ஒளி விலகல், எதிரொளிப்பு - குவாண்டம் இயற்பியல் பார்வையில். பகுதி -1

குறிப்பு: இப்பதிவு Feynman Lectures in Physics புத்தகத்தில் இருக்கும் கருத்துக்களைத் ‘தழுவி' எழுதியது.

ஒளியானது ஒரு திடப்பொருளில் விழும்பொழுது,

1. அதனுள் ஊடுருவி செல்லலாம். அப்பொழுது அதன் பாதை சற்று மாறும். இது ஒளி விலகல் (Refraction)எனப்படும்.


2. பிரதிபலிக்கப் படலாம். இதை எதிரொளித்தல் (Reflection)என்றும் சொல்லலாம்


3. உறிஞ்சப்படலாம் (Absorption). உதாரணமாக, ஒரு பச்சை நிறக் கண்ணாடியை எடுத்துக்கொண்டால், பச்சை நிறம் தவிர மற்ற நிறங்களில் உள்ள ஒளி, ‘உறிஞ்சப்படுகிறது'

பொதுவாக திடப்பொருளில் ஒளி படும்பொழுது இவை மூன்றுமே நடக்கும். எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு கண்ணாடியில் ஒளி படும்பொழுது, பெரும்பாலும் ஒளி ஊடுருவி செல்லும். ஆனாலும் சிறிதளவு ஒளி பிரதிபலிக்கப்படும், சிறிதளவு கண்ணாடியால் உறிஞ்சப்படும். நூற்றுக்கு நூறு சதவிகிதம் ஊடுருவி செல்லாது.

கேள்வி: ஒரு பொருளில் ஒளி எவ்வளவு பிரதிபலிக்கப்படும், எவ்வளவு ஊடுருவி செல்லும், எவ்வளவு உறிஞ்சப்படும் என்பதை எது தீர்மானிக்கிறது?

இதை புரிந்து கொள்ள மின்காந்தவியல் (Electro magnetism) மற்றும் குவாண்டம் இயற்பியல் (Quantum Physics) தேவைப்படுகின்றன. இந்த பெயர்களைக் கேட்டதும், “இது சரிப்படாது” என நினைக்க வேண்டாம்.

முதலில் சில ‘உண்மைகளை' (Facts) விளக்கங்கள் கூறாமல் ஏற்றுக்கொள்வோம். இவைகளை பெரும்பாலும் +2வில் படித்து, பின்னர் மறந்து இருப்போம்.

சுருக்கமாக,

1. ஒளியானது மின்காந்த அலையாகும். மின்காந்த அலைகள் அனைத்தும் குறுக்கு அலைகள் (Transverse Waves)


2. அணுக்களில் எலக்ட்ரான்கள் ‘ஆற்றல் மட்டங்களில்' சுற்றிக்கொண்டு இருக்கும்.


3. எலக்ட்ரான்கள் மின்காந்த அலையை ‘உள்வாங்கி' அதிக ஆற்றல் மட்டத்திற்கு செல்ல முடியும்


4. இந்த ஆற்றல் மட்டங்களில் இல்லாத எலக்ட்ரான்கள், முடுக்கப்பட்டால், அவை மின்காந்த அலைகளை வெளியிடும். அதிக ஆற்றல் மட்டத்திலிருந்து குறைந்த ஆற்றல் மட்டத்திற்கு வந்தாலும், மின்காந்த அலைகளை வெளியிரும்.


5. திடப்பொருளில், அணுக்கள் அருகருகே இருக்கும்.

சற்று விரிவாகப் பார்க்க இங்கு சொடுக்கவும்.

இப்பொழுது, ஒளியானது திடப்பொருளில் விழும்பொழுது என்ன நடக்கும் என்பதை பார்க்கலாம். ஒவ்வொரு அணுவிலும், வெளியே இருக்கும் ஆற்றல் மட்டத்தில் இருக்கும் எலக்ட்ரான்கள் இந்த மின்காந்த அலையை (அதாவது ஒளியை) எடுத்துக்கொண்டு, சற்று அதிக ஆற்றல் இருக்கும் மட்டத்திற்கு செல்லும். ஆனால் அங்கே மிகக் குறைந்த அளவு நேரமே இருக்கும். திரும்ப பழைய நிலைக்கே சென்று, இந்த ஆற்றலை மின்காந்த அலையாக வெளியிடும். இப்பொழுது, எல்லா திசைகளிலும் இந்த அலைகளை வெளியிடும். இந்த திடப்பொருள் இல்லாவிட்டால், ஒளியானது ‘தன் பாட்டுக்கு' சென்று கொண்டிருந்து இருக்கும்.

பல அணுக்கள் இவ்வாறு மின்காந்த அலைகளை வெளியிடுவதால், அவை எல்லாவற்றையும் சேர்த்து எந்த திசையில் எவ்வளவு ஒளி செல்லும் என்று கணக்கிட வேண்டும். இங்கு மின்காந்த அலைகளின் கட்டங்கள் ஒன்றாக இருக்கும் திசையில் (In phase) அதிக அளவிலும், அவை வேறுபட்டு இருக்கும் திசையில் (Out of phase) குறைந்த அளவிலும் செல்லும்.

இங்கு ஒளி இந்த திடப் பொருளில் செல்லும் வேகம், வெற்றிடத்தில் செல்லும் வேகத்தை விட குறைவாக இருக்கும் என்பதை கவனிக்கவும். உண்மையில் ஒளியின் வேகம் குறைவதில்லை. இந்தப் பொருளில் அது ‘விழுங்கப்பட்டு' விடுகிறது. பின் ‘சிறிது நேரம் கழித்து' வெளியே உமிழப்படுகிறது. இப்படி எல்லா அணுக்களும் அந்த அந்த இடத்திலிருந்து மின்காந்த அலையை(அதாவது ஒளியை) வெளியிடுவதால் அந்த அலைகள் எல்லாம், ஒன்று சேர்ந்து வெளிவரும் பொழுது ஒளி மெதுவாக செல்வது போல தோற்றம் அளிக்கிறது. இப்படி ஒளி மெதுவாக செல்வது போல தோற்றமளிப்பதை ‘ஒளி விலகல் எண்' (Refractive index) என்ற எண்ணால் குறிக்கலாம்.

பொதுவாக நாம் பள்ளிகளில் படிக்கும்பொழுது, இந்த ஒளி விலகல் எண் கண்ணாடியில் இவ்வளவு என்று படிப்போம். இந்த ஒளி விலகல் எண், மின்காந்த அலையின் அதிர்வெண்ணைப் பொறுத்தது. அதனால் தான் முக்கோண பட்டகத்தில் (prism) வெள்ளை ஒளியை செலுத்தினால், ஒளியானது வானவில் போல தெரிகிறது. எல்லா நிறங்களும் ஒரே அளவு விலகினால், வெளி வரும் ஒளியும் வெள்ளையாகத்தானே இருக்கும்?

தவிர மின்காந்த அலைகள் எல்லாமே எல்லாப் பொருள்களையுமே ஊடுருவி செல்வதில்லை. X-Ray பெரும்பாலான் திடப்பொருள்களை ஊடுருவி செல்கிறது. ஆனால், கண்ணுக்கு தெரியும் ஒளி சில பொருள்களில் மட்டும் ஊடுருவி செல்கிறது. இதை வைத்தே, நாம் ஒளி விலகல் எண், மின்காந்த அலையின் அதிர்வெண்ணைப் பொறுத்தது என்று சொல்ல முடியும்.

அடுத்து பிரதிபலிப்பது / எதிரொளிப்பது எப்படி?

மின்காந்த அலைகள் பட்டதும் அணுக்கள் / எலக்ட்ரான்கள் மேல் ஆற்றலுக்கு சென்று மீண்டும் திரும்ப கீழ்மட்டத்திற்கு வரும் பொழுது மின்காந்த அலைகளை வெளியிடும் என்று பார்த்தோம். இப்படி வரும் அலைகள் எல்லாத் திசைகளிலும் வரும். முதலில் ஒளி செல்லும் திசைக்கு மாறான திசையிலும் அவை வரும். இப்படி வரும் அலைகளின் கட்டங்கள் (phase) சரியாக அமைந்தால், எதிரொளித்தல் வரும்.

எதிரொளித்தல் என்பது மேல்பரப்பின் தன்மையையும் பொறுத்தது. இது தவிர ஒளியை ஒரு பொருள் உறிஞ்சுவதற்கும் எதிரொளிப்பதற்கும் தொடர்பு உண்டு. ஒளியை ஒரு பொருள் உறிஞ்சுவது எப்படி? இது அடுத்த பதிவில்.