Işığın Dalga Doğası

Işığın doğası, antik çağlardan beri bir araştırma konusu olmuştur. On yedinci yüzyılda Isaac Newton, mercekler ve prizmalarla deneyler yapmmış ve beyaz ışığın gökkuşağının tek tek renklerinin bir araya getirilmesinden oluştuğunu göstermeyi başarmıştır. Newton, optik bulgularını, ışığın "parçacık" doğası bağlamında, ışığın Newton hareket yasalarına göre yüksek hızlarda hareket eden son derece küçük parçacıkların akışlarından oluştuğu şeklinde açıklamıştır. 

On yedinci yüzyıldaki Christiaan Huygens gibi diğerleri, yansıma ve kırılma gibi optik olayların, tüm uzaya nüfuz ettiği düşünülen "ışık saçan eter" adlı bir ortamda yüksek hızda hareket eden dalgalar ile eşit derecede iyi açıklanabileceğini göstermişlerdi. On dokuzuncu yüzyılın başlarında Thomas Young, dar, yakın aralıklı yarıklardan geçen ışığın Newton parçacıklarıyla açıklanamayan, ancak dalgalar açısından kolayca açıklanabilen girişim desenleri ürettiğini gösterdi. James Clerk Maxwell, elektromanyetik radyasyon teorisini geliştirdikten ve ışığın geniş bir elektromanyetik dalga spektrumunun görünür parçası olduğunu gösterdikten sonra, on dokuzuncu yüzyılın sonlarında, ışığın parçacık doğası tamamen gözden düştü. 

On dokuzuncu yüzyılın sonunda, bilim insanları fiziksel evreni kabaca iki ayrı alan olarak görüyorlardı: Newton’un hareket yasalarına göre hareket eden parçacıklardan oluşan madde ve Maxwell denklemleri tarafından yönetilen dalgalardan oluşan elektromanyetik radyasyon. Günümüzde bu alanlara klasik mekanik ve klasik elektrodinamik (veya klasik elektromanyetizma) adı verilmektedir. Bu çerçevede açıklanamayan birkaç fiziksel fenomen olmasına rağmen, o zamanlar bilim insanları bu çerçevenin genel sağlamlığından o kadar emindiler ki, bu sapmaları nihayetinde bu çerçeve içinde bir şekilde çözülecek kafa karıştırıcı paradokslar olarak gördüler. Bu paradokslar, parçacıkları ve dalgaları, klasik görüşün yerini alan dalga-parçacık ikiliği adı verilen temel bir düzeyde yakından bağlayan çağdaş bir çerçeveye yol açtı.

Görünür ışık ve elektromanyetik radyasyonun diğer biçimleri, atomlar ve moleküller içindeki elektronların enerjilerini çıkarmak için kullanılabildikleri için kimyada önemli rol oynarlar. Örneğin, bir cep telefonundan gelen radyo dalgaları, diş hekimleri tarafından kullanılan X-ışınları, mikrodalgada yemek pişirmek için kullanılan enerji, kırmızı sıcak nesnelerden yayılan ısı ve televizyon ekranınızdan gelen ışık, tümü dalga benzeri davranış sergileyen elektromanyetik radyasyon biçimleridir.

Dalgalar

Dalga, enerjiyi uzayda bir noktadan diğerine taşıyabilen bir salınım veya periyodik harekettir. Yaygın dalga örnekleri her yerdedir. Bir ipin ucunu sallamak, elinizden ipin diğer ucuna enerji aktarır, bir gölete bir çakıl taşı düşürmek, dalgaların su yüzeyi boyunca dalgalanmasına neden olur ve bir yıldırım çarpmasına eşlik eden havanın genişlemesi, birkaç kilometre boyunca dışarıya doğru hareket edebilen ses dalgaları (gök gürültüsü) üretir. Bu durumların her birinde, madde esasen yerinde kalırken kinetik enerji madde (halat, su veya hava) yoluyla aktarılır. 

Maddede dolaşmak için dalgaların sınırlandırılmasına gerek yoktur. Maxwell’in gösterdiği gibi, elektromanyetik dalgalar, her ikisi de hareket yönüne dik olan dikey bir manyetik alan ile adım adım salınan bir elektrik alanından oluşur. Bu dalgalar boşlukta, ışık hızı olan (c ile gösterilir) 2,998 × 10⁸ m/sn sabit hızda hareket edebilir.

Elektromanyetik radyasyon formları da dahil olmak üzere tüm dalgalar, bir dalga boyu (λ, küçük Yunan harfi lambda ile gösterilir), bir frekans (ν, küçük Yunan harfi nu ile gösterilir) ve bir genlik ile karakterize edilir. 

Dalgaboyu, bir dalgadaki iki ardışık tepe veya çukur arasındaki mesafedir (SI sisteminde metre cinsinden ölçülür). Elektromanyetik dalgalar, kilometre (103 m) ila pikometre (10−12 m) arasındaki muazzam dalga boyuna sahip dalga boylarıdır. Frekans, uzayda belirli bir noktadan belirli bir sürede geçen dalga döngülerinin sayısıdır (SI sisteminde bu, saniye cinsinden ölçülür). Bir döngü, bir tam dalga boyuna karşılık gelir. Saniyedeki döngü [sn⁻¹] olarak ifade edilen frekans birimi hertz’tir (Hz). Bu birimin ortak katları megahertz (1 MHz = 1 × 10⁶ Hz) ve gigahertz’dir (1 GHz = 1 × 10⁹ Hz). 

Genlik, dalganın yer değiştirmesinin büyüklüğüne karşılık gelir ve bu, tepeler ve çukurlar arasındaki yüksekliğin yarısına karşılık gelir. Genlik, ışık için parlaklık ve ses için ses yüksekliği olan dalganın yoğunluğu ile ilgilidir. Bir dalganın dalga boyu (λ) ve frekansının (ν) çarpımı λν, dalganın hızıdır. Bu nedenle, vakumdaki elektromanyetik radyasyon için hız, temel sabite eşittir, c:

Dalgaboyu ve frekans ters orantılıdır: Dalga boyu arttıkça frekans azalır. Elektromanyetik spektrum, her tür elektromanyetik radyasyonun aralığıdır. 

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.