Işık Üzerine Temel Bilgiler

IŞIK

Işık elektromanyetik bir dalgadır. Fizikte c ile gösterilir ve bunun sebebi Yunanca “celeritas” kelimesinden geliyor olmasıdır. Aslında Işık, olgu olarak ışımanın, ışık kaynağından çıktıktan sonra bir cisme çarparak gözümüze yansıması sonucu canlıların görmesini sağlayan bir olgu[1] olarak tanımlanmakta. Bizi ilgilendiren kısmı elbette hem fiziksel hem de olgusal tarafı. Bu yüzden hem bilimsel hem de kozmetik olarak ışığı inceleyeceğiz.

“Karanlık diye bir şey yoktur, karanlık ışığın yokluğudur”. A. Einstein

Özellikle bir fotoğrafçı için “ışık” her şeydir. Gerçek anlamda ışık olmadan, görüntü olmaz, görme işlevi gerçekleşmez. Bu yüzden ilk işimiz ışığı ve doğasını anlamak olmalıdır.

IŞIĞIN KEŞFİ

Elbette ışık, yüzyıllar boyunca insanların en çok ilgisini çeken ve üzerinde düşündükleri bir fenomen olmuştur. Ancak bilimsel anlamda ayakları yere basan ilk teori 17. Yüzyılda İngiliz bilim adamı Isaac Newton[2] tarafından oluşturulmuştur. O, ışığın güneş veya ateş gibi ısı yayan cisimler tarafından üretilen “corpuscles” denilen taneciklerden oluştuğunu düşünmüştür. Çağdaşı Hollandalı Christiaan Huygens[3] ise ışığın, yukarı aşağı titreşen aynı zamanda ileri hareket eden dalgalar olduğunu ileri sürmüştür.

Aslında ikisinin teorisi de tam doğru değildi. Newton, parçacıkların yapısını açıklayamıyordu. Huygens ise neyin dalgalandığını çözememiştir. Günümüzde bile ışığın tanecik mi dalga mı olduğu konusu tam olarak çözülememiştir.

Işığın gizemi konusundaki çalışmaları takip etmek için 1820 yılında Kopenhag’a kadar gitmeliyiz. Elektrik üzerine çalışmalar yapan Hollandalı bilim adamı Hans Christian Orsted, elektriğin manyetik alan oluşturduğunu keşfetti. Dahası, elektrik alandaki değişikliğin manyetik alan oluşturduğunu bulmuştu.11 yıl sonra İngiliz bilim adamı Michael Faraday, tersi bir keşif yaptı: Değişen manyetik alan da elektrik alan oluşturuyordu…[4]

Işığın Dalga Yapısı, elektrik ve manyetik alanlar.

Tüm bu fikirleri toplayarak birleştiren İskoç bilim adamı James Clerk Maxwell, elektrik ve magnetizma alanındaki çalışmaları “Elektromagnetizma” başlığı altında toplamış oldu. Bu çalışmaların sonunda elektromanyetik alanların tekrarlanan ve çok hızlı olduğunu keşfetti.[5]

Bu fikir doğrultusunda bu alanın hızını, şu anda bildiğimiz hızına çok yakın olacak şekilde, saniyede 300.000 km olarak hesapladı[6]. Tüm bunların sonunda “ışık nedir?” sorusuna bir cevap geldi: Uzayda hareket eden ve manyetik alan tarafından bağlanan elektrik alana “ışık” adı verilir.

Bunu sonsuza kadar birbirleri çevresinde dönen ve birbirlerini besleyen evrensel buz pateni partnerleri gibi düşünebilirsiniz. Asla ayrılmazlar, ve biri diğerini besler…

Günümüzde elektromanyetik yelpazenin hepsini biliyoruz ve hakimiz. Bu yelpaze dalga boyu farklı manyetik alanlardan oluşan farklı ışınımlardan oluşmaktadır. Öyle ki bu spektrum, bir hidrojen atomundan daha küçük dalga boyuna sahip yüksek enerjili Gama Işını’ndan; Jüpiter büyüklüğündeki düşük enerjili Radyo dalgalarına kadar uzanmaktadır. Gözümüzle görebildiğimiz ışık ise bu tayfta 400 – 700 nm dalga boyundaki ışımalardan ibarettir.[7]

IŞIĞIN DOĞASI ve QUANTUM MEKANİĞİ

Kuantum dünyası, bildiğimiz Newton fiziğinin çok ötesinde ve garip şeylerin meydana geldiği çok ufak, atom altı boyutlardaki gariplikleri açıklamakta kullanılır. Çünkü bu küçük evrende normal fizik kuralları beklendiği gibi gelişmez. Söz konusu ışık olduğunda, elbette bu sınıfa girdiğinden kuantum fiziğinin ilgisini çeker. Hatta sadece ışık ile uğraşan bir dalı bile mevcuttur: “Optik Kuantum”

Bu nokta kuantum fiziğinden biraz bahsetmek gerekecektir. Kuantum (ing. quantum) latince “quantam” yani “ne kadar” sözcüğünden türetilmiştir. Quantum fiziği, olasılıklar üzerine kuruludur. Atomun kuantum modeli, daha önce öğrendiklerimizden çok daha fazla karmaşıktır. Örneğin, elektronlar çekirdeğin etrafında güneş etrafında dönen gezegenler gibi hareket etmezler. Daha çok kabuk şeklinde veya bir bulut şeklinde enerji seviyelerinde bir görünüp bir kaybolurlar.

Quantum, “Bir elektronun (veya parçacığın) hızını biliyorsak, yerini bilemeyiz veya tersi durum da geçerlidir” (Quantum belirsizlik ilkesi)[8] şeklinde hızlı formülasyonlardan daha zor ve karışık olasılıklar üzerinde durur. Quantum fiziğinde gözlemin, fiziksel olarak parçacığın yerini etkilediği kabul edilir. Böylece dalgaların gösterdiği kırınım ve yansıma gibi özelliklerle ışık bir dalga; Einstein’ın keşfettiği “fotoelektrik etki”ye göre ise bir tanecik olabilir. Buna göre ışık hem parçacık hem de dalga sayılır. Başka bir deyişle ışık, hem tanecik hem de dalga özellikleri gösterir. Bu gözlemden gözleme ikisi arasında gidip gelebilir. Buna “Işık Parçacığı İkiliği” denilmektedir.

Quantum Fiziğindeki bir başka ilkesi “Kuantum Tünellemesi” olarak bilinir. Bu ilkeye göre madde bir noktadan diğerine ortak bir uzayı paylaşmadan geçebilir. Kulağa biraz tuhaf gelse de günümüzdeki LASER[9], Nükleer Reaktörler, Yarı iletken Teknolojisi gibi birçok gelişmenin temelinde bu ilke yatmaktadır. Ayrıca, Güneş’ten Dünya’mıza gelen ışık ta bu tünelleme etkisi ile çekirdekten kaçabilme fırsatı bulmaktadır. Bu ilke ile evrende sonsuz olasılıklara yer olduğu ve evrenin de birçok olasılıklar zinciri ile oluştuğu ortaya çıkmıştır.

Daha da derine girmeden kuantum fiziği sayesinde ışığın özellikleri konusunda çok daha fazla bilgi edindiğimizi söyleyebiliriz. İşte size Işığın Foton Teorisi:

  • Bir foton, ayrı bir demet Elektromanyetik(veya ışık) enerjidir.
  • Uzayda ışığın hızı sabittir ve değişmez.
  • Sıfır kütleye ve potansiyel enerjiye sahip olduğu görülmüştür.
  • Her bir foton dalga boyu ve frekansıyla bağıntılı bir enerji ve moment taşır.[10]
  • Radyasyon emdiğinde yaratılma veya yok olma potansiyeline sahiptir.
  • Diğer atom altı parçacıklarla çarpışabilme yeteneğine sahiptirler.[11]

Fotoelektrik Etki Fenomeni: Fotoelektrik etki biraz dramatiktir, çünkü eğer ışık bir dalga ise, o zaman daha yoğun bir ışık (daha parlak ışık) daha fazla enerji içermelidir ve yoğun ışık dalgası metal yüzeyden daha fazla kinetik enerji ile daha fazla elektron yaymaya muktedir olmalıdır. Fakat durum böyle değildir, metal yüzeye daha yoğun ışık tutarak daha çok elektron çıkarıldığında, daha fazla kinetik enerjiye sahip olmazlar, tüm elektronlar aynı kinetik enerjiye sahiptir. Işık yoğunluğu yerine, ışık frekansını değiştirirseniz böylece yayılan elektronun enerjisi de değişir. Bu bize kinetik enerjinin ışığın frekansı ile bir sabitin çarpımına eşit olduğunu söyler. Bu sabit Planck’ın Sabiti “h” dır.

Fotoelektrik anlamında söylediklerimizi Şekil-1 ile birleştirecek olursak, yüksek frekanslı IR, X-ışını ve gama ışını kesinlikle yüksek enerjili olacaklardır.

DOĞAL IŞIK KAYNAKLARI:

Kuzey ışımaları nedeniyle oluşan ışık doğal ışık kaynağıdır. Fotoğraf: Mustafa AYDIN

En temel ışık kaynağımız: Güneş. Fotoğraf: Mehmet Ergün

Işık, bir kaynaktan yayılan bir ışımadır. Bu kaynak doğal ya da yapay olabilir. Doğal ışık kaynakları, doğada kendiliğinden oluşan ışık demektir. Yapay Işık kaynağı ise insan eli ile üretilen kaynaklardır. Çok sayıda doğal ve yapay ışık kaynağı mevcuttur. Doğal kaynak dediğimizde listemize, yıldızlar, atmosferik olaylar (meteor yanmaları, yıldırımlar, Aurora borealis, Aurora autralis), volkan patlamaları, bitki ve hayvansal ışık kaynakları, kimyasal ışıma ve kimyasal reaksiyonlar girmektedir. Bu genel çerçevede doğal ve görünür ışık kaynaklarını çokça çeşitlendirebiliriz:

Yıldırımlar ve Atmosferik Elektrik Boşalmaları: Atmosferde, farklı ısıda ve temelde su buharı molekülleri sürtünme sonucu elektrik yüküne sahip olurlar. Bu yük, bir yol bulduğunda kendini toprağa iletmek isteyecektir. İşte bu olay olduğunda, gökyüzünde bulutlar arasında ve bulutlar ile yer arasında muazzam bir parlama görülür. Buna “Yıldırım” demekteyiz. Yıldırım bir tür plazmadır. Oluşan çok yüksek potansiyele sahip ışık, hareketi ve oluşumu sırasında etrafındaki havayı ısıtır ve aniden genleşen hava süpersonik bir patlama yaratır ki bu da yıldırımı takip eden “gök gürültüsü” dür. Bu yolla oluşan saf ışık, doğal bir ışıktır.

Akkor Işık: Bir maddenin ısınması ile ortaya çıkan ışığa denilmektedir. (ing. Incandesence) Volkanlardan çıkan lav, buna en güzel örnektir.

Meteor Yanmaları: Atmosfer, uzay boşluğundan yaklaşık 400 kat daha yoğundur. Bu nedenle, dünya atmosferine büyük bir hızla giren cisimler, aşırı sürtünme direncine maruz kalırlar ve bu da cismin alev almasını sağlar. Gece gökyüzünde bir yöne doğru kayıp giden ve (çoğunlukla) sönen ışık kaynakları (halk diliyle yıldız kaymaları) bu şekilde doğal ışık kaynaklarından sayılabilir.

Aurora Borealis ve Australis: Dünya demir bir çekirdek etrafında dönen ermiş metalden bir dış çekirdeğe sahiptir. Bu hareket sonucu, dünya, kocaman bir mıknatıs haline gelmektedir. Doğumundan bu yana, kazandığı bu manyetik özellik, manyetik kutupların yerleri zaman zaman değişse de veya bazı yerlerde anomaliler gösterse de hiç değişmemiştir. İçinde bulunduğumuz çağda, manyetik kutup, coğrafi kutba yakın bir konumdadır. Yani kuzey manyetik kutup, kuzey kutup noktasına; güney manyetik kutup ise güney kutup noktasına yakın sayılmaktadır. Bu manyetik alan öylesine güçlüdür ki, güneşten gelen yüksek enerjili elektronlara karşı bizi korumaktadır. Bunu, gelen elektronları yönlerini saptırarak yapmakta ve onları kuzey ve güney kutup dairelerinin üzerinden atmosfere çarpacak şekilde yönlendirmektedir. Bu yönlendirme ile kuzey ve güney kutuplara yakın alanlarda atmosfere giren elektronlar, atmosferdeki farklı gazlara çarparak onları iyonize etmekte ve aynı bir floüresan lamba gibi ışıldamalarını sağlamaktadır. Bu oluşumlardan kuzey kutbundakine “Aurora Borealis”, güney kutbundakine ise “Aurora Australis” denilmektedir.

Aurora Borealis. Fotoğraf: Mustafa AYDIN

Yanma Işığı: Yanma, aslında kimyasal bir olgudur. Farklı yanma çeşitleri olduğunu belirtmemiz yeterli. Ancak bizim anladığımız atmosferik yanma için üç şey gereklidir. Oksijen, yakıt ve ateşleyici. Yine bizim bahsettiğimiz anlamda yanma, mum ışığından tutun da, patlayıcılar ile oluşan patlamalara kadar geniş bir alanda incelenebilir. Burada bunlara değinmeyeceğiz. Meşale ateşi, barut alevi, havai fişek, dinamit… hepsi bu tip yanma ışığı içerisinde değerlendirilebilir.

Lüminesans: Kaynağı ısı olmayan doğal ışık kaynağıdır. Bir çok alt sınıfa ayırabiliriz. Başlıcaları şunlardır:

  • Biolüminesans: Yaşayan organizmalardaki biyokimyasal olaylar sonucu ortaya çıkan ışıktır. (Planktonlar, mürekkep balıkları, ateş böceklerinin yaydığı ışıklar gibi)
  • Katadolüminesans: Elektronların fosfor gibi bazı elementlere çarpmasıyla oluşan ışıktır. Örneğin, saatinizdeki fosfor, gün ışığında güneşten gelen elektronlar ile uyarılır ve gece, enerji seviyeleri değişen elektronların seviye değiştirmesinden oluşan foton emisyonu ile görülür dalga boyunda ışık yayarlar. Bu tür ışıma önemlidir çünkü, elektron mikroskopları da bu ilke ile çalışmaktadır.
  • Kemilüminesans: Kimyasal reaksiyonlar ile ortaya çıkan ışıktır.
  • Krayolüminesans: Bir maddenin soğuması sırasında çıkardığı ışıktır.
  • Kristalolüminesans: Bir maddenin kristalleşirken oluşturduğu ışıktır.
  • Elektrokemilüminesans: Elektro kimyasal reaksiyonlar sonunda oluşan ışıktır.
  • Elektrolüminesans: Bir elektrik akımının bir objeden geçerken oluşturduğu ışıktır. Led Ampuller ve Laser bu prensip ile çalışmaktadır.
  • Mekanolüminesans: Katı bir cisim üzerine mekanik bir etki ile oluşan ışıktır. Pek çok alt türü vardır. Tribolüminesans, metallerin çizilmesi ve metalik bağların kopması veya zayıflaması ile oluşan kıvılcımların yaydığı ışık demektir. Fraktolüminesans, bir kristal yapıdaki kopma sırasında ortaya çıkan ışıktır. Bazı kristaller de üzerlerine mekanik bir basınç uygulandığında ışık yayarlar. Buna piezolüminesans denilmektedir. Sonolüminesans ise bir sıvı içerisinde ses dalgaları ile uyarılan kavitasyon baloncuklarının içe göçmesi sırasında yayılan ışıktır.
  • Fotolüminesans: Temel olarak fotonların absorbe olması ile ortaya çıkan ışık çeşididir. Floresans ve fosforesans olarak iki çeşidi vardır. Floresans, daha önce absorbe edilmiş fotonları barındıran bir maddenin bunları farklı şartlarda serbest bırakması ile oluşur. Fosforesans ise, absorbe edilen elektromanyetik ışımanın hemen değil sonradan olması ile oluşur.
  • Radyolüminesans: İyonize radyasyon bombardımanı ile oluşan ışıktır.
  • Termolüminesans: Bir obje tarafından önceden absorbe edilmiş enerjinin ısı ile tekrar serbest kalması sırasında oluşur.

 

Nükleer Işık, Yıldızlar, Güneş:

Gelelim bizi esas ilgilendiren ışık türüne. Çünkü dünyadaki en büyük ve önemli doğal ışık kaynağı Güneştir. Güneşimiz gibi her yıldızın kalbinde bir nükleer fırın bulunur. Bu nükleer fırın içerisinde her saniye tonlarca hidrojen atomu(saniyede 5 milyon ton)[12], yüksek sıcaklık(15.7 milyon Kelvin)[13] ve basınç (250 milyar atmosferik basınç)[14] altında birleşmeye mahkumdur. Bu süreçte iki hidrojen atomu birleşerek, bir helyum atomu oluşturur. Bu reaksiyona füzyon reaksiyonu denilir. Ancak bu noktada garip bir şey olur. Oluşan helyumun kütlesi, hidrojenlerin toplamından daha azdır. Helyum oluşurken kilo vermiştir! Peki nereye gitti bu kütle derseniz, işte gözünüze gelen ışık ve teninizde hissettiğiniz ısının kaynağı derim. Gerçekten de helyum oluşurken kütlenin bir kısmı enerjiye dönüşmüş, ısı ve ışık olarak atomdan kaçmıştır. Elbette başka, gözle göremediğimiz ışımalar da oluşmuştur. Ancak gözle görülür tayftaki bir ışık fotonu, size gelene kadar güneşin katmanlarında birçok atoma çapmış ve tabiri yerindeyse bir sarhoş gibi 5.000[15] yıl güneşin katmanlarında dolandıktan sonra, ondan kaçarak ve aradaki 1,5 milyar kilometreyi sekiz buçuk dakikada geçtikten sonra size ulaşmıştır.

Güneşte oluşan bu reaksiyon ve sonucunda oluşan ışık ve ısı, farklı boyutlarda, farklı tayflarda ve yoğunluklarda, evrendeki her yerde meydana gelmektedir. Yıldızların, gerek doğumu, gerekse ölümü de yaşamları sırasında yaydıkları ışık gibi fazlaca “ışıltılı” olmaktadır. Yıldızlar doğarken, nükleer füzyonun başlaması sırasında ve ölümleri sürecinde kırmızı dev, nova, süpernova, hipernova, karadelik, pulsar (nötron yıldızı), quasar, magnetar gibi birçok yeni oluşuma ve elbette, bize poz verircesine semavi bir havai fişek gösterisine sahne olurlar. Bu yok oluşların her biri, farklı dalga boylarında, farklı tayflarda ışınımlar yaratır. Biz ise Yüzyıllar ötesinden bunları yakalayıp biriktirmeye ve böylece fotoğraflamaya çalışırız.

Görünür Işık: Işığın bir manyetik dalgaya dik düzlenme eşlik eden elektrik alandan oluştuğunu söylemiştik. Bu sebeple, Elbette çok geniş bir spektrumdan söz etmiş oluyoruz. Gözlerimizin, bugün gördüğü ışığı algılayacak seviyeye evrilmesi sayesinde, bu tayfın çok küçük bir bölümünü gördüğümüzü unutmamalıyız. Düşünsenize, kızılötesi veya mor ötesi tayfı görseydik yahut radyo dalgalarını görebilseydik, dünya nasıl bir yer olurdu ? Dahası biz akıl sağlığımızı yitirmeden yaşayabilir miydik?

Görünür ışık dalga boylarına göre gözümüze farklı renklerde oluşur. Aslında Kırmızı, Mavi ve Yeşil renkli ışıktan diğer tüm renkler türetilir. Örnek verecek olursak:

  • Kırmızı ışık + Yeşil ışık = Sarı ışık
  • Kırmızı ışık + Mavi ışık = Magenta ışık
  • Yeşil ışık + Mavi ışık = Cyan ışık
  • Yeşil Işık + Mavi Işık + Kırmızı Işık =Beyaz Işık

Doğal görünür ışığın bu tayfsal çözümünü ilk olarak Newton yapmıştır. Opticks isimli kitabında anlattığı deneyde, güneş ışığını prizmadan geçirdiğinde 7 ana renge ayrıldığını gözlemiştir. Daha sonra, Her bir rengi ayrı ayrı prizmadan geçirdiğinde ise bu renklerde herhangi bir değişiklik olmadan kırıldığını saptamıştır. Böylelikle, renklerin prizma tarafından üretilmediğini, bu renklerin birleşerek güneş ışığını oluşturduğunu keşfetmiştir. Gerçekten de güneş ışığı, kırmızıdan mora tayftakı görünür ışığın tüm dalga boylarının yani renklerinin birleşimi ile oluşmaktadır. Bu yüzden yağmurlu günlerde gökkuşağındaki renkler, bir prizma gibi davranıp, güneş ışığını tayflarına ayırdığında 7 ana renk görürüz.

Daha önce de dediğimiz gibi, gözlerimiz 400-700nm dalga boylarındaki ışığa kimyasal yolla tepki vererek “görme” algısını yaratmaktadır. Diğer dalga boylarına karşı bir çeşit filtre geliştirmiş ve bu sayede UV, IR ve radyo dalgaları görmemizi engellemiştir. İşte bu bizim dünyayı algılayış şeklimizdir. Başka canlıların dış dünyayı bizim gibi algıladığı söylenemez, örneğin Yılanlar’ın kızılötesi (IR) görüşü mevuttur (Başka organellerinin de yardımı ile). Kuşların bazılarının UV ışığa hassas olduğunu bilmekteyiz. Biz bunları ancak özel filtreler ve kameralar ile görebilmekteyiz. Standart kamera ekipmanlarımız da elbette görünür ışığın dalga boylarını algılayacak sensörler ile donanmıştır.

Bazen özellikle astrofotoğrafçılıkta, görünür ışık içerisinde bazı çok dar bant aralıklarını ayırabilmek ve bunları fotoğraflamak isteriz. Örneğin nebulalarda bolca bulunan Hidrojen alfa, beta (H∂, Hß), Okisjen III (OIII) ve Sülfür II (SII) veya güneş gözlemlerinde Ca ışımalarını yakalamak veya artırmak isteriz. Bu durumda, sadece bu dalga boylarını filtreleyen özel filtreler kullanırız. Bunlar darbant filtreler olarak anılırlar. Özellikle şehir ışık kirliliğinden yakınanlar darbant filtreler ile şehir içinden astrofotoğrafik çekimler yapabilmektedir.

 Tablo 1: Görünür tayftaki renklerin dalga boyu ve frekansları

Renk   Dalga boyu aralığı   Frekans aralığı
kırmızı ~ 700–635 nm ~ 430–480 THz
turuncu ~ 635–590 nm ~ 480–510 THz
sarı ~ 590–560 nm ~ 510–540 THz
yeşil ~ 560–490 nm ~ 540–610 THz
mavi ~ 490–450 nm ~ 610–670 THz
mor ~ 450–400 nm ~ 670–750 THz

Dar kırınbant filtreler ile çekim örnekleri ve birleştirilmiş halleri

Örnek olarak OIII filresinin filtrelediği dalgaboyu aralığı gösterilmektedir.
Değişik dar bant filtreleri

Görünmeyen Işık: Keşfedilen ilk görünmez ışın, 1800 yılında William Herschel tarafından rastlantıyla bulunan kızılötesi ışınımdır. Herschel, güneş ışığını bir prizmadan geçirerek tayf renkleri olarak adlandırılan kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, lacivert ve mor renkleri incelerken çok ilginç bir şeyle karşılaşır. Her rengin sıcaklığını ayrı ayrı termometreyle ölçerken, kırmızı rengin ötesinde termometrenin yükseldiğini görür. Bu şekilde yayılan ısının da kırmızı ışık gibi bir ışık türü olduğunu, ama insan gözüyle görülmediğini istemeden de olsa göstermiş olur. William bu keşfine kızılötesi ışınım adını verir. Bu keşiften sonra tayfın diğer ucunda yer alan ve morötesi ışık olarak adlandırılan, görünmez ışık da fotoğraf kartı üzerindeki etkisi sayesinde keşfedilir.

Karanlık bir yerde göremeyiz; tıpkı Albert Einstein’in dediği gibi “Karanlık diye bir şey yoktur, karanlık ışığın yokluğudur”.

Işığın Fiziksel Özellikleri

Kırınım: Denizde veya bir su birikintisinde sudaki dalgaların hareketine dikkat ettiyseniz, dalgaların küçük yarıklardan geçerken farklı şekiller aldığını ve yönlerini değiştirdiğini görmüşsünüzdür. Aynı şekilde derinliği farklı yerlerde de dalgaların büyüklüklerinin ve büyüklüklerinin değiştiğini gözlemlersiniz. Bu olay ise kırılma olarak tanımlanır. Kırınım ile karıştırılmamalıdır. Işık da bir dalga özelliği gösterdiğinden aynı özellikleri taşıması normaldir.

Bu özellik, dalga karakteri gösteren her şeyde (su,ses,ışık,radyo dalgaları vs.) izlenecektir. Temel olarak kırınım, dalga boyuna yakın veya dalga boyundan küçük aralıktan dalganın geçmeye çalışması esnasında gerçekleşir. Tek, çift ve birden çok aralıkta kırınım farklı özellikler gösterir. Özellikle birden çok yarıktan geçen dalga, yarıktan çıkarken birçok dalgaya bölünür. Bu bölümler birbirleri üzerine geldiğinde dalgayı güçlendirir veya söndürür. Yani iki dalga tepesinin üst üste bindiği yerde dalga salınımı iki kat olur. Bir dalga tepesi ile bir dalga çukurunun üst üste geldiği yerlerde ise dalga yok olur. Bu şekilde ortaya çıkan desene girişim veya kırınım deseni (dokusu) adı verilir. İlk olarak Thomas Young tarafından keşfedilen bu özellik ile ışığın dalga yapısında olduğu kanıtlanmıştır. Maddenin dalga özelliğinden dolayı ışığın haricinde atom altı parçalar da kırınıma uğrayabilmektedir Kırınım özelliği sayesinde, kristallerin atom düzeyindeki yapıları özel cihazlar ile (X ışın difraksiyometresi, nötron kınımı tekniği) belirlenebilmektedir.

Airy lekesiışığın teleskop içinden geçerken kırılmasıyla oluşan, küçük, diske benzer görüntüdür.

Airy lekesinin boyutlarını İngiliz astronomu Sir George Biddell ilk olarak açıklamış ve büyüklüğünün hem ışığın dalgaboyuna, hem de objektifmercek ya da aynanın çapına dayandığını ortaya koymuştur.

Objektif aralığı (çapı) ne kadar büyürse, Airy lekesi o kadar küçülür. 25 cm çapında bir teleskop, görünen ışık için 1 yay saniye çapında bir Airy lekesi üretir.

Kırılma: Denizin dibindeki taşlar nesneler, neden daha yakın görünür gözümüze ? Ya da bir bardak suya daldırılan kaşık, suya girdiği yerden neden kırılmış gibi görünür? Bu gibi soruların cevabı, ışığın bir başka fiziki özelliğinden ileri gelir. Işık, farklı yoğunluklarda farklı hızlarda yol alır. En az yoğun ortam olan uzay boşluğunda en hızlı şekilde giderken, daha yoğun ortamlarda yavaşlar. Evrensel sabit olan ışık hızı “c” ışığın boşluktaki hızını tanımlar. Hız değişimi, ortama girdiğinde, ortamın yoğunluğuna göre ışığın, yüzey normaline yaklaşan veya uzaklaşan bir açıda yön değiştirmesine sebep olur. Bu yön değiştirme kırılma olarak görünür.  Örneğin, atmosfer uzay boşluğuna göre 400 kat daha yoğundur. Ve su da havaya göre 400 kat daha yoğun bir maddedir. Bu yüzden havada, suda ve her türlü geçirgen maddede kırılmaya uğrayacaktır.

Snell yasasını gösteren basit bir şekil. N1 ve N2 farklı iki ortam ve θ1 > θ2

Işığın kırılma açısı dediğimiz, yüzey normali ile yaptığı açı snell yasası[16] ile gösterilir.

n1.Sin(i)= n2.Sin(r) olarak formülize edilir. Burada n1 ve n2 ortamların kırılma  (kırıcılık) indisleridir.

 

Ortam Türü Kırılma İndisi
Boşluk (Uzay) 1.00000
Atmosfer (Standart Koşullarda) 1.00029
Su (20 ˚C) 1.33
Aseton 1.36
Etil Alkol 1.36
%30 Şeker Solüsyonu 1.38
Quartz Kristali 1.46
%80 Şeker Solüsyonu 1.49
Tipik Cam 1.52
Sodyum Klorid 1.54
Polistren 1.55
Karbon Disülfid 1.63
Ağır Çakmak Camı 1.65
Safir 1.77
En Yoğun Cam 1.89
Elmas 2.42

Tablo 2: Bazı Örneklerin Sarı Sodyum Lambası Işığında Kırılma İndisleri (Fundamentals Of Physics, Chapter 39, s 867)

Ortam yoğunluğuna göre kırılma olmasını açıklayan en iyi ilke ise Fermat (en az süre prensibi) ilkesidir. Huygens-Fresnel[17]ilkelerinden yola çıkılarak ulaşılmış Fermat’a[18] göre ışık ışını iki nokta arasında ilerlerken kat ettiği yol, en az zamanı gerektiren yoldur. Bu sebeple, yoğun ortamda hızı yavaşlayan ışık, yüzey normaline yaklaşarak yolunu kısaltır ve bir önceki ortam ile aynı hızda hareket etmiş olur.

Gündelik hayatta, ışığın kırılma özelliğini kullanarak mercekler, büyüteçler, gözlükler, kameralar, mikroskoplar, teleskoplar yapmaktayız. Dünyayı algılamamızı sağlayan gözlerimiz de göz merceği sayesinde ışığı kırarak hayatı anlamlandırmamızı sağlamaktadır.

Yansıma: Aslında yansıma olmadan, gözlerimiz bir şey algılayamazdı. Sadece ışık kaynaklarını görebilirdik. Gözümüzde görüntüyü oluşturan şey, cisimlere çarpıp yansıyan ışıktan başka bir şey değildir. Yansıma olayını ilk kez Öklid[19] açıklamaya çalışmıştır. İbn-ül Haysem[20] ise ile yansıma kanunlarını ortaya koymuştur. Daha geniş ve teknik bir anlatımla yansıma, homojen bir ortamda ilerleyen dalgaların (su, ses, ışık, elektromanyetik dalgalar) bir engele çarparak yön ve doğrultu değiştirmesidir.

Cisimler, renklerine göre bazı dalga boyundaki fotonları emer, bazı dalga boyundaki fotonları yansıtırlar. Bu şekilde renkleri algılarız. Ancak saydam yüzeylerde ışığın hızı, frekansı, rengi dahil hiçbir özelliği değişmez, sadece yönü ve doğrultusu değişir. Işığı en iyi yansıtan aynadır. Aslında kırılma indisi farklı iki ortamda hareket eden ışığın bir kısmı kırılır bir kısmı da yansır. Uygun sınır koşulları altında maxwell denklemleri çözülerek Fresnel denklemleri elde edilir ve bu denklemlerle ışığın ne kadarının yansıyıp ne kadarının kırılacağı hesaplanabilir.

Işığın yansıması, ışığın üzerine geldiği cismin özelliklerine ve ışığın geliş açısına bağlıdır. Temel olarak 3 kural ile ışık yansıması açıklanır:

  • Gelen ışık, yansıyan ışık ve yüzeyin normali, aynı düzlemdedir
  • Gelen ışığın normalle yaptığı açı, yansıyan ışığın normalle yaptığı açıya eşittir.
  • Böylece normale dik gelen ışın, gerisin geri kaynağa döner

Işığın yansıması Düzgün, Dağınık, Çoklu ve Tam yansıma olarak kategorize edilebilir.

Düzgün Yansıma: Düzgün yüzeylerde yüzey normalleri her noktada birbirine paralel olacaktır. Yani ışığın yüzeye değdiği her bir noktanın normali bir diğerine paralel olacaktır. Bu durumdaki yansımaya Düzgün Yansıma adı verilir. Tıpkı düz bir aynadaki veya durgun bir sudaki yansıma gibi… Pratikte kullandığımız tüm düz aynalar, yollardaki kedi gözleri, periskoplar hatta kıtaların hareketini laser ile ölçen yüksek yörüngedeki uydular bu prensiple çalışır.

Düzgün Yansıma, 1: Obje, 2: Işık Işınları, 3: Yansıtıcı Yüzey, 4: Gözlemci, 5: Görüntü

Dağınık Yansıma: Düz olmayan yüzeylerde ışınların her birinin yüzeye geliş açısı ve yüzey normali farklı olur. Bu şekilde cisimleri görebilir, şekillerini algılayabiliriz. Ayrıca bu prensibin özel şekillerle kullanımı sayesinde optik düzenekler elde ederek teleskoplar, büyültücü, küçülücü, şekil bozucu aynalar yapabiliriz. İdeal dağınık yansıma yüzeyi yarım küredir ve küre içerisinde her noktada eşit aydınlanma şiddeti görülür. (Lambert Yansıması)

Çoklu Yansıma: Yansıyan yüzeyin farklı yoğunlukta ve kırılma indisine sahip yüzeylerden yansıması ile ortaya çıkar. Bu ilkenin temel kullanımı ışık değil de akustik dalgaları ile daha kolaydır. Örneğin, yer altındaki farklı katmanları, düzensizlikleri ve devamsızlıkları jeofizik yöntemler ile bulurken çoklu yansıma özelliği sayesinde tespit ederiz.

Tam Yansıma: Tam yansıma diğer adıyla toplam iç yansıma[21], ışığın kırılma indisi yüksek bir ortamdan, düşük bir ortama geçerken kritik bir açıya eşit veya daha büyük açıda kırılmasına verilen addır. Bu durumda ışık geldiği ortama hiç kayıpsız geri döner. Bu sayede ışık istenilen bir alana hapsedilebilir. Kayıpsız geri dönmesi önemlidir çünkü normal bir aynada bile %4 kadar ışık gücünde kayıp olacaktır. Günlük yaşamda bunun en çok kullanılan örneği fiber optik kablolardır. Camdan yapılan kablo içerisine gönderilen ışık kritik açıdan daha büyük açı ile silindirik yüzeye çarptığı için, tel şeklindeki optik kablo içinde kalır ve ileriye doğru yol alır. Kritik açıyı snell yasasında (r) açısı yerine 90 derece koyarak hesaplarız. Böylelikle Kritik Açı (theta)= sin-1 n2/n1 olacaktır. Fiber optik sayesinde, endoskopi, laporoskopi düzenekleri ve haberleşmedeki fiber optik dijital iletişim mümkün hale gelmiştir.

Su – hava ortamlarında tam yansıma için gereken sınır açısı (kritik açı)

Soğurma: Soğurma, ışığın bir cisim tarafından emilmesidir. Her cisim, yalnızca kendi rengindeki ve kendi rengini oluşturan renklerdeki ışıkları soğurabilir. Her cisim soğurduğu renkte görünür. Siyah renkli cisimler, bütün renkleri soğurur. Beyaz cisimler ise ışığı soğurmaz yansıtırlar. Işığı fazla soğuran cisimler, az soğuran cisimlere göre daha hızlı ısınır. Sıcak bir mevsimde beyaz ve siyah iki araba düşünün. Hangisinin yüzeyi daha sıcak olur ?

Atom düzeyinde soğurmadan bahsedersek, farklı yörüngelerdeki (enerji seviyelerindeki -orbital)  elektronlarfoton soğurarak bir üst enerji seviyesine çıkar. Atomların yörüngelerinde bulunan elektronlar, belirli enerji seviyelerinde olan orbitallerde bulunurlar. Orbitaller arası enerji farkları her atoma özgüdür. Işık da belirli dalga boyuna sahip elektromanyetik ışınmadır ve bir enerjiye sahiptir. Işığın enerjisi, dalga boyu ile ters orantılıdır. Işığın dalga boyu azaldıkça enerjisi artar, dalga boyu arttıkça enerjisi azalır. Bir atoma, orbitalleri arasındaki enerji farkına denk dalga boyundaki bir ışık gönderilirse, temel haldeki elektron(lar) bir üst enerji seviyesine çıkarak veya elektronlarını fırlatarak ışığı soğururlar. Bu olaya ışık soğurulması denir.

Kutuplanma (Polarizasyon): Kutuplanma, elektrik alan ve manyetik alandan oluşan ışığın veya pek çok düzlemde ilerleyen elektrik alanının tek bir düzlemle sınırlandırılmasıdır. Bu kutuplanmayı sağlayan filtreler güneş gözlüklerinde ve fotoğrafçılıkta kullanılır. Eğer polarize bir gözlüğü takarsanız, gözlüğün sudaki güneşin yansımalarını ya da yansıma yüzeylerinin parlaklığını azalttığını görürsünüz. Bu polaroid gözlüğün yok edebildiği bu ışık ışınları, kısmen veya tamamen yansıtıcı yüzeyler tarafından kutuplanmış ışıklardır.

Güneş gözlüğü çalışma prensibi

Işık ışınları doğaları gereği tek yünde ilerlerken, yayılma yönüne dik, dağılan ışın vektörleri ile kutupsuzdur. Ama örneğin bir cama veya dielektrik bir ortama girerse, yayılma yüzeyine dik bazı vektörlerini kaybedebilir.  Bu ancak belli bir açıda olur ki bu açıya Bewster Açısı denilmektedir. Tan-1n1/n2 formülü ile gösterilir. Bu açıyla gelen ışın yayılma doğrultusuna dik bir düzlemdeki paralel komponentini kaybeder ve tamamen polarize olur. Işığın polarizasyonu sayesinde dijital ekranlar, polaroid gözlükler, laserler icad edilebilmiştir.

Hazırlayan :

Özgür CENGİZ
Ankara Astronomi Topluluğu

Kaynakça

  • A. Serway and R.J. Beichner (2011).Fen ve Mühendislik için Fizik 2. Cilt, Beşinci Baskı, Ankara: Palme Yayınevi. ISBN 9758624083.
  • Şekilli Fizik Sözlüğü. Tübitak Popüler Bilim Kitapları. 2010.ISBN 9789754035421.
  • Fundamentals Of Physics, Halliday, David; Resnick, Robert, ABD, 1974,1981 ve 1988,
  • Temel Fizik, Cilt-2, İkinci baskıdan çeviri, P.M. Fishbane, S. Gasiorowicz and S.T. Thornton, Arkadaş Yayınları, 2003
  • Dalgalar, Berkeley Fizik Dersleri, Cilt-3, F.S. Crawford Jr, Bilim yayınları, 4.baskı
  • http://www.physics.princeton.edu/~steinh/ph115/Chapter10D.pdf, Light and Quantum
  • Wikipedia, Light

 

[1] Vikipedia, Işık

[2] Isaac Newton (d. 4 Ocak 1643 ö. 31Mart 1727), İngiliz fizikçi, matematikçi, astronom, mucit, filozof, ilahiyatçı.

[3] Christiaan Huygens (d. 14 Nisan 1629, ö. 8 Temmuz 1695), tanınmış Hollandalı bir matematikçi ve bilim adamıdır.

[4] David HALLIDAY & Robert RESNICK, Fundamentals of Physics, Third Edition Extended,1988,s.739, “Faraday’s Laws Of Induction”

[5] David HALLIDAY & Robert RESNICK, Fundamentals of Physics, Third Edition Extended,1988,s.832 “Maxwell Equations” & s.843 “Electromagnetic Waves”

[6] Işık hızı “c”=299.792.458 m/s, Fundamentals of Physics, Third Edition Extended,1988,s.856

[7] 1nm(nanometre), metrenin milyarda biridir.

[8] Heisenberg Uncertainty Principle, Physics, Princeton University,Chapter-10, s:19

[9] L.A.S.E.R: Light Amplified By Saturated Emission of Radiation (Doyurulmuş radyasyon emisyonu ile güçlendirilmiş – veya yükseltilmiş- ışık)

[10] Fotoelektrik Etkisi, Einstein’s Photoelectric Effect (1921, Physics Nobel Prize Theory)

[11] www.universalclass.com, Article:“Understanding The Quantum Natura of Light”

[12] Prof. Dr. Salih KARAALİ, Genel Astronomi, İ.Ü. Yayınları, ilk basım 1985

[13] Matt Williams, 12.12.2015, Universe Today, “How does the sun produces energy?”

[14] Matt Williams, 12.12.2015, Universe Today, “How does the sun produces energy?”

[15] Richard Gaughan, 13.03.2018, Sciencing, “How Long Does It Take for Photons to Emerge From the Sun’s Core to the Outside?

[16] Kırılma açısı 1621 yılında Willebord Snell tarafından hesaplanmıştır ve Snell Yasası olarak bilinir.

[17] Huygens–Fresnel prensibi [1] Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens ve Fransız fizikçi Augustin-Jean Fresnel‘dan adını alan dalga yayılımı ile ilgili konuda geçerli ilkedir.

[18] Pierre de Fermat, Bask kökenli Fransız Bilim Adamı, hukukçu ve Matematikçi (1601 -1665)

[19] Öklid (YunancaΕκλείδης — Eukleídēs) MÖ 330 – 275 yılları arasında yaşamış İskenderiyeli bir matematikçidir.

[20] Irak’lı fizikçi, matematikçi ve filzof (955 – 1040)

[21] (İng.) TOTAL INTERNAL REFLECTION

Author: Özgür Cengiz

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir