जैसे प्रकाश की किरण एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाती है - जैसे कि जब यह पानी के तालाब से बाहर निकलती है, या जब यह आपके चश्मे से गुजरती है - आपने देखा होगा कि यह झुकती है। इसे अपवर्तन कहा जाता है, और यह आपतित प्रकाश और सामग्री के आधार पर विभिन्न कोणों पर होता है। यह भी है कि आंखें कैसे देख सकती हैं और छवियों को मस्तिष्क तक पहुंचा सकती हैं।
प्रकाश का अपवर्तन
अपवर्तन प्रकाश किरणों का झुकना है जब वे एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाती हैं। यह इस तथ्य का परिणाम है कि प्रकाश अलग-अलग मीडिया में थोड़ी अलग गति से यात्रा करता है। एक प्रकाश किरण कितना अपवर्तित होता है यह इस बात पर निर्भर करेगा कि दूसरे माध्यम में इसकी गति पहले से कितनी भिन्न है। गति में अंतर जितना अधिक होगा, अपवर्तन कोण उतना ही अधिक होगा।
आप कम से कम समय के सिद्धांत का उपयोग करके इस बारे में सोच सकते हैं। कल्पना कीजिए कि एक लाइफगार्ड एक तैराक तक पहुंचने की कोशिश कर रहा है, जो कि किनारे के नीचे और पानी में कम से कम समय में संभव है। वह जानती है कि वह तैरने की तुलना में बहुत तेज दौड़ सकती है। एक सीधी रेखा में यात्रा करके तैराक तक पहुँचने की कोशिश करना उसकी दौड़ने की गति के सापेक्ष उसकी धीमी तैराकी गति के कारण अक्षम होगा; इसके बजाय, वह समुद्र तट पर तब तक दौड़ती है जब तक कि वह लगभग तैराक के सामने न आ जाए, और फिर पानी में कूद जाती है।
वह जितनी दूरी तय करती है वह लंबी होती है, लेकिन अलग-अलग माध्यमों में उसकी अलग-अलग गति के कारण तय किया गया समय कम होता है। अपवर्तित होने पर प्रकाश यही करता है।
विभिन्न गहराई के क्षेत्रों के बीच यात्रा करते समय पानी की तरंगों को भी अपवर्तित किया जा सकता है, क्योंकि लहरें अलग-अलग गति से यात्रा करेंगी, यह इस बात पर निर्भर करता है कि वे उथले पानी में हैं या गहरे पानी में।
अपवर्तक सूचकांक
किसी दिए गए माध्यम के लिए अपवर्तन का सूचकांक एक इकाई रहित संख्या हैनहींकहां हैएन = सी/वी, कहां हैसीनिर्वात में प्रकाश की गति है औरवीमाध्यम में प्रकाश की गति है। किसी माध्यम में प्रकाश की गति जितनी धीमी होगी, उस माध्यम का अपवर्तन सूचकांक उतना ही अधिक होगा। किसी माध्यम में प्रकाश तरंग का वेग उसकी तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करेगा, और इसलिए अपवर्तन का सूचकांक भी होगा।
यह एक घटना की ओर जाता है जिसे कहा जाता हैफैलाव, जिसे प्रकाश प्रिज्मों में देखा जा सकता है: जब श्वेत प्रकाश, जिसमें अनेक भिन्न-भिन्न प्रकाश तरंगें होती हैं तरंग दैर्ध्य, एक प्रिज्म में प्रवेश करती है, प्रत्येक घटक प्रकाश तरंग एक अलग कोण पर अपवर्तित होती है जो इसके. पर निर्भर करती है तरंग दैर्ध्य। यह एक इंद्रधनुष की उपस्थिति बनाता है।
हवा में अपवर्तन का सूचकांक दबाव और तापमान सहित कई कारकों पर निर्भर करता है। गर्मियों में फुटपाथ जैसी गर्म वस्तुओं से निकलने वाली "लहरें" होती हैं क्योंकि प्रकाश ठंडी हवा की तुलना में गर्म हवा के माध्यम से अलग तरह से अपवर्तित होता है, जिससे विकृत चित्र बनते हैं।
इसके अलावा, गर्मियों में एक गर्म सड़क के पास की हवा वास्तव में एक पर्यवेक्षक की ओर आने वाले प्रकाश को प्रतिबिंबित कर सकती है एक उथले कोण पर, ऐसा प्रतीत होता है जैसे कि दर्पण या परावर्तक पानी की सतह थी सड़क।
स्नेल का नियम
स्नेल का नियम दो मीडिया के अपवर्तन के सूचकांकों के साथ-साथ आपतन कोण से संबंधित हैθमैंअपवर्तन कोण तक toθआर, एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाने पर प्रकाश कैसे झुकता है।
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
यह समीकरण उस कोण की भविष्यवाणी कर सकता है जिस पर प्रकाश किसी दिए गए माध्यम में अपवर्तित होगा, यदि दोनों माध्यमों के अपवर्तन के सूचकांक और घटना कोण ज्ञात हैं। यह किसी भी दो माध्यमों से प्रकाश के अपवर्तन से संबंधित किसी भी स्थिति में सही है।
कुल आंतरिक प्रतिबिंब
यदि प्रकाश तरंगें उच्च अपवर्तन सूचकांक वाले माध्यम से निम्न अपवर्तन सूचकांक वाले माध्यम में गुजरती हैं, एक क्रांतिक कोण होता है जिसके ऊपर प्रकाश इतना मुड़ जाता है कि उसमें से कोई भी दूसरे माध्यम में नहीं जाता। इसे पूर्ण आंतरिक परावर्तन कहते हैं।
क्रान्तिक कोण वह आपतित कोण है जिसके लिए बाहर जाने वाली किरण का अपवर्तन कोण 90 डिग्री होता है। इसलिए
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
क्रांतिक कोण से ऊपर के कोणों पर, सभी प्रकाश पूर्ण आंतरिक परावर्तन से गुजरते हैं।
पूर्ण आंतरिक परावर्तन बताता है कि क्यों, एक निश्चित कोण से, एक मछली टैंक में पानी/हवा की सतह नीचे से देखने पर एक आदर्श दर्पण की तरह दिखाई देगी। हवा में पानी की तुलना में अपवर्तन का बहुत कम सूचकांक होता है, और इसलिए उथले कोण पर प्रकाश तरंगें नीचे से सतह सतह से अपवर्तित होने के बजाय सतह से परावर्तित होगी, जिससे a. का निर्माण होगा आईना।
पूर्ण आंतरिक परावर्तन जल तरंगों और ध्वनि तरंगों में भी हो सकता है।
लेंस
माध्यम में प्रकाश का अपवर्तन तब बदल सकता है जब माध्यमों के बीच की सतह घुमावदार हो। वास्तव में, एक ही दिशा से आने वाला प्रकाश अलग-अलग कोणों पर अपवर्तित होगा, यह इस बात पर निर्भर करता है कि घुमावदार सतह पर वह कहाँ टकराता है।
लेंस घुमावदार पक्षों वाली पारदर्शी सामग्री के टुकड़े होते हैं जो प्रकाश के मार्ग को प्रभावित करने के लिए अपवर्तन का उपयोग करते हैं। एक अभिसारी लेंस बीच में मोटा होता है, जिससे प्रकाश की किरणें लेंस के एक तरफ से प्रवेश करती हैं और दूसरी तरफ एक केंद्र बिंदु पर अभिसरण करती हैं। यह वही है जो आवर्धक कांच और कुछ दूरबीनों का उपयोग करते हैं।
एक अवतल लेंस किनारों की तुलना में बीच में पतला होता है, और एक तरफ से प्रवेश करने वाली प्रकाश किरणें बाहर की ओर अपवर्तित हो जाती हैं और दूसरी तरफ निकलने पर फैल जाती हैं।
दोनों प्रकार के लेंस का उपयोग सुधारात्मक दृष्टि में किया जाता है, चाहे चश्मे में हो या कॉन्टैक्ट में, यह इस बात पर निर्भर करता है कि आंख में समस्या क्या है।
उदाहरण
हमारी आंखें अपवर्तन का उपयोग करके प्रकाश की व्याख्या करती हैं। प्रकाश कॉर्निया और फिर लेंस में प्रवेश करता है, रेटिना पर एक सटीक बिंदु में अपवर्तित होता है। फिर छवि को ऑप्टिक तंत्रिका के माध्यम से मस्तिष्क में प्रेषित किया जाता है। आँसुओं के अपवर्तक गुणों के कारण अश्रुपूर्ण आँखें धुंधली दृष्टि की ओर ले जाती हैं।
ऑप्टिकल फाइबर युक्त कोई भी वस्तु पूर्ण आंतरिक परावर्तन पर निर्भर करती है। तंतुओं में अपवर्तन का उच्च सूचकांक होता है और वे बहुत कम अपवर्तन सूचकांक वाली सामग्री से घिरे होते हैं। जैसे ही प्रकाश फाइबर के माध्यम से यात्रा करता है, फाइबर के बाहर के साथ इसका कोण इसे बचने से रोकने के लिए काफी कम होता है। यह फाइबर को बहुत अधिक केंद्रित प्रकाश को बड़ी दूरी तक ले जाने की अनुमति देता है। फाइबर ऑप्टिक्स का उपयोग मुख्य रूप से इंटरनेट और टेलीफोन सेवाओं में किया जाता है।
इंद्रधनुष हवा में पानी की बूंदों से सूर्य के प्रकाश के अपवर्तन और परावर्तन के कारण होता है। यह बारिश के बाद या धुंध की स्थिति में हो सकता है, लेकिन झरने और फव्वारे के पास भी हो सकता है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, प्रकाश के विभिन्न तरंग दैर्ध्य (रंग) में किसी दी गई सामग्री के लिए अपवर्तन के थोड़ा अलग सूचकांक होते हैं, जो उन्हें विभिन्न कोणों पर अपवर्तित करता है। एक पर्यवेक्षक तब तरंग दैर्ध्य के क्रम में रंगों का इंद्रधनुष देखता है।
अपवर्तन के कारण तालाब में पानी वास्तव में जितना है उससे अधिक उथला दिखता है। जैसे ही हवा में प्रकाश पानी में प्रवेश करता है, यह अपवर्तन के कारण सतह पर एक उथले कोण पर झुक जाता है। सतह के "वायु" पक्ष पर एक पर्यवेक्षक के लिए, ऐसा प्रतीत होता है जैसे सतह के नीचे सब कुछ उथला है, क्योंकि प्रकाश उथले कोणों पर मुड़ा हुआ है।
महत्वपूर्ण कोण रत्नों को काटने के तरीके को भी प्रभावित करता है। एक रत्न को इस तरह काटा जा सकता है कि उसमें प्रवेश करने वाला प्रकाश पूर्ण आंतरिक परावर्तन से गुजरता है, जब वह पीछे के पहलुओं से टकराता है, तो पत्थर के सामने से फिर से निकलता है जिससे यह चमकीला दिखाई देता है। उच्च अपवर्तन सूचकांक वाला हीरा इसके लिए विशेष रूप से आदर्श है, जो इसे एक लोकप्रिय रत्न बनाता है।
