Foton Nedir?

Modern fiziğin önemli çalışma alanlarından biri olan kuantum fiziği; molekülleri, atomları ve atom altı parçacıkların enerjilerini ve bu parçacıkların davranışlarını inceler. Kuantum fiziğinin uğraş alanı içerisinde yer alan pek çok büyüklük, belirli değerler alabilir. Bu tür büyüklüklere kesikli veya kuantumlu denir.

Max Planck 1900 yılında ışığın kuanta adını verdiği küçük enerji paketlerinden oluştuğunu ileri sürmüştür.

Albert Einstein (1879-1955) ışığın foton adını verdiği enerji paketleri hâlinde ilerlediğini ifade etmiştir. Einstein’in ileri sürdüğü fikirler, Planck’ın fikirleriyle de uyuşmaktadır.

Bir ışık demetinde enerji taşıyan küçük enerji paketlerine foton denir.

Fotonların Özelikleri,

Işık hızıyla hareket eder.

Kütleleri ve durgun enerjileri yoktur.

Frekans veya dalga boylarına bağlı olarak enerji ve momentuma sahiptir.

Soğurulduğunda yok olur.

Kütlesi olmamasına rağmen madde ile etkileşime girebilir.

Hiçbir sistemde durgun hâlde bulunamaz.

Elektrikçe yüksüz oldukları için elektrik ve manyetik alandan etkilenmez.

Einstein’a göre frekansı f olan bir fotonun enerjisi E_f = h . f şeklindedir.

Fotonun frekansı yerine f = c/λ  ifadesi yazılırsa fotonun enerjisini dalga boyu cinsinden veren E = h ( c/λ  ) ifadesi bulunur. Böylece aşağıdaki denklem elde edilir.

Fotonun enerjisinin (E) SI’da birimi Joule dür (J)

Planck sabitinin değeri h = 6,626 . 10-34 J . s

frekansın (f) biriminin s^-1

ışık hızının (c) birimi m/s

dalga boyunun (λ) birimi m

olarak alınır.

Eğer dalga boyunun birimi Å (Angstron) olarak verilirse 1Å = 10^-10 metre eşitliği kullanılarak metreye dönüştürülebilir.

Bir fotonun enerjisi çok küçük değere sahip olduğu için elektronvolt (eV) cinsinden de ifade edilebilir. Bir elektronun bir voltluk potansiyel farkı altında kazandığı enerjiye elektronvolt denir.

Planck sabitinin birimi eV cinsinden ışık hızının birimi Å cinsinden ifade edilirse (h . c) çarpımı yaklaşık olarak 12 400 eV . Å olarak bulunur.

h . c = 12 400 eV . Å

Bu durumda fotonun enerji denklemi

Işığın Çift Yarıkta Girişimine Etki Eden Değişkenler

Aynı anda titreşen noktasal dalga kaynaklarının su yüzeyinde oluşturduğu dairesel su dalgalarının birbiri içinden geçerken girişim oluşturduğu daha önce gözlemlemiştik. Su dalgalarında gözlenen girişim olayı ışık dalgalarında da gözlemlenebilir mi?

Işık dalgalarında girişim olayı ilk kez 1801 yılında Thomas Young tarafından ortaya konulmuştur. Young, yaptığı deneyde ışık ışınlarının uygun koşullarda birbiriyle girişim yaptığını göstererek ışığın dalga doğasını açıklamıştır. 

İki kaynaktan çıkan ışık dalgalarının girişim yapması ilk olarak 1801 yılında Thomas Young tarafından gösterildi. Young, tasarladığı bu deneyle tek renkli ışık kaynağından çıkan ışınların çift yarıktan oluşan bir düzlemden geçtikten sonra yapıcı veya yıkıcı (yok edici) girişim yaptıklarını göstermiştir. Bir yarıktan çıkan dalga tepesiyle (veya çukuruyla) diğer yarıktan çıkan dalga tepesinin (veya çukurunun) birbirini desteklediği bölgelerde aydınlık bölgeler oluşmaktadır. Yarıklardan birinden gelen dalga çukuruyla diğerinden gelen dalga tepesinin birbirini sönümlediği bölgelerde ise karanlık bölgeler meydana gelmektedir. Bu aydınlık ve karanlık bölgelere saçak adı verilir. Girişim deseninde komşu iki aydınlık ya da karanlık saçakların orta noktalarını birleştiren çizgiler arasındaki uzaklığa saçak aralığı denir.

Karanlık bir odada hava ortamında yapılan Young deneyinde ışık ışınları tek yarıklı bir engelden geçerek yukarıdaki gibi S1 ve S2 yarıklı engele ulaşır.

Aynı anda çalıştırılan iki ışık kaynağı gibi davranan bu iki yarıktan geçen ışık ışınları, ekranda aşağıdaki gibi aydınlık ve karanlık saçaklar oluşturur.

Oluşan tüm saçakların genişliği aynıdır. Yarıkların orta dikmesi üzerinde ve genişliği diğer saçakların genişliği ile aynı olan merkezî aydınlık saçak (A0) oluşur. Merkezî aydınlık saçağın iki tarafında simetrik olarak karanlık ve aydınlık bölgeler sıralanır. Aydınlık bölgelere aydınlık saçak, karanlık bölgelere karanlık saçak denir.

Ardışık iki aydınlık ya da karanlık saçak arasındaki mesafeye saçak genişliği denir. Saçak genişliği ∆x sembolüyle gösterilir. Saçak genişliği kullanılan ışığın rengine yani dalga boyuna (λ) bağlıdır. Işığın dalga boyu büyüdükçe saçak genişliği büyür.

Burada λ ışığın dalga boyunu, L perde ile ekran arasındaki uzaklığı, d yarıklar arası mesafeyi, n ortamın kırma indisini ifade eder. Ortamın kırma indisi artarsa ∆x formülüne bakıldığında saçak genişliğinin azalacağı görülecektir.

Yeşil ışık yerine kırmızı ışık kullanıldığında daha geniş saçaklar elde edilir. Bunun sebebi kırmızı ışığın görünür bölgedeki en uzun dalga boylu ışık olmasıdır. Saçak aralığı  kullanılan ışığın dalga boyu ile doğru orantılıdır. 

Işık tanecikli yapı özelliğini mi, dalga özelliğini mi kullanır?

Çift yarıkta girişim deneyinde ışık girişim yapmaktadır. Işık, eğer bu olayda tanecik gibi davransaydı

yukarıdaki gibi bir görüntü ortaya çıkardı. Ancak ortaya görsel aşağıdaki gibidir. Yaptığınız deney ve simülasyonlarda da gözlemlediğiniz gibi çift yarıkla yapılan girişim deneyinde ekranın tam ortasında merkezî aydınlık saçak oluşur. Merkezî aydınlık saçağın sağında ve solunda simetrik olarak karanlık ve aydınlık saçaklar meydana gelir.

Işığın Çift Yarıkta Girişimine Etki Eden Diğer Değişkenler

1. Işık kaynağının ışık şiddeti artırılırsa girişim deseninin yerinde ve saçak genişliğinde değişiklik olmaz. Işık akısı artacağından aydınlık saçakların parlaklığı artar.

2. Işık kaynağı yarık düzlemine yaklaştırılırsa girişim deseninin yerinde ve saçak genişliğinde bir değişiklik olmaz. Işık akısı artacağından aydınlık saçakların parlaklığı artar.

3. Işık kaynağı yarık düzlemine paralel hareket ettirilerek K noktasından K’ noktasına çekildiğinde ışık kaynağı S2 yarığından uzaklaştığı için S2 yarığına ışık daha geç ulaşır. Birbirine doğru aynı büyüklükteki hızla harekete geçen araçların, harekete geç başlayan araca yakın bir noktada buluşması gibi girişim desenini oluşturan noktalar da geciken kaynak tarafına kayar. Bu nedenle merkezî aydınlık saçak A0 noktasında oluşur. Saçak genişliği değişmez.

4. Yarıklar düzlemi ile ekran arası kırıcılık indisi havaya göre daha büyük olan saydam bir ortamla doldurulursa havadan saydam ortama geçen ışığın ortalama hızı azalır ve dalga boyu küçülür. Bu nedenle saçak genişliği azalır. Merkezî aydınlık saçağın yeri değişmez.

5. Yarıklar düzlemi döndürülürse yarıklar arasındaki dik uzaklık azalacağından saçak genişliği artar. Merkezî aydınlık saçağın yerinin değişip değişmeyeceği hakkında kesin bir şey söylenemez.

6. Yarıklardan birinin önüne saydam madde konulursa S1 yarığından geçen ışık geç kalır. Bu nedenle merkezî aydınlık saçak S1 yarığı tarafına kayar. Saçak genişliği değişmez.

7. Ekran döndürülürse ekranın yarıklardan uzaklaşan bölümünde saçak genişlikleri artarken yarıklara yaklaşan bölümünde saçak genişliği azalır. Merkezî aydınlık saçağın yeri değişmez.

Birden fazla kaynağın oluşturduğu dairesel dalgalar su yüzeyinde birbiri ile karşılaşabilir. Bu dalgaların karşılaşması sonucu dalgalar birbirini kuvvetlendirebilir veya sönümleyebilir. Bu olaya su dalgalarında girişim denir.

Su yüzeyinde dairesel dalga oluşturan kaynak, suya atılan bir taş olabileceği gibi periyodik olarak suya daldırılan bir parmak veya suya düşen yağmur damlaları da olabilir.

Birden fazla kaynağın oluşturduğu dairesel dalgalar su yüzeyinde birbiri ile karşılaşabilir. Bu dalgaların karşılaşması sonucu dalgalar birbirini kuvvetlendirebilir veya sönümleyebilir. Bu olaya su dalgalarında girişim denir. Dalgaların üst üste binmesi sonucu dalga deseni oluşur. Girişim yapan dalgaların oluşturduğu desene girişim deseni denir. Aşağıdaki görselde dairesel su dalgalarının karşılaşması sonucu oluşan girişim deseni görülmektedir.

İki ya da daha fazla sayıda dalganın birbiri içerisinden geçmesi olayına girişim denir. Girişim yapan dalgaların oluşturduğu desene de girişim deseni denir.

Bir dalga leğeninde aynı anda çalıştırılan özdeş iki noktasal dalga kaynağının ürettiği dalgaların oluşturduğu girişim deseni aşağıdaki gibidir. Dairesel su dalgalarının birbiri içinden geçerken dalga tepeleri ve dalga çukurları bazı noktalarda birbirini güçlendirir, bazı noktalarda da birbirini söndürür.

Bir ortamda aynı anda (periyotları eşit) dalgalar üretmeye başlayan kaynaklara aynı fazda çalışan kaynaklar denir ve dalgalar farklı şekillerde birbirleri ile karşılaşabilir.

İki dalganın tepe noktaları veya çukur noktaları üst üste gelebilir ve bu durumda maksimum genlikli çift tepe ile çift çukur oluşur. Bu noktalar dalga katarı noktalarıdır.

Bir dalganın tepesi ile diğer dalganın çukuru üst üste gelebilir ve bu durumda dalgalar bir anlık sönümlenir (minimum genlik). Bu noktalar düğüm noktalarıdır.

Dalga katarı noktalarının birleştirilmesiyle çizilen çizgilere katar çizgisi denir. Bu olaya yapıcı (katar) girişim denir.

Düğüm noktalarının birleştirilmesiyle oluşan çizgilere düğüm çizgisi denir. Bu olaya yıkıcı (düğüm) girişim denir.

Oluşan katar noktalarının bir çizgi ile birleştirilmesi katar çizgilerini, düğüm noktalarının bir çizgi ile birleştirilmesi düğüm çizgilerini meydana getirir. Katar ve düğüm çizgileri iki kaynak arasında oluşur, kaynakların üzerinde ve kaynakların dışında bu çizgiler oluşmaz. Bu çizgiler kaynakları birleştiren doğrunun tam ortasında oluşan katar çizgisine göre simetrik dizilir. Katar noktaları hareketli veya titreşimli noktalardır. Düğüm noktaları ise hareketsiz veya titreşimsiz noktalardır.

Dalga Katarı ve Düğüm Çizgileri

Dalga Katarı ve Düğüm Çizgilerini Oluşturalım, 

Aynı anda çalıştırılan iki noktasal dalga kaynağının oluşturulduğu girişim deseninde seçilen A noktasında olduğu gibi iki dalga tepesinin üst üste binmesiyle maksimum genlikle titreşen aydınlık noktalara çift tepe, B noktasındaki gibi iki dalga çukurunun üst üste binmesiyle oluşan ve maksimum genlikle titreşen karanlık noktalara çift çukur ve C noktasında olduğu gibi tepe ve çukurların üst üste gelmesiyle oluşan titreşimsiz noktalara da düğüm noktası denir.

Dalga leğeninde oluşan girişim deseninde çift tepe ve çift çukur noktalarının bir hat oluşturduğu görülür. Çift tepe ve çift çukur noktalarının birleştirilmesiyle elde edilen çizgilere dalga katarı ya da karın çizgisi denir. Kaynaklar arasındaki uzaklığı iki eşit
parçaya bölen bu doğru üzerinde oluşan katara merkezi dalga katarı ya da 0. (sıfırıncı) dalga katarı denir. 

Tepe ve çukurların üst üste gelmesiyle oluşan titreşimsiz noktalara da düğüm noktası denir. Düğüm noktaları işaretlenip birleştirildiğinde elde edilen çizgilere de düğüm çizgisi denir.

Oluşan girişim çizgilerinin özellikleri aşağıda verilmiştir.

1. Merkez doğrusuna göre simetrik ve eşit sayıdadır.
2. Kaynaklar üzerinde ve kaynakların dışında gözlenmez.
3. Ardışık bir dalga katarıyla düğüm çizgisi arasındaki uzaklık, oluşturulan dalgaların dalga boyunun 1/4 katıdır.
4. Ardışık iki dalga katarı ya da iki düğüm çizgisi arasındaki uzaklık, oluşturulan dalgaların dalga boyunun 1/2 katıdır.
5. Çizgi sayısı kaynaklar arası uzaklık ile doğru, dalgaların dalga boyu ile ters orantılıdır.

Girişim deseni üzerinde seçilen bir noktaya, özdeş kaynaklardan gelen dalgaların aldığı yolların farkına yol farkı (∆S) denir. Yol farkı seçilen noktanın hangi girişim çizgisi  üzerinde olduğunun belirlenmesine yardımcı olur.

Girişim deseni üzerinde seçilen bazı noktaların K1 ve K2 dalga kaynaklarına uzaklıkları λ cinsinden ifade edilirse I. dalga katarı üzerindeki A noktasının K1 kaynağına uzaklığı 4λ, K2 kaynağına uzaklığı 3λ dır.

A noktasının yol farkı ∆S = AK1 – AK2 den ∆S = 4λ – 3λ = λ dır.

2. dalga katarı üzerindeki B noktasının K1 kaynağına uzaklığı 1,5λ, K2 kaynağına uzaklığı 3,5λ dır.

Yol farkı ∆S = BK2 – BK1 den ∆S = 3,5λ – 1,5λ = 2λ olur.

Bu açıklamalardan yola çıkılarak “Desen üzerinde seçilen bir noktanın kaynaklara olan uzaklıkları arasındaki fark, dalga boyunun tam katları ise seçilen nokta, dalga katarı üzerinde bir noktadır. Bu tam sayı, kaçıncı dalga katarı üzerinde olduğunu gösterir.” şeklinde çıkarımda bulunulabilir.

1. düğüm çizgisi üzerindeki C noktasının K1 kaynağına uzaklığı 2λ, K2 kaynağına uzaklığı 2,5λ dır.

Yol farkı ∆S = CK2 – CK1 den ∆S = 2,5λ – 2λ = 0,5 λ olur.

2. düğüm çizgisi üzerindeki D noktasının K1 kaynağına uzaklığı 4λ, K2 kaynağına uzaklığı 2,5λ dır.

Yol farkı ∆S = DK1 – DK2 den ∆S = 4λ – 2,5λ = 3/2 λ olur.

“Desen üzerinde seçilen bir noktanın kaynaklara olan uzaklıkları arasındaki fark, dalga boyunun buçuklu katları şeklinde ise seçilen nokta, düğüm çizgisi üzerinde bir noktadır.” çıkarımında bulunulabilir.

Bir periyotluk sürede (T) bir dalga tepesi ve bir dalga çukuru oluşmaktadır. Bir dalganın tepe ve çukur noktaları T/2 saniyede oluşur. Bir dalga T/2 sürede λ/2 yol alacağından dalga katar çizgileri veya düğüm çizgileri arası mesafe, kaynakların ürettiği dalgaların dalga boyunun yarısı kadar olmalıdır (λ/2). Kaynakları birleştiren doğru üzerinde bir dalga katarı ile bir düğüm çizgisi arası mesafe bu durumda λ/4 olur. 

Çizgiler arası mesafe λ/4 olduğuna göre dalga boyunun büyümesi çizgiler arası mesafeyi artıracaktır. Böylelikle girişimde gözlenen çizgi sayısı azalacaktır. Tüm çizgiler kaynaklar arasında gözlemleneceğinden kaynakların birbirine yakın olması diğer koşullar sabit tutulduğunda simetrik katar ve düğüm çizgisi sayısını azaltabilir. Dalga deseninde seçilen herhangi bir noktanın kaçıncı dalga katarı veya düğüm çizgisi üzerinde olduğunu anlamak için o noktanın kaynaklara olan uzaklıkları farkına bakılabilir (yol farkı). Bilinen bir çizgi
üzerindeki tüm noktaların kaynaklara olan uzaklıkları farkı eşittir. Kaynağın ürettiği dalgaların dalga boyu λ ise 2. katar çizgisi üzerindeki tüm noktaların yol farkı 2λ dır. Noktanın kaynaklara olan yol farkı dalga boyunun tam katları ise (0, λ, 2λ, 3λ….) dalga katarı, dalga boyunun yarım katları ise ( λ/2, 3λ/2 …) düğüm
çizgisidir. Merkez doğrusunda yer alan tüm noktaların kaynaklara olan uzaklıklarının farkı sıfırdır.

Yol farkı = n. λ

Bu denklem ile herhangi bir noktanın kaynaklara olan yol farkı alındığında dalga boyunun tam katı olduğu için noktanın kaçıncı katar çizgisi üzerinde olduğu bulunur (n=0,1,2,3…)

Yol farkı = (n – 1/2) λ

Bu denklem ile seçilen herhangi bir noktanın kaynaklara olan yol farkı alındığında dalga boyunun yarım katı olduğu için noktanın kaçıncı düğüm çizgisi üzerinde olduğu bulunur (n=1,2,3…).