Işığın Dalga Doğası Konu Anlatımı (12. Sınıf)

12. sınıf fizik dersi Işığın dalga doğası konusu özeti, ışık teorileri, ışığın dalga modeli, girişim, kırınım, örneklerle konu anlatımı.

Işığın Dalga Doğası Konu Anlatımı (12. Sınıf)

Işık Teorileri

Işığın yapısını açıklayabilecek üç teori vardır. Bunlar Tanecik Teorisi, Dalga Teorisi ve Elektromanyetik Teori’dir. Tanecik teorisi 1670 yıllarında Isaac Newton‘la başlar. Newton’a göre ışık, ışık kaynaklarından çıkan sonsuz küçük taneciklerden oluşur.

Dalga teorisi 1678 yılında Huygens‘le başlar. Huygens’e göre, ışık kaynakları çok yüksek frekanslı titreşimler meydana getirir ve bu titreşimler saydam ortamlarda dalgalar hâlinde yayılır. Bu Huygens ilkesi bütün dalgalarda geçerlidir. Işıkta girişim ve polarizasyon deneyleri dalga teorisini desteklemektedir.

Elektromanyetik teori ile ilgili Louis de Broglie ışığın tanecik ve dalga teorisini birleştirerek, ışığın dalga hâlinde yayılan taneciklerden oluştuğunu belirtti. Gerçekten de bugün ışığın düşük frekanslarda dalga karakteri, yüksek frekansta da tanecik karakterinin ağır bastığı gözlenmiştir.

Işığın Dalga Modeli

Su dalgalarıyla yapılan girişim deneyindeki gibi ışık dalgaları da girişim oluşturur.

Su dalgalarıyla oluşturulan girişim deseninde düğüm çizgileri, ışık dalgalarıyla oluşturulan girişim deseninde karanlık çizgilere, katar çizgileri de aydınlık çizgilere karşılık gelir. Bu çizgilere girişim saçakları denir.

Şekilde verilen ışık dalgalarının girişim deseninde;

Tepe + Tepe = Çift tepe (max), Aydınlık Saçak
Çukur + Çukur = Çift çukur (max), Aydınlık Saçak
Tepe + Çukur = Düğüm (min), Karanlık Saçak

Çift Yarıkta Girişim (Young Deneyi)

♦Tek renkli bir ışık kaynağı ve çift yarıklı bir engel kullanılarak kaynaktan çıkan ışınların yarıklara aynı anda varması sağlanır. Böylece bu yarıklar aynı fazda çalışan iki nokta kaynak hâline gelir.

♦Şekildeki girişim deneyinde K1 ve Kg yarıkları aynı fazda çalışan iki noktasal kaynak gibi davranır.

♦Kaynaklardan çıkan ışık dalgalan, merkez doğrusuna eşit uzaklıkta olduklarından, perdede merkez doğrusu üzerinde birbirini kuvvetlendirmesiyle aydınlık saçak oluşur. Bu saçağa merkezi aydınlık saçak denir.

Merkezi aydınlık saçağın altında ve üstünde simetrik olarak onu takip eden karanlık ve aydınlık saçaklar meydana gelir. L uzunluğunun d den çok büyük olması durumuna göre, K1 ve K2 kaynaklarından çıkan dalgalar P noktasına |PK1| – | PK2| yol farkıyla ulaşır.

P noktasının aydınlık ya da karanlık olma şartı

1. P noktasının kaynaklara olan yol farkı, kullanılan ışığın dalga boyunun tam katlarına eşit ise, P noktasında aydınlık girişim saçağı oluşur.

Yol farkı = λ, 2λ, 3λ,…⇒ Yol farkı = n .λ ya da

$\displaystyle d.\sin \theta =d.\frac{{{x}_{a}}}{L}=n.\lambda$

Burada, n = 1, 2, 3……gibi tamsayı olup, P noktasının merkez doğrusundan itibaren kaçıncı aydınlık saçak üzerinde olduğunu gösterir.

2. P noktasının kaynaklara olan yol farkı, kullanılan ışığın dalga boyunun yarısının tek katlarına eşit ise, P noktasında karanlık girişim saçağı oluşur.

Yol farkı = 1(λ/2), 3(λ/2), 5(λ/2), …
Yol farkı = (n-1/2) λ

$\displaystyle d.\sin \theta =d.\frac{{{x}_{a}}}{L}=\left( n-\frac{1}{2} \right)\lambda$

Burada, n = 1, 2, 3…… gibi tamsayı olup, P noktasının merkez doğrusundan itibaren kaçıncı karanlık saçak olduğunu gösterir.

Tek Yarıklı Girişim (Kırınım)

♦Doğrusal su dalgalarının dalga boyunun aralık genişliğine eşit ya da büyük olduğunda aralıktan geçtikten sonra dağılarak eğrisel biçimde yayılması olayına kırınım denir.

♦Kırınım olayı ışıkta da gözlenir.

♦Işıkta tek aralıkta kırınım, 0,1 mm basamağındaki bir aralıkla, dalga boyu 4 • 10^-4 mm ile 7,5 • 10^-4 mm arasında olan ışıklarla gerçekleşir.

♦Tek yarıkta yapılan girişim deneyinde perde üzerinde merkez doğrultusu üzerinde parlak bir saçak, bu bölgenin iki yanında daha dar ve daha az parlak saçaklar sıralanır.

P noktasının aydınlık ya da karanlık olma şartı

1. Perde üzerinde alınan P noktasının kaynaklara olan yol farkı,

Yol farkı = λ, 2λ, 3λ,…⇒ Yol farkı = n .λ ise;
P noktası karanlık saçak üzerinde bulunur.

$\displaystyle w.\sin \theta =w.\frac{{{x}_{n}}}{L}=n.\lambda$

2. Perde üzerinde alınan P noktasının kaynaklara olan yol farkı,
Yol farkı = 1(λ/2), 3(λ/2), 5(λ/2), …= (n-1/2) λ ise

$\displaystyle w.\sin \theta =w.\frac{{{x}_{n}}}{L}=\left( n+\frac{1}{2} \right)\lambda$

Çözme Gücü

♦Kaynaklar birbirlerine çok yakın olduğunda dar yarıktan geçen ışınlar kırınımla uğrar. Merkezi aydınlık saçaklar üstüste biner ve kaynakların ekran üzerindeki görüntüleri birbirine karışır. Kaynakların çözülmüş olması için bu istenen bir durum değildir.

♦Kaynakların çözülmüş olması için merkezi aydınlık saçakların üst üste binmemesi gerekir.

♦Işığın kırınıma uğraması mikroskop ya da teleskop ile gözlemlenen birbirine çok yakın cisimlerin birbirlerinden ayırt edilebilirliğini azaltır.

♦Bir kaynağın merkezi aydınlık saçağı diğer kaynağın ilk karanlık saçağına bindiğinde kaynaklar birbirlerinden ayrılmış olur.

♦Rayleigh kriteri olarak adlandırılan bu durum iki kaynağın çözülme sınırı olarak kabul edilir.

♦Görünür ışığın dalga boyu λ, yarık genişliği w ise,
$\displaystyle {{\theta }_{\min }}=\frac{\lambda }{w}$

♦İki noktasal kaynağın açısal ayrıklığı $\displaystyle \frac{\lambda }{w}$ den büyük olduğunda kaynaklar birbirinden ayırt edilebilir.

♦D çaplı dairesel şekilli objektiflerin birbirine yakın iki cismin görüntülerini birbirlerinden ayırabilmeleri şartı,

$\displaystyle {{\theta }_{\min }}=1,22.\frac{\lambda }{D}$ dir.

Girişim ve Kırınıma Örnekler

Sabun köpüğü zarı üzerine tek renkli ışık gönderdiğimizde zar üzerinde karanlıklı ve ışıklı bölgeler meydana gelir.

Asvalt üzerine dökülmüş ince benzin tabakasında ışığın yansıması, kırılması sonucunda girişim meydana gelir. Dolayısıyla resimdeki gibi renklenme meydana gelir.

Gözlük camlarına zararlı ışınları süzmesi ince bir film tabakası kaplanır. Bu film tabakasında renklenmeler gözlenir.

CD ve DVD yüzeyleri Güneş ışığına tutulduğunda renklenmeler görülür. Bunun nedeni kırınım olayıdır. Cd ve dvd lerde bilgiler, parlak bir zemin üzerine çok ince çizgi ya da çukurlar açılarak kodlanır. Bu küçük çukur ya da çizgilerin genişliklerinin ışığın dalga boyuna yakın değerlerde olması kırınım olayının gerçekleşmesi için bir zemin oluşturur.

CD nin 1 cm sinde yanyana yaklaşık 20 000 çizgi ya da çukur bulunabilir. Üzerine beyaz ışık düştüğünde her bir çukur aynı frekanslı ışık kaynağı gibi davranır (huygens ilkesi). Beyaz ışık içindeki farklı renk ışık dalgalarının her biri farklı açılarda yansır ve CD ya da DVD den yansıyan renkli görünmesine neden olur.

Bilmemiz Gerekenler
♦Yalnız tanecik teorisiyle açıklanabilen olaylar,
Fotoelektrik olay, Compton olayı ve Kara cismin ışımasıdır.

♦Yalnız dalga teorisiyle açıklanabilen olaylar,
Kırınım, girişim, ince zarlarda renklenme, ayrılma, kırılmada hız değerleri, ortamları ayıran yüzeyde aynı anda hem yansıma hem de kırılmanın olması

♦Her iki teoriyle de açıklanabilen olaylar,
Işığın yansıması, soğrulma, gölge ve yarı gölge, ışığın doğrusal yolla yayılması, ışığın birbiri içinden geçmesi, ortam değiştiren ışığın doğrultu değiştirmesi, ışık basıncı, aydınlanma