Optik

1. Işığın ışın modeli 1.1 Işık kaynağı ve ışık ışınları Dünyadaki yaşam açısından ışığın bizler için temel bir anlamı vardır. Işık olmasaydı doğadaki birçok işlem yürümezdi. Işık olmasaydı etrafımızı göremezdik. Gündelik bir deyim şöyle ifade eder - „Görmek ve görülmek“. Optik söz konusu olduğunda bu ne anlam taşır? Biz cisimleri veya kişileri onların üzerinden yansıyan ışığın gözümüzün içine ulaşması ile ve orada bir görüntünün oluşmasından dolayı görebiliyoruz. Işık kaynakları kendileri ışık üretir. Sadece üzerlerinden ışığı yansıtan tüm başka cisimler aydınlatılmış cisimler olarak adlandırılırlar. 1.2 Işık ve gölge Işık dağılımının bir modeli örneğin ışığın ışın modelidir. Işık kaynağından çıkan ışınlar bir engel ile karşılaşana kadar düz çizgi halinde ve her yönde yayılırlar. Şayet bu engeller ışık geçirmiyorsa ve uygun bir aydınlatma varsa onun arkasında bir gölge oluşur. Birkaç nokta şekilli veya flüoresan lamba, güneş gibi yayılan ışık kaynakları olunca çeşitli koyu gölgeler oluşabilir. Merkez gölge, ışık geçirmeyen cismin arka tarafındaki, ışığın ulaşamadığı alandır. 1.3 Ay fazları, Güneş ve Ay tutulması Güneş, dünya ve ayın birbirlerine orantılı olarak değişen pozisyonlardan dolayı değişik ay fazları olan yeni ay, artan ay, yarım ay ve azalan ay oluşur. Güneş ve ay tutulmaları gökyüzünde her zaman olağanüstü bir manzara oluşturur. Bu tutlmalar büyük zaman aralıklarıyla olmak üzere güneş, ay ve dünyanın bir hizaya gelmesi ile meydana gelir. Güneş tutulması olunca dünya yüzeyinin bir kısmı ayın gölgesindedir. Dünyanın o bölgesi merkez gölge alanın içinde olunca gözlemciler için bir bütün güneş tutulması söz konusudur. Şayet insan dünyada yarım gölge alanı içinde bulunuyorsa kısmi bir güneş tutulması söz konusudur. Ay tutulmasında, dünya ile kıyaslanınca çok ufak olan ay kısmen veya tümden dünyanın merkez gölge alanı içinde bulunur. 2. Işığın ışın modeli – Yansımalar 2.1 Yönlendirilmiş ve yayılmış yansımalar Cam yüzeyler, aydınlık ev cepheleri veya kar ile kaplı alanlar gibi parlak cisimler çok ışık yansıtırlar. Koyu cisimler çok ışık emerler ve sadece az bir bölümünü yansıtırlar. Işık düzgün yüzeylerde belli bir yöne doğru yansıtılır. Bu yansıma „yönlendirilmiş“ veya „düzenli“ yansıma diye adlandırılır. Pürüzlü bir yüzeyde yansıma yayılmış olarak gelişir, yani değişik yönlerde oluşur. Etkili ışık ışını ayna yüzeyine dikey duran ışığın düştüğü yerde ve yansıyan ışın aynı düzlemde ise şu geçerlidir: düşüş açısı α ve yansıma açısı α’ birbirlerine eşitlerdir. Işığın yolu tersine çevrilebilir. 2.2 Düz aynada görüntünün yansıma ile oluşması Düz aynadaki yansımada cisim ve aynadaki görüntü birbirlerine simetriktir. Boyutlar aynı kalır. Aynadaki bir görüntüyü insan görebilir ve fotoğrafını çekebilir. Fakat ayna görüntülerini insan bir perde ile yakalayamaz, - onlar sanal görüntülerdir. Bu görüntü oluşumlarını pencere ve sakin su yüzeylerinde gözetlemekde mümkündür. İlk defa aya çıkıldığında dünyadan gelen lazer ışıklarını yansıtmak amacıyla aynalar yerleştirilmiştir. Böylece dünya ile ayın arasındaki mesafeyi gayet kesin olarak belirlemek mümkün olmuştur. 2.3 Konkav ve eğri ayna’da yansımalar Kozmetik aynasında orijinalden az bir mesafe olunca doğru, büyütülmüş ve sanal bir görüntü oluşur. Işık ışınları konkav bir aynaya isabet ederlerse yansımalardan dolayı bunlar odak nokta ışınları olurlar. Odak noktada çok yüksek bir ısı elde edilebilir. Parabola aynada ışık ufak bir alana toplanır. Işığın kaynağı odak noktada bulunuyorsa yansımadan sonra paralel ışık olarak var olur. Şayet eğri aynaya paralel ışık düşerse bunlar birbirlerinden ayrılan ışık ışınları olarak yansırlar. Bundan dolayı eğri aynaların trafikte aynadaki ölü noktaları önlemek için faydalı bir yardım olduğunu kabul edebiliriz. 3. Işığın ışın modeli – Işığın kırılması 3.1 Kırılma kuralı Işık, yayılma yönünü ışık geçiren iki maddenin sınırları arasında değiştirir, ışık düz hiza yönünden saptırılır. Referans düzlem için aşağıdaki kırılma kuralı geçerlidir: 3.2 Işık kırılmasının özel durumu olarak tam yansıma Tam yansıma, ışık kırılmasının özel bir durumudur. Işık optik açıdan daha yoğun bir maddeden daha zayıf bir maddeye geçince bir sınır açıdan itibaren tümden yansıtılır. Bir akvaryumda su ile hava arasındaki sınır yüzeyde bir bütün yansıma gözlenebilir. Işık ileten kablonun çekirdeği optik açıdan daha yoğun olan cam, kuvars veya plastik maddeden oluşur ve bunun etrafında daha ince bir optik kaplama vardır. Böylece ışık çekirdeğinde her sefer tümden yansıtılır. Burada rengârenk ışık noktaları oluşur, çünkü ışık ileten kablonun bitiminde yuvarlak renkli bir levha bulunur. 3.3 Konveks mercekler ve dağıtıcı mercekler Konveks mercekler optik açıdan geçirgen maddeden oluşurlar. Şekil olarak ortaları kenarlarına nazaran daha kalındır. Bundan dolayı mercekten geçen ışık bu esnada gerçekleşen ışık kırılmasının ardından önce merceğin odak noktasında toplanır. Cismin merceğe olan mesafesine bağıntılı olarak orada sanal, yani hayali veya gerçek görüntüler oluşur. Gerçek görüntüleri bir perde üzerinde yakalayabiliriz. Büyüteçler konveks merceklerdir ve bunlarda cisimler normal odaklanma mesafesinde bulunurlar. Büyütülmüş, eşit pozisyonda, yanları doğru ve sanal görüntüler oluşur. Dağıtıcı mercekler paralel ışıkları birbirlerinden ayrı giden yönde kırarlar ve bunun tersi de mümkündür. Dağıtıcı merceklerde cisim mesafesi ile bağıntılı olmadan ufaltılmış, dikey, yanlara doğru ve sanal bir görüntü oluşur. 3.4 Optik cihazlar Basit bir mikroskobun iki tane konveks merceği vardır, biri objektiftir diğeri okülerdir ve bunlar bir sistem olarak çalışırlar. Gerçek ara görüntü ilk mercekten sonra oluşur ve ikinci mercek sonrası bir kez daha büyütülür. Sonuç cismin çok büyütülmüş sanal bir görüntüsüdür. Astronomik teleskoplar ile çok uzaktaki yıldız ve gezegen gibi cisimleri rahatlıkla görüntüleyebiliriz. Ara görüntü ufaltılmıştır, gerçektir, baş aşağıdır ve yan tarafları terstir. İkinci mercekten dolayı büyütülmüş, sanal, dikey duran ve yanları doğru bir görüntü oluşur. Fotoğraf cihazları ile cisimlerin gerçek görüntüleri bir film üstünde veya bir yarı iletken hafıza içinde kayıt edilebilir. Cisim odaklanma mesafesinin iki misli dışında bulunuyorsa görüntüler ufaktır, baş aşağı ve yanları terstir. 4. Göz ve keskin görme Işık bir cisimden göze ulaşınca, kornea ve göz merceği tarafından kırılır. Retinada gerçek, baş aşağı ve ufaltılmış bir görüntü oluşur. Göz merceği esnek bir konveks mercektir. Bu kornea’nın arkasında ve gözün merceğinin önünde bulunur. Göz merceğinin bulunduğu yerde retina ve devamında kan dolaşımı iyi olan damar dokusu ve dışında deri cildi bulunur. Göz merceğinden sonraki ışık geçişinde retinada baş aşağı, yanları ters ve gerçek bir görüntü oluşur. Işık duyu hücreleri bunları kaydeder ve görme siniri üzerinden beyne iletir. Göz bebeği açılışı ışık girişini ayarlar. Göz bebeği kuvvetli ışıkta daralır. Bunun sonucunda göz merceğine en uygun ışık yoğunluğu düşer. Görme hataları gözün yapısında veya işlevinde olan sapmaların sonucudur. Görme hataları retinada bulanık görüntülerin oluşmasına sebep verir. Çoğu görme hataları gözlük kullanımıyla düzeltilebilir. 5. Işığın dalga modeli 5.1 Işığın dağılımı Beyaz ışığın spektral ayrımı dalga modeli ile açıklanılabilir. Işık dalgaları elektromanyetik dalgalardır ve dalga boyu, kırılma ve enterferans gibi dalga özellikleri taşır. Prizmada ışığın kırılması ile ışık dağılımı oluşur. Bir CD’nin yüzeyi çukurlardan, yani derinliklerden ve düzlük bölgelerden oluşur. Bundan dolayı ışık dağınık olarak yansıtılır ve sonuçta enterferanslar olur. Bir kırılma spektrumu oluşur. Görünebilen alanda enfraruj ve ultraviyole ışık etki alanları birleşir. Ultraviyole ışık kâğıt paraların sahte olup olmadığını kontrol etmek için kullanılabilir. 5.2 Kırılma spektrumu Şayet tek renkli bir lazer ışığını optik bir ızgara üzerine tutarsak, belki beklediğimiz gibi ızgara çubuklarını göremeyiz, bilakis tek parlak şeritler görürüz. Bu maksim ışığın narin engeller üzerinden bükülmesinden ve dalgaların enterferansından dolayı oluşur. 5.3 Güneş pili Bir güneş pilinin işlevini açıklamak sadece bir üçüncü ışık model olan kuantum modeli ile mümkündür. İsabet eden ışığın fotonları yarı iletkenlerde bulunan elektronları daha yüksek seviyede bir iletken şeride ulaştırırlar. Bunun için fotonlar elektronlara beli bir enerji değerini aktarmalıdırlar. Artık akım p ve n bölgesi arasında akabilir. 5.4 Solar-radyometre Cam kürenin içinde hava direncini azaltmak için kısmi bir vakum bulunur. Işık, metal levhaların siyah tarafından daha güçlü absorbe edilir. Siyah yüzeylerde hava moleküleri ile karşılıklı etkileşim durumunda parlak yüzeylere nazaran daha çok baskı oluşur. Bir basınç etkisi ile pervanenin dönmesi sağlanır. Işık enerjidir. Işık olmadan bildiğimiz gündelik hayat mümkün değildir. Işık olmadan gezegenimizde yaşam olmazdı.