Işık, bir kaynaktan dalgalar halinde yayılan ve enerji taşıyan paketçiklerden oluşmuş, evrenin işleyişinde büyük rol oynayan maddedir.
Işığın yapısı ve anlaşılmasına dair ilk teoriler, ışığın metafiziksel bir olgu olmasına dayandırıldığı için pek fayda görmemiştir.
Işık aynı zamanda görmemize olanak veren bir enerji çeşididir. Peki nasıl görürüz?
Göz tarafından algılanan ışık, retinada sinirsel sinyallere dönüştürülüp optik sinir aracılığıyla beyne iletilir. Göz temel renklere tepki verir ve diğer renkleri de bu üç rengin farklı kombinasyonları olarak algılar. Renklerin algılanışı dış koşullara bağlı olarak değişir. Aynı renk Güneş ışığında ve mum ışığında farklı algılanır. Fakat insanın görme duyusu ışığın kaynağına uyum sağlayarak bizim her iki koşuldakinin de aynı renk olduğunu anlamamızı sağlar.
Ancak ışığın doğasını daha detaylı anlayabilmek için ışığın sahip olduğu özellikleri ve farklı kimliklerini de anlamak gerekiyor.
Dalgaların Özellikleri
Dalga, uzay zamanda yayılan ve çoğunlukla enerjinin taşınmasına yol açan salınım hareketidir.
Soldan sağa veya sağdan sola yönelen hareketli dalgalar için zaman ifadesinin işaretine göre durumu. Toronto Üniversitesi’nden David Harrison‘ın izniyle.
İki dalga tepesi arası uzaklığa dalga boyu adı verilir. Dalga boyu Yunan alfabesinden bir harf olan “lambda” (λ) ile ifade edilir.
Frekans, bir saniyedeki titreşim sayısıdır.
Periyot ise dalganın bir dalga boyu kadar yol alması için geçen süredir. Frekans ve periyot arasındaki ilişki;
T=1/f şeklindedir.
Dalganın özelliklerinin anlaşılabilmesi için bir başka ölçüt de hızdır. Dalganın hızı, dalganın birim zamanda aldığı yoldur. Hız, ortamın özelliklerine bağlıdır.
Dalganın frekansı, periyodu ve hızı basit bir şekilde,
f*λ=V ya da f=V/λ
formülleriyle ilişkilendirilmiştir.
Ayrıca uzun dalga boyuna sahip olan dalga yavaş salınır, kısa dalga boyuna sahip olan dalga ise daha hızlı salınır.
Dalganın frekansı onun enerjisi hakkında bilgi verir. Dalga ilerledikçe enerji de taşınmış olur. Bir dalganın hızı değiştiğinde dalga boyu da değişir. Ancak frekansı değişmeden kalır.
f=V/λ=sabit
Bu değişken dalga boyunun ve sabit kalan frekansın sebebi ise enerji korunumudur.
Işık Bir Elektromanyetik Dalgadır
Işığın dalga teorisi ilk defa 1678 yılında Hollandalı fizikçi ve astronom Christian Huygens tarafından ortaya atıldı. Bu teori ile dalga özellikleri olan yansıma ve kırılmanın açıklanabileceğini düşünen Huygens’in dalga teorisi uzun bir süre kabul görmedi.
1801 yılında en önemli fizik deneylerinden biri kabul edilen Çift Yarık Deneyi’ni yapan Thomas Young ilk defa ışığın dalga teorisini doğrulamış oldu.
Bir elektromanyetik dalga, birbirine dik olarak salınan elektrik ve manyetik alanlardan oluşmuş dalgalı bir salınımdır.
Bir elektromanyetik dalga görünümü.
Elektromanyetik dalga boşlukta sabit bir hızla yayılır. Bu hız ışık hızı olarak da bilinir.
V=c≈3 x 108m/s
f*λ=c
Tüm elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızı da budur. Işık bazı maddelerin içinde boşluktaki hızından daha yavaş yayılır. Işığın bu şekilde bir madde içindeki yayılma hızı da o maddenin kırıcılık indisi hakkında bilgi verir.
Eğer elektromanyetik dalga görünür bölgede ise dalga boyu 400 nm-700 nm aralığında yer alır. İnsan gözü, nanometre ölçütünde dalga boyuna sahip olan ışığı algılayabilir. (Nanometre (nm) =10-9m)
Gözlerimiz bu aralıkta gördüğümüz elektromanyetik dalgayı, farklı dalgaboylarında farklı renkler olarak algılar.
İnsan gözü görünür bölgedeki bu dalgaları uzun dalga boyundan kısa dalga boyuna doğru;
Kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor olarak algılar.
Güneş ışığı tüm renklerin birleşiminden oluşur. Bu ışık bir prizmadan geçirildiğinde her renk farklı miktarda kırılır ve dolayısıyla frekans aralığı farklı olan gökkuşağı gibi bir tayf ortaya çıkar. Bu olayı ilk kez Isaac Newton “Optics” adlı kitabında açıklamıştır.
Ancak elektromanyetik dalgalar sadece görünür bölgeden oluşmazlar. Aksine bu görünür bölge, çok küçük bir dalga boyu aralığını temsil eder. Elektromanyetik dalgalar uzun dalga boyundan kısa dalga boyuna doğru (Aynı zamanda alçak frekanstan yüksek frekansa doğru ya da düşük enerjiden yüksek enerjiye doğru ) aşağıdaki gibi sıralanırlar:
Radyo Dalgaları ( Dalga boyu > 1cm )
Mikrodalga Işınları ( 1mm < dalga boyu < 1cm )
Kızılötesi Işınları ( 700nm < dalga boyu)
Görünür Işık ( 400nm < dalga boyu < 700nm )
Ultraviyole (morötesi) Işınlar ( 20nm < dalga boyu < 400nm )
X-Işınları ( 0.1 nm < dalga boyu < 20nm )
Gama Işınları ( Dalga boyu < 0.1 nm )
Elektromanyetik spektrum.
Doğrudan alınan Güneş ışığı %47 kızılötesi, %46 görünür ışık ve %7 mor ötesi ışınımdan oluşmaktadır.
Işık Dalgalarına Karşın Işık Işınları
Kırınımla oluşan 2 boyutlu düzlem dalga.
Şekildeki gibi dalga formunu 3 boyutta dalga tepeleri oluştururken 2 boyutta düz çizgiler oluşturur.
Kırınımla oluşan küresel dalga.
Kaynaktan çok uzak olan bir dalga düzlemsel olarak yayılır.
Düzlemsel dalgaların yayılma yönü iyi tanımlanmıştır. Dolayısıyla onları ifade etmek için ışık ışınları kavramını kullanırız. Ayrıca fizikçilere göre düzlemsel dalgalarda geometrik optik yaklaşımı kullanılabilmektedir.
Noktasal bir ışık kaynağı küresel dalgalar yayar. Kaynaktan çok uzakta, küresel yüzeyin ayrı ayrı bölümleri, düzlem gibi görünür ve bu durumda ışınlardan bahsedebiliriz. Uzak yıldızlardan yayılan elektromanyetik dalgalar düzlemsel olarak yayılırlar diyebiliriz.
Eğer elektromanyetik dalganın yayılma yolundaki engelin büyüklüğü, dalga boyunun kendi büyüklüğü ile yaklaşık değerdeyse, ışığın dalga özelliği önem kazanır.
Ancak ışığın parçacık özelliğinden de kısaca bahsetmek gerekir.
Işığın Parçacık Özelliği
Işık, aynı zamanda foton adı verilen parçacıklardan oluşur ve dolayısıyla parçacık olarak da davranabilir.
Işığı oluşturan dalga paketi.
Işığın parçacık teorisine dair pek çok deney yapıldıysa da son darbe James Clerk Maxwell’in daha önceden bulunmuş olan titreşen elektrik dalgaları ve manyetik alanlarla ilgili dört basit denklemi birleştirdiğinde vurulmuş oldu. Titreşen bu elektromanyetik dalgaların yayılma hızı hesaplandığında ışık hızını açığa çıkarmıştır. Işığın parçacık modeli için en çarpıcı olan deney ise Gustav Ludwig Hertz tarafından keşfedilen fotoelektrik olaydır. Işığın metal bir yüzeye çarptığında elektron koparmasına dayanan bu deney, dalga modeliyle açıklanamayan bir durumdur.
Bir foton onunla ilişkili bir dalga boyuna ve frekansa sahiptir.
Fotonun enerjisi ise ;
E=hf=hc/λ ile formüle edilmiştir. Formülde verilen “h” ifadesi Planck sabitidir ve değeri; h= 6.625 x 10-34J s. dir.
Işığın dalga özelliğinde de olduğu gibi örnek verecek olursak, eğer fmavi > fkırmızı olduğu için mavi fotonlar kırmızı fotonlardan daha fazla enerji taşır.
Böylelikle Astronomi ve Astrofizik Dersleri’nde üçüncü ders konumuzun sonuna geldik. Referansların alt kısmında yer alan listeden önceki derslere ulaşabilirsiniz.
Tuğba Yaşar
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Referanslar:
https://www.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect3/lecture3.html
Marc L. Kutner, Astronomy: A Physical Perspective, Cambridge University Press, 2003
Neb Duric, Advanced Astrophysics, Cambridge University Press, 2004
https://en.wikipedia.org/wiki/Light
*Girişteki ilk görsel, tek bir fotonun tasvirini yansıtmaktadır.
Ders1: Astronomide Uzaklıklar
Ders2: Astronomide Açılar
