Işık (Fizik): Nedir ve Nasıl Çalışır?

Elektromanyetik radyasyonun (ışık) parçacık-dalga ikiliğini anlamak, ışığın doğasının yanı sıra kuantum teorisini ve diğer fenomenleri anlamak için esastır. Geçen yüzyıldaki en büyük bilimsel gelişmelerden biri, çok küçük nesnelerin gündelik nesnelerle aynı kurallara uymadığının keşfedilmesiydi.

Basit bir ifadeyle, elektromanyetik dalgalar basitçe ışık olarak bilinir, ancak ışık terimi bazen görünür ışığı belirtmek için kullanılır. (gözle algılanabilen) ve diğer zamanlar daha genel olarak tüm elektromanyetik formları ifade etmek için kullanılır. radyasyon.

Elektromanyetik dalgaları tam olarak anlamak için alan kavramını ve elektrik ile manyetizma arasındaki ilişkiyi anlamak önemlidir. Bu, bir sonraki bölümde daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır, ancak özünde elektromanyetik dalgalar (ışık dalgaları) bir manyetik alana dik (dik açılarda) bir düzlemde salınan bir elektrik alan dalgasından oluşur dalga.

Elektromanyetik radyasyon bir dalga gibi davranıyorsa, herhangi bir belirli elektromanyetik dalganın kendisiyle ilişkili bir frekansı ve dalga boyu olacaktır. Frekans, 1 Hz = 1/s olmak üzere hertz (Hz) cinsinden ölçülen, saniyedeki salınım sayısıdır. Dalga boyu, dalga tepeleri arasındaki mesafedir. Frekans ve dalga boyunun çarpımı, boşluktaki ışık için yaklaşık 3×10 olan dalga hızını verir.

Çoğu dalganın aksine (örneğin ses dalgaları gibi), elektromanyetik dalgalar, içinden geçebileceği bir ortama ihtiyaç duymazlar. yayılırlar ve bu nedenle ışık hızında yaptıkları boş uzay boşluğunu geçebilirler - evrendeki en yüksek hız. Evren!

Bir alan, bir nesnenin o noktaya yerleştirildiğinde hissedeceği bir kuvvetin göreceli büyüklüğünü ve yönünü gösteren, uzaydaki her noktada bir tane olmak üzere, görünmez bir vektör dizisi olarak düşünülebilir. Örneğin, dünyanın yüzeyine yakın bir yerçekimi alanı, uzayın her noktasında doğrudan dünyanın merkezine doğru bakan bir vektörden oluşacaktır. Aynı yükseklikte, tüm bu vektörler aynı büyüklüğe sahip olacaktır.

Belirli bir noktaya bir kütle yerleştirilecek olsaydı, hissettiği yerçekimi kuvveti, kütlesine ve oradaki alanın değerine bağlı olacaktır. Elektrik alanları ve manyetik alanlar, bir nesnenin kütlesi yerine sırasıyla yüküne ve manyetik momentine bağlı kuvvetler uyguladıkları dışında aynı şekilde çalışırlar.

Elektrik alanı, tıpkı yerçekimi alanının doğrudan kütleden kaynaklanması gibi, doğrudan yüklerin varlığından kaynaklanır. Bununla birlikte, manyetizmanın kaynağı, hareketli yükten (veya eşdeğer olarak, değişen elektrik alanlarından) kaynaklanmaktadır.

1860'larda fizikçi James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi tamamen tanımlayan bir dizi dört denklem geliştirdi. Bu denklemler temel olarak elektrik alanlarının yüklerle nasıl oluşturulduğunu, temel manyetik monopollerin nasıl bulunmadığını, nasıl değişen manyetik alanlar bir elektrik alanı oluşturabilir ve mevcut veya değişen elektrik alanları nasıl manyetik oluşturabilir? alanlar.

Bu denklemlerin türetilmesinden kısa bir süre sonra, kendi kendine yayılan bir elektromanyetik dalgayı tanımlayan bir çözüm bulundu. Bu dalganın ışık hızında hareket edeceği tahmin edildi ve gerçekten de ışık olduğu ortaya çıktı!

Elektromanyetik dalgalar, belirli bir dalganın dalga boyu ve frekansının çarpımı eşit olduğu sürece, birçok farklı dalga boyunda ve frekansta gelebilir.c, Işık hızı. Elektromanyetik radyasyon biçimleri şunları içerir (daha uzun dalga boylarından/düşük enerjiden daha kısa dalga boylarına/yüksek enerjiye):

• Radyo dalgaları (0,187 m - 600 m)
• Mikrodalgalar (1 mm - 187 mm)
• Kızılötesi dalgalar (750 nm - 1 mm)
• Görünür ışık (400 nm - 750 nm; bu dalga boyları insan gözüyle algılanabilir ve genellikle görünür bir spektruma bölünür)
• Ultraviyole ışık (10 nm - 400 nm)
• röntgen (10^-12 m - 10 nm)
• Gama ışınları (<10^-12 m)

Fotonlar, nicelenmiş ışık parçacıklarının veya elektromanyetik radyasyonun adıdır. Albert Einstein, 20. yüzyılın başlarındaki bir makalesinde ışık kuantumu (fotonlar) kavramını tanıttı.

Fotonlar kütlesizdir ve sayı korunumu yasalarına uymazlar (yani yaratılıp yok edilebilirler). Bununla birlikte, enerji tasarrufuna uyarlar.

Aslında fotonlar, kuvvet taşıyıcıları olan bir parçacık sınıfında kabul edilir. Foton, elektromanyetik kuvvetin aracısıdır ve bir yerden diğerine aktarılabilen bir enerji paketi görevi görür.

Dalgalar ve parçacıklar temelde farklı iki yapı gibi göründüğünden, elektromanyetik dalgalardan aniden parçacıklar olarak bahsetmenin oldukça garip olduğunu düşünüyorsunuzdur. Gerçekten de, çok küçüğün fiziğini bu kadar tuhaf yapan şey tam da bu tür şeylerdir. Sonraki birkaç bölümde nicemleme ve parçacık-dalga ikiliği kavramları daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır.

Elektromanyetik dalgalar, elektrik ve manyetik alanlardaki salınımlardan kaynaklanır. Bir yük bir tel boyunca ileri geri hareket ederse, değişen bir elektrik alanı yaratır, bu da değişen bir manyetik alan yaratır ve bu da daha sonra kendi kendine yayılır.

Elektron bulutları şeklinde hareketli yük içeren atomlar ve moleküller, elektromanyetik radyasyonla ilginç şekillerde etkileşime girebilir. Bir atomda, elektronların yalnızca çok özel nicelenmiş enerji durumlarında var olmalarına izin verilir.

Bir elektron daha düşük bir enerji durumunda olmak isterse, enerjiyi taşımak için ayrı bir elektromanyetik radyasyon paketi yayarak bunu yapabilir. Tersine, başka bir enerji durumuna atlamak için, aynı elektronun çok özel bir ayrık enerji paketini de emmesi gerekir.

Bir elektromanyetik dalga ile ilişkili enerji, dalganın frekansına bağlıdır. Bu nedenle, atomlar, ilişkili nicelenmiş enerji seviyeleri ile tutarlı olarak yalnızca çok spesifik elektromanyetik radyasyon frekanslarını emebilir ve yayabilir. Bu enerji paketleri denirfotonlar​.

​nicelemesürekli bir spektrumda ayrık değerlerle sınırlı olan bir şeyi ifade eder. Atomlar tek bir fotonu emdiklerinde veya yaydıklarında, bunu sadece kuantum mekaniği tarafından tanımlanan çok özel nicelenmiş enerji değerlerinde yaparlar. Bu "tek foton" gerçekten ayrı bir dalga "paket" olarak düşünülebilir.

Bir miktar enerji yalnızca bir temel birimin katları halinde yayılabilir (Planck sabitih). Enerjiyi ilişkilendiren denklemEbir fotonun frekansına göre:

Neredeν(Yunanca nu harfi) fotonun frekansı ve Planck sabitidir.h​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

İnsanların kelimeleri kullandığını duyacaksınızfotonveElektromanyetik radyasyonfarklı şeyler gibi görünse de birbirinin yerine geçebilir. Fotonlardan bahsederken, insanlar tipik olarak bu fenomenin parçacık özelliklerinden bahsediyorlar. elektromanyetik dalgalar veya radyasyon hakkında konuşurken, dalga benzeri özellikleri.

Fotonlar veya elektromanyetik radyasyon, parçacık-dalga ikiliği denilen şeyi sergiler. Belirli durumlarda ve belirli deneylerde fotonlar parçacık benzeri davranış sergilerler. Bunun bir örneği, bir yüzeye çarpan bir ışık demetinin elektronların serbest kalmasına neden olduğu fotoelektrik etkidir. Bu etkinin özellikleri, ancak ışığın, yayılmak için elektronların emmesi gereken ayrı paketler olarak ele alınması durumunda anlaşılabilir.

Diğer durumlarda ve deneylerde daha çok dalga gibi davranırlar. Bunun en iyi örneği, tek veya çoklu yarık deneylerinde gözlemlenen girişim desenleridir. Bu deneylerde, ışık, birden fazla aynı fazdaymış gibi davranan dar, yakın aralıklı yarıklardan geçer. ışık kaynakları ve sonuç olarak, bir ortamda göreceğiniz şeyle tutarlı bir girişim deseni üretir. dalga.

Daha da tuhafı, bu ikiliği sergileyen tek şey fotonlar değildir. Aslında tüm temel parçacıklar, hatta elektronlar ve protonlar bile bu şekilde davranıyor gibi görünüyor. Parçacık ne kadar büyük olursa, dalga boyu o kadar kısa olur ve bu ikilik o kadar az görünür. Bu yüzden günlük hayatta böyle bir şey fark etmiyorsunuz.