Ünite 8: Dalgalar, Işık ve Optik

Giriş

Günlük hayatımızda birçoğumuz durgun bir suya taş atıp o taşın oluşturduğu dalgaları gözlemlemiştir. İletişim kurarken kişilerin birbirlerinin seslerini duymalarının sebebi dalga hareketidir. Güzel yaz günlerinde, yedi temel rengin birleşmesiyle oluşan ve sonsuz enerji kaynağımız olan güneşten gelen elektromanyetik dalgalara maruz kalmaktayız. Çoğu hastalığın tedavisinde ve teşhisinde yine elektromanyetik dalgaların bazılarından faydalanmaktayız. Bir vadide yüksek sesle haykırdığımızda sesimizin dağlardan yansıyarak tekrar kulağımıza gelmesi sesin bir dalga hareketi olduğunu bize kanıtlamaktadır.

Dalgalar

Günlük yaşantımızın her anında rahatlıkla örneklendirebileceğimiz dalgaların hareketini kısaca; bir kaynak tarafından oluşturulan titreşim hareketinin esnek bir ortam vasıtasıyla bir parçacıktan diğer bir parçacığa aktarılması olarak tanımlayabiliriz. Oluşan dalgaların yayılma doğrultusu ile ortamdaki parçacıkların titreşim doğrultuları arasındaki ilişki dalgaların enine veya boyuna dalgalar olduklarını bize söylemektedir.

Bir kaynak tarafından oluşturulan bir sarsıntının veya titreşim hareketinin esnek bir ortam vasıtası ile bir noktadan başka bir noktaya iletilmesine dalga hareketi denir. Kaynak tarafından kısa bir süreli olarak elde edilen tek bir dalgaya atma adı verilir. Bu atmaları oluşturan kaynağa ise dalga kaynağı denir.

İdeal esnek bir ortamda enerji kaybı olmadığı kabul edildiğinde, esnek bir ortamda enerji, tanecikler arasında iletim yolu ile yayılmaktadır. Dalgalar esnek olmayan bir ortamda yayılırken genliği küçülerek söner. Yani, belli bir süre sonra dalga kaybolur.

Genel olarak, bir ortamdaki parçacıkların, denge durumu etrafındaki titreşimleri sonucu oluşan dalgalara Mekanik Dalga adı verilir. Bu dalgaların meydana gelebilmesi için bir enerji kaynağına ve esnek bir ortama ihtiyaç vardır.

Dalgalar, oluşum ve ilerleme doğrultularına göre, enine ve boyuna dalgalar olmak üzere iki kısımda incelenmektedir. Dalganın yayıldığı ortamın taneciklerinin titreşim hareketinin doğrultusun, atmaların doğrultusuna veya paralel olması bu tür dalgaların enine veya boyuna dalgalar olarak adlandırılmalarına sebep olmaktadır.

Uzun bir ipin serbest ucunu eşit zaman aralıkları ile yukarı aşağı hareket ettirirsek, ip boyunca eşit zaman aralıklarında ilerleyen atmalar elde ederiz. Belirli aralıklarla tekrarlanan harekete periyodik hareket denir.

Dalga üzerinde iki dalga tepesi veya dalga çukuru arasındaki mesafeye dalga boyu adı verilir ve ? ile gösterilir. SI birim sisteminde dalga boyunun birimi metre (m)’dir. Genlik dalga kaynağının enerjisinin bir göstergesidir. Genliğin fazla olması enerjini de fazla olduğu anlamına gelir.

Periyodik bir harekette oluşan atmaların belirli zaman aralıklarında tekrarlandığı vurgulanmıştı. Dolayısıyla birim zamanda oluşan atma sayısına frekans adı verilir ve f ile gösterilir. SI birim sisteminde frekansın birimi saniye-1 (s-1 ) veya Hertz (Hz)’dir. Örneğin, bir dalga kaynağı saniyede 2 dalga üretiyor ise bu kaynağın frekansı “2 dalga/s’dir” denir. Birbirini tekrarlayan bir harekette ardışık olarak oluşturulan iki atma arasındaki geçen zaman ise periyot olarak adlandırılır. Periyot T ile gösterilir ve birimi saniye (s)’dir. Tüm periyodik hareketler için geçerli olan frekans ve periyot arasındaki bağıntı,

T=1 /f

şeklinde ifade edilmektedir.

Bir dalganın ? dalga boyu kadar mesafeyi T zamanında aldığını düşünürsek, bu dalganın hızını hız = alınan yol /zaman ifadesinden rahatlıkla bulabiliriz. Dolayısıyla hız, v=?/T ifadesi ile tanımlanır. Burada v dalganın hızıdır ve SI birim sisteminde birimi m/s’dir. Dolayısıyla bu ifade aşağıdaki şekilde yazılabilir:

? = v T

Elektromanyetik Dalgalar

Aynı ses dalgaları gibi enerji taşıyan fakat ilerlemesi için bir ortama ihtiyaç duymayan yani boşlukta da ilerleyebilen dalgalar da bulunmaktadır. Radyo dalgaları, kızılötesi dalgalar ve mikro dalgalar gibi enerji taşıyabilen ve yayılması için bir ortama ihtiyaç duymayan dalgalara elektromanyetik dalga adı verilir.

İvmelenen bir elektrik yükü tarafından oluşturulabilen bir elektromanyetik dalga, titreşim doğrultuları birbirlerine dik olan elektrik ve manyetik alan bileşenlerine sahiptir. Aynı zamanda hem elektrik hem de manyetik alanın titreşim doğrultuları elektromanyetik dalganın ilerleme doğrultusuna diktir (S: 203, Şekil 8.7). Dolayısıyla elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır.

Elektromanyetik dalgaların genel özelliklerini aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz:

• Boşlukta c ışık hızı ile ilerler.
• Elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır.
• Birbirine dik elektrik ve manyetik alanlardan oluşur.
• Elektromanyetik dalgaların yayılması için ortam gerekmez.
• E ve B’nin boş uzaydaki bağıl büyüklükleri, E/B=c bağıntısı ile birbirlerine bağlıdır.
• Elektromanyetik dalgalar, yük taşımaz, enerji ve momentum taşırlar, basınç¸uygularlar.

Elektromanyetik dalgalar frekans ve dalga boyuna göre sınıflandırılabilmektedir. Bu sınıflandırma elektromanyetik spektrum olarak adlandırılır.

Elektromanyetik dalgalar, çok uzun dalga boylarına sahip radyo dalgalarından, atom boyutundan daha küçük olan kısa dalga boyuna sahip gamma ışınlarına kadar değişim göstermektedir. Bir elektromanyetik spektrumu en uzun dalga boyundan en kısa dalga boyuna kadar sıralanması; radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi, görünür bölge, morötesi, x-ışınları ve gamma ışınları şeklindedir. Frekansı en küçük (dalga boyu en büyük) elektromanyetik dalgalar radyo dalgaları olarak adlandırılır. Frekansı en büyük (dalgaboyu en küçük) elektromanyetik dalgalar ise gamma ışınları olarak adlandırılır.

Radyo dalgaları elektromanyetik spektrumda yer alan en büyük dalga boyuna sahip dalgalardır. Mikrodalgalar, santimetre boyutunda dalga boylarına sahiptirler. Elektromanyetik spektrumun mikrodalga spektrumu ile görünür bölge spektrumları arasında kalan bölgesine kızılötesi adı verilir. Kırmızıdan mora kadar uzanan, 400nm ile 700nm arasındaki dalga boylarına karşılık gelen elektromanyetik spektrumun bölgesine görünür bölge adı verilir. Görünür ışıktan daha kısa dalga boylarına sahip olan dalgalar elektromanyetik spektrumun morötesi bölgesindedir. X-ışınları, oldukça küçük dalga boylarına ve yüksek enerjiye sahip elektromanyetik dalgalardır. Gamma ışınları, elektromanyetik spektrumun en yüksek enerjiye ve en düşük dalga boyuna sahip ışınlarını temsil etmektedirler.

Radyasyon

Bilindiği gibi atomu meydana getiren çekirdeğin içerisinde pozitif yüklü protonlar ve yüksüz olan nötronlar bulunmaktadır. Her ikisine birlikte nükleon adı verilen bu parçacıklar, çekirdek kuvveti adı verilen ve oldukça kuvvetli olan bir kuvvet ile bir arada tutulmaktadır. Çok güçlü bir şekilde bir arada tutulan çekirdeğin yapısını değiştirmek için milyonlarca eV’luk enerji gereklidir. Fakat bir atomdan bir elektronu koparmak için birkaç eV’luk enerji yeterli olacaktır.

Bir elektronun 1 volt’luk potansiyel farkı altında kazandığı enerji olup; 1 eV=1,6×10 ^-19 J ve 1 J=6,25×10 ¹⁸ eV’tur.

Kararlı hâlde bulunan bir atomun proton ve elektron sayısı birbirine eşittir. Proton sayısına atom numarası (Z) denir. Bir elementin kütle numarası (A), elementteki proton sayısı ve nötron sayısı (N) cinsinden A=Z+N şeklinde tanımlanabilir. Nötr hâlde bulunan bir atomun kimyasal özelliklerini bu atomun sahip olduğu elektron sayısı belirler. Dolayısıyla bilinen tüm atomları elektron sayılarına göre sınıflandırmak oldukça önemlidir.

Bir elementin atomları aynı sayıda elektron ve çekirdekleri de aynı sayıda proton içerirken, nötron sayılarında farklılık gözlenebilir. Yani, bir elementin çekirdeğindeki nötron sayısı farklı olabilir. Dolayısıyla, nötron sayılarının farklı olması izotop kavramını ortaya çıkarmaktadır.

Çekirdekteki nükleonları bir arada tutan enerjiye bağlanma enerjisi adı verilir. Bir çekirdeğin sağlamlığı, nükleon başına düşen ortalama bağlanma enerjisiyle belirlenir.

Bazı elementler çekirdeklerindeki nötron/proton dengesizliğinin sonucu olarak aşırı enerji yüküne sahiptir ve bu nedenle de kararsızdır. Bu elementler nötron/proton dengesini sağlamak üzere fazla olan enerjilerini kaybederek kararlı duruma geçmeye çalışır. Bu kararlı hâle geçme süreci içerisinde enerjilerini değişik şekillerde kaybeder ve farklı elementlere dönüşürler. Ortaya çıkan enerjiye radyasyon denir. Radyasyon, iyonlaştırıcı ve iyonlaştırıcı olmayan radyasyon olarak iki ana grupta sınıflandırılmaktadır.

Radyasyon etkisi altında bir elektronun çekirdekten koparak serbest hâle gelmesi olayına iyonlaşma adı verilir.

Sahip olduğu yüksek enerjiyle etkileştiği atomun elektronlarını çekirdeğinden koparabilen yani atomu iyonlaştırabilen radyasyona iyonlaştırıcı radyasyon denir. Atom ile etkileştiğinde çekirdekteki elektronları koparacak yeterli enerjiye sahip olmayan radyasyona iyonlaştırıcı olmayan radyasyon denir.

Çekirdeğinde sadece bir proton içeren hidrojen atomunun dışında diğer tüm çekirdeklerde proton ve nötron bulunmaktadır. Hafif izotoplarda nötronların protonlara oranı bir iken, bu oran periyodik tabloda ağır elementlere doğru gidildikçe artmaktadır. Bu oranın daha çok artması izotopun kararlılığın bozulması anlamına gelmektedir. Atomların çekirdeklerinin kararsız yapıları nedeniyle kendiliğinden bozunarak bazı ışınlar yayması özelliğine radyoaktiflik, bu olaya ise radyoaktivite veya radyoaktif bozunma adı verilir.

Nötron bombardımanı sonucu kararsız hale gelen atomun daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi olayına Fisyon (çekirdek parçalanması) denir.

Hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayına Füzyon (çekirdek birleşmesi) denir.

Işık

Görme duyu organımız gözlerimizle mavi denizleri, yeşil ormanlık alanları, mavi gökyüzünü ve rengârenk gökkuşağını görmek insanlara çeşitli hazlar vermektedir. Fakat ne gördüğümüz, hem ışığın özelliklerine hem de insanların fiziksel ve psikolojik durumuna da bağlıdır. Bununla birlikte Fiziğin optik adı verilen ve ışığın davranışı ile ilgilenen dalında çalışmak dünyayı daha iyi anlamamıza fırsat vermektedir. Işığı tanımak ve özelliklerini bilmemiz sayesinde gökyüzünün mavi rengini, gökkuşağı renklerini, teleskop, fotoğraf makinesi, mikroskop, insan gözü gibi sistemlerin tasarımını anlamamıza yardımcı olacaktır. Optik ve ilkeleri aynı zamanda çevremizdeki pek çok teknolojik aygıtın da temel esasını oluşturmaktadır.

Işığı anlamak için insanlar geçmişte büyük bir merakla çalışmışlardır. Fakat ışığın sadece ne olduğunu anlamak bile yirminci yüzyılın ilk on yılına kadar sürmüştür. İlk çağlarda Yunanlılar ve Çinliler mercekler ile ilgili ilk çalışmaları yapmışlardır. Pythagoras (MÖ 580-500) ilk olarak ışığın bir ışık kaynağından yayılan parçacık akışı olduğu ve göze girerek görme duygusunu uyandırdığını kabul etmiştir, Euclid (MS300) aynada yansıyan ışığın gelme açısının yansıma açısına eşit olduğunu söylemiştir. 1637’de Descartes (1596- 1650) ışığın korpüskül (tanecik) modelini ileri sürmüş, daha sonra Newton (1642-1727) ise ışığın tanecik modelini OPTICKS adlı kitabında açıklamıştır.

Işık teorilerindeki en önemli gelişme, 1873’te Maxwell (1831-1879) in çalışması ile yaşandı. Maxwell, ivmeli hareket eden elektrik yüklerinin elektromanyetik dalga yaydığını ve bunların hızının ışık hızına yakın olduğunu bulmuştur. Böylece, ışığın aslında bir dalga olduğunu göstermesi, ışığın tanecik modelini savunanlar arasında bir hoşnutsuzluk yarattı ve ışığın bir dalga mı yoksa tanecik mi olduğu tartışması başladı. 1887’de Hertz (1857-1894) elektromanyetik dalgaları oluşturarak Maxwell’in teorisini ispatladı ve ayrıca fotoelektrik olayını keşfetti. 1905’te Einstein (1879-1955) fotoelektrik olayın ışığın dalga modeliyle açıklanamayacağını kanıtladı. Yıllar süren tartışmaların sonunda 1924 yılında deBroglie ve Schrödinger ışığın dalga ve tanecik modelini birleştirerek dalga mekaniğini kurdular.

Işığın ne tanecik ne de dalga modeli onun tüm niteliğini kapsamaz. Dalga mekaniğinin geliştirilmesiyle ışığın hem dalga hem de tanecik gibi davrandığı ispat edildi. Yani ışık, foton denilen çok küçük parçalar hâlinde etrafa yayılmakla birlikte, bu fotonlara hareket sırasında bir de dalga eşlik etmektedir.

Işık ikili bir tabiata sahiptir. Bazı olaylarda dalga gibi bazı olaylarda da tanecik gibi davranabilmektedir. Işığın yayılması dalga modeliyle açıklanırken, yayımı ve soğurulması ise parçacık modeli ile açıklanmaktadır. Işık dalgaları elektromanyetiktir ve titreşen bir elektrik alan ile, ona dik ve aynı fazda titreşen bir manyetik alandan ibarettir.

Görünür ışığın dalga boyları 400-700 nm aralığında bulunur. Titreşim doğrultusu yayılma doğrultusuna dik olduğundan, ışık dalgaları enine dalgalardır. Kaynağı ne olursa olsun elektromanyetik ışınım boşlukta ışık hızı ile ilerler ve yaklaşık olarak boşluktaki hızı c=2.99792458x10 ⁸ m/s’dir. Bir saniyelik süre Sezyum (Sz) atomuna göre tanımlandığından 1 m’de ışığın 1/2.99792458 s’de kat ettiği mesafe olarak tanımlanır. Işık boşlukta en hızlı hareket edendir. Başka maddeler içindeki hızı daima c’den daha azdır. Ayrıca, boşluktan başka ortamlardaki hızı, dalga boyuna olduğu kadar maddeye de bağlıdır.

Dalganın dalga kaynağından çıkarak, aynı anda ulaştığı noktaların belirlediği yüzeye dalga cephesi denir. Sakin bir göle bir taş attığımız zaman dalganın tepe ve çukurlarının oluşturduğu daireler dalga cepheleridir. Dalga cephesinin hareket yönünü gösteren oklara ise ışın denir.

Dalga kaynağından çıkarak bir ortamda doğrusal olarak yayılan ışık ışınları, ikinci bir ortamın yüzeyine çarptıklarında gelen ışının bir kısmı birinci ortama tekrar yansıtılır. Doğrusal bir yolla yayılan ışığın bir yüzeye çarpıp doğrultu değiştirmesine yansıma denir. Işığın düştüğü yüzey pürüzsüz ve cilalı ise ışınlar belli bir yönde yansırlar. Buna düzgün yansıma denir. Işığın düştüğü yüzey pürüzlüyse yansıyan ışınlar değişik yönlerde yansımaya uğrar. Buna dağınık yansıma denir.

Yüzeye gelen ve yansıyan ışınlar, gelen ışının yansıtıcı yüzeye çarptığı noktada yüzeye dik olarak çizilmiş bir çizgi (N) ile sırasıyla i ve r açıları yapar. Bu çizgiye Normal (N) denir. Gelen ışınla yüzey normali arasındaki açıya gelme açısı, yansıyan ışınla yüzey normali arasındaki açıya ise yansıma açısı denir.

Işığın pürüzsüz bir yüzeye gelme ve yansıma yönüne ilişkin yapılan deneysel çalışmalar sonucunda şu sonuçlar ortaya konmuştur:

• Gelen ışın, normal ve yansıyan ışın, gelme düzlemi içindedir.
• Yansıma açısı, gelme açısına eşittir. (i=r) Işığın izlediği yol, ters yönde gidilirse de aynıdır. Buna tersinirlik ilkesi denir.

Bir noktanın görüntüsünün alınabilmesi için, o noktadan çıkan en az iki ışının ayna tarafından yansıtıldıktan sonra ya kendilerinin ya da uzantılarının kesişmesi gerekir. Yansıyan ışınların kendileri kesişiyorsa oluşan görüntü gerçek, uzantıları kesişiyorsa oluşan görüntü sanaldır. Düzlem aynada gerçek bir cismin görüntüsü sanaldır. Çünkü uzantıları kesişmektedir.

Işığın ortam değiştirirken doğrultu değiştirmesine kırılma denir. Işığın doğrultusunun değişmesi, ortamın değişmesiyle ilgilidir. Ortam değişmediği sürece ışığın doğrultusu değişmez. Kırılma indisi (n) aslında bir oranı ifade etmektedir ve ışığın boşluktaki hızının ortam içindeki hızına oranıdır.

Kırılma ile ilgili olarak bilgilerimizi özetlersek,

• Gelen ışın, normal ve kırılan ışın aynı düzlem içindedir.
• Gelme açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı sabittir. Bu sabite ikinci ortamın, birinci ortama göre kırılma indisi denir ve Snell Yasası olarak bilinir.

Az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçen ışık ışınları normale yaklaşarak kırılır. Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçen ışık ışınları, normalden uzaklaşarak kırılırlar.

Işık, kırılma indisi büyük olan bir ortamdan daha küçük olan bir ortama geçerken tam yansıma denilen bir olay meydana gelir.

Snell yasasına göre, farklı dalga boylu ışığın kırıcı bir maddeye geldiği zaman farklı açılarda büküleceğini ortaya koyar. Yani ışık kırıcı bir maddeden geçerken, mavi ışığın kırmızı ışıktan daha fazla büküleceği anlamına gelir. Kırılma indisinin dalga boyu ile değişimi sonucu maddenin dağınım oluşturduğu anlamına gelir. Dağınımın en iyi anlaşıldığı yer prizmalardır.