फोटॉन और ऊर्जा: E = hf
प्रकाश और सभी विद्युतचुंबकीय तरंगें ऊर्जा के छोटे पैकेटों में चलती हैं जिन्हें फोटॉन कहते हैं। एक फोटॉन की ऊर्जा E = hf है, जहाँ h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s (प्लांक नियतांक) और f आवृत्ति है। c = fλ से E = hc/λ भी लिख सकते हैं।
यानी छोटी तरंगदैर्ध्य = ऊँची आवृत्ति = ज़्यादा फोटॉन ऊर्जा। गामा फोटॉन में रेडियो फोटॉन से करोड़ों गुना ज़्यादा ऊर्जा होती है।
छोटी ऊर्जाएँ इलेक्ट्रॉन-वोल्ट में लिखते हैं: 1 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J। दृश्य फोटॉन लगभग 2–3 eV के होते हैं।
स्पेक्ट्रम का हर भाग पदार्थ पर क्या करता है
विकिरण पदार्थ से मिलने पर परावर्तित, पारगमित (आर-पार) या अवशोषित हो सकता है। क्या होगा, यह फोटॉन ऊर्जा और पदार्थ पर निर्भर है।
- रेडियो: दीवारों और शरीर के आर-पार; धातु के एंटीना में छोटी धारा बनाती है।
- माइक्रोवेव: पानी सोखता है; अणु घूमते हैं → ऊष्मा। ओवन और मोबाइल (बहुत कम शक्ति पर) में उपयोग।
- अवरक्त: अणुओं में कंपन → गर्माहट। सूरज या चूल्हे की गर्मी हम इसी से महसूस करते हैं।
- दृश्य: इलेक्ट्रॉन ऊँचे स्तर पर। सोखे गए रंग गायब, परावर्तित रंग दिखते हैं। प्रकाश-संश्लेषण और दृष्टि इसी से।
- पराबैंगनी: कुछ रासायनिक बंध तोड़ने लायक ऊर्जा → धूप की जलन, त्वचा का बूढ़ा होना, DNA क्षति; विटामिन D भी बनाती है और कीटाणु मारती है।
- एक्स-किरण: नरम ऊतक से निकल जाती है, हड्डी ज़्यादा सोखती है → एक्स-रे चित्र। आयनकारी।
- गामा: सबसे ज़्यादा ऊर्जा, बहुत भेदक, बहुत आयनकारी। कैंसर कोशिकाएँ मारने और उपकरण कीटाणुरहित करने में उपयोग।
आयनकारी और अनायनकारी विकिरण
किसी सामान्य परमाणु से इलेक्ट्रॉन निकालने के लिए लगभग 10 eV या ज़्यादा ऊर्जा चाहिए। इतनी ऊर्जा वाले फोटॉन आयनकारी हैं: ऊँची UV, एक्स-किरण और गामा। आयन बहुत क्रियाशील होते हैं और DNA तोड़ सकते हैं, जिससे उत्परिवर्तन या कैंसर हो सकता है।
रेडियो, माइक्रोवेव, अवरक्त और दृश्य प्रकाश अनायनकारी हैं। शरीर पर इनका मुख्य असर गर्म करना है। ज़्यादा तेज़ (तीव्र) किरण में फोटॉन ज़्यादा होते हैं, फोटॉन ज़्यादा ताक़तवर नहीं। इसलिए बहुत तेज़ रेडियो तरंग भी आयन नहीं बना सकती; केवल गर्म कर सकती है।
जोखिम और सुरक्षा
विकिरण से नुकसान इन पर निर्भर है: फोटॉन ऊर्जा (प्रकार), तीव्रता (प्रति सेकंड प्रति क्षेत्र कितने फोटॉन) और संपर्क का समय। दूरी भी मदद करती है: दूर जाने पर तीव्रता तेज़ी से घटती है।
सुरक्षा के उदाहरण: एक्स-रे के लिए सीसे का एप्रन और कम समय; UV के लिए सनस्क्रीन, टोपी और छाँव; मोबाइल और वाई-फ़ाई ट्रांसमीटर की शक्ति पर सुरक्षा सीमा। विकिरण के बारे में कोई दावा पढ़ें तो पूछिए: कौन-सा प्रकार, कितनी तीव्रता, कितना समय, और अच्छे प्रमाण क्या कहते हैं?
करके देखें
एक काला और एक सफ़ेद कपड़ा 10 मिनट धूप में रखकर छूइए। काले कपड़े ने ज़्यादा दृश्य और अवरक्त विकिरण सोखा, इसलिए वह गर्म है। 3D में बैंड खिसकाइए और रेडियो, दृश्य और गामा के लिए E लिखिए। गामा, दृश्य से कितने गुना है?
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- E = hf
- E = hc / λ
- c = fλ, c = 3 × 10⁸ m/s
- h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s
- 1 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J
- Intensity = power / area
हल किए गए उदाहरण
1. 5 × 10¹⁴ Hz आवृत्ति वाले फोटॉन की ऊर्जा ज्ञात कीजिए।
E = hf = 6.63 × 10⁻³⁴ × 5 × 10¹⁴ = 3.3 × 10⁻¹⁹ J।
2. 3.3 × 10⁻¹⁹ J को eV में बदलिए।
E = 3.3 × 10⁻¹⁹ ÷ 1.6 × 10⁻¹⁹ ≈ 2.1 eV (दृश्य प्रकाश)।
3. 12 cm तरंगदैर्ध्य वाली माइक्रोवेव की आवृत्ति ज्ञात कीजिए।
f = c/λ = 3 × 10⁸ ÷ 0.12 = 2.5 × 10⁹ Hz (2.5 GHz)।
4. 200 nm तरंगदैर्ध्य के UV फोटॉन की ऊर्जा eV में निकालिए। क्या यह आयनकारी है?
E = hc/λ = 6.63 × 10⁻³⁴ × 3 × 10⁸ ÷ 2 × 10⁻⁷ = 9.9 × 10⁻¹⁹ J ≈ 6.2 eV। यह लगभग 10 eV से कम है, इसलिए ज़्यादातर परमाणुओं को आयनित नहीं करता, पर रासायनिक बंध तोड़ सकता है।
5. λ = 0.1 nm वाले एक्स-रे फोटॉन में 500 nm वाले दृश्य फोटॉन से कितने गुना ऊर्जा है?
E ∝ 1/λ, इसलिए अनुपात = 500 ÷ 0.1 = 5000 गुना।
6. 1000 W का माइक्रोवेव ओवन 2.45 GHz के फोटॉन देता है। प्रति सेकंड कितने फोटॉन?
एक फोटॉन की ऊर्जा = hf = 6.63 × 10⁻³⁴ × 2.45 × 10⁹ = 1.62 × 10⁻²⁴ J। संख्या = 1000 ÷ 1.62 × 10⁻²⁴ ≈ 6.2 × 10²⁶ फोटॉन प्रति सेकंड। संख्या बहुत बड़ी है, पर हर फोटॉन आयनित करने के लिए बहुत कमज़ोर है।
आम गलतियाँ
- यह मानना कि तेज़ (तीव्र) किरण के फोटॉन ज़्यादा ऊर्जा वाले होते हैं। तीव्रता से फोटॉनों की संख्या बदलती है, हर फोटॉन की ऊर्जा नहीं।
- हर "विकिरण" को खतरनाक कहना। रेडियो, माइक्रोवेव, अवरक्त और दृश्य अनायनकारी हैं।
- E = hc/λ में nm को m में न बदलना (1 nm = 10⁻⁹ m)।
- यह सोचना कि माइक्रोवेव में गर्म खाना रेडियोधर्मी हो जाता है। माइक्रोवेव केवल गर्म करती है।