Işığın Fiziği
 

Işığın Fiziği


Çevremizdeki bütün canlı ve cansız varlıkları, yaşadığımız dünyayı ve içinde buunduğumuz evrenin yıldızlarını, gezegenlerini görmemizi sağlayan ışıktır. Bir cismi ya kendisi ışık yaydığı ya da başka bir cismin ışığını yansıttığı için görebiliriz. Kendi ürettiği ışığı yayan cisimler, örneğin Güneş, yıldızlar, alev ve elektrik ampulü birer ışık kaynağıdır. Oysa karanlık gökyüzünde parlayan Ay ve gezegenler yalnızca Güneş'in ışığını yansıttıkları için görülebilir. Çevremizdeki doğayı ve nesneleri görmemizi sağlayan da gene Güneş'in ya da bir lambanın ışığıdır.
Bilim adamlarının yüzlerce yıllık araştırmaları sonucunda ışığın belirli fizik yasalarına uygun olarak davrandığı bulunmuş ve ışığın yapısını açıklayabilmek için çeşitli kuramlar geliştirilmiştir.

Işık Yasaları

Işığın davranış özelliklerini açıklayan ilk yasalardan biri yansıma yasasıdır. İS 1. yüzyılda yaşamış olan Eski Yunan bilginlerinden "İskenderiyeli Heron", aynadan yansıyan bir ışık ışınının aynayla yaptığı gelme ve yansıma açılarının eşit olduğunu bulmuştu. Bundan yüzyıllar sonra Hollandalı fizikçi "Willebrord Snell" 1621'de ışığın çok önemli bir başka özelliğini saptadı. Saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama, örneğin havadan cama ya da sudan havaya geçerken ışığın doğrultusu değişiyordu. Kırılma denen bu olayın nedeni, ışığın her saydam ortamdaki hızının farklı olmasıdır; örneğin ışığın sudaki hızı havadaki hızından daha azdır.

Işığın gösteri amacıyla kullanılması. Bu çok renkli görüntüler laserlerle yaratılıyor.

Doğal olarak cam da ışığı kırar. Pencerenin dışındaki bir cisimden gelen ışık bir kez cama girerken, bir kez de camdan çıkarken kırılır.Çünkü ilkinde havadan cama, ikincisinde de camdan havaya geçerek iki kez ortam değiştirmiştir. Bu durumda cisimden gelen ışığın gözümüze ulaşıncaya kadar doğrultusundan iyice sapmış olması gerekir. Oysa camın iki yüzeyi birbirine paralel olduğu için, camdan çıkan ışık ışını cama giren ışıkla aynı doğrultuda yol alır. Bu nedenle, pencere ya da otomobil camı gibi düz bir camın arkasındaki cisimleri yer değiştirmiş olarak değil, gerçekten bulundukları noktada görürüz.

Ama camın yüzeyleri paralel olmadığı zaman içinden geçen ışık ışınlarının doğrultusu değişir. Demek ki camın yüzeylerine belli bir eğiklik verilerek, gelen ışık ışınlarını bir araya toplaması ya da birbirinden uzaklaştırması sağlanabilir. Bu amaçla biçimlendirilmiş camlara "mercek" denir. Işık ışınlarını bir araya toplayan yakınsak merceklerin en az bir yüzeyi dışbükey, ışık ışınlarını uzaklaştıran ıraksak merceklerin de gene en az bir yüzeyi içbükeydir. Mercekler gözlük, büyüteç, fotoğraf makinesi, mikroskop, teleskop gibi optik aygıtların temel öğelerinden biridir.


Üzerine düşen ışığın hemen hemen tümünü geçiren maddelere "saydam", bir bölümünü geçirenlere de "yarısaydam" denir. Saydam olmayan maddeler gelen ışığın bir yandan öbür yana geçmesine izin vermediğinden bu cisimlerin arkasını göremeyiz. Bu tip maddeler ya bütün ışığı soğurduğu için "donuk (mat)" ya da bütün ışığı yansıttığı için "parlak" görünür.
http://www.tr3d.com/max/render/isik1/Res_02.gif Bir ışık demeti kaynağından (A) uzaklaştıkça yayılır ve
parlaklığını yitirir. Örneğin AC uzaklığı AB
uzaklığının iki katıysa, ışığın C'de kapladığı alan
B'dekinin dört katına yükselirken parlaklığı ancak
dörtte biri kadar olacaktır.

Beyaz ışık kırıldığı zaman çeşitli renklere ayrılır. Bu olayın nedenini 1666'da İngiliz bilim adamı "Sir Isaac Newton" açıklamıştır. Newton bir güneş ışığı demetini karanlık bir odada bir prizmadan geçirdiğinde, bildiğimiz beyaz ışık cam prizmanın öbür yüzünden çıkarken mor, lacivert, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkli ışınlara ayrılmıştı. Bu renkli ışın demetine "tayf" denir. Gene Newton'ın deneylerine göre, bu ışık tayfı tersine çevrilmiş ikinci bir prizmadan geçirildiğinde yeniden beyaz ışık demetine dönüşüyordu. Ama tayftaki renkli ışınlardan yalnızca biri, örneğin kırmızı ışık ikinci prizmadan geçirildiğinde hiçbir değişikliğe uğramıyordu.

Bu bulgulardan yola çıkan Newton, beyaz ışığın gerçekte gökkuşağındaki bütün renklerin karışımından oluştuğu sonucuna vardı. Beyaz ışığın prizmadan geçerken bileşenlerine ayrılmasının nedeni, yapısındaki her rengin değişik açılarda kırılmasıdır. Örneğin mavi ışınlar kırmızı ışınlardan daha büyük bir açı altında kırılır.
Bir cismin rengi, tayfın hangi bölgesindeki ışınları yansıttığına bağlıdır. Bütün renkleri yansıtan cisimler "beyaz", bütün renkleri soğuran ya da yutan cisimler "siyah" görünür. Beyaz ışıkla aydınlandığında en çok tayfın yeşil bölgesindeki ışığı yansıtıp öbürlerini soğurduğu için yeşil renkte görünen otlar da, içinde hiç yeşil bulunmayan bir ışıkla aydınlatıldığında pek az ışık yansıtacağı için siyaha yakın koyu renkte olacaktır.


"Snell"in kırılma yasasını açıklamasından 40 yıl kadar sonra İtalyan fizikçi "Francesco Grimaldi" (1618-63) ışığın en önemli davranış özelliklerinden biri olan "kırınım" olayını buldu. Işığın kırınımını, bir sel yatağında akan suyun yolunun üzerindeki bir taşın çevresinden dolanarak akmasına benzetebiliriz. Işık da bir engelle karşılaştığında hafifçe bükülür ve keskin bir dönüş yapmasa da köşeleri açıktan dolanarak yoluna devam eder. Gene de birçok durumda ışığın düz bir çizgi boyunca yayıldığını kabul edebiliriz. Işık bu biçimde yayıldığında, bir yüzeydeki aydınlık ve karanlık bölgeler arasında belirgin bir sınır çizgisinin olması gerekir. Oysa titiz bir deney bunun böyle olmadığını gösterecektir. Noktasal denecek kadar küçük bir delikten geçerek karanlık bir odaya giren ışık bir ekran üzerine düşürüldüğünde, bu yuvarlak ışık lekesini çevreleyen kenar çizgisinin hiç de keskin olmadığı görülür. Ekrandaki ışıklı daire ile gölgeli bölümlerin arasında, aydınlık ve karanlık çemberlerden oluşmuş, bulanık görünümlü dar bir kuşak vardır.


Aynı şey gölgeler için de söz konusudur. Bir cisim ne kadar küçük bir ışık kaynağıyla aydınlatılırsa aydınlatılsın, ışığın cismin kenarlarında kırınıma uğraması nedeniyle gölgesinin sınırları hiçbir zaman çok keskin olmaz. Bu kırınım olayını açıklamanın tek yolu, ışığın mutlak olarak düz bir çizgi boyunca yayılmadığını, hafifçe bükülerek bir engelin köşesinden geçebildiğini kabul etmektir.

Işık Kuramları
Işığın yansıması, kırılması ve renklerine ayrılması gibi davranış özelliklerini ortaya koyan ilk çalışmalar, ışığın yapısını açıklığa kavuşturabilmeleri için bilim adamlarına çok değerli veriler sağlamıştı. Nitekim, kuramsal ve deneysel çalışmalarıyla bu konunun öncülerinden olan Newton, ışığın parçacıklardan ya da taneciklerden oluştuğunu ileri sürerek ışığın parçacık kuramını ortaya attı. Bu görüşe göre ışık parçacıkları minicik mermilere, ışık kaynağı da bu mermilerle yayılım ateşi yapan bir tüfeğe benzetilebilir. Ne var ki Newton'ın kuramı ışığın birçok davranışını açıklamakta yetersiz kaldı. Yansıma olayı bu kuramla açıklanabilirdi; ama kırılma olayını açıklayabilmek için ışığın sudaki hızının havadaki hızından daha büyük olduğunu kabul etmek gerekiyordu. Fransız fizikçi "Leon Foucault"'nün 1850'de çok sağlam bir deneyle bunun tam tersini kanıtlaması parçacık kuramının güvenilirliğini büyük ölçüde sarstı. Kaldı ki bu kuram Newton'ın zamanında bile bilinen kırınım olayını da açıklayamıyordu.

Newton ile aynı dönemde yaşamış olan Hollandalı bilim adamı "Christiaan Huygens", parçacık kuramından birkaç yıl sonra, ışığın yapısını açıklayan yeni bir kuram geliştirdi. Eskiçağlardan beri fizikçiler bütün uzayın "ether (esir)" denen ağırlıksız, saydam ve esnek bir maddeyle dolu olduğuna inanıyorlardı. Huygens de ışığın dalga kuramı'nı geliştirirken bu maddenin varlığını temel almıştı. Bu kurama göre, havuza atılan bir taşın su yüzeyini dalgalandırması gibi, ışıklı bir parçacık da çevresini saran esirde her yöne dağılan bir dalga hareketini başlatıyordu. Işığın her zaman düz bir çizgi boyunca yayıldığına inanan Newton bu görüşe karşı çıktı. Bilinen bütün dalgalar, örneğin su ve ses dalgaları bir engelin çevresinden dolanabildiğine göre, dalgalardan oluşan ışığın da eğri bir yol izleyerek aynı şeyi yapabilmesi gerekirdi. Newton dalga kuramına bu savla karşı çıkarken kırınım olayını iyi değerlendirememiş ve ışığın da öbür dalgalar gibi gereğinde bükülebildiğinin bir kanıtı olduğunu fark edememişti. Ne var ki, ışığın dalga boyu çok kısa olduğu için bu bükülmenin sonuçlarını gözleyebilmek öbür dalgalara oranla çok daha güçtür.

Işığın dalgalardan mı, yoksa parçacıklardan mı oluştuğu konusu neredeyse 150 yıl tartışıldı. En sonunda İngiliz fizikçi "Thomas Young", 19. yüzyılın başlarında yaptığı bir deneyle bu tartışmalara son verdi. Kesinlikle dalgalara özgü olan girişimin ışıkta da gözlendiğini ortaya koyan bu deneyden sonra parçacık kuramı yavaş yavaş bilim dünyasından çekildi.

Girişim ve Polarılma
Daha önce kırınım deneyinde anlatıldığı gibi, bir gölgenin çevresinde aydınlık ve karanlık şeritlerin oluşması ışık dalgalarının "girişim"i ile açıklanabilir. Eğer iki dalga, tepe noktaları üst üste gelecek biçimde karşılaşırsa birbirini güçlendirir; böylece, ışığın düştüğü yüzeyde parlak bir girişim saçağı oluşur. Buna karşılık dalgalardan birinin tepe noktası öbürünün çukur noktasıyla üst üste geldiğinde iki dalga birbirini yok eder ve karanlık bir girişim saçağı ortaya çıkar. Güneş ışığının renkli girişim saçaklarını bir sabun köpüğünün üzerinde ya da çok ince bir katman halinde yayılmış bir mazot birikintisinin yüzeyinde görebilirsiniz.

http://www.tr3d.com/max/render/isik1/Res_03.gif Young'ın kırınım deneyi ilk kez ışık dalgalarının girişimini gözlemleme olanağı vermişti.

"Polarılma" olayının en iyi açıklaması da gene ışığın dalga hareketiyle yapılabilir. Bir ucu ağaca bağlanmış bir ipin öbür uçunu aşağı yukarı, iki yana ya da eğik olarak hızla salladığımızda, tuttuğumuz uçtan öbür uca doğru ilerleyen bir dalgalanma hareketi olur. Işık dalgaları da tıpkı bu ipin dalgaları gibi her doğrultuda titreşim yapabilir. Ama ipi düşey iki direğin arasından geçirirsek yalnızca aşağı yukarı doğru sallayabiliriz; iki yana doğru sallamaya çalıştığımızda ip dalgalanmaz. Aynı denemeyi iki yatay çubuk arasından geçen bir iple yaptığımızda bu kez ipi yalnızca iki yana doğru sallayarak dalgalandırabiliriz. Aynı biçimde ışık dalgalarının da yalnızca belirli bir doğrultuda titreşmesi sağlanabilir; bu durumda ışık "polarılmış"tır.

Işık, özel bir prizmadan ya da polancı (polaroit) bir levhadan geçirilerek polarılabilir. Çok ince bir katman halinde herapatit kristalleriyle kaplanmış ince ve saydam bir levhanın iki camın ya da iki saydam plastiğin arasına yerleştirilmesiyle hazırlanan bu levhalar polaroit güneş gözlüklerinin ve bazı bilimsel aygıtların yapımında kullanılır.
http://www.tr3d.com/max/render/isik1/Res_04.gif Işık dalgalarının yayılması, aşağı yukarı doğru hızla sallanan bir ipin dalgalanma hareketine benzer. Çizimdeki yatay çubuklar ipin düşey hareketini nasıl engelliyorsa, bazı kristaller de ışığın belirli doğrultulardaki titreşimini kısıtlayarak ışığı polarabilir.


19. yüzyılın ikinci yarısında, ışığın dalga kuramını destekleyen pek çok kanıt elde edildi. Örneğin İngiliz fizikçi "James Clerk Maxwell" ışığın bir elektromagnetik dalga hareketinden ileri gelebileceğini ortaya koydu. Maxwell'e göre ışık, elektrik dalgaları ile magnetik dalgaların birleşmesinden oluşuyordu; bu dalgalar birbirine dikti ve saniyede "300.000 km" hızla yol alıyordu. 1887'de, daha Maxwell'in ölümünden 10 yıl geçmeden, Alman fizikçi "Heinrich Hertz" elektromagnetik dalgaların varlığını kanıtladı. Hertz'in laboratuvarda elde ettiği bu dalgalar, bugün radyo dalgaları olarak bildiğimiz çok uzun dalgalardı. Elektromagnetik dalgaların yansıtılabileceğini, kırılmaya uğratılabileceğini, polarılabileceğini ve ışığın bütün davranışlarını gösterebileceğini ortaya koyan Hertz, bu dalgaların da ışık hızıyla yayıldığını gösterdi. Böylece radyo yayıncılığının yolunu açmış oldu.

Günümüzde, radyo dalgalarından ısıya, görünür ışıktan morötesi, X ışınları ve kozmik ışınlara kadar bütün ışıma enerjisi birimlerinin elektromagnetik yapıda olduğu biliniyor. Örneğin ışık ile radyo dalgaları arasındaki tek fark dalga boylarıdır.

Değişik dalga boylarındaki bütün elektromagnetik dalgalar, "elektromagnetik tayf" denen geniş bir yelpaze oluşturur. Yaklaşık 400 ile 740 nanometre (bir nanometre milimetrenin milyonda biridir) arasındaki dalga boylarını kapsayan görünür ışığın tayfı, elektromagnetik tayfın ancak çok küçük bir bölümünü oluşturur. Elektromagnetik tayf konusunda daha ayrıntılı bilgiyi TAYF maddesinde bulabilirsiniz.

1960'larda bilim adamları, çok ötelere yoğun bir ışık demeti gönderebilen "laser" adlı bir aygıt yaptılar. Bir laser demetinin ışığı eşfazlıdır; yani aynı anda bütün dalgalar aynı doğrultuda yayılır. Bugün laserler sanayide, tıpta ve radarlarda çok yaygın olarak kullanılır.

Fotoelektrik Etki

Işığın birçok davranışı en iyi dalga kuramıyla açıklanabilir; ama Hertz'in elektromagnetik ışınım deneyleri yaparken keşfettiği ve fotoelektrik etki adını verdiği bir olayı bu yoldan açıklamak olanaksızdır. Hertz, metal bir levha üzerine düşen ışığın metalden elektron kopardığını fark etmişti; elektronlar eksi elektrik yüklü olduğundan, elektron kaybeden metal bir artı yük kazanıyordu. Çok geçmeden, mor ışığa tutulan metallerin kırmızı ışıktakinden çok daha hızlı biçimde elektron saldıkları anlaşıldı. Morötesi ışınım ile X ışınları elektronların bu hareketini iyice hızlandırıyordu. Üstelik ışığın şiddeti elektronların hızını değiştirmiyor, yalnızca metalden kopan elektronların sayısını etkiliyordu.
Bu ilgi çekici olayın açıklamasını "Albert Einstein" yaptı. Işık, foton denen küçük enerji paketleri halinde salınıyor ya da soğuruluyordu. Einstein, her paketteki (fotondaki) enerji miktarını bir "kuvantum" olarak adlandırdı. Bu durama göre, metal levhadaki bir elektron bir "fotonu" ya bütün olarak soğurur ya da hiç soğurmaz; bir enerji paketini parçalayarak yalnızca bir bölümünü alması olanaksızdır. Fotoğraf çekiminde kullanılan ışığın, filmin yüzeyindeki küçük gümüş bromür kristallerini etkilemesi de büyük olasılıkla bir tür fotoelektrik etkidir. Fotonlar biçiminde gelen enerjiyi soğurarak bir değişime uğrayan bu kristaller ile filmin banyo edilmesinde kullanılan kimyasal maddeler arasındaki tepkime ışık almamış olan kristallerinkinden farklı olur.

Işık Nedir?

Fotoelektrik etkinin bulunmasından sonra bilim adamları, ışığın parçacıklara çok benzeyen davranış özellikleri gösterdiğini bir kez daha kabul etmek zorunda kaldılar. Öte yandan ışığın belirgin dalga özellikleri de göz ardı edilemiyordu. Böylece ışığın parçacık kuramı bu kez "foton" adıyla yeniden gündeme geldi. Ama ışığın "girişim", "polarılma" ve "kırınım" gibi önemli özelliklerinin fotonlara dayanan açıklaması henüz tam olarak yapılamamıştır.
Bugün bilim adamları ışığın hem parçacık, hem dalga gibi davrandığını kabul ediyorlar. Bu davranışlardan herhangi birini, örneğin ışığın dalga hareketini kanıtlamak üzere yapılan bir deney mutlaka bu amaca uygun sonuçlanır. Ama, ışığın foton kuramına uygun olarak davrandığını göstermek üzere yapılan deneyler de bu kez bu beklentiyi doğrular. Görüldüğü gibi, "ışık nedir?" sorusuna henüz tam anlamıyla doyurucu bir yanıt verilebilmiş değildir. Işığın bütün özelliklerini yalnızca dalga hareketiyle ya da yalnızca parçacıklarla açıklayabilmek en azından şimdilik olanaksızdır.
http://www.tr3d.com/max/render/isik1/Res_05.gif

Renk Sıcaklığı (Color Temperature)
Renk sıcaklığı, siyah bir nesnenin belli bir renkte ışık yayabilmesi için ulaşması gereken mutlak sıcaklık değeri olarak açıklanır. "Kelvin" derecesi cinsinden belirtilir. İskoçyalı Fizikçi William Thomson tarafından ortaya atılan "Kelvin" ölçü birimine göre 0 derece olan suyun donma ısısı 273 Kelvin olarak düşünülmüştür. 100 derece olan kaynama noktası da 373 Kelvin'dir. "K" kısaltmasıyla gösterilir. Mesele şudur:
Isı iletkenliği yüksek, ideal bir siyah nesne, sıcaklığı arttırıldıkça kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi şeklinde bir sırayla renk değiştirir. İşte bir ışık kaynağının renk ısısı, ideal nesnenin o ışık kaynağının rengine yakın bir renge bürünmesini sağlayan sıcaklık değeridir. Yalnız bu değerin, ampulün ya da aydınlatma elemanının sıcaklığıyla alakası yoktur.
Aşağıda tabloda çeşitli ışıkların renk sıcaklıklarını ve bunları karşılayabilecek "Hue (renk özü)" değerleri verilmiştir.

Işık Kaynakları Renk Sıcaklığı Hue (Renk Özü) Değeri
Kapalı Hava

Öğle Güneşi

Soğuk Beyaz Floresan

Tungsten/Halojen Lamba

Sıcak Beyaz Floresan

100/200W Ampul

Gün Doğuşu ve Batışı

Mum Işığı


6000 K

5000 K

4100 K

3300 K

2800 K

2700 K

2000 K

1750 K


130

58

27

20

16

16

7

5



Renk Isısı kavramı, ışık kaynaklarının yaydığı rengi ölçme konusunda bir standart kabul edilmiştir, ancak ne var ki doğada, siyah renkli ideal nesnenin, eriştiği hiçbir sıcaklık değerinde rengini yakalayamadığı bazı ışık kaynakları da vardır. Örneğin civa buharlı lambalar yeşilimsi-mavi bir ışık verirler. Bu aydınlatma elemanının rengini ideal nesneyi ısıtarak elde edemeyiz. Genelde sodyum lambaları ya da bitki yetiştirmekte kullanılan yapay lambalar gibi renkli ışık kaynaklarının çoğu da böyledir. Bu aydınlatma elemanları için verilebilecek renk sıcaklığı değerleri ancak yaklaşık değerler olabilir.

Işık Hızı

Işık hızı bilinen en büyük hızdır ve tam olarak ölçülmesi bilim açısından büyük önem taşır. Işığın uzaydaki ya da boşluktaki yayılma hızı saniyede yaklaşık "300.000 km"dir. Dünyadan yaklaşık 150.000.000 km uzakta olan Güneş'in ışığının bize ulaşması 8 dakikadan fazla sürer. Işık bir yılda "9.470.000.000.000 km" yol alır. Bu olağnüstü uzaklığa, yani ışığın bir yılda aldığı yola bir "ışık yılı" denir ve yaklaşık bir değerle 10 trilyon kilometre olarak kabul edilir.