IŞIK: TARIH, DOĞA, DAVRANIŞ, YAYILMA - FIZIKSEL

Işık bir elektromanyetik dalga duyusuyla ile tespit edilebilir. Elektromanyetik spektrumun bir parçasını oluşturur: görünür ışık olarak bilinen şey. Yıllar geçtikçe, doğasını açıklamak için çeşitli teoriler önerildi.

Örneğin, ışığın nesneler tarafından veya gözlemcilerin gözünden yayılan bir parçacık akışından oluştuğu inancı uzun süredir tutuldu. Arapların ve eski Yunanlıların bu inancı, Isaac Newton (1642-1727) tarafından ışık fenomenini açıklamak için paylaşıldı.

Şekil 1. Güneş ışığının atmosfere saçılması sayesinde gökyüzü mavidir. Kaynak: Pixabay.

Newton ışığın dalga kalitesine sahip olduğundan şüphelenmesine ve Christian Huygens'in (1629-1695) bir dalga teorisi ile kırılma ve yansımayı açıklamayı başardığına rağmen, ışığın bir parçacık olarak inancı 19. yüzyılın başlarına kadar tüm bilim adamları arasında yaygındı. .

O yüzyılın şafağında, İngiliz fizikçi Thomas Young, ışık ışınlarının tıpkı tellerdeki mekanik dalgaların yaptığı gibi, birbirini etkileyebileceğini şüphesiz gösterdi.

James Clerk Maxwell, 1873 yılına kadar kimse ışığın ne tür bir dalga olduğunu bilmese de ışığın bir parçacık değil bir dalga olduğu anlamına gelebilirdi.

Heinrich Hertz'in 1887'deki deneysel sonuçlarının da desteğiyle ışığın dalga doğası bilimsel bir gerçek olarak ortaya çıktı.

Ancak 20. yüzyılın başında, ışığın cisimcik doğası hakkında yeni kanıtlar ortaya çıktı. Bu doğa, ışık enerjisinin "foton" adı verilen paketler içinde taşındığı emisyon ve soğurma olaylarında mevcuttur.

Bu nedenle, ışık bir dalga olarak yayıldığından ve bir parçacık gibi maddeyle etkileşime girdiğinden, şu anda ışıkta ikili bir doğa kabul edilmektedir: dalga-parçacık.

Işığın doğası

Işığın doğasının ikili olduğu, enerjisi fotonlardan gelen elektromanyetik bir dalga olarak yayıldığı açıktır.

Kütlesi olmayan bunlar, 300.000 km / s sabit hızla vakum içinde hareket ederler. Bir vakumda bilinen ışık hızıdır, ancak ışık, farklı hızlarda da olsa diğer ortamlarda dolaşabilir.

Fotonlar gözümüze ulaştığında, ışığın varlığını algılayan sensörler devreye girer. Bilgi beyne iletilir ve orada yorumlanır.

Bir kaynak çok sayıda foton yaydığında, onu parlak bir kaynak olarak görürüz. Aksine, çok az yayarsa, opak bir kaynak olarak yorumlanır. Her fotonun beynin renk olarak yorumladığı belirli bir enerjisi vardır. Örneğin mavi fotonlar, kırmızı fotonlardan daha enerjiktir.

Herhangi bir kaynak genellikle farklı enerjilere sahip fotonları, dolayısıyla görüldüğü rengi yayar.

Başka hiçbir şey tek bir tür enerji ile foton yaymazsa, buna monokromatik ışık denir. Lazer, tek renkli ışığa iyi bir örnektir. Son olarak, bir kaynaktaki fotonların dağılımına spektrum denir.

Bir dalga ayrıca belirli bir dalga boyuna sahip olmasıyla da karakterize edilir. Söylediğimiz gibi ışık, radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar son derece geniş bir dalga boyu aralığını kapsayan elektromanyetik spektruma aittir. Aşağıdaki görüntü, bir beyaz ışık demetinin üçgen prizmayı nasıl saçtığını göstermektedir. Işık, uzun (kırmızı) ve kısa (mavi) dalga boylarına ayrılır.

Ortada, 400 nanometre (nm) ila 700 nm arasında değişen, görünür spektrum olarak bilinen dar dalga boyları bandı var.

Şekil 2. Görünür ışık aralığını gösteren elektromanyetik spektrum. Kaynak: Kaynak: Wikimedia Commons. Yazar: Horst Frank.

Işığın davranışı

Işık incelendiğinde ikili, dalga ve parçacık davranışına sahiptir. Işık, elektromanyetik bir dalga ile aynı şekilde yayılır ve bu nedenle, enerji taşıma kapasitesine sahiptir. Ancak ışık madde ile etkileşime girdiğinde, foton adı verilen bir parçacık demeti gibi davranır.

Şekil 4. Bir elektromanyetik dalganın yayılması. Kaynak: Wikimedia Commons. SuperManu.

1802'de fizikçi Thomas Young (1773-1829), ışığın çift yarık deneyini kullanarak bir dalga davranışına sahip olduğunu gösterdi.

Bu şekilde bir ekranda maksimum ve minimum parazit üretmeyi başardı. Bu davranış dalgalara özgüdür ve bu nedenle Young, ışığın bir dalga olduğunu ve dalga boyunu da ölçebildiğini gösterebildi.

Işığın diğer yönü, foton adı verilen, vakumda c = 3 x 10 ⁸ m / s hızında hareket eden ve kütlesi olmayan enerji paketleri ile temsil edilen bir parçacıktır . Ama E enerjileri var:

Ve ayrıca büyüklükteki momentum:

Burada h değeri 6,63 x 10 Planck sabitesi olduğu ^-34 Joule.second f dalga frekansıdır. Bu ifadeleri birleştirmek:

Ve dalga boyu λ ve frekans c = λ.f ile ilişkili olduğundan, kalır:

Huygens prensibi

Şekil 5. Düz bir çizgide yayılan dalga önü ve ışık ışınları. Kaynak: Serway. R. Bilim ve Mühendislik için Fizik.

Işığın davranışını incelerken dikkate alınması gereken iki önemli ilke vardır: Huygens ilkesi ve Fermat ilkesi. Huygens'in ilkesi şunu belirtir:

Neden küresel dalgalar? Ortamın homojen olduğunu varsayarsak, bir nokta kaynağın yaydığı ışık her yöne eşit olarak yayılacaktır. Işınların eşit olarak dağıldığı büyük bir kürenin ortasında ışığın yayıldığını hayal edebiliriz. Bu ışığı kim gözlemlerse, onun gözüne doğru düz bir çizgide hareket ettiğini ve dalga cephesine dik olarak hareket ettiğini algılar.

Işık ışınları çok uzak bir kaynaktan, örneğin Güneş'ten geliyorsa, dalga cephesi düzdür ve ışınlar paraleldir. Geometrik optik yaklaşımın amacı budur.

Fermat prensibi

Fermat ilkesi şunu belirtir:

Bu ilke, adını ilk kez 1662'de kuran Fransız matematikçi Pierre de Fermat'a (1601-1665) borçludur.

Bu prensibe göre, homojen bir ortamda ışık sabit bir hızda yayılır, bu nedenle düzgün bir doğrusal harekete sahiptir ve yörüngesi düz bir çizgidir.

Işığın yayılması

Işık, elektromanyetik bir dalga gibi hareket eder. Hem elektrik alanı hem de manyetik alan birbirini üretir, fazda olan ve birbirine ve yayılma yönüne dik olan çift dalgaları oluşturur.

Genel olarak, uzayda yayılan bir dalga, dalga cephesi olarak tanımlanabilir. Bu, eşit genliğe ve faza sahip noktalar kümesidir. Dalga cephesinin belirli bir anda konumunu bilerek, Huygens'in ilkesine göre sonraki herhangi bir konum bilinebilir.

Kırınım

Altıgen bir yarık tarafından kırılan lazer. Lienzocian

Işığın dalga davranışı, yayılması sırasında ortaya çıkan iki önemli fenomen tarafından açıkça kanıtlanmaktadır: kırınım ve girişim. Kırınımda dalgalar, ister su, ister ses veya ışık olsun, açıklıklardan geçerken, engellerden geçerken veya köşelerden geçerken bozulur.

Açıklık dalga boyuna göre büyükse, distorsiyon çok büyük değildir, ancak açıklık küçükse dalga formundaki değişiklik daha belirgindir. Kırınım, dalgaların özel bir özelliğidir, bu nedenle ışık kırınım sergilediğinde dalga davranışına sahip olduğunu biliriz.

Girişim ve polarizasyon

Işığın müdahalesi, onları oluşturan elektromanyetik dalgalar üst üste geldiğinde meydana gelir. Bunu yaparken, vektörel olarak eklenirler ve bu iki tür girişime yol açabilir:

–Yapıcıdır, ortaya çıkan dalganın yoğunluğu bileşenlerin yoğunluğundan daha büyük olduğunda.

–Yoğunluk bileşenlerin yoğunluğundan daha azsa tahrip edicidir.

Işık dalgası paraziti, dalgalar tek renkli olduğunda ve her zaman aynı faz farkını koruduğunda meydana gelir. Buna tutarlılık denir. Bunun gibi bir ışık örneğin bir lazerden gelebilir. Akkor ampuller gibi yaygın kaynaklar tutarlı ışık üretmez çünkü filamentteki milyonlarca atom tarafından yayılan ışık sürekli olarak faz değiştirir.

Ancak aynı ampulün üzerine birbirine yakın iki küçük açıklığı olan opak bir gölge yerleştirilirse, her yuvadan çıkan ışık tutarlı bir kaynak görevi görür.

Son olarak, elektromanyetik alanın salınımlarının tümü aynı yönde olduğunda, kutuplaşma meydana gelir. Doğal ışık, her biri farklı bir yönde salınım yapan birçok bileşenden oluştuğu için polarize değildir.

Young'ın deneyi

19. yüzyılın başında İngiliz fizikçi Thomas Young, sıradan bir ışık kaynağıyla tutarlı ışık elde eden ilk kişiydi.

Ünlü çift yarık deneyinde, ışığı opak bir ekranda bir yarıktan geçirdi. Huygens ilkesine göre, sırasıyla iki yarıklı ikinci bir opak ekrandan geçen iki ikincil kaynak üretilir.

Şekil 6. Young'ın çift yarık deneyinin animasyonu. Kaynak: Wikimedia Commons.

Bu şekilde elde edilen ışık, karanlık bir odadaki bir duvarı aydınlattı. Görünen, değişen ışık ve karanlık alanlardan oluşan bir modeldi. Bu modelin varlığı, yukarıda anlatılan girişim olgusuyla açıklanmaktadır.

Young'ın deneyi çok önemliydi çünkü ışığın dalga doğasını ortaya çıkardı. Daha sonra deney elektronlar, nötronlar ve protonlar gibi temel parçacıklarla benzer sonuçlarla gerçekleştirildi.

Işık olayları

yansıma

Işığın sudaki yansıması

Bir ışık ışını bir yüzeye çarptığında, ışığın bir kısmı yansıtılabilir ve bir kısmı absorbe edilebilir. Şeffaf bir ortamsa, ışığın bir kısmı içinden geçmeye devam eder.

Ayrıca, yüzey ayna gibi pürüzsüz veya pürüzlü ve pürüzlü olabilir. Düz bir yüzeyde meydana gelen yansımaya speküler yansıma denir, aksi takdirde dağınık yansıma veya düzensiz yansımadır. Ayna gibi çok parlak bir yüzey, gelen ışığın% 95'ini yansıtabilir.

Speküler yansıma

Şekil, hava olabilen bir ortamda hareket eden bir ışık ışınını göstermektedir. Düz bir aynasal yüzey üzerinde θ ₁ açısında düşer ve θ ₂ açısında yansıtılır . Normal olarak gösterilen çizgi yüzeye diktir.

Geliş açısı, yansıma açısına eşittir. Kaynak: Serway. R. Bilim ve Mühendislik için Fizik.

Hem olay hem de yansıyan ışın ve aynasal yüzeye normal aynı düzlemdedir. Eski Yunanlılar, geliş açısının yansıma açısına eşit olduğunu zaten gözlemlemişlerdi:

Bu matematiksel ifade, ışığın yansıması yasasıdır. Bununla birlikte, örneğin ses gibi diğer dalgalar da yansıtma yeteneğine sahiptir.

Çoğu yüzey pürüzlüdür ve bu nedenle ışık yansıması dağınıktır. Bu şekilde yansıttıkları ışık her yöne gönderilir, böylece nesneler her yerden görülebilir.

Bazı dalga boyları diğerlerinden daha fazla yansıtıldığı için nesnelerin renkleri farklıdır.

Örneğin, ağaçların yaprakları yeşil renge karşılık gelen görünür spektrumun yaklaşık olarak ortasında bulunan ışığı yansıtır. Görünür dalga boylarının geri kalanı emilir: ultraviyole yakın maviye (350-450 nm) ve kırmızı ışık (650-700 nm).

Refraksiyon

Kırılma fenomeni. Josell7

Işığın kırılması, ortama bağlı olarak ışığın farklı hızlarda hareket etmesi nedeniyle oluşur. Bir vakumda ışığın hızı c = 3 x 10 ⁸ m / s'dir, ancak ışık maddi bir ortama ulaştığında, enerjinin ve bununla birlikte hızının azalmasına neden olan soğurma ve emisyon süreçleri ortaya çıkar.

Örneğin, havada hareket ederken, ışık c'ye neredeyse eşit hızda hareket eder, ancak suda, ışık c'nin dörtte üçünde hareket ederken, camda c'nin yaklaşık üçte ikisinde hareket eder.

Kırılma indisi

Kırılma indisi n olarak belirtilir ve bir vakum c içindeki ışığın hızı ile söz konusu ortam v içindeki hızı arasındaki bölüm olarak tanımlanır:

Kırılma indisi her zaman 1'den büyüktür, çünkü bir vakumdaki ışığın hızı her zaman bir materyal ortamındakinden daha büyüktür. Bazı tipik n değerleri şunlardır:

Hava: 1.0003

-Su: 1.33

-Cam: 1.5

Elmas: 2.42

Snell Yasası

Örneğin hava ve cam gibi iki ortam arasındaki sınıra bir ışık huzmesi çarptığında, ışığın bir kısmı yansıtılır ve bir kısmı camın içinde yoluna devam eder.

Bu durumda, dalga boyu ve hız, bir ortamdan diğerine geçerken bir değişime uğrar, ancak frekans değişmez. Çünkü v = c / n = λ.f ve ayrıca bir boşlukta c = λo. f, sonra elimizde:

Yani, belirli bir ortamdaki dalga boyu daima vakumdaki λo dalgaboyundan daha azdır.

Şekil 8. Snell Yasası. Kaynak: Soldaki şekil: ışığın kırılma diyagramı. Rex, A.Fiziğin Temelleri. Sağdaki şekil: Wikimedia Commons. Josell7.

Kırmızı renkte ortak bir hipotenüse sahip üçgenlere dikkat edin. Her ortamda, hipotenüs sırasıyla λ ₁ / sin θ ₁ ve λ ₂ / sin θ _2'yi ölçer , çünkü λ ve v orantılıdır, bu nedenle:

Λ = λ _o / n olduğundan elimizde:

Hangisi şu şekilde ifade edilebilir:

Bu, havadan suya ve cama geçen ışığı gözlemleyerek deneysel olarak türeten Hollandalı matematikçi Willebrord Snell (1580-1626) onuruna Snell yasasının formülüdür.

Alternatif olarak, Snell yasası, kırılma indisinin tanımından yararlanılarak, her ortamdaki ışık hızı cinsinden yazılır: n = c / v:

Dağılım

Yukarıda anlatıldığı gibi ışık, farklı enerjilere sahip fotonlardan oluşur ve her enerji bir renk olarak algılanır. Beyaz ışık, tüm enerjilerin fotonlarını içerir ve bu nedenle farklı renkli ışıklara bölünebilir. Bu, Newton tarafından daha önce çalışılmış olan ışığın saçılmasıdır.

Atmosferdeki su damlaları küçük prizmalar gibi davranır. Kaynak: Pixabay.

Newton bir optik prizma aldı, içinden bir beyaz ışık huzmesi geçirdi ve kırmızıdan mora kadar değişen renkli şeritler elde etti. Bu saçak, Şekil 2'de görülen görünür ışığın spektrumudur.

Işığın saçılması, gökkuşağı oluştuğunda gökyüzünde güzelliği hayran kaldığımız doğal bir fenomendir. Güneş ışığı atmosferdeki su damlacıklarının üzerine düşer ve Newton benzeri küçük prizmalar gibi davranarak ışığı saçar.

Gökyüzünü gördüğümüz mavi renk de dağılmanın bir sonucudur. Nitrojen ve oksijen bakımından zengin olan atmosfer, ağırlıklı olarak mavi ve mor tonlarını dağıtır, ancak insan gözü maviye daha duyarlıdır ve bu nedenle bu rengin gökyüzünü görürüz.

Güneş ufukta alçaldığında, gün doğumu veya gün batımı sırasında, ışık ışınlarının atmosferin daha kalın bir katmanından geçmesi gerektiğinden gökyüzü turuncuya döner. Daha düşük frekansların kırmızımsı tonları, atmosferin unsurları ile daha az etkileşir ve yüzeye doğrudan ulaşma avantajından yararlanır.

Bazı büyük şehirlerde olduğu gibi toz ve kirlilik açısından bol olan atmosferler, düşük frekansların dağılması nedeniyle grimsi gökyüzüne sahiptir.

Işıkla ilgili teoriler

Işık, öncelikle bir parçacık veya bir dalga olarak kabul edildi. Newton'un savunduğu parçacıklı teori, ışığı bir parçacık ışını olarak görüyordu. Halbuki, Huygens'in savunduğu gibi, ışığın bir dalga olduğunu varsayarak yansıma ve kırılma yeterince açıklanabilir.

Ancak bu olağanüstü bilim adamlarından çok önce, insanlar ışığın doğası hakkında zaten spekülasyon yapmışlardı. Bunların arasında Yunan filozof Aristoteles yok olamazdı. İşte zaman içindeki ışık teorilerinin kısa bir özeti:

Aristoteles teorisi

2500 yıl önce Aristoteles, ışığın gözlemcinin gözünden çıktığını, nesneleri aydınlattığını ve kişi tarafından takdir edilebilmesi için bir şekilde görüntüyle geri döndüğünü iddia etti.

Newton'un parçacık teorisi

Newton, ışığın her yönde düz bir çizgide yayılan küçük parçacıklardan oluştuğu inancına sahipti. Gözlere ulaştıklarında hissi ışık olarak algılarlar.

Huygens dalga teorisi

Huygens, Işık Üzerine İnceleme adlı bir çalışma yayınladı ve bunun, ortamın ses dalgalarına benzer bir rahatsızlığı olduğunu öne sürdü.

Maxwell'in elektromanyetik teorisi

Çift yarık deneyi, ışığın dalga doğası hakkında hiçbir şüpheye yer bırakmasa da, on dokuzuncu yüzyılın büyük bir kısmında, Maxwell elektromanyetik teorisinde ışığın, elektromanyetik bir alanın yayılması.

Elektromanyetik bir dalga olarak ışık, önceki bölümlerde anlatıldığı gibi ışığın yayılma fenomenini açıklar ve ışığın korpüsküler doğası gibi mevcut fizik tarafından kabul edilen bir kavramdır.

Einstein'ın korpüsküler teorisi

Modern ışık anlayışına göre, foton adı verilen kütlesiz ve yüksüz parçacıklardan oluşur. Kütlesi olmamasına rağmen, yukarıda açıklandığı gibi momentum ve enerjiye sahiptirler. Bu teori, enerjiyi ayrık (nicelleştirilmiş) miktarlarda değiş tokuş ederek ışığın madde ile nasıl etkileşime girdiğini başarılı bir şekilde açıklar.

Işık kuantumunun varlığı, Albert Einstein tarafından birkaç yıl önce Heinrich Hertz tarafından keşfedilen fotoelektrik etkiyi açıklamak için önerildi. Fotoelektrik etki, hemen hemen her zaman ultraviyole ile görünür ışığa kadar olan bir aralıkta, bir tür elektromanyetik radyasyonun çarptığı bir madde tarafından elektron emisyonundan oluşur.

Referanslar

Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 7. Dalgalar ve Kuantum Fiziği. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
Fizik. Işık Teorileri. Kurtarıldı: fisic.ch.
Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. 6. Ed Prentice Hall.
Dalga hareketi. Fermat prensibi. Kurtarıldı: sc.ehu.es.
Rex, A. 2011. Temel Fizik. Pearson.
Romero, O. 2009. Fizik. Santillana Hypertext.
Serway, R. 2019. Bilim ve Mühendislik için Fizik. 10. Baskı. Cilt 2. Cengage.
Shipman, J. 2009. Fiziksel Bilimlere Giriş. Onikinci baskı. Brooks / Cole, Cengage Editions.
Vikipedi. Işık. Es.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.

IŞIK: TARIH, DOĞA, DAVRANIŞ, YAYILMA - FIZIKSEL - 2025