Optik Nedir? Fiziğin Alt Dalı

Optik, ışığın hareket, özellik ve diğer maddelerle ilişkisini inceler. Optik, fiziğin ışığın sınıflandırma ve ölçümü ile uğraşan alt dalıdır. Gözle görülemeyen morötesi ve kızılötesi ışık dalgalarının yanı sıra gözle görülebilen ışık dalgalarının da hareketleri Optik tarafından incelenmektedir.

Işığın davranış modelleri

1- Dalga Modeli

18. yüzyılın sonlarında ışığın cisim tarafından yayılan ya da gözlemcinin gözünden çıkan parçacıklar olarak ta­nımlanmaktaydı. Newton ışığın parçacıklar hâlinde yayı­larak gözde görme duyusu uyandırdığını ifade etmiş ve bu teorisi uzun yıllar kabul görmüştür. Newton bu teorisiyle ışığın kırılma ve yansıma yaptığını açıklayabiliyordu. 

2- Tanecik Modeli

1678 yılında Christian Huygens dalga teorisini ortaya atarak ışığın bir tür dalga hareketi olduğunu ifade etti.

Bu teori günümüzde deneyler sonucunda ışığın kırınım yap­ması yani cisimlerin kenarlarında büküldüğünün gözlem­lenmesi ile doğrulanmaktadır. 1801 yılında Thomas Young tıpkı su dalgaları gibi ışık ışınlarının birbirleriyle girişim yaptığını göstererek ışığın bir dalga gibi davrandığını ispatladı. İki ya da daha fazla parçacık bir araya gelerek birbirini yok edemeyeceğinden ışık ışınlarının girişimi tanecik modeli ile açıklanamamaktadır.

1873 yılında James Clerk Maxwell ışığın elektromanye­tik dalga şeklinde yayıldığını matematiksel olarak açıkla­dıktan sonra Gustav Ludwing Hertz elektromanyetik dal­gaları oluşturup deneysel olarak ispatladı.

Işığın dalga modeli fotoelektrik olayı gibi bazı olayları açıklamakta yetersiz kalmaktaydı. Bu nedenle bilim insan­ları ışığın ikili doğaya sahip olduğunu, bazı durumlarda tanecik gibi bazı durumlarda dalga gibi davrandığını ifade etmektedirler.

Işık şiddeti, ışık akısı ve aydınlanma şiddeti

1- Işık Şiddeti

Işık bir enerji biçimidir. Bir kaynaktan birim zaman­da yayılan ışık enerjisine o kaynağın ışık şiddeti denir. Işık şiddeti I sembolü ile gösterilir ve SI’da birimi candela (cd)’dır.

2- Işık Akısı

Bir ışı kaynağının karşısına yerleştirilen yüzey üzerine düşen ışık ışını miktarına ışık akısı denir. Işık akısı Ф sem­bolü ile gösterilir ve SI’da birimi lümen (lm)’dir. Işık akı­sı kaynağın ışık şiddeti ile doğru orantılıdır. Işık akısının matematiksel modeli Ф = 4π.I şeklinde yazılır.

3- Aydınlanma Şiddeti

Birim yüzeye dik olarak düşen ışık akısına aydınlanma şiddeti denir. Aydınlanma şiddeti E sembolü ile gösterilir ve SI’da birimi lüks (lx)’tür. Aydınlanma şiddetinin mate­matiksel modeli E = Ф/A olarak yazılır.

Aydınlanma şid­deti,

• Yüzeyin ışık kaynağına olan uzaklığının karesi ile ters orantılıdır.
• Kaynağın ışık şiddeti ile doğru orantılıdır.
• Yüzeye gelen ışığın yüzey normali ile yaptığı açının kosinüsü (cosα )ile doğru orantılıdır.

Buna göre aydınlanma şiddeti matematiksel olarak E = I / d² cosα  şeklinde yazılır.

Saydam, yarı saydam ve saydam olmayan maddeler

Maddeler ışığı geçirmelerine göre üçe ayrılır:

• Saydam maddeler: Cam, su, hava gibi üzerine düşen ışığı tamamen geçiren maddelerdir.
• Yarı saydam maddeler: Buzlu cam, yağlı kâğıt ve nay­lon gibi üzerine düşen ışığın bir kısmını geçirip bir kısmı­nı soğuran yansıtan maddelerdir.
• Saydam olmayan maddeler: Tahta, beton ve metal lev­ha gibi üzerine düşen ışığı hiç geçirmeyen (opak) madde­lerdir.

Işık doğrular boyunca yayılırken bir engelle karşılaşırsa engelin arkasında gölgesi oluşur.

• Işık kaynağı noktasal ve engel opak madde ise oluşan gölge tam karanlıktır ve bu gölgeye tam gölge adı veri­lir.
• Küresel bir ışık kaynağından ya da iki noktasal kaynak­tan çıkan ışınlar ve opak cisim üzerine geldiğinde hem tam gölge hem de yarı karanlık bölge oluşur. Bu yarı karanlık bölgeye yarı gölge adı verilir.
• Cismin tam ve yarı gölgesinin büyüklüğü kaynak- cisim arasındaki uzaklık azalırsa artar, perde ile cisim arasın­daki uzaklık artarsa azalır. Tersine, kaynak – cisim ara­sındaki uzaklık artarsa azalır, perde ile cisim arasındaki uzaklık azalırsa artar.
• Işık kaynağı engelden büyük olduğunda; perde tam göl­ge bölgesinde bulunuyorsa perdede hem tam hem de yarı gölge oluşur. Eğer perde tam gölge bölgesinin dı­şındaysa perdede tam gölge oluşmaz sadece yarı gölge­ler oluşur.

Işığın yansıması

Işık ışınlarının saydam olmayan yüzeye geldiğinde doğrultusunu değiştirerek geldiği ortama geri dönmesine yansıma denir. Yüzeye çarpan ışınlar yansıma kanunları­na göre davranır:

• Gelen ışın, yüzey normali ve yansıyan ışın aynı düzlem­dedir.
• Gelen ışının yüzey normali ile yaptığı açı, yansıyan ışı­nın yüzey normali ile yaptığı açıya eşittir.

Işık ışınları etkileştikleri yüzeye göre düzgün yansıma ya da dağınık yansıma yapar. Paralel ışık ışınları yüzeye çarptıktan sonra paralellikleri bozulmuyorsa düzgün yan­sıma, yansıdıktan sonra paralellikleri bozuluyorsa dağı­nık yansıma yapmış olurlar.

Cisimlerin şeklinin görüle­bilmesi dağınık yansımanın sonucudur. Her iki yansımada yansıma kanunlarına göre gerçekleşir.

Düzlem aynada görüntü oluşumu

Işık ışınlarının çarptıktan sonra neredeyse tamamının geri yansıdığı yüzeye ayna adı verilir. Yüzeyi düz ve pürüz­süz olan aynalara düzlem ayna denir.

Düzlem aynada bir noktanın görüntüsünü oluşturmak için aynaya gönderilen ışınlar aynada yansıdıktan sonra uzantıları ayna gerisinde çakışır.

Bu nedenle düzlem ayna önünde bulunan bir cismin görüntüsü düz aynanın arka­sında, sanal, cisimle aynı boyda, düz ve aynaya olan uzak­lığı cismin aynaya uzaklığına eşittir.

Düzlem aynaya bakan gözlemcinin aynada görebildiği bölgeye görüş alanı denir.

Düzlem aynaya bakan bir göz­lemcinin düzlem aynada gördüğü alanın büyüklüğü, göz­lemcinin aynaya göre konumuna ve aynanın büyüklüğüne bağlıdır. Gözlemci aynaya yaklaştıkça ve ayna boyutları büyüdükçe görüş alanı büyür.

Küresel aynalarda odak noktası, merkez, tepe noktası ve asal eksen kavramları

Yansıtıcı yüzeyi küre şeklinde olan aynalara küresel ayna, yansıtıcı denir. Yansıtıcı yüzeyi küre kapağının içi şeklinde olan aynalara çukur ayna, küre kapağının dışı şeklinde olan aynalara tümsek ayna adı verilir.

Küresel aynanın tam ortasından geçtiği düşünülen ve aynayı ikiye bölen doğru parçasına asal eksen, asal eksenin aynayı kestiği noktaya tepe noktası adı verilir.

Asal ekse­ne paralel gelen ışınların yansıdıktan sonra kendilerinin ya da uzantılarının toplandığı noktaya odak noktası denir. Küresel aynalarda küre yüzeyinin merkezi küresel aynanın da merkezidir.

Küresel aynalarda görüntü oluşumu ve özellikleri

a) Çukur aynada görüntü oluşumu

• Sonsuzdaki cismin görüntüsü odak noktasında nokta­sal ve gerçek olarak oluşur.
• Merkez noktasının dışındaki cismin görüntüsü odak-merkez noktası arasında ters, gerçek ve cisimden bü­yüktür.
• Merkez noktasında bulunan cismin görüntüsü yine merkez noktasında, ters, gerçek ve cisimle aynı boyda­dır.
• Merkez–odak noktası arasındaki cismin görüntüsü merkezin dışında, ters, gerçek ve cisimden büyüktür.
• Odak noktasında bulunan cismin görüntüsü sonsuzda, ters, gerçek ve noktasaldır.
• Odak – tepe noktası arasındaki cismin görüntüsü ayna arkasında, sanal, düz ve cisimden büyüktür.

b) Tümsek aynada görüntü oluşumu

• Tümsek ayna önüne konulan cisim nerede olursa olsun, görüntüsü ayna arkasında, sanal, düz ve cisimden kü­çüktür.
• Cisim aynadan uzaklaştıkça görüntüsü odak noktasına yaklaşır. Sonsuzdaki cismin görüntüsü odakta, noktasal ve sanaldır.
• Cisim aynaya yaklaştıkça görüntüsü de aynaya yaklaşa­rak büyür.

Işığın kırılması

Işığın saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçerken doğrultu değiştirmesine kırılma olayı adı verilir.

Işık iki saydam ortamın ayırıcı yüzeyine geldiğinde tümü ikinci ortama geçemez. Bir kısmı yansıyarak geldiği orta­ma geri dönerken bir kısmı soğrulur. İkinci ortama geçen ışık ilk doğrultusundan farklı yönde hareket eder. Işığın bu davranışı su dalgalarının farklı derinlikteki ortamlar­dan geçişi sırasındaki davranışı ile benzerdir.

Su dalgaları derin ortamdan sığ ortama geçerken hızı ve dalga boyu değişir. Işığın havadan suya geçişinde de hızı değişir. Havadan suya geçen ışığın hızı azalır. Işığın bu davranışı Snell Yasası ile matematiksel olarak;

Sinθ₁ / Sinθ₂ = n₁2 = n₂ / n₁ = v₁ / v₂ şeklinde yazılır.

Işığın tam yansıma olayı ve sınır açısı

Bir ışık kaynağından çıkan ışık ışınları az yoğun ortam­dan çok yoğun ortama hangi açıyla gelirse gelsin geçerken, çok yoğun ortamdan az yoğun ortama belirli bir değerde­ki açı değeri üzerindeki gelme açısında az yoğun ortama geçemez. Işık ışınlarının tamamının geldiği ortama geri döndüğü bu olaya tam yansıma denir. Çok yoğun ortam­dan az yoğun ortama geçen ışığın en büyük gelme açısına sınır açısı denir. Sınır açısı ile gelen ışık ışınları için kırıl­ma açısı 90°’dir.

Görünür uzaklık

Gözlemci ve cisim farklı ortamlarda bulunuyorsa cismin gözlemciden olan uzaklığı gerçek uzaklığından farklıdır. Gözlemci ve cismin farklı ortamlarda bulunduğu durum­larda cismin gözlemciden olan uzaklığına gerçek uzaklık, görüntünün gözlemciden olan uzaklığına ise görünen uzaklık ya da görünen derinlik denir.

Cisim saydam ortamda gözlemci hava ortamında bulu­nuyorsa gözlemci cismi kendisine yaklaşmış olarak görür.

Görünür derinlik (görünür uzaklık) gözün bakış açısı­na, sadam ortamın derinliğine ve saydam ortamın kırıcılık indisine bağlıdır.

Merceklerin çeşitleri ve özellikleri

En az bir yüzeyi küresel olan ve ışığın farklı saydam or­tamlardan geçerken yön ve doğrultu değiştirmesini sağ­layan saydam cisimlere mercek adı verilir. Işığın kırılma içimine ve şekline göre mercekler iki çeşittir. Kenarları ortasına göre ince olan ve arkasından cisme bakıldığında cismin büyük görüntüsünün elde edildiği merceğe ince kenarlı mercek ya da yakınsak mercek denir. Kenarları ortasına göre kalın olan ve arkasından cisme bakıldığında cismin küçük görüntüsünün elde edildiği merceğe kalın kenarlı ya da ıraksak mercek denir.

İnce kenarlı mercekte kırılan ışının, kalın kenarlı mer­cekte kırılan ışının uzantısının toplandığı noktaya odak noktası denir.

Merceğin optik merkezi ile odak noktası arasındaki uzaklık olan odak uzaklığını etkileyen faktörler aşağıdaki gibi sıralanabilir:

• Mercek yüzeyinin eğrilik yarıçapı büyürse odak uzaklı­ğı büyür.
• Mercek yüzeyine gelen ışığın renginin değişmesi odak uzaklığını değiştirir. Kırmızı ışık için odak uzaklığı bü­yük iken mor ışık için küçüktür.
• Merceğin yapıldığı maddenin kırıcılık indisi büyürse odak uzaklığı küçülür.
• Mercek havadan daha yoğun bir saydam ortama konul­duğunda odak uzaklığı büyür.
• Mercek kendisinin yapıldığı maddenin kırıcılık indi­sinden daha büyük bir ortama konulduğunda yakınsak mercek ıraksak, ıraksak mercek yakınsak mercek gibi davranır.

Merceklerin oluşturduğu görüntünün özellikleri

Merceklerdeki özel ışınlar ve görüntü oluşumu ile küresel aynalardaki özel ışınlar ve görüntü oluşumu birbirine ben­zerdir. Küresel aynalarda ışınlar geriye yansırken mercek­lerde kırılarak merceği terk eder. Bu nedenle mercekleri iki odak noktası ve iki merkezi vardır.

İnce kenarlı mercekte görüntü oluşumu çukur aynada­ki görüntü oluşumu ile benzerdir. Tek farkı ışığın kırılarak görüntünün merceğin diğer tarafında oluşmasıdır.

• Sonsuzda bulunan cismin görüntüsü odak noktasında, noktasal ve gerçek olarak oluşur.
• Merkeze yakın ve merkezin dışında bulunan cismin gö­rüntüsü; merceğin diğer tarafında ikinci merkez- ikinci odak noktası arasında cisimden küçük, ters ve gerçek olarak oluşur.
• Merkezdeki cismin görüntüsü; ikinci merkez noktasın­da, ters, cisimle aynı boyda ve gerçek olarak oluşur.
• Merkez ve odak noktası arasında bulunan cismin gö­rüntüsü; ikinci merkez noktasının dışında, ters, cisim­den büyük ve gerçek olarak oluşur.
• Odak noktasındaki cismin görüntüsü; odaktan geçerek gelen ışınlar kırıldıktan sonra asal eksene paralel ol­duğu için, cismin görüntüsü sonsuzda, ters, gerçek ve noktasaldır.
• Odak noktası-optik merkez arasında bulunan cismin görüntüsü; cismin bulunduğu tarafta cismin arkasında, cisimden büyük, düz ve sanal olarak oluşur.

Kalın kenarlı mercekte görüntü oluşumu çukur aynada görüntü oluşumu ile benzerdir

• Cisim sonsuzda ise görüntü cismin bulunduğu tarafta, sanal ve noktasal olarak oluşur.
• Cisim sonsuz ile optik merkez arasında hangi noktaya konulursa konulsun görüntü optik merkez – odak nok­tası arasında, sanal, düz ve cisimden küçük olarak oluşur.

Günlük hayatta merceklerden göz kusurlarının teda­visinde kullanılan gözlük ve lenslerde, fotoğraf makinesi kameralarında, büyüteç, teleskop ve optik mikroskop ya­pımında yararlanılır.

Işık prizmaları

Işığı tam yansıma yapma özelliğinden faydalanarak ışığın doğrultularını değiştirmek amacıyla kullanılan ve birbirine paralel olmayan yüzeylere sahip saydam ortama ışık prizması denir.

Tam yansımalı prizma

Prizmalar kırıcılık indisi yaklaşık 1,5 olan camdan ya­pılmıştır. Bu maddeler için sınır açısı yaklaşık 42°dir. Ke­siti ikizkenar dik üçgen şeklinde olan prizmaların dar açı­larından biri 45°dir. Bu nedenle ikizkenar dik üçgen şek­lindeki prizmanın yüzeylerinden birine dik gelen ışın tam yansımaya yaparak havaya çıkamaz, tam yansıma yaparak prizma içine geri döner.

Prizmadan geçen ışığın renklerine ayrılması

Işık prizmasına gönderilen beyaz ışık renklerine ayrı­lır. Işığın kırıldıktan sonra renklerine ayrılmasının nede­ni prizmanın her renge farklı kırılma indisi etkisi göster­mesindendir. Farklı kırılma indisleri için ışık renklerinin hızları da farklıdır. Işık prizmasında kırılan ışıklardan hızı en büyük olan kırmızı ışık olduğundan daha az kırılırken, hızı en az olan mor ışık en fazla kırılır.

Işık prizmasının kullanım alanı

Işık prizması; fotoğraf ve projeksiyon makinelerinde, periskop, dürbün, tepegöz, mikroskop gibi birçok optik alette kullanılır.

Cisimlerin renkli görülmesinin sebepleri

Renkli cisimler beyaz ışık ve Güneş ışığı altında kendi rengindeki ışığı ve bu renge en yakın renkteki ışınları yan­sıtır. Doğada görülen her türlü renk kırmızı, yeşil ve mavi ışıkların değişik oranda karışmasıyla oluşur. Bu nedenle kırmızı ışık, mavi ışık ve yeşil ışık, ışığın ana renkleridir.

Yapılan deneylerde, ışıkların ikişerli birleşmesinden

• Kırmızı ışık + yeşil ışık = Sarı ışık
• Yeşil ışık + mavi ışık = Cyan ( siyan, yeşilimsi mavi) ışık

Kırmızı ışık + mavi ışık = Magenta ışık (pembemsi kır­mızı) elde edilmiştir. Üç renkteki ışığın birleşmesinden ise beyaz ışık elde edilmiştir (Kırmızı ışık+ mavi ışık+ yeşil ışık = Beyaz ışık).

Ana renklerin birleşmesi ile oluşan sarı, magenta ve cyan renkler ışığın ara renkleridir. Birleştikleri zaman be­yaz ışık veren ana renkli ışık ile ara renkli ışık birbirinin tamamlayıcısıdır.

a) Boya renkleri

Saydam olmayan katı boya maddelerinin sıvı içerisinde çözünmeleriyle boya çözeltisi oluşur. Boya çözeltisi, üze­rine düşen beyaz ışığın ana renklerinin bazılarını soğurur­ken kalanını geri yansıtır.

Boya, yansıttığı ışığın renginde görülür. Yapılan deney­ler ışıktaki ara renklerin, boyadaki ana renkleri oluşturdu­ğunu göstermiştir. Boya renklerinin birleşmesiyle oluşan renkler aşağıdaki gibidir:

• Sarı boya + magenta boya = Kırmızı boya
• Sarı boya + cyan boya = Yeşil boya
• Magenta boya + cyan boya = Mavi boya
• Sarı boya + magenta boya + cyan boya = Siyah boya

Boyaların renkli görülmesi gözümüzün renk algısı ve ışığın ana renkleri ile gerçekleşir.

b) Işık filtreleri

Üzerine düşen ışığın bir kısmını geçirip bir kısmını so­ğuran saydam maddelere ışık filtresi adı verilir. Ana renk­teki bir ışık filtresi başka bir ana rengi geçirmez soğurur. Mavi renkli bir ışık filtresine beyaz ışık düşürüldüğünde, mavi filtre mavi ışığı geçirirken mavi renge komşu olan yeşil ve mor ışıkları az miktarda geçir. Filtreden geçen en kuvvetli ışık mavi ışık olduğundan göz sadece mavi ışığı algılar