Chapter-10 The Human Eye and the Colourful World
You have studied in the previous chapter about refraction of light by lenses. You also studied the nature, position and relative size of images formed by lenses. How can these ideas help us in the study of the human eye? The human eye uses light and enables us to see objects around us. It has a lens in its structure. What is the function of the lens in a human eye? How do the lenses used in spectacles correct defects of vision? Let us consider these questions in this chapter.
We have learnt in the previous chapter about light and some of its properties. In this chapter, we shall use these ideas to study some of the optical phenomena in nature. We shall also discuss about rainbow formation, splitting of white light and blue colour of the sky.
10.1 THE HUMAN EYE
The human eye is one of the most valuable and sensitive sense organs. It enables us to see the wonderful world and the colours around us. On closing the eyes, we can identify objects to some extent by their smell, taste, sound they make or by touch. It is, however, impossible to identify colours while closing the eyes. Thus, of all the sense organs, the human eye is the most significant one as it enables us to see the beautiful, colourful world around us.
Figure 10.1 The human eye
The human eye is like a camera. Its lens system forms an image on a light-sensitive screen called the retina. Light enters the eye through a thin membrane called the cornea. It forms the transparent bulge on the front surface of the eyeball as shown in Fig. 10.1. The eyeball is approximately spherical in shape with a diameter of about $2.3 cm$. Most of the refraction for the light rays entering the eye occurs at the outer surface of the cornea. The crystalline lens merely provides the finer adjustment of focal length required to focus objects at different distances on the retina. We find a structure called iris behind the cornea. Iris is a dark muscular diaphragm that controls the size of the pupil. The pupil regulates and controls the amount of light entering the eye. The eye lens forms an inverted real image of the object on the retina. The retina is a delicate membrane having enormous number of light-sensitive cells. The light-sensitive cells get activated upon illumination and generate electrical signals. These signals are sent to the brain via the optic nerves. The brain interprets these signals, and finally, processes the information so that we perceive objects as they are.
10.1.1 Power of Accommodation
The eye lens is composed of a fibrous, jelly-like material. Its curvature can be modified to some extent by the ciliary muscles. The change in the curvature of the eye lens can thus change its focal length. When the muscles are relaxed, the lens becomes thin. Thus, its focal length increases. This enables us to see distant objects clearly. When you are looking at objects closer to the eye, the ciliary muscles contract. This increases the curvature of the eye lens. The eye lens then becomes thicker. Consequently, the focal length of the eye lens decreases. This enables us to see nearby objects clearly.
The ability of the eye lens to adjust its focal length is called accommodation. However, the focal length of the eye lens cannot be decreased below a certain minimum limit. Try to read a printed page by holding it very close to your eyes. You may see the image being blurred or feel strain in the eye. To see an object comfortably and distinctly, you must hold it at about $25 cm$ from the eyes. The minimum distance, at which objects can be seen most distinctly without strain, is called the least distance of distinct vision. It is also called the near point of the eye. For a young adult with normal vision, the near point is about $25 cm$. The farthest point upto which the eye can see objects clearly is called the far point of the eye. It is infinity for a normal eye. You may note here a normal eye can see objects clearly that are between $25 cm$ and infinity.
Sometimes, the crystalline lens of people at old age becomes milky and cloudy. This condition is called cataract. This causes partial or complete loss of vision. It is possible to restore vision through a cataract surgery.
10.2 DEFECTS OF VISION AND THEIR CORRECTION
Sometimes, the eye may gradually lose its power of accommodation. In such conditions, the person cannot see the objects distinctly and comfortably. The vision becomes blurred due to the refractive defects of the eye.
There are mainly three common refractive defects of vision. These are (i) myopia or near-sightedness, (ii) Hypermetropia or farsightedness, and (iii) Presbyopia. These defects can be corrected by the use of suitable spherical lenses. We discuss below these defects and their correction.
Figure 10.2 (a), (b) The myopic eye, and (c) correction for myopia with a concave lens
(a) Myopia
Myopia is also known as nearsightedness. A person with myopia can see nearby objects clearly but cannot see distant objects distinctly. A person with this defect has the far point nearer than infinity. Such a person may see clearly upto a distance of a few metres. In a myopic eye, the image of a distant object is formed in front of the retina [Fig. 10.2 (b)] and not at the retina itself. This defect may arise due to (i) excessive curvature of the eye lens, or (ii) elongation of the eyeball. This defect can be corrected by using a concave lens of suitable power. This is illustrated in Fig. 10.2 (c). A concave lens of suitable power will bring the image back on to the retina and thus the defect is corrected.
(b) Hypermetropia
Hypermetropia is also known as far-sightedness. A person with hypermetropia can see distant objects clearly but cannot see nearby objects distinctly. The near point, for the person, is farther away from the normal near point $(25 cm)$. Such a person has to keep a reading material much beyond $25 cm$ from the eye for comfortable reading. This is because the light rays from a closeby object are focussed at a point behind the retina as shown in Fig. 10.3 (b). This defect arises either because (i) the focal length of the eye lens is too long, or (ii) the eyeball has become too small. This defect can be corrected by using a convex lens of appropriate power. This is illustrated in Fig. 10.3 (c). Eye-glasses with converging lenses provide the additional focussing power required for forming the image on the retina.
(c) Presbyopia
The power of accommodation of the eye usually decreases with ageing. For most people, the near point gradually recedes away. They find it difficult to see nearby objects comfortably and distinctly without corrective eye-glasses. This defect is called Presbyopia. It arises due to the gradual weakening of the ciliary muscles and diminishing flexibility of the eye lens. Sometimes, a person may suffer from both myopia and hypermetropia. Such people often require bi-focal lenses. A common type of bi-focal lenses consists of both concave and convex lenses. The upper portion consists of a concave lens. It facilitates distant vision. The lower part is a convex lens. It facilitates near vision.
These days, it is possible to correct the refractive defects with contact lenses or through surgical interventions.
Figure 10.3 (a), (b) The hypermetropic eye, and (c) correction for hypermetropia
$N=$ Near point of a hypermetropic eye.
$N^{\prime}=$ Near point of a normal eye.
Questions
1. What is meant by power of accommodation of the eye?
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Answer
When the ciliary muscles are relaxed, the eye lens becomes thin, the focal length increases, and the distant objects are clearly visible to the eyes. To see the nearby objects clearly, the ciliary muscles contract making the eye lens thicker. Thus, the focal length of the eye lens decreases and the nearby objects become visible to the eyes. Hence, the human eye lens is able to adjust its focal length to view both distant and nearby objects on the retina. This ability is called the power of accommodation of the eyes.
2. A person with a myopic eye cannot see objects beyond $1.2 m$ distinctly. What should be the type of the corrective lens used to restore proper vision?
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Answer
The person is able to see nearby objects clearly, but he is unable to see objects beyond $1.2 m$. This happens because the image of an object beyond $1.2 m$ is formed in front of the retina and not at the retina, as shown in the given figure.
To correct this defect of vision, he must use a concave lens. The concave lens will bring the image back to the retina as shown in the given figure.
3. What is the far point and near point of the human eye with normal vision?
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Answer
The near point of the eye is the minimum distance of the object from the eye, which can be seen distinctly without strain. For a normal human eye, this distance is $25 cm$.
The far point of the eye is the maximum distance to which the eye can see the objects clearly. The far point of the normal human eye is infinity.
4. A student has difficulty reading the blackboard while sitting in the last row. What could be the defect the child is suffering from? How can it be corrected?
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Answer
A student has difficulty in reading the blackboard while sitting in the last row. It shows that he is unable to see distant objects clearly. He is suffering from myopia. This defect can be corrected by using a concave lens.
Think it over
You talk of wondrous things you see,
You say the sun shines bright;
I feel him warm, but how can he
Or make it day or night?Do you know that our eyes can live even after our death? By donating our eyes after we die, we can light the life of a blind person.
About 35 million people in the developing world are blind and most of them can be cured. About 4.5 million people with corneal blindness can be cured through corneal transplantation of donated eyes. Out of these 4.5 million, $60 %$ are children below the age of 12 . So, if we have got the gift of vision, why not pass it on to somebody who does not have it? What do we have to keep in mind when eyes have to be donated?
- Eye donors can belong to any age group or sex. People who use spectacles, or those operated for cataract, can still donate the eyes. People who are diabetic, have hypertension, asthma patients and those without communicable diseases can also donate eyes.
- Eyes must be removed within 4-6 hours after death. Inform the nearest eye bank immediately.
- The eye bank team will remove the eyes at the home of the deceased or at a hospital.
- Eye removal takes only 10-15 minutes. It is a simple process and does not lead to any disfigurement.
- Persons who were infected with or died because of AIDS, Hepatitis B or C, rabies, acute leukaemia, tetanus, cholera, meningitis or encephalitis cannot donate eyes.
An eye bank collects, evaluates and distributes the donated eyes. All eyes donated are evaluated using strict medical standards. Those donated eyes found unsuitable for transplantation are used for valuable research and medical education. The identities of both the donor and the recipient remain confidential.
One pair of eyes gives vision to up to FOUR CORNEAL BLIND PEOPLE.
10.3 REFRACTION OF LIGHT THROUGH A PRISM
You have learnt how light gets refracted through a rectangular glass slab. For parallel refracting surfaces, as in a glass slab, the emergent ray is parallel to the incident ray. However, it is slightly displaced laterally. How would light get refracted through a transparent prism? Consider a triangular glass prism. It has two triangular bases and three rectangular lateral surfaces. These surfaces are inclined to each other. The angle between its two lateral faces is called the angle of the prism. Let us now do an activity to study the refraction of light through a triangular glass prism.
Activity 10.1
- Fix a sheet of white paper on a drawing board using drawing pins.
- Place a glass prism on it in such a way that it rests on its triangular base. Trace the outline of the prism using a pencil.
- Draw a straight line PE inclined to one of the refracting surfaces, say $AB$, of the prism.
- Fix two pins, say at points $P$ and $Q$, on the line $PE$ as shown in Fig. 10.4.
- Look for the images of the pins, fixed at $P$ and $Q$, through the other face AC.
- Fix two more pins, at points $R$ and $S$, such that the pins at $R$ and $S$ and the images of the pins at $P$ and $Q$ lie on the same straight line.
- Remove the pins and the glass prism.
- The line PE meets the boundary of the prism at point $E$ (see Fig. 10.4). Similarly, join and produce the points R and S. Let these lines meet the boundary of the prism at $E$ and $F$, respectively. Join $E$ and $F$.
- Draw perpendiculars to the refracting surfaces $A B$ and $A C$ of the prism at points $E$ and $F$, respectively.
- Mark the angle of incidence $(\angle i)$, the angle of refraction $(\angle r)$ and the angle of emergence $(\angle e)$ as shown in Fig. 10.4.
$\mathrm{PE}- $ Incident ray $ \angle \mathrm{i}- $ Angle of incidence
$\mathrm{EF}- $ Refracted ray $ \angle \mathrm{r}- $ Angle of refraction
$\mathrm{FS}- $ Emergent ray $ \angle \mathrm{e}- $ Angle of emergence
$\angle \mathrm{A}-$ Angle of the prism $ \angle \mathrm{D}- $ Angle of deviation
Figure 10.4 Refraction of light through a triangular glass prism
Here $PE$ is the incident ray, $EF$ is the refracted ray and $FS$ is the emergent ray. You may note that a ray of light is entering from air to glass at the first surface $AB$. The light ray on refraction has bent towards the normal. At the second surface AC, the light ray has entered from glass to air. Hence it has bent away from normal. Compare the angle of incidence and the angle of refraction at each refracting surface of the prism. Is this similar to the kind of bending that occurs in a glass slab? The peculiar shape of the prism makes the emergent ray bend at an angle to the direction of the incident ray. This angle is called the angle of deviation. In this case $\angle D$ is the angle of deviation. Mark the angle of deviation in the above activity and measure it.
10.4 DISPERSION OF WHITE LIGHT BY A GLASS PRISM
You must have seen and appreciated the spectacular colours in a rainbow. How could the white light of the Sun give us various colours of the rainbow? Before we take up this question, we shall first go back to the refraction of light through a prism. The inclined refracting surfaces of a glass prism show exciting phenomenon. Let us find it out through an activity.
Activity 10.2
- Take a thick sheet of cardboard and make a small hole or narrow slit in its middle.
- Allow sunlight to fall on the narrow slit. This gives a narrow beam of white light.
- Now, take a glass prism and allow the light from the slit to fall on one of its faces as shown in Fig. 10.5.
- Turn the prism slowly until the light that comes out of it appears on a nearby screen.
- What do you observe? You will find a beautiful band of colours. Why does this happen?
The prism has probably split the incident white light into a band of colours. Note the colours that appear at the two ends of the colour band. What is the sequence of colours that you see on the screen? The various colours seen are Violet, Indigo, Blue, Green, Yellow, Orange and Red, as shown in Fig. 10.5. The acronym VIBGYOR will help you to remember the sequence of colours. The band of the coloured components of a light beam is called its spectrum. You might not be able to see all the colours separately. Yet something makes each colour distinct from the other. The splitting of light into its component colours is called dispersion.
Figure 10.5 Dispersion of white light by the glass prism
You have seen that white light is dispersed into its seven-colour components by a prism. Why do we get these colours? Different colours of light bend through different angles with respect to the incident ray, as they pass through a prism. The red light bends the least while the violet the most. Thus the rays of each colour emerge along different paths and thus become distinct. It is the band of distinct colours that we see in a spectrum.
Figure 10.6 Recombination of the spectrum of white light
Isaac Newton was the first to use a glass prism to obtain the spectrum of sunlight. He tried to split the colours of the spectrum of white light further by using another similar prism. However, he could not get any more colours. He then placed a second identical prism in an inverted position with respect to the first prism, as shown in Fig. 10.6. This allowed all the colours of the spectrum to pass through the second prism. He found a beam of white light emerging from the other side of the second prism. This observation gave Newton the idea that the sunlight is made up of seven colours.
Any light that gives a spectrum similar to that of sunlight is often referred to as white light.
A rainbow is a natural spectrum appearing in the sky after a rain shower (Fig. 10.7). It is caused by dispersion of sunlight by tiny water droplets, present in the atmosphere. A rainbow is always formed in a direction opposite to that of the Sun. The water droplets act like small prisms. They refract and disperse the incident sunlight, then reflect it internally, and finally refract it again when it comes out of the raindrop (Fig. 10.8). Due to the dispersion of light and internal reflection, different colours reach the observer’s eye.
You can also see a rainbow on a sunny day when you look at the sky through a waterfall or through a water fountain, with the Sun behind you.
Figure 10.7 Rainbow in the sky
Figure 10.8 Rainbow formation
10.5 ATMOSPHERIC REFRACTION
You might have observed the apparent random wavering or flickering of objects seen through a turbulent stream of hot air rising above a fire or a radiator. The air just above the fire becomes hotter than the air further up. The hotter air is lighter (less dense) than the cooler air above it, and has a refractive index slightly less than that of the cooler air. Since the physical conditions of the refracting medium (air) are not stationary, the apparent position of the object, as seen through the hot air, fluctuates. This wavering is thus an effect of atmospheric refraction (refraction of light by the earth’s atmosphere) on a small scale in our local environment. The twinkling of stars is a similar phenomenon on a much larger scale. Let us see how we can explain it.
Figure 10.9 Apparent star position due to atmospheric refraction
Twinkling of stars
The twinkling of a star is due to atmospheric refraction of starlight. The starlight, on entering the earth’s atmosphere, undergoes refraction continuously before it reaches the earth. The atmospheric refraction occurs in a medium of gradually changing refractive index. Since the atmosphere bends starlight towards the normal, the apparent position of the star is slightly different from its actual position. The star appears slightly higher (above) than its actual position when viewed near the horizon (Fig. 10.9). Further, this apparent position of the star is not stationary, but keeps on changing slightly, since the physical conditions of the earth’s atmosphere are not stationary, as was the case in the previous paragraph. Since the stars are very distant, they approximate point-sized sources of light. As the path of rays of light coming from the star goes on varying slightly, the apparent position of the star fluctuates and the amount of starlight entering the eye flickers - the star sometimes appears brighter, and at some other time, fainter, which is the twinkling effect.
Why don’t the planets twinkle? The planets are much closer to the earth, and are thus seen as extended sources. If we consider a planet as a collection of a large number of point-sized sources of light, the total variation in the amount of light entering our eye from all the individual point-sized sources will average out to zero, thereby nullifying the twinkling effect.
Figure 10.10 Atmospheric refraction effects at sunrise and sunset
Advance sunrise and delayed sunset
The Sun is visible to us about 2 minutes before the actual sunrise, and about 2 minutes after the actual sunset because of atmospheric refraction. By actual sunrise, we mean the actual crossing of the horizon by the Sun. Fig. 10.10 shows the actual and apparent positions of the Sun with respect to the horizon. The time difference between actual sunset and the apparent sunset is about 2 minutes. The apparent flattening of the Sun’s disc at sunrise and sunset is also due to the same phenomenon.
10.6 SCATTERING OF LIGHT
The interplay of light with objects around us gives rise to several spectacular phenomena in nature. The blue colour of the sky, colour of water in deep sea, the reddening of the sun at sunrise and the sunset are some of the wonderful phenomena we are familiar with. In the previous class, you have learnt about the scattering of light by colloidal particles. The path of a beam of light passing through a true solution is not visible. However, its path becomes visible through a colloidal solution where the size of the particles is relatively larger.
10.6.1 Tyndall Effect
The earth’s atmosphere is a heterogeneous mixture of minute particles. These particles include smoke, tiny water droplets, suspended particles of dust and molecules of air. When a beam of light strikes such fine particles, the path of the beam becomes visible. The light reaches us, after being reflected diffusely by these particles. The phenomenon of scattering of light by the colloidal particles gives rise to Tyndall effect which you have studied in Class IX. This phenomenon is seen when a fine beam of sunlight enters a smoke-filled room through a small hole. Thus, scattering of light makes the particles visible. Tyndall effect can also be observed when sunlight passes through a canopy of a dense forest. Here, tiny water droplets in the mist scatter light.
The colour of the scattered light depends on the size of the scattering particles. Very fine particles scatter mainly blue light while particles of larger size scatter light of longer wavelengths. If the size of the scattering particles is large enough, then, the scattered light may even appear white.
10.6.2 Why is the colour of the clear Sky Blue?
The molecules of air and other fine particles in the atmosphere have size smaller than the wavelength of visible light. These are more effective in scattering light of shorter wavelengths at the blue end than light of longer wavelengths at the red end. The red light has a wavelength about 1.8 times greater than blue light. Thus, when sunlight passes through the atmosphere, the fine particles in air scatter the blue colour (shorter wavelengths) more strongly than red. The scattered blue light enters our eyes. If the earth had no atmosphere, there would not have been any scattering. Then, the sky would have looked dark. The sky appears dark to passengers flying at very high altitudes, as scattering is not prominent at such heights.
You might have observed that ‘danger’ signal lights are red in colour. Do you know why? The red is least scattered by fog or smoke. Therefore, it can be seen in the same colour at a distance.
What you have learnt
- The ability of the eye to focus on both near and distant objects, by adjusting its focal length, is called the accommodation of the eye.
- The smallest distance, at which the eye can see objects clearly without strain, is called the near point of the eye or the least distance of distinct vision. For a young adult with normal vision, it is about $25 cm$.
- The common refractive defects of vision include myopia, hypermetropia and presbyopia. Myopia (short-sightedness - the image of distant objects is focussed before the retina) is corrected by using a concave lens of suitable power. Hypermetropia (far-sightedness - the image of nearby objects is focussed beyond the retina) is corrected by using a convex lens of suitable power. The eye loses its power of accommodation at old age.
- The splitting of white light into its component colours is called dispersion.
- Scattering of light causes the blue colour of sky.
EXERCISES
1. The human eye can focus on objects at different distances by adjusting the focal length of the eye lens. This is due to
(a) presbyopia.
(b) accommodation.
(c) near-sightedness.
(d) far-sightedness.
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Answer
(b) Human eye can change the focal length of the eye lens to see the objects situated at various distances from the eye. This is possible due to the power of accommodation of the eye lens.
2. The human eye forms the image of an object at its
(a) cornea.
(b) iris.
(c) pupil.
(d) retina.
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Answer
(d) The human eye forms the image of an object at its retina.
3. The least distance of distinct vision for a young adult with normal vision is about
(a) $25 m$.
(b) $2.5 cm$.
(c) $25 cm$.
(d) $2.5 m$.
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(c) The least distance of distinct vision is the minimum distance of an object to see clear and distinct image. It is $25 cm$ for a young adult with normal visions.
4. The change in focal length of an eye lens is caused by the action of the
(a) pupil.
(b) retina.
(c) ciliary muscles.
(d) iris.
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#missing5. A person needs a lens of power -5.5 dioptres for correcting his distant vision. For correcting his near vision he needs a lens of power +1.5 dioptre. What is the focal length of the lens required for correcting (i) distant vision, and (ii) near vision?
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Answer
For distant vision $=-0.181 m$, for near vision $=0.667 m$
The power $P$ of a lens of focal length $f$ is given by the relation
$ P=\dfrac{1}{f(\text{ in metres })} $
(i) Power of the lens used for correcting distant vision $=-5.5 D$
Focal length of the required lens, $f=\dfrac{1}{P}$ $f=\dfrac{1}{-5.5}=-0.181 m$
The focal length of the lens for correcting distant vision is $-0.181 m$.
(ii) Power of the lens used for correcting near vision $=+1.5 D$
Focal length of the required lens, $f=\dfrac{1}{P}$
$f=\dfrac{1}{1.5}=+0.667 m$
The focal length of the lens for correcting near vision is $0.667 m$.
6. The far point of a myopic person is $80 cm$ in front of the eye. What is the nature and power of the lens required to correct the problem?
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Answer
The person is suffering from an eye defect called myopia. In this defect, the image is formed in front of the retina. Hence, a concave lens is used to correct this defect of vision.
Object distance, $u=$ infinity $=\infty$
Image distance, $v=-80 cm$
Focal length $=f$
According to the lens formula,
$\dfrac{1}{v}-\dfrac{1}{u}=\dfrac{1}{f}$
$-\dfrac{1}{80}-\dfrac{1}{\infty}=\dfrac{1}{f}$
$\dfrac{1}{f}=-\dfrac{1}{80}$
$f=-80 cm=-0.8 m$
We know,
Power, $P=\dfrac{1}{f(\text{ in metres })}$
$P=\dfrac{1}{-0.8}=-1.25 D$
A concave lens of power $-1.25 D$ is required by the person to correct his defect.
7. Make a diagram to show how hypermetropia is corrected. The near point of a hypermetropic eye is $1 m$. What is the power of the lens required to correct this defect? Assume that the near point of the normal eye is $25 cm$.
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Answer
A person suffering from hypermetropia can see distinct objects clearly but faces difficulty in seeing nearby objects clearly. It happens because the eye lens focuses the incoming divergent rays beyond the retina. This defect of vision is corrected by using a convex lens. A convex lens of suitable power converges the incoming light in such a way that the image is formed on the retina, as shown in the following figure.
Correction for hypermetropic eye
The convex lens actually creates a virtual image of a nearby object ( $N^{\prime}$ in the figure) at the near point of vision $(N)$ of the person suffering from hypermetropia.
The given person will be able to clearly see the object kept at $25 cm$ (near point of the normal eye), if the image of the object is formed at his near point, which is given as $1 m$.
Object distance, $u=-25 cm$
Image distance, $v=-1 m=-100 m$
Focal length, $f$
Using the lens formula,
$\dfrac{1}{v}-\dfrac{1}{u}=\dfrac{1}{f}$
$\dfrac{1}{-100}-\dfrac{1}{-25}=\dfrac{1}{f}$
$\dfrac{1}{f}=\dfrac{1}{25}-\dfrac{1}{100}$
$\dfrac{1}{f}=\dfrac{4-1}{100}$
$f=\dfrac{100}{3}=33.3 cm=0.33 m$
Power, $P=\dfrac{1}{f(\text{ in metres })}=\dfrac{1}{0.33 m}=+3.0 D$
A convex lens of power $+3.0 D$ is required to correct the defect.
8. Why is a normal eye not able to see clearly the objects placed closer than $25 cm$ ?
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Answer
A normal eye is unable to clearly see the objects placed closer than $25 cm$ because the ciliary muscles of eyes are unable to contract beyond a certain limit.
If the object is placed at a distance less than $25 cm$ from the eye, then the object appears blurred and produces strain in the eyes.
9. What happens to the image distance in the eye when we increase the distance of an object from the eye?
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Answer
Since the size of eyes cannot increase or decrease, the image distance remains constant. When we increase the distance of an object from the eye, the image distance in the eye does not change. The increase in the object distance is compensated by the change in the focal length of the eye lens. The focal length of the eyes changes in such a way that the image is always formed at the retina of the eye.
10. Why do stars twinkle?
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Answer
Stars emit their own light and they twinkle due to the atmospheric refraction of light. Stars are very far away from the earth. Hence, they are considered as point sources of light. When the light coming from stars enters the earth’s atmosphere, it gets refracted at different levels because of the variation in the air density at different levels of the atmosphere. When the star light refracted by the atmosphere comes more towards us, it appears brighter than when it comes less towards us. Therefore, it appears as if the stars are twinkling at night.
11. Explain why the planets do not twinkle.
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Answer
Planets do not twinkle because they appear larger in size than the stars as they are relatively closer to earth. Planets can be considered as a collection of a large number of point-size sources of light. The different parts of these planets produce either brighter or dimmer effect in such a way that the average of brighter and dimmer effect is zero. Hence, the twinkling effects of the planets are nullified and they do not twinkle.
12. Why does the sky appear dark instead of blue to an astronaut?
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Answer
The sky appears dark instead of blue to an astronaut because there is no atmosphere in the outer space that can scatter the sunlight. As the sunlight is not scattered, no scattered light reach the eyes of the astronauts and the sky appears black to them.
पिछले अध्याय में आपने लेंसों द्वारा प्रकाश के अपवर्तन के बारे में अध्ययन किया है। आप लेंसों द्वारा बनाए गए प्रतिबिंबों की प्रकृति, स्थिति तथा उनके आपेक्षिक साइज़ के बारे में भी अध्ययन कर चुके हैं। यह ज्ञान मानव नेत्र के अध्ययन में हमारी किस प्रकार सहायता कर सकता है? मानव नेत्र प्रकाश का उपयोग करता है तथा हमारे चारों ओर की वस्तुओं को देखने के लिए हमें समर्थ बनाता है। इसकी संरचना में एक लेंस होता है। मानव नेत्र में लेंस का क्या प्रकार्य है? चश्मों में प्रयोग किए जाने वाले लेंस दृष्टि दोषों को किस प्रकार संशोधित करते हैं? इस अध्याय में हम इन्हीं प्रश्नों पर विचार करेंगे।
पिछले अध्याय में हमने प्रकाश तथा इसके कुछ गुणों के बारे में अध्ययन किया था। इस अध्याय में हम इन धारणाओं का प्रकृति में कुछ प्रकाशीय परिघटनाओं के अध्ययन में उपयोग करेंगे। हम इंद्रधनुष बनने, श्वेत प्रकाश के वर्णों (रंगों) में परिक्षेपित (विभक्त) होने तथा आकाश के नीले रंग के बारे में भी चर्चा करेंगे।
10.1 मानव नेत्र
मानव नेत्र एक अत्यंत मूल्यवान एवं सुग्राही ज्ञानेंद्रिय है। यह हमें इस अद्भुत संसार तथा हमारे चारों ओर के रंगों को देखने योग्य बनाता है। आँखें बंद करके हम वस्तुओं को उनकी गंध, स्वाद, उनके द्वारा उत्पन्न ध्वनि या उनको स्पर्श करके, कुछ सीमा तक पहचान सकते हैं। तथापि आँखों को बंद करके रंगों को पहचान पाना असंभव है। इस प्रकार समस्त ज्ञानेंद्रियों में मानव नेत्र सबसे अधिक महत्वपर्ण है, क्योंकि यह हमें हमारे चारों ओर के रंगबिंरगे संसार को देखने योग्य बनाता है।
चित्र 10.1 मानव नेत्र
मानव नेत्र एक कैमरे की भाँति है। इसका लेंस-निकाय एक प्रकाश-सुग्राही परदे, जिसे रेटिना या दृष्टिपटल कहते हैं, पर प्रतिबिंब बनाता है। प्रकाश एक पतली झिल्ली से होकर नेत्र में प्रवेश करता है। इस झिल्ली को कॉर्निया या स्वच्छ मंडल कहते हैं। चित्र 10.1 में दर्शाए अनुसार यह झिल्ली नेत्र गोलक के अग्र पृष्ठ पर एक पारदर्शी उभार बनाती है। नेत्र गोलक की आकृति लगभग गोलाकार होती है तथा इसका व्यास लगभग $2.3 \mathrm{~cm}$ होता है। नेत्र में प्रवेश करने वाली प्रकाश किरणों का अधिकांश अपवर्तन कॉर्निया के बाहरी पृष्ठ पर होता है। क्रिस्टलीय लेंस केवल विभिन्न दूरियों पर रखी वस्तुओं को रेटिना पर फोकसित करने के लिए आवश्यक फोकस दूरी में सूक्ष्म समायोजन करता है। कॉर्निया के पीछे एक संरचना होती है, जिसे परितारिका कहते हैं। परितारिका गहरा पेशीय डायफ्राम होता है, जो पुतली के साइज़ को नियंत्रित करता है। पुतली नेत्र में प्रवेश करने वाले प्रकाश की मात्रा को नियंत्रित करती है। अभिनेत्र लेंस रेटिना पर किसी वस्तु का उलटा तथा वास्तविक प्रतिबिंब बनाता है। रेटिना एक कोमल सूक्ष्म झिल्ली होती है, जिसमें बृहत् संख्या में प्रकाश-सुग्राही कोशिकाएँ होती हैं। प्रदीप्त होने पर प्रकाश-सुग्राही कोशिकाएँ सक्रिय हो जाती हैं तथा विद्युत सिग्नल उत्पन्न करती हैं। ये सिग्नल दृक् तंत्रिकाओं द्वारा मस्तिष्क तक पहुँचा दिए जाते हैं। मस्तिष्क इन सिग्नलों की व्याख्या करता है तथा अंततः इस सूचना को संसाधित करता है, जिससे कि हम किसी वस्तु को जैसा है, वैसा ही देख लेते हैं।
10.1.1 समंजन क्षमता
अभिनेत्र लेंस रेशेदार जेलीवत पदार्थ का बना होता है। इसकी वक्रता में कुछ सीमाओं तक पक्ष्माभी पेशियों द्वारा रूपांतरण किया जा सकता है। अभिनेत्र लेंस की वक्रता में परिवर्तन होने पर इसकी फोकस दूरी भी परिवर्तित हो जाती है। जब पेशियाँ शिथिल होती हैं तो अभिनेत्र लेंस पतला हो जाता है। इस प्रकार इसकी फोकस दूरी बढ़ जाती है। इस स्थिति में हम दूर रखी वस्तुओं को स्पष्ट देख पाने में समर्थ होते हैं। जब आप आँख के निकट की वस्तुओं को देखते हैं तब पक्ष्माभी पेशियाँ सिकुड़ जाती हैं। इससे अभिनेत्र लेंस की वक्रता बढ़ जाती है। अभिनेत्र लेंस अब मोटा हो जाता है। परिणामस्वरूप, अभिनेत्र लेंस की फोकस दूरी घट जाती है। इससे हम निकट रखी वस्तुओं को स्पष्ट देख सकते हैं।
अभिनेत्र लेंस की वह क्षमता, जिसके कारण वह अपनी फोकस दूरी को समायोजित कर लेता है, समंजन कहलाती है। तथापि अभिनेत्र लेंस की फोकस दूरी एक निश्चित न्यूनतम सीमा से कम नहीं होती। किसी छपे हुए पृष्ठ को आँख के अत्यंत निकट रखकर उसे पढ़ने का प्रयास कीजिए। आप अनुभव करेंगे कि प्रतिबिंब धुँधला है या इससे आपके नेत्रों पर तनाव पड़ता है। किसी वस्तु को आराम से सुस्पष्ट देखने के लिए आपको इसे अपने नेत्रों से कम से कम $25 \mathrm{~cm}$ दूर रखना होगा। वह न्यूनतम दूरी जिस पर रखी कोई वस्तु बिना किसी तनाव के अत्यधिक स्पष्ट देखी जा सकती है, उसे सुस्पष्ट दर्शन की अल्पतम दूरी कहते हैं। इसे नेत्र का निकट-बिंदु भी कहते हैं। किसी सामान्य दृष्टि के तरुण वयस्क के लिए निकट बिंदु की आँख से दूरी लगभग $25 \mathrm{~cm}$ होती है। वह दूरतम बिंदु जिस तक कोई नेत्र वस्तुओं को सुस्पष्ट देख सकता है, नेत्र का दूर-बिंदु (far Point) कहलाता है। सामान्य नेत्र के लिए यह अनंत दूरी पर होता है। इस प्रकार, आप नोट कर सकते हैं कि एक सामान्य नेत्र $25 \mathrm{~cm}$ से अनंत दूरी तक रखी सभी वस्तुओं को सुस्पष्ट देख सकता है।
कभी-कभी अधिक आयु के कुछ व्यक्तियों के नेत्र का क्रिस्टलीय लेंस दूधिया तथा धुँधला हो जाता है। इस स्थिति को मोतियाबिंद (cataract) कहते हैं। इसके कारण नेत्र की दृष्टि में कमी या पूर्ण रूप से दृष्टि क्षय हो जाता है। मोतियाबिंद की शल्य चिकित्सा के पश्चात दृष्टि का वापस लौटना संभव होता है।
10.2 दृष्टि दोष तथा उनका संशोधन
कभी-कभी नेत्र धीरे-धीरे अपनी समंजन क्षमता खो सकते हैं। ऐसी स्थितियों में व्यक्ति वस्तुओं को आराम से सुस्पष्ट नहीं देख पाते। नेत्र में अपवर्तन दोषों के कारण दृष्टि धुँधली हो जाती है।
प्रमुख रूप से दृष्टि के तीन सामान्य अपवर्तन दोष होते हैं। ये दोष हैं- (i) निकट- दृष्टि दोष (Myopia), (ii) दीर्घ-दृष्टि दोष (Hypermetropia) तथा (iii) जरा-दूरदृष्टिता (Presbyopia)। इन दोषों को उपयुक्त गोलीय लेंस के उपयोग से संशोधित किया जा सकता है। हम इन दोषों तथा उनके संशोधन के बारे में संक्षेप में नीचे चर्चा करेंगे।
चित्र 10.2 (a),(b) निकट-दृष्टि दोषयुक्त नेत्र (c) अवतल लेंस के उपयोग द्वारा निकट-दृष्टि का संशोधन
(a) निकट-दृष्टि दोष
निकट-दृष्टि दोष को निकट-दृष्टिता (Near-sightedness) भी कहते हैं। निकट दृष्टि दोषयुक्त कोई व्यक्ति निकट रखी वस्तुओं को तो स्पष्ट देख सकता है, परंतु दूर रखी वस्तुओं को वह सुस्पष्ट नहीं देख पाता। ऐसे दोषयुक्त व्यक्ति का दूर-बिंदु अनंत पर न होकर नेत्र के पास आ जाता है। ऐसा व्यक्ति कुछ मीटर दूर रखी वस्तुओं को ही सुस्पष्ट देख पाता है। निकट-दृष्टि दोषयुक्त नेत्र में, किसी दूर रखी वस्तु का प्रतिबिंब दृष्टिपटल (रेटिना) पर न बनकर [चित्र 10.2(b)], दृष्टिपटल के सामने बनता है। इस दोष के उत्पन्न होने के कारण हैं- (i) अभिनेत्र लेंस की वक्रता का अत्यधिक होना अथवा (ii) नेत्र गोलक का लंबा हो जाना। इस दोष को किसी उपयुक्त क्षमता के अवतल लेंस (अपसारी लेंस) के उपयोग द्वारा संशोधित किया जा सकता है। इसे चित्र 10.2(c) में दर्शाया गया है। उपयुक्त क्षमता का अवतल लेंस वस्तु के प्रतिबिंब को वापस दृष्टिपटल (रेटिना) पर ले आता है तथा इस प्रकार इस दोष का संशोधन हो जाता है।
(b) दीर्घ-दृष्टि दोष
दीर्घ-दृष्टि दोष को दूर-दृष्टिता (Far-sightedness) भी कहते हैं। दीर्घ-दृष्टि दोषयुक्त कोई व्यक्ति दूर की वस्तुओं को तो स्पष्ट देख सकता है, परंतु निकट रखी वस्तुओं को सुस्पष्ट नहीं देख पाता। ऐसे दोषयुक्त व्यक्ति का निकट-बिंदु सामान्य निकट बिंदु $(25 \mathrm{~cm})$ से दूर हट जाता है। ऐसे व्यक्ति को आराम से सुस्पष्ट पढ़ने के लिए पठन सामग्री को नेत्र से $25 \mathrm{~cm}$ से काफ़ी अधिक दूरी पर रखना पड़ता है। इसका कारण यह है कि पास रखी वस्तु से आने वाली प्रकाश किरणें दृष्टिपटल (रेटिना) के पीछे फोकसित होती हैं, जैसा कि चित्र 10.3 (b) में दर्शाया गया है। इस दोष के उत्पन्न होने के कारण हैं- (i) अभिनेत्र लेंस की फोकस दूरी का अत्यधिक हो जाना अथवा (ii) नेत्र गोलक का छोटा हो जाना। इस दोष को उपयुक्त क्षमता के अभिसारी लेंस (उत्तल लेंस) का उपयोग करके संशोधित किया जा सकता है। इसे चित्र 10.3(c) में दर्शाया गया है। उत्तल लेंस युक्त चश्मे दृष्टिपटल पर वस्तु का प्रतिबिंब फोकसित करने के लिए आवश्यक अतिरिक्त क्षमता प्रदान करते हैं।
(c) जरा-दूरदृष्टिता
आयु में वृद्धि होने के साथ-साथ मानव नेत्र की समंजन-क्षमता घट जाती है। अधिकांश व्यक्तियों का निकट-बिंदु दूर हट जाता है। संशोधक चश्मों के बिना उन्हें पास की वस्तुओं को आराम से सुस्पष्ट देखने में कठिनाई होती है। इस दोष को जरा-दूरदृष्टिता कहते हैं। यह पक्ष्माभी पेशियों के धीरे-धीरे दुर्बल होने तथा क्रिस्टलीय लेंस के लचीलेपन में कमी आने के कारण उत्पन्न होता है। कभी-कभी किसी व्यक्ति के नेत्र में दोनों ही प्रकार के दोष निकट-दृष्टि तथा दूर-दृष्टि दोष हो सकते हैं। ऐसे व्यक्तियों को वस्तुओं को सुस्पष्ट देख सकने के लिए प्रायः द्विफोकसी लेंसों (Bi-focal lens) की आवश्यकता होती है। सामान्य प्रकार के द्विफोकसी लेंसों में अवतल तथा उत्तल दोनों लेंस होते हैं। ऊपरी भाग अवतल लेंस होता है। यह दूर की वस्तुओं को सुस्पष्ट देखने में सहायता करता है। निचला भाग उत्तल लेंस होता है। यह पास की वस्तुओं को सुस्पष्ट देखने में सहायक होता है।
आजकल संस्पर्श लेंस (Contact lens) अथवा शल्य हस्तक्षेप द्वारा दृष्टि दोषों का संशोधन संभव है।
चित्र 10.3 (a), (b) दीर्घ दृष्टि दोषयुक्त नेत्र, तथा (c) दीर्घ-दृष्टि दोष का संशोधन
$N=$ दीर्घ-दृष्टि दोषयुक्त नेत्र का निकट बिंदु
$N^{\prime}=$ सामान्य नेत्र का निकट बिंदु
प्रश्न
1. नेत्र की समंजन क्षमता से क्या अभिप्राय है?
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#missing2. निकट दृष्टिदोष का कोई व्यक्ति $1.2 \mathrm{~m}$ से अधिक दूरी पर रखी वस्तुओं को सुस्पष्ट नहीं देख सकता। इस दोष को दूर करने के लिए प्रयुक्त संशोधक लेंस किस प्रकार का होना चाहिए?
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#missing3. मानव नेत्र की सामान्य दृष्टि के लिए दूर बिंदु तथा निकट बिंदु नेत्र से कितनी दूरी पर होते हैं?
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#missing4. अंतिम पंक्ति में बैठे किसी विद्यार्थी को श्यामपट्ट पढ़ने में कठिनाई होती है। यह विद्यार्थी किस दृष्टि दोष से पीड़ित है? इसे किस प्रकार संशोधित किया जा सकता है?
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#missingज़रा सोचिए
अद्भुत वस्तुओं का वर्णन करते आप
जिन्हें देख सकते हैं आप
चमकीला है दीप्त सूर्य, कहते हैं यह आप;
अनुभव मैं भी करता दीप्त सूर्य का ताप
पर समझ न पाया अब तक यह मैं
बनाता कैसे वह दिन और रात?क्या आप जानते हैं कि हमारे नेत्र हमारी मृत्यु के पश्चात भी जीवित रहते हैं? अपनी मृत्यु के पश्चात नेत्रदान करके हम किसी नेत्रहीन व्यक्ति के जीवन को प्रकाश से भर सकते हैं।
विकासशील देशों के लगभग 3.5 करोड़ व्यक्ति दृष्टिहीन हैं तथा उनमें से अधिकांश की दृष्टि ठीक की जा सकती है। कॉर्निया-अंधता से पीड़ित लगभग 45 लाख व्यक्तियों को नेत्रदान द्वारा प्राप्त कॉर्निया के प्रत्यारोपण से ठीक किया जा सकता है। इन 45 लाख व्यक्तियों में $60 %$ बच्चे 12 वर्ष से कम आयु के हैं। अतः यदि हमें दृष्टि का वरदान प्राप्त है तो क्यों न इसे हम उन्हें अपने नेत्र देकर जाएँ, जिनके पास दृष्टि नहीं है? नेत्रदान करते समय हमें किन-किन बातों को ध्यान में रखना चाहिए?
- नेत्रदान करने वाला व्यक्ति किसी भी आयु वर्ग अथवा लिंग का हो सकता है। चश्मा पहनने वाले या मोतियाबिंद का ऑपरेशन करा चुके व्यक्ति भी नेत्रदान कर सकते हैं। मधुमेह अथवा उच्च रक्तचाप से पीड़ित व्यक्ति, दमे के रोगी तथा वे व्यक्ति जिन्हें कोई संक्रामक रोग नहीं है, भी नेत्रदान कर सकते हैं।
- मृत्यु के पश्चात 4-6 घंटे के भीतर नेत्र निकाल लिए जाने चाहिए। अतः समीप के नेत्र बैंक को तुरंत सूचित करें।
- नेत्र बैंक की टीम दिवंगत व्यक्ति के घर पर या अस्पताल में नेत्र निकाल लेगी।
- नेत्र निकालने में मात्र 10-15 मिनट का समय लगता है। यह एक सरल प्रक्रिया है तथा इसमें किसी प्रकार का विरूपण नहीं होता।
- ऐसे व्यक्ति जो एड्स (AIDS), हेपेटाइटिस $\mathrm{B}$ या $\mathrm{C}$ (Hepatitis $\mathrm{B}$ or $\mathrm{C}$ ), जलभीति (Rabies), तीव्र लूकीमिया (Acute leukaemia), धनुस्तंभ (Tetanus), हैज़ा, तानिका शोध (Meningitis) या मस्तिष्क शोध (Encephalitis) से संक्रमित हैं या जिनकी इनके कारण मृत्यु हुई हो, नेत्रदान नहीं कर सकते।
नेत्र बैंक दान किए गए नेत्रों को एकत्रित करता है, उनका मूल्यांकन करता है, तथा उन्हें वितरित करता है। सभी दान किए गए नेत्रों का चिकित्सा के उच्च मानदंडों द्वारा मूल्यांकन किया जाता है। प्रत्यारोपण के मानकों पर खरे न उतरने वाले नेत्रों को महत्वपूर्ण अनुसंधान एवं चिकित्सा-शिक्षा के लिए प्रयोग किया जाता है। दानकर्ता तथा नेत्र लेने वाले दोनों की पहचान को गुप्त रखा जाता है।
नेत्रों का एक युगल, कॉर्निया अंधता से पीड़ित चार व्यक्तियों तक को दृष्टि प्रदान कर सकता है।
10.3 प्रिज़्म से प्रकाश का अपवर्तन
आप अध्ययन कर चुके हैं कि एक आयताकार काँच के स्लैब से गुजरने पर प्रकाश किस प्रकार अपवर्तित होता है। समानांतर अपवर्तक पृष्ठों के लिए, जैसा कि काँच के स्लैब में होता है, अपवर्तित किरण आपतित किरण के समानांतर होती है। तथापि, पार्श्व में यह कुछ विस्थापित हो जाती है। किसी पारदर्शी प्रिज़्म से गुजरने पर प्रकाश किस प्रकार अपवर्तित होगा? काँच के एक त्रिभुज प्रिज़्म पर विचार कीजिए। इसके दो त्रिभुजाकार आधार तथा तीन आयताकार पार्श्व-पृष्ठ होते हैं। ये पृष्ठ एक दूसरे पर झुके होते हैं। इसके दो पार्श्व फलकों के बीच के कोण को प्रिज़्म कोण कहते हैं। आइए, अब एक क्रियाकलाप के द्वारा अध्ययन करें कि काँच के त्रिभुज प्रिज़्म से गुजरने पर प्रकाश किस प्रकार अपवर्तित होता है।
क्रियाकलाप 10.1
- एक ड्राइंग बोर्ड पर ड्राइंग पिनों की सहायता से सफ़ेद कागज़ की एक शीट लगाइए।
- इस शीट पर काँच का प्रिज्म इस प्रकार रखिए कि इसका त्रिभुजाकार फलक आधार बन जाए। एक पेंसिल का प्रयोग करके प्रिज़्म की सीमा रेखा खींचिए।
- प्रिज़्म के किसी एक अपवर्तक पृष्ठ $\mathrm{AB}$ से कोई कोण बनाती हुई एक सरल रेखा $\mathrm{PE}$ खींचिए।
- रेखा $\mathrm{PE}$ पर दो पिनें, बिंदु $\mathrm{P}$ तथा $\mathrm{Q}$ पर गाड़िए जैसा कि चित्र 10.4 में दर्शाया गया है।
- फलक $\mathrm{AC}$ की ओर से $\mathrm{P}$ तथा $\mathrm{Q}$ पिनों के प्रतिबिंबों को देखिए।
- $\mathrm{R}$ तथा $\mathrm{S}$ बिंदुओं पर दो और पिनें इस प्रकार गाड़िए कि पिन $\mathrm{R}$ तथा $\mathrm{S}$ एवं पिन $\mathrm{P}$ तथा $\mathrm{Q}$ के प्रतिबिंब एक सीधी रेखा में दिखाई दें।
- पिनों तथा काँच के प्रिज़्म को हटाइए।
- रेखा PE प्रिज्ञम की सीमा रेखा के बिंदु $\mathrm{E}$ पर (चित्र 10.4 देखिए) मिलती है। इसी प्रकार, बिंदुओं, $R$ तथा $S$ को एक रेखा से जोड़िए तथा इस रेखा को इस प्रकार आगे बढ़ाइए कि यह प्रिज़्म के फलक $A C$ से $F$ पर मिले। हम पहले ही देख चुके हैं कि पिनों $P$ तथा $Q$ को मिलाने वाली रेखा फलक $\mathrm{AB}$ से $\mathrm{E}$ पर मिलती है। $\mathrm{E}$ तथा $\mathrm{F}$ को मिलाइए।
- प्रिज़्म के अपवर्तक पृष्ठों $\mathrm{AB}$ तथा $\mathrm{AC}$ पर क्रमशः बिंदुओं $\mathrm{E}$ तथा $\mathrm{F}$ पर अभिलंब खींचिए।
- चित्र 10.4 में दर्शाए अनुसार आपतन कोण $(\angle \mathrm{i})$ अपवर्तन कोण $(\angle \mathrm{r})$ तथा निर्गत कोण $(\angle \mathrm{e})$ को चिह्नित कीजिए।
$\mathrm{PE}- $ आपतित किरण $ \angle \mathrm{i}- $ आपतन कोण
$\mathrm{EF}- $ अपवर्तित किरण $ \angle \mathrm{r}- $ अपवर्तन कोण
$\mathrm{FS}- $ निर्गत किरण $ \angle \mathrm{e}- $ निर्गत कोण
$\angle \mathrm{A}- $ प्रिज़्म कोण $ \angle \mathrm{D}- $ विचलन कोण
चित्र 10.4 काँच के त्रिभुज प्रिज्म से प्रकाश का अपवर्तन
यहाँ $\mathrm{PE}$ आपतित किरण है, $\mathrm{EF}$ अपवर्तित किरण है तथा FS निर्गत किरण है। आप देख सकते हैं कि पहले पृष्ठ $\mathrm{AB}$ पर प्रकाश की किरण वायु से काँच में प्रवेश कर रही है। अपवर्तन के पश्चात प्रकाश की किरण अभिलंब की ओर मुड़ जाती है। दूसरे पृष्ठ $\mathrm{AC}$ पर प्रकाश की किरण काँच से वायु में प्रवेश करती है। अतः यह अभिलंब से दूर मुड़ती है। प्रिज़्म के प्रत्येक अपवर्तक पृष्ठ पर आपतन कोण तथा अपवर्तन कोण की तुलना कीजिए। क्या यह काँच के स्लैब में हुए झुकाव के समान ही है? प्रिज़्म की विशेष आकृति के कारण निर्गत किरण, आपतित किरण की दिशा से एक कोण बनाती है। इस कोण को विचलन कोण कहते हैं। इस स्थिति में $\angle D$ विचलन कोण है। उपरोक्त क्रियाकलाप में विचलन कोण को चिह्नित कीजिए तथा इसे मापिए।
10.4 काँच के प्रिज़्म द्वारा श्वेत प्रकाश का विक्षेपण
आपने किसी इंद्रधनुष में भव्य वर्णों (रंगों) को देखा और सराहा होगा। सूर्य के श्वेत प्रकाश से हमें इंद्रधनुष के विभिन्न वर्ण (रंग) किस प्रकार प्राप्त हो जाते हैं? इस प्रश्न पर विचार करने से पहले हम फिर से प्रिज़्म से होने वाले प्रकाश के अपवर्तन को देखते हैं। काँच के प्रिज़्म के झुके हुए अपवर्तक पृष्ठ एक रोचक परिघटना दर्शाते हैं। आइए, इसे एक क्रियाकलाप द्वारा देखें।
क्रियाकलाप 10.2
- गत्ते की एक मोटी शीट लीजिए तथा इसके मध्य में एक छोटा छिद्र या एक पतली झिरी बनाइए।
- पतली झिरी पर सूर्य का प्रकाश पड़ने दीजिए। इससे श्वेत प्रकाश का एक पतला किरण पुंज प्राप्त होता >है।
- अब काँच का एक प्रिज़्म लीजिए तथा चित्र 10.5 में दर्शाए अनुसार झिरी से प्रकाश को इसके एक फलक >पर डालिए।
- प्रिज़्म को धीरे से इतना घुमाइए कि इससे बाहर निकलने वाला प्रकाश पास रखे किसी परदे पर दिखाई >देने लगे।
- आप क्या देखते हैं? आप वर्णों की एक आकर्षक पट्टी देखेंगे। ऐसा क्यों होता है?
संभवतः प्रिज़्म ने आपतित श्वेत प्रकाश को रंगों (वर्णों) की पट्टी में विभक्त कर दिया है। इस रंगीन पट्टी के दोनों सिरों पर दिखाई देने वाले वर्णों को नोट कीजिए। परदे पर दिखाई देने वाले वर्णों का क्रम क्या है? दिखाई देने वाले विभिन्न वर्णों का क्रम— बैंगनी (violet), जामुनी (indigo), नीला (blue), हरा (green), पीला (yellow), नारंगी (orange) तथा लाल (red) जैसा कि चित्र 10.5 में दर्शाया गया है। प्रसिद्ध परिवर्णी शब्द VIBGYOR आपको वर्णों के क्रम याद रखने में सहायता करेगा। प्रकाश के अवयवी वर्णों के इस बैंड को स्पेक्ट्रम कहते हैं। हो सकता है कि आप सभी वर्णों को अलग-अलग न देख पाएँ। फिर भी कुछ ऐसा अवश्य है, जो प्रत्येक वर्ण को एक-दूरे से अलग करता है। प्रकाश के अवयवी वर्णों में विभाजन को विक्षेपण कहते हैं।
चित्र 10.5 काँच के प्रिज्म द्वारा श्वेत प्रकाश का विक्षेपण
आपने देखा कि श्वेत प्रकाश प्रिज़्म द्वारा इसके सात अवयवी वर्णों में विक्षेपित हो जाता है। हमें ये वर्ण क्यों प्राप्त होते हैं? किसी प्रिज़्म से गुजरने के पश्चात, प्रकाश के विभिन्न वर्ण, आपतित किरण के सापेक्ष अलग-अलग कोणों पर झुकते (मुड़ते) हैं। लाल प्रकाश सबसे कम झुकता है, जबकि बैंगनी सबसे अधिक झुकता है। इसलिए प्रत्येक वर्ण की किरणें अलग-अलग पथों के अनुदिश निर्गत होती हैं तथा सुस्पष्ट दिखाई देती हैं। यह सुस्पष्ट वर्णों का बैंड ही हमें स्पेक्ट्रम के रूप में दिखाई देता है।
चित्र 10.6 श्वेत प्रकाश के स्पेक्ट्रम का पुनर्योजन
आइज़क न्यूटन ने सर्वप्रथम सूर्य का स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए काँच के प्रिज़्म का उपयोग किया। दूसरे समान प्रिज़्म उपयोग करके उन्होंने श्वेत प्रकाश के स्पेक्ट्रम के वर्णों को और अधिक विभक्त करने का प्रयत्न किया, किंतु उन्हें और अधिक वर्ण नहीं मिल पाए। फिर उन्होंने चित्र 10.6 की भाँति एक दसरा सर्व सम प्रिज़्म पहले प्रिज़्म के सापेक्ष उल्टी स्थिति में रखा। इससे स्पेक्ट्रम के सभी वर्ण दूसरे प्रिज़्म से होकर गुज़े। उन्होंने देखा कि दूसरे प्रिज़्म से श्वेत प्रकाश का किरण पुंज निर्गत हो रहा है। इस प्रेक्षण से न्यूटन को यह विचार आया कि सूर्य का प्रकाश सात वर्णों से मिलकर बना है। कोई भी प्रकाश जो सूर्य के प्रकाश के सदृश स्पेक्ट्रम बनाता है, प्राय: श्वेत प्रकाश कहलाता है।
इंद्रधनुष, वर्षा के पश्चात आकाश में जल के सूक्ष्म कणों में दिखाई देने वाला प्राकृतिक स्पेक्ट्रम (चित्र 10.7) है। यह वायुमंडल में उपस्थित जल की सूक्ष्म बूँदों द्वारा सूर्य के प्रकाश के परिक्षेपण के कारण प्राप्त होता है। इंद्रधनुष सदैव सूर्य के विपरीत दिशा में बनता है। जल की सूक्ष्म बूँदें छोटे प्रिज़्मों की भाँति कार्य करती हैं। सूर्य के आपतित प्रकाश को ये बूँदें अपवर्तित तथा विक्षेपित करती हैं, तत्पश्चात इसे आंतरिक परावर्तित करती हैं। अंततः जल की बूँद से बाहर निकलते समय प्रकाश को पुनः अपवर्तित (चित्र 10.8) करती हैं। प्रकाश के परिक्षेपण तथा आंतरिक परावर्तन के कारण विभिन्न वर्ण प्रेक्षक के नेत्रों तक पहुँचते हैं।
यदि सूर्य आपकी पीठ की ओर हो और आप आकाश की ओर धूप वाले किसी दिन किसी जल प्रपात अथवा जल के फव्वारे से देखें तो आप इंद्रधनुष का दृश्य देख सकते हैं।
चित्र 10.7 आकाश में इंद्रधनुष
चित्र 10.8 इंद्रधनुष का बनना
10.5 वायुमंडलीय अपवर्तन
आपने संभवतः कभी आग या भट्टी अथवा किसी ऊष्मीय विकिरक के ऊपर उठती गरम वायु के विक्षुब्ध प्रवाह में धूल के कणों की आभासी, अनियमित, अस्थिर गति अथवा झिलमिलाहट देखी होगी। आग के तुरंत ऊपर की वायु अपने ऊपर की वायु की तुलना में अधिक गरम हो जाती है। गरम वायु अपने ऊपर की ठंडी वायु की तुलना में हल्की (कम सघन) होती है तथा इसका अपवर्तनांक ठंडी वायु की अपेक्षा थोड़ा कम होता है, क्योंकि अपवर्तक माध्यम (वायु) की भौतिक अवस्थाएँ स्थिर नहीं हैं, इसलिए गरम वायु में से होकर देखने पर वस्तु की आभासी स्थिति परिवर्तित होती रहती है। इस प्रकार यह अस्थिरता हमारे स्थानीय पर्यावरण में लघु स्तर पर वायुमंडलीय अपवर्तन (पृथ्वी के वायुमंडल के कारण प्रकाश का अपवर्तन) का ही एक प्रभाव है। तारों का टिमटिमाना बृहत् स्तर की एक ऐसी ही परिघटना है। आइए, देखें इसकी व्याख्या हम किस प्रकार कर सकते हैं।
चित्र 10.9 वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण तारे की आभासी स्थिति
तारों का टिमटिमाना
तारों के प्रकाश के वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण ही तारे टिमटिमाते प्रतीत होते हैं। पृथ्वी के वायुमंडल में प्रवेश करने के पश्चात पृथ्वी के पृष्ठ पर पहुँचने तक तारे का प्रकाश निरंतर अपवर्तित होता जाता है। वायुमंडलीय अपवर्तन उसी माध्यम में होता है, जिसका क्रमिक परिवर्ती अपवर्तनांक हो, क्योंकि वायुमंडल तारे के प्रकाश को अभिलंब की ओर झुका देता है। अतः तारे की आभासी स्थिति उसकी वास्तविक स्थिति से कुछ भिन्न प्रतीत होती है। क्षितिज के निकट देखने पर (चित्र 10.9) कोई तारा अपनी वास्तविक स्थिति से कुछ ऊँचाई पर प्रतीत होता है। इसके अतिरिक्त जैसा कि ऐसी ही परिस्थिति में पिछले अनुभाग में वर्णन किया जा चुका है, तारे की यह आभासी स्थिति भी स्थायी न होकर धीर-धीरे थोड़ी बदलती भी रहती है, क्योंकि पृथ्वी के वायुमंडल की भौतिक अवस्थाएँ स्थायी नहीं हैं। चूँकि, तारे बहुत दूर हैं, अतः वे प्रकाश के बिंदु-स्रोत के सन्निकट हैं, क्योंकि तारों से आने वाली प्रकाश किरणों का पथ थोड़ा-थोड़ा परिवर्तित होता रहता है। अतः तारे की आभासी स्थिति विचलित होती रहती है तथा आँखों में प्रवेश करने वाले तारों के प्रकाश की मात्रा झिलमिलाती रहती है, जिसके कारण कोई तारा कभी चमकीला प्रतीत होता है तो कभी धुँधला, जो कि टिमटिमाहट का प्रभाव है।
ग्रह क्यों नहीं टिमटिमाते? ग्रह तारों की अपेक्षा पृथ्वी के बहुत पास हैं और इसीलिए उन्हें विस्तृत स्रोत की भाँति माना जा सकता है। यदि हम ग्रह को बिंद-साइज़ के अनेक प्रकाश स्रोतों का संग्रह मान लें तो सभी बिंदु साइज़ के प्रकाश-स्रोतों से हमारे नेत्रों में प्रवेश करने वाले प्रकाश की मात्रा में कुल परिवर्तन का औसत मान शून्य होगा, इसी कारण टिमटिमाने का प्रभाव निष्प्रभावित हो जाएगा।
चित्र 10.10 वायुमंडलीय अपवर्तन का सूर्योदय तथा सूर्यास्त पर प्रभाव
अग्रिम सूर्योदय तथा विलंबित सूर्यास्त
वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण सूर्य हमें वास्तविक सूर्योदय से लगभग 2 मिनट पूर्व दिखाई देने लगता है तथा वास्तविक सूर्यास्त के लगभग 2 मिनट पश्चात तक दिखाई देता रहता है। वास्तविक सूर्योदय से हमारा अर्थ है, सूर्य द्वारा वास्तव में क्षितिज को पार करना। चित्र 10.10 में सूर्य की क्षितिज के सापेक्ष वास्तविक तथा आभासी स्थितियाँ दर्शाई गई हैं। वास्तविक सूर्यास्त तथा आभासी सूर्यास्त के बीच समय का अंतर लगभग 2 मिनट है। इसी परिघटना के कारण ही सूर्योदय तथा सूर्यास्त के समय सूर्य की चक्रिका चपटी प्रतीत होती है।
10.6 प्रकाश का प्रकीर्णन
प्रकाश तथा हमारे चारों ओर की वस्तुओं के बीच अन्योन्यक्रिया के कारण ही हमें प्रकृति में अनेक आश्चर्यजनक परिघटनाएँ देखने को मिलती हैं। आकाश का नीला रंग, गहरे समुद्र के जल का रंग, सूर्योदय तथा सूर्यास्त के समय सूर्य का रक्ताभ दिखाई देना, कुछ ऐसी अदभुत परिघटनाएँ हैं, जिनसे हम परिचित हैं। पिछली कक्षा में आपने कोलॉइडी कणों द्वारा प्रकाश के प्रकीर्णन के विषय में अध्ययन किया है। किसी वास्तविक विलयन से गुज़रने वाले प्रकाश किरण पुंज का मार्ग हमें दिखाई नहीं देता। तथापि, किसी कोलॉइडी विलयन में जहाँ कणों का साइज़ अपेक्षाकृत बड़ा होता है, यह मार्ग दृश्य होता है।
10.6.1 टिंडल प्रभाव
पृथ्वी का वायुमंडल सूक्ष्म कणों का एक विषमांगी मिश्रण है। इन कणों में धुआँ, जल की सूक्ष्म बूँदें, धूल के निलंबित कण तथा वायु के अणु सम्मलित होते हैं। जब कोई प्रकाश किरण पुंज ऐसे महीन कणों से टकराता है तो उस किरण पुंज का मार्ग दिखाई देने लगता है। इन कणों से विसरित प्रकाश परावर्तित होकर हमारे पास तक पहुँचता है। कोलॉइडी कणों द्वारा प्रकाश के प्रकीर्णन की परिघटना टिंडल प्रभाव उत्पन्न करती है, जिसके विषय में आप कक्षा 9 में पढ़ चुके हैं। जब धुएँ से भरे किसी कमरे में किसी सूक्ष्म छिद्र से कोई पतला प्रकाश किरण पुंज प्रवेश करता है तो इस परिघटना को देखा जा सकता है। इस प्रकार, प्रकाश का प्रकीर्णन कणों को दृश्य बनाता है, जब किसी घने जंगल के वितान (canopy) से सूर्य का प्रकाश गुजरता है तो टिंडल प्रभाव को देखा जा सकता है। जंगल के कुहासे में जल की सूक्ष्म बूँदें प्रकाश का प्रकीर्णन कर देती हैं।
प्रकीर्णित प्रकाश का वर्ण, प्रकीर्णन करने वाले कणों के साइज़ पर निर्भर करता है। अत्यंत सूक्ष्म कण मुख्य रूप से नीले प्रकाश को प्रकीर्ण करते हैं, जबकि बड़े साइज़ के कण अधिक तंरगदैर्घ्य के प्रकाश को प्रकीर्ण करते हैं। यदि प्रकीर्णन करने वाले कणों का साइज़ बहुत अधिक है तो प्रकीर्णित प्रकाश श्वेत भी प्रतीत हो सकता है।
10.6.2 स्वच्छ आकाश का रंग नीला क्यों होता है?
वायुमंडल में वायु के अणु तथा अन्य सूक्ष्म कणों का साइज़ दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के प्रकाश की अपेक्षा नीले वर्ण की ओर के कम तरंगदैर्घ्य के प्रकाश को प्रकीर्णित करने में अधिक प्रभावी है। लाल वर्ण के प्रकाश की तरंगदैर्घ्य नीले प्रकाश की अपेक्षा लगभग 1.8 गुनी है। अतः, जब सूर्य का प्रकाश वायुमंडल से गुज़रता है, वायु के सूक्ष्म कण लाल रंग की अपेक्षा नीले रंग (छोटी तरंगदैर्य) को अधिक प्रबलता से प्रकीर्ण करते हैं। प्रकीर्णित हुआ नीला प्रकाश हमारे नेत्रों में प्रवेश करता है। यदि पृथ्वी पर वायुमंडल न होता तो कोई प्रकीर्णन न हो पाता, तब आकाश काला प्रतीत होता। अत्यधिक ऊँचाई पर उड़ते हुए यात्रियों को आकाश काला प्रतीत होता है, क्योंकि इतनी ऊँचाई पर प्रकीर्णन सुस्पष्ट नहीं होता।
संभवतः आपने देखा होगा कि ‘खतरे’ के संकेत (सिग्नल) का प्रकाश लाल रंग का होता है। क्या आप इसका कारण जानते हैं? लाल रंग कुहरे या धुएँ से सबसे कम प्रकीर्ण होता है। इसीलिए, यह दूर से देखने पर भी लाल रंग का ही दिखलाई देता है।
आपने क्या सीखा
- नेत्र की वह क्षमता जिसके कारण वह अपनी फोकस दूरी को समायोजित करके निकट तथा दूसस्थ वस्तुओं को फोकसित कर लेता है, नेत्र की समंजन क्षमता कहलाती है।
- वह अल्पतम दूरी जिस पर रखी वस्तु को नेत्र बिना किसी तनाव के सुस्पष्ट देख सकता है, उसे नेत्र का निकट बिंदु अथवा सुस्पष्ट दर्शन की अल्पतम दूरी कहते हैं। सामान्य दृष्टि के वयस्क के लिए यह दूरी लगभग $25 \mathrm{~cm}$ होती है।
- दृष्टि के सामान्य अपवर्तक दोष हैं- निकट-दृष्टि, दीर्घ-दृष्टि तथा जरा-दूरदृष्टिता। निकट-दृष्टि (निकट दृष्टिता - दूर रखी वस्तु का प्रतिबिंब दृष्टिपटल के सामने बनता है।) को उचित क्षमता के अवतल लेंस द्वारा संशोधित किया जाता है। दीर्घ-दृष्टि (दूरदृष्टिता - पास रखी वस्तुओं के प्रतिबिंब दृष्टिपटल के पीछे बनते हैं।) को उचित क्षमता के उत्तल लेंस द्वारा संशोधित किया जाता है। वृद्धावस्था में नेत्र की समंजन क्षमता घट जाती है।
- श्वेत प्रकाश का इसके अवयवी वर्णों में विभाजन विक्षेपण कहलाता हैं।
- प्रकाश के प्रकीर्णन के कारण आकाश का रंग नीला तथा सूर्योदय एवं सूर्यास्त के समय सूर्य रक्ताभ प्रतीत होता है।
अभ्यास
1. मानव नेत्र अभिनेत्र लेंस की फोकस दूरी को समायोजित करके विभिन्न दूरियों पर रखी वस्तुओं को फोकसित कर सकता है। ऐसा हो पाने का कारण है-
(a) जरा-दूरदृष्टिता
(b) समंजन
(c) निकट-दृष्टि
(d) दीर्घ-दृष्टि
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#missing2. मानव नेत्र जिस भाग पर किसी वस्तु का प्रतिबिंब बनाते हैं वह है-
(a) कॉर्निया
(b) परितारिका
(c) पुतली
(d) दृष्टिपटल
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#missing3. सामान्य दृष्टि के वयस्क के लिए सुस्पष्ट दर्शन की अल्पतम दूरी होती है, लगभग-
(a) $25 \mathrm{~m}$
(b) $2.5 \mathrm{~cm}$
(c) $25 \mathrm{~cm}$
(d) $2.5 \mathrm{~m}$
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#missing4. अभिनेत्र लेंस की फोकस दूरी में परिवर्तन किया जाता है-
(a) पुतली द्वारा
(b) दृष्टिपटल द्वारा
(c) पक्ष्माभी द्वारा
(d) परितारिका द्वारा
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#missing5. किसी व्यक्ति को अपनी दूर की दृष्टि को संशोधित करने के लिए- 5.5 डाइऑप्टर क्षमता के लेंस की आवश्यकता है। अपनी निकट की दृष्टि को संशोधित करने के लिए उसे +1.5 डाइऑप्टर क्षमता के लेंस की आवश्यकता है। संशोधित करने के लिए आवश्यक लेंस की फोकस दूरी क्या होगी(i) दूर की दृष्टि के लिए (ii) निकट की दृष्टि के लिए।
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#missing6. किसी निकट-दृष्टि दोष से पीड़ित व्यक्ति का दूर बिंदु नेत्र के सामने $80 \mathrm{~cm}$ दूरी पर है। इस दोष को संशोधित करने के लिए आवश्यक लेंस की प्रकृति तथा क्षमता क्या होगी?
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#missing7. चित्र बनाकर दर्शाइए कि दीर्घ-दृष्टि दोष कैसे संशोधित किया जाता है। एक दीर्घ-दृष्टि दोषयुक्त नेत्र का निकट बिंदु $1 \mathrm{~m}$ है। इस दोष को संशोधित करने के लिए आवश्यक लेंस की क्षमता क्या होगी? यह मान लीजिए कि सामान्य नेत्र का निकट बिंदु $25 \mathrm{~cm}$ है।
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#missing8. सामान्य नेत्र $25 \mathrm{~cm}$ से निकट रखी वस्तुओं को सुस्पष्ट क्यों नहीं देख पाते?
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#missing9. जब हम नेत्र से किसी वस्तु की दूरी को बढ़ा देते हैं तो नेत्र में प्रतिबिंब-दूरी का क्या होता है?
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#missing10. तारे क्यों टिमटिमाते हैं?
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#missing11. व्याख्या कीजिए कि ग्रह क्यों नहीं टिमटिमाते।
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#missing12. किसी अंतरिक्षयात्री को आकाश नीले की अपेक्षा काला क्यों प्रतीत होता है?
