Kerala PSC | Download Study Materials | Light and its Phenomena

പ്രകാശവും പ്രതിഭാസവും

പ്രകാശം സഞ്ചരിക്കുന്നത് വൈദ്യുത കാന്തിക തരംഗങ്ങളായാണ്. വൈദ്യുത കാന്തിക തരംഗങ്ങളുടെ വളരെ കുറച്ചു ഭാഗം മാത്രമേ മനുഷ്യ നേത്രങ്ങളാൽ കാണാൻ സാധിക്കുകയുള്ളൂ. ഈ ആവൃത്തിയെ ദൃശ്യപ്രകാശം എന്ന് വിളിക്കുന്നു.
പ്രകാശത്തിന്റെ സ്വഭാവം, പ്രസരണം, ഉപയോഗങ്ങൾ എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തെ പ്രകാശ ശാസ്ത്രം അഥവാ ഒപ്റ്റിക്സ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു.
അപവർത്തനം, പ്രതിഫലനം, വിസരണം, വ്യതികരണം, പ്രകീർണ്ണനം, വിഭംഗനം, പൂർണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം തുടങ്ങിയവ പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രധാന സ്വഭാവങ്ങളാണ്.

$Light and its Phenomena | Refraction$

അപവർത്തനം

പ്രകാശം ഒരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്നും മറ്റൊരു മാധ്യമത്തിലേക്കു കടക്കുമ്പോൾ അതിന്ടെ സഞ്ചാരപാതയ്ക്ക് ഉണ്ടാകുന്ന വ്യതിയാനമാണ് അപവർത്തനം (Refraction).
നക്ഷത്രങ്ങൾ മിന്നിത്തിളങ്ങുന്നതും ജലത്തിൽ താഴ്ത്തി വച്ചിരിക്കുന്ന കമ്പ് വളഞ്ഞതായി തോന്നുന്നതും സൂര്യോദയത്തിന് തൊട്ടു മുൻപും സൂര്യാസ്തമയത്തിനു ശേഷവും അൽപസമയം സൂര്യപ്രകാശം കാണാൻ സാധിക്കുന്നതും അപവർത്തനം മൂലമാണ്.
മരുഭൂമിയിൽ മരീചിക എന്ന പ്രതിഭാസം ഉണ്ടാകാൻ കാരണം അപവർത്തനവും പൂർണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനവുമാണ്.
സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശം സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ പതനകോൺ അപവർത്തന കോണിനേക്കാൾ കുറവായിരിക്കും.
പ്രകാശ രശ്മി സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിലേക്ക് ചരിഞ്ഞു പ്രവേശിക്കുമ്പോൾ അപവർത്തന കോൺ 90 ഡിഗ്രി ആകുന്നതിനാവശ്യമായ പതന കോണിനെ ക്രിട്ടിക്കൽ കോൺ എന്ന് പറയുന്നു.
സ്നെൽ നിയമം അപവർത്തന നിയമം എന്ന് കൂടി അറിയപ്പെടുന്നു. സ്നെൽ നിയമമനുസരിച്ച് പതനകോണും അപവർത്തന കോണും തമ്മിലുള്ള അനുപാതം തുല്യമാണ്.
പ്രകാശത്തിന്ടെ ശൂന്യതയിലുള്ള പ്രവേഗത്തിന്ടെയും മാധ്യമത്തിലൂടെയുള്ള പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രവേഗത്തിന്ടെയും അനുപാതമാണ് അപവർത്തനാങ്കം (Refractive Index) എന്നറിയപ്പെടുന്നത്.
പ്രകാശത്തെ കടത്തിവിടുന്ന മാധ്യമങ്ങളുടെ അപവർത്തനാങ്കം ആ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ സ്വഭാവത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. മാധ്യമത്തിൽ പതിക്കുന്ന പ്രകാശ രശ്മികളുടെ തരംഗ ദൈർഖ്യം അപവർത്തനാങ്കത്തെ ബാധിക്കും.
വായുവിന്ടെ അപവർത്തനാങ്കം സാധാരണ ഊഷ്മാവിലും മർദ്ദത്തിലും 1.0003 ആണ്.
പ്രകാശിക ഉപകരണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന സ്ഫടിക വസ്തുക്കളുടെ അപവർത്തനാങ്കം 1.5 നും 2.0 നും ഇടയിലാണ്.

$Light and its Phenomena | Diffraction$

വിഭംഗനം

സൂക്ഷ്മങ്ങളായ അതാര്യ വസ്തുക്കളെ ചുറ്റി പ്രകാശം വളയുകയോ വ്യാപിക്കുകയോ ചെയ്യുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് വിഭംഗനം (Diffraction).
സൂര്യന് ചുറ്റുമുള്ള വലയം കോംപാക്റ്റ് ഡിസ്കുകളിൽ(സി ഡി) കാണുന്ന വർണരാജി ക്രമരഹിതമായി കാണപ്പെടുന്ന നിഴലുകൾ എന്നിവയ്ക്ക് കാരണം ഡിഫ്രാക്ഷൻ ആണ്.

വിസരണം

പ്രകാശം മറ്റ് വസ്തുക്കളിൽ തട്ടിയുണ്ടാകുന്ന ക്രമരഹിതവും ഭാഗികവുമായ പ്രതിഫലനം ആണ് വിസരണം (Scattering).
ആകാശത്തനിൻടെയും കടലിന്റെയും നീല നിറത്തിനും ഉദയ സൂര്യന്റെയും അസ്തമയ സൂര്യന്റെയും ചുവപ്പ് നിറത്തിനും കാരണം പ്രകാശത്തിന്റെ വിസരണ സ്വഭാവമാണ്.
ആകാശത്തിന്റെ നീല നിറത്തിനു ശാസ്ത്രീയ വിശദീകരണം നൽകിയ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ലോഡ് റെയ്‌ലി ആണ്.
തന്മാത്രകളിൽ നിന്നുള്ള വിസരിത പ്രകാശത്തിന്ടെ തീവ്രത തരംഗ ദൈർഖ്യത്തിന്ടെ നാലാം കൃതിക്ക് വിപരീത അനുപാതത്തിലാണ് എന്നതാണ് ലോഡ് റെയ്‌ലിയുടെ വിസരണ നിയമം.
വിസരണം മൂലം പ്രകാശം എല്ലാ ദിശകളിലേക്കും വ്യാപിക്കുന്നു.
ഘടക വർണങ്ങളുടെ തരംഗ ദൈർഖ്യം കുറയുംതോറും വിസരണ നിരക്ക് കൂടുന്നു.
കടലിന്റെ നീല നിറത്തിനു വിശദീകരണം നൽകിയ ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് സി.വി.രാമൻ. രാമൻ പ്രഭാവം പ്രകാശത്തിന്റെ വിസരണ പ്രതിഭാസവുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.
രാമൻ പ്രഭാവം കണ്ടെത്തിയതിനു 1930 ലാണ് സി.വി.രാമന് ഭൗതിക ശാസ്ത്ര നൊബേൽ ലഭിച്ചത് മെഡിറ്ററേനിയൻ കടലിലൂടെയുള്ള സഞ്ചാരമാണ് സി.വി.രാമനു രാമൻ എഫക്ട് കാരണത്താൽ സഹായകമായത്.
വിസരണത്തെ സ്വാധീനിക്കുന്ന ഘടകങ്ങളാണ് തരംഗ ദൈർഖ്യവും വിസരണത്തിനും കാരണമാകുന്ന കണികകളുടെ വലിപ്പവും.
ഏറ്റവും കൂടുതൽ വിസരണം സംഭവിക്കുന്നത് വയലറ്റ് നിറത്തിനും ഏറ്റവും കുറവ് ചുവപ്പിനുമാണ്.

വ്യതികരണം

ഒന്നിലേറെ പ്രകാശ തരംഗങ്ങളുടെ അതിവ്യാപനം മൂലം പ്രകാശത്തിന്റെ തീവ്രതയിലുണ്ടാകുന്ന വ്യത്യാസമാണ് വ്യതികരണം അഥവാ ഇന്റർഫെറെൻസ് (Interference).
ഒന്നോ അതിൽ കൂടുതലോ തരംഗങ്ങൾ ഒരു മാധ്യമത്തിൽ വ്യതികരണത്തിന് (ഇന്റർഫെറെൻസ്) വിധേയമായാൽ വ്യതികരണം നടക്കുന്ന ബിന്ദുവിൽ ഉണ്ടാകുന്ന സ്ഥാനാന്തരണം ഓരോ തരംഗവും ഉണ്ടക്കുന്ന സ്ഥാനാന്തരണത്തിന്ടെ തുകയ്ക്കു തുല്യമാകും.
ഹോളോഗ്രാം സംവിധാനത്തിൽ പ്രകടമാകുന്ന പ്രകാശ പ്രതിഭാസം ഇന്റർഫെറെൻസ് ആണ്.
കൺസ്ട്രക്റ്റീവ് ഇന്റർഫെറെൻസ്, ഡിസ്ട്രക്റ്റീവ് ഇന്റർഫെറെൻസ് എന്നിങ്ങനെ വ്യതികരണത്തെ പ്രധാനമായും രണ്ടായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു.
വെള്ളത്തിലുള്ള എണ്ണപ്പാടയിലും സോപ്പ് കുമിളകളിലും കാണുന്ന വർണങ്ങൾക്ക് കാരണം ഇന്റർഫെറെൻസ് ആണ്.

പ്രതിഫലനം

അതാര്യ വസ്തുവിൽ തട്ടി പ്രകാശ രശ്മികൾ തിരിച്ചു വരുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് പ്രതിഫലനം (Reflection).
കണ്ണാടിയിൽ പ്രതിബിംബം രൂപപ്പെടുന്നതിനു കാരണം പ്രതിഫലനമാണ്.
മിനുസമില്ലാത്ത പരുപരുത്ത പ്രതലത്തിൽ വീഴുന്ന പ്രകാശ തരംഗങ്ങൾ വിവിധ ദിശകളിലേക്കും മിനുസമുള്ള പ്രതലത്തിൽ പതിക്കുന്ന പ്രകാശ രശ്മികൾ അതേ ദിശയിൽ തന്നെയും പ്രതിഫലിക്കപ്പെടുന്നു .
വളരെ മിനുസമേറിയ ഒരു പ്രതലത്തിൽ ഒരു നിശ്ചിത കോണോടു കൂടി പതിക്കുന്ന അഭിലംബവും പ്രകാശ രശ്മിയും തമ്മിലുള്ള കോണിനെ പതനകോൺ എന്ന് വിളിക്കുന്നു.
അഭിലംബവും അപവർത്തിത രശ്മിയും തമ്മിലുണ്ടാകുന്ന കോണിനെ അപവർത്തന കോൺ എന്നും അഭിലംബവും പ്രകാശ രശ്മിയുമായുള്ള കോണിനെ പ്രതിഫലന കോൺ എന്ന് വിളിക്കും.
പ്രകാശ രശ്മിക്ക് ഉണ്ടാകുന്ന ക്രമമായ കണ്ണാടിയിലുണ്ടാകുന്ന തരത്തിലുള്ള പ്രതിഫലനത്തെ സ്പെക്കുലാർ പ്രതിഫലനം എന്നും പരുപരുത്ത പ്രതലത്തിൽ ക്രമമില്ലാതെ നടക്കുന്ന പ്രതിഫലനത്തെ ഡിഫിയൂസ്‌ഡ്‌ പ്രതിഫലനം എന്നും വിളിക്കുന്നു.

പ്രകീർണ്ണനം

ഒരു സമന്വിത പ്രകാശം അതിന്ടെ ഘടക വർണങ്ങളായി പിരിയുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് പ്രകീർണ്ണനം (Dispersion).
പ്രകാശത്തിന്ടെ പ്രകീർണനത്തിനു കാരണം ഘടക വർണങ്ങളുടെ തരംഗ ദൈർഖ്യത്തിലുള്ള വ്യത്യാസമാണ്.
ധവള പ്രകാശം പ്രിസത്തിലൂടെ കടന്നു പോകുമ്പോൾ സപ്തവര്ണങ്ങളായി പിരിയുന്നതുപ്രകാശ പ്രകീർണനം കാരണമാണ്.
ഘടക വർണങ്ങൾ കൂടി ചേർന്നാൽ സമന്വിത പ്രകാശം ലഭിക്കുമെന്ന് കണ്ടെത്തിയ ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് ഐസക് ന്യുട്ടൺ .
സൂര്യപ്രകാശത്തിനു പ്രകീർണ്ണനം സംഭവിക്കുമ്പോൾ അത് വയലറ്റ്, ഇൻഡിഗോ, നീല, പച്ച, മഞ്ഞ,ഓറഞ്ച്,ചുവപ്പ് എന്ന ക്രമത്തിൽ 7 ഘടക വർണങ്ങളായി പിരിയും.
അന്തരീക്ഷത്തിലുള്ള ജല കണങ്ങളിലുള്ള സൂര്യ പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രകീർണനത്തിന്ടെ ഫലമായാണ് മഴവില്ല് ഉണ്ടാകുന്നത്.
പ്രകാശ പ്രകീർണ്ണനത്തിൽ ഉണ്ടാകുന്ന ഏതെങ്കിലും 2 വർണരശ്മികൾക്ക് ഇടയിലുള്ള കോണളവാണ്‌ ആംഗുലാർ ഡിസ്‌പെർശൻ.
പ്രകാശ പ്രകീർണന ഫലമായുണ്ടാകുന്ന വർണങ്ങളുടെ ക്രമമായ വിതരണമാണ് വർണരാജി എന്നറിയപ്പെടുന്നത്.
തരംഗദൈർഖ്യം കൂടുംതോറും വ്യതിയാന നിരക്ക് കുറയുന്നു.
ഏറ്റവും തരംഗ ദൈർഖ്യം കൂടിയ നിറം ചുവപ്പും കുറഞ്ഞ നിറം വയലെറ്റും ആണ്.
ആവൃത്തി ഏറ്റവും കൂടിയ നിറം വയലെറ്റും കുറഞ്ഞ നിറം ചുവപ്പുമാണ്.

Light and its Phenomena | total internal reflection

പൂർണ്ണാന്തരിക പ്രതിഫലനം

പ്രകാശം അപവർത്തനാങ്കം കൂടിയൊരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് അപവർത്തനാങ്കം കുറഞ്ഞൊരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ ചില പ്രത്യേക പതനകോണുകളിൽ എല്ലാ പ്രകാശ രശ്മികളും അപവർത്തനാങ്കം കൂടിയ മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രതിഫലിക്കപ്പെടുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനം (Total Internal Reflection).
അപവർത്തനാങ്കം കുറഞ്ഞതും കൂടിയതുമായ മാധ്യമങ്ങളുടെ അതിർത്തിയിലാണ് പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനം സംഭവിക്കുന്നത്.
വജ്രത്തിന്ടെ മുഖങ്ങൾ രൂപകൽപന ചെയ്തിരിക്കുന്നത് അതിനുള്ളിൽ പതിക്കുന്ന പ്രകാശ രശ്മി പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനത്തിന് വിധേയമാകുന്ന രീതിയിലുള്ള ഒരു കോണിൽ വജ്രവും വായുവും തമ്മിലുള്ള ആന്തര പ്രതലത്തിൽ പതിക്കത്തക്ക വിധമാണ്.
പ്രകാശത്തിൽ സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ നിന്നും സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിലേക്ക് സഞ്ചരിക്കണം. പതനകോൺ ക്രിട്ടിക്കൽ കോണിനെക്കാൾ കൂടുതലായിരിക്കണം. എന്നിവ പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനം നടക്കുന്നതിനാവശ്യമായ നിബന്ധനകളാണ്.
ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബറുകൾ പ്രകാശിയ ഉപകരണങ്ങൾ, ആഭരണങ്ങൾ എന്നിങ്ങനെ വിവിധ മേഖലകളിലാണ് പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനം ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നത്.
എൻഡോസ്കോപ്പിയും ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫിംഗർ പ്രിൻറ് സംവിധാനത്തിലും ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്ന പ്രകാശ പ്രതിഭാസമാണ് പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനം.
മഴവില്ലിന്റെ രൂപീകരണവും മരുപ്പച്ച അനുഭവപ്പെടുന്നതും പൂർണാന്തരിക പ്രതിഫലനത്തിന്ടെ അനന്തര ഫലങ്ങളാണ്.

ധ്രുവീകരണം

അനുപ്രസ്ഥ തരംഗങ്ങൾ പ്രകടിപ്പിക്കുന്ന ഒരു പ്രതിഭാസമാണ് ധ്രുവീകരണം (Polarization). പ്രകാശം വൈദ്യുത കാന്തിക തരംഗം എന്നിവ അനുപ്രസ്ഥ തരംഗങ്ങളാണ്.
ധ്രുവീകരണത്തെ രേഖീയ ധ്രുവീകരണം (Linear Polarization), വർത്തുള ധ്രുവീകരണം (Circular Polarization), ദീർഘ വർത്തുള ധ്രുവീകരണം (Elliptical Polarization) എന്നിങ്ങനെ തരം തിരിച്ചിട്ടുണ്ട്.
പ്രകാശ തരംഗങ്ങളെ ധ്രുവീകരിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന വസ്തുക്കളെ ധ്രുവകങ്ങൾ (Polarizers) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ധ്രുവകങ്ങൾ നിർമ്മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് പോളറോയിഡുകൾ എന്ന പ്രത്യേക ഇനം വസ്തുക്കൾ കൊണ്ടാണ്.
ഒരു സ്രോതസ്സിൽ നിന്ന് വരുന്ന ധ്രുവീകരിക്കപ്പെടാത്ത പ്രകാശ തരംഗങ്ങൾ പ്രതിഫലനം നിമിത്തം പൂർണമായോ ഭാഗികമായോ ധ്രുവീകരിക്കപ്പെടാം.