Elektromanyetik Işınların Dalga ve Tanecik Karakteri

Işığın yapısıyla ilgili bir çok bilim insanı farklı görüşler ileri sürmüştür. Örneğin Einstein, ışığın foton adı verilen taneciklerden meydana geldiğini ileri sürmüş ve bu konu üzerinde çalışmalar yapmıştır. Bazı bilim adamları da ışığın dalga özelliğini gösterdiğini bir takım deneylerle ispat etmiştir. Günümüzde bu iki fikri birleştiren kişi De Broglie olmuş ve hipotezinde, ışık dalgalarının foton olarak davranabilmesinden yola çıkarak elektron gibi küçük taneciklerin dalga özelliği gösterebileceğini ileri sürmüştür. Daha sonra bu hipotezi farklı bilim insanları doğrulamış ve modern atom teorisinin gelişmesini sağlamışlardır.

Işık, yukarıda da belirtildiği gibi, dalgaları foton olarak davranabilmektedir. Bu kavramlara daha yakından tanımak için ışığın dalga ve tanecik özelliklerini iyice incelememiz gerekir.

Dalga Özelliği

Dalga, enerji taşıma yollarından birisidir. Bütün dalgalar enerji taşır. Dalgalar taşıdığı enerjiye göre mekanik ve elektromanyetik dalgalar olarak ikiye ayrılır. Elektromanyetik dalgaların ilerleyebilmesi için ortam gerekmez iken, mekanik dalgaların oluşması için bir kaynağa ve dalgaların ilerleyebileceği esnek bir ortam gerekmektedir.

Dalga ile ilgili Kavramlar

10. sınıf fizik dersinde dalga ile ilgili kavramları öğrenmiştik;

• Dalga Boyu (λ): Dalga boyu, bir dalga örüntüsünün tekrarlanan birimleri arasındaki mesafedir. Yaygın olarak lamda (λ) harfi ile gösterilmektedir.
• Genlik (A): Dalganın orta noktasından tepesine veya çukuruna olan dik mesafeye genlik denilir. (A) harfi ile gösterilir.
• Frekans (υ): Belirli bir noktadan bir saniyede geçen dalga sayısına frekans denir ve (υ) ile gösterilir. Dalgaboyu frekans ile ters orantılıdır, dolayısıyla dalgaboyu uzadıkça frekans azalır. Matematiksel ifadeyle çarpmaya göre tersi ise periyot olarak adlandırılır.
• Dalga Hızı: Taneciksel dalganın birim zamanda aldığı yola denir ve (v) ile gösterilir
• Işık Hızı: Elektromanyetik dalganın boşlukta dalga boyuna bağlı olmaksızın 1 saniyede aldıkları yola ışık hızı denir. (c) ile gösterilir. Yaklaşık değeri 2,99 * 10⁸ m/s’dir.

Dalga Özelliğinin Açıkladığı Olaylar

Işığın dalgalar ile yayıldığını savunan bilim adamları arasında bulunan Huygens, yaptığı deneylerle yansıma ve kırılma özelliklerini ışığın dalgalar ile yayılmasıyla açıklar. 19. yy’a gelindiğinde ise Maxwell ışığı, elektrik ve manyetik alan titreşimlerinden oluşan bir elektromanyetik dalga olarak tanımlar ve bu düşüncelerini formüller aracılığıyla ispatlar.

Girişim Olayı

Girişim, su dalgalarında da olduğu gibi iki dalganın farklı yöntemlerle (üst üste binerek, çakışarak vs) birbirleriyle etkileşerek enerjilerinin birbirini etkilemesidir. Girişim olayını deney ile açıklayan ilk bilim insanı Thomas Young’dır. Young girişim olayını çift yarık deneyini kullanarak açıklamıştır. Aşağıda çift yarık deneyinin şematize edilmiş halini görebilirsiniz.

Kırınım Olayı

Işığın kırınıma uğradığını ilk defa Francesca Grimaldi kanıtlamıştır. Yaptığı deney ile ışık kaynağının önündeki cismin gölgesini gözlemlemiş ve gölgenin sınır çizgilerinin keskin olmadığını, parça parça koyulaştığını gözlemlemiştir. Bunun sebebi olarak gölge sınırındaki ışığın kırınıma uğradığını göstermiş ve bu olayı ışığın dalgasal yapısıyla açıklamıştır.

Tanecik Özelliği

Işığın tanecik olarak yayıldığı fikrini ilk defa Sir Isaac Newton savunmuştur. Newton’dan sonra Planck ışığın kütlesiz tanecikler tarafından oluştuğunu öne sürerek bunu formülize etmiştir. Planck’ın formüllerini kullanan Einstein bu modeli geliştirmiş ve ışığı oluşturan taneciklere foton olarak adlandırmıştır.

Tanecikli Özelliğin Açıkladığı Olaylar

Işığın tanecikli özelliği fotoelektrik olayını, Compton olayını ve siyah cisim ışımasını açıklama da yardımcı olur.

Fotoelektrik Olayı

Fotoelektrik olayı, metal yüzeyine çarpan ışının metalden elektron koparması olayıdır. Fotoelektrik olayında kopan elektronların toplam kinetik enerjisinin ışığın frekansına bağlı olduğu keşfedilmiştir. Bu durum ışığın dalga modeli ile açıklanamaz (çünkü dalga modeline göre kinetik enerji ışığın şiddetine bağlı olarak değişmeliydi). Madde olmayan ışığın, tanecikli yapıdaki elektronla etkileştiği bu olay fotonlar sayesinde açıklanabilmektedir.

Compton Olayı

Klasik elektromanyetik teoride (Thompson saçılması) saçılan ışınların dalga boylarının başlangıçta sahip oldukları dalga boyu ile aynı olacağı, elektron’un kinetik enerjisinin ise değişmeyeceği öngörülmekteydi ve deneyler de bu sonucu vermekteydiler. Fakat 20.yy’başlarında yapılan bazı yüksek enerjili deneylerde X-ışınlarının ve Gama ışınlarının etkileşimleri sırasında fotonların belirli bir açıyla saçıldıkları ve bu açının ışının dalga boyu ile bir ilişkisinin olduğu, etkileşimin elastik olmadığı, yani enerjinin değiştiği görüldü. 1923 yılında Arthur Holly Compton bu olayı açıklığa kavuşturan deneyi Compton Deneyi olarak adlandırıldı ve makalesi yayınladı.  1927 yılında da A.H. Compton bu çalışmasıyla ilgili olarak Nobel Fizik ödülünün sahibi oldu.

Siyah Cisim Işıması

Siyah cisimler üzerine gelen bütün fotonları soğurur ve hiç bir ışını geri yansıtmaz, ancak bir siyah cisim bile soğurduğu enerjiyi dışarıya vermek zorundadır. Siyah cisim ışıması bir cismin sahip olduğu ısı enerjisinden dolayı etrafa yaydığı ışınımdır.

Başka bir ifadeyle, siyah cisimler ısıtıldığında dışarı ışınımlar yayar. Yaydığı ışınımların şiddetini ısıtılma miktarı belirler. Yüksek sıcaklıklarda kısa dalga boylu ışınımlar üretilirken düşük sıcaklıklarda uzun boylu ışımalar üretilir.

Siyah cisim ışımasında da gerçekleşen olaylar dalga boyuna bağlı olarak değişmesi sayesinde ışığın tanecik modeliyle açıklığa kavuşur.