Işık nedir? Parçacık ve dalga teorileri

Işık günlük hayatımızda hayati bir rol oynar ve 21. yüzyıl dünyamızın ihtiyaçlarını karşılamada önemli bir araç haline gelmiştir. Işık tabanlı teknolojiler, sağlığı ve güvenliği korur, sürdürülebilir enerji sağlar, uzay araştırmalarına olanak tanır, kırsal alanlarda aydınlatma seçeneklerini geliştirir, internet üzerinden iletişime olanak tanır, insanlığa faydalı olmak ve dünyayı korumak için sınırsız olanaklar barındırır.

Peki hayatımızı bu kadar şekillendiren ışığın tam olarak ne olduğunu biliyor muyuz? Işığın tanımını dalga teorisi ve parçacık teorisi kavramlarına da değinerek açıklamaya çalışalım.

Işık nedir?

Işık, dünyamızı aydınlatan ve görünür kılan, madde tarafından üretilen bir enerji türüdür. Aynı zamanda ışık, doğrusal dalgalar halinde yayılan, 380 nm ile 760 nm dalga boyları arasında gözle görülebilir olan, fotonlardan oluşan elektromanyetik dalgadır. Gözle görülemeyen dalga boylarındaki fotonlar da ışık olarak nitelendirilir.

Işığın bir parçacık mı yoksa bir dalga mı olduğu konusu seneler boyunca tartışılmıştır. Newton ışığın bir parçacık olduğunu söylerken, Hyugens ışığın bir dalga olduğunu ileri sürmüştür. Daha sonra Fresnel, Young ve Maxwell gibi bilim adamları ışığın elektromanyetik bir dalga olduğunu savunmuştur.

Günümüzde ışık hem bir parçacık, hem de bir dalga olarak kabul görür. Işık, dalga benzeri bir desende seyahat eden fotonlardan oluşur.

Dalga teorisi

Christiaan Huygens 1690 yılında ışığın dalgalardan oluştuğunu öne sürdü ve Thomas Young bunu 1807’de yaptığı bir deneyle kanıtladı.

Young’ın çift yarık deneyi aslında çok bilinen bir deneydir. Işık kaynağından çıkan monokromatik ışık tek bir yarıktan geçer ve yoluna devam ederek bu sefer 2 yarıklı plakadan geçer. Bu 2 yarıktan geçerken ışık dalgası 2 yeni ışık dalgasına ayrılır ve yoluna devam eder. Bu iki dalga daha sonra birbirine karışır ve tepe noktalarının, çukur noktalarla buluştuğu yerlerde bu dalgalar birbirlerini iptal ederler. Tepelerin tepelerle buluştuğu yerlerde de birbirlerini güçlendirerek yollarına devam eder. Bu en güçlü olunan kısım ışığın en parlak olduğu kısımdır. Bu dalgalar son olarak ekrana çarparlar. Şekilde de görüldüğü gibi bazı yerler aydınlık bazı yerler karanlıktır. Bu aydınlık olan yerlerde dalgalar birbirini güçlendirmiş, iki tepe noktası buluşmuştur. Karanlık yerlerde ise birbirlerini iptal edip ekrana karanlık olarak yansımıştır.

Işık tayfı (elektromanyetik spektrum)

Işık belirli tipteki elektromanyetik dalgalardan oluşur. Bunu kanıtlayan Maxwell’dir. Elektromanyetik dalgalar şekilde de görülebileceği gibi farklı isimlerde belirtilirler. Yaklaşık 400 ila 800 nm aralığında dalga boylu ışık “görünür ışık” olarak adlandırılır. Örnek vermek gerekirse 470 nm dalga boyu mavi ışık, 540 nm dalga boyu yeşil ışık, 650 nm dalga boyu kırmızı ışıktır. Bu ışıkları görebilme yeteneğimiz olduğu için buna görülebilir ışık denmiştir.

Parçacık teorisi

Işığın parçacık olduğu yönündeki teoriyi ortaya atan ilk bilim adamı Issac Newton’dur. Bu teorisi Albert Einstein’a kadar çok iyi anlaşılamamıştır. Issac Newton ışığın yansıması ve kırılması gibi özelliklerin ancak ışığın parçacıklardan oluştuğu durumlarda açıklanabileceğini iddia etmiştir.

Işığa çarptığında elektronların bir metal yüzeyden yayıldığı bir olay olan fotoelektrik etkinin temel konseptini göstermektedir. Yüzeye çarparak yayılan elektronlar “fotoelektronlar” olarak adlandırılır. Kısa dalga boyundaki ışık yüzeye çarptığında elektronlar yayılır. Yüzeye çarpan ışığın dalga boyu azalırsa, yayılan elektron sayısı değişmez, ancak elektronların enerjisi artar. Yüzeye çarpan ışık yoğunlaşırsa, yayılan elektron sayısı artar, ancak elektronların enerjisi aynı kalır. Bu teori, ışık bir dalga olarak düşünülerek açıklanamaz, ancak bir parçacık olarak düşünülerek açıklanabilir.

İlerleyen yıllarda Albert Einstein bu teorilere bir yenisini ekledi. Işığın metal bir yüzeye çarpması durumunda elektronların metal yüzeyden uçtuğunu gözlemledi. Eğer ışık sadece bir dalga olsaydı bu çok sıradışı bir durum olurdu. Einstein daha sonra ışığın dalga benzeri bir şekilde ilerleyen küçük enerjilerden yada fotonlardan oluştuğunu ileri sürdü. Bu teoriye göre ışık hem bir parçacık hem de bir dalgadır. Son yıllardaki yapılan çalışmalarla ışığın hem bir parçacık hem de bir dalga olduğu saptandı ve Albert Einstein’ın teorisinin doğru olduğu anlaşıldı. 2015 yılında İsviçre’de çalışan araştırmacılar ışığın hem dalga hem de parçacık olduğu halin bir fotoğrafını çekmeyi başardılar.

Işık hızı

Boşluktaki ışığın hızı önemli ölçüde doğru bir şekilde ölçülebilen bir sabittir. Işık boşlukta saniyede 299.792.458 metre mesafe kat eder. (2.99792458 x 10 8 m / s) Bu radyo dalgaları, gama ışınları, kızılötesi ışınlar dahil tüm elektromanyetik alanların boşlukta yayılma hızıdır. Işık hızı birçok hesaplamada sabit olarak kullanılır ve “c” sembolü ile gösterilir.

Ayrıca Albert Einstein’ın görelilik kuramında şu 3 madde geçer.

• Bir vakumdaki ışığın hızı 299.792.458 metre / saniyedir.
• Hiçbir şey boşluktaki ışığın hızından daha hızlı hareket edemez.
• Boşluktaki ışığın hızı sabittir . Bu, ışığın hızının farklı hızlarda seyahat eden gözlemciler için tam olarak aynı değere sahip olduğu anlamına gelir.