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व्यतिकरण (यंग का द्वि-झिरी प्रयोग) और एकल झिरी विवर्तन

दो कला-संबद्ध स्रोत (समान आवृत्ति, स्थिर कलांतर) दीप्त और अदीप्त फ्रिंजों का स्थिर पैटर्न बनाते हैं। पर्दे के किसी बिंदु पर पथांतर Δ = yd/D: Δ = nλ पर दीप्त, Δ = (n + ½)λ पर अदीप्त। सभी फ्रिंज समान चौड़ाई β = λD/d के होते हैं। a चौड़ाई की एकल झिरी विवर्तन देती है: 2λD/a चौड़ा चमकीला केंद्रीय उच्चिष्ठ, पहला निम्निष्ठ a sin θ = λ पर, और हल्के पार्श्व उच्चिष्ठ।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक ही स्रोत का प्रकाश दो पतली झिरियों S₁ और S₂ पर पड़ता है। दोनों एक ही तरंग से बनी हैं, इसलिए उनका कलांतर कभी नहीं बदलता। ये कला-संबद्ध स्रोत हैं।
  2. S₁ और S₂ की तरंगें मिलती हैं। जहाँ शिखर से शिखर मिलता है, प्रकाश जुड़ता है: दीप्त पट्टी। जहाँ शिखर से गर्त मिलता है, वे कट जाते हैं: अदीप्त पट्टी। पर्दे पर धारियाँ बनती हैं।
  3. अब पर्दे पर बिंदु P ऊपर खिसकता है। S₂ से इसकी दूरी S₁ की तुलना में अधिक बढ़ती है। जब अतिरिक्त पथ λ का पूरा गुणज हो, P दीप्त। आधा हो तो P अदीप्त।
  4. हम झिरियों को धीरे-धीरे दूर करते हैं (d बढ़ता है)। धारियाँ पास-पास सिमटती हैं। फ्रिंज चौड़ाई β = λD/d घटती है।
  5. अब केवल एक चौड़ी झिरी। उसके पीछे प्रकाश फैलता है। पर्दे पर बीच में एक चौड़ी, चमकीली पट्टी और किनारों पर हल्की पट्टियाँ। यह विवर्तन है।
  6. अब आप खेलें। λ, d, D और a बदलें। असंबद्ध स्रोत आज़माएँ: धारियाँ गायब हो जाती हैं।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

दो बल्ब व्यतिकरण फ्रिंज क्यों नहीं बना सकते?

हर बल्ब की कला हर सेकंड लाखों बार बेतरतीब बदलती है। फ्रिंज पैटर्न इतनी तेज़ी से उछलता है कि आँख को एक जैसा प्रकाश दिखता है। कला-संबद्ध स्रोत स्थिर कलांतर रखते हैं।

केंद्र हमेशा दीप्त क्यों?

केंद्र S₁ और S₂ से बराबर दूर है। दोनों तरंगें एक साथ (पथांतर शून्य) पहुँचती हैं, शिखर से शिखर मिलता है।

पथांतर से दीप्त या अदीप्त कैसे तय होता है?

एक तरंग पूरी संख्या में तरंगदैर्ध्य अधिक चले तो शिखर फिर भी मिलते हैं (दीप्त)। आधी तरंगदैर्ध्य अधिक चले तो शिखर से गर्त मिलता है (अदीप्त)।

झिरियाँ दूर करने पर फ्रिंज पास क्यों आते हैं?

बड़े d पर पर्दे पर ऊपर जाते समय पथांतर तेज़ी से बदलता है, इसलिए अगला दीप्त बिंदु जल्दी आता है: β = λD/d।

एकल झिरी की केंद्रीय पट्टी इतनी चौड़ी क्यों?

यह एक ओर की पहली अदीप्त पट्टी (θ = −λ/a) से दूसरी ओर की पहली अदीप्त पट्टी (θ = +λ/a) तक फैली है, इसलिए पार्श्व पट्टियों से दोगुनी चौड़ी है।

अदीप्त फ्रिंज पर प्रकाश कहाँ जाता है?

दीप्त फ्रिंजों पर। दीप्त फ्रिंज को एक तरंग का 4 गुना प्रकाश मिलता है, अदीप्त को शून्य, औसत वही रहता है।

अध्यारोपण और कला-संबद्ध स्रोत

दो तरंगें मिलें तो किसी बिंदु पर कुल विक्षोभ दोनों का योग होता है: यह अध्यारोपण का सिद्धांत है। a आयाम की दो प्रकाश तरंगें कलांतर φ से मिलें तो परिणामी तीव्रता I = 4I₀ cos²(φ/2)।

स्थिर पैटर्न के लिए स्रोत कला-संबद्ध हों: समान आवृत्ति और स्थिर कलांतर। दो अलग बल्ब कला-संबद्ध नहीं होते — उनकी कला हर सेकंड लाखों बार बेतरतीब बदलती है, फ्रिंज इतनी तेज़ी से खिसकते हैं कि दिखते नहीं और पर्दा एक जैसा रोशन लगता है (I = I₁ + I₂)। इसीलिए यंग ने एक स्रोत का प्रकाश दो झिरियों में बाँटा। लेज़र बहुत कला-संबद्ध प्रकाश देता है।

यंग का द्वि-झिरी प्रयोग

थॉमस यंग (1801) ने एक पतली झिरी का प्रकाश दो पास-पास की समांतर झिरियों S₁ और S₂ (दूरी d) पर डाला। पर्दा D दूरी पर था (D ≫ d)। उन्हें समान दूरी पर दीप्त और अदीप्त पट्टियाँ दिखीं, जिन्हें फ्रिंज कहते हैं।

पथांतर

केंद्र O से y ऊँचाई पर बिंदु P के लिए S₂ से अतिरिक्त दूरी Δ = S₂P − S₁P ≈ yd/D।

दीप्त फ्रिंज

Δ = nλ → yₙ = nλD/d (n = 0, 1, 2…)। केंद्र O (n = 0) हमेशा दीप्त।

अदीप्त फ्रिंज

Δ = (n + ½)λ → yₙ = (n + ½)λD/d।

फ्रिंज चौड़ाई

दो पड़ोसी दीप्त (या अदीप्त) फ्रिंजों के बीच की दूरी:

β = λD/d

सभी फ्रिंज समान चौड़े होते हैं। कोणीय फ्रिंज चौड़ाई θ = λ/d।

फ्रिंज किससे बदलते हैं?

एकल झिरी विवर्तन

विवर्तन यानी किसी छोटे छेद या अवरोध के किनारे से प्रकाश का मुड़ना और फैलना। यह तब दिखता है जब छेद तरंगदैर्ध्य से बहुत बड़ा न हो।

a चौड़ाई की एक पतली झिरी पर प्रकाश डालें। झिरी को पास-पास रखे बहुत से छोटे हाइगेंस स्रोत मानें। ठीक सामने सब एक साथ पहुँचते हैं: केंद्रीय उच्चिष्ठ चमकीला।

पहली अदीप्त पट्टी

जिस कोण पर ऊपरी और निचले किनारों का पथांतर λ हो, झिरी को दो आधों में बाँटें: ऊपरी आधे का हर बिंदु निचले आधे के एक साथी को काट देता है। इसलिए पहला निम्निष्ठ a sin θ = λ पर, यानी θ ≈ λ/a। निम्निष्ठ: a sin θ = nλ।

केंद्रीय उच्चिष्ठ की चौड़ाई

−λ/a से +λ/a तक, इसलिए कोणीय चौड़ाई 2λ/a और पर्दे पर

केंद्रीय उच्चिष्ठ की चौड़ाई = 2λD/a

यह हर पार्श्व पट्टी से दोगुनी चौड़ी है, और पार्श्व उच्चिष्ठ (लगभग a sin θ ≈ (n + ½)λ पर) बहुत हल्के हैं। पतली झिरी से केंद्रीय पट्टी चौड़ी होती है।

व्यतिकरण बनाम विवर्तन

व्यतिकरणविवर्तन (एकल झिरी)
दो कला-संबद्ध स्रोतों की तरंगें मिलती हैंएक ही झिरी के अलग-अलग भागों की तरंगिकाएँ मिलती हैं
सभी फ्रिंज समान चौड़ेकेंद्रीय उच्चिष्ठ बाकी से दोगुना चौड़ा
सभी दीप्त फ्रिंज लगभग समान चमकीलेकेंद्र से दूर चमक तेज़ी से घटती है
अदीप्त फ्रिंज पूरी तरह कालेनिम्निष्ठ काले, पार्श्व उच्चिष्ठ हल्के

असली द्वि-झिरी में दोनों होते हैं: व्यतिकरण फ्रिंज हर झिरी के चौड़े विवर्तन पैटर्न के अंदर बैठते हैं।

करके देखें: उँगलियों से विवर्तन

दो उँगलियों को एक आँख के सामने बहुत पास रखें, बाल जितना बारीक फ़ासला छोड़ें, और उसमें से ट्यूबलाइट देखें। फ़ासले के साथ पतली काली रेखाएँ दिखेंगी — विवर्तन पैटर्न। फ़ासला और पतला करें: पैटर्न और फैलता है (छोटा a, बड़ा 2λD/a)। 3D में पहले अनुमान लगाएँ कि d दोगुना करने पर β का क्या होगा, फिर स्लाइडर से जाँचें।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. यंग के प्रयोग में λ = 600 nm, d = 0.5 mm, D = 1 m। फ्रिंज चौड़ाई बताएँ।

चरण 1: β = λD/d। चरण 2: = 600 × 10⁻⁹ × 1 / 0.5 × 10⁻³। चरण 3: β = 1.2 × 10⁻³ मी = 1.2 mm।

2. उसी व्यवस्था (β = 1.2 mm) में केंद्र से तीसरे दीप्त और दूसरे अदीप्त फ्रिंज की दूरी बताएँ।

चरण 1: तीसरा दीप्त: y = 3β = 3.6 mm। चरण 2: दूसरा अदीप्त (n = 1): y = 1.5 × 1.2 = 1.8 mm।

3. D = 1.2 m और d = 0.3 mm पर फ्रिंज चौड़ाई 2 mm है। तरंगदैर्ध्य बताएँ।

चरण 1: λ = βd/D। चरण 2: = 2 × 10⁻³ × 0.3 × 10⁻³ / 1.2। चरण 3: λ = 500 nm।

4. β = 1.2 mm का क्या होगा यदि (a) D दोगुना, (b) d दोगुना, (c) उपकरण पानी (n = 4/3) में?

चरण 1: β ∝ D, (a) 2.4 mm। चरण 2: β ∝ 1/d, (b) 0.6 mm। चरण 3: λ घटकर λ/n, (c) 1.2 × 3/4 = 0.9 mm।

5. पर्दे के बिंदु P पर λ = 600 nm के लिए पथांतर 1800 nm है। P दीप्त है या अदीप्त? λ = 720 nm हो तो?

चरण 1: 1800/600 = 3, पूर्ण संख्या → दीप्त (तीसरा दीप्त फ्रिंज)। चरण 2: 1800/720 = 2.5 → आधी संख्या → अदीप्त।

6. I₀ तीव्रता की दो कला-संबद्ध तरंगें π/2 कलांतर से मिलती हैं। परिणामी तीव्रता बताएँ।

चरण 1: I = 4I₀ cos²(φ/2)। चरण 2: = 4I₀ cos²(45°) = 4I₀ × ½। चरण 3: I = 2I₀।

7. λ = 500 nm का प्रकाश 0.2 mm चौड़ी एकल झिरी पर पड़ता है। पर्दा 2 m दूर है। केंद्रीय उच्चिष्ठ की चौड़ाई बताएँ।

चरण 1: चौड़ाई = 2λD/a। चरण 2: = 2 × 500 × 10⁻⁹ × 2 / 0.2 × 10⁻³। चरण 3: = 10 mm।

8. एकल झिरी प्रयोग में लाल प्रकाश (660 nm) का पहला निम्निष्ठ 30° पर है। झिरी की चौड़ाई बताएँ।

चरण 1: a sin θ = λ। चरण 2: a = 660/0.5 nm। चरण 3: a = 1320 nm = 1.32 μm।

9. 650 nm और 520 nm दोनों तरंगदैर्ध्य एक साथ द्वि-झिरी (d = 2 mm, D = 1.2 m) में हैं। केंद्र से वह न्यूनतम दूरी बताएँ जहाँ दोनों के दीप्त फ्रिंज मिलते हैं।

चरण 1: n₁ × 650 = n₂ × 520 → n₁/n₂ = 4/5। चरण 2: y = 4 × 650 × 10⁻⁹ × 1.2 / 2 × 10⁻³। चरण 3: y = 1.56 mm।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. यंग के द्वि-झिरी प्रयोग में फ्रिंज चौड़ाई:
2. कला-संबद्ध स्रोतों में होना चाहिए:
3. अदीप्त फ्रिंज वहाँ बनता है जहाँ पथांतर:
4. एकल झिरी विवर्तन में केंद्रीय उच्चिष्ठ की चौड़ाई:
5. झिरियों की दूरी d आधी करने पर फ्रिंज चौड़ाई:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

फ्रिंज चौड़ाई का सूत्र क्या है?

β = λD/d, जहाँ λ तरंगदैर्ध्य, D झिरी से पर्दे की दूरी और d झिरियों के बीच की दूरी है।

कला-संबद्ध स्रोत क्या हैं?

ऐसे स्रोत जो समान आवृत्ति और स्थिर कलांतर वाला प्रकाश दें। व्यवहार में इन्हें एक स्रोत का प्रकाश बाँटकर बनाते हैं, जैसे यंग की द्वि-झिरी में।

एकल झिरी विवर्तन में केंद्रीय उच्चिष्ठ की चौड़ाई क्या है?

पर्दे पर 2λD/a (कोणीय 2λ/a), जहाँ a झिरी की चौड़ाई है। यह बाकी उच्चिष्ठों से दोगुनी चौड़ी है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

कनाडा (ओंटारियो)Grade 12E. The Wave Nature of Light
नीदरलैंडHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Optional domains (choose two)
पोलैंडLiceum ogólnokształcące, klasa IIIWaves and optics
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रोमानियाClasa a XI-aWave optics
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यूक्रेन11 класOptics
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सीबीएसई (भारत)कक्षा 12प्रकाशिकी
इंग्लैंडYear 123.3 Waves
अमेरिकाGrade 12Waves, Sound, and Physical Optics
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Light and communication
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