साबुन का बुलबुला फूँकने पर उसकी पारदर्शी परत पर गुलाबी, हरे और नीले रंग भँवर की तरह बहते दिखाई देते हैं। बारिश के बाद डामर की सड़क पर जमा पानी में थोड़ा तेल फैल जाए, तो वहाँ भी इंद्रधनुषी धब्बे बन जाते हैं। साबुन के पानी और तेल का अपना लगभग कोई रंग नहीं होता, फिर इतने चटकीले रंग क्यों दिखाई देते हैं?
इसका रहस्य पेंट या वर्णकों में नहीं, बल्कि प्रकाश के गुणों में छिपा है। बेहद पतली परत की ऊपरी और निचली सतह से परावर्तित प्रकाश जब आपस में मिलता है, तो कुछ रंग प्रबल हो जाते हैं और कुछ कमजोर पड़ जाते हैं। इस घटना को ‘पतली परत में व्यतिकरण (Thin-Film Interference)’ कहते हैं। यह उस घटना को दर्शाता है जो तब होती है, जब परत इतनी पतली हो कि उसकी मोटाई प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के लगभग बराबर हो।
इस लेख में हम क्रम से पतली परत में व्यतिकरण के मूल सिद्धांत, रंग तय करने वाली परिस्थितियों, साबुन के बुलबुलों और तेल के धब्बों जैसे रोजमर्रा के उदाहरणों तथा चश्मे के लेंस और प्राकृतिक जीवों में छिपे इसके उपयोगों को देखेंगे।
पतली परत से बनने वाले प्रकाश के रंग
दो बार परावर्तित होने वाला प्रकाश
पतली परत में व्यतिकरण को समझने के लिए पहले यह याद करना होगा कि प्रकाश एक तरंग है, जो पानी की लहरों की तरह ऊपर-नीचे होता है। तरंगें जब आपस में मिलती हैं, तो एक-दूसरे को बढ़ाती हैं या मिटा देती हैं।
(1) ऊपरी और निचली सतह
जब प्रकाश किसी पतली परत पर पड़ता है, तो उसका कुछ हिस्सा ऊपरी सतह से सीधे परावर्तित हो जाता है। बाकी प्रकाश परत के भीतर प्रवेश करता है, निचली सतह से परावर्तित होता है और फिर बाहर निकलता है। इस तरह हमारी आँखों में प्रकाश की दो किरणें एक साथ पहुँचती हैं, जिनकी शुरुआत एक ही जगह से हुई थी, लेकिन जिन्होंने थोड़ा अलग रास्ता तय किया था।
(2) संपोषी और विनाशी व्यतिकरण
जब दोनों प्रकाश तरंगों के शिखर एक-दूसरे से मेल खाते हैं, तो प्रकाश अधिक चमकीला हो जाता है। इसे संपोषी व्यतिकरण कहते हैं। इसके विपरीत, जब एक तरंग का शिखर दूसरी के गर्त से मिलता है, तो दोनों प्रकाश तरंगें एक-दूसरे को मिटा देती हैं और प्रकाश मंद पड़ जाता है। इसे विनाशी व्यतिकरण कहते हैं। पतली परत में व्यतिकरण से दिखने वाले रंग इन्हीं दोनों घटनाओं के अलग-अलग रंगों के लिए अलग तरह से होने का परिणाम हैं।
(3) तरंग सिद्धांत का प्रमाण
पतली परतों के रंगों का अवलोकन 17वीं शताब्दी में रॉबर्ट हुक और आइज़ैक न्यूटन ने भी किया था। 1800 के दशक की शुरुआत में थॉमस यंग ने इन रंगों की व्याख्या प्रकाश के व्यतिकरण से की, जिसके बाद पतली परत में व्यतिकरण इस बात का एक महत्वपूर्ण प्रमाण बन गया कि प्रकाश एक तरंग है।
रंग तय करने वाली परिस्थितियाँ
सूर्य के प्रकाश में कई रंगों का प्रकाश मिला होता है और हर रंग की तरंगदैर्घ्य अलग होती है। दिखाई देने वाला रंग इस पर निर्भर करता है कि परत के भीतर तय की गई अतिरिक्त दूरी किस रंग की तरंगदैर्घ्य से मेल खाती है।
(1) परत की मोटाई
परत की मोटाई बदलने पर प्रकाश की दोनों किरणों के रास्तों का अंतर भी बदल जाता है। इसलिए जिस परत की मोटाई एकसमान नहीं होती, उसमें अलग-अलग स्थानों पर अलग रंग प्रबल होते हैं और कई रंगों की पट्टियाँ बन जाती हैं।
(2) देखने का कोण
एक ही परत को तिरछे देखने पर भी प्रकाश द्वारा उसके भीतर तय की जाने वाली दूरी बदल जाती है। साबुन के बुलबुले को इधर-उधर घुमाकर देखने पर रंग बदलते दिखने का कारण भी यही है। केवल देखने वाले के अपनी जगह बदलने से भी उसी स्थान का रंग अलग दिखाई दे सकता है।
(3) परत बनाने वाला पदार्थ
पदार्थ के भीतर प्रकाश की गति धीमी हो जाती है, इसलिए मोटाई समान होने पर भी पदार्थ के अपवर्तनांक के अनुसार रास्तों का अंतर बदलता है। इसके अलावा, अधिक अपवर्तनांक वाले पदार्थ की सतह से परावर्तित होने पर प्रकाश तरंग आधी तरंगदैर्घ्य जितनी उलट जाती है। यह प्रभाव भी तय करता है कि कौन-सा रंग बचा रहेगा। साबुन के पानी की परत जैसी हवा से घिरी परत में केवल ऊपरी सतह से परावर्तित प्रकाश उलटता है, इसलिए मोटाई लगभग शून्य होने पर प्रकाश की दोनों किरणें एक-दूसरे को मिटा देती हैं।
रोजमर्रा में दिखाई देने वाले इंद्रधनुषी रंग
पतली परत में व्यतिकरण प्रयोगशाला की तुलना में रोजमर्रा के जीवन में अधिक बार दिखाई देता है। इन सभी उदाहरणों में समान बात यह है कि इनमें प्रकाश की तरंगदैर्घ्य जितनी पतली परत मौजूद होती है।
- साबुन का बुलबुला (Soap Bubble): गुरुत्वाकर्षण के कारण साबुन के पानी की परत नीचे की ओर बहती है और ऊपर से पतली होने लगती है। मोटाई बदलने के साथ रंगों की पट्टियाँ भी खिसकती हैं।
- काली परत (Black Film): जब परत प्रकाश की तरंगदैर्घ्य से बहुत अधिक पतली हो जाती है, तो परावर्तित प्रकाश की दोनों किरणें एक-दूसरे को मिटा देती हैं और परत काली दिखती है। इस अवस्था में साबुन का बुलबुला जल्द ही फूट जाता है।
- तेल का धब्बा (Oil Slick): पानी पर फैली तेल की बेहद पतली परत अपनी मोटाई के अनुसार अलग-अलग रंगों के पैटर्न बनाती है।
- न्यूटन के वलय (Newton's Rings): किसी उत्तल लेंस को समतल काँच पर रखने से दोनों के बीच मौजूद हवा की पतली परत के कारण संकेंद्रित वृत्तों का पैटर्न बनता है। बीच का वह स्थान अँधेरा दिखाई देता है, जहाँ लेंस काँच को छूता है।
तकनीक और प्रकृति में पतली परत का व्यतिकरण
लोग विभिन्न तकनीकों में पतली परत के व्यतिकरण के उस गुण का उपयोग करते हैं, जिससे प्रकाश को मिटाया जा सकता है या केवल मनचाहे रंग को प्रबल किया जा सकता है। प्राकृतिक जीव भी बहुत पहले से इसी सिद्धांत का उपयोग करते आए हैं।
(1) परावर्तनरोधी लेप
चश्मे या कैमरे के लेंस की सतह पर बेहद पतली परत चढ़ाई जाती है। परत की मोटाई उचित रखने पर सतह से परावर्तित प्रकाश की किरणें एक-दूसरे को मिटा देती हैं, जिससे चकाचौंध कम होती है और अधिक प्रकाश लेंस से होकर गुजरता है। लेप लगे लेंस को तिरछे देखने पर हल्की हरी या बैंगनी आभा इसलिए दिखाई देती है, क्योंकि कुछ रंगों का प्रकाश मिटे बिना बच जाता है और परावर्तित होता है।
(2) मोटाई मापने का उपकरण
रंग के मोटाई के अनुसार बदलने की बात का उलटे ढंग से उपयोग करके, परावर्तित प्रकाश का विश्लेषण कर ऐसी परत की मोटाई मापी जा सकती है जो आँखों से दिखाई देने के लिए बहुत पतली हो। अर्धचालक बनाने की प्रक्रिया में भी इसी तरह परत की मोटाई जाँची जाती है।
(3) वर्णक के बिना रंग
मॉर्फो तितली के पंख और कुछ कीटों के बाहरी कवच वर्णकों के बजाय कई पतली तहों से बनी संरचना के द्वारा चमकीले रंग उत्पन्न करते हैं। ऐसे रंगों को संरचनात्मक रंग कहते हैं और इनके आधार में पतली परत के व्यतिकरण जैसे सिद्धांत होते हैं।
पतली परत में व्यतिकरण वह घटना है, जिसमें आँखों से न दिखने वाली परत की मोटाई और प्रकाश की तरंगदैर्घ्य मिलकर रंग उत्पन्न करती हैं। यह दिलचस्प है कि साबुन के बुलबुले के इंद्रधनुषी रंग और चश्मे के लेंस का लेप एक ही सिद्धांत पर आधारित हैं।
यह जानना कि किसी परिचित रंग में भी प्रकाश द्वारा तय किया गया रास्ता छिपा है, प्रकाश की दुनिया की खोज करने वाले विज्ञान की ओर पहला कदम है।
