प्रणमनांकमापन

प्रणमनांकमापन :प्रकाशकिरण एका माध्यमातून दुसऱ्या माध्यमात जाताना (आंतरपृष्ठावर लंब दिशेने आपाती होत नसल्यास) त्याच्या दिशेत होणाऱ्या बदलास प्रणमन असे म्हणतात. पहिल्या माध्यमातील आपाती कोन i व दुसऱ्या माध्यमातील प्रणमन कोन r असल्यास ^{sin i}/_{sin r} = ₁μ₂ या गुणोत्तराला दुसऱ्या माध्यमाचा पहिल्या माध्यमाच्या संदर्भातील प्रणमनांक असे म्हणतात [⟶ प्रकाशकी]. पहिल्या माध्यमातील प्रकाशवेग u₁ व दुसऱ्या माध्यमातील u₂ असल्यास तरंग सिद्धांतानुसार [⟶ प्रकाश] ₁μ₂ = ^u1/_u2 हे सिद्ध करता येते. माध्यमाचा निरपेक्ष प्रणमनांक सामान्यतः हवेच्या संदर्भात (वायूंच्या बाबतीत निर्वाताच्या संदर्भात) दिला जातो. विशिष्ट माध्यमाच्या प्रणमनांकाचे मूल्य प्रकाशाच्या तरंगलांबीनुसार, त्याचप्रमाणे माध्यमाच्या तापमानानुसारही बदलते. प्रमाणित मापनासाठी सोडियमच्या D वर्णरेषेची तरंगलांबी ( = ५८९३ Å अँगस्ट्रॉम एकक Å = १०^-१० मी.) व २०° से. हे तापमान घेण्यात येते. विशिष्ट द्रव्याचा रेणुभार M, घनता p व (निरपेक्ष) प्रणमनांक μ असल्यास

R_M = M·r_D या राशीला ‘रेणवीय प्रणमन’ असे म्हणतात. याचप्रमाणे आणवीय प्रणमनाचीही व्याख्या देता येते. विशिष्ट संयुगातील घटक अणूंच्या आणवीय प्रणमनांच्या बेरजेबरोबर त्या संयुगाचे रेणवीय प्रणमन असते, असे आढळून येते. त्याचप्रमाणे विशिष्ट रेणूत एखादा अणू कशा तऱ्हेने बद्ध झालेला आहे त्यानुरूप त्या अणूचे आणवीय प्रणमन काहीसे बदलते, असेही प्रयोगावरून सिद्ध झालेले आहे. यामुळे प्रणमनांकाच्या मापनावरून काही विशिष्ट प्रकारचे रासायनिक विश्लेषण करण्याची एक अचूक पद्धत उपलब्ध होते. म्हणून प्रणमनांकाच्या अचूक मापनाला फार महत्त्व प्राप्त झालेले आहे.

प्रणमनांकमापक :प्रणमनांकाचे मापन करण्याच्या उपकरणाला प्रणमनांकमापक असे म्हणतात. अनेक प्रकारचे प्रणमनांकमापक उपलब्ध आहेत. त्यांची अचूकता, वापरण्याचे सौकर्य व प्रणमनांकाचे मूल्य जलद देण्याची क्षमता यांच्या दृष्टीने दोन प्रकारचे प्रणमनांकमापक रासायनिक विश्लेषणात जास्त प्रमाणात वापरले जातात व त्यांचीच माहिती येथे दिली आहे. भौतिकीय प्रयोगशाळेत वर्णपटमापकाच्या [⟶ वर्णपटविज्ञान] साहाय्याने इष्ट माध्यमाच्या लोलकातून जाताना होणाऱ्या प्रकाशाच्या किमान विचलन कोनाचे [δ_m चे ⟶ प्रकाशकी] मापन करतात. त्याचप्रमाणे लोलक कोनाचे (A चे) मापन करतात, मग

या सूत्राचा उपयोग करून प्रणमनांक काढता येतो. या पद्धतीने विविध तरंगलांब्यांच्या प्रकाशासाठी प्रणमनांक काढता येतो परंतु प्रणमनांक काढण्यासाठी बरीच वेळ घेणारी जुळवाजुळवी करावी लागत असल्याने एकूण मापनाला फार वेळ लागतो. त्यामुळे ही पद्धत गैरसोयीची ठरते.

ॲबेप्रणमनांकमापक:अर्न्स्ट ॲबे (१८४०-१९०५) या जर्मन भौतिकीविज्ञांनी शोधून काढलेल्या या उपकरणाच्या साहाय्याने इष्ट द्रवाच्या प्रणमनांकमापनासाठी त्याचे फक्त २-३ थेंब पुरेसे होतात. मापन अवघ्या १ ते २ मिनिटांत पुरे होऊ शकते व त्याची अचूकता ०·०००१ इतकी उच्च आहे. त्याच्या मोजपट्टीवरून एकदम प्रणमनांकच मिळतो. त्यामुळे त्याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर होतो. प्रकाशकिरण सघन माध्यमातून विरल माध्यमात जात असताना आपाती कोनाचे मूल्य सीमांत कोनापेक्षा (i_cr पेक्षा) जास्त असल्यास त्या किरणाचे संपूर्ण अंतर्गत परावर्तन होते. [⟶ प्रकाशकी]. याउलट प्रकाश विरल माध्यमातून सघन माध्यमात जात असेल, तर सघन माध्यमातील प्रणमन कोनाचे महत्तम मूल्य i_cr इतके असते. अशा वेळी त्या विरल माध्यमाच्या संदर्भात सघन माध्यमाचा प्रणमनांक

या समीकरणाने दिला जातो.

हे ॲबे प्रणमनांकमापकाचे आधार तत्त्व आहे. आ. १ मध्ये या उपकरणाची रचना दाखविली आहे.

उच्च प्रणमनांक असलेला मापक लोलक (ल_१) एका फिरत्या बैठकीवर (ब)ठेवलेला असतो. त्याच्या कर्ण बाजूवर इष्ट द्रवाचे २-३ थेंब टाकून त्यावर प्रकाशनकारक लोलकाचा (ल_२)कर्ण चिकटवून ठेवतात. या लोलकाची कर्ण-बाजू घर्षित असल्याने ती प्रकाशित केल्यास तिच्यावरील प्रत्येक बिंदूपासून सर्व दिशांना जाणारे किरण निघून ते द्रवाच्या थरात (द्र) शिरतात व त्यातून ल_१ या लोलकाच्या कर्ण-बाजूवर आपाती होतात व प्रणमन होऊन शेवटी दूरदर्शकात (द) शिरतात. द्रवातून ल_१ या लोलकाच्या कर्णावर जे किरण जवळजवळ कर्णाला समांतर दिशेने आपाती होतात त्यांचा लोलकात शिरल्यानंतर होणारा प्रणमनकोन हा सीमांत कोनाइतका असतो. या सीमांत किरणाच्या (स) पलीकडे कोणताही किरण प्रणमन होऊन येऊ शकत नाही व म्हणून तो भाग अदीप्त राहतो.

प्रणमन झालेले हे सर्व किरण दूरदर्शकात शिरतात. त्याच्या दृष्टिक्षेत्रात काही भाग अदीप्त व काही भाग दीप्त दिसतो [आ. १ (आ)]. या दोन भागांमधील विभाजक रेषा लंघक तंतूंच्या (एकमेकांना लंब असलेल्या व ज्यांचा छेदबिंदू दूरदर्शकाच्या अक्षावर आहे अशा धातूच्या तारांच्या वा सूक्ष्म तंतूंच्या) छेदबिंदूवर अनुपाती होईतोपर्यंत लोलकाची बैठक (ब) हळूहळू फिरवितात. बरोबर अनुपाती झाल्यावर मया मोजपट्टीवरील भ या फिरत्या भुजाच्या टोकासमोरच्या वाचनावरून त्या द्रवाचा प्रणमनांक मिळतो. मोजपट्टीचे अंशन (अंश दर्शविणाऱ्या खुणा करणे) आधी ज्ञात प्रणमनांक असलेली द्रव्ये वापरून केलेले असते.

या प्रयोगात दोन्ही लोलक व त्यांच्यामधील द्रव्य यांचे तापमान + ०·२°से.पर्यंत स्थिर ठेवणे जरूर असते. वरील उपकरणासाठी सोडियमाच्या पीत प्रकाशाचा उपयोग करावा लागतो. साध्या दिव्याच्या पांढऱ्या प्रकाशाचा उपयोग करणारी उपकरणेही उपलब्ध आहेत. त्यामध्ये प्रकाशाच्या अपस्करणाचे (वेगवेगळ्या तरंगलांब्यांचे – रंगांचे – किरण अलग होण्याच्या आविष्काराचे) निराकरण करण्यासाठी जादा लोलक बसविलेले असतात.

निमज्जनप्रणमनांकमापक:याचे कार्यही ॲबे प्रणमनांकमापकाप्रमाणेच होते. यात मापक लोलकापासून दूरदर्शकापर्यंत सर्व घटक एकाच नळीत बसविलेले असतात. या नळीचे खालचे टोक इष्ट द्रवामध्ये बुडविले की, वरीलप्रमाणेच दोन लोलकांमध्ये द्रवाचा पातळ थर उत्पन्न होतो व पुढील सर्व कार्य होते. या उपकरणाचा वापर करताना इष्ट द्रव्याचे आकारमान किमान १५ मिलि. तरी असावे लागते हा याचा दोष आहे परंतु यांची अचूकता ॲबे उपकरणापेक्षा सु. पाच पट जास्त असते. आ. २ मध्ये अशा एका उपकरणाचे चित्र दाखविलेआहे. एका पेटीत छोट्या पात्रामध्ये इष्ट द्रव्य ठेवले असून त्याचे तापमान स्थिर ठेवण्याची व्यवस्था केलेली असते. पेटीच्या खाली ठेवलेल्या आरशावरून पांढरा प्रकाश परावर्तित होतो व तो उपकरणातील लोलकावर आपाती होतो. या उपकरणातील मोजपट्टी दूरदर्शकातील लंघक तंतूच्या जागी बसविलेली असते. तिच्यावर दृष्टिक्षेत्रातील दोन भागांमधील विभाजक रेषा जेथे येईल तेथील वाचन द्रवाचा प्रणमनांक देते. प्रणमनांक मोजून त्यावरून (पाण्यातील) विद्रावामधील अल्कोहॉलाचे प्रमाण निश्चित करण्यासाठी या उपकरणाचा मोठ्या प्रमाणावर उपयोग केला जातो. त्याचप्रमाणे विद्रावातील साखरेचे किंवा लवणांचे प्रमाणही त्याच्या साहाय्याने मोजता येते.

व्यतिकरणपद्धत:प्रकाशाच्या व्यतिकरणावर [⟶ प्रकाशकी] आधारलेल्या प्रणमनांकमापकांच्या साहाय्याने सर्वांत जास्त (०·०००००१) अचूकतेने प्रणमनांकाचे मापन करता येते. या पद्धतीचे तत्त्व आ. ३ वरून स्पष्ट होईल. फ_१ व फ_२ या दोन अरुंद फटींमधून निघणारा प्रकाश पप’ या पडद्यावर पडून तेथे व्यतिकरण पट्ट तयार होतात. फ_१मआणि फ_२म हे प्रकाशपथ समान लांबीचे असल्याने म येथे मध्यवर्ती पट्ट मिळतो. आता फ_२ पासून निघणाऱ्या प्रकाशाच्या मार्गात एक पारदर्शक पातळ पट्टी घातल्यास मध्यवर्ती पट्टाचे मम’ इतके स्थानांतरण होते. हे स्थानांतरण पट्टीची जाडी आणि पट्टी व मूळचे माध्यम (हवा) यांच्या प्रणमनांकांमधील फरक यांच्या समप्रमाणात असते. तेव्हा हे स्थानांतरण मोजून त्यावरून पट्टीच्या द्रव्याचा प्रणमनांक काढता येईल.

रॅली-हाबरव्यतिकरणमापक: लॉर्ड रॅली (जॉन विल्यम स्ट्रट) व हाबर या शास्त्रज्ञांनी शोधून काढलेल्या या मापकाचा उपयोग मिश्रण किंवा विद्राव केल्यामुळे प्रणमनांकात पडणारा सूक्ष्म फरक मोजण्यासाठी करतात. याच्या रचनेची रूपरेषा आ. ४ मध्ये दाखविली आहे. फ_१ या मुख्य फटीपासून निघालेला प्रकाश भिंगाच्या साहाय्याने संकेंद्रित करून फ_२ व फ_३ या दुय्यम फटी प्रकाशित केल्या जातात, न_१ व न_२ या दोन समान लांबीच्या नळ्या आहेत आणि प_१ व प_२ या दोन काचेच्या एकाच जाडीच्या पट्ट्या आहेत. यांपैकी एक पट्टी स्थिर ठेवून दुसरी पट्टी एका सूक्ष्ममापकाच्या साहाय्याने हळूहळू फिरविता येते आणि अशा तऱ्हेने प्रकाश मार्गात तिची येणारी परिणामी जाडी बदलता येते.

प्रथम न_१ व न_२ या दोन्ही नळ्यांत प्रमाणित दाबाखाली हवा भरून मिळणाऱ्या व्यतिकरण पट्टांपैकी मध्यवर्ती पट्टाच्या स्थानाची नोंद करतात. नंतर एका नळीतील हवा तशीच ठेवून दुसऱ्या नळीत परीक्ष्य वायूचे मिश्रण भरतात. त्यामुळे मध्यवर्ती पट्टाचे स्थानांतरण होते. सूक्ष्ममापकाच्या साहाय्याने प_१ व प_२ या पट्ट्यांपैकी एक पट्टी हळूहळू अशी फिरवितात की, मध्यवर्ती पट्ट परत पूर्वीच्या स्थानी येईल. सूक्ष्ममापकाच्या मोजपट्टीवरच दोन नळ्यांतील द्रव्यांच्या प्रणमनांकांच्या मधील फरकाचे अंशन केलेले असते. या उपकरणाच्या साहाय्याने प्रणमनांकांतील ०·००००००१ इतका सूक्ष्म फरक मोजता येतो. हवेऐवजी एका नळीत शुद्ध पाणी व दुसरीत पाण्यात केलेला एखाद्या लवणाचा (उदा., मिठाचा) विद्राव भरून त्यांच्या प्रणमनांकांमधील फरक मोजता येतो व त्यावरून त्या विद्रावाची संहती (विद्रावातील लवणाचे प्रमाण) काढता येते.

उपयोग : या उपकरणाच्या साहाय्याने विद्रावांच्या संहतीमधील सूक्ष्म फरक मोजता येतात. पाण्यामधील प्रदूषणाचे मापन, सागरी प्रवाहांचा मागोवा घेणे, दूध, रक्तरस, किण्वित द्रव पदार्थ [⟶ किण्वन] इत्यादींचे परीक्षण करणे, रक्तातील अल्कोहॉलाचे किंवा कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूचे प्रमाण काढणे, पाण्यातील ‘जड पाण्याचे’[⟶ ड्यूटेरियम, ट्रिटियम व जड पाणी] प्रमाण काढणे अशा विविध कार्यांसाठी त्याचा उपयोग होऊ शकतो. त्याचप्रमाणे हवेत सूक्ष्म प्रमाणात मिसळलेल्या मिथेन, हीलियम किंवा कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूसारख्या वायूंचे प्रमाण काढण्यासाठीही त्याचा उपयोग होऊ शकतो.

स्वयंचलितआलेखन:प्रणमनांकाचे स्वयंचलित यंत्रणेच्या साहाय्याने अखंडपणे आलेखन करू शकणारी उपकरणे आत उपलब्ध झाली आहेत. यामध्ये ⇨ सेवायंत्रणेच्या साहाय्याने (प्रणमन झाल्यानंतर) एखाद्या फटीची प्रतिमा किंवा सीमांत रेषा एका विशिष्ट ठिकाणी स्थिर ठेवली जाते. यासाठी यंत्रणेतील एखादा (आरसा किंवा त्यासारखा) घटक किती कोनातून फिरवला जातो त्याची नोंद आपोआप केली जाते. त्यावरून प्रणमनांकात होणारे फेरबदल कळू शकतात.

संदर्भ :  1. Batsanov, S. S. Trans. Sutton, P. P. Refractometry and Chemical Structure, New York, 1961.

          2. Smith, C. J. Optics, London, 1960.

          3. Willard, H. H. Merritt, L. L. Dean, J. A. Instrumental Methods of Analysis, New Delhi, 1965.

कोगेकर ना. वा. पुरोहित, वा. ल.

“