Elektromanyetik Dalgalar nlar Ik elektromanyetik teori ile aklanr

Elektromanyetik Dalgalar (ışınlar) Işık elektromanyetik teori ile açıklanır Elektromanyetik teori, elektrik ve manyetik kökenli etkileşimleri birleştirerek elektromanyetik etkileşme adının verildiği ve bu etkileşmeyi içeren olayları inceleyen ve 1894’de James Clerk MAXWELL’in geliştirdiği bilim dalıdır. 19. Yüzyıla değin ayrı bir bilim dalı olan optik, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu kanıtlanınca, elektromanyetik teorinin kapsamına girmiştir.

Elektromanyetik ışıma: yayılma eksenine ve birbirlerine dik, aynı fazda yayılan sinüs salınımları şeklinde elektrik ve manyetik alanlardan meydana gelir. Elektromanyetik ışımanın dalga ve tanecik olmak üzere iki karakteri vardır. Elektromanyetik ışımanın frekans, dalga boyu, hız ve genlik gibi özellikleri klasik sinüs dalgası modeliyle incelenebilir. Ancak ışın enerjisinin absorpsiyonu, ve emisyonu ile ilgili olayların açıklanmasında dalga modeli başarılı olmamıştır. Bunun için tanecik modeli geliştirilmiştir. Dalga-tanecik modeline göre ışık, ne sürekli soğurulan nede sürekli salınan, hem madde özelliği hem de dalga özelliği olan fotonlardan (paket) meydana gelir.

Dalgaların çakışması (girşimi) : Faz farkı olmayan (yani 1 - 2 0 o) dalgalar etkileşerek birbirini kuvvetlendirir Aralarında 1800 faz farkı olan (yani 1 - 2 1800 veya 1800 3600’nin tam katları olan) iki dalga etkileştiklerinde birbirlerini tamamen yok ederler. (a) ( 1 - 2) 00 (b) ( 1 - 2) 1800. A 1 A 2, 1 2 olan iki sinüsoidal dalganın girişimi.

Genlikleri farklı olan iki sinüsoidal dalganın girişimi. (a) A 1 < A 2, 1 2, ( 1 - 2) - 200 (b) A 1 < A 2, 1 2, ( 1 - 2) -2000. (Girişim yapan dalgalar kesikli, girişim sonucu oluşan dalga düz çizgi)

Aynı genlikte farklı frekanstaki iki dalganın girişimi a) Frekansı 1 (periyodu 1/ 1) olan dalga; b) Frekansı 2 (periyodu 1/ 2) olan dalga; c) Dalga 1 ve dalga 2’nin girişimi ile oluşan yeni dalga modeli Oluşan dalga bu durumda sinüzoidal değildir, fakat yine periyodiktir.

Girşim (difraksiyon, kırınım, dalgaların çakışması) dalgasal (dalgaların sahip olduğu) bir özellik olup ses ve su dalgaların da gözlenir Işının dalga karakteri olduğu nasıl anlaşılır? Girişim olayı ışıkta gözlenir mi?

Işının kırınımı Kırınım: Doğrusal olarak yayılan paralel dalga demetinin sivri bir uç veya ince bir yarıktan geçerken bükülmesidir. Sivri uç veya yarık kendisi bir ışıma kaynağı gibi davranır.

Bir ışıma kaynağından gelen paralel ışıma demeti, dar bir A yarığından geçirilmekte, kırınıma uğrayarak hemen eşit uzaklık ve genişlikteki B ve C yarıklarını aydınlatmaktadır. Bu yarıklardan geçen ışığın bir perde üzerine düşürülmesi ile ışık, monokromatik (tek dalgaboylu) ise perde üzerinde sırayla aydınlık ve karanlık; polikromatik (birden çok dalgaboyu içeren) ise farklı renkte bölgeler gözlenir.

Karanlık ve aydınlık noktaların nedeni nedir? D noktasına gelen |BD| ve |CD| ışıma demetlerinin arasında |CF| kadar bir yol farkı vardır.

Yol farkı |CF| şu şekilde bulunabilir kırınım açısıdır BCF üçgeni, çok büyük yaklaşıklıkla DOE üçgenine benzer kabul edilir. CBF açısı kırınım açısına eşit olur. |CF| |BC| sin Bu deneyde karanlık ve aydınlık noktaların oluşumu iki ışın demetinin girişim yapmasıdır. Girişim yapan dalgalar birbirini kuvvetlendirir veya yok eder. Yol farkı dalga boyunun tam katları şeklinde ise tam aydınlık noktalar elde edilir. n BC sin (n, girişim mertebesi olarak adlandırılan bir tam sayıdır. )

Kırınım olayı ışının dalga karakterli olduğunu gösterir. Işık birbirine dik bir elekriksel alan dalgası ve bir manyetik alan dalgasından oluşur ve dalgalar şeklinde ilerler. Bu nedenle ışınlara elektromanyetik dalgalar denir. Işının dalga yapısı incelenirken kolaylık olsun diye manyetik alan dalgası dikkate alınmaz

Dalgaların matematiksel ifadesi Elektromanyetik radyasyon basit bir harmonik dalga olarak düşünülebilir. Basit harmonik dalga, y = Asin formülü ile tanımlanan bir sinüs dalgasının özelliklerine sahiptir.

y'nin alabileceği en büyük değer A'dır. , 0 ile 3600 (veya 0 ile 2 radyan) değerleri arasında değişen bir açıdır. y =Asin =ωt y =Asin = Asin ω t y =Asin (ω t + ) ω=2 v y =Asin (2 v t + ) ω rad s 1 açısal hızıyla hareket eden bir P noktasının dairesel hareketine bağlı olarak sinüs eğrisi

Elektomagnetik ışıma sadece elektriksel bileşeni ile gösterilebilir. Dalga boyu , genliği A olan monokromatik (tek dalga boylu), düzlem-polarize bir ışımanın iki boyutlu gösterimi

Elektromanyetik dalgaların tanımlanması (karakterizasyonu) (ışınlar) Elektromanyetik dalgaları tanımlamak ve onların özelliklerini belirlemek için dalga parametreleri adı verilen büyüklükler kullanılır. Bunlar; Dalgaboyu (λ): İki tepe noktası arasındaki mesafedir. Birimi (m) Dalga sayısı (ν): İki tepe noktası arasındaki mesafedir. Birimi (m-1) Frekans (ν): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır. (s-1 , Hz) Genlik (A) : Elektrik vektörün en uzun olduğu uzaklık. Periyot (p) : Dalga hareketinin oluşması için gerekli olan zamandır. Birimi saniyedir (s). Hız (c): Elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızları aynıdır ve ışık hızı olarak bilinir c = 3 x 10 8 m/s Enerjisi: E= h ν

Dalga parametreleri arasındaki ilişki ν=c/λ ν = 1/λ E=hν

Işıma saydam bir ortamdan geçerken ışımanın elektrik vektörü ile ortamın bağ elektronları arasındaki etkileşim sonucu hızı azalır. Havadan cama ve camdan havaya geçerken ışımanın dalga boyunda meydana gelen değişme

Elektromanyetik dalgaların sınıflandırılması (elektromanyetik spektrum)

Işının tanecikli yapısı (Fotoelektrik olay) Işımanın tanecikli yapıda olduğu fotoelektrik olay ile gösterilebilir. Metalik bir yüzey üzerine yeterince enerjili bir ışın düştüğünde yüzeyden elektronlar kopar. Bu olay ışının tacik yapısını gösteriri.

Fırlayan elektronun enerjisiyle fotonun enerjisi arasında h Ek + W bağıntısı vardır. W, elektronu metalik yüzeyden vakuma aktarmak için gerekli enerjidir Bu enerji metalden metale değişir. Elektonun kazanacağı Ek kinetik enerjisi sözkonusu ışımanın frekansına bağlıdır. Işımanın şiddetinin (foton sayısının) artması ise sadece fırlatılan elektron sayısını arttırır, tek elektronun enerjisini değiştirmez. Kısa dalga boylu ışımayla (mavi) fırlatılan elektronlar uzun dalga boylu ışımayla (kırmızı) fırlatılanlardan daha yüksek enerjilidir.

Fotoelektrik etkinin ışığın dalgaboyuna bağımlılığı (UV, morötesi; m, mor; m’, mavi; y, yeşil; s, sarı; t, turuncu; k, kırmızı)

Madde-Işıma Etkileşimi 1 - Işımanın geçmesi ve kırılması (refraction) 2 - Işımanın yansıması (reflection) 3 - Işımanın saçılması (scattering) 4 - Işımanın girişimi (interference) 5 - Işımanın kırınımı (diffraction) 6 - Işımanın dağılımı (dispersion) 7 - Işımanın polarizasyonu 8 - Işımanın absorplanması ve yayılması (emisyonu)

Madde ışıma etkileşimi ışımanın elektrik alanı ile maddenin bağ elektronları arasında gerçekleşir Maddenin yapısına göre değişir. İlk yedi olay ışımanın dalga karakteri ile açıklanabilir. Bazıları optik analitik yöntemlerin temelini oluşturur ve optik cihazların yapımında rol oynar. Absorpsiyon ve emisyon ise ışımanın tanecik karakteri ile açıklanır. Spektroskopik yöntemlerin temelini oluşturur.

Işının kırılması Kırılma: Bir ortamdan başka bir ortama gelen ışının doğrultusundaki değişmedir. Gelen ışın ile kırılan ışının açıları ve ortamların kırılma indisleri arasında aşağıdaki bağıntı vardır. 1 / 2 = Sin 1 / Sin 2

Işının yansıması Işın kırma indisleri farklı iki ortamın ara yüzeylerindeyken yansır. Işının yansıma oranı kırma indislerinin farkıyla artar. Ara yüzeye dik açıyla gelen ışın demeti için Yansıma oranı aşağıdaki bağıntıyla verilir. Ir yansıyan ışın , Io ise gelen ışını temsil eder. 1 2

Işının saçılması Madde içinden ışının geçişi, ışın enerjisinin atom, iyon veya moleküller tarafından bir anlık tutulması ve sonra parçacıklar, ilk haline dönerken her yöne yayılması olarak düşünülebilir. Rayleigh saçılması: (λ 1 = λ 2 ) Boyutları dalga boyundan önemli ölçüde daha küçük olan molekül veya molekül yığınlarının oluşturduğu saçılmaya Rayleigh saçılması adı verilir. Rayleigh saçılmasının sonucu (kısa dalga boylarının daha çok saçılması) gök mavi renktedir.

Tyndall saçılması: (λ 1 = λ 2) Kolloid oluşturabilecek büyüklükteki parçacıkların oluşturduğu saçılma, çıplak gözle izlenebilecek, kadar şiddetlidir (Tyndall etkisi). Raman saçılması: (λ ≠ λ ) Raman saçılmasının, diğer saçılma türlerinden farkı saçılan ışının bir 1 2 bölümünün kuvantlaşmış frekans değişimlerine uğramasıdır. Bu değişimler, polarizasyon süreci sonunda moleküllerdeki titreşim enerji geçişleriyle meydana gelirler.

Işının polarizasyonu Normal ışın, çok sayıda düzlemde yol alan bir demet elektromanyetik dalgadan oluşur. Monokromatik bir ışın demeti, genlikleri sıfır ile maksimum değer (A) arasında değişen sonsuz sayıda elektrik vektöründen oluşmaktadır. Işın demeti bazı maddelerden (polarizör) geçtiğinde bu vektörler tek bir düzlemde gözlenir. Bu olaya polarizasyon denir.

Polarimetre, maddelerin optikçe aktifliklerini ölçen cihazdır. Optikçe aktiflik, kutuplanmış, (polarlanmış) ışığın, kutuplanma düzlemini değiştirmek demektir. Glikoz çözeltisi ve bazı yağlar optikçe aktiftirler (organik maddelerin çoğu optikçe aktiftirler). Kutuplayıcı olarak çoğunlukla kalsit kristalleri kullanılır. Bu iki kristalden birincisine (sabit olana) polarizör, ikincisine ise (dönebilene) analizör denir. Işık polarizörden girip kutuplanarak analizör üzerine düşer.

Işımanın absorpsiyonu ve emisyonu Bir ışın demeti bir madde (atom, iyon veya molekül) üzerine gönderilirse ışığın şiddetinde (parlaklığında) bir azalma meydana gelir. Bu olaya ışının soğurulması (absorplanması) denir. Etkileşen tür atom ise bu geçişler atomun absorpsiyon spektrumunu oluşturur.

Atomlardaki her bir enerji seviyesine karşılık gelen elektron geçişleri ve bu geçişlerden oluşan absorpsiyon spektrumları oldukça dardır (çizgi spektrumu). Hidrojen atomu için enerji düzeyleri

Işının emisyonu Uyarılmış parçacıkların (atom, iyon veya molekül) daha düşük enerji düzeylerine geçerken, fazla enerjilerini fotonlar şeklinde vermesiyle elektromanyetik ışın oluşur. Uyarılma çeşitli şekillerde oluşabilir.