Çift yarık deneyi

Bu madde veya bölüm Çift yarık (Young) deneyi maddesine çok benzemektedir ve bu iki maddenin tek başlık altında birleştirilmesi önerilmektedir. Birleştirme işlemi yapıldıktan sonra sayfaya {{Geçmiş birleştir}} şablonunu ekleyiniz.

Çift yarık deneyi (veya Young deneyi), bir engelin üzerine açılan birbirine paralel ve çok yakın iki ince yarık üzerinden tek renkli ışık geçirilerek yapılan deneydir. Bu iki yarık aynı fazlı çalışan (aynı anda tepe ya da çukur üreten ışık dalgaları) iki ışık kaynağı gibi davranır. Bu iki yarıktan yayılan aynı fazlı ışık dalgalrı bir ekran üzerine düşürülür. Ekranda girişim deseni denilen aydınlık ve karanlık çizgilerden oluşan desen görülür. Klasik fizikte parçacık olarak bilinen elektron, proton ve nötronlarla yapılan deneylerde de aynı neticeye ulaşılır.

• Fant üzerinde meydana gelen olaya; Kırınım,
• Fant üzerineki iki yarık üzerine tek renkli ışık düşürüldüğünde bu iki yarığın iki ışık kaynağı gibi davranması sonucunda birbirini yok etmesi veya kuvvetlendirmesi olayına; Girişim,
• Ekran üzerinde oluşan görüntüye; Girişim deseni denir.

1801 yılında Thomas Young, Çift yarık deneyini ışığın dalga özelliklerini kanıtlamak için gerçekleştirdi. 1927 yılında Clinton Davisson ve Lester Germer elektronların da dalga özelliklerine sahip olduklarını kanıtladılar.

Girişim desenin iyi gözlenebilmesi için L/d oranı çok büyük olmalısıdır. Yoksa karanlık ve aydınlık saçak tam olarak belli olmaz. Birbirine cok yakın yarık üzerine tek bir kaynaktan çıkan ışık gönderilirse yarıkların diğer taraftaki perde üzerine karanlık ve aydınlık çizgiler elde edilir.

İki kaynaktan gelen dalgaların girişiminde anlatılan deneyler,sadece su dalgarına özgü değildir;iki özdeş ses kaynağı ses dalgalarında girişime sebep olur.Bu olay şu şekilde açıklayabiliriz,ses dalgalarının enine dalgalar olmaktan çok boyuna dalgalar olması,girişim yapan su dalgalarınınkine benzer yapılır.

Işığın tanecikli olduğuna Newton inanıyordu. Işığı,doğrular boyunca giden bir parçacık hüzmesi ve ışık kaynaklarından yayılan olarak düşünmüştü.1660 lar gibi bir zamanlarda Grimaldi,ışığın kırınıma uğrayabileceğini göstermesine karşın ,Newton,kendi düşündüğü bu gözlemi ışık tanecikleriyle açıklıyordu.Ancak acıklaması tam doyurucu değildi,fakat ona duyulan büyük saygıdan dolayı çoğu kişi açıklamasını kabul ettiler. Young,insan sesi ile göz arasında çalışmalarını sürdürürken,ses ve ışık arasındaki benzerlikler dikkatini çekti. .Sesin dalgalar halinda yayıldığı o zamanlarda düşünülüyordu ve Thomas Young,ışığında dalga olduğunu düşündü.Daha önce İtalyan bilim adamı Francesco Grimaldi'nin dikkatini çektiği gibi , Youngda çok küçük bir yarıktan geçtiğinde ışığın kırınıma uğradığını farketti ve yanyana ince iki yarıktan geçirildiğinde güneş ışığına ne olacağını görmek için deney yaptı(aşağıda anlatılmıştır).Ancak 1803 ten sonraki yıllarda,ışığın dalga yapısını yaygın bir şekilde kabul edildi.

1803te ve 1807 de İngiliz Thomas Young(1773-1829)Thomas Young

Şekil.1 Thomas Young

herhangi bir girişim deneyinin değişmemesi için deneyde kullanılan ışık kaynaklarının faz farkına sabit tutacak bir yol bulmuştu.Bu yol, bir tek kaynaktan çıkan ışığı aynı fazda iki parçaya ayırır.Aralarındaki faz farkı sabit iki kaynak gibi davranır ve bu iki parça bir araya getirilip girişimin oluşması sağlanır.Beklenen girişim örneği young metoduyla uzaktaki bir perdede görülür.

Young'un genel düzeni

Şekil.2 çift yarık deneyi animasyonu

şekil.2 de verilmiştir.Thomas Young tek ışık kaynağı olarak ,iğne deliğinden geçen güneş ışığını kullanmıstır.İğne deliğinden yayılan ışık,üzerinde birbirine yakın iki iğne deliği bulunan ve deliklerin ilk kaynağa uzaklıkları eşit olacak şekilde yerleştirilen saydam olmayan bir engele düşürülür.Birinci iğne deliğinden herhangi bir anda çıkan ışık diğer iki iğne deliğinden aynı anda geçeceği için iki iğne deliğinden çıkan ışık o anda aynı fazda olur ve ekranda girişim çizgilerinin yeri değişmez;girişim saçakları gözlemlenir.Günümüzde bu deney kolaylıkla yapılabilinir.Güneş ışınları ve iğne deliği yerine düz ve uzun fitilli bir elektrik ampulü engeldeki iki delik yerine uzun dar iki yarık alınırız.yarıklar birbirine çok yakın (yaklaşık olarak 1/10mm aralıklı )olmalı ve uzun boyutları ampulün fitiline paralel gelecek konumda bulunmalıdır.

Şekil3.

şekil 3.te girişimi meydana getiren dalgaların çizgi halindeki kaynağa ve yarıklara üstten bakıldığına göre,bir diyagramı gösterir.Bunu dalga tepesinde görülebilecek bir girişim örnegine benzediği açıkça görülmektedir.Resimde düğüm çizgileri açıkça seçilmektedir.Bunlar dalga hareketinin ve bu nedenle ışığın bulunmadığı alanlardır;perdeyle ara kesitleri siyah olarak çizilmiştir.perdede bir parlak bir karanlık olarak sıralanan renklerde girişim çizgileri görmeliyiz.Tıpkı ışığın dalga modelinden kestirildiği gibi,ortadaki parlaktır ve bu çizgiler yarıklara paraleldir.

Şekil.4 Thomas Young'un deneyinin bir krokisi

Şekil.5

Dalga Oluşumu

Girişim ses ve su dalgalarıyla da olur,yalnızca ışık dalgalarıyla değil.Eğer durgun bir suya elimizin baş ve işaret parmağıyla hafifçe vurulursa iki dalga üretilir ve bu dalgalar aynı ışık dalgaları gibi her yöne yayılacaktır.Bu dalgalar bibirini kestiklerinde iki tepe veya çukur üstüste geldiğinde,daha büyük dalga oluşturmak üzere yapıcı girişimeuğrayacaktır..Ancak kesiştikleri yerlerde,dalga tepesi ile bir çukur üst üste gelirse yıkıcı girişim gösterecek brbirlerini yok edeceklerdir.(Şekil.6 ve şekil.7 de görülmektedir.)

şekil.6 girişim eş fazlı kaynaklardan oluşuyor.

Deneyin neticeleri

• İki yarığın;büyük ve birbirinden uzak olması halinde ekranda üst üste iki ışık lekesinin oluşturduğu;birbirine yakın delikler küçük olduğunda isegirişim saçakları adı verilen renk şeritlerinin oluştuğunu gördü.Bu renkli şeritler yalnızca dalgaların ürettiğini ortaya koydu.
• Yarıkların biri kapatılırsa girişim deseni kaybolur ve yarığın arkasında sadece bir çizgi oluşur.
• Herhangi bir yöntemle, ışık yada parçacığın hangi yarıktan geçtiği tespit edilmeye çalışılırsa o anda girişim deseni kaybolur ve yarığın arkasında iki ayrı çizgi oluşur.
• Işığın ya da parçacığın, nasıl böyle davrandığını tespit etmek için, levha önüne konan ölçüm cihazı, deneyin sonucunu anlaşılmaz bir şekilde değiştirdiği için, bu sonuç bilim tarihinin belki de en büyük açmazını oluşturur. Çünkü ölçüm girişimi, adeta bilinmeyen bir mekanizmayı harekete geçirerek deneyin sonucunu değiştirir ve gözlem yapılmasını engeller. Bu Bilginin kesin bir kanıtı yoktur.
• Kararlı girişim deseni oluşturabilmek için her bir dalga birbirlerine olan sabit fazı korumalıdırlar.

Deneyin gerçekleştirilebilmesi için önşartlar

• Yarıktan geçirilen ışığın tek renkli, yani mümkün olduğunca aynı dalga boyunda olması gerek.Çünkü eğer farklı renkli yani farklı dalga boylu ışıklar kullanılırsa ekranda sürekli kayan bir girişim deseni oluşur.bu da karanlık ve aydınlık sacakların net olarak farkedilememesine neden olur.
• Kaynaklar uyumlu yani eş fazlı(koherent)olmalıdır,kısaca sabit fazı korumalıdırlar birbirlerine göre.

• • Koherent kaynaklarında:iki kaynağa (hareketli dalga üreten) iki kaynağa ihtiyaç duyulur.Ayrıca,kararlı girişim deseni oluşturabilmek için her dalga birbirine göre sabit olan fazı korumalıdır.bu durum elde edildiğinde sonuca koherent yahut eş fazlı kaynaklar denir.Örneğin,bir tek giriş ile beslenen yanyana yayınlanan iki hoparlörden ses dalgaları oluşturulabilir.çünkü bu iki hoparlör aynı yolla,aynı zamanda,yükseltilip,aynı tepkide bulunurlar.
• Kaynaklar tek renkli,yani tek dalga boylu olmalıdır.
  • Rastgele iki kaynağı ele alınır:Bu iki ışık kaynağı yanyana olduğunda girişim olayı hiç gözlenmez;Bu durumda kaynaklar birbirinden yayınlanan ışık dalgaları bağımsız olarak bulunmaktadır.Böylece,kaynakların yaydıkları dalgalar ,gözlem süreci boyunca birbirlerine göre sabit faz ilişkisini korumazlar..Adi bir ışık kaynağından çıkan ışık yaklaşık olarak 10^-8s de rastgele bu tür delikler sergiler.Bundan dolayı,yok edici,yapıcı veya bir ara durum girişim koşılları ancak 10^-8kadarlık bir zamanda gerçekleşir.Bu esnada hiç bir girişim olayı gözlenmez,çünkü göz böyle kısa süreli değişimleri takip edemez.Bu tür uyumsuz ışık kaynaklarına (yahut koherent değildir) denir.
• Üstüste binme ilkesi uygulanabilmelidir.
  • Eş fazlı ışık kaynağını elde etmek için yaygın bir metod,genellikle yarık biçiminde bir levhayı aydınlatmak için tek renkli bir kaynak kullanmaktır.İki yarıktan geçen ışık eş fazladır,çünkü bir tek kaynak özgün ışık demeti üretiyor ve levhada sadece özgün demeti iki parçaya ayırma işlemini yapıyor.Kaynaktan yayılan ışık rastgele bir değişim gösterse bile aynı zamanda iki ayrı demet getirilirse girişim olayları hala gözlenebilir.
• Girişim deneyinin iyi gözlenebilmesi için L/d oranı cok büyük olmalıdır yoksa karanlık ve aydınlık saçak tam olarak belli olmaz.

Deneyin özellikleri

Şekil.7 dalga oluşumu

• Işığın dalga boyu artarsa saçak genişliği artar
• Kaynaklar arası uzaklık artarsa ∆X azalır
• Saçak aralığı kaynakla çift yarık arasındaki uzaklığa ve ışığın şiddetine bağlı değildir.
• Yarıklar düzlemiyle perde arasındaki uzaklık artarsa ∆X artar
• Çift yarıkla perde arasına havadan daha yoğun bir madde koyulursa dalga boyu küçüleceğinden saçak genişliği de küçülür. Young deneyi beyaz ışıkla yapılınca desende renklenmeler olur.

Bu durum;

• Beyaz ışığın 7 renkten oluştuğunu
• Saçak aralığının dalga boyuna eşit olduğunu
• Her rengin kendine özgü dalga boyu olduğunu açıklar.

Young deneyinin formülleri

Ekran üzerinde herhangi bir noktanın merkezi aydınlık saçağa olan dik uzaklığı (X)

$X = \frac{\Delta S\cdot L}{d \cdot n}$

Burada;

$X\,$: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın merkezi aydınlık saçağa olan dik uzaklığı,

$\Delta S\,$: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın yarıklara olan uzaklıkları farkı,

$L\,$: Fant ile ekran arasındaki uzaklık,

$d\,$: Yarıklar arasındaki uzaklık,

$n\,$: Fant ile ekran arası ortamın ışığı kırma indis'idir (birimi yok).

Not: Bu formülde Uzunluk birimleri, aynı cinsten olmalıdır.

Herhangi bir aydınlık saçağın numarası (k)

$k = \frac{\Delta S}{\lambda}$

Burada;

$k\,$: Aydınlık saçağın numarası (Kaçıncı aydınlık saçak olduğunu gösterir.), birimi yok, k=0, 1, 2, 3, ...olmalıdır

$\Delta S\,$: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın yarıklara olan uzaklıkları farkı,

$\lambda\,$: Kullanılan ışığın dalga boyu'dur.

Not: Bu formülde Uzunluk birimleri, aynı cinsten olmalıdır.

Young deneyinde aydınlık ve karanlık saçaklar

Herhangi bir karanlık saçağın numarası (k)

$k = \frac{\Delta S}{\lambda} + \frac{1}{2}$

Burada;

$k\,$: Karanlık saçağın numarası (Kaçıncı karanlık saçak olduğunu gösterir.), birimi yok, k=1, 2, 3, 4, ...olmalıdır

$\Delta S\,$: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın yarıklara olan uzaklıkları farkı,

$\lambda\,$: Kullanılan ışığın dalga boyu'dur.

Not: Bu formülde Uzunluk birimleri, aynı cinsten olmalıdır.

Saçak aralığı formülü

Ekran üzerindeki girişim deseninde, ard arda gelen aynı cins iki saçak arasındaki uzaklığa saçak aralığı ya da saçak genişliği denir.

2. Tanım: Herhangi bir saçağın ekran üzeindeki genişliğine denir. Yani saçak genişliği anlamına gelir. Çift yarıkta girişimde bütün saçakların boyu birbirine eşittir.

$x_{S.G.} = \frac{\lambda\cdot L}{d \cdot n}$

Burada;

$x_{S.G.}\,$: Örneğin; birinci karanlık saçak ile ikinci karanlık saçak arasındaki uzaklık,

$\lambda\,$: Kullanılan ışığın dalga boyu,

$L\,$: Fant ile ekran arasındaki uzaklık,

$d\,$: Yarıklar arasındaki uzaklık,

$n\,$: Fant ile ekran arası ortamın ışığı kırma indis'idir (birimi yok).

Not: Bu formülde Uzunluk birimleri, aynı cinsten olmalıdır.

Young deneyinde kullanılan araçların özel durumları

1. Işık kaynağı fant'a yaklaştırılırsa aydınlık saçakların parlaklıklarında artma, uzaklaştırılırsa azalma meydana gelir.
2. Işık kaynağı fant doğrultusuna paralel olarak yukarı veya aşağı yönde hareket ettirilirse; merkezi aydınlık saçak, ışık kaynağının hareketine ters yönde kayar. Saçak aralığı değişmez.
3. Yarıklardan birinin önüne kırılma indisi büyük bir ortam konulduğunda. Bu yarıktan çıkan ışıklar geciktği için; merkezi aydınlık saçak, bu yarık tarafına kayar. Saçak aralığı değişmez.
4. Fant θ açısı kadar döndürüldüğünde; d azaldığı için saçak aralığı artar. Burada merkezi aydınlık saçak ya değişmez ya da yukarı veya aşağı kayabilir.

References

Further reading

• Genel fizik doç. Dr. Kemali Çolakoğlu

(sayfa :312,315)

• Palme yayıncılık fen ve mühendislik için fizik

Çeviri editörü Kemal Çolakoğlu

• Palme yayıncılık serway beichner (1190-1194)