विद्युतचुंबकीय विकिरण

हम प्रकाश की सहायता से विभिन्न वस्तुओं को देख सकते हैं। हम विकिरणों की सहायता से लंबी दूरी तक 'स्मार्टफोन' के माध्यम से एक-दूसरे से संवाद भी कर सकते हैं। लेकिन क्या हमने कभी सोचा है कि यह 'विकिरण' या 'प्रकाश' वास्तव में क्या है?। यह किससे बना है?। यह 'विकिरण' या 'प्रकाश' वास्तव में 'विद्युत-चुंबकीय विकिरण' है। 'इलेक्ट्रोमैग्नेटिक' शब्द दो शब्दों 'इलेक्ट्रिक' और 'मैग्नेटिक' का संयोजन है। हम यह भी निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि 'विद्युतचुंबकीय' शब्द 'विद्युत क्षेत्र' और 'चुंबकीय क्षेत्र' के बीच संबंध को इंगित करता है। 'विकिरण' शब्द को 'तरंग' के रूप में माना जा सकता है। 'तरंग' एक भौतिक घटना है जो वायु जैसे माध्यम में गड़बड़ी पैदा करती है। माध्यम ठोस, द्रव, गैस, विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र हो सकता है।

हम सबसे पहले 'विद्युत क्षेत्र' की प्रकृति पर चर्चा करेंगे। यह एक प्रकार का बल है जो एक आवेशित कण द्वारा दूसरे आवेशित कण के क्षेत्र में अनुभव किया जाता है। आवेशित कण या तो 'धनात्मक' या 'ऋणात्मक' हो सकता है। यहाँ एक आवेशित कण को ​​दूसरे आवेशित कण के क्षेत्र में रखे जाने का उदाहरण दर्शाया गया है। एक आवेशित कण दूसरे आवेशित कण द्वारा उत्पन्न बल का अनुभव करता है। इस बल को 'विद्युत क्षेत्र' कहा जाता है और इसे 'धनात्मक' या 'ऋणात्मक' आवेशों द्वारा अनुभव किया जाता है। जब कोई आवेशित कण त्वरित होता है तो 'विद्युत क्षेत्र' में परिवर्तन उत्पन्न होता है। विद्युत क्षेत्र में यह परिवर्तन 'चुंबकीय क्षेत्र' को जन्म देता है। चुंबकीय क्षेत्र भी विद्युत क्षेत्र की तरह एक बल है।

चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन से विद्युत क्षेत्र भी उत्पन्न होता हैहम कह सकते हैं कि विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र प्रकृति में सुसंगत हैं। ये बदलते विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र 'विद्युत-चुंबकीय विकिरण' को जन्म देते हैं। 'विद्युत चुम्बकीय विकिरण' एक प्रकार की ऊर्जा है जो अंतरिक्ष या भौतिक माध्यम में 'विद्युत चुम्बकीय तरंग' के रूप में प्रसारित होती है जिसमें बदलते 'विद्युत' और 'चुंबकीय' क्षेत्र शामिल होते हैं। दोनों क्षेत्रों की सुसंगत प्रकृति विद्युत चुम्बकीय तरंगें उत्पन्न करती है। ऐसी तरंगों में विद्युत क्षेत्र चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत होता है। वे 'अनुप्रस्थ तरंग' के रूप में यात्रा करते हैं। सरल शब्दों में हम कह सकते हैं कि विद्युत चुम्बकीय विकिरण वह ऊर्जा है जो आगे बढ़ते हुए विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र की गड़बड़ी के रूप में फैलती है।

अब हम 'विद्युतचुंबकीय विकिरण' के गुणों पर चर्चा करेंगे। विद्युतचुंबकीय विकिरण दोहरी प्रकृति प्रदर्शित करता है। यह कणीय प्रकृति को दर्शाता है तथा इसमें तरंग जैसे गुण भी दिखते हैं। तरंग प्रकृति के संबंध में, यह अनुप्रस्थ तरंग के रूप में यात्रा करती है। अनुप्रस्थ तरंग विशेष विशेषताएं प्रदर्शित करती है। तरंगदैर्घ्य तरंग के दो समीपवर्ती शीर्ष खंडों के बीच की दूरी है। हम इसे दो समीपवर्ती निचले भागों की दूरियों को मापकर भी माप सकते हैं। इन्हें तरंग रूपों के शिखर और गर्त कहा जाता है। यह चित्र एक तरंग की तरंगदैर्घ्य को दर्शाता है। यह तरंगदैर्घ्य विभिन्न विद्युतचुम्बकीय तरंगों के लिए भिन्न-भिन्न होती है। तरंग की लंबाई विकिरण की आवृत्ति भी निर्धारित करती है।

आवृत्ति एक निश्चित बिंदु से इकाई समय में गुजरने वाली तरंगों की संख्या है। उदाहरण के लिए, चित्र में दिए गए बॉक्स को एक इकाई क्षेत्रफल मानें और एक सेकंड में एक तरंग इससे होकर गुजर रही है। तो इसकी आवृत्ति 1 हर्ट्ज है। दूसरे उदाहरण में, दो तरंगें एक सेकण्ड में एक इकाई क्षेत्र से गुजर रही हैं। तो इसकी आवृत्ति 2 हर्ट्ज है। आवृत्ति को हर्ट्ज़ में मापा जाता है जिसे संक्षिप्त रूप में Hz कहा जाता है। इसका अर्थ है प्रति सेकंड चक्रों की संख्या। सरल शब्दों में हम कह सकते हैं कि यह एक सेकंड में एक इकाई क्षेत्र से गुजरने वाली तरंगों की संख्या है।

आवृत्ति के लिए गणितीय अभिव्यक्ति इस प्रकार है। इस अभिव्यक्ति में, 'v' 'आवृत्ति' को दर्शाता है, 'c' 'विद्युत चुम्बकीय विकिरण की गति' को दर्शाता है और 'λ' 'तरंगदैर्ध्य' को दर्शाता है। इस अभिव्यक्ति से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि आवृत्ति 'v' तरंगदैर्घ्य 'λ' के व्युत्क्रमानुपाती है। इसका अर्थ यह है कि तरंगदैर्घ्य जितनी अधिक होगी, आवृत्ति उतनी ही कम होगी। आइये इसे एक उदाहरण की मदद से समझते हैं।

चित्रण में हम देख सकते हैं कि तरंगदैर्घ्य पहले बड़ा होता है जब वह इकाई क्षेत्र से गुजरता है। तरंगों को इकाई क्षेत्र से गुजरने में लगा समय 1 सेकंड है। हम देख सकते हैं कि एक सेकण्ड में केवल एक बड़ी तरंग इकाई क्षेत्र से गुजर रही है, इसलिए 'आवृत्ति' 1 हर्ट्ज है। लेकिन जब हम इकाई क्षेत्र से गुजरने वाली तरंग की लंबाई घटाते हैं, तो हम देख सकते हैं कि एक सेकंड में दो तरंगें इकाई क्षेत्र से गुजर रही हैं। आवृत्ति अब 2 हर्ट्ज है। इसलिए हमने तरंगदैर्घ्य घटा दिया है और आवृत्ति 1 हर्ट्ज से बढ़ाकर 2 हर्ट्ज कर दी है।

दिखाए गए व्यंजक में आइए देखें कि 'c' क्या है। यह 'विद्युतचुंबकीय' विकिरण की गति को दर्शाता है। यह स्थिर है। किसी भी विद्युत चुम्बकीय विकिरण की गति 299,792,458 मीटर/सेकंड है जो लगभग 3×10⁸ मीटर/सेकंड है। प्रकाश को विद्युत चुम्बकीय विकिरण माना जाता है। विद्युत चुम्बकीय विकिरण की गति तरंगदैर्घ्य या आवृत्ति में परिवर्तन से प्रभावित नहीं होती है। विद्युत चुम्बकीय विकिरण की ऊर्जा में परिवर्तन से इसमें कोई परिवर्तन नहीं होता है।

'विद्युत चुम्बकीय विकिरण' की गति को 'अंतरतारकीय दूरियों' को मापने के लिए एक इकाई के रूप में उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, सूर्य से पृथ्वी तक विकिरणों को पहुंचने में लगभग 8 मिनट का समय लगता है। हम कह सकते हैं कि 'सूर्य' और 'पृथ्वी' के बीच की दूरी 8 प्रकाश मिनट है। '1 प्रकाश वर्ष' वह दूरी है जो प्रकाश या 'विद्युत चुम्बकीय विकिरण' 1 वर्ष में तय करता है।

विद्युतचुंबकीय विकिरण को फोटॉन नामक ऊर्जा कणों के संदर्भ में भी वर्णित किया जा सकता है। फोटॉन ऊर्जा के क्वांटाइज्ड पैकेट हैं। इसका अर्थ यह है कि वे केवल ऊर्जा की असतत मात्रा में ही विद्यमान रहते हैं। उनकी ऊर्जा इस प्रकार व्यक्त की गई है। इस अभिव्यक्ति में E फोटॉन की 'ऊर्जा' को दर्शाता है, h 'प्लैंक स्थिरांक' को दर्शाता है और v 'आवृत्ति' को दर्शाता है।

हमने 'आवृत्ति', 'विद्युत चुम्बकीय विकिरण की गति' और 'तरंगदैर्ध्य' के बीच संबंध सीखा। हम आवृत्ति का मान 'v' को 'ऊर्जा' के व्यंजक में प्रतिस्थापित कर सकते हैं। ऐसा करने पर हमें निम्न समीकरण प्राप्त होता है। E फोटॉन की ऊर्जा है। C EM विकिरण की गति है। h प्लैंक स्थिरांक है। फोटॉन की ऊर्जा जूल में मापी जाती है।

जैसा कि हम अभिव्यक्ति से देख सकते हैं, ऊर्जा तरंगदैर्घ्य के व्युत्क्रमानुपाती होती है। इसका मतलब यह है कि विद्युत चुम्बकीय विकिरण की तरंगदैर्घ्य जितनी छोटी होगी, उसकी ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी। हम यह भी कह सकते हैं कि उच्च ऊर्जा वाले फोटॉनों की तरंगदैर्घ्य कम होती है तथा आवृत्ति भी कम ऊर्जा वाले फोटॉनों की तुलना में अधिक होती है।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण की 'तरंगदैर्ध्य', 'आवृत्ति' और 'ऊर्जा' में अंतर के कारण उन्हें विभिन्न प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है। इन विभिन्न प्रकार के 'विद्युत चुम्बकीय विकिरणों' को 'विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम' के रूप में व्यक्त किया जाता है। 'विद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम' इन विभिन्न 'विद्युतचुंबकीय विकिरणों' को दर्शाता है। इनकी रेंज 10³m की बड़ी तरंगदैर्घ्य से लेकर 10⁻⁵nm की छोटी तरंगदैर्घ्य तक होती है। ये लम्बी विद्युत चुम्बकीय विकिरणें रेडियो तरंगें हैं। छोटी किरणें गामा किरणें हैं। इसलिए विद्युत चुम्बकीय विकिरण 'रेडियो तरंगों' से लेकर 'गामा किरणों' तक होता है।

विद्युतचुंबकीय विकिरणों को निम्नलिखित क्षेत्रों में वर्गीकृत किया गया है। 'गामा' किरणें बहुत उच्च ऊर्जा वाली विद्युत चुम्बकीय विकिरणें हैं जिनकी तरंगदैर्घ्य सबसे छोटी होती है। इनकी आवृत्ति 30 × 10¹⁸Hz से अधिक होती है। बहुत अधिक ऊर्जा के कारण, पदार्थ में उनकी पैठ बहुत मजबूत होती है। ये विकिरण परमाणु क्षय से उत्पन्न होते हैं। गामा किरणों का उपयोग 'विकिरण' की प्रक्रिया में भी किया जाता है। 'विकिरण' जीवित सूक्ष्मजीवों को मारने और भोजन को बैक्टीरिया से बचाने की प्रक्रिया है।

'एक्स-रे' की आवृत्ति रेंज 30 × 10¹⁵ हर्ट्ज से 30 × 10¹⁸ हर्ट्ज तक होती है। इनमें 'पराबैंगनी विकिरणों' की तुलना में अधिक ऊर्जा होती है, लेकिन गामा किरणों की तुलना में ये कम ऊर्जा वाली होती हैं। गामा किरणें 'परमाणु नाभिक' द्वारा उत्सर्जित होती हैं और एक्स-रे इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्सर्जित होती हैं। 'एक्स-रे' बहुत उच्च ऊर्जा वाले फोटॉन हैं। इस कारण वे परमाणु में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित कर सकते हैं और उसे आयनित कर सकते हैं। इन्हें 'आयनीकरण विकिरण' के नाम से भी जाना जाता है। ये विकिरण 'रासायनिक बंधों' में भी परिवर्तन ला सकते हैं। 'आयनीकरण विकिरणों' का एक लाभ यह है कि उनका उपयोग चिकित्सा निदान के लिए किया जा सकता है क्योंकि वे चीजों के अंदर तक प्रवेश कर सकते हैं। इसका एक उदाहरण ऊपरी शरीर का 'एक्स-रे' लेने के लिए इनका उपयोग करना है।

आयनकारी विकिरण का उपयोग कैंसर के इलाज के लिए किया जा सकता है। चूंकि ये विकिरण उच्च ऊर्जा वाले होते हैं और रासायनिक बंधों को बदल सकते हैं, इसलिए इनका उपयोग कैंसर कोशिकाओं को मारने के लिए किया जा सकता है। आयनकारी विकिरण का एक नुकसान यह है कि इसका मानव शरीर पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है। आयनकारी प्रकृति के कारण वे जीवित जीवों की आनुवंशिक सामग्री को गंभीर क्षति पहुंचा सकते हैं। डीएनए पर इन विकिरणों के गंभीर नुकसान को चित्र में दर्शाया गया है। जैसा कि हम देख सकते हैं कि आयनकारी विकिरणों का डीएनए पर प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष प्रभाव पड़ता है। वे सीधे डीएनए में परमाणुओं को आयनित कर सकते हैं और गंभीर नुकसान पहुंचा सकते हैं। दूसरी ओर ये विकिरण पानी को आयनित भी कर सकते हैं और इसे में परिवर्तित कर सकते हैं OH⁻आयन और H₃O⁺आयन जो डीएनए को नुकसान पहुंचा सकते हैं।

पराबैंगनी विकिरणों की ऊर्जा 'एक्स-रे' से कम होती है। इनकी आवृत्ति सीमा 8 × 10¹⁴ से 3 × 10¹⁶Hz के बीच होती है। 'पराबैंगनी विकिरण' सूर्य से आते हैं और वे त्वचा को गंभीर नुकसान पहुंचा सकते हैं। लेकिन इनमें से अधिकांश विकिरण हमारे वायुमंडल में मौजूद 'ओजोन' परत द्वारा फ़िल्टर कर दिए जाते हैं। एक्स-रे, गामा किरणें और यूवी किरणें मानव आंखों के लिए अदृश्य हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि हम केवल 300nm – 400nm तरंगदैर्घ्य रेंज में विकिरण ही देख सकते हैं। मानव शरीर के लिए यूवी विकिरणों का एक लाभ यह है कि ये विकिरण शरीर में 'विटामिन डी' का उत्पादन करते हैं।

'दृश्य किरणों' की तरंगदैर्घ्य सीमा 380nm से 750nm तक होती है। चूँकि ये विकिरण दृश्यमान हैं, इसलिए हम इनके तरंगदैर्घ्य के आधार पर इनके विभिन्न रंग देख सकते हैं। दृश्य स्पेक्ट्रम की रंग सीमा यहाँ चित्रित की गई है। इन विकिरणों का उपयोग 'फाइबर ऑप्टिक संचार' और 'फोटोग्राफी' में किया जा सकता है। इसके अलावा, जब ये विकिरण दूर के तारों से आते हैं, तो इनका उपयोग खगोल भौतिकी द्वारा तारों की प्रकृति को मापने के लिए किया जाता है।

अवरक्त विकिरणों की तरंगदैर्घ्य सीमा दृश्य विकिरणों की तुलना में बड़ी होती है। वे मानव आंखों के लिए अदृश्य हैं। 'अवरक्त विकिरणों को अणुओं द्वारा अवशोषित या उत्सर्जित किया जा सकता है। इसलिए इनका उपयोग अणुओं की संरचना निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। इन विकिरणों का उपयोग 'रात्रि दृष्टि' और 'खगोल विज्ञान' में दूर के तारों और वस्तुओं की प्रकृति का निरीक्षण करने के लिए किया जाता है। इन विकिरणों को महसूस किया जा सकता है क्योंकि ये गर्मी उत्पन्न करते हैं।

माइक्रोवेव की तरंगदैर्घ्य सीमा 30 सेमी से 1 मिमी के बीच होती है। उनकी आवृत्ति बहुत कम होती है। उनके गर्म करने वाले गुणों के कारण, उनका उपयोग भोजन पकाने के लिए माइक्रोवेव ओवन में किया जाता है। 'रेडियो तरंगों' की तरंगदैर्घ्य 'विद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम' में सबसे लंबी होती है। इनका उपयोग 'नेविगेशन' और 'रेडियो प्रसारण' में किया जाता है। इनकी तरंगदैर्घ्य सीमा 1 मिमी से 100 किमी के बीच होती है।