Altı önemli fenomen, yolunda bir engelle karşılaşırsa bir ışık dalgasının davranışını tanımlar. Bu fenomenler ışığın yansımasını, kırılmasını, polarizasyonunu, dağılmasını, girişimini ve kırınımını içerir. Bu makale sonuncusuna odaklanacak.
Işığın doğası ve Thomas Young'ın deneyleri hakkındaki tartışmalar
17. yüzyılın ortalarında, ışık ışınlarının doğasıyla ilgili eşit şartlarda iki teori vardı. Bunlardan birinin kurucusu, ışığın hızla hareket eden madde parçacıklarının bir koleksiyonu olduğuna inanan Isaac Newton'du. İkinci teori Hollandalı bilim adamı Christian Huygens tarafından ortaya atıldı. Işığın, sesin havada yayıldığı gibi bir ortamda yayılan özel bir dalga türü olduğuna inanıyordu. Huygens'e göre ışık ortamı eterdi.
Eteri kimse keşfetmediği ve o zamanlar Newton'un otoritesi çok büyük olduğu için Huygens'in teorisi reddedildi. Bununla birlikte, 1801'de İngiliz Thomas Young aşağıdaki deneyi yaptı: monokromatik ışığı birbirine yakın yerleştirilmiş iki dar yarıktan geçirdi. Geçenışığı duvara yansıttı.
Bu deneyimin sonucu ne oldu? Işık, Newton'un inandığı gibi parçacıklar (yuvarlaklar) olsaydı, o zaman duvardaki görüntü, yarıkların her birinden gelen net iki parlak banda karşılık gelirdi. Ancak Jung tamamen farklı bir tablo gözlemledi. Duvarda bir dizi koyu ve açık şerit belirdi ve her iki yarığın dışında bile hafif çizgiler belirdi. Açıklanan ışık düzeninin şematik bir gösterimi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Bu resim bir şey söyledi: ışık bir dalgadır.
Kırınım fenomeni
Young'ın deneylerindeki ışık modeli, ışığın girişim ve kırınımı fenomeniyle bağlantılıdır. Her iki fenomeni birbirinden ayırmak zordur, çünkü bir dizi deneyde bunların birleşik etkisi gözlemlenebilir.
Işığın kırınımı, yolu üzerinde boyutları dalga boyuna yakın veya ondan daha küçük olan bir engelle karşılaştığında dalga cephesinin değişmesinden oluşur. Bu tanımdan, kırınımın yalnızca ışık için değil, ses dalgaları veya deniz yüzeyindeki dalgalar gibi diğer dalgalar için de karakteristik olduğu açıktır.
Bu olgunun neden doğada gözlemlenemediği de açık (ışığın dalga boyu birkaç yüz nanometredir, dolayısıyla herhangi bir makroskopik nesne net gölgeler oluşturur).
Huygens-Fresnel ilkesi
Işık kırınımı olgusu, adı geçen ilke ile açıklanmaktadır. Özü aşağıdaki gibidir: yayılan doğrusal bir düzdalga cephesi ikincil dalgaların uyarılmasına yol açar. Bu dalgalar küreseldir, ancak ortam homojen ise, birbiri üzerine bindirilirler, orijinal düz cepheye yol açarlar.
Herhangi bir engel ortaya çıkar çıkmaz (örneğin, Jung'un deneyindeki iki boşluk), ikincil dalgaların kaynağı haline gelir. Bu kaynakların sayısı sınırlı olduğundan ve engelin geometrik özellikleri tarafından belirlendiğinden (iki ince yarık olması durumunda sadece iki ikincil kaynak vardır), ortaya çıkan dalga artık orijinal düz cepheyi üretmeyecektir. İkincisi geometrisini değiştirecek (örneğin, küresel bir şekil alacaktır), ayrıca ışık yoğunluğunun maksimum ve minimumları farklı bölümlerinde görünecektir.
Huygens-Fresnel ilkesi, ışığın girişim ve kırınımı fenomenlerinin birbirinden ayrılamaz olduğunu gösterir.
Kırınım gözlemlemek için hangi koşullar gereklidir?
Bunlardan biri yukarıda zaten belirtilmişti: küçük (dalga boyu düzeyinde) engellerin varlığıdır. Engel nispeten büyük geometrik boyutlara sahipse, kırınım deseni yalnızca kenarlarının yakınında gözlemlenecektir.
Işığın kırınımı için ikinci önemli koşul, farklı kaynaklardan gelen dalgaların tutarlılığıdır. Bu, sabit bir faz farkına sahip olmaları gerektiği anlamına gelir. Sadece bu durumda parazit nedeniyle sabit bir resim gözlemlemek mümkün olacaktır.
Kaynakların tutarlılığı basit bir şekilde sağlanır, herhangi bir ışık cephesini bir kaynaktan bir veya daha fazla engelden geçirmek yeterlidir. Bunlardan ikincil kaynaklarengeller zaten tutarlı hareket edecek.
Işığın girişimini ve kırınımını gözlemlemek için, birincil kaynağın monokromatik olması hiç de gerekli değildir. Bu, bir kırınım ızgarası düşünüldüğünde aşağıda tartışılacaktır.
Fresnel ve Fraunhofer kırınımı
Basit bir ifadeyle, Fresnel kırınımı, yarığın yakınında bulunan bir ekrandaki desenin incelenmesidir. Fraunhofer kırınımı ise yarığın genişliğinden çok daha büyük bir mesafede elde edilen bir deseni dikkate alır, ayrıca yarık üzerindeki dalga cephesinin düz olduğunu varsayar.
Bu iki tür kırınım, içlerindeki desenler farklı olduğu için ayırt edilir. Bu, incelenen olgunun karmaşıklığından kaynaklanmaktadır. Gerçek şu ki, kırınım probleminin kesin çözümünü elde etmek için Maxwell'in elektromanyetik dalgalar teorisini kullanmak gerekir. Daha önce bahsedilen Huygens-Fresnel ilkesi, pratik olarak kullanılabilir sonuçlar elde etmek için iyi bir yaklaşımdır.
Aşağıdaki şekil, ekran yarıktan uzaklaştırıldığında kırınım desenindeki görüntünün nasıl değiştiğini gösterir.
Şekilde, kırmızı ok ekranın yarığa yaklaşma yönünü gösterir, yani üstteki şekil Fraunhofer kırınımına, alttaki şekil Fresnel'e karşılık gelir. Gördüğünüz gibi, ekran yarığa yaklaştıkça resim daha karmaşık hale geliyor.
Makalenin ilerleyen bölümlerinde sadece Fraunhofer kırınımını ele alacağız.
İnce bir yarıkla kırınım (formüller)
Yukarıda belirtildiği gibi,kırınım deseni, engelin geometrisine bağlıdır. λ dalga boyuna sahip monokromatik ışıkla aydınlatılan a genişliğinde ince bir yarık durumunda, eşitliğe karşılık gelen açılar için minimumların (gölgeler) konumları gözlemlenebilir
sin(θ)=m × λ/a, burada m=±1, 2, 3…
Buradaki teta açısı, yuvanın merkezini ve ekranı birbirine bağlayan dikeyden ölçülür. Bu formül sayesinde ekrandaki dalgaların tam sönümlenmesinin hangi açılarda gerçekleşeceğini hesaplamak mümkündür. Ayrıca, kırınım sırasını, yani m sayısını hesaplamak mümkündür.
Fraunhofer kırınımı hakkında konuştuğumuz için, o zaman L>>a, burada L, yarıktan ekrana olan mesafedir. Son eşitsizlik, bir açının sinüsünü, y koordinatının L mesafesine basit bir oranıyla değiştirmenize olanak tanır; bu, aşağıdaki formüle yol açar:
ym=m×λ×L/a.
Burada ym ekrandaki minimum m mertebesinin konum koordinatıdır.
Yarık kırınımı (analiz)
Önceki paragrafta verilen formüller, dalga boyu λ veya yarık genişliği a'daki bir değişiklikle kırınım desenindeki değişiklikleri analiz etmemizi sağlar. Böylece, a değerindeki bir artış, birinci dereceden minimum y1 koordinatında bir azalmaya yol açacaktır, yani ışık dar bir merkezi maksimumda yoğunlaşacaktır. Yarık genişliğindeki bir azalma, merkezi maksimumun gerilmesine yol açacaktır, yani bulanık hale gelecektir. Bu durum aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Dalga boyunu değiştirmek tam tersi bir etkiye sahiptir. λ'nın büyük değerleriresmin bulanıklaşmasına neden olur. Bu, uzun dalgaların kısa dalgalardan daha iyi kırındığı anlamına gelir. İkincisi, optik aletlerin çözünürlüğünü belirlemede temel öneme sahiptir.
Optik aletlerin kırınım ve çözünürlüğü
Işığın kırınımının gözlemlenmesi, teleskop, mikroskop ve hatta insan gözü gibi herhangi bir optik aletin çözünürlüğünün sınırlayıcısıdır. Bu cihazlar söz konusu olduğunda, kırınım bir yarıkla değil, yuvarlak bir delikle dikkate alınır. Yine de, daha önce yapılan tüm sonuçlar doğrudur.
Örneğin, gezegenimizden çok uzakta bulunan iki parlak yıldızı ele alacağız. Işığın gözümüze girdiği deliğe göz bebeği denir. Retinadaki iki yıldızdan, her biri merkezi bir maksimuma sahip olan iki kırınım deseni oluşur. Yıldızlardan gelen ışık, göz bebeğine belirli bir kritik açıyla düşerse, her iki maksimum bir birleşecektir. Bu durumda kişi tek bir yıldız görecektir.
Çözüm kriteri Lord J. W. Rayleigh tarafından belirlendi, dolayısıyla şu anda onun soyadını taşıyor. Karşılık gelen matematiksel formül şöyle görünür:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Burada D, yuvarlak bir deliğin (mercek, göz bebeği, vb.) çapıdır.
Böylece, lens çapı artırılarak veya uzunluk az altılarak çözünürlük artırılabilir (θc az altılabilir)dalgalar. İlk varyant, θc'yi insan gözüne kıyasla birkaç kat az altmayı mümkün kılan teleskoplarda uygulanmaktadır. İkinci seçenek, yani λ'yı az altmak, benzer ışık aletlerinden 100.000 kat daha iyi çözünürlüğe sahip elektron mikroskoplarında uygulama bulur.
Kırınım ızgarası
Birbirinden d uzaklıkta bulunan ince yuvalardan oluşan bir koleksiyondur. Dalga cephesi düzse ve bu ızgaraya paralel düşüyorsa, o zaman maksimumun ekrandaki konumu
ifadesi ile tanımlanır.
sin(θ)=m×λ/d, burada m=0, ±1, 2, 3…
Formül, sıfır dereceli maksimumun merkezde gerçekleştiğini, geri kalanların bazı açılarda yer aldığını gösteriyor θ.
Formül, θ'nin λ dalga boyuna bağımlılığını içerdiğinden, bu, kırınım ızgarasının ışığı bir prizma gibi renklere ayrıştırabileceği anlamına gelir. Bu gerçek, çeşitli parlak nesnelerin spektrumlarını analiz etmek için spektroskopide kullanılır.
Belki de ışık kırınımının en ünlü örneği, bir DVD'deki renk gölgelerinin gözlemlenmesidir. Üzerindeki oluklar, ışığı yansıtarak onu bir dizi renge ayrıştıran bir kırınım ızgarasıdır.
