కాంతి (Light)

కాంతి (Light) అనేది మనకు వస్తువులు కనిపించేలా చేసే శక్తి రూపం. ఇది ఒక విద్యుదయస్కాంత తరంగం (Electromagnetic wave). కాంతి ప్రసరణకు మాధ్యమం అవసరం లేదు, శూన్యంలో కూడా ప్రయాణిస్తుంది.

• కాంతి వేగం: శూన్యంలో ≈ 3 × 10⁸ m/s (కచ్చితంగా 299,792,458 m/s). ఇదే విశ్వంలో అత్యధిక వేగం.
• కాంతి వేగం తగ్గడం: గాలి కంటే నీటిలో, గాజులో తక్కువ.
• ఖగోళ దూరాలు:
  1. సూర్యుని నుండి భూమికి కాంతి రావడానికి సుమారు 8 నిమిషాల 20 సెకన్లు (≈ 500 సెకన్లు)
  2. చంద్రుని నుండి భూమికి సుమారు 1.3 సెకన్లు
• కాంతి ధర్మాలు: సరళరేఖా ప్రసారం, పరావర్తనం, వక్రీభవనం, వ్యతికరణం, వివర్తనం, ధ్రువణం.
• కాంతి ద్వంద్వ స్వభావం: కాంతి తరంగంగా, కణంగా (ఫొటాన్) రెండూ ప్రవర్తిస్తుంది. ఇది ఆధునిక భౌతిక శాస్త్రం ఫలితం.
• పారదర్శక, అపారదర్శక పదార్థాలు:
  1. పారదర్శకం: కాంతిని పూర్తిగా అనుమతిస్తుంది (గాజు, గాలి)
  2. పాక్షిక పారదర్శకం: కొంత కాంతి (పలుచని కాగితం)
  3. అపారదర్శకం: కాంతిని అనుమతించదు (చెక్క, లోహం)
• నీడ: అపారదర్శక వస్తువు వల్ల కాంతి సరళరేఖలో ప్రయాణిస్తుందనడానికి నీడ ఋజువు. సూర్య, చంద్ర గ్రహణాలు కూడా ఇలాగే ఏర్పడతాయి.

కాంతి ఒక తలాన్ని తాకి వెనక్కి తిరిగి రావడాన్ని పరావర్తనం (Reflection) అంటారు. అద్దంలో మన ప్రతిబింబం కనిపించడానికి ఇదే కారణం.

• పరావర్తన నియమాలు:
  1. పతన కోణం = పరావర్తన కోణం
  2. పతన కిరణం, పరావర్తన కిరణం, పతన బిందువు వద్ద లంబం – ఇవి ఒకే తలంలో ఉంటాయి
• సమతల దర్పణం (Plane mirror):
  1. ప్రతిబింబం మిథ్యా (virtual), నిటారుగా, వస్తువు పరిమాణంతో సమానం
  2. దర్పణం వెనక అంతే దూరంలో ఏర్పడుతుంది
  3. పార్శ్వ విలోమం ఉంటుంది. (అంబులెన్స్ అనే పదం వెనక నుండి చూసేవారికి సరిగ్గా కనిపించడానికి అద్దం ప్రతిబింబంలా రాస్తారు.)
• గోళాకార దర్పణాలు:
  1. పుటాకార దర్పణం (Concave): కాంతిని కేంద్రీకరిస్తుంది (అభిసారి)
  2. కుంభాకార దర్పణం (Convex): కాంతిని విస్తరింపజేస్తుంది (అపసారి)
• ఉపయోగాలు:
  1. పుటాకార: షేవింగ్ అద్దం, డాక్టర్ల హెడ్ మిర్రర్, టార్చ్/వాహనాల హెడ్‌లైట్ రిఫ్లెక్టర్, సోలార్ కుక్కర్లు
  2. కుంభాకార: వాహనాల రియర్ వ్యూ అద్దం (విశాల దృశ్య పరిధి, ప్రతిబింబం ఎప్పుడూ నిటారుగా, చిన్నదిగా)
• దర్పణ సూత్రం:
  1. 1/v + 1/u = 1/f
  2. ఇక్కడ f = R/2 (R వక్రతా వ్యాసార్ధం).
• వ్యాప్త, నియమిత పరావర్తనం: గరుకు తలంపై వ్యాపిత పరావర్తనం, నునుపు తలంపై నియమిత పరావర్తనం.

కాంతి ఒక యానకం నుండి మరో యానకంలోకి వెళ్లేటప్పుడు తన దిశను మార్చుకోవడాన్ని వక్రీభవనం (Refraction) అంటారు. కారణం ఆ రెండు యానకాల్లో కాంతి వేగం వేర్వేరు కావడం.

• వక్రీభవన నియమాలు: స్నెల్ నియమం: n = sin i / sin r. పతన కిరణం, వక్రీభవన కిరణం, లంబం ఒకే తలంలో ఉంటాయి.
• వక్రీభవన గుణకం (Refractive index):
  1. n = శూన్యంలో కాంతి వేగం / యానకంలో కాంతి వేగం. వజ్రానికి అత్యధికం (≈ 2.42)
  2. నీరు ≈ 1.33
  3. గాజు ≈ 1.5.
• కాంతి ఎటు వంగుతుంది?:
  1. విరళ యానకం నుండి సాంద్ర యానకంలోకి వెళ్తే లంబం వైపు వంగుతుంది
  2. సాంద్ర యానకం నుండి విరళంలోకి వెళ్తే లంబం నుండి దూరంగా వంగుతుంది
• రోజువారీ ఉదాహరణలు:
  1. నీటిలో ఉన్న పెన్సిల్ వంగినట్లు కనిపించడం
  2. నీటి కొలను లోతు తక్కువగా కనిపించడం
  3. నక్షత్రాలు మిణుకుమిణుకుమనడం (వాతావరణ వక్రీభవనం)
  4. సూర్యోదయం ముందే, సూర్యాస్తమయం తర్వాత కూడా కొద్దిసేపు సూర్యుడు కనిపించడం
• పూర్ణాంతర పరావర్తనం (Total Internal Reflection): సాంద్ర యానకం నుండి విరళ యానకంలోకి వెళ్లేటప్పుడు పతన కోణం సందిగ్ధ కోణం (critical angle) కంటే ఎక్కువైతే కాంతి పూర్తిగా లోపలికే పరావర్తనం చెందుతుంది.
• ఉదాహరణలు: వజ్రం తళతళ మెరవడం, ఆప్టికల్ ఫైబర్లు, ఎండమావి (mirage), పెరిస్కోప్/బైనాక్యులర్లలో ప్రిజమ్
• ఆప్టికల్ ఫైబర్లను ఇంటర్నెట్, టెలిఫోన్ లైన్లు, వైద్యంలో ఎండోస్కోపీకి వాడతారు

కటకం (Lens) అనేది వక్రీభవనం ద్వారా కాంతిని కేంద్రీకరించే లేదా విస్తరించే పారదర్శక గాజు/ప్లాస్టిక్ ముక్క. కటకాలు కళ్లద్దాలు, కెమెరాలు, సూక్ష్మదర్శినులు వంటి వాటి ప్రాథమిక భాగం.

• రకాలు:
  1. కుంభాకార కటకం (Convex lens): మధ్యలో మందంగా; కాంతిని అభిసరణ చేస్తుంది
  2. పుటాకార కటకం (Concave lens): మధ్యలో పలుచగా; కాంతిని అపసరణ చేస్తుంది
• కటక సూత్రం: 1/v – 1/u = 1/f.
• సామర్థ్యం (Power of lens): P = 1/f (f మీటర్లలో). ప్రమాణం డయాప్టర్ (D).
• కుంభాకార కటక సామర్థ్యం ధనాత్మకం, పుటాకార కటకానిది ఋణాత్మకం
• ఉపయోగాలు:
  1. కుంభాకార: భూతద్దం, కెమెరా, ప్రొజెక్టర్, సూక్ష్మదర్శిని, దూరదృష్టి లోప నివారణ కళ్లద్దాలు
  2. పుటాకార: హ్రస్వదృష్టి లోప నివారణ కళ్లద్దాలు, పీప్‌హోల్ (door viewer)
• సూక్ష్మదర్శిని (Microscope):
  1. చిన్న వస్తువులను పెద్దవిగా చూపడానికి
  2. ఆంటోనీ వాన్ లీవెన్‌హుక్ దీని ఆవిష్కర్తగా పేరుపొందాడు.
• టెలిస్కోప్:
  1. దూర వస్తువులను చూడటానికి
  2. గెలీలియో ఖగోళ పరిశీలనకు వాడాడు. ఆంగ్ల భాషలో 'రిఫ్లెక్టింగ్ టెలిస్కోప్'ను న్యూటన్ తయారుచేశాడు.
• కెమెరా: కుంభాకార కటకం ఫిల్మ్/సెన్సర్‌పై నిజ, తలకిందుల ప్రతిబింబాన్ని ఏర్పరుస్తుంది.
• భూతద్దం: వస్తువును కటకం ఫోకస్ దూరం లోపల ఉంచితే మిథ్యా, నిటారు, పెద్ద ప్రతిబింబం కనిపిస్తుంది.

మానవ నేత్రం ఒక కెమెరా లాంటిది. బయటి నుండి కాంతి కటకం ద్వారా లోపలికి వెళ్లి, వెనక ఉన్న రెటీనాపై ప్రతిబింబాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఈ సమాచారం దృష్టి నాడి ద్వారా మెదడుకు చేరుతుంది.

• నేత్ర భాగాలు:
  1. కార్నియా (Cornea): బయటి పారదర్శక పొర; కాంతి ఎక్కువగా ఇక్కడే వక్రీభవనం చెందుతుంది
  2. కనుపాప (Iris): కంటికి రంగు ఇస్తుంది; పాపను చిన్నదిగా/పెద్దదిగా చేస్తుంది
  3. పాప (Pupil): కాంతి లోపలికి వెళ్లే రంధ్రం
  4. కటకం (Lens): కుంభాకార; సిలియరీ కండరాలు దాని ఆకారాన్ని మారుస్తాయి (సర్దుబాటు, accommodation)
  5. రెటీనా (Retina): ప్రతిబింబం ఏర్పడే తెర; రెండు రకాల కణాలు: శలాక (Rods) – మసక కాంతిలో చూడటానికి; శంకువులు (Cones) – రంగులు చూడటానికి
• స్పష్ట దృష్టి కనీస దూరం: సుమారు 25 సెం.మీ.
• దృష్టి లోపాలు:
  1. హ్రస్వదృష్టి (Myopia): దగ్గరి వస్తువులు కనిపిస్తాయి, దూరం కనిపించవు; పుటాకార కటకంతో సరిచేస్తారు
  2. దూరదృష్టి (Hypermetropia): దూరం కనిపిస్తుంది, దగ్గర కనిపించదు; కుంభాకార కటకంతో సరిచేస్తారు
  3. ప్రెస్బయోపియా: వృద్ధాప్యంలో సర్దుబాటు శక్తి తగ్గడం; ద్విగుణ (bifocal) కటకాలు
  4. అసమదృష్టి (Astigmatism): స్థూపాకార కటకంతో సరిచేస్తారు
  5. వర్ణాంధత్వం (Colour blindness): శంకువుల లోపం; ఎక్కువగా పురుషుల్లో; జాన్ డాల్టన్ దీనిని వివరించాడు
• రాత్రి అంధత్వం: విటమిన్ A లోపం వల్ల.
• కంటి దానం:
  1. మరణానంతరం కార్నియాను దానం చేయవచ్చు
  2. కార్నియా మార్పిడి ద్వారా చూపు తిరిగి వస్తుంది.

తెల్లటి కాంతి నిజానికి ఏడు రంగుల మిశ్రమం. ప్రిజం గుండా వెళ్లినప్పుడు అది వేర్వేరు రంగులుగా విడిపోతుంది. ఆకాశం నీలంగా, సూర్యాస్తమయం ఎర్రగా కనిపించడానికి కారణాలు ఈ భావనల్లోనే ఉన్నాయి.

• వర్ణ విక్షేపణం (Dispersion): తెల్లని కాంతి రంగులుగా విడిపోవడం. 1666లో న్యూటన్ ప్రిజంతో ప్రయోగం చేసి చూపించాడు.
• ఏడు రంగులు (VIBGYOR): వైలెట్, ఇండిగో, బ్లూ, గ్రీన్, ఎల్లో, ఆరెంజ్, రెడ్.
• ఎరుపు రంగు తరంగదైర్ఘ్యం అత్యధికం, వంగుట అత్యల్పం
• వైలెట్ తరంగదైర్ఘ్యం అత్యల్పం, వంగుట అత్యధికం
• ఇంద్రధనస్సు (Rainbow): వర్షం తర్వాత గాలిలోని నీటి బిందువుల్లో కాంతి వక్రీభవనం, అంతర పరావర్తనం, వర్ణ విక్షేపణం జరగడం వల్ల ఏర్పడుతుంది. సూర్యుడు వీక్షకుడి వెనుక ఉండాలి.
• కాంతి పరిక్షేపణం (Scattering): కణాల వల్ల కాంతి అన్ని దిశల్లో చెల్లాచెదురవడం.
• రేలీ పరిక్షేపణం: తరంగదైర్ఘ్యం తక్కువైన రంగులు ఎక్కువగా చెదురుతాయి
• ఆకాశం నీలంగా కనిపించడానికి కారణం: నీలి కాంతి ఎక్కువ చెదురుతుంది
• సూర్యోదయ, సూర్యాస్తమయ సమయాల్లో కాంతి వాతావరణంలో ఎక్కువ దూరం ప్రయాణించి నీలి కాంతి చెదిరిపోతుంది
• మిగిలే ఎరుపు కాంతి వల్ల ఎర్రగా కనిపిస్తుంది
• ప్రమాద సూచికలు (danger signals) ఎరుపు రంగులో ఉంటాయి, ఎందుకంటే ఎరుపు కాంతి తక్కువగా చెదురుతుంది కాబట్టి దూరం నుండి కనిపిస్తుంది
• అంతరిక్షంలో వాతావరణం లేనందున ఆకాశం నల్లగా కనిపిస్తుంది
• ప్రాథమిక రంగులు:
  1. కాంతికి: ఎరుపు, ఆకుపచ్చ, నీలం (RGB)
  2. వర్ణద్రవ్యాలకు: ఎరుపు, పసుపు, నీలం (సంప్రదాయ)