Işık -Light

Beyaz ışık demeti yayan üçgen prizma . Daha uzun dalga boyları (kırmızı) ve daha kısa dalga boyları (mavi) ayrılır.

Işık veya görünür ışık , elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanan kısmı içindeki elektromanyetik radyasyondur . Görünür ışık genellikle , kızılötesi (daha uzun dalga boylarına sahip) ve ultraviyole (daha kısa dalga boylarına sahip ) arasında, 750-420 terahertz frekanslarına karşılık gelen 400-700 nanometre (nm) aralığında dalga boylarına sahip olarak tanımlanır.

Fizikte , "ışık" terimi , daha geniş anlamda, görünür olsun veya olmasın, herhangi bir dalga boyundaki elektromanyetik radyasyona atıfta bulunabilir. Bu anlamda gama ışınları , X ışınları , mikrodalgalar ve radyo dalgaları da hafiftir. Işığın birincil özellikleri yoğunluk , yayılma yönü, frekans veya dalga boyu spektrumu ve polarizasyondur . Vakumdaki hızı, saniyede 299 792 458 metre (m/s), doğanın temel sabitlerinden biridir. Tüm elektromanyetik radyasyon türleri gibi, görünür ışık da elektromanyetik alanın kuantumunu temsil eden foton adı verilen kütlesiz temel parçacıklar tarafından yayılır ve hem dalgalar hem de parçacıklar olarak analiz edilebilir . Optik olarak bilinen ışık çalışması, modern fizikte önemli bir araştırma alanıdır .

Dünyadaki ana doğal ışık kaynağı Güneş'tir . Tarihsel olarak, insanlar için bir diğer önemli ışık kaynağı, eski kamp ateşlerinden modern gazyağı lambalarına kadar ateş olmuştur . Elektrik ışıklarının ve güç sistemlerinin gelişmesiyle birlikte , elektrik aydınlatması etkin bir şekilde ateş ışığının yerini almıştır.

Elektromanyetik spektrum ve görünür ışık

Görünür kısmı vurgulanmış elektromanyetik spektrum

Genel olarak, elektromanyetik radyasyon (EMR) dalga boyuna göre radyo dalgaları , mikrodalgalar , kızılötesi , ışık olarak algıladığımız görünür spektrum , ultraviyole , X-ışınları ve gama ışınları olarak sınıflandırılır . " Radyasyon " tanımı , statik elektrik , manyetik ve yakın alanları kapsamaz .

EMR'nin davranışı dalga boyuna bağlıdır. Daha yüksek frekanslar daha kısa dalga boylarına sahiptir ve düşük frekanslar daha uzun dalga boylarına sahiptir. EMR, tek atom ve moleküllerle etkileşime girdiğinde, davranışı, taşıdığı kuantum başına enerji miktarına bağlıdır.

Görünür ışık bölgesindeki EMR, moleküller içinde elektronik uyarıma neden olabilen ve molekülün bağlanmasında veya kimyasında değişikliklere yol açan enerjilerin alt ucunda bulunan kuantalardan ( fotonlar olarak adlandırılır) oluşur. Görünür ışık spektrumunun alt ucunda, EMR insanlar için görünmez hale gelir (kızılötesi) çünkü onun fotonları artık insan retinasındaki görsel molekül retinasında kalıcı bir moleküler değişime (konformasyonda bir değişiklik) neden olmak için yeterli bireysel enerjiye sahip değildir . değişim görme duyusunu tetikler.

Çeşitli kızılötesi türlerine duyarlı, ancak kuantum absorpsiyon yoluyla olmayan hayvanlar vardır. Yılanlarda kızılötesi algılama, küçük hücresel su paketlerinin kızılötesi radyasyonla sıcaklığının yükseltildiği bir tür doğal termal görüntülemeye bağlıdır . Bu aralıktaki EMR, moleküler titreşime ve ısınma etkilerine neden olur, bu hayvanlar bunu böyle algılar.

Görünür ışık aralığının üzerinde, ultraviyole ışık, çoğunlukla 360 nm'nin altındaki kornea tarafından ve 400 nm'nin altındaki iç lens tarafından emildiği için insanlar için görünmez hale gelir . Ayrıca, insan gözünün retinasında bulunan çubuklar ve koniler , çok kısa (360 nm'nin altında) ultraviyole dalga boylarını algılayamaz ve aslında ultraviyole tarafından zarar görür. Mercek gerektirmeyen gözleri olan birçok hayvan (böcekler ve karides gibi), kuantum foton absorpsiyon mekanizmalarıyla, insanların görünür ışığı algıladığı kimyasal yolla hemen hemen aynı şekilde ultraviyoleyi algılayabilir.

Çeşitli kaynaklar, görünür ışığı 420–680 nm kadar dar ve geniş olarak 380–800 nm olarak tanımlar. İdeal laboratuvar koşullarında insanlar en az 1.050 nm'ye kadar kızılötesi görebilirler; çocuklar ve genç yetişkinler, ultraviyole dalga boylarını yaklaşık 310-313 nm'ye kadar algılayabilir.

Bitki büyümesi, fotomorfojenez olarak bilinen bir süreç olan ışığın renk tayfından da etkilenir .

Doğrusal görünür spektrum.svg

Işık hızı

Fondachelli-Fantina , Sicilya'daki Rocca ill'Abissu'nun boşluğunun içindeki güneş ışığı demeti

Işığın boşluktaki hızı tam olarak 299 792 458  m/s (saniyede yaklaşık 186.282 mil) olarak tanımlanır. Işık hızının SI birimi cinsinden sabit değeri, metrenin artık ışık hızı cinsinden tanımlanması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Elektromanyetik radyasyonun tüm biçimleri, boşlukta tam olarak aynı hızda hareket eder.

Tarih boyunca farklı fizikçiler ışığın hızını ölçmeye çalışmışlardır. Galileo , on yedinci yüzyılda ışığın hızını ölçmeye çalıştı. Işığın hızını ölçmek için erken bir deney, Danimarkalı bir fizikçi olan Ole Rømer tarafından 1676'da yapıldı. Rømer, bir teleskop kullanarak Jüpiter'in ve onun uydularından biri olan Io'nun hareketlerini gözlemledi . Io'nun yörüngesinin görünen periyodundaki tutarsızlıklara dikkat çekerek, ışığın Dünya yörüngesinin çapını geçmesinin yaklaşık 22 dakika sürdüğünü hesapladı. Ancak o zaman boyutu bilinmiyordu. Rømer, Dünya'nın yörüngesinin çapını bilseydi, 227 000 000 m/s'lik bir hız hesaplardı.

Işık hızının daha doğru bir ölçümü, 1849'da Hippolyte Fizeau tarafından Avrupa'da yapıldı. Fizeau , birkaç kilometre uzaktaki bir aynaya bir ışık huzmesi yöneltti. Kaynaktan aynaya giden ışık demetinin yoluna dönen bir dişli çark yerleştirildi ve daha sonra kaynağına geri döndü. Fizeau, belirli bir dönüş hızında, kirişin çıkışta tekerlekteki bir boşluktan ve dönüşte bir sonraki boşluktan geçeceğini buldu. Fizeau, aynaya olan uzaklığı, çarktaki diş sayısını ve dönme hızını bilen ışığın hızını 313 000 000 m/s olarak hesaplayabildi.

Léon Foucault , 1862'de 298 000 000 m/s değerini elde etmek için dönen aynalar kullanan bir deney yaptı. Albert A. Michelson , 1877'den 1931'deki ölümüne kadar ışık hızı üzerinde deneyler yaptı. Wilson Dağı'ndan Kaliforniya'daki San Antonio Dağı'na gidiş-dönüş yolculuğunun ışıkla geçen süreyi ölçmek için geliştirilmiş döner aynalar . Kesin ölçümler, 299 796 000 m/s'lik bir hız verdi.

Sıradan madde içeren çeşitli saydam maddelerde ışığın etkin hızı, vakumdakinden daha azdır. Örneğin, ışığın sudaki hızı, boşluktakinin yaklaşık 3/4'ü kadardır.

İki bağımsız fizikçi ekibinin, Rubidyum elementinin bir Bose-Einstein yoğunlaşmasından geçirerek ışığı "tam bir durma" durumuna getirdikleri söylendi , bir ekip Harvard Üniversitesi'nde ve Cambridge, Massachusetts'teki Rowland Bilim Enstitüsü'nde ve diğer ekip Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi , yine Cambridge'de. Bununla birlikte, bu deneylerde ışığın "durdurulmasına" ilişkin popüler açıklama, yalnızca ışığın atomların uyarılmış durumlarında depolanmasına ve daha sonra ikinci bir lazer darbesi tarafından uyarıldığı gibi keyfi olarak daha sonraki bir zamanda yeniden yayılmasına atıfta bulunur. "Durduğu" süre boyunca hafif olmayı bırakmıştı.

Optik

Işığın incelenmesi ve ışık ile maddenin etkileşimi optik olarak adlandırılır . Gökkuşağı ve aurora borealis gibi optik fenomenlerin gözlemlenmesi ve incelenmesi , ışığın doğası hakkında birçok ipucu sunar.

Refraksiyon

Kırılma nedeniyle, suya batırılmış saman bükülmüş ve sığ bir açıdan bakıldığında cetvel ölçeği sıkıştırılmış görünüyor.

Kırılma, bir saydam malzeme ile diğeri arasındaki bir yüzeyden geçerken ışık ışınlarının bükülmesidir. Snell Yasası ile açıklanmaktadır :

θ 1 ışın ile birinci ortamdaki yüzey normali arasındaki açıdır, θ 2 ışın ile ikinci ortamdaki yüzey normali arasındaki açıdır ve n 1 ve n 2 kırılma indisleridir , n = 1 in şeffaf bir maddede bir vakum ve n > 1 .

Bir ışık demeti, bir vakum ile başka bir ortam veya iki farklı ortam arasındaki sınırı geçtiğinde, ışığın dalga boyu değişir, ancak frekans sabit kalır. Işık huzmesi sınıra dik (veya daha doğrusu normal) değilse, dalga boyundaki değişiklik huzmenin yönünde bir değişiklikle sonuçlanır. Bu yön değişikliği kırılma olarak bilinir .

Merceklerin kırılma kalitesi, görüntülerin görünen boyutunu değiştirmek için ışığı manipüle etmek için sıklıkla kullanılır. Büyüteçler , gözlükler , kontakt lensler , mikroskoplar ve kırılma teleskopları bu manipülasyonun örnekleridir.

Işık kaynakları

Birçok ışık kaynağı vardır. Belirli bir sıcaklıktaki bir cisim, kara cisim radyasyonunun karakteristik bir spektrumunu yayar. Basit bir termal kaynak güneş ışığıdır, Güneş'in kromosferi tarafından yaklaşık 6.000 kelvin'de (5.730 santigrat derece; 10.340 derece Fahrenheit) yayılan radyasyon , dalga boyu birimlerinde çizildiğinde elektromanyetik spektrumun görünür bölgesindeki tepe noktaları ve güneş ışığı enerjisinin kabaca %44'üdür. yere ulaşan görünür. Başka bir örnek, enerjilerinin yalnızca %10'unu görünür ışık ve geri kalanını kızılötesi olarak yayan akkor ampullerdir . Tarihte yaygın bir termal ışık kaynağı, alevlerdeki parlayan katı parçacıklardır , ancak bunlar ayrıca radyasyonlarının çoğunu kızılötesinde ve görünür spektrumda yalnızca bir kısmını yayar.

Kara cisim spektrumunun zirvesi, insanlar gibi nispeten soğuk nesneler için yaklaşık 10 mikrometre dalga boyunda derin kızılötesidir. Sıcaklık arttıkça, tepe noktası daha kısa dalga boylarına kayar, tepe noktası spektrumun görünür kısmından çıkıp morötesine doğru hareket ettikçe önce kırmızı bir parıltı, sonra beyaz ve son olarak mavi-beyaz bir renk üretir. Bu renkler, metal "kırmızı sıcak" veya "beyaz sıcak" olarak ısıtıldığında görülebilir. Mavi-beyaz termal emisyon , yıldızlar dışında sıklıkla görülmez (bir gaz alevinde veya bir kaynakçının torçunda yaygın olarak görülen saf mavi renk , aslında, özellikle CH radikalleri tarafından (425 civarında bir dalga boyu bandı yayan) moleküler emisyondan kaynaklanmaktadır. nm ve yıldızlarda veya saf termal radyasyonda görülmez).

Atomlar, karakteristik enerjilerde ışığı yayar ve emer. Bu , her atomun spektrumunda " emisyon çizgileri " üretir. Emisyon , ışık yayan diyotlarda , gaz deşarj lambalarında ( neon lambaları ve neon tabelalar , cıva buharlı lambalar vb. gibi) ve alevlerde (sıcak gazın kendisinden gelen ışık - örneğin bir sıvıdaki sodyum gibi) kendiliğinden olabilir . gaz alevi karakteristik sarı ışık yayar). Emisyon, bir lazer veya bir mikrodalga ustasında olduğu gibi uyarılabilir .

Elektron gibi serbest yüklü bir parçacığın yavaşlaması, görünür radyasyon üretebilir: siklotron radyasyonu , senkrotron radyasyonu ve bremsstrahlung radyasyonu bunun örnekleridir. Bir ortamda ışık hızından daha hızlı hareket eden parçacıklar görünür Cherenkov radyasyonu üretebilir . Bazı kimyasallar kemolüminesans yoluyla görünür radyasyon üretir . Canlılarda bu sürece biyolüminesans denir . Örneğin, ateşböcekleri bu sayede ışık üretirler ve suda hareket eden tekneler, parlayan bir uyanış oluşturan planktonları rahatsız edebilir.

Bazı maddeler, floresan olarak bilinen bir süreç olan daha enerjik radyasyonla aydınlatıldıklarında ışık üretirler . Bazı maddeler, daha enerjik radyasyonla uyarıldıktan sonra yavaş yavaş ışık yayar. Bu fosforesans olarak bilinir . Fosforlu malzemeler, atom altı parçacıklarla bombardıman edilerek de uyarılabilir. Katodolüminesans bir örnektir. Bu mekanizma katot ışın tüplü televizyonlarda ve bilgisayar monitörlerinde kullanılır .

Bazı diğer mekanizmalar ışık üretebilir:

Işık kavramının çok yüksek enerjili fotonları (gama ışınları) içermesi amaçlandığında, ek üretim mekanizmaları şunları içerir:

Ölçüm

Işık, iki ana alternatif birim seti ile ölçülür: radyometri , tüm dalga boylarında ışık gücünün ölçümlerinden oluşurken, fotometri , standart bir insan parlaklık algısı modeline göre dalga boyu ağırlıklı ışığı ölçer. Fotometri, örneğin, insan kullanımına yönelik Aydınlatmayı (aydınlatma) ölçmek için yararlıdır.

Fotometri birimleri, insan gözünün ışığa nasıl tepki verdiğini hesaba kattıkları için çoğu fiziksel birim sisteminden farklıdır. İnsan gözündeki koni hücreleri , görünür spektrum boyunca farklı tepki veren ve yaklaşık 555 nm dalga boyunda kümülatif tepki tepe noktalarına sahip üç tiptedir. Bu nedenle, aynı yoğunlukta (W/m2 ) görünür ışık üreten iki ışık kaynağı eşit derecede parlak görünmeyebilir. Fotometri birimleri bunu hesaba katacak şekilde tasarlanmıştır ve bu nedenle bir ışığın ne kadar "parlak" göründüğünün ham yoğunluktan daha iyi bir temsilidir. Işık etkinliği adı verilen bir nicelikle ham güçle ilgilidirler ve iç ve dış ortamlardaki çeşitli görevler için yeterli aydınlatmanın en iyi nasıl elde edileceğini belirlemek gibi amaçlar için kullanılırlar. Bir fotosel sensörü tarafından ölçülen aydınlatma, insan gözü tarafından algılanana ve pahalı olabilecek filtreler olmadan mutlaka karşılık gelmez, fotoseller ve şarj bağlantılı cihazlar (CCD) bazı kızılötesi , ultraviyole veya her ikisine yanıt verme eğilimindedir .

hafif basınç

Işık, yoluna çıkan nesnelere fiziksel baskı uygular; bu, Maxwell denklemleriyle çıkarsanabilen, ancak ışığın parçacık doğasıyla daha kolay açıklanabilen bir fenomendir: fotonlar çarpar ve momentumlarını aktarır. Işık basıncı, ışık huzmesinin gücünün c'ye , yani ışık hızına bölünmesine eşittir. c'nin  büyüklüğü nedeniyle , hafif basıncın etkisi günlük nesneler için ihmal edilebilir. Örneğin, bir miliwatt'lık bir lazer işaretçi , aydınlatılan nesneye yaklaşık 3,3 pikonevtonluk bir kuvvet uygular ; bu nedenle, lazer işaretçilerle bir ABD kuruşunu kaldırabilir , ancak bunu yapmak için yaklaşık 30 milyar 1 mW lazer işaretçi gerekir. Bununla birlikte, nanoelektromekanik sistemler (NEMS) gibi nanometre ölçekli uygulamalarda , ışık basıncının etkisi daha önemlidir ve NEMS mekanizmalarını çalıştırmak ve entegre devrelerde nanometre ölçekli fiziksel anahtarları çevirmek için hafif basınçtan yararlanmak aktif bir araştırma alanıdır. Daha büyük ölçeklerde, hafif basınç asteroitlerin daha hızlı dönmesine neden olabilir ve bir yel değirmeninin kanatları gibi düzensiz şekilleri üzerinde hareket eder . Uzayda uzay gemilerini hızlandıracak güneş yelkenleri yapma olasılığı da araştırılıyor.   

Crookes radyometresinin hareketi başlangıçta hafif basınca bağlansa da, bu yorum yanlıştır; karakteristik Crookes dönüşü, kısmi bir vakumun sonucudur. Bu , torkun neden olduğu (hafif) hareketin (sürtünmeye karşı tam dönüş için yeterli olmasa da) doğrudan hafif basınçtan kaynaklandığı Nichols radyometresi ile karıştırılmamalıdır . Hafif basıncın bir sonucu olarak Einstein , 1909'da maddenin hareketine karşı koyacak "radyasyon sürtünmesi"nin varlığını öngördü. "Radyasyon plakanın her iki tarafına da basınç uygulayacaktır. Plaka hareketsizken iki tarafa uygulanan basınç kuvvetleri eşittir. Ancak hareket halindeyse yüzeye daha fazla radyasyon yansıyacaktır. hareket sırasında (ön yüzey) arka yüzeye göre öndedir.Ön yüzeye uygulanan basıncın geriye doğru etki eden kuvveti, arkaya etki eden basınç kuvvetinden bu nedenle daha büyüktür.Dolayısıyla, iki kuvvetin bileşkesi olarak, geriye kalan plakanın hareketine karşı koyan ve plakanın hızıyla artan bir kuvvet. Oluşan buna kısaca 'radyasyon sürtünmesi' diyeceğiz."

Genellikle hafif momentum, hareket yönü ile hizalanır. Bununla birlikte, örneğin, kaybolan dalgalarda momentum, yayılma yönüne çaprazdır.

Işıkla ilgili tarihsel teoriler, kronolojik sırayla

Klasik Yunanistan ve Helenizm

MÖ beşinci yüzyılda, Empedokles her şeyin dört elementten oluştuğunu varsaydı ; ateş, hava, toprak ve su. Afrodit'in insan gözünü dört elementten yarattığına ve gözde parlayan ve görmeyi mümkün kılan ateşi yaktığına inanıyordu . Eğer bu doğruysa, kişi gündüz olduğu kadar gece de görebilirdi, bu nedenle Empedokles, gözlerden gelen ışınlar ile güneş gibi bir kaynaktan gelen ışınlar arasında bir etkileşim olduğunu varsaydı.

MÖ 300'de Öklid , ışığın özelliklerini incelediği Optica'yı yazdı . Öklid, ışığın düz çizgilerde hareket ettiğini öne sürdü ve yansıma yasalarını tanımladı ve bunları matematiksel olarak inceledi. Görmenin gözden gelen bir ışının sonucu olduğunu sorguladı, çünkü bir kişinin gözlerini kapatıp gece açtığında yıldızları nasıl hemen gördüğünü soruyor. Gözden gelen ışın sonsuz hızda gidiyorsa bu bir sorun değildir.

MÖ 55'te, daha önceki Yunan atomistlerinin fikirlerini sürdüren bir Romalı olan Lucretius , "Güneşin ışığı ve ısısı; bunlar, itildikleri zaman, tam karşıdan ateş etmekte zaman kaybetmeyen küçük atomlardan oluşur. itme tarafından verilen yöndeki hava boşluğu." ( Evrenin doğası üzerine ). Daha sonraki parçacık teorilerine benzemesine rağmen, Lucretius'un görüşleri genel olarak kabul edilmedi. Ptolemy (c. ikinci yüzyıl), Optik adlı kitabında ışığın kırılması hakkında yazdı .

klasik Hindistan

Antik Hindistan'da , Samkhya ve Vaisheshika'nın Hindu okulları, MS ilk yüzyıllardan itibaren ışıkla ilgili teoriler geliştirdiler. Samkhya okuluna göre ışık, içinden brüt unsurların ortaya çıktığı beş temel "ince" unsurdan ( tanmatra ) biridir. Bu elementlerin atomikliği özel olarak belirtilmemiştir ve görünüşe göre aslında sürekli olarak alınmıştır. Öte yandan, Vaisheshika okulu, atomik olmayan eter , uzay ve zaman zemininde fiziksel dünyanın atom teorisini verir. (Bkz . Hint atomizmi .) Temel atomlar toprak ( prthivi ), su ( pani ), ateş ( agni ) ve hava ( vayu ) atomlarıdır. Işık ışınları, tejas (ateş) atomlarından oluşan yüksek hızlı bir akım olarak alınır . Işık parçacıkları, tejas atomlarının hızına ve dizilişine bağlı olarak farklı özellikler gösterebilir. Vishnu Purana , güneş ışığına "güneşin yedi ışını" olarak atıfta bulunur.

Beşinci yüzyılda Dignāga ve yedinci yüzyılda Dharmakirti gibi Hintli Budistler , anlık ışık veya enerji parlamaları olan atomik varlıklardan oluşan gerçekliğe dair bir felsefe olan bir tür atomizm geliştirdiler. Işığı enerjiye eşdeğer atomik bir varlık olarak gördüler.

Descartes

René Descartes (1596-1650), ışığın ışıklı cismin mekanik bir özelliği olduğunu, İbn al-Haytham ve Witelo'nun "formlarını" ve Bacon , Grosseteste ve Kepler'in "türlerini" reddettiğini savundu . 1637'de ışığın daha yoğun bir ortamda daha az yoğun bir ortama göre daha hızlı hareket ettiğini varsayan, yanlış bir şekilde ışığın kırılması teorisini yayınladı. Descartes bu sonuca ses dalgalarının davranışına benzeterek ulaştı. Descartes, bağıl hızlar konusunda yanılmış olmasına rağmen, ışığın bir dalga gibi davrandığını varsaymakta ve kırılmanın farklı ortamlardaki ışık hızıyla açıklanabileceği sonucuna varmakta haklıydı.

Descartes mekanik analojileri ilk kullanan kişi değildir, ancak ışığın yalnızca ışık saçan cismin ve iletici ortamın mekanik bir özelliği olduğunu açıkça ileri sürdüğü için, Descartes'ın ışık teorisi modern fiziksel optiğin başlangıcı olarak kabul edilir.

parçacık teorisi

Bir atomcu olan Pierre Gassendi (1592-1655), 1660'larda ölümünden sonra yayınlanan bir parçacık teorisi önerdi. Isaac Newton , Gassendi'nin çalışmalarını erken yaşta inceledi ve onun görüşünü Descartes'ın plenum teorisine tercih etti . 1675 tarihli Işık Hipotezi'nde, ışığın bir kaynaktan her yöne yayılan parçacıklardan (madde parçacıkları) oluştuğunu belirtti . Newton'un ışığın dalga doğasına karşı argümanlarından biri, dalgaların engellerin etrafında büküldüğü ve ışığın sadece düz çizgiler halinde hareket ettiği biliniyordu. Bununla birlikte, ışığın kırınımı fenomenini ( Francesco Grimaldi tarafından gözlemlenmişti ) bir ışık parçacığının eterde lokalize bir dalga oluşturabilmesine izin vererek açıkladı .

Newton'un teorisi ışığın yansımasını tahmin etmek için kullanılabilir , ancak kırılmayı ancak ışığın daha yoğun bir ortama girdikten sonra hızlandığını, çünkü yerçekimi kuvveti daha büyük olduğu için yanlış varsayarak açıklayabilirdi. Newton, teorisinin son versiyonunu 1704 tarihli Opticks adlı kitabında yayınladı . Ünü , ışığın parçacık teorisinin 18. yüzyılda hüküm sürmesine yardımcı oldu. Işığın parçacık teorisi, Laplace'ın bir cismin çok büyük olabileceğini ve ışığın ondan kaçamayacağını iddia etmesine yol açtı. Başka bir deyişle, şimdi kara delik olarak adlandırılan şey olacaktı . Laplace, daha sonra, ışığın bir dalga teorisinin ışık modeli olarak sağlam bir şekilde kurulmasından sonra (açıklandığı gibi, ne parçacık ne de dalga teorisi tam olarak doğru değildir) önerisini geri çekti. Newton'un ışıkla ilgili yazısının bir çevirisi Stephen Hawking ve George FR Ellis tarafından kaleme alınan Uzay-zamanın büyük ölçekli yapısı kitabında yer almaktadır .

Işığın polarize olabileceği gerçeği ilk kez Newton tarafından parçacık teorisi kullanılarak niteliksel olarak açıklanmıştır. Étienne-Louis Malus 1810'da matematiksel bir parçacık polarizasyon teorisi yarattı. 1812'de Jean-Baptiste Biot , bu teorinin bilinen tüm ışık polarizasyonu fenomenlerini açıkladığını gösterdi. O zamanlar polarizasyon, parçacık teorisinin kanıtı olarak kabul edildi.

dalga teorisi

Renklerin kökenini açıklamak için , Robert Hooke (1635-1703) bir "darbe teorisi" geliştirdi ve 1665 tarihli Micrographia ("Gözlem IX") adlı çalışmasında ışığın yayılmasını sudaki dalgalarınkiyle karşılaştırdı . 1672'de Hooke, ışığın titreşimlerinin yayılma yönüne dik olabileceğini öne sürdü . Christiaan Huygens (1629-1695) 1678'de matematiksel bir ışık dalga teorisi geliştirdi ve bunu 1690'da Treatise on Light adlı kitabında yayınladı. Işığın, ışık saçan eter adı verilen bir ortamda bir dizi dalga olarak her yöne yayıldığını öne sürdü . Dalgalar yerçekiminden etkilenmediği için daha yoğun bir ortama girdiklerinde yavaşladıkları varsayılmıştır.

Thomas Young'ın kırınım gösteren bir çift yarık deneyi taslağı . Young'ın deneyleri, ışığın dalgalardan oluştuğu teorisini destekledi.

Dalga teorisi, ışık dalgalarının ses dalgaları gibi birbiriyle etkileşime girebileceğini öngördü (1800 civarında Thomas Young tarafından belirtildiği gibi ). Young , ışığın dalgalar gibi davrandığını bir kırınım deneyi aracılığıyla gösterdi . Ayrıca farklı renklerin ışığın farklı dalga boylarından kaynaklandığını öne sürdü ve renk görüşünü gözdeki üç renkli reseptörler açısından açıkladı. Dalga teorisinin bir diğer destekçisi de Leonhard Euler'di . Nova theoria lucis et colorum'da (1746), kırınımın bir dalga teorisi ile daha kolay açıklanabileceğini savundu . 1816'da André-Marie Ampère , Augustin-Jean Fresnel'e , eğer ışık enine bir dalga olsaydı, ışığın polarizasyonunun dalga teorisi ile açıklanabileceği fikrini verdi .

Daha sonra, Fresnel bağımsız olarak kendi dalga ışık teorisini geliştirdi ve 1817'de Académie des Sciences'a sundu. Siméon Denis Poisson , Fresnel'in matematiksel çalışmasına ekleyerek dalga teorisi lehine ikna edici bir argüman üreterek Newton'un cisimcik teorisini devirmeye yardımcı oldu. 1821 yılına gelindiğinde Fresnel, polarizasyonun ışığın dalga teorisi ile açıklanabileceğini ancak ve ancak ışığın boyuna titreşim olmaksızın tamamen enine olması durumunda açıklanabileceğini matematiksel yöntemlerle gösterebildi.

Dalga teorisinin zayıflığı, ses dalgaları gibi ışık dalgalarının da iletim için bir ortama ihtiyaç duymasıydı. 1678'de Huygens tarafından önerilen varsayımsal madde ışık saçan eterin varlığı, on dokuzuncu yüzyılın sonlarında Michelson-Morley deneyi tarafından güçlü bir şüphe haline getirildi .

Newton'un parçacık teorisi, ışığın daha yoğun bir ortamda daha hızlı hareket edeceğini ima ederken, Huygens ve diğerlerinin dalga teorisi bunun tersini ima etti. O zaman, ışığın hızı, hangi teorinin doğru olduğuna karar verecek kadar doğru bir şekilde ölçülemiyordu. Yeterince doğru bir ölçüm yapan ilk kişi 1850'de Léon Foucault oldu. Onun sonucu dalga teorisini destekledi ve klasik parçacık teorisi nihayet terk edildi, ancak 20. yüzyılda kısmen yeniden ortaya çıktı.

elektromanyetik teori

E elektrik alanını ve dikey B manyetik alanı belirtmek üzere x ekseninde giden doğrusal polarize bir elektromanyetik dalga

1845'te Michael Faraday , ışık ışınları şeffaf bir dielektrik varlığında manyetik alan yönü boyunca hareket ettiğinde lineer olarak polarize ışığın polarizasyon düzleminin döndüğünü keşfetti, bu şimdi Faraday dönüşü olarak bilinen bir etki . Bu, ışığın elektromanyetizma ile ilgili olduğunun ilk kanıtıydı . 1846'da ışığın manyetik alan çizgileri boyunca yayılan bir tür bozulma olabileceğini düşündü. Faraday 1847'de ışığın eter gibi bir ortamın yokluğunda bile yayılabilen yüksek frekanslı bir elektromanyetik titreşim olduğunu öne sürdü.

Faraday'ın çalışması, James Clerk Maxwell'e elektromanyetik radyasyon ve ışığı incelemesi için ilham verdi. Maxwell, kendi kendine yayılan elektromanyetik dalgaların uzayda daha önce ölçülen ışık hızına eşit olan sabit bir hızda hareket edeceğini keşfetti. Bundan yola çıkarak Maxwell, ışığın bir elektromanyetik radyasyon şekli olduğu sonucuna vardı: Bu sonucu ilk olarak 1862'de On Physical Lines of Force adlı kitabında belirtti . 1873'te, hala Maxwell denklemleri olarak bilinen, elektrik ve manyetik alanların davranışının tam bir matematiksel tanımını içeren Elektrik ve Manyetizma Üzerine Bir İnceleme yayınladı . Kısa bir süre sonra Heinrich Hertz , laboratuvarda radyo dalgaları üretip saptayarak ve bu dalgaların tam olarak görünür ışık gibi davrandığını, yansıma, kırılma, kırınım ve girişim gibi özellikler sergilediğini göstererek Maxwell'in teorisini deneysel olarak doğruladı . Maxwell'in teorisi ve Hertz'in deneyleri, doğrudan modern radyo, radar, televizyon, elektromanyetik görüntüleme ve kablosuz iletişimin geliştirilmesine yol açtı.

Kuantum teorisinde fotonlar, Maxwell'in klasik teorisinde açıklanan dalgaların dalga paketleri olarak görülür. Maxwell'in klasik teorisinin yapamadığı ( spektral çizgiler gibi ) etkileri görsel ışıkla bile açıklamak için kuantum teorisine ihtiyaç vardı.

Kuantum teorisi

1900'de Max Planck , kara cisim ışımasını açıklamaya çalışırken , ışığın bir dalga olmasına rağmen, bu dalgaların yalnızca frekanslarına bağlı olarak sonlu miktarlarda enerji kazanabileceğini veya kaybedebileceğini öne sürdü. Planck, ışık enerjisinin bu "topaklarını" " kuanta " olarak adlandırdı (Latince "ne kadar" anlamına gelen bir kelimeden). 1905'te Albert Einstein, fotoelektrik etkiyi açıklamak için ışık kuantası fikrini kullandı ve bu ışık kuantalarının "gerçek" bir varlığa sahip olduğunu öne sürdü. 1923'te Arthur Holly Compton , elektronlardan saçılan düşük yoğunluklu X-ışınları ( Compton saçılması olarak adlandırılır) olduğunda görülen dalga boyu kaymasının, X-ışınlarının parçacık teorisi ile açıklanabileceğini, ancak bir dalga teorisi ile açıklanamayacağını gösterdi. 1926'da Gilbert N. Lewis bu ışık kuantum parçacıklarına fotonlar adını verdi .

Sonunda modern kuantum mekaniği teorisi, ışığı (bir anlamda) hem parçacık hem de dalga olarak ve (başka bir anlamda) ne parçacık ne de dalga olan (aslında makroskopik fenomenler olan ) bir fenomen olarak resmetmeye başladı. beyzbol topları veya okyanus dalgaları). Bunun yerine modern fizik, ışığı bazen bir tür makroskopik metafora (parçacıklar) ve bazen başka bir makroskobik metafora (su dalgaları) uygun matematikle tanımlanabilecek bir şey olarak görür, ancak aslında tam olarak hayal edilemez bir şeydir. Compton saçılmasında yer alan radyo dalgaları ve X-ışınları durumunda olduğu gibi, fizikçiler elektromanyetik radyasyonun düşük frekanslarda daha çok klasik bir dalga gibi davranma eğiliminde olduğunu, ancak daha yüksek frekanslarda daha çok klasik bir parçacık gibi davranma eğiliminde olduğunu, ancak hiçbir zaman tamamını tamamen kaybetmediğini belirtmişlerdir. birinin veya diğerinin nitelikleri. Frekansta orta bir zemini işgal eden görünür ışık, deneylerde bir dalga veya parçacık modeli veya bazen her ikisi kullanılarak açıklanabilir olduğu kolayca gösterilebilir.

Şubat 2018'de bilim adamları, ilk kez, kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde faydalı olabilecek polaritonları içerebilen yeni bir ışık formunun keşfini bildirdiler .

Dünyadaki ışık için kullanın

Güneş ışığı , yeşil bitkilerin şekerleri oluşturmak için kullandıkları enerjiyi çoğunlukla nişasta şeklinde sağlar ve bu da onları sindiren canlılara enerji verir. Bu fotosentez süreci, canlıların kullandığı neredeyse tüm enerjiyi sağlar. Bazı hayvan türleri, biyolüminesans adı verilen bir süreç olan kendi ışıklarını üretir . Örneğin, ateşböcekleri , eşlerini bulmak için ışığı kullanır ve vampir mürekkep balığı , kendilerini avlarından saklamak için kullanır.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar

  • Wikimedia Commons'ta Işık ile ilgili medya
  • Vikisözlük'te ışığın sözlük tanımı
  • Vikisöz'de Işık ile ilgili Alıntılar