Dalga ve Modern Fizik

Kırınım en kolay dalga leğeninde gözlenir. Leğenin bir kenarındaki üreteç düz (doğrusal) dalgalar oluşturur; dalgaların önüne ortasında açıklık bulunan bir engel konur. Leğenin altından tutulan ışık, dalga tepelerini aydınlık, çukurları karanlık çizgiler hâlinde ekrana yansıtır.

Gözlemler:

• Açıklık dalga boyundan çok genişse dalgalar açıklıktan büyük ölçüde düz olarak geçer; yalnız kenarlarda hafif bükülme görülür.

• Açıklık daraltıldıkça dalgaların açıklığın arkasındaki 'gölge' bölgeye yayılması artar.

• Açıklık dalga boyu kadar veya daha dar olduğunda dalgalar açıklıktan neredeyse dairesel olarak yayılır; açıklık yeni bir nokta kaynak gibi davranır.

• Açıklık sabit tutulup üretecin frekansı azaltılırsa dalga boyu büyür ve kırınım belirginleşir.

Sonuç: Kırınımın belirgin olması için açıklık genişliğinin dalga boyuyla karşılaştırılabilir olması gerekir; açıklık daraldıkça ve dalga boyu büyüdükçe kırınım artar. Kırınım sırasında dalganın frekansı, dalga boyu ve hızı değişmez; yalnız yayılma doğrultusu genişler.

1801'de Thomas Young, tek bir ışık kaynağından gelen ışığı birbirine çok yakın iki yarıktan geçirerek ekranda aydınlık ve karanlık şeritlerden (saçaklardan) oluşan bir girişim deseni elde etti. İki yarık, aynı kaynaktan geldikleri için uyumlu iki ışık kaynağı gibi davranır.

• Ekranın ortasında, iki yarığa eşit uzaklıktaki noktada her zaman aydınlık saçak bulunur.

• Aydınlık ve karanlık saçaklar eşit aralıklarla sıralanır.

• Beyaz ışık kullanılırsa merkezî saçak beyaz, yandaki saçaklar renkli görünür; çünkü farklı renklerin dalga boyları farklı olduğundan saçak aralıkları da farklıdır.

Program çift yarık girişimiyle ilgili sayısal hesaplara girmez; değişkenlerin saçak aralığına etkisi yorumlanır.

Işık tek ve dar bir yarıktan geçtiğinde de ekranda aydınlık ve karanlık saçaklar oluşur. Bu desen, yarığın farklı bölümlerinden gelen dalgaların birbiriyle girişim yapmasından kaynaklanır.

Çift yarık deseninden farkı: Tek yarıkta ortadaki merkezî aydınlık saçak çok daha geniş ve parlaktır; genişliği yandaki aydınlık saçakların yaklaşık iki katıdır. Yan saçaklar merkezden uzaklaştıkça hızla sönükleşir. Çift yarık deseninde ise saçaklar yaklaşık eşit genişliktedir.

Program tek yarıkta kırınımla ilgili sayısal hesaplara, ince zarlarda girişime, hava kamasına ve çözme gücüne girmez.

Işığın doğası uzun süre tartışıldı. Newton'ın savunduğu tanecik modeli ışığın düz çizgide yayılmasını ve yansımasını açıklıyordu. Huygens'in dalga modeli de yansıma ve kırılmayı açıklayabiliyordu; ancak 18. yüzyılda Newton'ın etkisiyle tanecik modeli daha yaygın kabul gördü.

Young'ın çift yarık deneyi bu tartışmada dönüm noktası oldu. İki yarıktan gelen ışığın üst üste geldiği bazı noktalarda karanlık oluşması, yani 'ışık + ışık = karanlık' sonucu, tanecik modeliyle açıklanamaz. İki tanecik akımı bir noktaya ulaştığında orada daha fazla ışık olması beklenirdi. Bu sonuç ancak dalgaların tepe ve çukurlarının birbirini söndürmesiyle (yıkıcı girişim) açıklanabilir.

Kırınım deneyleri de ışığın dar açıklıkların arkasına yayıldığını gösterdi. Daha sonra ışığın kutuplanabildiğinin anlaşılması, ışığın enine bir dalga olduğunu ortaya koydu.

Bu deneyler ışığın dalga özelliği gösterdiğinin güçlü kanıtlarıdır. Ancak 20. yüzyılda fotoelektrik olay ve Compton saçılması, ışığın tanecik (foton) özelliklerini de gösterecek; ışığın ikili doğası ortaya çıkacaktır.

Dalga kaynağı ile gözlemci birbirine göre hareket ettiğinde gözlenen frekansın değişmesi olan Doppler olayı hem ses hem ışık dalgalarında görülür ve birçok alanda ölçüm aracı olarak kullanılır:

• Trafik radarları: Araca gönderilen radyo dalgası araçtan yansıyıp geri döner. Yaklaşan araçtan yansıyan dalganın frekansı artar; frekanstaki değişimden aracın hızı hesaplanır.

• Doppler ultrason: Kan hücrelerinden yansıyan ses dalgalarının frekans değişimiyle damarlardaki kan akış hızı ve yönü ölçülür; anne karnındaki bebeğin kalp atışları dinlenir.

• Hava durumu radarları: Yağmur damlalarından yansıyan dalgaların frekans kaymasıyla fırtınaların hareket yönü ve hızı belirlenir.

• Astronomi: Uzak galaksilerden gelen ışıkta tayf çizgileri daha uzun dalga boylarına kayar (kırmızıya kayma); bu galaksilerin bizden uzaklaştığını gösterir. Bize yaklaşan yıldızların ışığında maviye kayma görülür. Bu gözlemler evrenin genişlediğinin kanıtlarındandır.

• Günlük hayat: Yanımızdan hızla geçen yarış arabasının ya da trenin sesinin incelip kalınlaşması; yarasaların avlarının hareketini yankılarındaki frekans değişiminden algılaması.

Program Doppler olayıyla ilgili sayısal hesaplara girmez.

Elektromanyetik dalgalar boşlukta yayılır; boşlukta aynı hızla ilerler ve eninedir. Radyo, mikrodalga, kızılötesi, görünür, morötesi, X ve gama sıralamasında frekans artar, dalga boyu azalır. Radyo iletişimde, mikrodalga iletişim ve ısıtmada, kızılötesi termal görüntülemede kullanılabilir. Maxwell'in kuramı elektrik ve manyetik alan değişimlerini aynı dalga yapısında birleştirir. Boşluktaki hız eşitliğini bütün maddelerde aynı hıza genelleme.

James Clerk Maxwell 1860'larda elektrik ve manyetizmanın yasalarını birkaç denklemde birleştirdi. Bu denklemlerden, değişen bir elektrik alanın manyetik alan, değişen bir manyetik alanın da elektrik alan oluşturarak uzayda birlikte ilerleyen bir dalga meydana getirebileceği sonucuna ulaştı ve bu dalganın hızını hesapladı. Hesaplanan hız ışık hızına eşitti; Maxwell ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu öngördü. Bu nedenle elektromanyetik teorinin kurucusu kabul edilir. Heinrich Hertz 1887'de radyo dalgalarını laboratuvarda üretip algılayarak bu öngörüyü doğruladı.

Ortak özellikler:

• İvmeli hareket eden yüklü parçacıklar tarafından oluşturulur (ör. antende ileri geri titreşen elektronlar).

• Birbirine ve yayılma doğrultusuna dik olarak titreşen elektrik ve manyetik alanlardan oluşur; enine dalgalardır.

• Yayılmak için maddesel ortama ihtiyaç duymaz; boşlukta da yayılır.

• Boşluktaki hızları aynıdır: c ≈ 3×10⁸ m/s. Maddesel ortamlarda yavaşlar.

• Yansıma, kırılma, girişim, kırınım ve kutuplanma gösterir.

• Enerji taşır; c = λ·f bağıntısına uyar. Frekans arttıkça taşıdığı enerji paketlerinin (fotonların) enerjisi artar.

• Elektrik yükü taşımadıkları için elektrik ve manyetik alanlarda sapmaz.

Elektromanyetik dalgalar dalga boylarına (frekanslarına) göre sıralandığında elektromanyetik spektrum elde edilir. Bölgeler arasında keskin sınırlar yoktur; bütün bölgeler aynı fiziksel yapıdadır, yalnız frekansları ve enerjileri farklıdır. Gözümüz bu geniş spektrumun yalnız çok dar bir bölümünü (görünür ışık) algılayabilir.

Tabloda yukarıdan aşağı dalga boyu azalır; frekans ve foton enerjisi artar. Morötesinin bir kısmı, X ve gama ışınları atomları iyonlaştırabilecek enerjidedir; bu yüzden canlılar için daha tehlikelidir ve kullanımları koruyucu önlemler gerektirir.