విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు

ప్రసరించే దిశకి లంబంగాను, ఒకదానికి మరొకటి లంబ దిశలోను కంపిస్తున్న విద్యుత్తు, అయస్కాంత క్షేత్రాలను కలిగియున్న తరంగాలను విద్యుదయస్కాంత తరంగాలంటారు. ఈ తరంగాలు శూన్యంలో కాంతి వేగం (c)తో పయనిస్తాయి. తరంగాల ఉత్పత్తి మూలాన్ని బట్టి వాటి తరంగదైర్ఘ్యం, పౌనఃపున్యాలు మారుతాయి. తరంగదైర్ఘ్యం, పౌనఃపున్యాలను బట్టి వాటి ప్రవర్తన, వివిధ వస్తువులపై వాటి ప్రభావాల్లో మార్పులు ఉంటాయి కాబట్టి అవి వేరు వేరు పేర్లతో వాడుకలో ఉన్నాయి. అవే (పౌనఃపున్యం పెరిగే క్రమంలో) రేడియో తరంగాలు, మైక్రో తరంగాలు, పరారుణ తరంగాలు, దృగ్గోచర (కంటికి కనిపించే) కాంతి, అతినీలలోహిత తరంగాలు, X కిరణాలు, γ (గామా) కిరణాలు. ఈ వికిరణాల సముదాయాన్ని విద్యుదయస్కాంత వర్ణపటం అంటారు.

విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు ప్రసరించే విధానం యొక్క ఊహా చిత్రం

విద్యుదయస్కాంత వర్ణపటం

విద్యుదావిష్ట కణాలలో వేగవృద్ధి జరిగినప్పుడు వాటి నుంచి విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు వెలువడి చుట్టుపక్కల ఉన్న ఇతర విద్యుదావిష్ట కణాలపై శక్తిని ప్రయోగిస్తాయి. అలా ఈ తరంగాలు శక్తినీ, ఉరవడినీ, కోణతతినీ అవి ప్రభావితం చేసే కణాలకు అందజేస్తాయి. ఈ విధంగా వాటిని వెలువరించిన మూల కణాలతో సంబంధం లేకుండా చాలా దూరాలకు ప్రయాణించే విద్యుదయస్కాంత తరంగాలనే విద్యుదయస్కాంత వికిరణాలని అంటారు. మూలానికి దూరంగా కూడా వ్యాప్తి చెందడం వల్ల విద్యుదయస్కాంత వికిరణాలని దూర క్షేత్రం అని కూడా అంటారు.

క్వాంటమ్ యంత్రశాస్త్రం ప్రకారం విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రంలో అతి చిన్న పరిమాణాలైన కాంతికణాలు (ఫోటాన్లు) విద్యుదయస్కాంత ప్రభావాలన్నిటికీ కారణం. కాంతికణాలు అచేతనావస్థలో ఉన్నప్పుడు ఏ బరువూ లేకుండా ఉంటాయి. అణు స్థాయిలో విద్యుదయస్కాంత ప్రభావాలు ఎలా ఉంటాయో చెప్పేదే క్వాంటమ్ విద్యుత్ గతిశాస్త్రం (ఎలెక్ట్రోడైనమిక్స్). క్వాంటమ్ సిద్దాంతాలు కాంతికణాల పుట్టుక, వ్యవహారశైలిపై స్పష్టతనిస్తాయి. ఒక అణువులోని విద్యుత్కణాలు కింది కక్ష్యలకు (శక్తిస్థాయులకు) పడినప్పుడు కాంతికణాలు ఉత్పన్నమౌతాయి. ఈ కాంతికణాల శక్తి పరిమాణీకృతమై ఉండి, వాటి పౌనఃపున్యాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్లాంక్ సమీకరణం శక్తికీ, పౌనఃపున్యానికీ మధ్య సంబంధాన్ని ఇలా వివరిస్తుంది: E = hf; E - కాంతికణం యొక్క శక్తి, h - ప్లాంక్ స్థిరాంకము = 6.626×10⁻³⁴ J s, f - కాంతికణం యొక్క పౌనఃపున్యం. ఉదాహరణకు γ (గామా) కిరణాల పౌనఃపున్యం దృగ్గోచర కాంతి కిరణాల పౌనఃపున్యం కంటే ఎన్నో రెట్లు ఎక్కువ అవడం వాల్ల వాటి శక్తి కూడా ఎక్కువగా ఉంటుంది.

విద్యుదయస్కాంత వికిరణాల శక్తిని బట్టి వివిధ వస్తువులపై వాటి ప్రభావం ఉంటుంది. తక్కువ పౌనఃపున్యంగల రేడియో, మైక్రో, పరారుణ, దృగ్గోచర కాంతి తరంగాలు అవి తాకే అణువుల ఉష్ణోగ్రత పెంచగలవే కానీ అణువులను అయనీకరించలేవు. అదే ఎక్కువ పౌనఃపున్యంగల అతినీలలోహిత, X, γ కిరణాలలో ఉన్న కాంతికణాలకు అధిక శక్తి ఉండటంవల్ల అవి తాకే అణువులను అయనీకరించగలవు, రసాయనిక బంధాలను తెంచగలవు. జీవకణాలకు హాని కలిగించే శక్తి వీటికి ఉంటుంది.

చరిత్ర

పరారుణ కిరణాలు

కంటికి కనపడే దృగ్గోచర కాంతి గురించి కొన్ని వందల ఏళ్లుగా తెలిసినప్పటికీ కనపడని ఇతర విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను 19వ శతాబ్దం ఆరంభంలో పలు శాస్త్రవేత్తలు కనుగొన్నారు. విలియం హెర్షెల్ అనే జర్మన్-బ్రిటిష్ ఖగోళ శాస్త్రజ్ఞుడు పరారుణ కిరణాలను కనుగొని 1800 సం.లో రాయల్ సొసైటీ ఆఫ్ లండన్ లో ప్రచురించాడు. గాజు పట్టకంలో నుంచి సూర్యరశ్మిని ప్రసరింపచేస్తే వచ్చే పలు రంగుల కిరణాల ఉష్ణోగ్రతలను కొలుస్తుండగా ఎరుపు రంగు కంటే దాని పక్కన ఖాళీ ప్రదేశంలో ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉండటం గమనించాడు హెర్షెల్. దీంతో ఎరుపు రంగుకు ఆవల కంటికి కనపడని తరంగాలు ఉన్నాయని నిశ్చయించుకుని వాటికి కెలోరిఫిక్ తరంగాలని పేరు పెట్టాడు. తరువాతి కాలంలో అవే పరారుణ కిరణాలయ్యాయి.

అతినీలలోహిత కిరణాలు

హెర్షెల్ చేసిన ప్రయోగం లాంటిదే 1801 లో జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త జోహాన్ విల్హేల్మ్ రిట్టర్ చేసి అతినీలలోహిత కిరణాలను కనుగొన్నాడు. గాజు పట్టకం ద్వారా ఏర్పడిన దృగ్గోచర కాంతి వర్ణపటంలోని ఊదా రంగు కంటే దాని పక్కన ఉన్న కనపడని కిరణాలకు రజత హరిదాన్ని (సిల్వర్ క్లోరైడ్) నల్లబరచడానికి చాలా తక్కువ సమయం పట్టిందని రిట్టర్ గుర్తించాడు. ఈ తరంగాలు రసాయనిక ప్రతిచర్యలు చేయగలవని గుర్తించి వాటిని రసాయనిక తరంగాలు (కెమికల్ రేస్) అని అన్నాడు. అవే అతినీలలోహిత కిరణాలయ్యాయి. రజత హరిదం రంగు మారే ప్రక్రియ తరువాతి కాలంలో ఛాయాచిత్ర గ్రహణానికి (ఫోటోగ్రఫీకి) మూలసూత్రం అయింది.

రేడియో, మైక్రో తరంగాలు

1862-64 కాలంలో జేమ్స్ క్లెర్క్ మాక్స్వెల్ విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రం తీరుతెన్నులు వివరించే కొన్ని సమీకరణాలను రూపొందించాడు. వాటిని బట్టి విద్యుదయస్కాంత తరంగాల వేగం అప్పటికే రూఢి అయిన కాంతివేగానికి సమానంగా ఉన్నట్టు గుర్తించాడు. అందువల్ల అప్పటిదాకా కనుగొన్న దృగ్గోచర, పరారుణ, అతినీలలోహిత కిరణాలన్నీ విద్యుదయస్కాంత తరంగాల్లో రకాలేనని మాక్స్వెల్ సూచించాడు. మాక్స్వెల్ సమీకరణాల వల్ల విద్యుదావిష్ట కణాలను కావలసిన పౌనఃపున్యంతో కంపించేటట్లు చేయడం సాధ్యమైంది. ఈ విధానాన్ని ఉపయోగించి హైన్రిక్ హెర్ట్జ్ 1887 లో దృగ్గోచర కాంతి కంటే చాలా తక్కువ పౌనఃపున్యంతో కణాలను ప్రకంపింపజేసాడు. అలా వెలువడిన తరంగాలను గుర్తించి వాటిని రేడియో, మైక్రో తరంగాలుగా వర్గీకరించాడు.

X-కిరణాలు

1895 లో విల్హేల్మ్ ర్యోన్ట్జెన్ ఋణధ్రువ కిరణాలపై (క్యాథోడ్ రేస్) ప్రయోగం చేస్తున్నప్పుడు యాధృచ్చికంగా X-కిరణాలను కనుగొన్నాడు. క్యాథోడ్ ట్యూబులో కాంతి ప్రవేశించకుండా దట్టమైన నల్ల కాగితం చుట్టేసి ట్యూబు చివర ప్రస్ఫురణ పటలాన్ని ఉంచాడు. అప్పుడు పటలంపై ఆకుపచ్చ గీతలు కనిపించడంతో అవి కంటికి కనిపించని కొత్త రకం కిరణాల వాళ్ళ ఏర్పడ్డాయని గ్రహించి ఆ కిరణాల్ని X-కిరణాలని పిలిచాడు. X-కిరణాలపై విస్తారంగా ప్రయోగాలు చేసి అవి దాదాపు అన్ని పద్దార్థాల గుండా ప్రయాణించగలవని ర్యోన్ట్జెన్ ధృవీకరించాడు. అలాగే మానవ కణజాలంలో నుంచి ప్రయాణించి లోపల ఉన్న ఎముకలను చూడగలవని గుర్తించి వైద్యశాస్త్రంలో ఒక విప్లవం తెచ్చాడు.

γ-కిరణాలు

విద్యుదయస్కాంత వర్ణపటంలో చివరివైన γ-కిరణాలు రేడియోధార్మికతకు సంబంధించినవి. వీటిని కనుగొనడంలో పలు శాస్త్రవేత్తల కృషి ఉంది. యురేనియం లవణాలు కాగితంతో మూసేసి ఉన్నప్పటికీ పక్కన ఉన్న ఛాయాగ్రాహక దర్పణంపై మసక గీతాలు ఏర్పడేలా చేస్తున్నాయని హెన్రి బెకెరెల్ గుర్తించాడు. దీనిపై మేరీ క్యూరీ మరిన్ని పరిశోధనలు చేసి అన్ని మూలకాలు యురేనియం చూపిన ఈ లక్షణాన్ని చూపలేవని, రేడియం వంటి కొన్ని మూలకాలు మాత్రమే ఈ శక్తిని విడుదల చేస్తాయని కనుగొంది. 1899 లో ఎర్నెస్ట్ రూధర్ఫోర్డ్ పిచ్బ్లెండ్ మూలకం విడుదల చేసే వికిరణాల్ని ఆల్ఫా, బీటా అనే రెండు రకాల విద్యుదావిష్ట కిరణాలుగా విభజించాడు. 1900 లో పాల్ విల్లార్డ్ రేడియంపై ప్రయోగాలు చేస్తూ, తటస్థ విద్యుదావేశం కలిగి ఎక్కువగా చొచ్చుకుపోయే సామర్థ్యంగల కిరణాలను రేడియం విడుదల చేస్తుందని గుర్తించాడు. తను కనుగొన్న ఆల్ఫా, బీటాలకు భిన్నంగా ఇవి మూడవ రకమైన కిరణాలని గుర్తించిన రూధర్ఫోర్డ్ 1903 లో వీటికి γ-కిరణాలని పేరు పెట్టాడు. తరువాతి కాలంలో రూధర్ఫోర్డ్ తో పాటు హెన్రి బ్రాగ్, ఎడ్వర్డ్ అండ్రాడ్ విడివిడిగా γ-కిరణాల ధర్మాలను కనుగొన్నారు. ఇవి X-కిరణాల లాంటివే కానీ ఇంకా తక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం కలిగి ఉంటాయి. X-కిరణాలు మానవ సృష్టి, సహజంగా ప్రకృతిలో ఉండవు. కానీ γ-కిరణాలు అస్థిరంగా ఉన్న అణు కేంద్రకాల నుంచి సహజంగా ఉత్పన్నమౌతాయి.

భూ-వాతావరణంలో విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు

వాతావరణ గవాక్షాలు

భూమికి ఉన్న విద్యుదయస్కాంత తరంగాల మూలాల్లో ముఖ్యమైనది సూర్యుడు. భూమిని అంటిపెట్టుకుని ఉన్న, నత్రజని, ఆమ్లజని, కార్బన్ డయాక్సయిడ్, నీటి ఆవిరి వంటి అనేక వాయువులు కలగలిసిన, పొరని భూమి వాతావరణం అంటాము. వాతావరణంలోని ఒక్కో వాయువు సూర్యుడి నుంచి వచ్ఛే విద్యుదయస్కాంత తరంగాల్లోని కొన్ని తరంగదైర్ఘ్యాలను శోషిస్తే కొన్నిటిని దాని గుండా వెళ్ళనిస్తుంది. ఏ తరంగదైర్ఘ్యాల్లో అయితే భూ వాతావరణ శోషణ తక్కువగా ఉంటుందో, అవే భూ ఉపరితలాన్ని చేరుతాయి. ఈ తరంగదైర్ఘ్యాలను వాతావరణ గవాక్షాలు (విండోస్) అంటారు. ఉదాహరణకు, γ, X, అతినీలలోహిత కిరణాలు వాతావరణంలోని పైభాగంలో ఉన్న ఓజోన్, ఆమ్లజని, నత్రజని అణువులచే హరించబడి చాలా తక్కువ శాతం భూమి ఉపరితలాన్ని చేరతాయి. γ, X కిరణాలు మొత్తంగా హరించుకుపోతే, అతినీలలోహిత కిరణాల్లో 30% ఉపరితలాన్ని చేరతాయి.

దృగ్గోచర కాంతి అతి తక్కువ శోషణకు గురై ఎక్కువ శాతం భూమిని చేరుతుంది. పరారుణ కిరణాల్లో తక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం ఉన్నవి తక్కువ శోషణకు గురవుతాయి కానీ ఎక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం గల పరారుణ కిరణాలను వాతావరణంలోని వాయువులు (ముఖ్యంగా నీటి ఆవిరి) మొత్తంగా హరించేస్తాయి. దృగ్గోచర కాంతి, తక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం గల పరారుణ కిరణాలు భూమిపై ధారాళంగా పడి ఉపరితలంపై ఉన్న వస్తువులచే పరావర్తనం చెందుతాయి. అలా పరావర్తనం చెందిన కిరణాలను గ్రహించి, విశ్లేషించడం ద్వారా ఆయా వస్తువుల గురించిన సమాచారం పొందవచ్చు. రిమోట్ సెన్సింగ్ అని పిలిచే ఈ ప్రక్రియని విమానాలు, ఉపగ్రహాల్లో అమర్చిన సెన్సార్లనుపయోగించి చేస్తారు. కాబట్టి దృగ్గోచర కాంతి, తక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం గల పరారుణ కిరణాలు కలిసి ఉన్న వాతావరణ గవాక్షం రిమోట్ సెన్సింగ్ పరిజ్ఞానం మొత్తానికి మూలాధారం.

ఇక మైక్రో, రేడియో తరంగాలు ఎటువంటి శోషణ లేకుండా మొత్తం భూమిని చేరతాయి. అయితే 30 m కంటే ఎక్కువ తరంగదైర్ఘ్యం గల రేడియో తరంగాలను కొన్ని అయనీకరణ క్రియలు హరిస్తాయి.