శాస్త్ర విజ్ఞానము

కాంతి కణ సిద్ధాంతం
“పదవ తరగతి భౌతిక రసాయన శాస్త్రాలు” పుస్తకంలో,
“యూనిట్ 7, కాంతి, కాంతి స్వభావం – కాంతి జనకాలు” అన్న పాఠం నుండి.

భౌతిక శాస్త్ర చరిత్రలో ఒక దశలో ఎన్నో రాశులని స్థూల పదార్థాలుగా ఊహించుకునేవారు. ఉదాహరణకి ఉష్ణం ఒక శక్తి రూపం అని మనకి ఇప్పుడు తెలుసు. కాని తొలిదశలలో ఉష్ణం ఒక ద్రవం అని భావించేవారు. ఓ వేడి వస్తువు నుండి ఓ చల్లని వస్తువులోకి ఉష్ణం ప్రవహిస్తున్నప్పుడు నిజంగా ఏదో ద్రవం ఒక వస్తువు నుండి మరో వస్తువు లోకి ప్రవహిస్తోంది అని తప్పుగా అనుకునేవారు. అదే విధంగా అంతరిక్షం అంతా వట్టి శూన్యం కాదని, అందులో ఏదో ద్రవం వ్యాపించి వుందని అనుకునేవారు. ఆ ద్రవాన్ని ‘ఈథర్’ అనేవారు.

అదే విధంగా వెనకటి రోజుల్లో కాంతి కూడా ఒక రకమైన పదార్థం అనుకునేవారు. కాంతిలో చిన్న చిన్న కణాలు ఉంటాయని, ఆ కణాలు వేగంగా ప్రయాణిస్తుంటాయని, ఆ కణాల ప్రవాహమే కాంతి అని న్యూటన్ బోధించాడు. ఆ సిద్ధాంతాన్నే ‘కాంతి కణ సిద్ధాంతం’ అంటారు. ఆ సిద్ధాంతం ప్రకారం –

1. కాంతి తేలికైన, అతి చిన్న పరిపూర్ణ స్థితిస్థాపక (perfectly elastic) కణాలతో కూడుకున్న ప్రవాహం.
ఈ ‘స్థితి స్థాపకత’ అంటే ఏంటి? కాంతి కణాలు స్థితిస్థాపక కణాలు అని ఎందుకు అనుకోవలసి వచ్చింది?
ఒక వస్తువు మీద మనం బలం ప్రయోగించినప్పుడు ఆ వస్తువు రూపురేఖలు మారుతాయి. ఉదాహరణకి ఒక టెన్నిస్ బంతిని వత్తితే దాని రూపురేఖలు మారిపోతాయి. తరువాత బలాన్ని తొలగించినప్పుడు వస్తువు యొక్క రూపురేఖలు మునుపటి స్థితికి వస్తే ఆ వస్తువుకి ‘స్థితిస్థాపక’ లక్షణం ఉందన్నమాట. అంటే దాని ‘స్థితి’ని తిరిగి ‘స్థాపించుకునే’ లక్షణం అన్నమాట. అన్ని వస్తువులూ స్థితి స్థాపకాలు కావు. ఉదాహరణకి ఒక బంకమట్టి ముద్దని నొక్కి వదిలితే దాని మారిని రూపురేఖలు అలాగే ఉండిపోతాయి. మొదటి స్థితికి రావు.

స్థితిస్థాపక లక్షణం గల ఒక బంతిని ఒక ఎత్తు నుండి స్థితిస్థాపక లక్షణం గల నేల మీదకి వదిలితే, బంతి ఎంత ఎత్తు నుండి పడిందో మళ్ళీ అంతే ఎత్తుకి లేస్తుంది. అలాగే ఆ బంతిని నేల మీదకి వాలుగా విసిరితే, అభిలంబం నుండి ఎంత కోణంలో పడుతుందో, అంతే కోణంలో పైకి లేస్తుంది. ఈ లక్షణమే కాంతి యొక్క పరావర్తన లక్షణాన్ని వివరించడానికి పనికొస్తుంది. ఈ ఉద్దేశంతోనే కాంతి కణాలు స్థితిస్థాపక లక్షణం గలవని న్యూటని ప్రతిపాదించాడు. ఆ వివరాలు ముందు ముందు చూస్తాం.

2. ఈ కణాలు కాంతిని వెలువరించే కాంతి జనకాల నుండి వెలువడతాయి.
3. ఆ కణాలు అన్ని దిశలలో ఋజుమార్గాలలో ప్రయాణిస్తాయి.
4. ఆ కణాల వేగం వేరు వేరు విక్షేపక యానకాలలో (refractive media) వేరు వేరుగా ఉంటుంది.
5. ఆ కణాలు కంటిలో రెటినాని తాకినప్పుడు దృశ్య జ్ఞానం కలుగుతుంది.
కంట్లో రెటీనాలోని ‘ఫోటోరిసెప్టార్ల’ మీద కాంతి కణాలు పడినప్పుడు, ఆ కాంతి శక్తి విద్యుత్ శక్తిగా మారుతుంది. ఆ విద్యుత్ సంకేతాలు నాడుల ద్వారా మెదడుని చేరినప్పుడు చూసిన అనుభూతి కలుగుతుంది.
6. ఆ కణాలు వేరు వేరు పరిమాణాలలో ఉంటాయి. దీని వలన కాంతికి వేరు వేరు రంగులు ఏర్పడుతాయి.

కాంతి పరావర్తనం

కణ సిద్ధాంతంతో కాంతి పరావర్తనాన్ని ఏ విధంగా వివరించొచ్చు?
ఓ రబ్బరు బంతిని ఒక ఎత్తు నుండి కింద పడేస్తే అది నేల మీద అభిలంబంగా పడి, తిరిగి తిన్నగా పైకి లేస్తుంది. అదే వాలుగా పడేస్తే అదే వాలుతో పైకి లేస్తుంది. పరావర్తనం చెందుతున్న కాంతి కూడా ఇదే పరావర్తన నియమాన్ని అనుసరించడం విశేషం.

కాంతి పరావర్తనాన్ని పరిశీలించడానికి ఓ చిన్న ప్రయోగం.
ప్రయోగానికి కావలసిన సరంజామా:
- ఓ లేజర్ పాయింటర్
- ఓ చిన్న అద్దం
- మూత ఉన్న, పారదర్శకమైన గోడలున్న ఓ ప్లాస్టిక్ డబ్బా
- ఓ అగర్బత్తి, అగ్గిపెట్టె

అగర్బత్తి వెలిగించి ప్లాస్టిక్ డబ్బాలో పెట్టాలి. కాసేపట్లో డబ్బా అంతా పొగతో నిండిపోతుంది. అప్పుడు డబ్బా అడుగులో అద్దం ఉంచి డబ్బా మూత మూసేయాలి. ఇప్పుడు బయటి నుంచి లేజర్ పాయింటర్ యొక్క కాంతి రేఖ అద్దం మీద పడేలా వేయాలి. డబ్బాలో పొగ ఉంటుంది కనుక, ఆ పొగలో కాంతి రేఖని స్పష్టంగా చూడొచ్చు. కాంతి రేఖ కింద అద్దం మీద పడి, పరావర్తనం చెంది డబ్బా అవతలి పక్క నుండి బయటికి రావడం స్పష్టంగా చూడొచ్చు. కాంతి అద్దం మీద పడే కోణాన్ని పతన కోణం (i, angle of incidence) అంటారు. ఇది అద్దానికి లంబంగా ఉండే రేఖకి, పతన కాంతి రేఖకి మధ్య కోణం. అలాగే పరావర్తనం చెందిన కాంతి రేఖకి అద్దం యొక్క లంబానికి మధ్య కోణం ‘పరావర్తన కోణం’ (r, angle of reflection). ఈ రెండు కోణాలు సమానమని స్పష్టంగా చూడొచ్చు. అయితే ఈ ప్రయోగంలో i, r ల విలువలని కొలవడం లేదు. కనుక ఈ ప్రయోగంలో ఊరికే కంటితో చూసి ఉజ్జాయింపుగా ఈ రెండు కోణాలు ఒక్కటే నని చెప్పడానికి మాత్రమే వీలవుతుంది. కోణాలని కొలిచి వాటి సమానతని నిర్ధరించడానికి వేరే పద్ధతులు ఉన్నాయి.


కాంతి వక్రీభవనం

న్యూటన్ తన ‘కాంతి కణ సిద్ధాంతం’తో కాంతి వక్రీభవనాన్ని ఈ విధంగా వివరించాడు. కాంతి కణ ప్రవాహం విరళ యానకం నుండి సాంద్రతర యానకం లోకి ప్రవేశించినప్పుడు ఏమవుతుందో చూద్దాం. సాంద్రత యానకంలో పదార్థం (విరళయానకంలో కన్నా) ఎక్కువగా ఉంటుంది కనుక దానికి గురుత్వం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఆ గురుత్వం చేత ఆకర్షించబడి కణాలు వేగం పుంజుకుంటాయి. సాంద్రతర యానకంలోకి ప్రవేశించాక నిలువు దిశలో వేగం పెరగడం వల్ల కాంతి దిశ కూడా మారుతుంది. కింది చిత్రంలో సాంద్రతర యానకం కాంతి ప్రవాహాన్ని కిందికి లాగుతోంది. కనుక కాంతి దిశ కూడా ఋజురేఖకి కాస్త కుడిపక్కకి తిరుగుతుంది. ఈ విధంగా న్యూటన్ తన కాంతి కణ సిద్ధాంతంతో కాంతి వక్రీభవనాన్ని కూడా వివరించాడు.

అయితే పై వివరణ తప్పని ఇప్పుడు మనకి తెలుసు. ముందుగా సాంద్రతర యానకంలో కాంతి వేగం పెరగదు, తగ్గుతుంది. ఇంత చిన్నమోతాదు పదార్థానికి కాంతి రేఖ మీద గురుత్వ ప్రభావం అత్యంత అల్పంగా ఉంటుంది. (అతి భారీ వస్తువు అయిన సూర్యుడి యొక్క గురుత్వం కూడా కాంతి రేఖని కాస్తంత మాత్రమే మళ్ళించగలుగుతుంది. ఇక మన చుట్టూ కనిపించే వస్తువుల గురుత్వం ఎంత తక్కువగా ఉంటుందంటే కాంతి మీద వాటి గురుత్వ ప్రభావం లేనట్టే. కనుక కాంతి వక్రీభవనం చెందిందంటే అది యానకం యొక్క గురుత్వం వల్ల కాదు.)

కాంతి వక్రీభవనాన్ని పరిశీలించడానికి ఓ చిన్న ప్రయోగం.
ప్రయోగానికి కావలసిన సరంజామా:
- ఓ లేజర్ పాయింటర్
- మూత ఉన్న, పారదర్శకమైన గోడలున్న ఓ ప్లాస్టిక్ డబ్బా
- ఓ అగర్బత్తి, అగ్గిపెట్టె
- కొంచెం నీరు
- కాస్త కుంకుమ

ప్లాస్టిక్ డబ్బా లో సగం వరకు నీరు నింపాలి. ఆ నీళ్లలో కుంకుమ కలపాలి. నీళ్ల పైభాగంలో ఉండే గాలిలో కాసేపు అగర్బత్తి పెట్టి అక్కడ పొగ నిండేట్టు చెయ్యాలి. ఇందాకట్లాగే లేజర్ పాయింటర్ కాంతిని ప్రసరిస్తే ఆ కాంతి ముందు పొగ లోంచి ప్రయాణించి, నీట్లోకి ప్రవేశిస్తుంది. ఎర్రబారిన నీటిలో లేజర్ పాయింటర్ నుండి వచ్చే కాంతి ప్రసారం అయినప్పుడు ఆ కాంతి రేఖ స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది. పొగ లోంచి కుంకుమ నీట్లోకి కాంతి ప్రవేశించినప్పుడు కాంతి రేఖ వంగడం స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది.

(ఇంకా వుంది)