Elektromagnetik ışın, elektriksel ve magnetik alanlardan
oluşan ve ortamda, dalga ilerleme yönüne 900'lik bir yönde salınan
bir elektriksel kuvvet alanı gibi düşünülebilir. Bir ışın demetinin, ortamda
sabit bir noktadan geçerken izlediği yol grafiksel olarak gösterilmek
istenirse, vektöryel miktarlardan (elektrik veya magnetik alanlar) birisi
zamanın veya mesafenin fonksiyonu olarak grafiğe alınır. Şekil-1’de elektriksel
vektör ordinat olarak alınmıştır. Normal olarak ışının absorbsiyonu, yansıması,
kırılması ve geçmesi gibi oluşumlardan elektriksel kuvvet sorumlu olduğundan,
çoğunlukla sadece elektriksel vektör kullanılır.
Şekil-1: Monokromatik, düzlem-polarize
ışının yayılımı
Dalga Parametreleri
Periyot, p: Ortamdaki sabit bir noktadan geçen bir
ışının birbirini takip eden iki tepe noktası arasındaki mesafeyi (devir)
geçmesi için gerekli zamandır; birimi saniye/devir.
Genlik, A (Amplitude): Dalga hareketinin denge
halinden olan maksimum yer değiştirmesidir.
Frekans, n:
Saniyedeki titreşim sayısıdır ve 1/p ye eşittir. Frekans ışık kaynağı
tarafından belirlenir ve ışının geçtiği ortamdan etkilenmez. Frekansın genel
birimi Hz (hertz) dir ve 1 devir/saniye ye eşittir.
Yayılma Hızı, vi: Dalganın bir ortamdan geçiş
hızıdır. Hız ortama ve frekansa bağımlıdır. Hızın frekansa bağımlılığı i alt
işareti ile tanımlanır.
Dalga boyu, li:
Bir dalganın, birbirini takip eden iki maksimum veya iki minimum dalgalanma
noktası arasındaki doğrusal mesafedir. vi = n li cm/sn İfadesi, frekansın dalga boyu ile
çarpımının hıza eşit olduğunu gösterir. Vakumda ise hızın frekansa bağımlılığı
yoktur. Bu koşullardaki hız c ile gösterilir,
c = 3 x 1010 cm/s olarak saptanmıştır.
Işının havadaki hızı, vakumdaki hızından (c) ~%0.03 daha
düşüktür. Bu çok az bir fark olduğundan c = n
l = 3 x 1010 cm/s havadaki ışın hızı olarak da kullanılır.
Vakum olmayan herhangi bir ortamda hızın değeri, ortamda
bulunan moleküller ve atomların elektronları İle ışının elektromagnetik
alanının etkileşmesi nedeni ile düşüktür. Işının frekansı kaynak tarafından
sabitleştirilmiş ve değişmez olduğundan, ışının vakumdan madde içeren bir
ortama geçmesi halinde dalga boyu değeri azalır. Bu etki Şekil-2’de
görülmektedir.
Dalga sayısı, s:
Elektromagnetik ışını tanımlayan bir başka parametre olan dalga sayısı her bir
cm deki dalgaların sayısıdır ve vakumdaki dalga boyu cm cinsinden ifade
edildiğinde 1/l ya eşittir.
Şekil-2: Monokromatik ışına ortam
değişikliğinin etkisi
Işının
Gücü veya Şiddeti: Işının gücü, P, demetin bir yere bir saniyede ulaşabilmesi
için gerekli olan enerji miktarıdır; şiddet ise I ile gösterilir ve birim açıya
düşen güçtür. Bu iki terim, Şekil-1'de gösterilen genliğin (A) karesi ile
bağıntılıdır.
Işının
Enerjisi, eV (elektron volt): Bir elektronun 1 volt potansiyel verilmesi durumunda
kazandığı enerji miktarıdır.
Dalgaların Süper Hali: Süper hal ilkesi"ne göre, iki
veya daha fazla dalganın aynı ortamı geçmeleri durumunda meydana gelen yer
değiştirme, her bir dalganın neden olduğu yer değiştirmelerin toplamına
eşittir. Bu ilke, atom ve moleküllerin yerlerinin değişmelerine neden olan
dalgalara uygulanabildiği gibi, yer değiştirmenin elektriksel kuvvet alanına
bağlı olduğu elektromagnetik dalgalar için de geçerlidir; örneğin frekansları
aynı, genlik ve faz açısı farklı n tane elektromagnetik dalga ortamdaki bir
noktadan geçtiğinde toplam kuvvet alanı,
y = A1 sin (2pnt + f1) + A2 sin (2pnt + f2) + ... + An sin (2pnt + fn)
Bir madde tarafından soğurulan veya yayımlanan bir fotonun
enerjisi, maddeyi oluşturan elemanlardan birinin herhangi bir moleküler
hareketiyle veya iki farklı moleküler (veya atomik) durum arasındaki enerji
farkı ile ilişkilidir. Bu nedenle ışını enerji birimleri ile veya enerji ile
doğrudan orantılı olan frekans (Hz) veya dalga sayısı (cm-1 )
terimleri ile tanımlanır. Diğer taraftan ışının deneysel ölçümleri, cm, mm veya nanometre gibi dalga boyu
birimlerinin tersi ile ifade edilir.
Yüksek enerjili X-ışınları veya UV ışının tanımlanmasında
elektron volt (EV) kullanılır; elektro volt, bir elektronun 1 volt potansiyel
verilmesi durumunda kazandığı enerji miktarıdır. Işın enerjisi her bir mol
fotonun enerjisi olarak da tanımlanabilir; bu, fotonların Avagadro sayısına
eşittir. Enerji birimleri kcal/mol veya cal/mol dür.
Işın ve madde arasındaki bazı etkileşimleri anlamak için
ışının "fotonlar" veya "kuvanta" denilen enerji
paketlerinden oluştuğu varsayılır. Bir fotonun enerjisi ışının frekansına
bağlıdır ve aşağıdaki bağıntı ile verilir.
göre l ~ 10-8
cm olan bir X-ışını fotonunun enerjisi sıcak bir tungsten telden yayılan
fotonun (l ~ 10-4 cm)
enerjisinin yaklaşık 10000 katıdır.
Işığın parçacık niteliğini, yani elektromagnetik
kuantumların (fotonların) varlığını içeren başlıca olay ve deneyler siyah
cismin ışıması, fotoelektrik etki ve Compton saçılmasıdır.
Siyah Cismin Işıması: Katılar akkor hale kadar
ısıtıldıklarında sürekli bir ışın çıkışı olur. Çıkan ışın, çıkışına neden olan
madde yüzeyinin bileşiminden çok sıcaklığına göre karakteristik bir durum
gösterir. Bu tip ışına "siyah-cisim ışını" denir ve ısıl enerji ile
katı içinde sayısız atomik ve moleküler salınımlar oluşturularak elde edilir.
Siyah-cisim ışının teorik incelemesi aşağıdaki sonuçları verir:
·
Işındaki dalga boylarından mutlak sıcaklığın
tersi ile orantılı olan dalga boyu, maksimum değere sahiptir (lmaks. µ1/T);
·
Bir siyah-cisimden çıkan toplam enerji (birim
zaman ve alan için), sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle değişir (Etoplam
µ
T4);
·
Belirli bir sıcaklıktaki ışının çıkış gücü dalga
boyunun beşinci kuvvetinin tersi ile değişir (P µ 1/l5).
Şekil-3: Frekansın fonksiyonu olarak siyah
cisim ışın şiddeti
Fotoelektrik
Etki: Fotoelektrik
etkide foton absorbsiyonuyla atom bir elektron çıkararak iyonlaşır
Elektromagnetik ışının davranışını tanımlamada bir tanecik modeli oluşturmak
için "fotoelektrik etki" kavramının bilinmesi gerekir. Yeteri kadar
enerjili bir ışın metalik bir yüzeye çarptığında metalden elektronlar çıkar,
yani yayılır. Yayılan elektronların enerjisi, metale çarpan ışının frekansı ile
ilişkilidir ve, E = h n - w eşitliği
ile ifade edilir. w iş fonksiyonudur ve metalden vakuma elektronları çıkarmak
için gerekli işi gösterir. E doğrudan frekansa bağımlı olduğundan ışın
demetinin şiddetinden dolayı değişmez, ışının şiddeti arttıkça sadece E enerjisi
ile "çıkarılan elektronların sayısı" artar. Metale çarpan ışının
metal yüzeyine düzgün bir şekilde dağılması halinde, hiç bir elektronun kopmak
için gerekli enerjiyi kazanamadığı hesaplarla saptanmıştır. Bu durum, enerjinin
ışık demetinde muntazam bir şekilde dağılmadığını, bazı noktalarda yoğunlaştığı
veya enerji tanecikleri halinde bulunduğu varsayımına yol açmaktadır. (Şekil-4a).
Elektronların emisyonu için gerekli iş, w, her metal için
farklıdır. Alkali metallerin iş fonksiyonları düşüktür ve görünür (visible)
bölgedeki ışının etkisi ile elektron yayarlar. Periyodik tabloda da alkali
metallerin sağında bulunan metallerin iş fonksiyonları daha yüksektir ve
fotoelektrik etki için daha yüksek enerjili Ultraviyole ışınlara gereksinim
gösterirler.
Şekil-4: (a) Fotoelektrik etki (potasyum
elektron çıkışı için en az 2.0 eV uygulanır, (b) fotoiyonizasyon
Compton Saçılması: Gelen fotonun enerjisi, iyonlaşma
enerjisinden çok büyüktür. Compton, karbon bir hedefteki elektronlardan
X-ışınlarının saçıldığının gözlemlemiş ve saçılan X-ışınlarının dalga boyunun
gelen ışınınkinden daha uzun olduğunu bulmuşur. Dalga boyundaki artış, Compton
formülüne göre,
Compton modeli, ışığın tanecik (foton) karakterde olduğu
kabul edilerek ve foton ve elektron arasındaki çarpışmada enerji ve momentumun
korunum ilkesi olduğu varsayılarak çıkarılmıştır. Saçılan fotonun enerjisi daha
düşüktür, bu nedenle Planck bağıntısına uygun olarak dalga boyu daha uzundur.
(Şekil-5)
Şekil-5:
Compton Saçılmasının şematik görünümü
