പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം (Total Internal Reflection)
പ്രകാശത്തിന്റെ അത്ഭുതകരമായ ഒളിച്ചോട്ടവും അതിൻ്റെ ശാസ്ത്രീയ രഹസ്യങ്ങളും.
ചൂടുള്ള ദിവസങ്ങളിൽ റോഡിൽ വെള്ളം കെട്ടിക്കിടക്കുന്നതുപോലെ തോന്നാറുണ്ടോ? അല്ലെങ്കിൽ ഒരു വജ്രം എന്തുകൊണ്ടാണ് അത്രയധികം തിളങ്ങുന്നത് എന്ന് ചിന്തിച്ചിട്ടുണ്ടോ? അതിവേഗ ഇന്റർനെറ്റ് നമ്മുടെ വീടുകളിൽ എത്തുന്നത് എങ്ങനെയാണെന്ന് എപ്പോഴെങ്കിലും ആലോചിച്ചിട്ടുണ്ടോ? ഈ ചോദ്യങ്ങൾക്കെല്ലാമുള്ള ഉത്തരം ഒരൊറ്റ പ്രതിഭാസത്തിലാണ് ഒളിഞ്ഞിരിക്കുന്നത് - പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം (Total Internal Reflection). പ്രകാശത്തിന്റെ ഈ അത്ഭുതകരമായ സ്വഭാവത്തെക്കുറിച്ചാണ് നമ്മൾ ഈ ലേഖനത്തിൽ ലളിതമായി മനസ്സിലാക്കാൻ പോകുന്നത്.
ആദ്യം അപവർത്തനം (Refraction) മനസ്സിലാക്കാം
പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം മനസ്സിലാക്കുന്നതിന് മുൻപ്, പ്രകാശത്തിന്റെ മറ്റൊരു സ്വഭാവമായ അപവർത്തനം (Refraction) എന്താണെന്ന് അറിയണം. പ്രകാശം ഒരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് സാന്ദ്രതയിൽ വ്യത്യാസമുള്ള മറ്റൊരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ അതിൻ്റെ പാതയ്ക്ക് ഒരു ചെറിയ വളവ് സംഭവിക്കുന്നു. ഇതിനെയാണ് അപവർത്തനം എന്ന് പറയുന്നത്.
ഒരു ലളിതമായ ഉപമ
ഇതൊന്ന് സങ്കൽപ്പിക്കുക: നിങ്ങൾ ഒരു കാർ ടാറിട്ട റോഡിലൂടെ ഓടിക്കുകയാണ്. പെട്ടെന്ന്, കാറിന്റെ ഒരു വശത്തെ ടയറുകൾ റോഡിൽ നിന്ന് ചെളി നിറഞ്ഞ പാടത്തേക്ക് ഇറങ്ങുന്നു. ചെളിയിൽ ടയറുകളുടെ വേഗത കുറയുമല്ലോ? റോഡിലുള്ള ടയറുകൾ പഴയ വേഗതയിൽ തന്നെ മുന്നോട്ട് പോകുമ്പോൾ ചെളിയിലിറങ്ങിയ ടയറുകൾ പതുക്കെ നീങ്ങുന്നു. ഇത് കാരണം കാറിന്റെ ദിശ ചെറുതായി മാറും. ഇതുപോലെയാണ് പ്രകാശത്തിനും സംഭവിക്കുന്നത്! വായു (സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമം) എന്ന റോഡിൽ നിന്ന് വെള്ളം (സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമം) എന്ന ചെളിയിലേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ പ്രകാശത്തിന്റെ വേഗത കുറയുകയും അതിൻ്റെ പാതയ്ക്ക് വ്യതിയാനം സംഭവിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.
പ്രകാശം സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിൽ (Rarer Medium) നിന്ന് സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിലേക്ക് (Denser Medium) കടക്കുമ്പോൾ അത് ലംബത്തോട് (Normal) അടുത്തേക്ക് വളയുന്നു. എന്നാൽ, സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞതിലേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ അത് ലംബത്തിൽ നിന്ന് അകന്നുപോകുന്നു. ഈ രണ്ടാമത്തെ കാര്യമാണ് പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനത്തിന് അടിസ്ഥാനം.
എന്താണ് ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിൾ (Critical Angle)?
പ്രകാശം സാന്ദ്രത കൂടിയ ഒരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് (ഉദാഹരണത്തിന്, വെള്ളത്തിൽ നിന്ന്) സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ ഒരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് (വായുവിലേക്ക്) സഞ്ചരിക്കുകയാണെന്ന് കരുതുക. ഇവിടെ, നമ്മൾ പ്രകാശരശ്മി വെള്ളത്തിൽ നിന്ന് വായുവിലേക്ക് അയക്കുന്ന പതന കോൺ (Angle of Incidence) ക്രമേണ വർദ്ധിപ്പിച്ചാൽ, അപവർത്തന കോണും (Angle of Refraction) വർദ്ധിക്കും. പതന കോൺ ഒരു പ്രത്യേക അളവിൽ എത്തുമ്പോൾ, അപവർത്തന കോൺ കൃത്യം 90° ആകും. അതായത്, പ്രകാശരശ്മി രണ്ട് മാധ്യമങ്ങളെയും വേർതിരിക്കുന്ന പ്രതലത്തിലൂടെ കടന്നുപോകും. ഈ പ്രത്യേക പതന കോണിനെയാണ് ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിൾ (Critical Angle) എന്ന് വിളിക്കുന്നത്.
പ്രധാന ആശയം
ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിൾ (θc): സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിലെ ഏത് പതന കോണിനാണോ അപവർത്തന കോൺ 90° ആകുന്നത്, ആ കോണിനെയാണ് ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിൾ എന്ന് പറയുന്നത്.
സ്നെൽ നിയമം (Snell's Law) അനുസരിച്ച് ഇതിന്റെ സമവാക്യം:
$$ \sin(\theta_c) = \frac{n_2}{n_1} $$
ഇവിടെ, \(n_1\) എന്നത് സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൻ്റെ അപവർത്തനാങ്കവും (Refractive Index), \(n_2\) എന്നത് സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിൻ്റെ അപവർത്തനാങ്കവുമാണ്.
അങ്ങനെ പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം സംഭവിക്കുന്നു!
ഇനി എന്ത് സംഭവിക്കുമെന്ന് നോക്കാം. പതന കോൺ ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിളിനേക്കാൾ കൂടുതലായാലോ? അപ്പോൾ പ്രകാശത്തിന് മറ്റേ മാധ്യമത്തിലേക്ക് കടക്കാൻ കഴിയില്ല. അതിനുപകരം, പ്രകാശരശ്മി പൂർണ്ണമായും അതേ മാധ്യമത്തിലേക്ക് തന്നെ ഒരു കണ്ണാടിയിൽ തട്ടി പ്രതിഫലിക്കുന്നതുപോലെ തിരികെ വരുന്നു. ഈ അത്ഭുത പ്രതിഭാസമാണ് പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം (Total Internal Reflection - TIR).
TIR സംഭവിക്കാനുള്ള രണ്ട് നിബന്ധനകൾ
- പ്രകാശം സാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിലേക്ക് സഞ്ചരിക്കണം. (ഉദാഹരണം: വെള്ളത്തിൽ നിന്ന് വായുവിലേക്ക്, ഗ്ലാസിൽ നിന്ന് വായുവിലേക്ക്).
- പതന കോൺ (Angle of Incidence) ആ മാധ്യമങ്ങളുടെ ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിളിനേക്കാൾ കൂടുതലായിരിക്കണം.
ഈ രണ്ട് നിബന്ധനകളും പാലിച്ചാൽ മാത്രമേ പ്രകാശം പൂർണ്ണമായും പ്രതിഫലിക്കുകയുള്ളൂ. ഒരു സാധാരണ കണ്ണാടിക്ക് പോലും 100% പ്രകാശത്തെ പ്രതിഫലിപ്പിക്കാൻ കഴിയില്ല, കുറച്ച് പ്രകാശം അത് ആഗിരണം ചെയ്യും. എന്നാൽ TIR-ൽ പ്രകാശ നഷ്ടം ഒട്ടും തന്നെയില്ല. അതുകൊണ്ടാണ് ഇതിനെ 'പൂർണ്ണം' എന്ന് പറയുന്നത്.
ദൈനംദിന ജീവിതത്തിലെ ഉപയോഗങ്ങൾ
TIR ഒരു പുസ്തകത്തിൽ ഒതുങ്ങുന്ന സിദ്ധാന്തം മാത്രമല്ല, നമ്മുടെ ആധുനിക ലോകത്തെ മുന്നോട്ട് നയിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന തത്വം കൂടിയാണ്.
ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബറുകൾ (Optical Fibers)
ഇന്നത്തെ അതിവേഗ ഇന്റർനെറ്റിന്റെയും (ബ്രോഡ്ബാൻഡ്) കേബിൾ ടിവിയുടെയും നട്ടെല്ലാണ് ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബറുകൾ. തലമുടിയേക്കാൾ കനം കുറഞ്ഞ ഈ ഗ്ലാസ് അല്ലെങ്കിൽ പ്ലാസ്റ്റിക് നാരുകളിലൂടെ പ്രകാശ സിഗ്നലുകളെയാണ് ഡാറ്റയായി അയക്കുന്നത്. ഫൈബറിനുള്ളിൽ പ്രവേശിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മി തുടർച്ചയായി പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനത്തിന് വിധേയമായി, ഒട്ടും നഷ്ടപ്പെടാതെ വളരെയധികം ദൂരം സഞ്ചരിക്കുന്നു. മെഡിക്കൽ രംഗത്ത് എൻഡോസ്കോപ്പി പോലുള്ള ഉപകരണങ്ങളിലും ഇതേ തത്വം ഉപയോഗിക്കുന്നു.
വജ്രത്തിന്റെ തിളക്കം (Brilliance of Diamonds)
വജ്രത്തിന് വളരെ ഉയർന്ന അപവർത്തനാങ്കം (Refractive Index) ആണ് ഉള്ളത്. അതിനാൽ അതിന്റെ ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിൾ വളരെ ചെറുതാണ് (ഏകദേശം 24.4°). വജ്രത്തിനുള്ളിൽ പ്രവേശിക്കുന്ന പ്രകാശം പുറത്തുകടക്കാൻ ശ്രമിക്കുമ്പോൾ പലതവണ പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനത്തിന് വിധേയമാകുന്നു. ഇങ്ങനെ ഉള്ളിൽ കുടുങ്ങിപ്പോകുന്ന പ്രകാശം പല കോണുകളിലൂടെ പുറത്തുവരുമ്പോഴാണ് വജ്രത്തിന് അതിന്റെ അസാധാരണമായ തിളക്കം ലഭിക്കുന്നത്.
മരീചിക (Mirage)
ചൂടുകാലത്ത് റോഡുകളിലും മരുഭൂമികളിലും കാണുന്ന ഒരു പ്രതിഭാസമാണിത്. റോഡിനോട് ചേർന്നുള്ള വായു ചൂട് കാരണം വികസിച്ച് സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞതായി മാറുന്നു. മുകളിലുള്ള വായു തണുത്തതും സാന്ദ്രത കൂടിയതുമായിരിക്കും. ആകാശത്ത് നിന്നോ ദൂരെയുള്ള വസ്തുക്കളിൽ നിന്നോ വരുന്ന പ്രകാശം സാന്ദ്രത കൂടിയ ഈ വായുവിൽ നിന്ന് താഴെയുള്ള സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ വായുവിലേക്ക് കടക്കുമ്പോൾ, അതിന്റെ പാത വളയുന്നു. ഒരു ഘട്ടത്തിൽ പതന കോൺ ക്രിട്ടിക്കൽ ആംഗിളിനേക്കാൾ കൂടുമ്പോൾ TIR സംഭവിക്കുകയും പ്രകാശം മുകളിലേക്ക് പ്രതിഫലിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. നമ്മുടെ കണ്ണ് ഈ പ്രകാശരശ്മികളെ കാണുമ്പോൾ, നിലത്ത് വെള്ളം കെട്ടിക്കിടന്ന് അതിൽ നിന്നുള്ള പ്രതിഫലനമാണ് കാണുന്നത് എന്ന് തലച്ചോറ് തെറ്റിദ്ധരിക്കുന്നു.
ഉപസംഹാരം
പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം എന്നത് പ്രകാശത്തിന്റെ മനോഹരമായ ഒരു പ്രതിഭാസമാണ്. പ്രകാശം ഒരു മാധ്യമത്തിനുള്ളിൽ കുടുങ്ങിപ്പോകുന്ന ഈ ലളിതമായ തത്വം, ഇന്ന് ആശയവിനിമയം മുതൽ വൈദ്യശാസ്ത്രം വരെ എണ്ണമറ്റ സാങ്കേതികവിദ്യകൾക്ക് അടിസ്ഥാനമിടുന്നു. ശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന നിയമങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കുന്നത് നമ്മുടെ ചുറ്റുമുള്ള ലോകത്തെ എത്രമാത്രം ആഴത്തിൽ അറിയാൻ സഹായിക്കും എന്നതിന്റെ മികച്ച ഉദാഹരണമാണിത്.
Take a Quiz Based on This Article
Test your understanding with AI-generated questions tailored to this content