Human Eye and the Colourful World

मानव नेत्र एक प्रकाश-संवेदी अंग है जो लगभग 2.3 सेमी व्यास का एक गोलाकार पिंड होता है। इसके प्रमुख भाग निम्नलिखित हैं:

(ख) नेत्र की समंजन क्षमता (Power of Accommodation)

पक्ष्माभी पेशियों द्वारा नेत्र लेंस की फोकस दूरी को आवश्यकतानुसार घटाने या बढ़ाने की सामर्थ्य को समंजन क्षमता कहते हैं:

• दूर की वस्तुओं को देखना: पक्ष्माभी पेशियां शिथिल (Relax) हो जाती हैं $\to$ लेंस पतला हो जाता है $\to$ वक्रता घट जाती है $\to$ फोकस दूरी अधिकतम हो जाती है $\to$ दूर की वस्तु रेटिना पर स्पष्ट फोकस होती है।
• पास की वस्तुओं को देखना: पक्ष्माभी पेशियां सिकुड़ती (Contract) हैं $\to$ लेंस मोटा हो जाता है $\to$ वक्रता बढ़ जाती है $\to$ फोकस दूरी घट जाती है $\to$ निकट की वस्तु रेटिना पर स्पष्ट फोकस होती है।

जब आँख अपनी समंजन क्षमता खो देती है, तो दृष्टि धुंधली हो जाती है। प्रमुख तीन अपवर्तक दृष्टि दोष निम्नलिखित हैं:

प्रिज्म एक समांगी पारदर्शी माध्यम है जो दो त्रिभुजाकार आधारों और तीन आयताकार पार्श्व पृष्ठों से घिरा होता है। दोनों पार्श्व पृष्ठों के बीच के कोण को प्रिज्म कोण ($A$) कहते हैं।

(क) प्रिज्म द्वारा अपवर्तन एवं विचलन कोण (Angle of Deviation - $\delta$)

• जब प्रकाश की किरण हवा से प्रिज्म के प्रथम फलक पर प्रवेश करती है, तो वह अभिलंब की ओर झुकती है।
• जब यह दूसरे फलक से बाहर हवा में निकलती है, तो अभिलंब से दूर हटकर प्रिज्म के आधार की ओर मुड़ जाती है।
• आपतित किरण की मूल आगे बढ़ाई गई दिशा और निर्गत किरण की पीछे बढ़ाई गई दिशा के मध्य बने कोण को विचलन कोण ($\delta$ या $D$) कहते हैं।
• संबंध: $i + e = A + \delta$ (जहाँ $i$ = आपतन कोण, $e$ = निर्गत कोण, $A$ = प्रिज्म कोण, $\delta$ = विचलन कोण)।

(ख) प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण (Dispersion of White Light)

जब सूर्य का श्वेत प्रकाश किसी काँच के प्रिज्म से होकर गुजरता है, तो वह अपने अवयवी सात रंगों के बैंड में विभाजित हो जाता है। इस परिघटना को प्रकाश का वर्ण-विक्षेपण कहते हैं और प्राप्त सात रंगों की रंगीन पट्टी को वर्णक्रम (स्पेक्ट्रम / Spectrum) कहते हैं।

• रंगों का क्रम (नीचे से ऊपर): V I B G Y O R (बैंगनी, जामुनी, नीला, हरा, पीला, नारंगी, लाल / बैंजानीहपीनाला)।
• विक्षेपण का कारण: काँच के प्रिज्म में भिन्न-भिन्न रंगों के प्रकाश की चाल भिन्न-भिन्न होती है।
  • लाल प्रकाश (Red): तरंगदैर्घ्य सर्वाधिक ($\lambda \approx 700\text{ nm}$) $\to$ काँच में चाल सर्वाधिक $\to$ अपवर्तनांक सबसे कम $\to$ झुकाव / विचलन सबसे कम (न्यूनतम) होता है।
  • बैंगनी प्रकाश (Violet): तरंगदैर्घ्य सबसे कम ($\lambda \approx 400\text{ nm}$) $\to$ काँच में चाल सबसे कम $\to$ अपवर्तनांक सबसे अधिक $\to$ झुकाव / विचलन सबसे अधिक (अधिकतम) होता है।

(ग) न्यूटन का स्पेक्ट्रम पुनर्संयोजन प्रयोग (Recombination of Spectrum)

सर आइजक न्यूटन ने सिद्ध किया कि सूर्य का प्रकाश वास्तव में सात रंगों से मिलकर बना है। उन्होंने एक सीधा प्रिज्म लेकर श्वेत प्रकाश का स्पेक्ट्रम प्राप्त किया, और फिर उसके ठीक आगे एक दूसरा समरूप प्रिज्म उल्टा (Inverted) रख दिया। उल्टे प्रिज्म ने सातों रंगों को पुनः संयोजित कर दिया और दूसरे सिरे से पुनः शुद्ध श्वेत प्रकाश किरण पुंज बाहर निकला। इससे सिद्ध हुआ कि श्वेत प्रकाश सात रंगों का सम्मिश्रण है।

(घ) प्राकृतिक स्पेक्ट्रम: इंद्रधनुष का निर्माण (Rainbow Formation)

इंद्रधनुष वर्षा के पश्चात आकाश में सूर्य के ठीक विपरीत दिशा में दिखाई देने वाला एक प्राकृतिक स्पेक्ट्रम है:

1. वायुमंडल में तैरती वर्षा की नन्हीं जल की बूंदें छोटे-छोटे प्रिज्मों की भाँति कार्य करती हैं।
2. जब सूर्य का प्रकाश जल की बूंद में प्रवेश करता है, तो बूंद की अग्र सतह पर प्रकाश का अपवर्तन एवं वर्ण-विक्षेपण होता है और वह सात रंगों में बँट जाता है।
3. बूंद की पिछली आंतरिक सतह पर इन रंगों का पूर्ण आंतरिक परावर्तन (Internal Reflection) होता है।
4. अंततः जब प्रकाश की किरणें बूंद से बाहर निकलती हैं, तो उनका पुनः अपवर्तन होता है और प्रेक्षक की आँख में पहुँचकर एक सुंदर रंगीन चाप (इंद्रधनुष) बनाती हैं।

पृथ्वी का वायुमंडल सर्वत्र एक समान नहीं है। नीचे की वायु ठंडी और सघन होती है, जबकि ऊपर की वायु गर्म और विरल होती है। जब आकाशीय पिंडों का प्रकाश वायुमंडल की विभिन्न परतों से होकर गुजरता है, तो उसका लगातार अपवर्तन होता है जिसे वायुमंडलीय अपवर्तन कहते हैं:

(क) तारों का टिमटिमाना (Twinkling of Stars)

1. तारे पृथ्वी से अत्यधिक दूरी पर स्थित हैं, अतः वे प्रकाश के बिंदु-स्रोत (Point sources) की भाँति व्यवहार करते हैं।
2. तारों का प्रकाश जब विभिन्न घनत्व और तापमान वाली वायुमंडलीय परतों से गुजरता है, तो उसका मार्ग लगातार थोड़ा-थोड़ा विचलित होता रहता है।
3. वायुमंडल की भौतिक स्थितियां स्थिर नहीं हैं (हवा चलती रहती है, तापमान बदलता है), जिसके कारण आँख में प्रवेश करने वाले तारे के प्रकाश की मात्रा लगातार घटती-बढ़ती रहती है।
4. कभी तारा चमकीला और कभी धुंधला दिखाई देता है। इसे ही तारों का टिमटिमाना कहते हैं।

ग्रह क्यों नहीं टिमटिमाते? (JAC Board 2 अंक):

ग्रह पृथ्वी के अत्यंत निकट हैं, अतः वे बिंदु स्रोत न होकर प्रकाश के विस्तृत स्रोत (Extended sources) की भाँति कार्य करते हैं। एक ग्रह को करोड़ों बिंदु-स्रोतों का समूह माना जा सकता है। सभी व्यक्तिगत बिंदु-स्रोतों से आँख में आने वाले प्रकाश की मात्रा में होने वाले परिवर्तनों का कुल औसत मान शून्य हो जाता है, जिससे ग्रहों की चमक स्थिर रहती है और वे टिमटिमाते नहीं हैं।

(ख) अग्रिम सूर्योदय एवं विलंबित सूर्यास्त (Advanced Sunrise & Delayed Sunset)

• वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण सूर्य वास्तव में क्षितिज (Horizon) के ऊपर आने से लगभग 2 मिनट पहले ही हमें दिखाई देने लगता है (अग्रिम सूर्योदय)।
• इसी प्रकार, सूर्यास्त के समय वास्तविक रूप से क्षितिज के नीचे चले जाने के बाद भी सूर्य लगभग 2 मिनट बाद तक दिखाई देता रहता है (विलंबित सूर्यास्त)।
• अतः वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण दिन की वास्तविक अवधि में लगभग $2 + 2 = \mathbf{4\text{ मिनट}}$ की वृद्धि हो जाती है।
• सूर्योदय और सूर्यास्त के समय सूर्य का चक्रिका रूप चपटा (अंडाकार) दिखाई देना भी इसी ऊर्ध्वाधर असमान अपवर्तन का परिणाम है।

जब प्रकाश की किरणें किसी ऐसे माध्यम से गुजरती हैं जिसमें सूक्ष्म निलंबित कण (जैसे धूल, धुआँ, जल की सूक्ष्म बूंदें) उपस्थित हों, तो ये कण प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करके चारों दिशाओं में फैला (विकीर्ण कर) देते हैं। इस परिघटना को प्रकाश का प्रकीर्णन (Scattering of Light) कहते हैं।

(क) टिंडल प्रभाव (Tyndall Effect)

कोलाइडल कणों द्वारा प्रकाश के प्रकीर्णन के कारण प्रकाश के मार्ग का दृश्यमान हो जाना टिंडल प्रभाव कहलाता है:

• धुएँ से भरे किसी अंधेरे कमरे में किसी छोटे छेद से जब धूप की किरण आती है, तो हवा में तैरते धूल कण चमकते हुए दिखाई देते हैं और प्रकाश का मार्ग साफ दिखता है।
• घने जंगलों के वितान (Canopy) से जब सूर्य की किरणें छनकर आती हैं, तो कुहासे में जल की नन्हीं बूंदें प्रकाश को प्रकीर्णित कर उसका पथ दिखाती हैं।

(ख) रैले का प्रकीर्णन नियम (Rayleigh's Law of Scattering)

यदि प्रकीर्णन करने वाले कणों का आकार प्रकाश के तरंगदैर्घ्य से बहुत छोटा हो ($a \ll \lambda$), तो प्रकीर्णित प्रकाश की तीव्रता ($I$) उसके तरंगदैर्घ्य के चतुर्थ घात के व्युत्क्रमानुपाती होती है:

अर्थात, जिस रंग का तरंगदैर्घ्य जितना कम होगा, उसका प्रकीर्णन उतना ही अत्यधिक तीव्र होगा! बैंगनी और नीले रंग का तरंगदैर्घ्य लाल रंग की तुलना में लगभग आधा होता है, अतः नीले रंग का प्रकीर्णन लाल रंग की तुलना में लगभग 16 गुना अधिक होता है।

(ग) प्रकीर्णन पर आधारित प्राकृतिक परिघटनाएं: