Snell yasası nedir? Kırılma indisi nedir? Işığın suda aldığı yol nasıldır? Snell yasasından nasıl yararlanırız, açıklaması.
Snell Yasası
Bir bardak suyun içindeki pipet neden bükülmüş gibi görünür? Çünkü ışık havada ve suda farklı hızlarda ilerler ve bu da ışık ışınlarının bükülmesine neden olur. Işık ışınlarının bükülmesini betimleyen Snell yasası, kızgın yollardaki su birikintisi seraplarını ve yüzme havuzlarında insanların neden kısa bacaklıymış gibi göründüğünü açıklar. Günümüzde, görünmeyen akıllı malzemelerin yapımında bu yasadan yararlanılıyor.
Hiç yüzme havuzunda bacakları gerçekte olduğundan daha kısa görünen arkadaşlarınıza bakıp da güldüğünüz oldu mu? Peki bardağınızdaki pipetin alt bölümünün neden bükülmüş gibi göründüğünü hiç düşündünüz mü? Snell yasası, bu gibi olguları sayılara döker.
Işık ışınları, içinde farklı hızlarda ilerledikleri iki malzeme, örneğin hava ile su, arasındaki sınırı geçerken bükülür. Bu olaya kırılma denir. 17. yüzyılda yaşamış Hollandalı matematikçi Willebrord Snellius’un bulsa da hiç yayımlamamış olduğu bir yasa, farklı malzemeler arasındaki geçişlerde ne kadar bükülme olacağını söyler. İspatını 1637’de René Descartes yayımladığı için bazen Snell-Descartes yasası olarak da anılır. Işığın bu davranışı uzun zamandır iyi biliniyordu. Her ne kadar yüzlerce yıl sonra formüle edilse de bu olgu 10. yüzyıla kadar eski tarihli metinlerde yer alır.
Işık, su veya cam gibi yoğun maddelerin içinde havada ilerlediğinden daha yavaş ilerler. Bu nedenle yüzme havuzuna doğru ilerleyen bir güneş ışığı ışını, yüzeye varınca havuzun tabanına doğru bükülür. Yansıyan ışınlar daha küçük bir açıyla gözümüze geldiğinden, bize doğrudan geldiklerini varsayarak havuzun içindeki birinin bacaklarını sanki bastırılıp kısaltılmış gibi görürüz. Kızgın bir yol üzerinde su birikintisi gibi görünen serap da aynı şekilde oluşur. Yukarıdan gelen ışığın hızı, kızgın asfaltın üzerindeki sıcak hava tabakasında değişir; ışınlar bükülür ve yolun yüzeyini sıyırarak ilerler. Sıcak hava soğuk havaya göre daha az yoğundur. Dolayısıyla ışık düşeyden öteye doğru bükülür. Biz de gökyüzünün asfalt yol üzerindeki yansımasını bir su birikintisi gibi görürüz.
Bir ışının bükülme açısı, içinde ilerlediği iki malzemedeki göreli hızlarıyla ilişkilidir. Teknik olarak, hızların oranı, ışınların düşeye göre ölçülen açılarının sinüslerinin oranına eşittir. Havadan suya ya da daha yoğun bir maddeye giren bir ışın, içeri doğru bükülür ve izlediği yol daha dikleşir.
Kırılma indisi
Işık boşlukta (örneğin uzayda) saniyede 300 milyon metre hızla ilerler. Işığın yoğun bir madde içindeki hızının boşluktaki hızına oranına kırılma indisi denir. Tanımı gereği boşluğun kırılma indisi l’dir. Kırılma indisi 2 olan bir madde ışığın hızını, boşluktaki hızına göre yarıya düşürür. Kırılma indisinin büyük olması, ışığın o maddeden geçerken daha fazla bükülmesi anlamına gelir.
Kırılma indisi maddelere ait bir özelliktir. Değişik amaçlar için özel kırılma indisleri olan malzemeler tasarlanabilir – örneğin insanların görüşlerini iyileştirmek için gözlük camları tasarlanabilir. Merceklerin ve prizmaların gücü kırılma indislerine bağlıdır. Güçlü merceklerin kırılma indisi büyük olur.
Kırılma yalnızca ışıkta değil, her türlü dalgada gerçekleşir. Okyanus dalgaları da tıpkı kırılma indisindeki değişime benzer bir şekilde derinlik azaldıkça yavaşlar. Bu nedenle sığ bir kıyıya doğru belli bir açıyla ilerleyen dalgalar, yaklaştıkça kıyıya doğru bükülürler. Köpüklü dalgaların eğimli kıyıya daima paralel olarak çarpması bundandır.
Kırılma İndisinin Kullanımına Bir Örnek
Kırılma indisi, şarap yapımı meyve suyu üretiminde kullanılır. Şarap yapımcıları şaraba dönüşmeden önce üzüm suyunun şeker yoğunluğunu ölçme bir kırılma-ölçer kullanır. Çözünmüş şeker, üzüm suyunun kırılma indisini arttırır ve ileride ne kadar alkol barındıracağını gösterir.
Tam iç yansıma
Camın içinde ilerleyen bir ışık ışını, havayla olan sınıra çok dar bir açıyla çarparsa, havaya çıkmayarak geri yansır. Buna tam iç yansıma denir, çünkü ışık tamamen camın içinde kalır. Bu olayın gerçekleşeceği kritik açı, yine iki malzemenin göreli kırılma indislerine bağlıdır. Böyle bir yansıma, yalnızca kırılma indisi büyük malzemenin içinden, kırılma indisi küçük malzemeye geçerken olur – örneğin camdan havaya geçerken.
Fermat’nin en kısa süre İlkesi
Snell yasası, Fermat’nın ışık ışınlarının maddelerin içinde en kısa yolu izleyeceğini söyleyen en kısa süre ilkesinin bir sonucudur. Dolayısıyla değişik kırılma indisleri olan bir dizi düzensiz madde karışımı içinde ilerleyen ışık ışınları, kırılma indisi düşük malzemeleri tercih ederek en hızlı yoldan gider. Bu aslında ışık demetini tanımlamanın bir yoludur ve Huygens ilkesinden türetilebilir. Ne de olsa en kısa yolu izleyen ışınlar birbirlerini güçlendirip bir demet oluştururken, rastgele yönlerde ilerleyen ışık ortalamada sıfırlanacaktır. Matematikçi Pierre Fermat bu ilkeyi optik üzerine çalışmaların en üst düzeyde olduğu 17. yüzyılda ortaya atmıştır.
Meta-malzemeler
Günümüzde fizikçiler meta-malzeme denen yeni bir sınıf özel malzeme tasarlıyor. Bunlar ışık ya da başka elektromanyetik dalgalarla aydınlatıldığında alışılmadık davranışlar sergiler. Meta-malzemeler, ışığa verecekleri tepki kimyasal yapılarından değil de fiziksel yapılarından kaynaklanacak şekilde tasarlanır. Opal, doğal bir meta-malzemedir. Kristal yapısı, ışığın yüzeyinden nasıl yansıyıp kırılacağını ve farklı renklerde parlayacağını belirler.
1990’lı yılların sonlarında kırılma indisi eksi olan, ışığın arayüzde ters yönde büküleceği meta-malzemeler tasarlandı. Eğer bir arkadaşınız eksi kırılma indisli bir sıvıyla dolu havuzun içinde duruyor olsa, kısalmış bacaklarının ön yüzlerini değil, arka yüzlerini görürdünüz. Eksi kırılma indisli malzemeler sayesinde en iyi camdan yapılanlardan çok daha keskin görüş sağlayan “süper mercek”ler yapılabilir. 2006’da fizikçiler mikrodalgalara karşı görünmezlik sağlayan bir meta-malzeme geliştirmeyi başarmıştır.
David Hockney Tablosu
Büyük çalkantı
Yüzme havuzları İngiliz sanatçı David Hockney’nin en sevdiği temalardan biridir. Su altında süzülen nesneler üzerindeki optik etkileri resmetmenin yanında, Kaliforniya’daki evinde parlak güneş ışınlarıyla güneşlenmeyi de seven Hockney 2001’de, 15. yüzyıldan beri bazı ünlü ressamların eserlerini yaratırken merceklerden yararlanmış olduğunu ileri sürdü ve sanat dünyasında ciddi bir çalkantıya neden oldu. Birtakım basit optik aletlerle bir manzara tuval üzerine düşürülebiliyor, ressam da üstünden geçiyordu. Hockney, aralarında Ingres ve Caravaggio’nun da olduğu bazı eski ustaların eserlerini incelerken bu tarz yöntemler kullandıklarını işaret eden geometrik ipuçları bulmuştu.
