ELEKTROMANYETİK TAYF
ELEKTROMANYETİK TAYF
Dalga boylan
Işınlar
< 0,001 mm 0,01 nm ila 0,5 nm 10 nm ila 400 nm 0,4 (im ila 0,8 jım 0,8 jxm ila 100 jxm
gama
X
görünür kızılaltı radyoelektrik dalgalar kısa dalgalar orta dalgalar uzun daJgalar
> 1 mm 10 m 100 m 1 km
Yaygın olarak kullanılan elektromanyetik dalgalann tayfı, atom çekirdeği boyutundaki (10“15 m) dalga boylarından, kıta ölçeğindekilere kadar uzanır. Bu iki uç nokta arasında, fizikçilerin çeşitli dalga boylarına farklı adlar vermelerine rağmen bir süreklilik vardır.
VLA (verylarge array) radyoteleskopu. New Mexico’da bulunan bu radyoteleskopta her biri 210 ton ağırlığında 27 oynar anten bulunmaktadır.
s-?
İT’
ELEKTROMANYETİK DALGALAR
1864’te fizik tarihinin en önemli basamaklarından birini oluşturan bir bildirisinde James Clerk Maxwell, ışığı bir «elektromanyetik dalga» olarak tanımladı. Işığın doğası üzerine çok uzun zamandan beri devam etmekte olan soruşturmalara bir son veren bu açıklama, elektrik ve manyetik olgular arasında bir bağ olduğunun Oersted tarafından 1820’de ortaya konmasından sonra, bu olguların birleştirilmesinde kesin bir adım oluşturdu.
1850’lerden beri ışığın enine bir dalga olduğu ve onu kutuplandırmanın olanaklı olduğu biliniyordu; ayrıca farklı renklere tekabül eden dalga boylarıyla ışığın boşluktaki hızı (300 000 km/sn) biliniyordu.
Ama bir dalga boşluğu nasıl geçebilirdi? Boşlukta yayılan dalgayı ne «rahatsız» edebilirdi?
Elektromanyetizmanın temeli
1820?de Hans Christian Oersted, bir elektrik akımının pusulayı saptırdığını fark etti. Aynı yıl Andre Marie Ampere, akımların
yarattığı alanlar hakkında tam bir inceleme gerçei^–1831’deyse Michael Faraday, elektrik ile manyetiklik ara: / ilişkinin «karşılıklığını» ortaya koydu: manyetik akıdak_ “ ğişme, bir elektrik akımının oluşmasına neden oluyordu v= ‘ ğişim sürdükçe akım da sürüyordu. 1864?te, elektrik =. manyetik alanın birbiriyle ilişkili olduğunu ortaya koyar-; -manyetikliğiyse Maxwell geliştirdi. Bu alanlardan her bir gerindeki uzaysal ve zamansal değişimlerine bağlıydı.
Maxwell’in en önemli başarısı elektromanyetik dalgals’ ■ lığını kanıtlamasıydi; bu dalgalar, birbirlerine dik konuna elektrik alanıyla bir manyetik alandan oluşuyordu. Yay„r nüne dik bir düzlemde yer alan bu dalgaların genliği zaır.ı* ğımlı sinüzoidal fonksiyondu, açısal frekanslarıysa aynıye çeyrek periyoda dengelemişti. Maxwell denklemlerine gr:: tromanyetik dalgalann boşlukta yayılma hızı 300 000 kamalıydı. Maxwell bundan sonra ışık dalgalarının da elekr yetik dalgalar olduğunu öne sürdü, böylece bunların boşlat, me yetenekleri ve hızları da açıklanmış oldu.
YERYÜZÜNÜN İÇİNDEN GELEN DALGALAR
Taşküre (litosfer) katmanlarının düzensiz hareketleri sonucunda rel derinlikte sert sarsıntılar meydana gelir ve bunlar yeryüzünde birçr* rara sebep olur; bunun sonucunda her yöne sismik dalgalar yay~x dalgalar periyodik olmasalar da belirli bir noktada bazı salınımlar vs Gezegenin bir ucundan diğerine yayılan bu dalgalar sayesinde ‘yt renin derinliklerindeki katmanlar incelenebilir. Bu inceleme, apremden elde edilen sismik dalgaların, sismograf adı verilen ve dur.v her yanına dağılmış aygıdar sayesinde elde edilen sismogram dene: yıtlann karşılaştırılmasıyla yapılır.
Doğası, hızı ve farklı davranışlarına bağlı olarak dört tip sismik : tanımlanmıştır. Bunlardan ikisi enine kutuplanmış dalgalara tek eder; bunlar yerkürenin yüzeye yakın katmanlarından öteye Diğer ikisi çok derindeki katmanları geçebilir. Bunlardan boyun* dalgalara P, enine olanlanna da S dalgaları denir. P dalgaları, S dalg^ dan daha önce sismograflara ulaşır.
Bu dalgaların yayılma hızları farklıdır; bu dalgaların sismogrars ma süreleri arasındaki fark, deprem merkezinin sismografa uzaklı^: rir. Diğer yandan bu dalgaların hızı uzaklıkla orantılı olarak artar: r farklı derinliklerdeki maddelerin mekanik özelliklerini açığa vura:.
P dalgalarının aksine S dalgalan sıvılardan geçmez; böylece a.:: toyu çekirdekteki sıvıdan ayıran 2 900 km’lik derinliğin değen r muş olur. S ve P dalgaları arasında ilkece basit olan bu fark, pratikte sorunlar doğurur; çünkü yoğunlukları farklı olan iki ortamın sınır. geçen bir P dalgası, bir yansımış P ve bir de kınlmış P dalgası venr. aynı zamanda bu iki ortam katı olduğundan iki de S dalgası üretir, bu dalgalar hızlarının çoğaldığı katmanlara daldıkça sürekli olarak sırlar ve kırılırlar. Bir sismogramı okuyabilmek için deneyimli olms rekir ve diğer yandan depremin analizini yapabilmek için de çok * sismogramın okunması zorunludur.
288
c
tromanyetik dalgalann ve özel olarak ışığın yayılma hızı son büyüktür. Işığın ilk bakışta paradoksal görünen özellikleri Mesela ışık, birbirine göre hareketleri ne olursa olsun herki gözlemci için aynı hızda yol alır. Ayrıca Dünya’nın her-)ir noktasırda akşam olurken Güneş’e yaklaşmakta (yklş. 0,3 ’lik bir hızla), sabah olurken de aynı hızla uzaklaşmaktadır, ler iki durumda da alınan ışınların hızı kesinlikle aynıdır, eli denklemlerinin (Galilei gözlem çerçevelerinin hız hesap-uyumsuz olan) bu sonucu, XIX. yy’ın sonunda fizikçiler la büyük bir karışıklığa neden oldu, ta ki Albert Einstein : görelilik kuramı sayesinde bu çelişkiyi giderinceye dek. dalgalarıyla ilgili olgularda, Doppler etkisi, sese ilişkin klasik amalarla belirlenemez; çünkü tüm hızların ölçüleceği ortak ışvuru ortamı» yoktur. Bu defa yer değiştirenin ışık kaynağı ksa gözlemci mi olduğunu sormanın bir anlamı yoktur. Gö-kuramına dayanan hesaplamalar deneylerle son derece u sonuçlar verir; bu olguya Doppler-Fizeau etkisi denir. Ses-ı Doppler etkisinde olduğu gibi, bir ışık kaynağı ve bir göz-göreli hareket halindeyseler, ışığın dalga boyunda da bir de-şozlenir. Mesela, polisin yollarda yaptığı hız tespitinde bu il-yararlanılır. Diğer yandan, uzak galaksilerden gelen ışıklar-:enli bir biçimde kırmızıya kayma olduğunu tespit eden Ed-ubble, evrenin genişleme halinde olduğu sonucuna ulaştı.
ima ışınlarının büyük dalgalan
dalgaları, çok geniş bir elektromanyetik dalgalar yelpaze-sadece çok küçük bir bölümünü oluşturur. Görünür ışığın :ok dar bir dalga boyu şeriti üzerinde yer alır: 0,4 jım dalga ıa sahip mor renkle 0,8 pm dalga boyuna sahip kırmızı renk da. Bu tayfın her iki ucunda yer alan morötesi ve kızılaltı ar da elektromanyetik dalgalardır.
:ak Maxwell bu sonuçlarla yetinmedi; aynı doğaya sahip, ırklı dalga boylarındaki dalgaİarm varlığını öngördü. Yirmi yıl Heinrich Hertz ve Guglielmo Marconi, bu öngörüyü çok par-: biçimde doğrulayacaklardı; bu iki bilim adamı dalga boyla-metre ölçeğinde olan radyo dalgalarını hem üretmiş, hem de nışlardır. 1901’den itibaren bu dalgalar sayesinde Adantik’in j arasında doğrudan bağlantı kurma olanağı doğmuştur, m tarihlerde X ışınları da ilgi odağı oldu; bu ışınlar, verilen ;izemine karşın, diğerlerinden hiç de farklı olmayan elektro-etik dalgalardandır. Bu ışınların dalga boyu morötesi ışınlar-aha kısadır (X ışınlarından daha kısa dalgalara gama ışınlan ı. Aslında, büyük radyo dalgalarından (dalga boyu yklş. km), gama ışınlarına dek (dalga boyu yaklaşık olarak met-trilyonda biri) elektromanyetik dalgalar ailesinin doğası de-■z. Bu dalgaların farklı adlarla anılmaları alıcılar arasında ol-kadar (mesela görünür ışık, insan gözünün algılayabileceği ıslara karşılık gelir), dalga kaynakları arasındaki farklardan ri gelir. Akkor haline gelmiş bir cisim tarafından yayılan kı-ışınlar arasındaki ayrımla, elektrik osilatörlerden yayılan netrik radar dalgaları arasındaki ayrım bir süreden beri son e açık bir hale gelmiştir. Bugün kullanılan radarlar 100 pm’-üçük dalga boylarına duyarlıdır; bu, «uzak kızılaltı» sınırla-çerir. Birbirlerine çok yakın frekanslara sahip iki lazer deme-îinda bir aralık gerçekleştirerek, milimetrik dalgaların üretil-başarılmıştır.
İRİŞİM
*ın bir dalga olduğunun belirlenmesinde girişim olayının çok ili bir rolü olmuştur. Bir girişim ağı oluşturarak ışığın dalga dav-na sahip olduğu ortaya konabilir. Bu yöntem Young tarafın-.şığın dalga yapısını kanıtlamak için başanyla uygulanmıştır.
:>ung delikleri
lomas Young’un 18007de, ışık girişimlerine ilişkin ilk deneyin-ıllandığı düzeneği betimlemek son derece kolaydır, düzenek, birbirine paralel iki levhadan oluşur; bunlardan bilinin üzerinde bir, İkincisinin üzerindeyse iki delik vardır. îlk aydınlatılır; bu, diğer iki deliği aydınlatmak için bir kaynak n görür. Young beyaz (çokrenkli) ışıkla çalışıyordu, ama biz ımı basitleştirmek amacıyla ışığın tekrenkli olduğunu varsa-ı; bu ışık iyice belirlenmiş bir dalga boyuna sahiptir, ikinci lev-ı iki deliğinden birini örttüğümüzde, diğerinin arka taraftaki un üzerine, merkezde az çok düzgün bir ışık lekesi oluşturdu-görürüz. Bu gözlemin, her iki delik açıkken yapıldığını düşü-ı; burada beklenti, öncekinden iki kat daha parlak ve düzgün ke görüleceği yönündedir. Oysa görülebilen bir şey yoktur or-
KUTUPLANMA
Dik bir anten tarafından yayıhn radyo dalgaları kutuplanır, çünkü dalgaların elektrik alanını vektörü antenle aynı yöndedir. Alıcı anten de aynı yöndeyse, yayının alınması en üst düzeyde olur.
Buna karşılık çok büyük sayıda parçacığın yayımı sonucunda ortaya çıkan ışık kutuplanmış değildir; onun elektrik alan vektörünün doğrultusu rasgeledir. Bununla birlikte ışığı da kutuplandırmak olanaklıdır; bunu yapmak için örnek olarak ışık bir polaroit yapraktan geçirilebilir. Polaroit yaprak, elektrik alanının yalnızca malzemeye bağlı eksenine paralel olan bileşenini geçirir. Daha sonra bir başka kutuplayıcı yaprak yerleştirildiğinde, eğer her iki yaprağın eksenleri birbirine dik ise ışığın şiddeti ortadan kaybolur; paralel ise az da olsa eski gücünü kaybeder.
tada; ekran üzerinde görülen yalnızca birbirlerine eşuzaklıklı ve ar- Yayılım ve girişim. Stroboskopik bir dışık olarak parlak ve karanlık saçakların varlığıdır. Bu saçakların ışık altında görülen eşzamanlı dairesel doğrultusu, levhanın iki deliğini birleştiren çizgiye diktir. dalgalann yayılım ve girişimi.
Ekranın siyah olduğu bir noktada, her iki delikten gelen ışık birbirlerini «yok» etmektedir; yani geriye hiç ışık kalmamaktadır.
Eğer Newton’un düşündüğü gibi ışık bir parçacık hareketi olsaydı, bu olay hiçbir zaman açıklanamazdı. Aynı şekilde, eğer bu ışık parçacıklarını tek tek gönderme olanağı olsaydı, bir girişim ağının görülebilme olanağı olacaktı, bu da ışık parçacıklarının her iki delikten de aynı zamanda geçtiğini kanıdar. Işığın bir dalga olduğu düşünüldüğündeyse bu olaylar kolaylıkla açıklanabilir.
■
YOUNG DENEYİ
IBİİPfeİiliil
Bir dalga, düzenli bir hareketle uyarılmışsa çevreye yayılır. Dalganın, iki deliğin bulunduğu engelden geçtikten sonra yeniden başlangıçtaki dairesel biçimine döndüğünü görüyoruz. Bu durum için madde aktanmı söz konusu değildir, dalga yalnızca enerji taşır.
İKİ DALGANIN GİRİŞİMİ
T periyodu ve aynı A dalga boyuna sahip iki sinüzoidal dalganın birbirine komşu iki Aj ve A2 kaynağından yayıldığını varsayalım. Her iki kaynaktan dı ve d2 uzaklığında bulunan bir M noktasında üretilen salınım ne olur?
Salınım üreteçlerini ifade eden denklem A^ ve A2’de özdeştir ve aşağıdaki gibi yazılır:
y0 = asin 2jt~;
Aı’den çıkan dalgalann M noktasında meydana getirdiği salımmlann denklemi: ,
• « , 1 du yı = a sın 2jt
A2’den çıkanlannkinin ise:
y2 = asin2ıt(—-±-)
olarak yazılır.
Üst üste bindirme ilkesi, bize bu iki fonksiyonu toplama olanağı verir; dolayısıyla aym genliğe ve aynı periyoda sahip iki sinüzoidal fonksiyonun toplamını almış oluruz. Sinüzoidal dalgaların fazlarının farkı
_ d’) — d\ ,.
—x—
Eğer, ^2—. bir tamsayı ise, iki salınım eşfazlıdır; iki salınım üst üste A
biner ve genliği iki katına çıkmış bir salınım oluşturur.
Buna karşılık eğer ■ buçuklu (0,5 katsayılı) bir sayıya eşitse, iki
A
salınım karşıt fazlarda olur ve bunların toplanması hep birbirini yok eder.
Young delikleri sistemi için, basit bir geometrik akıl yürütmeyle ekranda yansıyacak saçaklar sistemini bulmanın olanağı vardır. Saçakların girişimi, iki komşu parlak saçak arasındaki uzaklık (veya iki komşu karanlık saçak arasındaki uzaklık) aşağıdaki formüle verilmiştir:
– 4
bu formülde d, iki delik arasındaki açıklık, D ise ekran üzerine yansıyan iki deliğin açıklığıdır (D açıklığı, d’den çok büyüktür).
Bilindiği gibi girişim yapan tek dalga, ışık dalgası değildir. Su dolu bir kabın yüzeyinde, iki ayn noktayı titreştirerek elde edilen dalgalar veya aynı sinüzoidal osiiatörie uyarılan iki hoparlörden çıkan ses dalgalan da girişim yapar.
Bağdaşım ve bağdaşmazlık
Young’un girişim düzeneğindeki birinci levha ne işe yır tadır? Bu levha her durumda vazgeçilmezdir, çünkü bu -sa ve üzerinde iki delik bulunan ikinci levha doğrudan ; ■ aydmlatılırsa, saçak elde edilemez, tümü gözden kaybc..:
Bu olgunun yorumlanması, ikinci levhanın iki deliğic;;’ dalgalar arasında sabit bir faz farkı olmasına dayanır. Bu sı -iki kaynağın bağdaşık olduğu anlamına gelir.
Bunun böyle olmadığını düşünelim: eğer ikinci kayna; . nm periyoduk bir fark söz konusu ise, karanlık saçaklar £ aydınlık saçaklar ise karanlık olacaktır. Eğer bu durum 5^ birçok defa yinelenirse, saçaklar tümüyle gözden kaybet
Aslında lamba veya güneş ışığı son derece yaygın ışık -• larıdır ve bunlar her noktasından birbirlerine göre rastge-; kı olan dalgalar yayar. İkinci levhanın iki deliğinden ışık -• j mn ışınlarının üst üste binmesi sonucunda gelen dalgalara, şım göstermesi için hiçbir sebep yoktu: dolayısıyla sa;î* yoktur. Saçak elde etmek için aynı ışık demetini ikiye ay~ rekir, ayrıca her ışık da her an aynı atomlar tarafından u:; dir. Böylelikle Young düzeneğindeki çok küçük çaplı b:r_” ğin noktasal bir kaynak gibi davranması sağlanmış olur r naktan çıkan ve ikinci levhanın deliklerinden yayılan da.j: niden bağdaşık olurlar. Klasik çokrenkli lambaların tüm girişim sistemlerinde birinci deliğin bir eşdeğeri varc._:
tnce katmanlarda girişim
Saydam ve ince bir katmanın, mesela bir sabun kari: yüzeyine düşen bir ışık ışını her iki yüzde de yansıma yat tikte birbirine karışan iki yansıma ışının, katmanın k£_ bağlı bir ilerleme farkı, bir faz farkı vardır. Bu katmanın la dalga boyu arasındaki orana bağlı olarak, gelen ayr_ ikiye ayrılmasından doğan bu iki dalga, ışıklar birbirlenr.; dikleri zaman «güçlendirici» girişimler, birbirlerini orta; dırdıklarında da «giderici» girişimler verir. Dolayısıyla, r; kalınlık ve gözlem açısı için bazı dalga boyları parlak yazıi-parken, diğerleri sönük kalır. Güneş ışığının aydınla ttığıss baraklarının renksemesi bu olayla açıklanmaktadır.
Bu olayın teknik optikte birçok uygulaması vardır; bî~ çeklerin üzerine yerleştirilen yansımayı önleyici tabaka.;
BAĞDAŞIM VE LAZER
Atomlar lazer ışığını kendiliklerinden üretmezler. Atomlar, var olan bir ışığın uyarısını alarak titreşirler ve ışıkla aynı fazda yayınım yaparlar. Ancak lazer demeti yalnızca tek renkli ve son derece paralel değil, aynı zamanda eş fazdadır, yani bağdaşıktır.
Bir girişim saçakları sistemi elde etmek için, ışının izlediği yol üzerine iki paralel yarık yerleştirmek yeterlidir (bir ışını ikiye ayırmaya artık
gerek yoktur, çünkü tüm ışınlar aynı fazdadır). Işın demeti, ser. dar bir dalga boyu kuşağında çok yoğun şiddete sahip olduğuna-çaklar açık seçik ve aydınlıktır.
Lazer demetinin bu bağdaşımı veya eş fazlılığı hologramın ger: tirilmesinde olduğu kadar, görüntünün yeniden oluşturulmasında lografinin temelini oluşturur.
Mauna Kea CFM (Canada-Fransa-Hawaij teleskopu, yüksekliği
4 000 m ‘yi aşan bir bölgede yer alır. Teleskopun çapı 3,60 m’dir.
kuşaktaki dalga boylarım diğerlerinden ayıran «girişim fil-örnek olarak verilebilir.
3INIM
îg’un düzeneği «ışık ışınlarına» ilişkin bir zorluğu da orta-nr: eğer ilk delikten, daha sonraki iki delik için bir ışık kayarak yararlanılıyorsa, bunun nedeni burada diğerlerinden inanın bir ışın değil, ama delikten geçtikten sonra ıraksa-r ışın demeti olmasındandır. Delik ne kadar küçük olursa sama da o denli önemlidir. Kırınım olayı, dalga davramşı-uleyici özelliklerinden birinin dışavurumudur.
yarıktan elde edilen kırınım
sap suyun yüzeyinde birbirine paralel doğrusal dalgalanan oluşan bir dalga gerçekleştirilebilir. Kabın içine, arala-relirli bir mesafe olan enlemesine iki engel yerleştirildiğin-5£İin ötesine geçmiş dalganın biçiminin büyük ölçüde, en-sirbirinden ayıran aralığın genişliğine bağlı olduğunu göz-rj aralık ne kadar darsa, onu geçen dalgacıklar da o ölçüde : ve çıkan dalga o ölçüde ıraksanır; bu, küçük bir delikten r.ce bir yarıktan çıkan ışın demetinin davranışına benzer. :ası ne olursa olsun, dalga boyu belirlenmiş ve sabit geniş-jr yarığa dik gelen bir dalga düşünelim. Yarığa dik olan bir “de neyin algılanacağının değerlendirmesi yapılacaktır; bu-_n, yarığa dik olan eksenle değişken bir açı yapacak bir doğ-
3 ve oldukça uzağa yerleştirilmiş bir alıcı kullanılır. Kayna-r noktasındaki salınmaların aynı fazda olduklarını varsaya-znk düzlemindeki eksene yerleştirilmiş bir nokta için, alıcı -.dan alman tüm salmımlar aynı fazdadır ve bunun sonucunun dalganın genliği maksimumdur. Eğer bu başlangıç konuşa açısal olarak ve sürekli bir biçimde bir kayma yapılırsa, _erin toplamı giderek gücünü yitirir; çünkü birbirine ekle-i jıımlar artık aynı yolda ilerlemektedir, bu da büyüyen bir :_c oluşturur. Kayma sonucu ulaşılan açı belirli bir değere ge-ranğın her iki kenarından çıkan iki uç ışın arasındaki ilerle-:kı bir periyodun yarısına eşit olur; iki dalga karşıt fazlarda randaysa alıcıya hiçbir şey ulaşmaz.
ı için de aynı şey söz konusudur; normal eksene göre belirli ..vüa yeterli uzaklığa yerleştirilmiş bir ekranda, yarığa paralel —da siyah bir saçak görülür. Bu konumun ötesindeyse birin-iaha solgun ikinci bir saçak elde edilir. Lekenin açısal geniş-r. yarık ne kadar inceyse o kadar büyük olduğu gözlenir.
-di yeniden Young’un girişim olayı için kullandığı düzene-.rlim; bu düzeneği bugün kullanıldığı biçimiyle, yani delik ; yankların kullanıldığı biçimiyle ele alalım. Eğer 5 pm gerideki her yarık dalga boyunun yaklaşık on katıysa, kırınım r-T-in buna karşılık gelen açısal genişliği 12°’dir, bu da 1 m ; yerleştirilmiş bir ekran üzerinde 20 cm genişliğinde bir le-
ke verir. Birbirinden 0,5 mm uzaklıktaki bu tür iki yarıkla elde edilen girişim saçakları birbirinden 1 mm uzaklıkla lekeler verir; kırınım lekesi birçok girişim saçağını barındıracak ölçüde geniştir.
DEĞİRMİ BİR DELİKLE OLUŞAN KIRINIM
Değirmi, yani çemberse! bir deliklik, elde edilen kırınımın hesaplanması bir yarıktan elde edilene göre daha zor olmakla birlikte, dairesel kırınımın çok önemli pratik yararları vardır; çünkü mercek ve ayna kenarlarının çoğunlukla çember biçiminde olduğu optik araçlarda bu kırınım olayı çok önemli bir rol oynar.
Mesela bir teleskopun objektifini oluşturan parabol biçimindeki aynayı göz önüne alalım. Optik eksen üzerinde gözlenen bir yıldız, teleskopa paralel ışınlar gönderir; dolayısıyla kırınım olmadığı zaman aynanın odak noktasında noktasal bir görüntü elde edilir. Ama, ayna tarafından saptanan ve dairesel açıklıkla elde edilen kırınım, bu görüntünün bir nokta değil, yarık biçimine sahip bir kınmın lekesi olduğunu ortaya koyar.
Merkezdeki lekenin açısal çapı 20’dır ve dalgaboyu A ve çap d cinsinden aşağıdaki formülle ifade edilir;
sin0 = 1.22 “7 d
Mesela, açıklığı 2 m olan bir teleskopun merkezî lekesinin açısal değeri yaklaşık 6 • 10“7 radyandır. Eğer odak noktasının değeri 10 m ise, odak noktasındaki kırınım lekesinin çapı 6 mm’dir. Yirmi defa büyütülmüş bir klişede 0,1 mm çapmdan büyük bir leke ideal noktanın yerini alır.
Samanyolu’nun radyo dalgalan aracılığıyla elde edilen görüntüsü. Radyoastronomi, klasik teleskoplarla görülemeyen birçok gökcisminin bulunmasına olanak sağlamıştır.
Dalga boyu ve ölçümlerdeki hassaslık
Aralığın biçimi ne olursa olsun, kırınım lekesinin geniş-1 i yalin dalga boyuyla orantılıdır. Bu olgu yalnızca ışığa özgü rs dir, çünkü tüm dalgalarda kırınım oluşabilir. Ses dalgalan c~-ni kullanarak bu olayı açıklayalım. Bir çiftlik avlusu düş-ri-tek açık yeri çıkış kapısı olsun. Avlunun dışında duran bir gr zjî ci, avludan yayılan sesleri duyar; tiz sesler gözlemciye kalr .1 lere göre daha zayıf ulaşır. Eğer gözlemci kapının tam karş_=-durmuyorsa, hemen hemen hiçbir tiz ses duymaz. Gerçektir tiz sesler kapıdan geçerken çok az kırınıma uğrar, çünkü ct_h dalga boyu kapının genişliğine göre çok küçüktür. Buna kirz kapının genişliğiyle karşılaştırılabilecek büyüklükte bir dalp ‘ yuna sahip kalın sesler büyük ölçüde kırınıma uğrar ve onurlunun dış çevresinde çeşitli yerlerde duyabilmek olanaklıc::
Denizaltındaki sondajlarda sesötesinin kullanılma sebe’r_ : dur. Gerçekten de denizaltındaki sondajlarda olabildiğince bir yankı elde edilmeye çalışılır. Ancak deniz dibinin engefc;_ pısı oradan yansıyan dalga demetini de kırınıma uğratır; b’_ dalga boyu engebelerin boyutuna yakın olduğu oranda faz.;-
En büyük boyutunun 10 dalga boyuna eşit olduğu bir eng£-: şünelim ve bu engelin, bir sondajcının uygun görebileceği er.; demeti verdiğini kabul edelim. Suyun içinde, 600 Hz frekar^; hip bir sesin dalga boyu 2.50 m’ dir; bu frekansı kullanan fc:r dajcı en az 25 m boyundaki ayrıntıları ayırt edebilecektir. Bur-elli defa daha büyük bir sesötesi frekansla (30 000 Hz), dalga : yu 5 cm olur ve 50 cm’i pek geçmeyen cisimleri ayırt etme* : nakli hale gelir.
Optik araçlar da aynı türden değerlendirmelere olanak : Rayleigh ölçütü birbirine yakın iki noktayı şu koşulla ayırt;: bileceğimizi belirtir: bu noktaların açısal uzaklığı, kırının: ı sinin yarıçapından büyükse. Bu kırınım lekesinin boyutu c. •. boyuyla orantılı olduğu için, burada bir kuramsal eşik cr^ çıkar; buna optik aracın «çözme sınırı» veya «ayırma gücu • : nir, gözlemlenen dalga boyuyla optik aracın çapma baî-
Kırınım ağı
Young’un iki yarıklı girişim düzeneklerinden farklı olarak, çok ince, birbirine paralel, eş uzaklıklı ve çok sayıda yarıktan oluşan düzeneklere genelde «kırınım ağı» denir. Bu düzenekle elde edilen kın-nım saçaklarının uzaklıklan Young’un düzeneğinde elde edilenlerle aynı olsa da, parlak saçaklar karanlık olanlara göre çok daha dardır ve toplam yank sayısı çoğaldıkça bu parlak saçaklar da o ölçüde daralır. Bir ayna veya bir film üzerinde gerçekleştirilen çizgi düzenli bir kınnım ağı, 1 000’den fazla yank taşıyabilir. Böylece belirli bir dalga boyundaki ışığın son derece dar ve birbirinden yeterince uzak tepe noktalarında çok ince bir yoğunluk elde edilmiş olur. Kırınım ağı beyaz ışıkla aydınlatıldığında, tüm dalga boylan için en büyüğüne karşılık gelen merkezî saçak beyazdır. Ancak tüm dalga boylan için ikinci saçak aynı yerde oluşmaz; böylece, bir prizmanın oluşturduğu tayfa göre çok daha geniş bir tayf elde edilir. Giderek spektrog-raflarda tayfçeker daha çok kullanılmaya başlanan bu kınnım ağları, kompakt disklerin çalar yüzündeki renksemeye ve birçok kınkanatlının kanatlanndaki metalik yansımaya neden olur.
ayırma gücünü, X dalga boyuna
optik aygıtın çapını verir.) Bir optik mikroskopta, en küçük s ~ tının boyunu yarım dalga boyuyla algılayabilecek ölçüde d-_.= _ bilmeyi sağlayan düzenler geliştirilebilir. Göz için görülefc_’ küçük dalgaboyu 0,4 pm ile mor ışıktır; demek ki bir optik rr. roskopta 0,2 pm’den küçük ayrıntıları ayırt etmek olanakîi (bu ölçü yine de 1 000’den çok parçacık demektir).
DALGA-PARÇACIK İKİLİĞİ
1900’de Max Pianck kara cisim ışınımını çözümlemek içir: -enerjisinin «kesikli olarak» (yani süreksiz olarak), kuvanta tiz. enerji paketleri halinde yayıldığını ve soğrulduğunu kabul etme * : runda kalmıştı. Işığın bu parçacık modeli 1905’te Einstein’a trik etkiyi açıklama olanağı verdi; Einstein ışığı «foton» denen parçacıkları olarak düşünmüştü. Bu enerji, elektromanyetik dsizu frekansıyla Pianck evrensel sabitinin (6,63910^4 Jsn) çarpımına rf:
Dolayısıyla, ışığın hem parçacık özelliği, hem de dalga Ö2=_ (çünkü girişim olayına neden olur) vardı.
( 0 = 0,61 — burada l d
X ışınlan, Elektromanyetik dalgalardır; yukanda X ışınlanyla röntgen cihazında çekilmiş bir göğüs görülmektedir.
ELEKTRONİK MİKROSKOP
Işıkla elde edilenden daha büyük bir çözünürlük elde etmek için daha kısa dalgalar kullanmak gerekir. Ancak X ışınları gerekli odaklamayı sağlayamaz: X mercekleri yoktur. Oysa elektron de-mederine eşlenen dalgalar X ışınlarıyla aynı dalga boyuna sahiptir. Elektron, elektrik yüküne sahip bir parçacık olduğundan, elektrostatik veya manyetik «mercekler» kullanarak elektron demetlerini odaklamak oldukça kolaydır.
1932’de kullanılmaya başlayan ilk elektronik mikroskop ancak 400 defa büyütüyordu, ama on yıl sonra kullanıma girenler artık 5 000 defa büyütebiliyorlardı ve 10 Â boyutundaki ayrıntıları ortaya çıkarabiliyorlardı (en yetkin optik mikropkoslar 2 000 defa büyütür).
‘,4’te Louis de Broglie parçacık olarak nitelendirilen bir fizik-snenin, mesela bir elektronun, parçacık yapısına eşlenmiş bir >ı olduğunu öne sürdü; böylece fiziksel nesnelerin de dalga nışları olduğu ortaya atılmış oluyordu. Bu varsayım, üç yıl Lester Davisson ve Halbert Germer adlı fizikçiler tarafından deştirilen bir deneyle doğrulandı; bu deneyde bir elektron tinin kırınım yaptığı ortaya kondu. Eğer kırınım olayı yara-a, kuşkusuz bu demet bir dalgadır. Ama aynı zamanda elek-b’ılinen bir küdesi ve elektrik yükü olan bir parçacıktır.
:lirsizlik ve dalga paketleri
ektronik ışığın» kullanıldığı ilk mikroskop 1932’de, kuvan-nekaniğinin kuramsal gelişiminin giderek sağlamlaştığı bir Tide ortaya çıktı. Kuvantum mekaniğinde, tam bir bölün-değilse bile, ikiye ayrılmaya tanık olunacaktır: de Broglie ıstein gibi kimi fizikçiler, dalga-parçacık ikiliğine ilişkin fi-
1 anlayışın daha derinleştirilmesine çalışırken, başka fizik-mesela Ervvin Schrödinger, çok soyut bir olasılıkçı yaklaşı-le çıkarıyorlardı, ikinci yaklaşımın kısa sürede kazandığı k başarı, ilk yaklaşımın bilimsel araştırma çevrelerince tari-ınutulmuşluğuna gönderilmesini geciktirmedi. Böylelikle nıtum mekaniği, dalgalar hakkında çok uzun zamandan be-olan klasik özelliklere benzeyen belirsizlik bağıntıları kullan-oluna gitti. Mesela belirsizlik ilkesi, bir parçacığın aynı anım konumu hem de hız bakımından tam olarak belirlenmesi-lanaksız olduğunu ortaya koyar. Herhangi bir parçacık için
i değişkenin belirsizliğinin çarpımı, belirli bir sınırın altında az. Oysa klasik fizik uzun zamandan beri «dalga paketleri» ımına dayanmıştı; bu «paketler», frekansları belli bir kuşak e yer alan ve belirli bir noktada tümünün aynı fazda olduğu ıların üst üste bindirilmesiyle elde edilir. Ayrıca, bu dalgala-rbirlerine göre faz farkları vardır, Bu da sonuçta, toplam üst binmede, sözü edilen noktada bir tek lokal tepe noktası veli tepe noktasının, frekans kuşağının genişliği ölçüsünde dar Şu gösterilebilir.
‘m şekilde kırınım da bir belirsizlik olarak yorumlanabilir, ü kırınım yarıklarının genişliği daraltılmadan, çıkan ışınların leşmesi daha iyi duruma getirilemez, dolayısıyla çıkan ışık îti daha fazla ıraksanamaz.
riksel olarak madde ve ışık tek bir bütünlüğe sahiptir. Ay-rçekliğin iki ayrı modelini temsil eden dalga-parçacık iki-duyusal sezgimizden kurtulmanın ne denli zor olduğunu îrir. □
İLETİŞİM: RADYO MU, IŞIK MI?
Telekomünikasyon alanında bir mesaj, bir dizi sinyale veya «dalga paketine» tekabül eder. Bu pakeder nedenli kısaysa, bir saniyede o denli çok bilgi gönderilir. Oysa dar bir paket, geniş bir frekans «dilimi» gerektirir. Dolayısıyla iletilen bilgi niceliği, kullanılan yayın kuşağındaki dilimlerin sayısıyla sınırlıdır.
Çok kısa dalga radyo yayınlarına göre yaklaşık bir milyon defa daha büyük olan ışık dalgalarının frekansı, kuramsal olarak ışığın radyo dalgalarından daha fazla bilgi iletmesine olanak verir. 1995’te iki uydu arasında doğrudan optik ilişki kurulması deneyi gerçekleştirilecek, böylece bir tek ışın demetiyle 80 000 televizyon kanalının iletimi sağlanmış olacaktır.
Hava fotoğrafı. Kızılötesi ışınlara duyarlı bir filmle Kenya’da çekilmiş olan bu hava fotoğrafı, resmin sağ tarafında, yoğun bitki örtüsü canlılığının göstergesi olarak çok kırmızı bir orman görüntüsü veriyor. Resmin sol tarafıysa düzenli bir biçimde karelere aynlmış çay ekim alanını göstermektedir (yalnızyeşil görünen kısım yeni çıkan çay bitkisini gösteriyor). Bu yorumlama biçimi, aynı ekili alandaki farklı olgunlaşma derecelerini değerlendirmeye ve ürün toplama zamanını tam belirlemeye olanak verir.
AYRICA BAKINIZ
—► mm fizik
—► MS] ışık
—*► IPnslI ışıldama
—► f£ÂSsD madde ve ışıma
—► IbM optik
—*• iB-ANsU salınım
—► MI spektroskop!