प्रकाश (भौतिकी): यह क्या है और यह कैसे काम करता है?

विद्युत चुम्बकीय विकिरण (प्रकाश) के कण-तरंग द्वैत को समझना क्वांटम सिद्धांत और अन्य घटनाओं के साथ-साथ प्रकाश की प्रकृति को समझने के लिए मौलिक है। पिछली शताब्दी में सबसे बड़े वैज्ञानिक विकासों में से एक यह खोज थी कि बहुत छोटी वस्तुएं रोजमर्रा की वस्तुओं के समान नियमों का पालन नहीं करती हैं।

सीधे शब्दों में, विद्युत चुम्बकीय तरंगों को केवल प्रकाश के रूप में जाना जाता है, हालांकि प्रकाश शब्द का प्रयोग कभी-कभी दृश्य प्रकाश को निर्दिष्ट करने के लिए किया जाता है (जिसे आंख से पता लगाया जा सकता है), और दूसरी बार विद्युत चुम्बकीय के सभी रूपों को संदर्भित करने के लिए अधिक सामान्यतः उपयोग किया जाता है विकिरण।

विद्युत चुम्बकीय तरंगों को पूरी तरह से समझने के लिए, एक क्षेत्र की धारणा और बिजली और चुंबकत्व के बीच संबंध को समझना महत्वपूर्ण है। इसे अगले भाग में और अधिक विस्तार से समझाया जाएगा, लेकिन संक्षेप में, विद्युत चुम्बकीय तरंगें (प्रकाश तरंगें) एक चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत (समकोण पर) समतल में दोलन करने वाली विद्युत क्षेत्र तरंग से मिलकर बनता है लहर

यदि विद्युत चुम्बकीय विकिरण एक तरंग के रूप में कार्य करता है, तो किसी विशेष विद्युत चुम्बकीय तरंग के साथ एक आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य जुड़ा होगा। आवृत्ति प्रति सेकंड दोलनों की संख्या है, जिसे हर्ट्ज़ (हर्ट्ज) में मापा जाता है जहां 1 हर्ट्ज = 1/सेकेंड होता है। तरंगदैर्घ्य तरंग शिखाओं के बीच की दूरी है। आवृत्ति और तरंगदैर्घ्य का गुणनफल तरंग गति देता है, जो निर्वात में प्रकाश के लिए लगभग 3×10. है

अधिकांश तरंगों के विपरीत (जैसे ध्वनि तरंगें, उदाहरण के लिए), विद्युत चुम्बकीय तरंगों को एक माध्यम की आवश्यकता नहीं होती है जिसके माध्यम से फैलते हैं, और इसलिए रिक्त स्थान के निर्वात को पार कर सकते हैं, जो वे प्रकाश की गति से करते हैं - में सबसे तेज गति ब्रम्हांड!

एक क्षेत्र को वैक्टर की एक अदृश्य सरणी के रूप में माना जा सकता है, अंतरिक्ष में प्रत्येक बिंदु पर एक बल के सापेक्ष परिमाण और दिशा को इंगित करता है कि उस बिंदु पर रखा जाने पर वस्तु महसूस करेगी। उदाहरण के लिए, पृथ्वी की सतह के पास एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में अंतरिक्ष में प्रत्येक बिंदु पर सीधे पृथ्वी के केंद्र की ओर इशारा करते हुए एक वेक्टर होगा। समान ऊँचाई पर, इन सभी सदिशों का परिमाण समान होगा।

यदि किसी दिए गए बिंदु पर एक द्रव्यमान रखा जाता है, तो गुरुत्वाकर्षण बल उसके द्रव्यमान और वहां के क्षेत्र के मूल्य पर निर्भर करता है। विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र एक ही तरह से काम करते हैं, सिवाय इसके कि वे किसी वस्तु के द्रव्यमान के बजाय क्रमशः आवेश और चुंबकीय क्षण पर निर्भर बलों को लागू करते हैं।

विद्युत क्षेत्र सीधे आवेशों के अस्तित्व से उत्पन्न होता है, जैसे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र सीधे द्रव्यमान से उत्पन्न होता है। हालाँकि, चुंबकत्व का स्रोत गतिमान आवेश (या समतुल्य रूप से, विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन) से है।

1860 के दशक में, भौतिक विज्ञानी जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने चार समीकरणों का एक सेट विकसित किया जो बिजली और चुंबकत्व के बीच संबंधों को पूरी तरह से वर्णित करता है। इन समीकरणों ने मूल रूप से दिखाया कि कैसे विद्युत क्षेत्र आवेशों द्वारा उत्पन्न होते हैं, कैसे कोई मौलिक चुंबकीय मोनोपोल मौजूद नहीं है, कैसे चुंबकीय क्षेत्र बदलने से विद्युत क्षेत्र उत्पन्न हो सकता है, और विद्युत क्षेत्र को बदलने या बदलने से चुंबकीय कैसे उत्पन्न हो सकता है खेत।

इन समीकरणों की व्युत्पत्ति के कुछ समय बाद, एक स्व-प्रसारित विद्युत चुम्बकीय तरंग का वर्णन करते हुए एक समाधान पाया गया। इस तरंग के प्रकाश की गति से चलने की भविष्यवाणी की गई थी, और वास्तव में यह प्रकाश निकला!

विद्युत चुम्बकीय तरंगें कई अलग-अलग तरंग दैर्ध्य और आवृत्तियों में आ सकती हैं, जब तक कि तरंग दैर्ध्य का उत्पाद और दी गई तरंग की आवृत्ति बराबर होती हैसी, प्रकाश की गति। विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूपों में शामिल हैं (लंबी तरंग दैर्ध्य/कम ऊर्जा से छोटी तरंग दैर्ध्य/उच्च ऊर्जा तक):

• रेडियो तरंगें (0.187 मीटर - 600 मीटर)
• माइक्रोवेव (1 मिमी - 187 मिमी)
• इन्फ्रारेड तरंगें (750 एनएम - 1 मिमी)
• दृश्यमान प्रकाश (४०० एनएम - ७५० एनएम; ये तरंगदैर्घ्य मानव आंख द्वारा पता लगाने योग्य होते हैं और अक्सर एक दृश्य स्पेक्ट्रम में विभाजित होते हैं)
• पराबैंगनी प्रकाश (10 एनएम - 400 एनएम)
• एक्स-रे (10 .)^-12 एम - 10 एनएम)
• गामा किरणें (<10^-12 म)

फोटॉन मात्रात्मक प्रकाश कणों या विद्युत चुम्बकीय विकिरण का नाम है। अल्बर्ट आइंस्टीन ने 20वीं शताब्दी के शुरुआती पेपर में प्रकाश क्वांटा (फोटॉन) की धारणा पेश की थी।

फोटॉन बड़े पैमाने पर होते हैं, और वे संख्या संरक्षण कानूनों का पालन नहीं करते हैं (जिसका अर्थ है कि उन्हें बनाया और नष्ट किया जा सकता है)। हालांकि, वे ऊर्जा संरक्षण का पालन करते हैं।

वास्तव में, फोटॉन को कणों के एक वर्ग में माना जाता है जो बल वाहक होते हैं। फोटॉन विद्युत चुम्बकीय बल का मध्यस्थ है और ऊर्जा के एक पैकेट के रूप में कार्य करता है जिसे एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरित किया जा सकता है।

आप शायद सोच रहे हैं कि अचानक विद्युत चुम्बकीय तरंगों को कणों के रूप में बोलना अजीब है, क्योंकि तरंगें और कण दो मौलिक रूप से अलग-अलग निर्माणों की तरह लगते हैं। वास्तव में, यह सिर्फ इस तरह की चीज है जो बहुत छोटे के भौतिकी को इतना अजीब बनाती है। अगले कुछ खंडों में परिमाणीकरण और कण-तरंग द्वैत की धारणाओं पर अधिक विस्तार से चर्चा की गई है।

विद्युत चुम्बकीय तरंगें विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों में दोलनों से उत्पन्न होती हैं। यदि कोई चार्ज तार के साथ आगे-पीछे चलता है, तो यह एक बदलते विद्युत क्षेत्र का निर्माण करता है, जो बदले में एक बदलते चुंबकीय क्षेत्र का निर्माण करता है, जो तब स्वयं फैलता है।

परमाणु और अणु, जिनमें इलेक्ट्रॉन बादलों के रूप में गतिमान आवेश होता है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ दिलचस्प तरीके से बातचीत करने में सक्षम होते हैं। एक परमाणु में, इलेक्ट्रॉनों को केवल बहुत विशिष्ट मात्राबद्ध ऊर्जा अवस्थाओं में ही मौजूद रहने की अनुमति होती है।

यदि कोई इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा की स्थिति में रहना चाहता है, तो वह ऊर्जा को ले जाने के लिए विद्युत चुम्बकीय विकिरण के असतत पैकेट का उत्सर्जन करके ऐसा कर सकता है। इसके विपरीत, किसी अन्य ऊर्जा अवस्था में कूदने के लिए, उसी इलेक्ट्रॉन को ऊर्जा के एक बहुत ही विशिष्ट असतत पैकेट को भी अवशोषित करना चाहिए।

विद्युत चुम्बकीय तरंग से जुड़ी ऊर्जा तरंग की आवृत्ति पर निर्भर करती है। जैसे, परमाणु अपने संबंधित मात्राबद्ध ऊर्जा स्तरों के अनुरूप विद्युत चुम्बकीय विकिरण की केवल विशिष्ट आवृत्तियों को अवशोषित और उत्सर्जित कर सकते हैं। इन ऊर्जा पैकेटों को कहा जाता हैफोटॉनों​.

​परिमाणीकरणएक निरंतर स्पेक्ट्रम छंद असतत मूल्यों के लिए प्रतिबंधित होने वाली किसी चीज़ को संदर्भित करता है। जब परमाणु एक फोटॉन को अवशोषित या उत्सर्जित करते हैं, तो वे क्वांटम यांत्रिकी द्वारा वर्णित केवल विशिष्ट मात्रा में ऊर्जा मूल्यों पर ऐसा करते हैं। यह "एकल फोटॉन" वास्तव में एक असतत तरंग "पैकेट" के रूप में सोचा जा सकता है।

ऊर्जा की मात्रा केवल एक प्राथमिक इकाई के गुणकों में उत्सर्जित की जा सकती है (प्लैंक स्थिरांकएच). समीकरण जो ऊर्जा से संबंधित हैइइसकी आवृत्ति के लिए एक फोटॉन का है:

कहा पेν(यूनानी अक्षर नू) फोटॉन की आवृत्ति और प्लैंक स्थिरांक हैएच​ = 6.62607015 × 10^-34 जे.एस.

आपने लोगों को शब्दों का प्रयोग करते सुना होगाफोटोनतथाविद्युत चुम्बकीय विकिरणएक दूसरे के स्थान पर, भले ही ऐसा लगता है कि वे अलग-अलग चीजें हैं। फोटॉन की बात करें तो लोग आमतौर पर इस घटना के कण गुणों के बारे में बात कर रहे हैं, जबकि जब वे विद्युतचुंबकीय तरंगों या विकिरण के बारे में बात कर रहे होते हैं, तो वे वेवेलिक से बात करते हैं गुण।

फोटॉन या विद्युत चुम्बकीय विकिरण कण-तरंग द्वैत कहलाते हैं। कुछ स्थितियों में और कुछ प्रयोगों में, फोटॉन कण-समान व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। इसका एक उदाहरण फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव में है, जहां एक सतह से टकराने वाला प्रकाश किरण इलेक्ट्रॉनों की रिहाई का कारण बनता है। इस आशय की बारीकियों को केवल तभी समझा जा सकता है जब प्रकाश को असतत पैकेट के रूप में माना जाता है जिसे उत्सर्जित होने के लिए इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करना चाहिए।

अन्य स्थितियों और प्रयोगों में, वे तरंगों की तरह अधिक कार्य करते हैं। इसका एक प्रमुख उदाहरण एकल या बहु-स्लिट प्रयोगों में देखा गया हस्तक्षेप पैटर्न है। इन प्रयोगों में, प्रकाश संकीर्ण, निकट दूरी वाले झिल्लियों के माध्यम से यात्रा करता है, जो कई चरणों में कार्य करता है प्रकाश स्रोत, और इसके परिणामस्वरूप, यह एक हस्तक्षेप पैटर्न उत्पन्न करता है जो आप a see में देखेंगे के अनुरूप है लहर

यहां तक ​​​​कि अजनबी भी, केवल फोटॉन ही ऐसी चीज नहीं हैं जो इस द्वंद्व को प्रदर्शित करते हैं। वास्तव में, सभी मूलभूत कण, यहां तक ​​कि इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन भी इस तरह से व्यवहार करते प्रतीत होते हैं। कण जितना बड़ा होगा, उसकी तरंगदैर्घ्य उतनी ही कम होगी और यह द्वैत उतना ही कम दिखाई देगा। यही कारण है कि आप रोजमर्रा की जिंदगी में ऐसा कुछ नहीं देखते हैं।