📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
பாடங்கள் · அலகு 1 · 1.2

மின்காந்தக் கதிர்வீசலும் அலையியல்பும்

⏱ 12 நி 🎯 ★★★☆☆

முழுமையான பார்வை — மின்காந்தக் கதிர்வீசலும் சடத்தின் அலையியல்பும் (EM Radiation) ஏன் முக்கியம்?

அணுவினுள் இலத்திரன்கள் எவ்வாறு அமைந்துள்ளன என்பது தொடர்பான நவீன அறிவியலின் புரிதல் முழுவதும், சடமானது வெளிவிடுகின்ற அல்லது உறிஞ்சுகின்ற கதிர்வீசலைப் பகுப்பாய்வு செய்வதன் மூலமே பெறப்பட்டது. எனவே, ஒளியானது, அதாவது மின்காந்தக் கதிர்வீசலானது எவ்வாறு இயங்குகின்றது என்பதைப் புரிந்துகொள்வதே, ஐதரசன் உமிழ்வு நிறமாலை, சக்திச் சொட்டெண்கள், ஓபிற்றல்கள் போன்ற அணுக்கட்டமைப்பின் நுணுக்கங்களைப் புரிந்துகொள்வதற்கான அடிப்படைத் திறவுகோலாகும். இப்பகுதியானது, தொன்முறைப் பௌதீகவியலால் விளக்க முடியாத அணுக்கரு நிகழ்வுகளை விளக்கும் குவாண்டம் கொள்கைக்கான தர்க்கரீதியான பாலமாக அமைந்திருக்கின்றது.

மின்காந்தக் கதிர்வீசல் — ஓர் அலை

மின்காந்த அலையின் மின் மற்றும் காந்தப் புலங்கள்
EM wave — electric and magnetic fields
Wikipedia → · CC

மின்காந்தக் கதிர்வீசல் என்பது, ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தாக அதிர்கின்ற மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலம் ஆகியவற்றின் ஒருங்கிணைந்த அலைவுகளால் உருவாக்கப்படுகின்றது. இந்த இரண்டு புலங்களின் அலைவுகளும், கதிர்வீசல் பயணிக்கும் திசைக்குச் செங்குத்தாக அமைந்திருப்பதனால் இவை குறுக்கலைகளாகக் கருதப்படுகின்றன. ஒலி அலைகளைப் போலன்றி, மின்காந்தக் கதிர்வீசல் பயணிப்பதற்கு எவ்வித பௌதீக ஊடகமும் அவசியமில்லை; அவை வெற்றிடத்தினூடாகவும் தடையின்றிப் பயணிக்கக்கூடியவை. நாம் நாளாந்தம் கண்களால் காணும் கட்புல ஒளியும் ஒருவகையான மின்காந்தக் கதிர்வீசலேயாகும். அனைத்து வகையான மின்காந்தக் கதிர்வீசல்களும் வெற்றிடத்தில் சமனான கதியிலேயே பயணிக்கின்றன. இதுவே ஒளியின் கதி எனப்படுகின்றது. இதன் பருமன் 3.00 × 108 m s−1 ஆகக் கணிப்பிடப்பட்டுள்ளது.

அலைநீளம், அதிர்வெண் மற்றும் கதி

  • அலைநீளம் (λ): ஓர் அலையில் அடுத்தடுத்து அமைந்துள்ள இரண்டு அலை உச்சிகளுக்கு அல்லது அலை அகடுகளுக்கு இடையிலான நேர்கோட்டுத் தூரம் அலைநீளம் எனப்படும். இது அலைகளின் பருமனை அளவிட உதவுகின்றது. இதன் நியம அலகு மீற்றர் (m) ஆகும்; எனினும் நானோமீற்றர் (nm) அலகும் இரசாயனவியலில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றது.
  • அதிர்வெண் (மீடிறன், ν): ஒரு செக்கனில் ஒரு குறிப்பிட்ட புள்ளியைக் கடந்து செல்கின்ற பூரண அலைகளின் அல்லது அலைவட்டங்களின் எண்ணிக்கை அதிர்வெண் (மீடிறன்) என வரையறுக்கப்படுகின்றது. இதன் நியம அலகு செக்கனின் நேர்மாறு (s−1) அல்லது ஹேட்ஸ் (Hz) ஆகும்.
  • தொடர்பு: அலைநீளம், அதிர்வெண் (மீடிறன்) மற்றும் ஒளியின் கதி ஆகிய மூன்றும் c = νλ எனும் சமன்பாட்டினால் தொடர்புபடுத்தப்படுகின்றன. வெற்றிடத்தில் ஒளியின் கதி ஒரு மாறிலியாக இருப்பதனால், கதிர்வீசலின் அதிர்வெண் (மீடிறன்) அதிகரிக்கும்போது அதற்கொத்த அலைநீளம் கட்டாயமாகக் குறைவடைய வேண்டும். அதாவது, அலைநீளமும் அதிர்வெண்ணும் ஒன்றுக்கொன்று நேர்மாறு விகிதசமத் தொடர்பைக் கொண்டுள்ளன.
c = νλ    (c = 3.00 × 108 m s−1)
direction of travel electric field (E) magnetic field (B) ⟂ E wavelength λ

மின்காந்த அலை — ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தாக அலையும் மின்புலமும் (E) காந்தப்புலமும் (B), இரண்டும் பயணத் திசைக்குச் செங்குத்தாக அமைகின்றன (குறுக்கலை). NIE உரு 1.19.

மின்காந்த நிறமாலை

மின்காந்த நிறமாலை — அலைநீளம் மற்றும் சக்தி
Electromagnetic spectrum — wavelength and energy
Wikipedia → · CC

பல்வேறு வகையான மின்காந்தக் கதிர்வீசல்களை அவற்றின் அலைநீளம் அதிகரிக்கும் வரிசையில், அல்லது அதிர்வெண் (மீடிறன்) குறையும் வரிசையில் ஒழுங்கமைத்துப் பெறப்படும் முழுமையான தொகுப்பே மின்காந்த நிறமாலை எனப்படுகின்றது. அலைநீளம் மிகக் குறைந்த, ஆனால் அதியுயர் சக்தியைக் கொண்ட கதிர்வீசல் முதல், அலைநீளம் மிகக் கூடிய, குறைந்த சக்தியைக் கொண்ட கதிர்வீசல் வரை இவை பின்வரும் தர்க்கரீதியான வரிசையில் அமைகின்றன:

γ-கதிர் → X-கதிர் → புற-ஊதாக் கதிர் (UV) → கட்புல ஒளி → அகச்சிவப்புக் கதிர் (IR) → நுண்அலை → வானொலி அலை
γ-ray X-ray UV visible IR microwave radio high frequency · high energy long wavelength λ 400 nm (violet) 700 nm (red)

மின்காந்த நிறமாலை — அலைநீளம் கூடும் (மீடிறன்/சக்தி குறையும்) வரிசையில் γ → வானொலி அலை. கட்புல ஒளி 400–700 nm எனும் குறுகிய வீச்சை மட்டுமே உள்ளடக்குகிறது (NIE உரு 1.20).

இந்த விரிவான நிறமாலையில், மனிதக் கண்களால் உணரக்கூடிய கட்புல ஒளியானது ஏறக்குறைய 400 nm (ஊதா நிறம்) முதல் 700 nm (சிவப்பு நிறம்) வரையிலான மிகக் குறுகிய அலைநீள வீச்சை மாத்திரமே உள்ளடக்கியுள்ளது. சூரிய ஒளியை அரியத்தினூடாகச் செலுத்தும்போது பெறப்படும் வானவில்லானது கட்புல ஒளியின் தொடர் நிறமாலைக்குச் சிறந்த உதாரணமாகும்.

சக்திச் சொட்டாக்கம் — பிளாங்கின் கொள்கை

தொன்முறைப் பௌதீகவியலின்படி சக்தியானது தொடர்ச்சியாக உமிழப்படுகின்றது என நம்பப்பட்டது. ஆனால், 1900 ஆம் ஆண்டில் ஜேர்மானியப் பௌதீகவியலாளர் மக்ஸ் பிளாங், சூடாக்கப்பட்ட பொருட்களிலிருந்து வெளிவரும் கதிர்வீசலை விளக்குவதற்காகச் சக்திச் சொட்டாக்கம் எனும் புரட்சிகரமான கருதுகோளைப் பிரேரித்தார். இக்கொள்கையின்படி, அணுக்கள் அல்லது மூலக்கூறுகள் சக்தியை வெளிவிடும்போதோ அல்லது உறிஞ்சும்போதோ, அச்சக்தியானது தொடர்ச்சியாக அன்றி, திட்டமான பெறுமானங்களைக் கொண்ட மிகச் சிறிய பொதிகளாகவே பரிமாற்றப்படுகின்றது. இத்தகைய ஒரு தனித்த சக்திப் பொதியே சக்திச் சொட்டு என வரையறுக்கப்படுகின்றது. ஒரு சக்திச் சொட்டின் ஆற்றலானது, குறித்த கதிர்வீசலின் அதிர்வெண்ணுக்கு (மீடிறனுக்கு) நேர்விகிதசமமாக அமையும். இதுவே கீழ்க்காணும் சமன்பாட்டினால் தரப்படுகின்றது:

E = hν    (h = பிளாங்கின் மாறிலி = 6.626 × 10−34 J s)
Classical — energy continuous any value of energy allowed Quantum — energy in packets only multiples of one quantum (E = hν)

சக்திச் சொட்டாக்கம் — தொன்முறைப் பௌதீகவியலில் சக்தி தொடர்ச்சியாக மாறுகின்றது; பிளாங்கின் கொள்கையில் சக்தி E = hν அளவுள்ள தனித்த சொட்டுகளாக (குவாண்டம்) மட்டுமே பரிமாற்றப்படுகின்றது.

போட்டோன் — ஒளியின் துணிக்கை இயல்பு

ஒளிமின் விளைவு — போட்டோன்கள் இலத்திரன்களை வெளியேற்றுகின்றன
Photoelectric effect — photons ejecting electrons
Wikipedia → · CC

1905 ஆம் ஆண்டில் ஐன்ஸ்டைன், ஒளிமின் விளைவை (photoelectric effect) விளக்குவதற்காகப் பிளாங்கின் கருத்தை மேலும் விரிவாக்கினார். ஒளியானது வெறுமனே அலையாக மட்டுமன்றி, சக்திப் பொதிகளின் கற்றையாகவே முப்பரிமாண வெளியில் பயணிக்கின்றது என அவர் பிரேரித்தார். ஒளியைக் கட்டமைக்கும் இத்தகைய ஒவ்வொரு அடிப்படைச் சக்திப் பொதியும் போட்டோன் எனப் பெயரிடப்பட்டது. ஒரு தனித்த போட்டோனின் சக்தியும் E = hν என்ற பிளாங்கின் சமன்பாட்டினாலேயே கணிக்கப்படுகின்றது. இந்த விளக்கத்தின் மூலம், ஒளியானது அலை இயல்பை வெளிப்படுத்துவது மட்டுமன்றி, சடப்பொருட்களுடன் இடைத்தாக்கத்தில் ஈடுபடும்போது துணிக்கை இயல்பையும் ஒருசேரக் கொண்டுள்ளது என்பது அறிவியல் உலகால் உறுதியாக ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்டது.

சடத்தின் அலையியல்பு — டி புரோக்லி கருதுகோள்

ஒளியானது அலை மற்றும் துணிக்கை ஆகிய இரண்டு இயல்புகளையும் வெளிப்படுத்துமாயின், பௌதீகச் சடப்பொருட்களும் (matter) அவ்வாறான இரட்டை இயல்பைக் கொண்டிருக்க வேண்டும் என 1924 ஆம் ஆண்டில் பிரெஞ்சு விஞ்ஞானி டி புரோக்லி தர்க்கரீதியாகப் பிரேரித்தார். அவரது கருதுகோளின்படி, திணிவு m உம் வேகம் v உம் கொண்டிருக்கின்ற, இயங்குகின்ற எந்தவொரு துணிக்கையும் ஒரு குறிப்பிட்ட அலைநீளத்துடன் தொடர்புபடுகின்றது. துணிக்கையொன்றின் அலைநீளமானது அதன் உந்தத்திற்கு நேர்மாறு விகிதசமமாக அமையும் என்பது பின்வரும் சமன்பாட்டினால் முன்வைக்கப்பட்டது:

λ = h / mv    (இங்கு mv = உந்தம், p)

இலத்திரன் போன்ற மிகச் சிறிய திணிவுடைய உப-அணுத் துணிக்கைகளைக் கருதும் போது, அவற்றின் உந்தம் மிகக் குறைவாக இருப்பதனால், அவற்றுடன் தொடர்புடைய அலைநீளம் பரிசோதனைகள் மூலம் அளக்கத்தக்க அளவில் கணிசமாக அமைகின்றது. எனவே, இலத்திரன்கள் அலையியல்பை மிகத் தெளிவாக வெளிப்படுத்துகின்றன. ஆனால், கோல்ப் பந்து போன்ற நாளாந்தப் பயன்பாட்டிலுள்ள பாரிய பொருட்களுக்கு உந்தம் மிக அதிகமாக இருப்பதால், அவற்றின் அலைநீளம் மிகச் சிறிதாக அமைந்து அவதானிக்க முடியாத நிலையை அடைகின்றது. சடத்தின் இந்த அலை-துணிக்கைத் துவித இயல்பே, அணுவினுள் இலத்திரனானது ஒரு திட்டமான வட்டப்பாதையில் இயங்கவில்லை என்பதையும், அது முப்பரிமாண வெளியிலுள்ள ஓர் ஓபிற்றலில் (நிகழ்தகவுப் பகுதியில்) அலை வடிவில் பரம்பலடைந்துள்ளது என்பதையும் விளக்கும் நவீன குவாண்டம் இயந்திரவியல் மாதிரிக்கு உறுதியான அடிப்படையாக அமைந்தது.

தேர்வாளர் பார்வை

பகுதி II (Paper II) அமைப்புக் கட்டுரை வினாப்பத்திரத்தில் c = νλ மற்றும் E = hν ஆகிய சமன்பாடுகளைப் பயன்படுத்திக் கணிப்புகளை மேற்கொள்ளும் வினாக்கள் மிகவும் பொதுவானவையாகும். இக்கணிப்புகளின்போது அலைநீளத்தை நானோமீற்றரிலிருந்து (nm) மீற்றர் (m) அலகுக்கு மாற்றுதல் மிகவும் அவசியமானதாகும். மேலும், "கதிர்வீசலின் அதிர்வெண் (மீடிறன்) அதிகரிக்கும்போது அதன் சக்தி அதிகரிக்கும், ஆனால் அலைநீளம் குறைவடையும்" எனும் அடிப்படை முக்கூற்றுத் தொடர்பைக் கணிப்புகளின் போது தர்க்கரீதியாகச் சரிபார்ப்பதற்கு மாணவர்கள் மறக்கக் கூடாது.

🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram
Electromagnetic radiation
மின்காந்த கதிர்வீச்சு
Electromagnetic radiation
Credit: Wikimedia Commons  · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

  1. c = νλ இல் c குறிக்கிறது:

    1. அதிர்வெண்
    2. அலைநீளம்
    3. ஒளியின் வேகம்
    4. ஆற்றல்
    5. வீச்சு
    விடை
    (3) — c = ஒளியின் வேகம் (3×10⁸ m s⁻¹).

  2. ஒளியனின் ஆற்றல் E = ?

    1. hν
    2. h/ν
    3. hλ
    4. ν/h
    5. hc
    விடை
    (1) — E = hν = hc/λ (Planck).

  3. அலைநீளம் கூடும்போது அதிர்வெண்:

    1. கூடும்
    2. குறையும்
    3. மாறாது
    4. பூச்சியம்
    5. இரட்டிக்கும்
    விடை
    (2) — ν ∝ 1/λ — தலைகீழ் தொடர்பு.

  4. மிக அதிக ஆற்றல் கொண்ட கதிர்:

    1. வானொலி
    2. நுண்அலை
    3. கட்புல ஒளி
    4. γ-கதிர்
    5. அகச்சிவப்பு
    விடை
    (4) — γ-கதிர் மிகக் குறுகிய அலைநீளம் → மிக அதிக ஆற்றல்.

  5. மின்காந்த நிறமாலையில் கட்புல ஒளியின் வரிசை (குறை→அதிக ஆற்றல்):

    1. ஊதா→சிவப்பு
    2. சிவப்பு→ஊதா
    3. பச்சை→நீலம்
    4. நீலம்→பச்சை
    5. மஞ்சள்→சிவப்பு
    விடை
    (2) — சிவப்பு குறை ஆற்றல், ஊதா அதிக ஆற்றல்.

  6. Planck மாறிலி h இன் அலகு:

    1. J
    2. J s
    3. J s⁻¹
    4. s⁻¹
    5. m
    விடை
    (2) — h = 6.63×10⁻³⁴ J s.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• λ = 500 nm ஒளியனின் ஆற்றலைக் கணிக்க (h=6.63×10⁻³⁴, c=3×10⁸).

மாதிரி விடை
E = hc/λ = (6.63×10⁻³⁴ × 3×10⁸)/(500×10⁻⁹) ≈ 3.98×10⁻¹⁹ J.

• அதிர்வெண், அலைநீளம், ஆற்றல் ஆகியவற்றுக்கிடையேயான தொடர்பை எழுதுக.

மாதிரி விடை
c = νλ; E = hν = hc/λ. அதிர்வெண் ↑ → ஆற்றல் ↑, அலைநீளம் ↓.

கட்டுரை வினா

• மின்காந்தக் கதிர்வீச்சின் அலை-துகள் இயல்பு, நிறமாலை, ஆற்றல்-அலைநீள உறவை விளக்குக.

விடை வரைவு
வரைவு: அலை (λ, ν, c=νλ) + துகள் (ஒளியன், E=hν); நிறமாலை வரிசை வானொலி→γ; ஆற்றல் ∝ 1/λ; ஒளிமின் விளைவு துகள் இயல்புக்குச் சான்று.