साफ़ दिन में सिर उठाकर देखें तो आसमान हमेशा नीला दिखाई देता है। लेकिन सूर्य का प्रकाश कई रंगों से मिलकर बना सफ़ेद प्रकाश है और हवा पारदर्शी है, तो केवल आसमान ही नीला क्यों दिखता है? यह सवाल भी उठता है कि वही आसमान सूर्यास्त के समय लाल क्यों हो जाता है। इन दोनों दृश्यों को एक साथ समझाने वाली भौतिक घटना ही ‘रेले प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering)’ है।
सरल शब्दों में, रेले प्रकीर्णन का अर्थ है ‘प्रकाश का अपनी तरंगदैर्घ्य से बहुत छोटे कणों, विशेषकर हवा में मौजूद नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के अणुओं से टकराकर सभी दिशाओं में बिखरना’। इसमें मुख्य बात यह है कि प्रकाश की तरंगदैर्घ्य जितनी छोटी होती है, वह उतना ही अधिक बिखरता है। 1871 में ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी लॉर्ड रेले (Lord Rayleigh, वास्तविक नाम जॉन विलियम स्ट्रट) ने इस संबंध को गणितीय रूप दिया, जिसके आधार पर इस घटना का नाम पड़ा।
इस सामग्री में हम क्रम से रेले प्रकीर्णन के अर्थ और उसकी खोज की प्रक्रिया, तरंगदैर्घ्य के अनुसार प्रकीर्णन बदलने के सिद्धांत, सूर्यास्त की लालिमा और बादलों से जुड़े सरल उदाहरणों तथा दैनिक जीवन और तकनीक में इसके उपयोगों को समझेंगे।
प्रकाश के वायु के अणुओं से टकराकर बिखरने का सिद्धांत
रेले प्रकीर्णन क्या है?
प्रकाश जब किसी पदार्थ से होकर गुज़रता है, तो उसका कुछ हिस्सा मूल दिशा से हटकर अलग-अलग दिशाओं में फैल जाता है। इसे प्रकीर्णन कहते हैं। प्रकीर्णन का स्वरूप प्रकाश की तरंगदैर्घ्य और कणों के आकार के संबंध के अनुसार काफ़ी बदलता है। जब कणों का आकार तरंगदैर्घ्य के लगभग 10वें हिस्से के 1 भाग से भी छोटा होता है, तब होने वाले प्रकीर्णन को रेले प्रकीर्णन कहते हैं।
- प्रकीर्णन (Scattering): वह घटना जिसमें प्रकाश कणों से टकराकर अपनी यात्रा की दिशा बदलता है और सभी दिशाओं में बिखर जाता है। अवशोषण के विपरीत, इसमें प्रकाश की ऊर्जा लुप्त नहीं होती, केवल उसकी दिशा बदलती है।
- प्रकीर्णन कण (Scattering Particle): रेले प्रकीर्णन में मुख्य रूप से हवा बनाने वाले नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के अणु यह भूमिका निभाते हैं। अणुओं का आकार दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्घ्य (लगभग 380–750 nm) से बहुत छोटा होता है।
इस खोज का शुरुआती सुराग प्रयोगशाला में मिला। 1869 में जॉन टिंडल (John Tyndall) ने देखा कि बहुत छोटे कणों वाली हवा पर तेज़ प्रकाश डालने से प्रकीर्णित प्रकाश नीला दिखाई देता है। 2 वर्ष बाद रेले ने इस घटना को गणितीय सूत्रों से समझाया और 1899 में इस व्याख्या का आधार तैयार किया कि धूल के बजाय स्वयं हवा के अणु आसमान को नीला बनाते हैं।
तरंगदैर्घ्य की चौथी घात रंगों में अंतर क्यों पैदा करती है
रेले प्रकीर्णन का सबसे महत्वपूर्ण गुण यह है कि प्रकीर्णित प्रकाश की तीव्रता तरंगदैर्घ्य की चौथी घात के व्युत्क्रमानुपाती होती है। तरंगदैर्घ्य आधी होने पर प्रकीर्णन 2 की चौथी घात, यानी 16 गुना हो जाता है। इसलिए एक ही सूर्य के प्रकाश में भी अलग-अलग रंग बहुत अलग मात्रा में बिखरते हैं।
(1) तरंगदैर्घ्य जितनी छोटी होती है, प्रकाश उतना अधिक बिखरता है
नीले प्रकाश (लगभग 450 nm) की तरंगदैर्घ्य लाल प्रकाश (लगभग 700 nm) से छोटी होती है, इसलिए उसका प्रकीर्णन लगभग 6 गुना अधिक होता है। बैंगनी प्रकाश (लगभग 400 nm) लाल प्रकाश की तुलना में लगभग 9 गुना अधिक बिखरता है।
(2) बिखरा हुआ नीला प्रकाश पूरे आसमान में भर जाता है
सूर्य का प्रकाश वायुमंडल से गुज़रते समय, उसमें मौजूद नीला प्रकाश हवा के अणुओं से लगातार टकराकर सभी दिशाओं में फैलता है। हम सूर्य के अलावा आसमान की जिस भी दिशा में देखें, उस दिशा से बिखरकर आया नीला प्रकाश हमारी आँखों तक पहुँचता है, इसलिए पूरा आसमान नीला दिखाई देता है।
(3) आसमान बैंगनी न दिखने की भी वजह है
बैंगनी प्रकाश अधिक बिखरने के बावजूद आसमान बैंगनी क्यों नहीं दिखता, इसकी भी वजह है। सूर्य के प्रकाश में शुरू से ही नीले प्रकाश की तुलना में बैंगनी प्रकाश कम होता है, और मानव आँख भी बैंगनी की अपेक्षा नीले प्रकाश के प्रति अधिक संवेदनशील होती है।
- तरंगदैर्घ्य पर निर्भरता (Wavelength Dependence): वह गुण जिसके अनुसार प्रकीर्णन की तीव्रता तरंगदैर्घ्य की चौथी घात के व्युत्क्रमानुपाती होती है। यह रेले प्रकीर्णन को अन्य प्रकार के प्रकीर्णन से अलग करने वाली सबसे स्पष्ट विशेषता है।
- मी प्रकीर्णन (Mie Scattering): वह प्रकीर्णन जो कणों का आकार प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के बराबर या उससे बड़ा होने पर होता है। इसमें रंगों के अनुसार लगभग कोई अंतर नहीं होता, इसलिए बिखरा प्रकाश सफ़ेद के करीब दिखाई देता है।
सरल उदाहरणों से समझें आसमान के रंग
रेले प्रकीर्णन को समझ लेने पर दिन भर बदलते आसमान के रंगों को एक ही सिद्धांत से समझा जा सकता है। मुख्य बात हवा की उस परत की मोटाई है, जिससे होकर सूर्य के प्रकाश को हमारी आँखों तक पहुँचना पड़ता है।
[उदाहरण 1] लाल रंग में रंगती सूर्यास्त की आभा
सूर्य जब क्षितिज के पास नीचे आ जाता है, तो उसके प्रकाश को दोपहर की तुलना में हवा की कहीं अधिक मोटी परत से तिरछा होकर गुज़रना पड़ता है। इस लंबे रास्ते में लगभग सारा नीला प्रकाश किनारों की ओर बिखर जाता है, और कम बिखरने वाला नारंगी तथा लाल प्रकाश ही बचकर हमारी आँखों तक पहुँचता है। इस तरह सूर्यास्त की लालिमा नीले प्रकाश के हट जाने का परिणाम है।
[उदाहरण 2] सफ़ेद दिखाई देने वाले बादल
बादल बनाने वाली पानी की बूँदें हवा के अणुओं से बहुत बड़ी होती हैं, और उनका आकार प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के बराबर या उससे अधिक होता है। ऐसे में रेले प्रकीर्णन के बजाय मी प्रकीर्णन होता है और सभी रंग लगभग समान रूप से बिखरते हैं, इसलिए बादल सफ़ेद दिखते हैं। जब पानी की बूँदें मोटी परतों में जमा हो जाती हैं और प्रकाश आसानी से पार नहीं जा पाता, तो वे धूसर काले बादल बन जाते हैं।
(1) वायुमंडल न हो तो आसमान भी नीला नहीं होता
चंद्रमा पर हवा लगभग नहीं है, इसलिए वहाँ प्रकाश को बिखेरने वाले अणु नहीं होते और दोपहर में भी आसमान काला दिखाई देता है। अंततः आसमान का नीला रंग हमारे चारों ओर मौजूद वायुमंडल का बनाया हुआ रंग है।
दैनिक जीवन और तकनीक में रेले प्रकीर्णन की छाप
रेले प्रकीर्णन केवल आसमान के रंग की व्याख्या तक सीमित नहीं है। प्रकीर्णित प्रकाश के विशिष्ट गुणों का उपयोग फ़ोटोग्राफ़ी, प्रकृति के अवलोकन और वैज्ञानिक अनुसंधान में भी किया जाता है।
(1) ध्रुवण फ़िल्टर से तस्वीर में आसमान का रंग अधिक गहरा आता है
रेले प्रकीर्णन से बिखरा आसमान का प्रकाश ध्रुवित अवस्था में आ जाता है, जिसमें वह एक विशेष दिशा में कंपन करता है। विशेष रूप से सूर्य की दिशा से समकोण बनाने वाली आसमान की दिशा में ध्रुवण सबसे अधिक होता है। फ़ोटोग्राफ़र ध्रुवण फ़िल्टर घुमाकर नीले आसमान का रंग अधिक गहरा दिखाने के लिए इसी गुण का उपयोग करते हैं।
(2) मधुमक्खियाँ आसमान के प्रकाश से रास्ता ढूँढ़ती हैं
माना जाता है कि मधुमक्खियाँ आसमान के प्रकाश में मौजूद ध्रुवण के उन पैटर्न को पहचानकर दिशा का अनुमान लगाती हैं जो मानव आँखों को दिखाई नहीं देते, भले ही सूर्य बादलों के पीछे छिपा हो। इस तरह पूरा आसमान एक प्राकृतिक दिशासूचक का काम करता है।
(3) प्रकाश का प्रकीर्णन अनुसंधान का साधन बनता है
प्रकीर्णित प्रकाश की तीव्रता मापकर गैस या द्रव में मौजूद छोटे कणों और अणुओं के गुणों का पता लगाया जा सकता है। वायुमंडलीय अवलोकन और रासायनिक विश्लेषण में भी प्रकाश के प्रकीर्णन को सटीकता से मापने की विधियों का व्यापक उपयोग होता है।
रेले प्रकीर्णन हमें बताता है कि हवा के अणुओं जैसे आँखों से न दिखने वाले छोटे कण सूर्य के प्रकाश को बिखेरकर आसमान में रंग भरते हैं।
अगली बार जब आप नीला आसमान या सूर्यास्त की लालिमा देखें, तो यह याद करना कि उसका रंग प्रकाश और हवा के मिलने का परिणाम है, दैनिक जीवन में भौतिकी सीखने का पहला कदम है।
