Işık dağılımı (ışığın ayrışması; ışık saçılması), ortamın kırılma indisinin ışık dalgasının frekansına bağımlılığı nedeniyle ışığın bir spektruma ayrışmasıdır.
Muhtemelen, gökyüzünde çok renkli bir yay oluşumu olayı gözlemlene bilmektedir. Örneğin bir gökkuşağı oluşumunun gözlemlenmesi, buna örnektir. Güneşli bir sabahta renkli çiy damlaları görmüş olabilirsiniz. Yağmuru sevmiyorsanız ve sabah kalkmayı sevmiyorsanız, önünüze bir bardak karbonatlı maden suyu koyun ki güneş ışınlarıyla odanız aydınlansın. Ardından bardaktaki gaz kabarcıklarının renk değiştirdiğini ve parladığını göreceksiniz. Bütün bu olaylar, ışığın ayrışmasının (dağılmasının) tezahürleridir.
1665-66’da Newton tarafından gerçekleştirilen bir prizma ile güneş ışığının ayrıştırılması, bilim dünyası tarafından fizik tarihindeki en güzel on deneyden biri olarak kabul edilmiştir. Böylece bilim adamı, beyaz ışığın aslında bir renk karışımı olduğunu göstermiştir. Bu durumda, spektrumdaki tüm renklerin kombinasyonu beyaz ışık vermektedir.
Beyaz ışığın ayrışması
Beyaz ışığın farklı renklerin bir karışımı olduğunu ilk kanıtlayan fizikçi, evrensel yerçekimi yasasını keşfeden Isaac Newton’dur. Deneyinde prizmayı kullanmıştır.
Bir prizma, üçgen tabanlı bir prizma olan optik olarak saydam bir malzemeden (genellikle cam) yapılmış katı bir gövdedir. Işık bir prizmadan geçtiğinde iki kez kırılmaktadır. Önce hava-cam arayüzünde (prizmaya girerken) ve sonra cam-hava arayüzünde (prizmadan çıkarken) renk ayrışması gözlemlenmektedir. Işık demetinin prizma içindeki yolu aşağıdaki görselde gösterilmiştir.
Beyaz ışığın birincil, basit renklerin bir karışımı olduğu için bozunduğu hipotezini test etmek için şunlar gereklidir.
Neye ihtiyacın olacak?
- Beyaz ışık kaynağı (LED el feneri, projektör);
- Yuva;
- Standlı prizma;
- Ekran.
Gerekli talimat ise şu şekilde olmalıdır;
- Yuvayı doğrudan ışık kaynağının arkasına dikey olarak yerleştirin.
- Işık kaynağını prizmanın bir duvarına yöneltin.
- Ekranı, prizmadan geçtikten sonra ışık üzerine düşecek şekilde konumlandırın.
Deney sonucunda elde ettiğimiz sonuç
Ekranda, beyaz bir ışık demetinin dağılmasının bir sonucu olarak mordan kırmızıya bir dizi renk olan beyaz ışık spektrumunu gözlemlenmektedir. Dolayısıyla beyaz ışık renklerin bir karışımıdır.
Beyaz ışık spektrumunun oluşum mekanizması nedir?
Renklerin karışımı olan bir ışık demeti prizmadan geçerken çift kırılmaya uğramaktadır. Aşağıdaki şekilde bu durumu görmek mümkündür. Her bileşen farklı bir açıyla kırılmaktadır. Çünkü bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızı değişmektedir.
Bir prizmadan geçerken, menekşe rengi ışık orijinal yönünden en fazla, kırmızı ışık ise en az sapma göstermektedir.
Beyaz ışık prizmaya girdiğinde ışığın dağılması zaten oluşmaktadır. Prizmadan çıkarken, beyaz ışığın renk bileşenlerinin prizmadan ayrıldığı kırılma açılarını artırmaktadır. Bu nedenle bu oluşumu daha belirgin hale getirmektedir.
Işığın dağılımı, gökkuşağının oluşumu gibi doğada gözlemlenen birçok olayı açıklayabilmektedir.
Işık dağılımının nedeni
Beyaz ışığın bir prizmadan ayrışmasının nedeni şudur. Farklı renkteki ve dolayısıyla farklı dalga boylarındaki ışık, cam gibi bir malzemede farklı yayılma hızlarına sahiptir. Örneğin aynı camda mavi ışığın yayılma hızı kırmızı ışığınkinden daha düşüktür.
Bu nedenle ışığın kırılma yasasına göre mavi ışık kırmızı ışıktan daha fazla kırılmaktadır. Beyaz ışığın farklı kısımlarının farklı kırılmalarının bir sonucu olarak, ışık bir yelpaze gibi açılmakta ve bir spektrum oluşturmaktadır. Buna prizma spektrumu da denmektedir. Beyaz ışık kullanıldığında sürekli bir spektrum oluşmaktadır.
Spektral renklerin dalga boyları ve frekansları
Spektrumun görünür aralığı, 390 nm ila 780 nm arasındaki dalga boyu aralığını kapsamaktadır. Bu nedenle 7,7–1014 Hz ila 3,8–1014 Hz arasındaki frekans aralığına karşılık gelmektedir.
Daha uzun dalga boyları (kısa frekanslar) yönünde kızılötesi ışık eklenmektedir. Eğer durum daha kısa dalga boylarını kapsıyorsa, yüksek frekanslar yönünde ultraviyole ışık eklenmektedir.
Altı renk için spektral frekanslar ve dalga boyları farklılık göstermektedir. Her spektral rengin belirli bir dalga boyu aralığını kapsadığı verilerden görülebilmektedir.
Bu nedenle, spektral renkli ışık (her zaman bir dizi dalga boyunu içerir) ile belirli bir dalga boyundaki ışık (her zaman spektral renkli ışığın bir parçası) arasında ayrım yapmak gerekmektedir.
Işığın dağılmasından kaynaklanan sorunlar
Işık dağılımı güzel ve göz alıcı bir olgudur. Ancak aynı zamanda zahmetli de olabilmektedir. Gökyüzünün ilk gözlemleri, tek cam mercekli teleskoplar kullanılarak yapılmıştır.
Bir ışık demeti bir mercekten geçtiğinde ve bir prizmada olduğu gibi, özellikle “kalın” merceklerde kırıldığında, ışık ana renklere bölünebilmektedir. Her rengin kendi odak noktası vardır. Bu nedenle tüm ışık ışınlarının birleştiği tek bir nokta yoktur. Sonuç olarak, gözlemlenen nesnelerin çevresinde bir renk saçağı da fark edile bilmektedir. Bu nedenle görme keskinliğinde bir azalma yaşayabilirsiniz.
Bu fenomene renk sapması denmektedir. Bu kavramın tanımı ise şu şekildedir;
Kromatik sapma – beyaz ışığın bileşen renklerine ayrışmasından kaynaklanan bir mercek kusurudur. Böylece her bir rengin mercekten farklı bir mesafede bulunan kendi odağı vardır.
Kameralar plastik veya cam merceklerle donatıldığından hem basit teleskoplarla yapılan astronomik gözlemlerde, hem de normal fotoğrafçılıkta renk sapmaları görüntü kalitesini etkilemektedir. Bu etki, tek tek lensler yerine uygun şekilde eşleşen lensler (renksiz sistem) kullanılarak ortadan kaldırılabilmektedir.
Örnekler
Işık dağılımının gözlemlendiği olaylara aşağıdaki örnekler verile bilmektedir;
- Beyaz ışığın prizmadan yayılması. Şekil 2’de gösterildiği gibi, beyaz ışık bir prizmaya çarptığında, dağılım nedeniyle prizmadan yedi renkten oluşan bir “koleksiyon” çıkmaktadır.
- Yoldaki yağ nedeniyle dağılma. Otomobillerin yağlama yağı gibi, yolun yüzeyinde genellikle az miktarda yağ bulunmaktadır. Bu nedenle, yağmur yağdığında güzel renk şeritlerine neden olmaktadır.
- Gökkuşağı oluşumu. Gökkuşağı, gezegende şimdiye kadar görülen en şaşırtıcı ışık tezahürlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Su damlacıklarının üzerine düşen ışığın oluşturduğu çok renkli bir yaydır. Yağmur sırasında ışığın su damlacıklarında emilmesi, kırılması ve saçılması sonucunda gökkuşağı oluşmaktadır. Tüm bu olaylar, gökyüzünde gökkuşağı adı verilen bir ışık tayfı oluşturmaktadır.
- Elmas içinde dağılım. Bu durum, beyaz ışığın bir pırlantaya (veya başka herhangi bir yoğun nesneye) çarptığı, gökkuşağının tüm spektral renklerine bölündüğü ve renkli ışığın güzel bir görüntüsü olarak gözlemcinin gözüne geri yansıdığı zamandır. Bu durum aynı zamanda “elmas ateşi” olarak da bilinmektedir.
