ஒளியின் வேகம்

ஒளியின் வேகம் (Speed of light)

ஒளி வெற்றிடத்தின் வழியே பெரும வேகத்தில் செல்கிறது. வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம் c என்று குறிப்பிடப்படுகிறது. அதன் மதிப்பு c = 3x10⁸ m s^-1ஆகும். இது, பெரும மதிப்பாகும். ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிய அறிஞர்கள் பல்வேறு முயற்சிகளை மேற்கொண்டனர். பிரஞ்சு அறிஞர் ஹிப்போலைட் ஃபிஸியு (Hippolyte Fizeau) (1819 - 1896) என்பவர், ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிவதற்கான முயற்சியை முதலில் மேற்கொண்டார். அம்முயற்சி, மற்ற அறிஞர்களுக்கும் ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிவதற்கான அடித்தளத்தை அமைத்துக் கொடுத்தது.

ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிவதற்கான ஃபிஸீயுமுறை (Fizeau's Method)

ஆய்வுக்கருவிகள்: காற்றில் ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிவதற்கான ஆய்வுக் கருவி படம் 6.13 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. ஒளிமூலம் (S) இலிருந்து வரும் ஒளியானது முதலில் பாதி வெள்ளி பூசப்பட்ட கண்ணாடித் தகட்டின் மீது (G) விழுகிறது. இக்கண்ணாடித் தகடு , ஒளி மூலத்திலிருந்து வரும் ஒளியைப் பொருத்து 45^o கோணத்தில் சாய்ந்துள்ளது. (N) பற்களும், சமஅகலமுடைய (N) வெட்டுகளும் கொண்ட சுழலும் பற்சக்கரத்தின் வழியே ஒளிக்கதிர் செலுத்தப்படுகிறது. பற்சக்கரத்தின் சுழற்சி வேகம் புற இயந்திர அமைப்பின் மூலம் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றது. (இவ்வமைப்பு படத்தில் காட்டப்படவில்லை). பற்சக்கரத்தின் ஒரு வெட்டு வழியே செல்லும் ஒளி பற்சக்கரத்திலிருந்து மிக நீண்ட தொலைவில் (d)வைக்கப்பட்டுள்ள சமதள ஆடி (M) ஒன்றினால் எதிரொளிக்கப்படுகிறது. பற்சக்கரம் சுழலவில்லையெனில், எதிரொளிக்கப்பட்ட ஒளி அதே வெட்டு வழியே மீண்டும் சென்று, பாதி வெள்ளி பூசப்பட்ட ஆடியின் வழியாகப் பயணித்து உற்று நோக்குபவரின் கண்களை அடைகிறது.

வேலை செய்யும் முறை: சுழலும் பற்சக்கரத்தின் கோணவேகம் சுழியிலிருந்து ஒரு குறிப்பிட்ட மதிப்பிற்கு (ɷ) அதிகரிக்கப்படுகிறது. அதாவது, ஒரு வெட்டு வழியாகச் சென்ற ஒளிக்கதிர் ஆடியினால் எதிரொளிக்கப்பட்ட பின்பு, அடுத்த பல்லினால் (tooth) முழுவதும் தடுக்கப்படும் வரை பற்சக்கரத்தின் வேகம் அதிகரிக்கப்படுகிறது. பகுதி வெள்ளி பூசப்பட்ட ஆடியின் வழியே பார்க்கும்போது, ஒளி முழுவதுமாக மறைவதிலிருந்து இதனை உறுதி செய்யலாம்.

சமன்பாட்டினை வருவித்தல்: காற்றில் ஒளியின் வேகம் (v), ஒளி பற்சக்கரத்திலிருந்து ஆடிக்குச் சென்று, மீண்டு பற்சக்கரத்தை அடையும் தொலைவிற்கும் (2d), எடுத்துக் கொண்ட நேரத்திற்குமான விகிதமாகும்.

தொலைவு (d)யினை ஆய்வு அமைப்பிலிருந்து அறிந்து கொள்ளலாம், எடுத்துக்கொண்ட நேரம் (t)யினை பற்சக்கரத்தின் கோண வேகம் (ɷ) விலிருந்து கணக்கிடலாம்.

ஒளி முதன்முதலில் மறையும் நேரத்தில், பற்சக்கரத்தின் கோணவேகம் (ɷ) பின்வருமாறு

இங்கு θ என்பது, t நேர இடைவெளியில் பற்சக்கரம் சுழலும்போது, பற்சக்கரத்தின் ஒரு பல்லிற்கும், ஒரு வெட்டிற்கும் இடையே உள்ள கோணமாகும்.

θ = வட்டத்தின் மொத்தக் கோணம் ரேடியனில் / பற்களின் எண்ணிக்கை + வெட்டுகளின் எண்ணிக்கை

θ வின் மதிப்பை சமன்பாடு 6.13 இல் பிரதியிடும்போது,

மேற்கண்ட சமன்பாட்டை tக்கு எழுதும்போது

சமன்பாடு 6.14ஐ, சமன்பாடு 6.12இல் பிரதியிட

சமன்பாட்டைச் சீரமைத்த பின்னர்,

அடுத்து உள்ள பல்லினால் ஒளி மறைக்கப்படும்போது தோன்றும் குறைந்தபட்ச ஒளிச்செறிவினைக் காண்பதில் ஃபிஸ்யுவிற்கு சில இடர்ப்பாடுகள் தோன்றின. எனினும் இவர் கண்டறிந்த ஒளியின் வேகம், உண்மையான ஒளியின் வேகத்திற்கு மிக நெருக்கமாக இருந்தது. இதற்குப் பின்பு ஃபிஸியுவின் அதே ஆய்வு அமைப்பின் அடிப்படையில் மற்றும் சில நுட்பமான கருவிகளைப் பயன்படுத்தி காற்றில் ஒளியின் வேகம் v = 2.99792x10⁸ m s^-1 எனக் கண்டறியப்பட்டது.

பற்சக்கரத்தின் வேகத்தைச்  சுழியிலிருந்து ɷ வரை அதிகரிக்கும்போது ஒளி மறைந்து விடுகிறது. பற்சக்கரத்தின் வேகத்தை மேலும் அதிகரித்துக் கொண்டே சென்று 2ɷ மதிப்பை அடையும்போது எதிரொளிக்கப்பட்ட ஒளிஅடுத்த வெட்டு வழியாகச் சென்று உற்றுப்பார்ப்பவரை அடைகிறது. எனவே, ɷ வின் ஒற்றைப்படை மதிப்புகளுக்கெல்லாம் ஒளி மறைவதும், (பற்களினால் தடுக்கப்பட்டும்), இரட்டைப் படை மதிப்புகளுக்கெல்லாம் ஒளி தெரிவதும் (வெட்டு வழியாக அனுமதிக்கப்படும்) மாறி மாறி நடைபெறும்.

வெவ்வேறு ஊடகங்களின் வழியே ஒளியின் வேகம்

ப்போகால்ட் (Foucault) (1819-1868) மற்றும் மைக்கல்சன் (Michelson) (1852-1931) போன்றவர்கள் கண்ணாடி மற்றும் நீர் போன்ற வெவ்வேறு ஒளிபுகும் ஊடகங்களை ஒளியின் பாதையில் வைத்து, ஒளியின் வேகத்தை அந்த ஊடகங்களில் கண்டறிந்தனர். மேலும், வெற்றிடக் குழாய்களையும் ஒளியின் பாதையில் வைத்து வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிந்தனர். மேற்குறிப்பிட்ட சோதனைகளில் இருந்து மற்ற அனைத்து ஊடகங்களைவிட, வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம் அதிகம் எனக் கண்டறிந்தனர். வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம் C = 3x10⁸ ms^-1 எனக் கண்டறிந்தனர். வெற்றிடம் மற்றும் காற்று இரண்டிலும் ஒளியின் வேகம் கிட்டத்தட்ட சம்மதிப்பினையே பெற்றிருக்கும் என்பதை நாம் நினைவில் கொள்ள வேண்டும்.

ஒளிவிலகல் எண்

வெற்றிடத்தில் (அல்லது காற்றில்) ஒளியின் வேகத்திற்கும், ஊடகத்தில் ஒளியின் வேகத்திற்கும் உள்ள விகிதமே, அந்த ஊடகத்தின் ஒளிவிலகல் எண் ஆகும்.

ஊடகத்தின் ஒளிவிலகல் எண் (n) = வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம் (C) / ஊடகத்தில் ஒளியின் வேகம் (v)

ஒளிபுகும் ஊடகம் ஒன்றின் ஒளிவிலகல் எண், அந்த ஊடகத்தில் ஒளியின் வேகத்தைப்பற்றி அறிய துணைபுரிகிறது.

எடுத்துக்காட்டு 6.5

ஒளிவிலகல் எண் 1.5 கொண்ட கண்ணாடி வழியே செல்லும் ஒளியின் வேகத்தைக் காண்க.

தீர்வு

கொடுக்கப்பட்ட கண்ணாடி வழியே 2x10⁸ ms^-1 வேகத்தில் ஒளி செல்லும்.

ஒளிவிலகல் எண்ணுக்கு அலகு இல்லை. வெற்றிடம்தான் மிகக்குறைந்த ஒளிவிலகல் எண்ணைப் பெற்றுள்ளது. அதன் மதிப்பு 1 ஆகும். மற்ற அனைத்து ஊடகங்களின் ஒளிவிலகல் எண்ணும் 1ஐவிட அதிக மதிப்பையே பெற்றிருக்கும். ஒளிவிலகல் எண்ணை ஊடகத்தின் ஒளி அடர்த்தி (Optical density) என்றும் அழைக்கலாம்.

உயர்ந்த ஒளிவிலகல் எண்ணைப் பெற்றுள்ள ஊடகத்தின் ஒளி அடர்த்தி அதிகம். அவ்ஊடகத்தின் வழியே ஒளி மெதுவாகச் செல்லும் இதேபோன்று குறைந்த ஒளிவிலகல் எண்ணைப்பெற்றுள்ள ஊடகத்தின் ஒளி அடர்த்தி குறைவு. அவ்ஊடகத்தின் வழியே ஒளி வேகமாகச் செல்லும் (குறிப்பு: ஒளி அடர்த்தியை, ஊடகப் பொருளின் நிறை அடர்த்தியுடன் சேர்த்துக் குழப்பிக் கொள்ளக்கூடாது. இவை இரண்டும் வெவ்வேறானவை) வெவ்வேறு ஒளிபுகும் ஊடகங்களின் ஒளிவிலகல் எண்கள் அட்டவணை 6.2இல் கொடுக்கப்பட்டுள்ளன.

ஒளிப்பாதை (Optical path)

ஊடகம் ஒன்றில் ஒளி (d) தொலைவைக் கடக்க எவ்வளவு நேரத்தை எடுத்துக் கொள்கிறதோ, அதே நேர இடைவெளியில் வெற்றிடத்தின் வழியே ஒளி கடந்து செல்லும் தொலைவு d' ஊடகத்தின் ஒளிப்பாதை என்று வரையறுக்கப்படுகிறது.

ஒளி விலகல் எண் (n) மற்றும் தடிமன் (d) கொண்ட ஊடகம் ஒன்றைக் கருதுக. அந்த ஊடகத்தின் வழியாக (v) வேகத்தில், (t) நேரத்தில் ஒளி பயணம் செய்கிறது எனில்,

v= d/t; சமன்பாட்டை (t) க்கு மாற்றியமைக்கும்

போது, t = d/v

இதே நேர இடைவெளியில், வெற்றிடத்தில் ஒளி நெடுந்தொலைவு (d) சென்றிருக்கும். ஏனெனில், ஒளி வெற்றிடத்தின் வழியே பெரும வேகத்தில் (c) செல்லும். எனவே,

c= d’/t சமன்பாட்டை (t) க்கு மாற்றி அமைக்கும்

போது, t = d’/c

இரண்டு நிகழ்வுகளிலும் எடுத்துக்கொள்ளப்பட்ட நேரம் (t) சமம். எனவே, இரண்டு நிகழ்வுகளின் நேரத்தையும் சமன் செய்து பார்க்கலாம். அதன்படி

d’/c = d/v

ஒளிப்பாதை (d') க்கு மாற்றி அமைக்கும் போது d' = c/v d

இங்கு, c/v = n; எனவே, ஒளிப்பாதை

ஒரு ஊடகத்திற்கு n எப்போதும் 1ஐவிட அதிகமாகும். எனவே, ஊடகத்தின் ஒளிப்பாதை d" எப்போதும் dஐவிட அதிகமாக இருக்கும். ஊடகத்தின் ஒளிப்பாதை படம் 6.14இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

எடுத்துக்காட்டு 6.6

ஒளி, காற்றிலிருந்து ஒளிவிலகல் எண் 1.5 மற்றும் 50 cm தடிமன் கொண்ட கண்ணாடியினுள் செல்கிறது.

(i) கண்ணாடியில் ஒளியின் வேகம் என்ன?

(ii) கண்ணாடியைக் கடந்து செல்ல ஒளி எடுத்துக் கொள்ளும் நேரம் என்ன? (iii) கண்ணாடியின் ஒளிப்பாதையைக் கணக்கிடுக.

தீர்வு

கொடுக்கப்பட்டவை, தடிமன் d = 50 cm = 0.5 m

ஒளிவிலகல் எண் n = 1.5

ஒளிவிலகல் எண், n = c/v

கண்ணாடியில் ஒளியின் வேகம்,

கண்ணாடியைக் கடந்து செல்ல ஒளி எடுத்துக் கொள்ளும் நேரம்,

ஒளிப்பாதை,

d' = nd = 1.5x0.5 = 0.75m=75 cm

குறிப்பு:  ஒளி, கண்ணாடியைக் கடந்து செல்லும் நேர இடைவெளியில், 25 cm கூடுதலாக (75cm - 50cm) ஒளி வெற்றிடத்தின் வழியே கடந்து சென்றுவிடும்.