Işık nedir? Dalga, tanecik ve ışın modelleri

Işık görmemizi sağlar. Tamamen karanlık bir odada olsaydınız, hiçbir şeyi göremezdiniz. Işığın ne olduğu üzerinde bilim insanları uzun süredir düşünüyor. Tarihsel olarak ışık nedir sorusuna çeşitli açıklamalar üretilmiş. Bu açıklamalara ışık modelleri veya ışık teorileri diyoruz. İlginç bir şekilde bu modelleri fiziğin farklı alanlarında kullanıyoruz. Geometrik optik konularında ışığın ışın modelini, ışığın girişimi ve kırınımı konularında dalga modelini, fotoelektrik ve Compton olaylarını incelerken tanecik modelini kullanıyoruz. Şimdi sırayla bu modelleri inceleyelim.

Işığın ışın modeli

Işığın ışın modeli, ışığın nasıl yayıldığını göstermenin sezgisel bir yoludur. Işıkla ilgili deneyler bize ışığın düz çizgiler halinde ilerlediğini gösterir. Bir kaynaktan yayılan ışık düz bir yol izleyerek gözlerimize ulaşır. Işığın yayılma yönünü temsil etmek için çizdiğimiz düz çizgilere ışık ışını diyoruz. Ancak bu aslında bir idealleştirme, ışığın doğasıyla ilgili yayılma doğrultusundan fazla birşey söylemiyor. Işık ışınları sadece ışığın izlediği yolu gösterir. Yine de ışığın yansımasını ve kırılmasını incelerken; aynalarla, merceklerle ve prizmalarla uğraşırken ışın modeli çok işimize yarıyor.

Yukarıdaki resimde bir lazerden çıkan yeşil ışığın izlediği yol görülüyor. Işığın düz bir çizgi boyunca ilerlediğine dikkat edin. Işığın yolunu çizdiğimizde ışın modelini kullanmış oluyoruz. Işık ışınları şematik bir gösterimdir, enerjinin taşındığı yönü gösterir.

Newton’a göre ışığın tanecik modeli

Sir Isaac Newton, ışıkla ilgili önemli çalışmalar yapmıştır, bu çalışmalar 1672 yılında başlamıştır. Newton’a göre ışık küçük taneciklerden oluşur, ışık kaynakları etraflarına bu tanecikleri yayar. Ayrıca Newton’a göre ışık tanecikleri renklidir. Beyaz ışık cam prizmadan geçirildiğinde farklı renklerdeki ışık tanecikleri farklı açılarda kırılır, böylece beyaz ışık renklerine ayrışır. Prizmadan geçirilerek elde edilen renkli ışık, tekrar başka bir prizmadan geçirilirse aynı renkte kalır. Newton’a göre renk, ışığın özelliğidir; cisimlerin değil. Newton’un öne sürdüğü ışığın tanecik modeli ışığın yansımasını ve kırılmasını açıklayabiliyordu. Ama ışığın kırınımını ve girişimini açıklayamıyordu.

Huygens’e göre ışığın dalga modeli

1678 yılında Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens ışığın ilk dalga teorisini öne sürdü. Işığın dalga modeliyle, yansıma ve kırılmanın yanında ışığın kırınımını da açıklayabiliyordu. Böylece Newton’un ışığın parçacık teorisini çürüttüğünü iddia etti, çünkü Newton’un kuramı kırınım olayını açıklayamıyordu. Huygens’e göre ışık dar bir aralıktan geçmek zorunda kaldığında, tıpkı su dalgalarında olduğu gibi, dalga cepheleri girişim yapıyor, böylece bir girişim deseni oluşuyordu. 1801’de İngiliz bilim insanı Thomas Young ünlü çift yarık deneyiyle ışığın girişim yaptığını gösterdi ve ışığın dalga modelinin güçlü bir şekilde kabullenilmesini sağladı. Fakat sorular bitmedi. Işık dalgaydı ama neyin dalgasıydı ve hangi ortamda yayılıyordu?

Işığın elektromanyetik dalga modeli

1873 yılında James Clerk Maxwell elektromanyetik olayların tümünü açıklayan Maxwell Kanunlarını ortaya attı. Bu kanunlar dört denklemden oluşuyordu. Bu dört denklemin çözümü, sabit hızla hareket eden yeni bir dalga türü olması gerektiğini söylüyordu. Maxwell’e bu yeni dalga türüne elektromanyetik dalgalar adını verdi. Elektrik alan ve manyetik alan titreşerek uzayda bir noktadan başka bir noktaya enerji taşıyordu. Maxwell’in öngörüsü tamamen teorikti, hesaplamalarına dayanıyordu. 1887 yılında Alman fizikçi Heinrich Hertz, laboratuvarında elektromanyetik dalgaları algılamayı başardı. Bunun ardından ışığın elektromanyetik dalgaların bir türü olduğu ortaya çıktı.

Işık elektromanyetik dalga ise, frekansı ve dalgaboyu vardır. Gerçekten de dalgaboyu 400 nm ile 700 nm aralığında olan elektromanyetik dalgalara ışık diyoruz. Elektromanyetik dalga olarak ışığın rengini de dalgaboyu belirler. Örneğin, 620 nm kırmızı ışıktır, 500 nm yeşil ışıktır. Elektromanyetik dalga modeline göre ışığın, enerjisi ve momentumu vardır. Önce ışığın esir adı verilen bir ortamda yayıldığı düşünülmüş. Ama Michelson – Morley deneyinin ardından esirin var olmadığı, ışığın yayılmak için bir ortama ihtiyaç duymadığı, yani boşlukta yayıldığı ortaya çıkmış.

Işığın modern parçacık modeli: foton

Einstein 1905 yılında fotoelektrik olayın ışığın dalga modeliyle açıklanamayacağını kanıtladı. Bunun yerine ışığın enerji paketi yani bir parçacık olduğunu öne sürdü. Bu sadece ışığın değil elektromanyetik dalgaların tümünün parçacık olduğu anlamına geliyordu. Elektromanyetik ışınımın parçacıklarına foton deniyor. Işığın atomlarla etkileşimini anlamak için foton modeli kullanılıyor. Fotonlar kütlesi olmayan ama momentumu ve enerjisi olan parçacıklar. Evrende mümkünj olan en yüksek hız olan ışık hızında hareket ediyorlar. Ayrıca standart modele göre elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacıkları.

Peki ışık nedir? Dalga mı parçacık mı? Kuantum mekaniğine göre ışık, dalga – parçacık ikiliği gösteriyor. Yani kısmen dalga kısmen parçacık gibi davranıyor. Fizikçiler ışığın elektromanyetik dalga şeklinde yayılan fotonlar olduğunu söylüyor. Bu, klasik anlamda dalga ve parçacık kavramlarının ışığın davranışını tümüyle karşılayamadığı anlamına geliyor.

Işık modelleri ile ilgili kazanımlar

2017 – 10.4.1.1. Işığın davranış modellerini açıklar.

• Modeller açıklanırken ayrıntılara girilmez.

Kaynaklar

• http://www.thestargarden.co.uk/Newtons-theory-of-light.html