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