Işık Nedir? Yapısı ve Ölçümü Nasıldır?

Çok büyük bir hızla yayılan dalga,ya da foton denilen parçacıklar toplulu­ğu.

ışıkIşığa ilişkin bu ikili özellik dalga me­kaniği yardımıyla açıklanmaktadır. Işığın, yayınlanmasının, yayılmasının ve değişimlerinin incelenmesi, fiziğin optik diye adlandırılan önemli bir bö­lümünü oluşturur. Biz burada ışığın yapısıyla, ışık yayılımının düzeneğiyle ve gözün ışığı algılamasıyla ilgileneceğiz.

Işığın Yapısı

Eskiçağ’dan Ortaçağ’a kadar, cisim­lerin, uzayda büyük bir hızla yayılan son derece küçük parçacıklar yayın­ladıkları görüşü benimsenmişti. XVII. yy’da Newton parçacıksal yayınım ku­ramını açıkladı; buna göre, aydınlatı­lan cisimler, parçacıklar yayınlamak­ta, çok büyük bir hızla hareket eden bu parçacıklar karşılaştıkları cisim­ler üstünden yansıyabilmekte (yansı­ma), bir bölümü de içinden geçmekte­dir. Cisimlerin içinden geçenler engellemeye uğrayarak doğrultuları açısın­dan bir sapmaya uğrarlar (kırılma) ya da soğurulurlar. Ama Newton’un ko­şut yüzlü lam-küresel mercek siste­miyle elde etmiş olduğu bazı deneysel sonuçlar (girişim saçakları) bu kuram­la açıklanamaz.

Aynı dönemde, Huyghens, değişik bir kuram ortaya attı: Buna göre, ışık, bir su örtüsü üstündeki dalgalanmalar gi­bi yayılan dalgalardan oluşur; bu dal­gaların dayanağıysa bütün uzayı kap­layan ve esir adı verilen bir cisimdir. Bu varsayımı yeniden ele alan Fresnel, bunun, kırınım, girişim ve polar­ma gibi başka olayları da açıklama­ya yaradığım kanıtladı. Fresnel polar­ma olayını açıklamak için ışığın esir içindeki enine titreşimlerden ileri gel­diğini, yani öğelerinin hepsi aynı düz­lemde kalarak, yayılma yönüne dik olarak yer değiştiren, gerilmiş bir ip­teki titreşimlere benzer titreşimlerden kaynaklandığını varsaymaktaydı. Ama, bu kuram çok önemli bir güçlü­ğe yol açtı. Işık titreşimiyle ilgili ileti­min açıklanması için gerekli olan esi­rin esnek bir ortam olduğu düşünülür­se, bu ortamın esneklik modülünün çeliğinkinden binlerce kez büyük olma­sı gerekir, çünkü ışık hızı çok büyük­tür. Bundan ötürü, Maxwell, ışık dal­galarını elektromagnetik dalgalarla (doğrultuları birbirlerine ve dalganın yayılma doğrultusuna dik olan ve eş­zamanlı olarak yayılan bir elektrik alanla bir magnetik alan bütünü) öz­deşleştirdi: Buna göre, ışık çok yaygın olan elektromagnetik ışınımlar dizisi­nin bir bölümünü oluşturuyordu. XX. yy’ın başlarındaysa dalga kuramı bü­yük başarı kazandı.

Ama, hem ışık yayınımı mekanizması­nın, hem de fotoelektrik olayının ince­lenmesi, her şeyin yeniden tartışma konusu olmasına yol açtı. Planck, ışık enerjisi aktarımının enerji tanecikle­ri biçiminde gerçekleştirildiği ve her bir taneciğin (ya da kuvantum ’un),bir sabitle (Planck sabiti h = 6,62xl0 34 j-sn),göz önüne alınan ışınımın f freakansının çarpımına eşit (w = h.f) bir enerji taşıdığı kabul edilirse, bu olay­ların tutarlı bir açıklamasının yapılabileceğini gösterdi. 1922’de, Louis de Broglie, dalga kuramıyla Planck’ın ye­ni parçacık kuramının ustaca bir bi­reşimini gerçekleştirdi: Buna göre, kütlesi m ve hızı v olan her parçacığa (ışık söz konusu olduğunda foton) dal­ga boyu k = olan bir dalga denk düşmektedir. Böylece, dalgalı kuvantum mekaniği denen ve ışık olaylarına uygulanmasının son dere­ce verimli olduğu ortaya çıkan yeni bir mekanik gelişti.

Işığın C Hızının Ölçümü

Işığın yayılma hızının doğrudan doğ­ruya ölçülmesiyle ilgili ilk girişimler Galileo Galilei tarafından yapıldı. Galilei çok kısa uzaklıklar kullandı (birkaç kilometre); bu yolu katetme süre­siyse değerlendirilemedi. Römer, Jüpi­ter uydularının tutulmalarının gözle­minden yararlanarak bir ilk değer buldu: c = 298 000 km/sn. Daha son­raki ölçülerin bu sayıyı % 0,4 kadar bir yaklaşıklıkla doğrulamaları ilgi çe­kicidir. 1849’da Fizeau dişli çark yön­temini gerçekleştirdi: Buna göre, bir ışın, t anında, bir çarkın iki dişi ara­sında bulunan bir boşluğu aşmakta, birkaç kilometre gittikten sonra bir aynadan yansıyarak geri döndüğünde çark bir yarım diş kadar dönmüş bu­lunmaktadır. Demek ki, ışık engellen­mekte ve çarkın arkasındaki gözlem­ciye artık ulaşamamaktadır. Çarkın hızının ayarlanması nispeten kolay­dır; buradan da ışığın yayılma hızı el­de edilir: Fizeau 315 000 km/sn bul­muştur. 1862’de Foucault dönen bir aynadan yararlandı; bu yöntem çok sonraları Newcomb, ardından da Michelson tarafından yeniden ele alındı. Bütün bu yöntemler 300 000 km/sn’ye çok yakın bir sonuç vermek­tedir. Çağdaş ölçümler, bir Kerr hüc­resinin kullanıldığı elektriksel modülasyon yöntemiyle gerçekleştirilmektedir. Günümüzde kabul edilen değer, boşlukta c = 299 792 458 m/sn’dir.

Işığın Yayınımı

Yüksek sıcaklıktaki cisimler, alevler, elektrik kıvılcımları, gazların içinde­ki elektrik boşalması, ışık ürettikleri gibi, gazışı olaylarına da neden olurlar. Bir prizmanın üstüne bir ışık de­meti gönderildiğinde ışık ayrışmakta ve bir tayf oluşturmaktadır. Böylece, Güneş ışığıyla gökkuşağının “yedi” rengini içeren sürekli bir kuşak elde edilir (Çiz.2). Yayınlanan tayfların ya­pısı kaynağa göre değişir: Sürekli tayflarla, kuşak ve çizgi tayfları ayırt edilir. Çizgi tayfları yalınlıklarıyla fi­zikçilerin dikkatini çekmiştir. Bu tayf­lar birbirlerinden ayrılmış parlak in­ce çizgilerden oluşur. Söz konusu çiz­gilerin incelenmesi, atomun yapısı üs­tündeki bilgilerin artmasına büyük öl­çüde katkıda bulunmuştur. Özellikle de atomun bir elektronu belli bir W i enerji düzeyinden daha zayıf bir baş­ka Wî enerji düzeyine geçince, bir fo­ton yayınlandığının gösterilmesini sağlamıştır (Çiz.3). Bu iki enerji arasındaki fark (W, -W2) kesin olarak ya­yınlanan fotonun hf enerjisine eşittir, f frekansı 375.10,2Hz ile 750.1012 Hz arasında bulunuyorsa, görsel bir ışı­nım elde edilir (bu koşul, Wt enerjisi W; ’ye yakın olduğu zaman gerçekle­şir). Bir elektron için W, düzeyinden Wî düzeyine geçiş, ancak W2 düze­yinin bir elektron eksiği varsa olası­dır; bu durum, atom uyarıldığı zaman (sözgelimi, yüksek sıcaklıkta ısıtılan cisim), yani kimi elektronları daha yüksek enerjili bir düzeye geçmek ya da atomdan ayrılmak (iyonlaşma) için yeterli enerjiyi aldıklarında ortaya çıkmaktadır.

Sürekli tayflar genellikle akkor halin­deki sıvılar ve katılar tarafından ya­yınlanmaktadır. Bu yayınımlarda bü­tün frekanslardaki ışınımlar (yukarıda belirtilen sınırlar arasında bulunan ışınımlar) ortaya çıkmakta, ancak, şiddetleri değişken olmaktadır. Bu ya­yınımın kuramsal yorumu, çizgi tayfınınkine benzemektedir. Bununla bir­likte, moleküller arasındaki çarpışma­ların dönme ve titreşim enerjilerini değiştirdiğini ve bu hareketler son derece karmaşık olduğu için, sınırsız frekanslara denk düşen sınırsız ola­sılık bulunduğunu da eklemek gerekir. Kuşak tayflarının açıklanması fizikçi­lerin daha büyük zorluklarla karşılaşmasına neden oldu. Yapılan inceleme­ler sonunda, bu kuşakların çok sıkışık çizgi dizilerinden oluşmuş olduğu or­taya çıkarıldı ve söz konusu tayfların kökeninin yalın moleküllerin titreşim ve dönme kinetik enerjisinin kuvantumlaşmış değişimleri olduğu kanıt­landı.

Işığın Algılanması

Biz ışığı gözlerimizle algılamaktayız; gözler görüntüleri ağtabaka denen du­yarlı alıcının üstünde oluşturan kar­maşık bir optik sistemi içerir (Bkz. GÖZ). Göz ancak, frekansları 375-750 terahertz (milyon kere milyon hertz) arasında, yani A dalga boyları = 0,8 um (kırmızı) ile 0,4 um (mor) arasında olan ışınımlara duyarlı olup, en büyük duyarlığı sarı yeşildedir (0,55 (im).

Gözün çeşitli renklere karşı duyarlık farkı, ağtabakanın duyarlı öğelerinin oluşumuyla açıklanmaktadır: Koniler ve çomaklar. Koniler, tayfın üç kuşa­ğına karşı seçici olan, ışığa duyarlı üç maddeden oluşur. Bu özellik, üç te­mel renk yardımıyla bütün görsel renklerin yanılsamasının elde edilebileceğini açıklamakta ve sonuç olarak fotoğrafçılık ile grafik sanatlarda kul­lanılan üç renkli basım yöntemlerini de doğrulamaktadır. Çomaklar, tayfm hepsine birden tepkime yapan ve si­yah ile beyaz duyusunu veren, ışığa duyarlı yalnızca bir tek madde içerir.

Jüpiter Uydularının Tutulmaları Yöntemiyle Işık Hızının Ölçülmesi (RÖMER, 1676)

Yer Güneş’in çevresindeki yörünge­sini bir yılda, Jüpiter ise on iki yılda katetmektedir. Yer’in Jüpiter’e uzak­lığı, kavuşum konumundan karşı konuma kadar altı ay süresince artmak­ta, karşı konumdan kavuşum konu­muna kadar altı ay süresince de azal­maktadır (Çiz. 1). Jüpiter’in uydularından biri L olsun. Dolanım süresi, L’nin, Jüpiter’in gölge konisinin içine girdiği art arda ild tutulma arasında­ki zaman aralığı yardımıyla kesin ola­rak ölçülebilmektedir. Yer, Jüpiter’ den uzaklaşırken tutulmalar artan bir gecikmeyle gözlenirler. Kavuşum anındaki birinci tutulma, geceyarısı gözlenmişse, karşı konum anında, ge- ceyarısını 16 dakika 40 saniye geçe meydana gelecek gibi görünmektedir (1 000 saniyelik bir gecikmeyle).Yer, Jüpiter’e yaklaşırken ardışık iki tutul­ma arasındaki süre yavaş yavaş aza­lacaktır. Yaklaşık on iki ayın sonun­da, gökcisimleri kavuşum halinde bu­lunurlar. Demek ki, 1 000 saniye, ışı­ğın, Yer yörüngesinin çapını (298.500 km) katetmesi için geçen zamanı göstermektedir. Böylelikle ışığın hızı c = 298 500 km/sn’ye eşit olarak bu­lunur.

Hadi Paylaş!Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Share on RedditPin on Pinterest

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir