_{21}\) (येथे \(n_{21}\) म्हणजे माध्यम 2 चा माध्यम 1 च्या संदर्भात अपवर्तनांक).

अपवर्तनांकाचे प्रकार

• सापेक्ष अपवर्तनांक (Relative Refractive Index):
• जेव्हा प्रकाश किरण एका पारदर्शक माध्यमातून दुसऱ्या पारदर्शक माध्यमात जातो, तेव्हा दुसऱ्या माध्यमाचा पहिल्या माध्यमाच्या संदर्भात असलेला अपवर्तनांक.
• सूत्र: \(n_{21} = \frac{\text{माध्यम 1 मधील प्रकाशाचा वेग (v1)}}{\text{माध्यम 2 मधील प्रकाशाचा वेग (v2)}}\)
• याला \(n_{12}\) असेही दर्शवतात, जिथे \(n_{12} = \frac{v_1}{v_2}\) (माध्यम 2 चा माध्यम 1 च्या संदर्भात).
• याचप्रमाणे, \(n_{21} = \frac{v_2}{v_1}\) (माध्यम 1 चा माध्यम 2 च्या संदर्भात).
• निरपेक्ष अपवर्तनांक (Absolute Refractive Index):
• जेव्हा पहिले माध्यम निर्वात पोकळी (vacuum) असते, तेव्हा दुसऱ्या माध्यमाचा निर्वात पोकळीच्या संदर्भात असलेला अपवर्तनांक.
• याला फक्त \(n\) ने दर्शवतात.
• सूत्र: \(n = \frac{\text{निर्वात पोकळीतील प्रकाशाचा वेग (c)}}{\text{माध्यमातील प्रकाशाचा वेग (v)}}\)
• हवेचा निरपेक्ष अपवर्तनांक जवळपास 1 असतो (1.0003), त्यामुळे अनेकदा हवा आणि निर्वात पोकळी एकच मानली जाते.

प्रकाशाच्या अपवर्तनाचे परिणाम

• विरल ते घन माध्यम: जेव्हा प्रकाश किरण विरल (rarer) माध्यमातून घन (denser) माध्यमात जातो, तेव्हा तो स्तंभिकेकडे झुकतो (म्हणजे \(r < i\)).
• घन ते विरल माध्यम: जेव्हा प्रकाश किरण घन माध्यमातून विरल माध्यमात जातो, तेव्हा तो स्तंभिकेपासून दूर जातो (म्हणजे \(r > i\)).
• लंबरूप आपतन: जर प्रकाश किरण दोन माध्यमांच्या सीमेवर लंबरूप (perpendicular) आपाती असेल, तर त्याची दिशा बदलत नाही, म्हणजेच त्याचे अपवर्तन होत नाही. (\(i = 0^\circ\), त्यामुळे \(r = 0^\circ\)).

वातावरणीय अपवर्तन (Atmospheric Refraction)

• पृथ्वीच्या वातावरणातील हवेच्या थरांची घनता आणि तापमान वेगवेगळे असते. यामुळे हवेचा अपवर्तनांक देखील बदलतो.
• जमिनीजवळ हवा जास्त घन आणि गरम असते, त्यामुळे तिचा अपवर्तनांक कमी असतो. जसजसे आपण वर जातो, हवा विरल होत जाते आणि अपवर्तनांक वाढत जातो.
• या बदलत्या अपवर्तनांकामुळे वातावरणातून येणाऱ्या प्रकाशाचे सतत अपवर्तन होते, ज्यामुळे अनेक नैसर्गिक घटना घडतात.

ताऱ्यांचे लुकलुकणे (Twinkling of Stars)

• कारण: तारे पृथ्वीपासून खूप दूर असल्याने ते प्रकाशाचे बिंदूरूप स्रोत (point source) वाटतात.
• प्रक्रिया:

1. ताऱ्यांकडून येणारा प्रकाश पृथ्वीच्या वातावरणात प्रवेश करतो.
2. वातावरणातील हवेची घनता आणि तापमान सतत बदलत असल्याने हवेचा अपवर्तनांकही सतत बदलतो.
3. यामुळे ताऱ्यांच्या प्रकाशाचे सतत अपवर्तन होते आणि तो वेगवेगळ्या मार्गांनी आपल्या डोळ्यांपर्यंत पोहोचतो.
4. कधी जास्त प्रकाश येतो, तर कधी कमी, ज्यामुळे तारा लुकलुकल्यासारखा दिसतो.

• आभासी स्थिती: वातावरणीय अपवर्तनामुळे तारा त्याच्या मूळ स्थितीपेक्षा थोडा उंच दिसतो. हवेच्या हालचालीमुळे ही आभासी स्थिती स्थिर राहत नाही, ती किंचित बदलत राहते.

ग्रह का लुकलुकत नाहीत?

• कारण: ग्रह पृथ्वीच्या तुलनेत ताऱ्यांपेक्षा खूप जवळ आहेत.
• ते बिंदूरूप स्रोत नसून अनेक बिंदू स्रोतांचा समूह (collection of point sources) आहेत.
• वातावरणातील बदलत्या स्थितीमुळे काही बिंदूंमधून जास्त प्रकाश येतो, तर काहीतून कमी, परंतु त्यांची एकूण सरासरी प्रखरता स्थिर राहते आणि त्यांचे सरासरी स्थानही स्थिर राहते. त्यामुळे ते लुकलुकत नाहीत.

मृगजळ (Mirage)

• घटना: उन्हाळ्यात रस्त्यावर किंवा वाळवंटात दूरवर पाणी साचल्याचा आभास होणे.
• कारण: जमिनीजवळील हवा खूप गरम होऊन विरल होते, तर वरची हवा थंड आणि घन असते. यामुळे प्रकाशाचे अपवर्तन होते.
• प्रक्रिया: दूरच्या वस्तूंकडून येणारे प्रकाश किरण विरल हवेतून घन हवेत येताना स्तंभिकेपासून दूर जातात. डोळ्यांना हे किरण जमिनीतून येत असल्याचा भास होतो, जणू काही वस्तूची प्रतिमा पाण्यात दिसत आहे.

सूर्योदय आणि सूर्यास्ताची वेळ (Advance Sunrise and Delayed Sunset)

• सूर्योदय: सूर्य क्षितिजाच्या खाली असतानाही आपल्याला दिसतो.
• सूर्यापासून येणारे प्रकाश किरण पृथ्वीच्या वातावरणात प्रवेश करताना अपवर्तित होतात आणि वक्र मार्गाने आपल्या डोळ्यांपर्यंत पोहोचतात.
• यामुळे सूर्य क्षितिजावर येण्यापूर्वीच आपल्याला दिसू लागतो. हा काळ सुमारे 2 मिनिटांचा असतो.
• सूर्यास्त: सूर्य क्षितिजाखाली गेल्यानंतरही आपल्याला काही काळ दिसतो.
• सूर्यास्ताच्या वेळीही याच अपवर्तनामुळे सूर्य क्षितिजाखाली गेल्यानंतरही सुमारे 2 मिनिटे दिसतो.
• यामुळे दिवसाचा कालावधी सुमारे 4 मिनिटांनी वाढतो.

प्रकाशाचे अपस्करण (Dispersion of Light)

• व्याख्या: जेव्हा पांढरा प्रकाश (उदा. सूर्यप्रकाश) एखाद्या पारदर्शक माध्यमातून (उदा. काचेचा लोलक) जातो, तेव्हा तो आपल्या घटक रंगांमध्ये विभागला जातो. या प्रक्रियेला प्रकाशाचे अपस्करण म्हणतात.
• घटक रंग: पांढऱ्या प्रकाशाचे अपस्करण झाल्यावर मिळणारे रंग तांबडा, नारंगी, पिवळा, हिरवा, निळा, पारवा, जांभळा (ता.ना.पि.हि.नि.पा.जा. - VIBGYOR) या क्रमाने असतात.
• कारणे:

1. प्रकाश हे विद्युत चुंबकीय प्रारण आहे, ज्याची तरंगलांबी (wavelength) 400 nm ते 700 nm च्या दरम्यान असते.
2. वेगवेगळ्या रंगांच्या प्रकाशाची तरंगलांबी भिन्न असते:

• तांबडा रंग: सर्वात जास्त तरंगलांबी (सुमारे 700 nm).
• जांभळा रंग: सर्वात कमी तरंगलांबी (सुमारे 400 nm).

1. निर्वात पोकळीत सर्व रंगांच्या प्रकाशाचा वेग सारखा असतो, परंतु कोणत्याही पदार्थ माध्यमात (उदा. काच, पाणी) वेगवेगळ्या रंगांचा वेग भिन्न असतो.
2. ज्या रंगाचा वेग माध्यमात जास्त, त्याचे अपवर्तन कमी होते; ज्याचा वेग कमी, त्याचे अपवर्तन जास्त होते.
3. यामुळे माध्यमाचा अपवर्तनांक वेगवेगळ्या रंगांसाठी वेगवेगळा असतो. (उदा. काचेचा अपवर्तनांक जांभळ्या रंगासाठी जास्त असतो आणि तांबड्या रंगासाठी कमी असतो).

• लोलकाद्वारे अपस्करण (Dispersion by Prism):
• सर आयझॅक न्यूटन यांनी सर्वप्रथम सूर्यप्रकाशापासून वर्णपंक्ती मिळवण्यासाठी काचेच्या लोलकाचा उपयोग केला.
• जेव्हा शुभ्र प्रकाश लोलकावर आपाती होतो, तेव्हा वेगवेगळ्या रंगांचे प्रकाश किरण वेगवेगळ्या कोनातून वळतात.
• तांबडा रंग: सर्वात कमी वळतो (सर्वात कमी अपवर्तन).
• जांभळा रंग: सर्वात जास्त वळतो (सर्वात जास्त अपवर्तन).
• यामुळे प्रत्येक रंगाचे किरण वेगवेगळ्या मार्गाने बाहेर पडतात आणि आपल्याला सात रंगांची वर्णपंक्ती मिळते.

वर्णपंक्ती (Spectrum)

• अपस्करणामुळे मिळणाऱ्या रंगांच्या पट्ट्याला वर्णपंक्ती म्हणतात.
• या वर्णपंक्तीतील रंग नेहमी विशिष्ट क्रमाने असतात: तांबडा, नारंगी, पिवळा, हिरवा, निळा, पारवा, जांभळा (VIBGYOR).

आंशिक परावर्तन (Partial Reflection)

• व्याख्या: जेव्हा प्रकाश किरण घन माध्यमातून विरल माध्यमात प्रवेश करतो, तेव्हा प्रकाशाचा काही भाग पहिल्या माध्यमात परत येतो. याला आंशिक परावर्तन म्हणतात.
• प्रक्रिया: प्रकाशाचा उरलेला भाग दुसऱ्या माध्यमात अपवर्तित होतो.

क्रांतिक कोन (Critical Angle, \(i_c\))

• संकल्पना: जेव्हा प्रकाश किरण घन माध्यमातून विरल माध्यमात जातो, तेव्हा तो स्तंभिकेपासून दूर जातो (म्हणजे \(r > i\)).
• जर आपण आपतन कोन \(i\) चे मूल्य वाढवत गेलो, तर अपवर्तन कोन \(r\) चे मूल्यही वाढत जाते (स्नेलच्या नियमानुसार).
• आपतन कोनाच्या एका विशिष्ट मूल्यासाठी, अपवर्तन कोन \(r\) चे मूल्य \(90^\circ\) होते. या विशिष्ट आपतन कोनाला क्रांतिक कोन म्हणतात.
• सूत्र: \(n_{12} = \frac{\sin i_c}{\sin 90^\circ} = \sin i_c\) (येथे \(n_{12}\) म्हणजे माध्यम 2 चा माध्यम 1 च्या संदर्भात अपवर्तनांक).
• किंवा, \(n = \frac{1}{\sin i_c}\) (जेव्हा विरल माध्यम हवा/निर्वात पोकळी असेल).

पूर्ण आंतरिक परावर्तन (Total Internal Reflection - TIR)

• व्याख्या: जेव्हा प्रकाश किरण घन माध्यमातून विरल माध्यमात जातो आणि आपतन कोन हा क्रांतिक कोनापेक्षा जास्त असतो (\(i > i_c\)), तेव्हा प्रकाशाचे अपवर्तन न होता, तो पूर्णपणे पहिल्या (घन) माध्यमात परत येतो. या घटनेला पूर्ण आंतरिक परावर्तन म्हणतात.
• अटी:

1. प्रकाश किरण घन माध्यमातून विरल माध्यमात जात असावा.
2. आपतन कोन (\(i\)) हा क्रांतिक कोनापेक्षा जास्त असावा (\(i > i_c\)).

• उपयोग: ऑप्टिकल फायबर, हिऱ्यांची चमक, पेरिस्कोप, दुर्बिणी.

इंद्रधनुष्य निर्मिती (Formation of Rainbow)

• इंद्रधनुष्य ही निसर्गातील एक सुंदर घटना आहे, जी प्रकाशाच्या अपस्करण, अपवर्तन आणि पूर्ण आंतरिक परावर्तन या तीनही नैसर्गिक घटनांचा एकत्रित परिणाम आहे.
• प्रक्रिया:

1. पाऊस पडल्यानंतर वातावरणातील पाण्याचे लहान थेंब लहान लोलकाप्रमाणे कार्य करतात.
2. सूर्यप्रकाश जेव्हा पाण्याच्या थेंबात प्रवेश करतो, तेव्हा त्याचे अपवर्तन आणि अपस्करण होते (घटक रंगांमध्ये विभागणी).
3. हे घटक रंग थेंबाच्या आतल्या पृष्ठभागावर पोहोचल्यावर, त्यांचा आपतन कोन क्रांतिक कोनापेक्षा जास्त असल्यास, त्यांचे पूर्ण आंतरिक परावर्तन होते.
4. आंतरिक परावर्तन झाल्यानंतर, हे प्रकाश किरण थेंबातून बाहेर पडताना पुन्हा अपवर्तित होतात.
5. या सर्व घटनांच्या एकत्रित परिणामामुळे आपल्याला आकाशात सात रंगांचे इंद्रधनुष्य दिसते. (VIBGYOR क्रमाने).

• इंद्रधनुष्य नेहमी सूर्याच्या विरुद्ध दिशेने दिसते.