அலை ஒளியியல்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

அலை ஒளியியல் பற்றி

நடுத்தரம் ~150 நிமிடப் படிப்பு

ஆடிகள், லென்சுகள், முப்பட்டகங்களைக் கதிர் ஒளியியல் நன்றாகக் கையாளுகிறது. ஆனால் சோப்புக் குமிழியில் தெரியும் வண்ணப் பட்டைகளையோ, மிகக் குறுகிய பிளவின் வழியே சென்ற பிறகு ஒளி விரிவதையோ அதனால் விளக்க முடியாது. இவற்றுக்கு ஒளியை அலையாகக் கருத வேண்டும். இந்தப் பாடம் அதைத்தான் செய்கிறது.

எல்லாமே மேற்பொருந்துதல் தத்துவத்தின் மீது அமைந்துள்ளன. இரண்டு அலைகள் சந்திக்கும்போது அவற்றின் இடப்பெயர்ச்சிகள் கூடுகின்றன. இதுவே குறுக்கீட்டு விளைவையும் விளிம்பு விளைவையும் தருகிறது. பாடம் ஹைஜென்ஸ் தத்துவத்துடன் தொடங்கி, அதைக் கொண்டு எதிரொளிப்பு, ஒளிவிலகல் விதிகளை நிரூபிக்கிறது. பிறகு யங் இரட்டைப் பிளவு ஆய்வில் பட்டை அகலத்தையும், ஒற்றைப் பிளவு விளிம்பு விளைவில் சிறுமங்களின் நிலைகளையும் கண்டறிகிறது. அதன் பிறகு ஒளி ஒரு குறுக்கலை என்பதைத் தளவிளைவு காட்டுகிறது. இது மேக்ஸ்வெல்லின் மின்காந்தக் கொள்கையுடன் ஒத்துப்போகிறது.

வருவித்தல்களையும் கணக்குகளையும் எதிர்பாருங்கள். வழக்கமாக வருபவை: அலைமுகப்புகளைக் கொண்டு எதிரொளிப்பு, ஒளிவிலகல் விதிகளை நிரூபித்தல், பட்டை அகலம் காணுதல், விளிம்பு விளைவுக் கீற்றணியைக் கொண்டு ஒளியின் அலைநீளம் காணுதல். சிறு வினாக்களுக்கு ஏற்ற புரூஸ்டர் விதி, மாலஸ் விதி, நுண்ணோக்கி மற்றும் தொலைநோக்கியின் உருப்பெருக்கச் சமன்பாடுகளையும் திருப்பிப் பாருங்கள்.

நீங்கள் கற்பவை

• கோள, சமதள அலைமுகப்புகளையும் அவை எப்படி உருவாகின்றன என்பதையும் விவரித்தல்
• ஹைஜென்ஸ் தத்துவத்தைக் கொண்டு எதிரொளிப்பு, ஒளிவிலகல் விதிகளை நிரூபித்தல்
• யங் இரட்டைப் பிளவு ஆய்வில் பட்டை அகலத்தைக் கணக்கிடுதல்
• ஃப்ரெனல், ஃப்ரான்ஹோஃபர் விளிம்பு விளைவுகளை வேறுபடுத்துதல்
• நுண்ணோக்கிகள், தொலைநோக்கிகளின் பிரித்தறியும் திறனை விளக்குதல்
• புரூஸ்டர் விதியைப் பயன்படுத்தித் தளவிளைவுக் கோணத்தைக் கண்டறிதல்
• விளிம்பு விளைவுக் கீற்றணி கணக்குகளைத் தீர்த்து அலைநீளம் கண்டறிதல்

தொடங்குவதற்கு முன்

• கதிர் ஒளியியலில் படித்த எதிரொளிப்பும் ஒளிவிலகலும்
• அதிர்வெண், அலைநீளம், கட்டம் போன்ற அலைச் சொற்கள்
• அலைகளின் மேற்பொருந்துதல் தத்துவம்
• சிறு கோண தோராயங்கள் உட்பட அடிப்படை முக்கோணவியல்

அலை ஒளியியல் — விரிவான விளக்கம்

அலையாக ஒளி

ஒளிக் கொள்கைகள்

ஒளி பற்றிய கருத்துகள் எப்படி மாறின என்பதைப் பாடநூல் பின்தொடர்கிறது. நியூட்டனின் துகள் கொள்கை ஒளியை மிகச் சிறிய துகள்களாகக் கருதியது. ஹைஜென்ஸின் அலைக் கொள்கை ஒளியை அலைமுகப்புகளாக வெளிநோக்கிப் பரவும் அலைகளாக விவரித்தது. மேக்ஸ்வெல்லின் மின்காந்தக் கொள்கை ஒளி அலைவுறும் மின், காந்தப் புலங்களால் ஆனது என்று காட்டியது. பிறகு ஐன்ஸ்டீனின் குவாண்டம் கொள்கை ஒளியை ஃபோட்டான்களாகக் கருதி ஒளிமின் விளைவை விளக்கியது. இந்தப் பாடம் அலை விளக்கத்தைப் பயன்படுத்துகிறது.

அலைமுகப்புகளும் ஹைஜென்ஸ் தத்துவமும்

எல்லாப் புள்ளிகளும் ஒரே கட்டத்தில் அதிரும் பரப்பு அலைமுகப்பு (Wavefront). புள்ளி மூலம் கோள அலைமுகப்புகளைத் தருகிறது. மிகத் தொலைவிலுள்ள மூலம் சமதள அலைமுகப்புகளைத் தருகிறது. அலைமுகப்பின் ஒவ்வொரு புள்ளியும் இரண்டாம்நிலை அலைகளின் மூலமாகச் செயல்படுகிறது என்று ஹைஜென்ஸ் தத்துவம் சொல்கிறது. சிறிது நேரம் கழித்து வரும் புதிய அலைமுகப்பு, இந்த எல்லா அலைகளையும் தொட்டுச் செல்லும் பரப்பு (அவற்றின் பொது உறை). இந்த வரைமுறையைக் கொண்டு எதிரொளிப்பு விதியையும் ஸ்நெல் ஒளிவிலகல் விதியையும் நிரூபிக்கலாம்.

குறுக்கீட்டு விளைவு

இரண்டு ஓரியல் அலைகள் ஒன்றின் மேல் ஒன்று படியும்போது ஆற்றல் மறுபங்கீடு அடைகிறது. முகடும் முகடும் சந்திக்கும் இடத்தில் ஆக்கக் குறுக்கீடு நிகழ்ந்து பொலிவுப் பட்டை தெரிகிறது. முகடும் அகடும் சந்திக்கும் இடத்தில் அழிவுக் குறுக்கீடு நிகழ்ந்து இருண்ட பட்டை தெரிகிறது. ஓரியல் மூலங்கள் (Coherent sources) ஒரே அதிர்வெண்ணும் மாறாத கட்ட வேறுபாடும் கொண்டவை. யங் இரட்டைப் பிளவு ஆய்வில் பட்டை அகலம் $\beta = \frac{\lambda D}{d}$. எனவே $\beta$, D, d ஆகியவற்றை அளந்தால் அலைநீளம் $\lambda$ கிடைக்கும். எடுத்துக்காட்டாக, $\lambda = 600$ nm, D = 1 m, d = 1 mm எனில் பட்டை அகலம் 0.6 mm.

விளிம்பு விளைவு

அலைநீளத்துக்கு ஒப்பிடத்தக்க அளவுள்ள தடை அல்லது துளையின் விளிம்புகளைச் சுற்றி ஒளி வளைவது விளிம்பு விளைவு (Diffraction). ஒரே அலைமுகப்பின் வெவ்வேறு பகுதிகளிலிருந்து வரும் இரண்டாம்நிலை அலைகளுக்கு இடையிலான குறுக்கீடே இது. ஃப்ரெனல் விளிம்பு விளைவில் மூலமோ திரையோ குறிப்பிட்ட தொலைவில் இருக்கும். அலைமுகப்புகள் கோள அல்லது உருளை வடிவில் இருக்கும். ஃப்ரான்ஹோஃபர் விளிம்பு விளைவில் இரண்டும் நடைமுறையில் முடிவிலியில் இருக்கும். அலைமுகப்புகள் சமதளமானவை. a அகலமுள்ள ஒற்றைப் பிளவுக்குச் சிறுமங்கள் $a \sin\theta = n\lambda$ இல் தோன்றுகின்றன. சம இடைவெளியில் அமைந்த பல பிளவுகள் கொண்ட விளிம்பு விளைவுக் கீற்றணி கூர்மையான பெருமங்களைத் தருகிறது. அவை அலைநீளங்களை அளக்கப் பயன்படுகின்றன.

தளவிளைவு

தளவிளைவு அடையாத ஒளியில் மின்புல வெக்டர், ஒளி செல்லும் திசைக்குச் செங்குத்தான எல்லாத் திசைகளிலும் அதிர்கிறது. தளவிளைவு அடைந்த ஒளியில் அது ஒரே திசையில் மட்டும் அதிர்கிறது. குறுக்கலைகளை மட்டுமே தளவிளைவு அடையச் செய்ய முடியும். எனவே ஒளி குறுக்கலை என்பதைத் தளவிளைவு நிரூபிக்கிறது. தேர்ந்து உட்கவர்தல் (போலராய்டுகள்), எதிரொளிப்பு, இரட்டை ஒளிவிலகல், ஒளிச்சிதறல் மூலம் ஒளியைத் தளவிளைவு அடையச் செய்யலாம். படுகோணம் $i_p$ ஆனது $n = \tan(i_p)$ ஐ நிறைவு செய்யும்போது எதிரொளித்த ஒளி முழுமையாகத் தளவிளைவு அடைகிறது என்று புரூஸ்டர் விதி கூறுகிறது. இந்தக் கோணத்தில் எதிரொளித்த கதிரும் விலகிய கதிரும் ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தாக இருக்கும்.

ஒளியியல் கருவிகள்

கடைசிப் பகுதி கதிர், அலைக் கருத்துகளைக் கருவிகளுக்குப் பயன்படுத்துகிறது. எளிய நுண்ணோக்கி, கூட்டு நுண்ணோக்கி, வானியல் தொலைநோக்கி ஆகியவை உருப்பெருக்கத்துக்காகப் படிக்கப்படுகின்றன. எந்தக் கருவியும் எவ்வளவு நுணுக்கத்தைக் காட்ட முடியும் என்பதற்கு ஒளியின் அலைத்தன்மை ஒரு வரம்பை விதிக்கிறது: விளிம்பு விளைவால், ஒரு புள்ளிப் பொருள் புள்ளிப் பிம்பத்தைத் தராமல் ஒரு சிறிய வட்டத்தைத் தருகிறது. இரண்டு பொருள்களின் விளிம்பு விளைவு அமைப்புகள் போதுமான அளவு பிரிந்திருந்தால் மட்டுமே அவற்றைப் பிரித்தறிய முடியும். எனவே பிரித்தறியும் திறன் பயன்படுத்தும் அலைநீளத்தையும் லென்சின் துளையையும் பொறுத்தது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• யங் ஆய்வில் மையப் பட்டை இருண்டது என்று சொல்லுதல். அங்கே பாதை வேறுபாடு சுழி என்பதால் அது பொலிவுப் பட்டை.
• குறுக்கீட்டு விளைவையும் விளிம்பு விளைவையும் தொடர்பில்லாதவை எனக் கருதுதல். ஒரே அலைமுகப்பின் வெவ்வேறு பகுதிகளிலிருந்து வரும் அலைகளின் குறுக்கீடே விளிம்பு விளைவு.
• சிறு கோண தோராயங்களில் டிகிரியைப் பயன்படுத்துதல். θ ரேடியனில் இருக்கும்போது மட்டுமே sin θ ≈ θ.
• ஒலியைத் தளவிளைவு அடையச் செய்யலாம் என்று சொல்லுதல். குறுக்கலைகளை மட்டுமே தளவிளைவு அடையச் செய்ய முடியும். காற்றில் ஒலி நெட்டலை.
• பிரித்தறிதல் சமன்பாடுகளில் அலைநீளத்தையும் துளையையும் இடம் மாற்றுதல். பெரிய துளை அல்லது குறுகிய அலைநீளம் சிறந்த பிரித்தறிதலைத் தருகிறது.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

கதிருக்கும் அலைமுகப்புக்கும் என்ன வேறுபாடு?

எல்லாப் புள்ளிகளும் ஒரே கட்டத்தில் அதிரும் பரப்பு அலைமுகப்பு. அலைமுகப்புக்குச் செங்குத்தாக வரையப்படும் கோடு கதிர். அலையும் அதன் ஆற்றலும் செல்லும் திசையை அது காட்டுகிறது. ஆடிகளுக்கும் லென்சுகளுக்கும் கதிர்களே போதும். ஆனால் குறுக்கீட்டு விளைவையும் விளிம்பு விளைவையும் விளக்க அலைமுகப்புகள் தேவை.

தனித்தனியான இரண்டு மின்விளக்குகள் ஏன் ஓரியல் மூலங்கள் அல்ல?

மின்விளக்கின் ஒளி, தாறுமாறாகவும் தனித்தனியாகவும் உமிழும் ஏராளமான அணுக்களிலிருந்து வருகிறது. எனவே அதன் கட்டம் வேகமாகவும் முன்கணிக்க முடியாமலும் மாறுகிறது. இதனால் தனித்தனியான இரண்டு விளக்குகள் மாறாத கட்ட வேறுபாட்டைக் கொண்டிருப்பதில்லை. குறுக்கீட்டு அமைப்பு கண்ணால் பார்க்க முடியாத அளவு வேகமாக நகர்கிறது. அதனால்தான் யங் ஒரே மூலத்தால் ஒளியூட்டப்பட்ட இரண்டு பிளவுகளைப் பயன்படுத்தினார்.

ஆய்வுக் கருவியை நீரில் மூழ்க வைத்தால் பட்டை அகலம் எப்படி மாறும்?

பட்டை அகலம் அலைநீளத்துக்கு நேர்விகிதத்தில் உள்ளது. நீரில் ஒளி மெதுவாகச் செல்கிறது, அதன் அலைநீளம் λ/n ஆகிறது. இங்கு n ஏறக்குறைய 1.33. எனவே பட்டை அகலமும் β/n ஆகிறது. பட்டைகள் ஒன்றுக்கொன்று நெருங்குகின்றன.

ஒளியியல் கருவியின் பிரித்தறியும் வரம்பு என்றால் என்ன?

இரண்டு பொருள்களைத் தனித்தனியாகக் காணக்கூடிய மிகச் சிறிய தொலைவு அல்லது கோணமே அது. விளிம்பு விளைவால், குறையற்ற லென்சு கூட ஒரு புள்ளிப் பொருளுக்கு ஒரு சிறிய வட்டத்தை உருவாக்குகிறது. இரண்டு பொருள்கள் இந்த வரம்பை விட நெருக்கமாக இருந்தால், அவற்றின் வட்டங்கள் ஒன்றின் மேல் ஒன்று படிந்து ஒரே பொருளாகத் தெரியும்.

ஒளி ஒரு குறுக்கலை என்பதைத் தளவிளைவு நிரூபிக்கிறதா?

ஆம். ஒலி போன்ற நெட்டலையில் துகள்கள் அலை செல்லும் திசையிலேயே அதிர்கின்றன. எனவே ஒரு திசைக்குக் கட்டுப்படுத்த எதுவும் இல்லை. ஒளியைத் தளவிளைவு அடையச் செய்ய முடிகிறது. அதன் அதிர்வுகள் அலை செல்லும் திசைக்குச் செங்குத்தாக இருந்தால் மட்டுமே இது சாத்தியம். எனவே ஒளி குறுக்கலையாகத்தான் இருக்க வேண்டும்.

யங் ஆய்வில் வெள்ளொளியைப் பயன்படுத்தினால் என்ன நடக்கும்?

மையப் பட்டை வெண்மையாக இருக்கும், ஏனெனில் அங்கே எல்லா நிறங்களுக்கும் பாதை வேறுபாடு சுழி. மையத்திலிருந்து விலகும்போது ஒவ்வொரு நிறத்துக்கும் பட்டை அகலம் வேறுபடுவதால் பட்டைகள் நிறங்களாகப் பிரிகின்றன. மையத்துக்கு அருகில் சில வண்ணப் பட்டைகள் மட்டுமே தெரியும். அதன் பிறகு நிறங்கள் ஒன்றின் மேல் ஒன்று படிந்து, திரை சீராக ஒளியூட்டப்பட்டது போலத் தெரியும்.