Optik (TYT Fizik / 10.Sınıf Fizik)

Description

Optik, ışık hareketlerini, özelliklerini, ışığın diğer maddelerle etkileşimini inceleyen; fiziğin ışığın ölçümünü ve sınıflandırması ile uğraşan bir alt dalı.[1] Optik, genellikle gözle görülebilen ışık dalgalarının ve gözle görülemeyen morötesi ve kızılötesi ışık dalgalarının hareketini inceler. Çünkü ışık bir elektromanyetik dalgadır ve diğer elektromanyetik dalga türleri (X-ray, mikrodalga, radyo dalgaları gibi) ile benzer özellikler gösterir.

Çoğu optik olay ışığın klasik elektromanyetizma tanımı ile açıklanabilmektedir. Işığın elektromanyetik tanımlarını tam anlamıyla pratikte kullanmak zordur. Pratik (uygulanabilir) optikte genelde basitleştirilmiş modeller kullanılır. Bu modellerin en yaygını olan geometrik optik; ışığı bir demet olarak ele alır ve ışığı yüzeylerden yansırken, geçerken bükülen bir çizgi varsayar. Fiziksel optik ise ışığın daha kapsamlı bir modelidir. Geometrik optikle açıklanamayan dalga, kırınım, girişim olaylarını barındırır. Tarihsel olarak ışığın demet temelli modeli dalga modelinden önce geliştirilmiştir. 19. yüzyılda elektromanyetik teorideki gelişim ışık dalgalarının aslında elektromanyetik dalga olduğunu göstermiştir.

Bazı optik fenomenleri dalga parçacık ikiliğini ortaya çıkarır. Bu etkiler kuantum mekaniği ile açıklanır. Işığın parçacık modeli söz konusu olduğunda ışık foton adı verilen parçacıkların birleşimi olarak modellenir. Kuantum optiği, kuantum mekaniğini optik sistemlerine uyarlar.

Bir bilim ve fizik dalı olarak optik, astronomi, mühendislik, fotoğrafçılık ve tıp (ağırlıklı olarak oftalmoloji ve optometri) gibi bilim dallarıyla ilintilidir ve bu dallarla birlikte çalışır. Optiğin günlük hayatımızda ve teknolojide çok fazla kullanım alanı vardır. Örneğin; ayna, mercek, teleskop, mikroskop, lazer, fiberoptik gibi günlük eşyaların yapımında ve kullanımında optik biliminden yararlanılır.

Yansımalar ikiye ayrılır: düzgün yansıma ve dağınık yansıma. Düzgün yansıma, ışığın ayna gibi parlak yüzeylerden basitçe ve öngörülebilir bir şekilde yansımasıdır. Düzgün yansımada yansıyan görüntünün konumu gerçek olabileceği gibi sanal da olup uzayda tahmin edilebilir bir konumda olabilir. Dağınık yansıma; opak, berrak olmayan, kâğıt ve kaya gibi nesnelerin yüzeyinde gerçekleşen yansımadır. Bu yüzeylerdeki yansımalar, yansıyan ışığın ,kaynak yüzeydeki materyalin mikroskobik yapısına bağlı olarak, tam dağlımı ile sadece istatistiksel olarak belirlenebilir. Birçok dağınık yansıtıcının özelliği Lambert Kosinüs Yasası ile açıklanır ya da tahmin edilir. Bu yasa herhangi bir açıdan bakıldığında aynı parlaklığı veren yüzeylerde kullanılır. Parlak yüzeylerde hem dağınık hem de düzgün yansıma görülebilir.

Düzgün yansımada yansıyan ışının yönü, gelen ışının yüzey normali (ışının yüzeye değdiği noktadan çizilen dikme) ile yaptığı açıya göre belirlenir. Gelen ışın, yansıyan ışın ve normal aynı düzlemdedir. Gelen ışının normalle yaptığı açı yansıyan ışının normalle yaptığı açıya eşittir.[41] Bu aynı zamanda Yansıma Yasası olarak da bilinir.

Düzlem aynalarda yansıma yasasına göre nesnenin görüntüsü, nesnenin aynaya uzaklığına eşit mesafede düz ve aynanın arkasında oluşur. Nesne ile görüntünün boyu eşittir. Yasa aynı zamanda ayna görüntüsünü dönüşümçarpanı ile sağ-sol farkına sebep olduğunu da ifade eder. İki (ya da herhangi bir çift sayı) defa yansımaya uğramış bir nesnenin görüntüsünde dönüşüm (sağ-sol farkı) yoktur. Köşe yansıtıcılar ışının izlediği yoldan geri dönmesini sağlar.

Yüzeyleri kavisli olan aynalar ışın izleme ile ve yüzeyinin her noktasında yansıma yasası kullanılarak modellenebilir. Parabolik yüzeye sahip aynalarda ise birbirine paralel ışınlar aynadan yansır ve ortak bir odakta birleşirler. Diğer kavisli yüzeyler de ışığı odaklayabilir fakat ışınlar ıraksak şekle sahip aynalarda saparak sonsuzda odaklanır. Özellikle küresel aynalar, küresel sapmaya neden olur. Kavisli aynalar görüntüyü büyütebilir ve küçültebilir ya da büyütme negatif olur. Büyütmenin negatif olması görüntünün ters döndüğünü işaret eder. Düzgün görüntüler sanal, ters görüntüler ise gerçek görüntülerdir. Bu sayede ters görüntüler bir ekrana aktarılabilir.

Kırınım ışık kırılma indisi farklı bir ortama geçerken gerçekleşir. Bu prensip sayesinde mercekler ışığı odaklayabilmektedir. En basit şekilde kırılma; ışık kırılma indisi {\displaystyle n_{1}} olan bir ortamdan kırılma indisi {\displaystyle n_{2}} olan bir ortama geçerken gözlenir. Bunun gibi durumlarda Snell yasası ışık ışının sapma miktarını hesaplar

Snell Yasası'nın birçok sonucundan biri de ışık ışınlarının yüksek kırıcılık indisi olan maddeden düşük kırıcılık indisi olan maddeye doğru gitmesidir. Arayüzle temas sonucu tüm ışının yansıyıp hiçbir kısmının emilmemesi de olasıdır. Bu olaya tam yansıma denir ve Fiber optik teknoloji bu mantıkla çalışır. Işık sinyalleri fiber optik kabloda ilerlerken tam yansımaya uğrar bu sayede kablo boyunca ışık kaybı olmaz. Aynı zamanda yansıma ve kırılma kullanarak polarize ışık ışınları elde etmek mümkündür. Kırılan ve yansıyan ışın dik açıyla gelirse yansıyan ışın "düzlemsel (lineer) polarizasyon" özelliği kazanır. Bunun gibi durumların gerçekleşmesi için gereken gelme açısına Brewster açısı denir.[41]

Snell Yasası, ortam doğru ışık ışınlarının kırılma indisi ve geometrisi bilinen "lineer ortam"da sapma miktarlarını ölçmek için kullanılabilir. Örneğin ışığın bir prizmadan geçmesi sonucu ışınların sapması ve yayılması prizmanın şekline ve konumuna bağlıdır. Ek olarak çoğu maddede farklı frekanstaki ışıkların farklı kırılma indisi olduğu için kırılma gök kuşağındaki gibi ışık tayfı üretebilir. Bu olayın keşfi Isaac Newton'a mal edilir.[41]

Işığı kırabilen maddelerde kırınım indisi pozisyonla aşamalı olarak değişir ve böylece ışık ışınları düz çizgiler halinde değil bükülmüş olarak yol alır. Bu etki; sıcak havalarda havanın kırılma indisinin değişerek ışık ışınlarının bükülmesine ve uzaktaki nesnelerin çeşitli şekillerde (havuz yüzeyinde olduğu gibi) algılanmasına sebep olur. Serap olayı buradan kaynaklanır. Birden fazla kırılma indisine sahip maddelere değişken-indisli (GRIN) maddeler denir. Bu maddeler modern optikte fotokopi makinesi ve tarayıcı gibi cihazların yapımında olduğu gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Bu olay Değişken indis optiği alanında incelenir.

Kırılma ile ışınları birleştiren ya da ayıran cihazlara mercek (lens) adı verilir. İnce mercekler, merceğin iki tarafında da odak noktası oluşturabilirler. Bu noktalar Lensmaker denklemi ile modellenebilir.[43] Genel olarak iki tip mercek vardır: paralel ışınları birleştiren konveks (dışbükey, ince kenarlı ya da yakınsak) mercek ve paralel ışınları ayıran konkav (içbükey, kalın kenarlı ya da ıraksak) mercek. Merceklerin oluşturduğu görüntünün ayrıntılı tahmini için küresel aynalarda kullanılan ışın izleme yöntemi kullanılabilir. Küresel aynalarda olduğu gibi ince merceklerde de verilen odak noktasının uzunluğu ({\displaystyle f}) ve nesne uzaklığı ({\displaystyle S_{1}}) kullanılarak basit bir denklem ile cismin görüntüsünün nerede olduğu belirlenebilir

Bu denklemde {\displaystyle S_{2}} görüntünün mesafesini ifade eder ve görüntü ile nesne aynı tarafta ise negatif; farklı tarafta ise pozitif kabul edilir. Odak uzaklığı {\displaystyle f} konkav merceklerde negatif alınır.

Paralel gelen ışınlar ince kenarlı (konveks) mercek tarafından, merceğin uzak tarafında odaklandırılarak bir odak uzaklığı mesafede ters bir şekilde gerçek görüntüye dönüştürülürler. Sonlu bir mesafedeki nesneden gelen ışınlar odak noktasından daha öte bir noktada odaklanırlar; nesne merceğe yaklaştıkça görüntü mercekten uzaklaşır. Kalın kenarlı (konkav merceklerde), paralel gelen ışınlar mercekten geçtikten sonra mercekten bir odak uzunluğu mesafede, paralel ışınların geldiği mercek tarafındaki düz bir sanal görüntüden kaynaklanmışçasına dağılırlar. Sonlu mesafedeki bir nesneden gelen ışınlar, merceğe odak noktasından daha yakın, nesne ile aynı tarafta olan bir sanal görüntü ile ilişkilendirilirler. Nesne merceğe yaklaştıkça, sanal görüntü de merceğe yaklaşır.

Merceklerde odağı ve görüntüyü bozan optik aberasyonlar gözlemlenebilmektedir. Bu aberasyonlar (sapınçlar) geometrik kusurlardan ya da ışığın değişik dalga boyları nedeniyle ortaya çıkan kırınım indeksi değişiminden (kromatik aberasyon) kaynaklanabilmektedir.

TAKE THIS COURSE