Su Dalgalarında Kırınım ve girişim hocalara geldik
Çift yarıkta girişim
Tek yarıkta kırınım
Durgun su yüzeyinde oluşturulan λ dalga boylu doğrusal dalgalar engel aralığı w olan engeller arasına gönderildiğinde engelin arkasında doğrusal olarak yollarına devam ediyorsa w > λ dır (Şekil 3.2: a). Engel aralığı küçültülerek su dalgalarının dalga boyuna yakın bir büyüklüğe getirildiğinde (λ ≈ w) doğrusal dalgalar, engelin arkasına geçerken hafif büküldüğünden kırınım olayı kısmen gerçekleşmiş olur (Şekil 3.2: b). Engeller arası uzaklık biraz daha küçültülerek su dalgalarının dalga boyundan daha küçük (λ > w) hâle getirildiğinde ise kırınım net olarak gerçekleşir ve dalgalar daha çok bükülerek yayılır (Şekil 3.2: c).
Su Dalgalarında Girişim Olayı
Durgun bir su birikintisi üzerine düşen yağmur damlalarının su yüzeyinde oluşturduğu dairesel su dalgalarının görüntüsü Görsel 3.3’teki gibidir. Havuza ya da göle birbirine yakın noktalarda atılan iki küçük taşın su yüzeyinde oluşturduğu dairesel dalgalar, birbiri içinden geçerken Görsel 3.4’teki gibi bir görüntü oluşturur. İki ya da daha fazla sayıda dalganın birbiri içerisinden geçmesi olayına girişim denir. Girişim yapan dalgaların oluşturduğu desene de girişim deseni denir (Görsel 3.5). Su dalgalarında girişim olayını gözlemlemek için “Su dalgalarında giri- şim” deneyini yapınız.
Bir dalga leğeninde aynı anda çalıştırılan özdeş iki noktasal dalga kaynağının ürettiği dalgaların oluşturduğu girişim deseni Görsel 3.6’daki gibidir. Dairesel su dalgalarının birbiri içinden geçerken dalga tepeleri ve dalga çukurları bazı noktalarda birbirini güçlendirir, bazı noktalarda da birbirini söndürür. Aynı anda çalıştırılan iki noktasal dalga kaynağının oluşturulduğu girişim deseninde (Şekil 3.3) 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 (Görsel 3.7) 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 (Şekil 3.4). Kaynaklar arasındaki uzaklığı iki eşit parçaya bölen bu doğru üzerinde oluşan katara merkezi dalga katarı ya da 0. (sıfırıncı) dalga katarı denir. Benzer şekilde düğüm noktaları işaretlenip birleştirildiğinde elde edilen çizgilere de düğüm çizgisi denir (Şekil 3.4).
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 4 de 1 katıdır.
4. Ardışık iki dalga katarı ya da iki düğüm çizgisi arasındaki uzaklık, oluşturulan dalgaların dalga boyunun 2 de 1 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.
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 (Şekil 3.12).
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 (Şekil 3.13). 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 (Şekil 3.14).
5. Yarıklar düzlemi döndürülürse yarıklar arasındaki dik uzaklık azalacağından saçak genişliği artar. Merkezî aydınlık saçağın yerinin değişip değişmeyeceği hakkında kesin bir şey söylenemez (Şekil 3.15).
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 (Şekil 3.16).
7. Ekran döndürülürse ekranın yarıklardan uzaklaşan bölümünde saçak genişlikleri artarken yarıklara yaklaşan bölümünde saçak genişliği azalır. Merkezî aydınlık saçağın yeri değişmez (Şekil 3.17).
Işığın Tek Yarıkta Kırınımına Etki Eden Değişkenler
Doğrusal su dalgalarının dalga boylarına eşit ya da dalga boylarından daha küçük aralığa sahip yarıklardan geçerken bükülerek yollarına devam ettiği ve bu olaya kırınım denildiği ifade edilmişti. Işık da tek yarıktan geçerken su dalgaları gibi yarık kenarlarından bükülerek yoluna devam eder mi? Işığın tek yarıkta kırınımına etki eden değişkenleri belirlemek için “Işığın tek yarıkta kırınımı” etkinliğini yapınız.
“Işığın tek yarıkta kırınımı” etkinliğinde görüldüğü gibi ışık dar bir aralıktan geçerken yarığın köşelerine yakın bölgelerde su dalgaları gibi bükülerek yollarına devam eder. Yarığı geçen ışık her yöne dağılarak ekran üzerinde aydınlık ve karanlık bölgeler oluşturur (Şekil 3.18). Ekran üzerinde oluşan desen, ışığın çift yarıkta girişimi sonucunda oluşturduğu girişim desenine benzer özellik gösterir. Ancak desenin merkezindeki merkezî aydınlık saçak, diğer saçaklara göre daha parlak ve geniştir. Merkezî saçağın iki tarafında sırasıyla karanlık ve aydınlık saçaklar sıralanır. Merkezî aydınlık dışında ardışık iki aydınlık ya da karanlık saçak arası mesafeye saçak genişliği denir. Saçak genişliği ∆x sembolüyle gösterilir. Merkezî aydınlık saçağın genişliği 2∆x tir. (Şekil 3.19).
Saçak genişliği kullanılan ışığın dalga boyuna bağlıdır. Işığın dalga boyu büyüdükçe saçak genişliği artar. Kırmızı ve yeşil renkli ışınların aynı tek yarık üzerine gönderilmesi sonucunda gözlenen saçak genişlikleri Şekil 3.20: a ve b’deki gibidir. Kırmızı ışığın dalga boyu, yeşil ışığın dalga boyundan büyük olduğu için kırmızı ışık kullanılarak elde edilen saçak genişlikleri daha büyüktür. Saçak genişliği yarık genişliğine bağlı olarak da değişir. Yarık genişliği arttıkça saçak genişliği azalır. Saçak genişliğini etkileyen değişkenlerden biri de ekran ile yarık düzlemi arası uzaklıktır. Ekran ile yarık düzlemi arası uzaklık arttıkça saçak genişliği artar.
Işığın Dalga Doğası
Su dalgalarında gözlendiği gibi dalgaların keskin kenarlardan ya da bir açıklıktan geçerken bükülerek yoluna devam etmesi, ikiden fazla dalganın birbiri içerisinde geçişi sırasında oluşan girişim deseni gibi olaylar, incelenen fiziksel niceliğin dalga özelliğine sahip olduğunu gösterir. Çift yarık üzerine ve tek yarık üzerine düşürülen ışığın ekranda aydınlık ve karanlık saçaklar oluşturması ışığın kırınım ve girişim olaylarını gerçekleştirdiğini gösterir. Bu olaylardan hareketle ışığın dalga doğasına sahip olduğu çıkarımı yapılır.
Işık ve Ses Dalgalarında Doppler Olayının Etkileri
Işık, ses ve su dalgalarında gözlenen frekanslar, kaynak ve gözlemci hareketine bağlı olarak farklı algılanır. Gözlenen frekanstaki bu değişim Christian Doppler (Krisçın Dopler) tarafından açıklandığı için Doppler olayı olarak adlandırılır. Ambulansın size yaklaşması ve uzaklaşması sırasında siren sesinin nasıl değiştiğini fark ettiniz mi? Duran bir ambulansın sireninden çıkan sesin frekansı sabittir. Yol kenarında bekleyen Mert ve Ceren’in işittiği sesin frekansı ambulans sireninden yayılan ses dalgalarının frekansıyla aynıdır (Şekil 3.26).
