प्रकाशाचे गुणधर्म

(Properties of Light) — MPSC / UPSC सामान्य विज्ञान नोट्स

1. प्रस्तावना

प्रकाश हा दृश्य विद्युतचुंबकीय (Electromagnetic) तरंगांचा एक प्रकार आहे, जो मानवी डोळ्यांना जाणवतो. दृष्टीची संवेदना ही आपल्या सर्वांत महत्त्वाची संवेदना असून तिच्यामुळेच आपण आपल्या सभोवतालच्या वस्तू पाहू शकतो. वस्तूंपासून येणारा प्रकाश जेव्हा डोळ्यांत प्रवेश करतो, तेव्हाच वस्तू आपल्याला दिसतात — हा प्रकाश एकतर वस्तूने स्वतः उत्सर्जित केलेला असतो किंवा वस्तूपासून परावर्तित झालेला असतो.

प्रकाश साधारणपणे सरळ रेषेत प्रवास करतो, परंतु काही विशिष्ट परिस्थितीत प्रकाश किरण वाकूही शकतात. प्रकाशाचे प्रमुख गुणधर्म पुढीलप्रमाणे आहेत — परावर्तन, अपवर्तन, अपस्करण, विखुरण, विवर्तन, हस्तक्षेप आणि ध्रुवीकरण. स्पर्धा परीक्षांच्या दृष्टीने हे सर्व गुणधर्म, त्यांचे नियम व दैनंदिन जीवनातील उदाहरणे समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.

2. प्रकाशाचे परावर्तन (Reflection of Light)

व्याख्या: एखाद्या पृष्ठभागावर प्रकाशकिरणे पडली, तर त्यांची दिशा बदलते व ते परत फिरतात — यालाच प्रकाशाचे परावर्तन म्हणतात.

परावर्तनाशी संबंधित संज्ञा

• आपाती किरण (Incident ray) — पृष्ठभागावर पडणारा प्रकाशकिरण.
• आपतन बिंदू — आपाती किरण पृष्ठभागावर ज्या बिंदूवर पडतो तो बिंदू.
• परावर्तित किरण (Reflected ray) — पृष्ठभागावरून परत फिरणारा किरण.
• स्तंभिका (Normal) — आपतन बिंदूपाशी पृष्ठभागाला काढलेली लंब रेषा.
• आपतन कोन (i) — आपाती किरण व स्तंभिका यांमधील कोन.
• परावर्तन कोन (r) — परावर्तित किरण व स्तंभिका यांमधील कोन.

परावर्तनाचे नियम (Laws of Reflection)

• 1. आपतन कोन व परावर्तन कोन समान मापाचे असतात (i = r).
• 2. आपाती किरण, परावर्तित किरण व स्तंभिका एकाच प्रतलात असतात.
• 3. आपाती किरण व परावर्तित किरण हे स्तंभिकेच्या विरुद्ध बाजूस असतात.

आ. 1 — प्रकाशाचे परावर्तन: आपतन कोन (i) = परावर्तन कोन (r)

परावर्तनाचे प्रकार

• नियमित परावर्तन (Regular Reflection) — सपाट व गुळगुळीत पृष्ठभागावरून (उदा. आरसा) होणारे परावर्तन. समांतर आपाती किरणांचे परावर्तित किरणही एकमेकांना समांतर असतात.
• अनियमित परावर्तन (Irregular Reflection) — खडबडीत पृष्ठभागावरून (उदा. भिंत, कागद) होणारे परावर्तन. परावर्तित किरण विस्तृत पृष्ठभागावर विखुरले जातात, परंतु प्रत्येक बिंदूशी आपतन कोन = परावर्तन कोन हा नियम पाळला जातोच.
• उपयोग — कॅलिडोस्कोप (शोभादर्शी) व परिदर्शी (Periscope) ही उपकरणे परावर्तित प्रकाशाच्या पुनःपरावर्तनाच्या तत्त्वावर कार्य करतात; परिदर्शीचा उपयोग पाणबुडी व बंकर्समध्ये टेहळणीसाठी होतो.

3. प्रकाशाचे अपवर्तन (Refraction of Light)

व्याख्या: प्रकाश एका पारदर्शक माध्यमातून दुसऱ्या पारदर्शक माध्यमात जाताना त्याच्या मार्गक्रमणाची दिशा बदलते, यालाच प्रकाशाचे अपवर्तन म्हणतात.

अपवर्तनाचे नियम (Laws of Refraction)

• 1. आपाती किरण, अपवर्तित किरण व आपतन बिंदूपाशीची स्तंभिका एकाच प्रतलात असतात.
• 2. दिलेल्या माध्यमांच्या जोडीकरता sin i आणि sin r यांचे गुणोत्तर स्थिर असते — याला स्नेलचा नियम म्हणतात: sin i / sin r = स्थिरांक = n.

आ. 2 — प्रकाशाचे अपवर्तन: विरळ ते सघन माध्यमात किरण स्तंभिकेकडे वळतो

अपवर्तनांक (Refractive Index)

प्रकाश किरण वेगवेगळ्या माध्यमांत शिरताना प्रकाशाच्या दिशेतील बदलाचे प्रमाण वेगवेगळे असते — ते माध्यमाच्या अपवर्तनांकाशी संबंधित असते. अपवर्तनांक = पहिल्या माध्यमातील प्रकाशाचा वेग ÷ दुसऱ्या माध्यमातील प्रकाशाचा वेग. निर्वाताच्या संदर्भात असलेल्या अपवर्तनांकाला निरपेक्ष अपवर्तनांक म्हणतात. माध्यम जितके सघन (दाट), तितका त्याचा अपवर्तनांक जास्त व त्यातील प्रकाशाचा वेग कमी.

काही माध्यमांचे निरपेक्ष अपवर्तनांक:

माध्यम	अपवर्तनांक (n)	माध्यम
हवा	1.0003	फ्यूज्ड क्वार्ट्झ — 1.46
बर्फ	1.31	टर्पेंटाईन तेल — 1.47
पाणी	1.33	बेंझिन — 1.50
अल्कोहोल	1.36	क्राऊन काच — 1.52
केरोसीन	1.39	खनिज मीठ — 1.54
कार्बन डायसल्फाइड	1.63	घन फ्लिंट काच — 1.66
माणिक (लाल रत्न)	1.76	नीलम रत्न — 1.76
हिरा	2.42

आंशिक व पूर्ण आंतरिक परावर्तन

• जेव्हा प्रकाश सघन माध्यमातून विरळ माध्यमात जातो, तेव्हा त्याचे काही प्रमाणात आंशिक परावर्तन होते व उरलेल्या भागाचे अपवर्तन होते.
• क्रांतिक कोन (Critical Angle) — ज्या विशिष्ट आपतन कोनासाठी अपवर्तन कोन 90° होतो, त्या आपतन कोनाला क्रांतिक कोन म्हणतात.
• पूर्ण आंतरिक परावर्तन (Total Internal Reflection) — आपतन कोन क्रांतिक कोनापेक्षा जास्त असल्यास संपूर्ण प्रकाश सघन माध्यमात परत परावर्तित होतो.
• उपयोग — ऑप्टिकल फायबर, हिऱ्याची चमक, मृगजळ (Mirage).

मृगजळ व ताऱ्यांचे लुकलुकणे

• मृगजळ (Mirage) — उन्हाळ्यात तापलेल्या रस्त्यालगतची हवा विरळ होऊन तिचा अपवर्तनांक कमी होतो; त्यामुळे दूरवरील वस्तूकडून येणारे किरण जमिनीत असलेल्या प्रतिमेतून आल्यासारखे भासतात व पाणी साचल्याचा आभास होतो.
• ताऱ्यांचे लुकलुकणे (Twinkling of Stars) — वातावरणातील हवेचा अपवर्तनांक सतत बदलत असल्याने तारकाप्रकाशाचे अपवर्तन सतत बदलते, त्यामुळे ताऱ्यांची आभासी स्थिती व प्रखरता सतत बदलते व तारे लुकलुकताना दिसतात. ग्रह मात्र लुकलुकत नाहीत, कारण ते ताऱ्यांपेक्षा जवळ असल्याने बिंदुस्रोत नसून बिंदुस्रोतांचा समूह असतात व त्यांची सरासरी प्रखरता स्थिर राहते.
• सूर्य क्षितिजाच्या किंचित खाली असतानाही दिसतो, कारण वातावरणीय अपवर्तनामुळे प्रकाश वक्र मार्गाने आपल्यापर्यंत पोहोचतो — त्यामुळे सूर्योदय प्रत्यक्षापेक्षा आधी व सूर्यास्त प्रत्यक्षापेक्षा उशिरा जाणवतो.

4. प्रकाशाचे अपस्करण (Dispersion of Light)

• शुभ्र (पांढरा) प्रकाश लोलकातून (Prism) गेला असता त्याचे सात रंगांत विभाजन होते — पदार्थ माध्यमात प्रकाशाचे आपल्या घटक रंगांत असे पृथक्करण होण्याच्या प्रक्रियेस प्रकाशाचे अपस्करण म्हणतात.
• हे सात रंग क्रमाने — तांबडा, नारंगी, पिवळा, हिरवा, निळा, पारवा व जांभळा असे असतात.
• वेगवेगळ्या रंगांसाठी (तरंगलांबीसाठी) माध्यमाचा अपवर्तनांक भिन्न असल्याने प्रत्येक रंग वेगळ्या कोनातून वळतो — तांबडा रंग सर्वांत कमी वळतो, तर जांभळा रंग सर्वाधिक वळतो.
• सर आयझॅक न्यूटन यांनी सर्वप्रथम काचेच्या लोलकाचा उपयोग करून सूर्यप्रकाशापासून वर्णपंक्ती (Spectrum) मिळवली.
• इंद्रधनुष्य हे अपस्करण, अपवर्तन आणि आंतरिक परावर्तन या तीनही नैसर्गिक घटनांच्या एकत्रित परिणामातून तयार होते — पावसाच्या लहान थेंबांत प्रवेश करणाऱ्या सूर्यप्रकाशाचे प्रथम अपवर्तन व अपस्करण होते, नंतर थेंबाच्या आत आंतरिक परावर्तन होते आणि शेवटी थेंबाबाहेर पडताना पुन्हा अपवर्तन होते.

आ. 3 — लोलकातून शुभ्र प्रकाशाचे अपस्करण

5. प्रकाशाचे विखुरण (Scattering)

• वातावरणातील वायूचे रेणू व लहान कणांमुळे प्रकाश वेगवेगळ्या दिशांना विखुरला जातो, यास प्रकाशाचे विखुरण म्हणतात.
• रॅले विखुरण (Rayleigh Scattering) नियमानुसार, कमी तरंगलांबीचा प्रकाश (निळा/जांभळा) जास्त प्रमाणात विखुरला जातो.
• आकाश निळे दिसण्याचे कारण — सूर्यप्रकाशातील निळा रंग वातावरणातील रेणूंमुळे इतर रंगांपेक्षा जास्त विखुरला जातो व सर्व दिशांनी डोळ्यांपर्यंत पोहोचतो.
• सूर्योदय व सूर्यास्तावेळी सूर्य लाल/नारंगी दिसतो — कारण त्यावेळी सूर्यप्रकाशाला वातावरणातून जास्त अंतर पार करावे लागते, त्यामुळे निळा प्रकाश आधीच विखुरला जातो व उरलेला लाल-नारंगी प्रकाश आपल्यापर्यंत पोहोचतो.
• टिंडल परिणाम (Tyndall Effect) — कोलॉइड कणांमुळे प्रकाशकिरण दृश्यमान होणे (उदा. ढगातून येणारी सूर्यकिरणे, धुक्यातील हेडलाईटचा प्रकाश).

आ. 4 — रॅले विखुरणामुळे आकाश निळे व सूर्यास्त लाल दिसतो

6. प्रकाशाचे विवर्तन (Diffraction)

• प्रकाशकिरण एखाद्या अरुंद झरोक्यातून किंवा अडथळ्याच्या कडेवरून जाताना सरळ मार्ग सोडून वाकतो/पसरतो — यास विवर्तन म्हणतात.
• झरोक्याची रुंदी प्रकाशाच्या तरंगलांबीइतकी किंवा तिच्या जवळपास असल्यास विवर्तन स्पष्टपणे दिसते.
• विवर्तन ही घटना प्रकाशाच्या तरंग-स्वरूपाचा महत्त्वाचा पुरावा आहे.
• उदाहरणे — CD/DVD पृष्ठभागावरील रंगीत झिलमिळ, ढगांभोवती दिसणारा प्रकाशवलय (Corona).

आ. 5 — अरुंद झरोक्यातून जाताना प्रकाशाचे विवर्तन

7. प्रकाशाचा हस्तक्षेप (Interference)

• दोन सुसंगत (Coherent) प्रकाशस्रोतांपासून येणाऱ्या तरंगांच्या अध्यारोपणामुळे (Superposition) काही ठिकाणी तीव्र (उजळ पट्टे) तर काही ठिकाणी क्षीण (गडद पट्टे) प्रकाश निर्माण होतो — यास हस्तक्षेप म्हणतात.
• थॉमस यंग यांनी द्वि-झरोका (Double Slit) प्रयोगाद्वारे प्रकाशाच्या हस्तक्षेपाचे प्रात्यक्षिक दाखवून प्रकाशाचे तरंग-स्वरूप सिद्ध केले.
• रचनात्मक हस्तक्षेप (Constructive) — दोन्ही तरंग एकाच कलेत मिळाल्यास प्रकाश तीव्र होतो; विनाशक हस्तक्षेप (Destructive) — विरुद्ध कलेत मिळाल्यास प्रकाश नष्ट होतो.
• उदाहरणे — साबणाच्या फुग्यावर किंवा तेलाच्या तवंगावर दिसणारे इंद्रधनुषी रंग.

आ. 6 — यंगच्या द्वि-झरोका प्रयोगातील हस्तक्षेप पट्टे

8. प्रकाशाचे ध्रुवीकरण (Polarization)

• सर्वसाधारण प्रकाशकिरणात, प्रसाराच्या दिशेला लंब असलेल्या सर्व दिशांमध्ये कंपन करणाऱ्या तरंगांचे मिश्रण असते — याला अध्रुवित प्रकाश म्हणतात.
• जेव्हा प्रकाशाचे कंपन फक्त एकाच निश्चित प्रतलापुरते मर्यादित केले जाते, तेव्हा त्या प्रक्रियेस ध्रुवीकरण म्हणतात.
• ध्रुवीकरण ही घटना केवळ अनुप्रस्थ तरंगांतच (उदा. प्रकाश) घडते, अनुदैर्ध्य तरंगांत (उदा. ध्वनी) घडत नाही — त्यामुळे ध्रुवीकरण हा प्रकाश अनुप्रस्थ तरंग असल्याचा प्रबळ पुरावा आहे.
• उपयोग — पोलरॉइड सनग्लासेस (चकाकी कमी करण्यासाठी), LCD पडदे, छायाचित्रणातील पोलरायझिंग फिल्टर, 3D चित्रपटांचे चष्मे.

आ. 7 — दोन ध्रुवकांद्वारे प्रकाशाचे ध्रुवीकरण

9. प्रकाशाचे द्वैत स्वरूप (Dual Nature of Light)

विवर्तन व हस्तक्षेप यांसारख्या घटना प्रकाशाचे तरंग-स्वरूप सिद्ध करतात, तर फोटो-विद्युत परिणाम (Photoelectric Effect) प्रकाशाचे कण-स्वरूप सिद्ध करतो. आइनस्टाइन यांनी मांडलेल्या सिद्धांतानुसार प्रकाश हा 'फोटॉन' नावाच्या ऊर्जेच्या पुंजांच्या (Quanta) स्वरूपात प्रवास करतो. त्यामुळे आधुनिक भौतिकशास्त्रात प्रकाशाला 'द्वैत स्वरूप' (Wave-Particle Duality) असलेला मानले जाते — तो काही प्रसंगी तरंगासारखा तर काही प्रसंगी कणासारखा वर्तन करतो.

10. MPSC / UPSC परीक्षेसाठी क्विक रेफरन्स सारणी

मुद्दा	तपशील
प्रकाशाचा वेग (निर्वातात)	2.99792458 × 10⁸ मी/से (अंदाजे 3 × 10⁸ मी/से)
प्रकाशाचे स्वरूप	अनुप्रस्थ (Transverse) विद्युतचुंबकीय तरंग
परावर्तनाचे नियम	(1) आपतन कोन = परावर्तन कोन (2) आपाती किरण, परावर्तित किरण व स्तंभिका एकाच प्रतलात (3) आपाती व परावर्तित किरण स्तंभिकेच्या विरुद्ध बाजूस
नियमित व अनियमित परावर्तन	सपाट पृष्ठभाग → नियमित परावर्तन; खडबडीत पृष्ठभाग → अनियमित परावर्तन (दोन्हीत परावर्तनाचे नियम पाळले जातात)
अपवर्तनाचा नियम (स्नेलचा नियम)	sin i / sin r = स्थिरांक = n (n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂)
क्रांतिक कोन व पूर्ण आंतरिक परावर्तन	आपतन कोन क्रांतिक कोनापेक्षा जास्त झाल्यास सर्व प्रकाश परत सघन माध्यमात परावर्तित होतो
इंद्रधनुष्य कारण	पावसाच्या थेंबांत सूर्यप्रकाशाचे अपवर्तन + आंतरिक परावर्तन + अपस्करण
ताऱ्यांचे लुकलुकणे	वातावरणातील बदलत्या अपवर्तनांकामुळे ताऱ्यांची आभासी स्थिती व प्रखरता सतत बदलते
आकाश निळे का दिसते?	रॅले विखुरणामुळे — कमी तरंगलांबीचा (निळा/जांभळा) प्रकाश जास्त विखुरतो
सूर्योदय/सूर्यास्त लाल का?	प्रकाशाला वातावरणातून जास्त अंतर कापावे लागते; निळा प्रकाश विखुरून जातो, लाल-नारंगी प्रकाश उरतो
अपस्करणातील रंगक्रम	तांबडा–नारंगी–पिवळा–हिरवा–निळा–पारवा–जांभळा (लाल सर्वात कमी वळतो, जांभळा सर्वाधिक)
ध्रुवीकरणाचा पुरावा	प्रकाश ही अनुप्रस्थ तरंग आहे हे सिद्ध करते (ध्वनीसारखी अनुदैर्ध्य तरंग नाही)
प्रकाशाचे द्वैत स्वरूप	तरंग स्वरूप (विवर्तन, हस्तक्षेप) + कण स्वरूप (फोटो-विद्युत परिणाम, फोटॉन)
पूर्ण आंतरिक परावर्तनाचा उपयोग	ऑप्टिकल फायबर, हिऱ्याची चमक, मृगजळ (Mirage), परिदर्शी (Periscope)