Elektromanyetik Dalgalar

[ukaLa]

İnsanlar ışığın doğasını anlamak için birçok çaba gösterdi, ama bu kolay olmadı. 1864 yılında James Clerk Maxwell ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu farketti. Işığın değişen bir elektrik alanı (E) ve yine değişen ve elektrik alana dik olan bir manyetik alan (B)'den oluştuğu önermesinde bulundu. E ve B'nin oranı her noktada aynı idi. Ama bunlar diğer bildiğimiz su dalgası veya ip üzerindeki bir dalgaya hiç benzemiyorlardı; çünkü ilerleyebilmeleri için bir ortam gerekmiyordu ve Maxwell bu elektromanyetik dalgaların uzay boşluğunda 2.998 x 108 m/s 'lik bir hızla ilerlediklerini gösterebildi. Her dalga gibi bu dalgalar da devamlı dalgalar idi. Yani parça parça değillerdi. Aşağıda bir elektromanyetik dalganın animasyonunu görmektesiniz: (Mavi alan elktrik alanı, yeşil alan ise manyatik alanı simgelemektedir.)

İki dalga tepesi arasında kalan uzaklık dalgaboyu olarak adlandırılır. Saniyedeki titreşim sayısı ise frekans olarak isimlendirilir. Bir dalga için, dalgaboyu ve frekans arasındaki bağıntı: V = l.f şeklinde gösterilir. Burada V: dalganın hızı, l: dalgaboyu ve f ise frekanstır. Elektromanyetik dalgalar söz konusu olduğunda ' V ' ışık hızı anlamına gelen ' c ' harfine eşit olur... Formülümüz ise, şu hale gelir:

Dalgaboyu: metre cinsinden ve frekans ise 1/saniye veya Hz (hertz) cinsindendir. Farzedelimki, bir elektromanyetik dalgamız var ve dalgaboyunun 650 nm olduğunu biliyoruz. (1 nm (nanometre) 10-9 metreye eşittir, yani 650 nm 'in karşılığı 650 x10-9 m 'dir). Bu dalgaboyu elektromanyetik spektrum'un görünür ışık bölgesindeki kırmızı ışıktır. Bu elektromanyetik dalgaların frekansını hesaplayalım.

Bu demek oluyorki; dalga aynı hareketi saniyede 4,615 x1014 kere tekrarlıyor!
Fotonların Enerjisi
1900 yılında Max Planck isimli bir bilim adamı bir sabit sayı keşfetti. Bu sayı ‘Planck Sabiti (h)’ olarak ismlendirildi. Bunun ardından birçok yeni fikirler üretilmeye başlandı. Planck, ışığı enerji paketcikleri olarak tanımladı ve bu paketciklerin her birinin enerjisini şu şekilde tanımladı:

Burada 'f' ışığın frekansı ve 'h' ise Planck sabitidir. Planck sabitinin değerleri aşağıda belirtildiği gibidir. Bunların hepsi birbirinin aynısıdır, aralarındaki tek fark birimlerdir:
h = 6,63 x 10-34 J.s (Joule x Saniye)
= 4,14 x 10-15 eV.s (Elektronvolt x Saniye)
= 1,58 x 10-34 cal.s (Kalori x Saniye)
Örneğin; eğer 1000 nm dalgaboyundaki bir kızıl ötesi fotonunun ne kadar enerji taşıdığını bulmak istiyorsak; yapacağımız tek hamle: f=c/l formülünden yararlanarak frekansı hesaplamak ve sonra da yukarıdaki formülü uygulamaktır:

Fotonların Kanıtı

Arthur Holly Compton (1892-1962), bir foton ve bir de elektron alarak, onlarla bilardo toplarının çarpışmasına benzer bir deney gerçekleştirdi. Bir dizi deneyler yapıyordu. Compton'un kullandığı foton; bir x-ışını fotonu idi. Bu fotonu, bir karbon grafitindeki atomların aralarında neredeyse serbest olarak duran bir elektronun üzerine gönderdi. Elektron başlangıçta hareketsiz olduğu için momentum <2y.htm>u sıfırdı. Varsayalım ki gönderdiğimiz fotonun momentumu 'p'. Yukarıdaki animasyondan da görebildiğiniz üzere, düşey yönde hiçbir hareket yok. Foton elektrona çarptıktan sonra elektron hareket etmeye başlıyor. Bu demektir ki, foton momentumunun bir kısmını elektrona aktardı; çarpışma sonrası fotonun dalgaboyu arttı, yanı foton enerjisinden yitirdi. Artık düşey yönde de bir hareket var ve dikkat ettiyseniz animasyonda elektron bir tarafa, foton ise başka bir tarafa gidiyor. Compton'un deneyi de aynı bu şekilde sunuç veriyordu. Momentum korunuyor ve sonda da, başta olduğu gibi sistemin düşey doğrultuda toplam momentumu yine 0 oluyordu (elektronunki aşağıya, fotonunki yukarıya ve ikisi de eşit miktarda). Şimdi, bu sonuçları aldıktan sonra, kalkıp nasıl foton bir dalgadır deriz acaba?
Girişim ve Kırınım
Işık parçacıklardan oluşmuş gibi dursa da, sadece dalgaların gösterebileceği girişim ve kırınım özellikleri göstermektedir. Girişim ve kırınımı biraz inceleyelim:
Girişim: Aynı doğaya ait olan, iki veya daha çok dalga (burada sözkonusu dalga ışık) aynı noktadan aynı anda geçtiklerinde, anlık dalga yüksekliği, birleşen iki veya daha çok dalganın anlık dalga yüksekliklerinin toplamı olur... Yeni bir dalga üretilmiş olur. Aşağıdaki resimde aynı dalgaboylu dalgaların girişimi sembolize edilmiştir:

Soldaki durum yapıcı girişimi, sağdaki ise yıkıcı girişimi simgelemektedir. Yıkıcı bir girişimde olayda görev alan dalgaların dalga yükseklikleri aynı olduğunda birbirlerini anlık olarak yok eder.
Kırınım: Sol taraftaki resimlerde gösterildiği gibi, bir delikten geçtiğinde ışığın yoluna düz olarak devam edeceğini düşünürüz. Oysa deneysel verilere göre, bu iş malesef böyle değildir. Işık da su dalgalarına benzer bir biçimde kırınıma uğrar (sağdaki şekilde). Kırınım, deliğin büyüklüğü ile orantılıdır. Deliğin büyüklüğü elimizdeki ışığın dalgaboyu ile mukayese edilebilir büyüklükte ise saçınım gerçekleşmektedir. Ama, eğer deliğin büyüklüğü elimizdeki ışığın dalgaboyundan çok büyükse saçınım görülemez. Belki de hesaplanamayacak kadar küçük olur.