ışık

insan gözünün algılayabildiği elektromagnetik ışınım. Elektromagnetik ışınım, elektromagnetik dalgalar biçiminde yayılan enerjidir; bu dalgaların dalgaboylan 3x10~22 cm (kozmik ışınlar ile milyonlarca kilometre (uzun radyo dalgaları) arasında değişir. Bu çok geniş elektromagnetik tayf içinde insan gözünün algılayabildiği dalgaboylan yaklaşık 7 x 10-5 cm’den (kırmızı ışık) 4x10~5 cm’ye (mor ışık) kadar çok dar bir aralık oluşturur. Dalgaboylan bu aralığın hemen altında ve hemen üstünde olan ışınımlar da (kızılötesi ve morötesi ışınımlar) çoğu kez ışık olarak adlandırılır, ama insan gözü bu ışınımları algılayamaz.

Tarihi

Düz ve küresel aynalar ile içbükey ve dışbükey mercekler ilk çağlarda hem Çinliler, hem de Yunanlılar tarafından biliniyordu. Işıkla ilgili bazı deneysel yasalar ve ışığın niteliğine ilişkin varsayımlar temel olarak Akdeniz (Eski Yunan ve Arap) kökenlidir. Pythagoras (İÖ y. 580-500) ışığın, insanın gözünden çıkan ve görülen cisme değdiğinde görme duyusunu doğuran ışınlardan oluştuğunu öne sürmüştü. Pythagoras’ın bu görüşünü paylaşan Eukleides (İÖ y. 300) aynada yansıyan ışığın gelme açısıyla yansıma açısının birbirine eşit olduğunu biliyordu. Işığın kaynaktan çıkıp görülen cisimden yansıyarak göze ulaştığını ve görme duyusunu doğurduğunu ilk kez Samoslu Epikıyos (İÖ 341-270) öne sürdü. Pythagoras varsayımı zamanla terk edildi ve ışığın görülen cisimden göze ulaşan ışınlardan oluştuğu görüşü, özellikle Arap matematikçi ve fizikçi İbnü’l-Heysem’in (İS y. 965-1039) etkisiyle, İS 1000’lerde genel olarak kabul edildi.

İskenderiyeli astronom Ptolemaios (ü. İS 127-145), kırılma (ışığın bir saydam ortamdan bir başka saydam ortama geçerken doğrultu değiştirmesi) olgusunda gelme ve kırılma açılarını ölçtü ve ışığın bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken normale (iki ortamı ayıran düzleme dik doğru) yaklaşacak biçimde doğrultu değiştirdiğini ortaya koydu. Felemenkli astronom ve matematikçi Willebrord van Roijen Snell (1580-1626) ışığın gelme ve kırılma açılarının sinüslerinin oranı ile saydam ortamda kırılma indisi arasındaki ilişkiyi veren ve kendi adıyla anılan yasayı buldu. Fransız matematikçi Pierre de Fermat (1601-65) ışığın bir noktadan ötekine en kısa yoldan gittiği varsayımını ortaya koyarak yansıma ve kırılmaya ilişkin yasaları birleştirdi.

Işığın doğrular boyunca yayıldığı çok eski zamanlardan beri biliniyor ve bu bilgiden resim sanatında yararlanılıyordu. Ama bu konudaki temel kuram Leonardo da Vinci tarafından ortaya konmuştur.

Işıkta kırınım olgusu ilk kez 17. yüzyılda gözlendi ve ışığın bir dalga hareketi olduğu görüşü ortaya atıldı. Felemenkli fizikçi Christiaan Huygens ışığın dalga kuramını geliştirdi. DanimarkalI fizikçi Erasmus Bartholin ile Huygens’in ilk kez gözledikleri kutuplanma olgusu ise ışığın o gün için göz önüne alınan tek dalga türü olan boyuna dalga (yayılma doğrultusundaki titreşimlerden oluşan dalga) kavramıyla bağdaşmıyordu. Bu nedenle Sir Isaac Newton ışığın parçacık yapısında olduğunu savundu. Newton ayrıca beyaz ışığın bir cam prizmadan geçirildiğinde renklere ayrıldığını keşfetti. Newton’dan sonraki bir yüzyıl boyunca ışığın parçacık kuramı fiziğe egemen oldu. Işığın bir enine dalga hareketi (yayılma doğrultusuna dik doğrultuda titreşimlerden oluşan dalga) olduğu ancak 19. yüzyılda, İngiliz fizikçi Thomas Young, Fransız fizikçiler Augustin-Jean Fresnel, François Arago ve Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, İrlandalI bilim adamı Humphrey Lloyd ve Alman fizikçi Gustav Kirchhoff’un çalışmalarıyla ortaya kondu.

Tüm evreni kapladığı ve bir tür esnek katı olduğu varsayılan esir, ışığın boşluktan geçebilmesi olgusunu açıklamaya yönelik bir kavramdı. 1864’te İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell, ışığın bir elektromagnetik dalga olduğunu öne sürdü. Eletromagnetizmanın yasalarını yalın bir biçimde matematiksel olarak ifade eden Maxwell, bu matematiksel ifadelerden boşlukta sabit bir hızla yol alan enine elektromagnetik dalgaların var olması gerektiği sonucuna vardı; elektrik devreleri üzerinde gerçekleştirdiği deneylerle, c ile gösterilen bu sabit hızın saniyede 300.000 km olduğunu belirledi. Işığın elektromagnetik dalga niteliği esir varsayımının gerekliliğini de ortadan kaldırıyordu. DanimarkalI astronom Ole Römer, Fransız fizikçi Jean-Bernard-Leon Foucault ve başka bilim adamları ışığın hızının da bu değere çok yakın olduğunu belirlediler. ABD’li fizikçi A. A. Michelson ışığın hızını büyük duyarlıkla ölçerek (çok küçük deneysel hata sınırları içinde) c’ye eşit olduğunu gösterdi. Bu çalışmalar ve 1887’de Alman fizikçi Heinrich Rudolf Hertz’in, ilk kez elde etmeyi başardığı radyo dalgaları (uzun dalgaboylu elektromagnetik dalgalar) üzerindeki ölçümleri Maxwell’in görüşlerini doğruladı. 1845’te İngiliz fizikçi Michael Faraday ışığın kutuplanma düzleminin magnetik alan etkisiyle döndüğünü gösterdi, böylece ışık ile elektromagnetizmanın ilişkisini deneysel olarak ortaya koydu.

Maxwell’in elektromagnetik dalga kuramı sürekli (sınırsız olarak bölünebilen) bir ortam öngörüyordu. Dalgaların enerjisinin de sınırsız olarak bölünebildiği, böylece sınırsız derecede küçük enerji miktarlarının salınabileceğini ya da soğurulabileceğini öngören bu kuram, denge durumunda evrendeki bütün enerjinin yüksek frekanslı dalgalara dönüşmesi gerektiği sonucunu veriyordu. Maxwell’in de dikkatini çekmiş olan bu sorun daha sonra Lord Rayleigh ve Sir James Jeans tarafından açıkça ortaya kondu. 1900’de Alman fizikçi Max Planck ışınımla salınan ısı enerjisinin ancak sonlu miktarlarda salınabileceği varsayımının bu sorunun çözümü açısından gerekli olduğunu gösterdi. Bu sonlu ve belirli enerji miktarı günümüzde kuvantum olarak adlandırılmaktadır. 1905’te Einstein, fotoelektrik etkiyip) inceleyerek ışığın, enerji kuvantumuna eşdeğer kesikli (ayrık) parçacıkların hareketi olarak ele alınabileceğini ileri süren temel kuramı geliştirdi. Bu parçacıklara foton adı verildi. Işığın kimi durumlarda dalga, kimi durumlarda parçacık gibi davrandığı gözlendiğinden bu iki davranış biçiminin hangi koşullarda ve nasıl ortaya çıkacağını belirleyen bir kurama duyulan gereksinim, kuvantum mekaniği olarak bilinen ve bu sorunu tümüyle çözen kuramın geliştirilmesine yol açtı (1925-35).

Alışılmış ışık kaynaklarında ışık ışınları, aralarında belirli bir faz ilintisi bulunmayan atomlar tarafından salınır; bu nedenle de bu atomların saldığı dalgalar rasgele bir düzensizlik içindedir, bir başka deyişle eşfazlı değildir. Einstein’ın ve Ingiliz fizikçi Paul A. M. Dirac’ın çalışmalarına dayanılarak geliştirilen uyarılmış salım kuramı, kimi durumlarda atomların eşfazlı dalgalar salacak biçimde uyarılabileceğini ortaya koydu. Bu kuramın uygulamaya konmasıyla eşfazlı, tekrenkli ışık salan ışık kaynağı laser gerçekleştirildi (1960).

Işık tayfı, renk

Işık elektromagnetik tayfta 400 nm ile 700 nm arasındaki çok dar bir dalgaboyu aralığını kaplar (1 nm [nanomet- re] = 10~9 m). Bu dalgaboylan değişik renklere karşılık gelir; yaklaşık olarak 400- 450 nm mor, 450-500 nm mavi, 500-570 nm yeşil, 570-590 nm san, 590-610 nm turuncu ve 610-700 nm kırmızı ışıktır. Burada, renk olarak adlandınlan niteliğin ışık demetinde var olan bir nitelik olmadığını, görme organı aracılığıyla ışığın dalgaboyuna bağlı olarak beyinde oluşan bir duyum olduğunu belirtmek gerekir; belirli bir dalgaboyundaki (örn. 600 nm) ışık, insanın görsel sistemi tarafından belirli bir renk (örn. turuncu) olarak algılanır. Beyaz ışığın bir prizma aracılığıyla renkli bileşenlerine ayrılarak mordan kırmızıya uzanan bir tayf oluşturması; bunların ikinci bir prizma aracılığıyla yeniden beyaz ışık oluşturacak biçimde birleştirilmesi ilk kez Newton tarafından 1666’da gerçekleştirildi.

Beyaz ışığın kendisini oluşturan renklere ayrılması kırılmayla oluşabileceği gibi kırınımla ya da girişimle de ortaya çıkabilir. Güneş’in ışık-küresi (fotosfer) gibi kızgın sıcak bir cismin saldığı ışığın tayfı süreklidir (her dalgaboyundan ışık içerir). 1814’te Alman fizikçi Joseph von Fraunhofer Güneş ışığı tayfında belirli dalgaboylarında yer alan birçok karanlık çizgi bulunduğunu gözlemledi (1814). Güneş ışınımının belirli dalgaboylarındaki bölümlerinin, Güneş’in daha soğuk dış katmanlarında ya da Ver atmosferinde gaz halinde bulunan elementlerce soğurulmasından kaynaklanan ve toplam sayısı 25 bin dolayında olan bu çizgilere Fraunhofer çizgileri denir.

Işık hızı

Işığın boşluktaki (vakumdaki) hızı için günümüzde kabul edilen değer saniyede 299.792,5 ± 0,2 km’dir. Bu hız c ile gösterilir ve dalgaboyu ne olursa olsun bütün elektromagnetik dalgalar (örn. radyo dalgaları, ışık, gamma ışınları vb) için aynıdır. Işık hızını ilk kez 1676’da DanimarkalI astronom Ole Römer ölçtü. Romer, Jüpiter’in bir uydusunun Jüpiter tarafından örtülmesinin Yer’den gözlemlendiği anlar arasındaki dönemlerde ortaya çıkan değişmeleri izleyerek ışığın Yer yörüngesi çapını yaklaşık 1.000 saniyede geçecek bir hızla yol aldığını belirledi; bu ise saniyede 298.000 km’lik bir hıza karşılık geliyordu. Yıldız ışığının sapıncını keşfeden İngiliz astronom James Bradley sapınç sabiti yöntemiyle ışık hızı için 295.000 km/sn değerini buldu (1728).

Işık hızının ölçülmesi için 1849’a değin astronomi gözlemlerine dayanan bu yöntemlerden başkası bilinmiyordu. 1849’ da Fransız fizikçi Flippolyte Fizeau ışık hızını ilk kez laboratuvarda ölçmeyi başardı. Fizeau’nun yönteminde ışık ışınları bir dişli çarkın iki dişinin arasından geçirilerek çok uzaktaki bir aynaya gönderilir ve yansıyarak geri gelir. Eğer dişli çark hareketsiz ise ya da çok yavaş dönüyorsa, geri gelen ışınlar aynı aralıktan geçer, ama çarkın dönme hızı artırılırsa ışığın aynaya gidip geri dönmesi sırasında aralığın yerine bir diş gelmiş olur ve ışınlar çarktan geçemez. Aynanın uzaklığı, çarktaki diş sayısı ve çarkın dönme hızı bilindiğinden bu deneyle ışık hızı bulunabilir. Fizeau bu yöntemle ışığın hızını bugün kabul edilen değere göre yüzde 4’lük bir hata payıyla belirledi.

Sonraları deney daha duyarlı sonuçlar verecek biçimde geliştirildi ve ışık hızının saniyede 299.000 - 301.000 km arasında olduğu saptandı. Dişli çark yerine döner aynalar kullanarak geliştirdikleri düzeneklerle Fransız fizikçi Foucault 1850’de, ABD’li fizikçi Michelson 1927 ve 1935’te çok daha duyarlı sonuçlar elde ettiler. Michelson ölçülen ışık hızının Maxwell’in elektromagnetik dalgalar için öngörmüş olduğu değere 1/1000’den daha yakın olduğunu göstererek ışığın bir elektromagnetik dalga olduğuna duyulan inancı pekiştirdi. Işığı Kerr elektro-optik etkisinden yararlanarak dişli çark ya da döner aynaya oranla çok daha büyük (örn. 10.000 kat) hızlarda kesintiye uğratmak olanaklıdır. 1951’de bu yöntemle ışık hızı saniyede 299.793,1 km olarak ölçülmüştür.

Yüksek frekanslı radyo dalgaları üzerinde ölçüm yaparak elektromagnetik dalga hızını daha da duyarlı olarak belirlemek olanaklıdır. Özel görelilik kuramının 1905’te ortaya konmasıyla fiziğin temel sabitleri arasına giren ışık hızını çok duyarlı biçimde belirlemek büyük önem taşır.

Yansıma, kırılma, ayrılım

Bütün dalga hareketlerinde görülen yansıma, kırılma, girişim, kırınım, ayrılım ve saçılım özellikleri ışıkta da gözlenir. Işık bir enine dalga olduğundan kutuplanma özelliği de gösterir. Bir ortam içinde ilerleyen ışık ışınları bir başka ortamın yüzeyine çarptığında, bu ışınların bir bölümü yön değiştirerek geldiği ortama geri döner. Yansıma olarak adlandırılan bu olayda, gelen ışın ile yansıyan ışın, ışığın yüzeye çarptığı noktadan yüzeye çıkılan dikme (normal) ile aynı düzlem içinde bulunur ve gelme açısı (gelen ışının normal ile yaptığı açı) yansıma açısına (yansıyan ışının normal ile yaptığı açı) eşittir. Yansımaya ilişkin bu yasalar Huygens ilkesiyle) kolaylıkla açıklanabilir. Bir saydam ortamdan bir başka saydam ortama geçen ışık ışınlarının iki ortamın sınırını oluşturan yüzeyde doğrultu değiştirmesi kınlm olarak adlandırılır. Gene Huygens ilkesi aracılığıyla açıklanabileceği gibi, kırılmada, gelen ışın, kırılan ışın ve normal aynı düzlem içindedir ve gelme açısı (g) ile kırılma açısı (k) arasında;

bağıntısı vardır. Burada vg ışığın geldiği ortamdaki hızı, Vk ise kırılarak geçtiği ortamdaki hızıdır. Birinci ortam olarak vakum (boşluk) ya da ışığın hızı bakımından vakuma çok yakın olan hava alındığında, bu bağıntı;
sin=k*v
biçiminde yazılabilir. Burada c ışığın vakumdaki (büyük bir yaklaşıklıkla havadaki) hızı, v ışığın kırılarak girdiği ortamdaki hızı, n ise ikinci ortamın kırma indisidir. Havanın kırma indisi 1,0002; suyun 1,333; crown camının 1,517; elmasın 2,417’dir. Buradan, ışığın bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçişinde hızının azaldığı (v < c), dolayısıyla normale yaklaşacak biçimde kırıldığı (k < g) anlaşılır. Bir ortamdan daha az yoğun bir ortama (örn. camdan ya da sudan havaya) geçen ışık ise normalden uzaklaşacak biçimde kırılır. Vakumda ışığın hızı dalgaboyuna bağlı değildir; oysa başka ortamlarda farklı dalgaboylarındaki ışık dalgalarının hızları da farklıdır. Bu nedenle, örneğin havadan cama (ya da camdan havaya) geçen beyaz ışıktaki farklı dalgaboylu (farklı renklerden) bileşenler, camdaki hızlarının farklı olması nedeniyle farklı açılarla kırılır.

Mor ışığın camdaki hızı kırmızı ışığa göre daha düşük olduğundan, camın mor ışık için kırma indisi, kırmızı ışık için kırma indisinden daha büyüktür. Böylece beyaz ışık kırıldığında renk bileşenlerine ayrılarak bir tayf oluşturur. Merceklerde ortaya çıkan renkser sapınç olayı da farklı renklerin farklı açılarda kırılmasından kaynaklanır. Bir dalga hareketinde dalgaboyu farklı dalgaların, hızlarının farklı oluşu nedeniyle, birbirlerinden ayrılmaları olgusu genel olarak ayrılım olarak adlandırılır.
Hava ile saydam bir ortam arasındaki yöreye düşen ışığın bir bölümü yansır, bir bölümü ise kırılarak saydam ortama geçer. Kırma indisi n olan bir cisme dik olarak düşen ışığın oranıyla belirlenen bölümü yansır, geri kalanı ise kırılır. Bu oran, kırma indisi 1,5 olan cam için yüzde 4’e; kırma indisi 2,42 olan elmas için yüzde 17’ye eşittir.

Girişim, kırınım, iki dalganın üst üste binmesi durumunda, dalgalar aynı fazda ise birbirlerini güçlendirirler, zıt fazda ise zayıflatırlar. Bu olaya girişim denir. Bir ışık demeti iki dar yarıktan geçirilip düz bir ekrana düşürüldüğünde ekran üzerinde eşit aralıklarla dizilmiş aydınlık ve karanlık çizgilerden oluşan girişim saçakları elde edilir, ilk kez 1802’de Thomas Young’ın gerçekleştirdiği ve Young deneyi olarak bilinen bu deney ışığın dalga kuramının oluşturulmasında önemli bir adım olmuştur. Düz bir cam parçasıyla hafifçe dışbükey bir cam parçası üst üste konulduğunda ortaya çıkan Newton halkaları düzlemsel ve dışbükey yüzeylerden yansıyan ışık ışınlarının girişimiyle ortaya çıkar. Girişimölçerleri ışık ışınlarının girişiminden yararlanarak uzunluk, yüzey düzensizlikleri, kırılma indisi gibi niteliklerin çok duyarlı bir biçimde ölçülmesinde kullanılan aygıtlardır. Kırımm ışığın bir engel çevresinde dağılması olgusudur. Engelin boyutları ile ışığın dalgaboyu birbirine ne kadar yakın olursa kırınım da o ölçüde belirgin olarak ortaya çıkar. Gölge kenarlarının keskin değil bulanık olması kırınım olgusundan kaynaklanır. Fransız fizikçi A. J. Fresnel kırınımı, ışığın dalga kuramına dayanarak açıklamış ve temelde bir girişim olgusu olduğunu ortaya koymuştur.

Saçılım

Bir elektromagnetik dalga olan ışık, bir gaz ya da saydam bir katı cisim içinden geçerken yolundaki elektronların periyodik salınmalar yapmasına yol açar. Salınan elektronlar da elektromagnetik ışınım yayar. Bu ışınım, özellikle elektronların birbirinden uzak ve bağımsız olarak yer aldıkları gazlarda, gelen ışığın doğrultusuna göre yanlara doğru da yayılır. Bu olgu saçılım olarak adlandırılır. Güneş ışığının atmosferdeki gaz molekülleri tarafından saçılımı, bu olguyu 1871’de açıklayan İngiliz fizikçi Lord Rayleigh’in onuruna Rayleigh saçılımı olarak adlandırılır. Gökyüzünün gündüz mavi görünmesi, Güneş’in ve gün batımı sırasında Güneş çevresinin kırmızı görünmesi, sigara dumanının mavi rengi Rayleigh saçılmamın neden olduğu olaylardır.

Kutuplanma

Işık enine bir elektromagnetik dalga olduğu için kutuplanma özelliği gösterir. Bir elektromagnetik dalga, dalganın hareket doğrultusuna dik doğrultuda ve birbirlerine dik olarak salınan bir elektrik alanı ile bir magnetik alandan oluşur. Elektrik alanını simgeleyen vektör, ışığın yayılma doğrultusuna dik kalarak rasgele doğrultular alabiliyorsa ışık kutuplanmamış ışıktır. Elektrik alan vektörünün hep aynı doğrultuda (belirli bir düzlem içinde) kaldığı ışık dalgaları ise düzlemsel kutuplanmış ışık ışınlarını oluşturur. Işığın yansıma sırasında düzlemsel kutuplanmaya uğradığı 1809’da Fransız fizikçi Etienne Louis Malus tarafından keşfedildi. Kimi kristaller (örn. kalsit) çift kırılmaya yol açar ve gelen ışığı birbirine dik iki düzlemde kutuplanmış iki ışık ışınına dönüştürür. Kutuplanma filtreleri böyle kristallerden yapılır ve ışığı kutuplayıcı ya da kutuplanmış ışığı çözümleyici olarak kullanılır. Cisimlerden salınan ya da saçılan ışık ışınlarının kutuplanma durumlarını inceleme yoluyla bu cisimlerin yapısına ilişkin önemli bilgiler elde etmek olanaklıdır.

Örneğin Samanyolu Gökadasındaki evrensel tozdan yansıyan ışığın kutuplanmasının incelenmesiyle toz parçacıklarının gökadadaki çok zayıf magnetik alan içinde, uzun boyutları alan doğrultusuna paralel gelecek biçimde yönlendikleri anlaşılmıştır. Satürn’ün halkalarının buz kristallerinden oluştuğu da benzer biçimde belirlenmiştir. Atomların yapısı hakkında da, bunların saldığı elektromagnetik ışınımın kutuplanma durumları incelenerek, önemli bilgiler elde edilmektedir. Kimi saydam maddelerin içlerinden geçen ışığın kutuplanma düzlemini döndürme miktarı ölçülerek cismin kimyasal yapısına ve derişimine ilişkin bilgiler elde edilebilir (bak. optik etkinlik; polarimetri). Kutuplanma filtreleri kullanarak mikroskop altında mineral kristallerinin yapısı incelenebilir. Kutuplanma filtrelerinin fotoğrafçılıkta, güneş gözlüklerinde ve pek çok optik aygıtta kullanım alanı vardır.