Bir elektromanyetik dalga ve foton varlığı: Işık

Bilindiği gibi, bazı ışık dalgaları gözle görülebilir (görünür ışık), bazıları görünmez. Bu farklılık, ışık dalgalarının enerji farklılıklarından kaynaklanır. Bununla birlikte, tüm ışık dalgalarının ortak özellikleri bulunmaktadır. Herkesin bildiği gibi, ışığın boşluktaki hızı 300000 km/s'dir. Herhangi bir maddi ortamda ise, bu hız düşmektedir. Örneğin; havada, suda veya cam içinde, ışığın hızı boşluğa göre daha düşüktür.
Tüm ışık dalgaları, birbiriyle kesişen dalgalardan oluşurlar. Işık dalgasında, enerjinin hareket eden fotonları bulunur. Hareket eden bu fotonlar, elektrik alanı ve manyetik alan üretirler. Bu nedenle, ışık dalgaları, elektromanyetik dalgalar olarak bilinirler. Elektromanyetik dalgaların varlığını İskoç fizikçi J.C. Maxwell (1831-1879) öngörmüştür. Nitekim onun yaptığı hesaplamalara göre, elektromanyetik dalgaların hızı, 300000 km/sn'dir. Maxwell'in bu keşfinden önce, ışığın hızı zaten 300000 km/sn olarak biliniyordu. Maxwell, bu çakışmanın tümüyle rastlantısal olamayacağını düşünerek, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu anlamıştır. Nitekim elektromanyetik dalgalar, boşlukta hareket etme özelliğine sahiptir. Işığı, bir noktadan başka bir noktaya göndermek için bir madde ortamına gerek yoktur. Oysa, ses ve diğer dalgaların yayılması için, bir madde ortamına ihtiyaç vardır. Örneğin, ses dalgaları, ortamdaki maddenin titreşimi yoluyla, bir yerden başka bir yere ulaşmaktadır.
1800'li yıllardan beri, ışığın dalga olduğu fikri, bulunmaktadır. Nitekim, dalga modeli, ışığın pekçok özelliğini ve davranışını açıklamaktadır. Ancak, 20. yüzyıl başlarında, yeni bir buluş yapılmıştır: Fotoelektrik Etki Buluşu. Pekiyi, fotoelektrik olayı nedir? Bu olay, ışık fotonlarıyla, atomlardan elektron koparma veya sökme deneyidir. Bu deneyde, önce, belli bir metal üzerine düşürülen mavi ışık kullanılmıştır. Nitekim metalin atomlarından, elektronların söküldüğü, elektronların yarattığı elektrik akımının ölçülmesiyle anlaşılmıştır. Aynı deney, kırmızı ışıkla yinelendiğinde ise, metal atomlarından elektron kopmadığı gözlemlenmiştir. Nitekim deneyin sonucunda, elektrik akımı oluşmamıştır. Ancak, en sönük mavi ışıkla bile, metalden elektron koparılabildiği görülmüştür. Bu durum, dalga kuramına göre, kırmızı ışığın sürekli bir dalga olarak metalin yüzeyine çarpınca, yeterli enerjinin birikerek metalden elektronların söküleceği düşüncesine aykırılık oluşturmuştur. Dolayısıyla, metalden elektronların sökülmesi, fotoelektrik olayında, ışığın sürekli dalga gibi değil, parçacık gibi hareket ediyor olmasından kaynaklanmıştır; mavi ışığın fotonu da, kırmızıya göre daha çok enerjiye sahip olduğundan, metalin atomlarından elektronun kolaylıkla sökülebilmesine yol açmıştır. Görüldüğü gibi, fotoelektrik etki olayı, ışığın parçacık gibi davranıyor olmasıyla açıklanabilirken, girişim gibi bazı olaylar, ışığın dalga olma özelliğiyle açıklanabilmektedir. Öyleyse, ışık iki kişilikli gibi davranmaktadır; dolayısıyla hem dalga özelliğine hem de parçacık özelliğine sahip bulunmaktadır. Dolayısıyla, bazı fiziksel olaylar biriyle, bazısı da bir diğeriyle açıklanabilmektedir. Bu yazıyı, fotonun bazı özelliklerini sıralayarak bitirelim:
- Fotonların kütlesi yoktur; ancak Einstein'ın kütle-enerji formülü (E=mc2) gereği, her enerjinin bir kütle karşılığı bulunmalıdır; böylece fotonun sadece enerji karşılığı kütlesinden söz edilebilir.
- Boşlukta, tüm fotonlar aynı hızla (ışık hızıyla, 300000 km/sn) hareket ederler.
- Her fotonun kendine özgü enerjisi bulunmaktadır.
- Her fotonun enerjisine bağlı olarak, karakteristik bir frekansı ve dalga boyu bulunmaktadır.
Kaynak:
Halil Kırbıyık, Babillilerden Günümüze Kozmoloji, İmge Kitabevi Yayınları, İstanbul 2001, s. 47-49.