ચુંબકપ્રકાશીય અસર (magnetooptical effect)

January, 2012

૭.૧૦ : ચુ તેહથી ચુંબકીય રસાયણ (magnetochemistry)

ચુંબકપ્રકાશીય અસર (magnetooptical effect) : ચુંબકપ્રેરિત પ્રકાશીય અસર. તે ત્રણ જુદા જુદા પ્રકારની છે : (1) ફૅરેડે અસર, (2) કૉટન-મોટન અસર અને (3) વોઇટ અસર.

(1) ફૅરેડે અસર : 1825માં માઇકલ ફૅરેડેએ કોઈ પ્રકાશીય માધ્યમ ઉપર ચુંબકીય ક્ષેત્રની કેવી અસર થાય છે તે અંગે સંશોધન કર્યું. તેણે શોધી કાઢ્યું કે તલધ્રુવીભૂત (plane polarised) પ્રકાશ જ્યારે પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખવામાં આવેલા પારદર્શક માધ્યમમાંથી પસાર થાય ત્યારે તેના ધ્રુવીભૂત તલનું પરિભ્રમણ થાય છે; જે C.G.S. પદ્ધતિમાં ચુંબકીય તીવ્રતા B ગૉસ (gauss) તથા પ્રકાશના પથની લંબાઈ d સેમી. ઉપર આધારિત છે. પરિભ્રમણ = θ મિનિટ હોય તો,

θ ∝ B અને

θ ∝ d છે

∴ θ ∝ Bd અથવા

θ = V. B. d………………………………………………………………………………………………… (1)

અહીં V = અચળાંક છે જે ‘વૅડેટ અચળાંક’ તરીકે ઓળખાય છે. અને તે (i) પ્રકાશની આવૃત્તિ (કે તરંગલંબાઈ) તથા (ii) માધ્યમના તાપમાન ઉપર આધારિત છે. જુદાં જુદાં માધ્યમ માટે તેનું મૂલ્ય જુદું જુદું હોય છે, જે સારણી(1)માં દર્શાવેલ છે.

Vનો એકમ :

સમી. (1) ઉપરથી

θ નું માપ મિનિટ આર્કમાં, C. G. S.માં Bનો એકમ ગૉસ અને dનો એકમ સેન્ટિમીટર છે. તેથી

અથવા V = મિનિટ આર્ક ગૉસ^–1.સેમી^–1 છે.

સારણી 1 : પ્રકાશની તરંગલંબાઈ = 578 nm.

[1 nm = 1 નૅનોમીટર = 10–9 મીટર]

પદાર્થ	તાપમાન °સે.	V = ….મિનિટ આર્ક. ગૉસ^–1. સેમી.^–1
પાણી	20°	0.0131
^*હવા	0°	6.27 × 10^–6
^*CO₂	0°	9.39 × 10^–6
ફિલન્ટ કાચ	18°	0.0317
સોડિયમ ક્લોરાઇડ (મીઠું)	16°	0.0359
^*દબાણ = 1 વાતાવરણ જેટલું દબાણ = 76.0 સેમી. અથવા 760 મિમી. ઊંચાઈના પારાના સ્તંભ વડે નીપજતું દબાણ છે.

પ્રણાલિકા અનુસાર Vનું ધનાત્મક (+ve) મૂલ્ય પ્રતિચુંબકીય (dia-magnetic) પદાર્થ માટે અને ઋણાત્મક (-ve) મૂલ્ય લોહચુંબકીય (ferromagnetic), લઘુલોહચુંબકીય (ferrimagnetic) તથા અનુચુંબકીય (paramagnetic) પદાર્થ માટે હોય છે. ફૅરેડે અસર ચુંબકીય બળરેખાઓની દિશા ઉપર આધારિત છે. જો પ્રકાશની દિશા અને બળરેખાઓ એકબીજીને સમાંતર હોય તો, ફૅરેડે ભ્રમણ કોણ (q) વિષમઘડી(anticlockwise) દિશામાં થાય છે. તેથી ઊલટું જો તેઓ એકબીજાને પ્રતિસમાંતરે હોય તો θ સમઘડી (clockwise) દિશામાં મળે છે. માટે પ્રકાશને એક વાર માધ્યમમાંથી પસાર કરી, તેનું પરાવર્તન કરીને, ફરીથી તેને તે જ માધ્યમમાંથી પસાર કરવામાં આવે, તો θનું મૂલ્ય બમણું થાય છે. આમ પરાવર્તિત પ્રકાશને વારંવાર માધ્યમમાંથી પસાર કરવામાં આવે તો θનું સંવર્ધન થાય છે. હાઇડ્રોકાર્બનના મિશ્રણનું વિશ્લેષણ (analysis) ફૅરેડે અસરની મદદથી થઈ શકે છે. દરેક ઘટક માટે qનું મૂલ્ય જુદું હોય છે. તદુપરાંત સ્પેક્ટ્રોસ્કોપ ઉપકરણ દ્વારા કરવામાં આવતા અન્વેષણ(spectro-scopic investigation)માં ઊર્જા સ્તર વિશેની માહિતી, ફૅરેડે અસરના અભ્યાસ ઉપરથી મળે છે. લેઝર કિરણોની શોધ પછી ફૅરેડે અસરનો ઉપયોગ પ્રકાશીય સંચારપદ્ધતિ(optical transmission system)માં બહોળા પ્રમાણમાં થવા લાગ્યો છે. કોઈ પણ સંચાર-પદ્ધતિનો આવશ્યક ઘટક ‘મૉડ્યુલેટર’ (modulator) છે. તેની મદદથી સંચારતરંગો (carrier waves) ઉપર માહિતી અંકિત કરવામાં આવે છે. પ્રકાશીય સંચારપદ્ધતિમાં પ્રકાશતરંગના કોઈ પણ પરિમાણ – જેવા કે કંપવિસ્તાર, કલા, ધ્રુવીભૂત સદિશ–નો માહિતીસંકેત (information signal) દ્વારા, ત્વરિત તથા અંકુશિત (controlled) ફેરફાર કરવો આવશ્યક છે. તેને માટે ફૅરેડે અસરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ગૅલિયમની અશુદ્ધિ પ્રયુક્ત ‘યિટ્રિયમ ગારનેટ’(YIG)નો ઉપયોગ ફૅરેડે મૉડ્યુલેટર બનાવવા માટે કરવામાં આવે છે. YIGના નળાકાર સ્ફટિકને એક ગૂંચળામાં રાખવામાં આવે છે; અને માહિતીસંકેતને કારણે મળતો વિદ્યુતપ્રવાહ તેમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. નળાકારના અક્ષની દિશામાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર લગાડવામાં આવે છે. જ્યારે તલધ્રુવીભૂત લેઝર કિરણ નળાકારમાંથી પસાર થાય ત્યારે ફૅરેડેની અસર અનુસાર ધ્રુવીભૂત તલનું પરિભ્રમણ થાય છે. ગૂંચળામાંનો વિદ્યુતપ્રવાહ ચુંબકીય ક્ષેત્રની તીવ્રતામાં ફેરફાર ઉત્પન્ન કરે છે જેને કારણે θમાં પણ ફેરફાર થાય છે; અને પરિભ્રમણ કોણ θનો આ ફેરફાર માહિતીસંકેત પ્રમાણે થતો હોય છે.

ક્વૉન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રનો ઉપયોગ કરીને ફૅરેડે અસર સમજાવી શકાય છે. તેની મદદથી ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે અણુ-પરમાણુના ઊર્જા સ્તરમાં થતા ફેરફારની ગણતરી થઈ શકે છે. જ્યારે ચિરપ્રતિષ્ઠિત સાંખ્યિકીય યંત્રશાસ્ત્ર (classical statistical mechanics) વડે પ્રતિચુંબકીય (diamagnetic) માધ્યમ માટે ફૅરેડે અસરની સમજૂતી નીચે પ્રમાણે આપી શકાય છે.

એકવર્ણી (monochromatic) વૃત્ત ધ્રુવીભૂત (circularly polarised) પ્રકાશને કોઈ માધ્યમ ઉપર આપાત કરતાં, પ્રકાશતરંગનું વિદ્યુતક્ષેત્ર, માધ્યમના પરમાણુમાં આવેલા અને સ્થિતિસ્થાપક બંધ (elastic bond) વડે જકડાયેલા ઇલેક્ટ્રૉનનું વર્તુળાકાર કક્ષામાં ભ્રમણ કરાવે છે. કક્ષાના સમતલને લંબ રૂપે પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્ર લગાડતાં, ઇલેક્ટ્રૉન ઉપર કેન્દ્ર પ્રતિ કે તેની વિરુદ્ધ દિશામાં બળ ઉદભવે છે, જે પ્રકાશના પ્રસારણની દિશા [સમતલને લંબરૂપ ⊥ કે સમતલને સમાંતર ॥] ઉપર આધારિત છે. આમ, સ્થિતિસ્થાપક પ્રતિબળ(કેન્દ્રીય બળ + સ્થિતિસ્થાપક પુન:સ્થાપક બળ)નાં બે ભિન્ન મૂલ્યો મળે છે અને કક્ષાની ત્રિજ્યાના પણ બે જુદાં મૂલ્યો મળે છે. આ કારણે બે જુદી જુદી વિદ્યુત ચાકમાત્રા મળે છે અને માધ્યમના વક્રીભવનાંક (n) માટે બે જુદાં મૂલ્યો લંબદિશા માટે n_⊥ અને સમાંતર દિશા માટે n_॥ મળે છે.

લોહચુંબકીય (ferromagnetic) માધ્યમ માટે સાદી સમજૂતી શક્ય નથી તેથી તે સમજાવવા માટે ક્વૉન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રનો ઉપયોગ આવશ્યક બને છે.

(2) કૉટન–મોટન અસર : કેટલાંક પ્રવાહીને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં રાખીને ચુંબકીય ક્ષેત્રને લંબ દિશામાં પ્રકાશ પસાર કરવામાં આવે ત્યારે દ્વી-વક્રીભવન થતું જોવા મળે છે; અને તેવું પ્રવાહી માધ્યમ એકાક્ષીય પ્રકાશીય સ્ફટિક(uniaxial optical crystal)ની જેમ વર્તે છે. પ્રકાશતરંગનું કંપનતલ ચુંબકીય ક્ષેત્રને સમાંતર હોય ત્યારે એક વક્રીભવનાંક n॥ (સમાંતર =| |) અને તેને લંબ હોય ત્યારે બીજો વક્રીભવનાંક n_⊥ (લંબ = ⊥) મળે છે. બંને વક્રીભવનાંકનો તફાવત D_n ચુંબકીય ક્ષેત્રના વર્ગના સમપ્રમાણમાં હોય છે. પ્રવાહીના અણુઓ પ્રકાશીય કે ચુંબકીય ર્દષ્ટિએ વિષમદૈશિક (anisotropic) હોય, ત્યારે કૉટન-મોટન અસર જોવા મળે છે. આવા અણુઓ બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશામાં પ્રસ્થાપિત થવાનો પ્રયત્ન કરે છે. આ કારણે માધ્યમ પ્રકાશીય ર્દષ્ટિએ વિષમદૈશિક બને છે.

(3) વોઇટ અસર : વાયુમાં જોવા મળતી કૉટન-મોટન જેવી અસર વોઇટ અસર તરીકે ઓળખાય છે. કૉટન-મોટન અસર કરતાં તે અતિ અલ્પ માત્રામાં હોય છે. વાયુ ઉપરાંત કલિલીય (colloidal) માધ્યમના કલીય કણ વિષમદૈશિક હોય તો કૉટન-મોટન જેવી અસર જોવા મળે છે. તેને મેજોરાના અસર કહે છે. તેના અભ્યાસ વડે કલિલીય કણનાં કદ, આકાર, વક્રીભવનાંક, ચુંબકીય ગુણધર્મ જેવા ભૌતિક ગુણધર્મો વિશે માહિતી મળે છે.

આર. વી. મહેતા