UPPSC 2019 प्रारंभिक प्रश्नपत्र-I · प्रश्न 90 / 150

सही उत्तर — (A) पूर्ण आंतरिक परावर्तन। कोई ऑप्टिकल फाइबर काँच या प्लास्टिक का एक पतला धागा है जो दो परतों में बना होता है: उच्च अपवर्तनांक वाला भीतरी क्रोड (core) और निम्न अपवर्तनांक वाला बाहरी आवरण (cladding)। जो प्रकाश फाइबर के स्वीकृति-शंकु के भीतर प्रवेश करता है वह क्रोड-आवरण सीमा से उस माध्यम-युग्म के क्रांतिक कोण से बड़े कोण पर टकराता है। ऐसे कोणों पर कोई भी प्रकाश आवरण में अपवर्तित होकर बाहर नहीं जाता; पूरा किरण-पुंज वापस क्रोड में फेंक दिया जाता है। इसे हज़ारों बार दोहराते हुए, संकेत फाइबर के साथ ज़िग-ज़ैग करता है — मोड़ों के आर-पार भी — बहुत कम हानि के साथ, यही कारण है कि फाइबर महाद्वीपों के आर-पार और समुद्रों के नीचे टेलीफोन व इंटरनेट यातायात ले जाता है। यह परिरोधन (confinement) पूर्ण होता है, और यही ठीक-ठीक वह है जो पूर्ण आंतरिक परावर्तन में 'पूर्ण' शब्द का अर्थ है: किसी साधारण दर्पण के विपरीत, जो हर उछाल पर कुछ प्रतिशत ऊर्जा अवशोषित कर लेता है, यह परावर्तन सारा प्रकाश लौटा देता है।

• (b)विवर्तन — विवर्तन किसी अवरोध या संकरे छिद्र से गुज़रते समय तरंगों का मुड़ना व फैलना है — यह CD पर दिखने वाली रंगीन पट्टियों, किसी झंझरी (grating) से मिलने वाले प्रतिरूप, और किसी दूरबीन की विभेदन-क्षमता की सीमा को समझाता है। यह किसी फाइबर के अंदर प्रकाश को निर्देशित करने में कोई भूमिका नहीं निभाता।
• (c)प्रकीर्णन — प्रकीर्णन कणों या आणविक अनियमितताओं द्वारा प्रकाश की दिशा बदलना है, जैसा नीले आकाश और लाल सूर्यास्त में होता है। किसी फाइबर में प्रकीर्णन वास्तव में शत्रु है: काँच के भीतर अवशिष्ट प्रकीर्णन संकेत-हानि के मुख्य कारणों में से एक है, इसलिए फाइबरों को इस पर निर्भर रहने के बजाय इसे न्यूनतम करने के लिए बनाया जाता है।
• (d)अपवर्तन — यही इच्छित जाल है, और गलत कारण से आधा सही भी है। अपवर्तन — जब प्रकाश भिन्न अपवर्तनांक वाले माध्यमों के बीच से गुज़रता है तो उसका मुड़ना — वह है जो फाइबर के सिरे-फलक में प्रकाश के प्रवेश करते समय होता है, और क्रोड व आवरण के अपवर्तनांक का अंतर ही पूर्ण आंतरिक परावर्तन को संभव बनाता है। परंतु यदि प्रकाश क्रोड-आवरण दीवार पर केवल अपवर्तित होता, तो वह फाइबर से बाहर निकल जाता और खो जाता। फाइबर के साथ संचरण इसलिए काम करता है क्योंकि अपवर्तन को रोका जाता है और प्रकाश को पूर्णतः परावर्तित किया जाता है।

जब प्रकाश किसी प्रकाशिक रूप से सघन माध्यम से किसी विरल माध्यम की ओर जाता है, तो यह अभिलंब से दूर मुड़ता है। आपतन-कोण बढ़ाने पर अपवर्तित किरण और अधिक मुड़ती है, जब तक कि एक विशेष कोण — क्रांतिक कोण — पर यह सीमा के साथ-साथ ही सरकने लगती है। उस कोण से आगे, अपवर्तन असंभव हो जाता है और सारा प्रकाश वापस सघन माध्यम में परावर्तित हो जाता है। यही पूर्ण आंतरिक परावर्तन है, और इसके लिए दो शर्तें एक साथ आवश्यक हैं: प्रकाश सघन से विरल की ओर जा रहा हो, और आपतन-कोण क्रांतिक कोण से अधिक हो। क्रांतिक कोण माध्यम-युग्म पर निर्भर करता है: साधारण काँच से हवा के लिए लगभग 42 डिग्री, पानी से हवा के लिए लगभग 48.6 डिग्री, और हीरे से हवा के लिए केवल लगभग 24.4 डिग्री, यही कारण है कि कटा हुआ हीरा उसमें प्रवेश करने वाले प्रकाश का इतना अधिक भाग फँसाकर वापस लौटा देता है।

प्रश्न में दिया वाक्यांश 'प्रकाश ऊर्जा का संचरण' ही संकेत है। पूछें कि संकेत को जारी रखने के लिए फाइबर की दीवार पर क्या होना चाहिए: प्रकाश को बाहर निकलने नहीं दिया जाना चाहिए। अपवर्तन प्रकाश को बाहर जाने देता है, प्रकीर्णन इसे बग़ल में फेंकता है, विवर्तन केवल किसी तरंगाग्र को फैलाता है। केवल पूर्ण आंतरिक परावर्तन ही किरण-पुंज के हर हिस्से को अंदर रखता है। यही परिघटना एंडोस्कोप, मेलों में बिकने वाले चमकते फाइबर-लैम्पों, पेरिस्कोप व दूरबीनों के समकोण प्रिज्मों, हीरे की चमक, और सड़क पर दिखने वाले मृगतृष्णा (mirage) के झिलमिलाते नकली जल को समझाती है।

• पूर्ण आंतरिक परावर्तन के लिए दो शर्तें आवश्यक हैं: प्रकाश का सघन से विरल माध्यम की ओर जाना, और आपतन-कोण का क्रांतिक कोण से अधिक होना।
• किसी ऑप्टिकल फाइबर में उच्च अपवर्तनांक वाला क्रोड होता है जो निम्न अपवर्तनांक वाले आवरण से घिरा होता है; प्रकाश बार-बार पूर्ण आंतरिक परावर्तन द्वारा क्रोड के साथ उछलता हुआ आगे बढ़ता है।
• हवा के साथ लगभग क्रांतिक कोण: हीरा लगभग 24.4 डिग्री, साधारण काँच लगभग 42 डिग्री, पानी लगभग 48.6 डिग्री।
• फाइबर-प्रकाशिक संचार तांबे की तुलना में कहीं अधिक सूचना ले जाता है, विद्युत-चुंबकीय हस्तक्षेप से मुक्त होता है और लंबी दूरी पर बहुत कम संकेत खोता है — यह समुद्र के नीचे केबलों और भारत के ग्रामीण ब्रॉडबैंड नेटवर्क की रीढ़ है।
• पूर्ण आंतरिक परावर्तन के अन्य रोज़मर्रा के उदाहरण: एंडोस्कोपी व लेप्रोस्कोपी, कटे हुए हीरे की चमक, गर्म सड़क पर प्रकाशिक मृगतृष्णा, और पेरिस्कोप व दूरबीनों में प्रयुक्त समकोण प्रिज्म।

• अपवर्तनांक शामिल होने के कारण अपवर्तन चुनना। अपवर्तन वह क्रियाविधि है जिसे फाइबर की दीवार पर रोका जा रहा है, जो संचरण कर रही है वह नहीं।
• सघन-से-विरल शर्त को भूल जाना। पूर्ण आंतरिक परावर्तन तब नहीं हो सकता जब प्रकाश हवा से काँच या पानी में जाए।
• प्रकीर्णन और विवर्तन को पूर्ण आंतरिक परावर्तन के साथ गड्डमड्ड करना। प्रकीर्णन नीले आकाश को समझाता है; विवर्तन CD के रंगों को समझाता है।

यह भारतीय प्रतियोगी परीक्षाओं में सबसे अधिक दोहराई जाने वाली एक-पंक्ति की परिघटनाओं में से एक है। UPSC ने इसे सीधे 'ऑप्टिकल फाइबर किस सिद्धांत पर कार्य करता है' के रूप में पूछा है, और फिर से एंडोस्कोपी के माध्यम से; UPPSC इसे सीधे रूप में ही पूछता रहता है, इसलिए 'पूर्ण आंतरिक परावर्तन' वाक्यांश को उसकी दोनों शर्तों सहित सीखें।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  प्रकाश का पूर्ण आंतरिक परावर्तन केवल तभी हो सकता है जब प्रकाश यात्रा करता है

  • (a)किसी सघन माध्यम से किसी विरल माध्यम की ओर, क्रांतिक कोण से बड़े कोण पर
  • (b)किसी विरल माध्यम से किसी सघन माध्यम की ओर, किसी भी कोण पर
  • (c)किसी सघन माध्यम से किसी विरल माध्यम की ओर, क्रांतिक कोण से छोटे कोण पर
  • (d)दो माध्यमों की सीमा के अभिलंब के अनुदिश

  उत्तर(a) किसी सघन माध्यम से किसी विरल माध्यम की ओर, क्रांतिक कोण से बड़े कोण पर — दोनों शर्तें साथ-साथ लागू होनी चाहिए; हवा से काँच में प्रवेश करता प्रकाश उस सतह पर कभी पूर्ण आंतरिक परावर्तन नहीं कर सकता।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  सही ढंग से कटे हुए हीरे की चमक व झिलमिलाहट मुख्यतः किस कारण होती है ?

  • (a)पूर्ण आंतरिक परावर्तन
  • (b)प्रकाश का व्यतिकरण
  • (c)प्रकाश का ध्रुवण
  • (d)प्रकाश का अवशोषण

  उत्तर(a) पूर्ण आंतरिक परावर्तन — हीरे का बहुत ऊँचा अपवर्तनांक इसे लगभग 24 डिग्री का क्रांतिक कोण देता है, इसलिए पत्थर में प्रवेश करने वाला प्रकाश ऊपरी फलकों से बाहर निकलने से पहले बार-बार भीतर परावर्तित होता है।