İki yarık,
onlarca saçak
Işık tanecik gibi davransaydı yarıklardan geçtikten sonra ekranda iki ayrı iz bırakırdı. Oysa 1801’de Thomas Young’ın yaptığı deneyde perdede aydınlık ve karanlık saçaklardan oluşan bir desen göründü — ışığın dalga özelliğinin en önemli delili.
Işığın bazı olayların açıklanmasında tanecik olarak ele alınması yetersiz kalabilir ve bu durumlarda ışığın dalga özellikleri ön plana çıkar. Işık dalgaları birbiriyle etkileşime girerek yapıcı (dalga tepeleri üst üste gelerek genliği artırır) veya yıkıcı (dalga tepeleri ve çukurları üst üste gelerek genliği azaltır) girişim yapar. Bu özellik, Young’ın çift yarık deneyinde gözlemlenir.
Işık dalgalarının girişim desenini net bir şekilde gözlemlemek için tek renkli ve eş fazlı kaynaklar kullanılmalıdır. İki ışık kaynağı yerine, iki küçük yarığı olan bir levha ile tek renkli bir ışık kaynağını kullanmak daha net bir girişim deseni sağlar. Bu yöntemde, kaynaktan gelen ışıkta oluşabilecek gecikmeler her iki demeti de aynı şekilde etkilediğinden girişim olayı engellenmez.
Işıkta girişim deneyi, ilk kez 1801 yılında Thomas Young tarafından gerçekleştirilmiştir ve bu nedenle Young deneyi olarak da bilinir. Bu deneyde ışık yarıklardan geçerek perdede karanlık ve aydınlık bantlar oluşturur. Çift yarık deneyinde yarıklar, ışık kaynağı gibi davranarak perde üzerinde girişim deseni meydana getirir. Işık dalgalarının tepe noktaları üst üste geldiğinde aydınlık saçak, dalgalar birbirini söndürdüğünde ise karanlık saçak oluşur.
Su dalgalarında iki kaynağın oluşturduğu katar ve düğüm çizgilerini görmüştük. Burada da aynı olay var; yalnız adlar değişiyor: katar çizgisi → aydınlık saçak, düğüm çizgisi → karanlık saçak. İki yarık, aynı fazda çalışan iki kaynak gibi davranır.
Çift yarıkta girişim deneyi, ışığın dalga özelliğini gösteren önemli bir delildir. Eğer ışık tanecik gibi davransaydı, yarıklardan geçtikten sonra ekran üzerinde iki ayrı iz bırakırdı. Ancak ışık dalga gibi davrandığında, yarıklardan geçen dalgalar birbirleriyle girişim yaparak aydınlık ve karanlık saçaklar oluşturur.
Işığın çift yarıkta girişimi sonucunda perdede, merkezde O noktası olan ve simetrik olarak dizilmiş aydınlık ve karanlık saçaklardan oluşan bir desen meydana gelir. Komşu iki aydınlık ya da karanlık saçağın orta noktaları arasındaki uzaklığa saçak aralığı (Δx) denir.
Merkezî aydınlık saçağın genişliği, diğer aydınlık saçakların genişliğine eşittir. Ekranın tam ortasında merkezî aydınlık saçak oluşur; bu saçak, yarıklardan çıkan dalgaların yapıcı girişimi sonucunda oluşur.
Bu ikisi ters yönde değişir. Saçak aralığı (Δx) büyürse, aynı genişlikteki perdeye daha az saçak sığar, yani saçak sayısı azalır. Δx küçülürse saçaklar birbirine yaklaşır ve perde üzerinde daha fazla saçak gözlemlenir. Soru “aralık mı, sayı mı” diye soruyorsa önce Δx yi bul, sayıyı sonra söyle.
Saçak aralığı, dalga boyu ve perde uzaklığıyla doğru; yarıklar arası mesafe ve kırılma indisiyle ters orantılıdır.
Δx = (L · λ) / (d · n)
λ: ışığın dalga boyu · L: yarıklar düzlemi ile perde arasındaki uzaklık · d: yarıklar arası mesafe · n: perde ile yarıklar düzlemi arasındaki ortamın kırılma indisi.
Bağıntıda görüldüğü gibi, kırılma indisi n arttıkça saçak genişliği Δx azalır. Bu, kırılma indisinin artmasının ışığın dalga boyunu azaltmasından kaynaklanır.
Dikkat: L bazen yanlışlıkla “perde ile ekran arasındaki uzaklık” diye anılır. Doğrusu yarıklar düzlemi ile perde arasındaki mesafedir; bu sayfada L hep bu anlamda kullanılmıştır.
Özel durumlar üç grupta toplanır: kaynağın hareketi, ortam ve mesafe değişimi, bir de düzenekle oynanması (cam levha, yarık düzleminin dönmesi).
Işık kaynağı x doğrultusunda hareket ettirilirse, saçak aralıkları ve saçakların yerleri değişmez. Kaynak +x yönünde hareket ettirilirse aydınlık saçaklar daha parlak olur; −x yönünde hareket ettirilirse aydınlık saçaklar daha az parlak olur. Işık kaynağı y doğrultusunda hareket ettirilirse, yarıklar arasında faz farkı oluşur çünkü ışık yarıklara farklı sürelerde ulaşır. Kaynak +y yönünde hareket ettirilirse ışık K₂ yarığına daha geç ulaşır ve girişim deseni aşağı kayar; −y yönünde hareket ettirilirse ışık K₁ yarığına daha geç ulaşır ve girişim deseni yukarı kayar.
Perde ile yarıklar düzlemi arasındaki ortamın kırıcılık indisi artırıldığında, ışığın dalga boyu azalır. Bu durum, girişim deseninde saçak aralığının (Δx) azalmasına neden olur. Sonuç olarak saçaklar birbirine yaklaşır ve perde üzerinde daha fazla saçak gözlemlenir. Yarıklar düzlemi ile perde arasındaki mesafe (L) artırıldığında, saçak aralığı (Δx) da artar. Bu durum, perdedeki saçak sayısının azalmasına neden olur.
Yarıklardan birinin önüne saydam bir engel konulduğunda, engel içinde ışığın ortalama hızı azalacağından engel konulan tarafta gecikme meydana gelir. Bu gecikme, merkezî aydınlık saçakların geciken kaynak tarafına kaymasına neden olur. Örneğin K₁ yarığının önüne bir cam levha konulduğunda, ışık cam içinde daha yavaş ilerleyeceği için merkezî aydınlık saçak 1 yönüne doğru kayar.
Yarıklar düzleminin dönmesi durumunda, yarıklar arasındaki d uzaklığının düşey bileşeni azalır. Bu azalma, saçak aralığının (Δx) artmasına neden olur. Sonuç olarak perdedeki saçak sayısı azalır.
Özel durumların hepsi iki soruya indirgenir. Desen kayar mı? Yalnız iki taraf arasında faz/gecikme farkı oluştuğunda kayar: kaynağın y yönünde hareketi ve bir yarığın önüne cam levha konması. Saçak aralığı değişir mi? Yalnız Δx bağıntısındaki dört büyüklük (λ, L, d, n) değişirse değişir. Kaynağın x yönündeki hareketi ikisini de yapmaz — sadece parlaklığı değiştirir.
Işığın dalga olduğunu gösteren desenler, gündelik hayatta sandığından çok daha sık karşına çıkıyor.
Kırmızı lazerle yapılan bir çift yarıkta girişim deneyinde perdede saçaklar ortaya çıkar. Lazer tercih edilir çünkü deney için tek renkli ve eş fazlı bir kaynak gerekir.
Diskin yüzeyindeki minik oluklar çok sayıda yarık gibi davranır; yansıyan ışık girişim yaparak renkli bantlar oluşturur. Dalga boyu farklı olan renkler farklı yerlerde toplanır.
Kırmızı ışığın dalga boyu yeşil ışığa göre daha büyüktür ve bu da kırmızı ışık kullanıldığında daha geniş saçaklar elde edilmesine neden olur. Deseni gözünle ayırmak istiyorsan kırmızı seç.
Aynı düzeneği suya batırırsan n artar, dalga boyu küçülür ve saçaklar sıklaşır. Perdede daha çok saçak sayarsın.
Perdeyi duvardan geriye alırsan L büyür, saçaklar birbirinden uzaklaşır; desen büyür ama perdeye daha az saçak sığar.
Islak asfalttaki yağ lekesinin rengi de girişimdir: bazı dalga boyları yapıcı, bazıları yıkıcı girişim yapar ve geriye o bölgede görülen renk kalır.
Gece ışıklarını çektiğinde etrafında beliren ışınlar, ışığın diyafram kenarlarında bükülüp girişim yapmasındandır — ışığın dalga doğasının günlük kanıtı.
Gözlük ve kamera camlarındaki mor-yeşil parıltı, ince kaplamada oluşan yıkıcı girişimle yansımayı azaltmak için tasarlanmıştır.
Şekilde bir yarığın önüne cam levha konmuşsa cevabı ezberle: merkezî aydınlık saçak, camın konduğu tarafa kayar — çünkü ışık orada gecikir.
48 soruluk test · Young deneyi, saçak deseni, Δx = L·λ/(d·n) bağıntısı ve kaynağın hareketi, cam levha, dönme gibi özel durumlar
1801’de Thomas Young tarafından yapıldı. Işık yarıklardan geçerek perdede karanlık ve aydınlık bantlar oluşturur; yarıklar ışık kaynağı gibi davranır.
Işık tanecik gibi davransaydı ekranda iki ayrı iz bırakırdı. Saçak deseni, ışığın dalga özelliğinin önemli bir delilidir.
Tek renkli ve eş fazlı kaynak gerekir. Tek kaynak + iki yarık kullanmak, iki ayrı kaynaktan daha net desen verir.
Δx = (L · λ) / (d · n)
Komşu iki aydınlık ya da karanlık saçağın orta noktaları arasındaki uzaklıktır. Merkezî aydınlık saçağın genişliği diğerlerine eşittir.
Kırmızı ışığın dalga boyu yeşilden büyüktür, bu yüzden kırmızıyla daha geniş saçaklar elde edilir.
n artarsa dalga boyu azalır, Δx küçülür ve saçak sayısı artar. L artarsa Δx büyür ve saçak sayısı azalır.
x doğrultusunda: aralık ve yerler değişmez, yalnız parlaklık değişir (+x parlak, −x soluk). y doğrultusunda: faz farkı oluşur, desen kayar (+y aşağı, −y yukarı).
Bir yarığın önüne saydam engel konursa merkezî aydınlık saçak geciken tarafa kayar. Yarıklar düzlemi dönerse d nin düşey bileşeni azalır, Δx artar, saçak sayısı azalır.