Işığın Kırılmasının Su Dalgalarında Kırılma Olayı ile İlişkisi Günlük hayatta karşılaşılan bazı ışık olaylarının açıklanabilmesi için ışığın bu olaylardaki davranışının bilinmesi gerekir. Yağmurdan sonra güneş açtığında neden gökkuşağı oluşur? Sıcak yaz günlerinde asfaltın üzerinde su birikintisi varmış gibi görünmesinin sebebi nedir? Su dolu bir havuza bakıldığında havuzun derinliği neden olduğundan daha az algılanır? Yukarıdaki soruların cevabı ortam değiştiren ışığın davranışında saklıdır. Çay dolu bir bardağa bir kaşık konulup bakıldığında kaşığın bardağın içerisinde kalan kısmı ile dışında kalan kısmı birbirinden kopmuş gibi ya da kırılmış gibi görülür.

Kaşığın çayda kalan kısmından yansıyarak havaya çıkan ışık ilerleme doğrultusundan sapar. Bu nedenle kaşığın çaydaki kısmı havadaki kısmından kopukmuş gibi görünür. Aynı şekilde düzgün siyah ve beyaz çizgilerden oluşmuş bir fon önüne su dolu bardaklar konulduğunda bardaklardaki sudan geçen ışık doğrultu değiştirir. Bu nedenle fonda yer alan çizgilere bardakların önünden bakıldığında çizgiler gerçek görüntüsünden farklı görülür.

Ortam değiştiren su dalgalarının hızının değişmesi gibi saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçen ışığın hızında değişme olur. Ortam değiştiren su dalgalarının hızındaki değişim su dalgalarının hareket doğrultusunun değişmesine neden olduğu gibi ortam değiştiren ışığın hızındaki değişim de ışığın kırılması deneyinde görüldüğü gibi ışığın hareket doğrultusunun değişmesine neden olur.

Işığın bir saydam ortamdan başka bir saydam ortama geçerken hareket doğrultusunu değiştirmesine kırılma denir. Gelen ışın ile yüzey normali arasında kalan açıya (i) gelme açısı, kırılan ışın ile yüzey normali arasında kalan açıya (r) kırılma açısı denir. Işığın boşluktaki hızının herhangi bir saydam ortamdaki ortalama hızına (j) oranına o ortamın kırılma indisi (n) denir. Kırılma indisi ışığın ortamdaki ortalama hızı ve boşluktaki hızıyla ilişkili bağıl bir değişkendir.

Işık, boşlukta ilerlerken hızı en büyük değerini alır. Işığın herhangi bir ortamdaki hızı boşluktaki hızından küçüktür. Bu nedenle boşluktan farklı herhangi bir saydam ortamın kırılma indisi 1 den büyük olur. Tablo 4.4’te bazı saydam ortamların kırılma indisi verilmiştir. Boşluğun kırılma indisi n = 1 dir. Ancak ışığın havadaki ilerleme hızı boşluktaki ilerleme hızına yakın olduğundan havanın kırılma indisi yaklaşık n = 1 olarak alınabilir.

Bu denklem, Hollandalı Astronom ve Matematikçi Willebrord Snellius Van Royen (Vılbort Snelis Van Royen, 1580-1626) anısına Snell Yasası olarak adlandırılır. Snell Yasası’na göre kırılma açısı, ışığın geldiği ortamın kırılma indi- sine, ışığın kırılarak geçtiği ortamın kırılma indisine ve ışığın gelme açısına bağlıdır. Işığın ilerlediği ortamın indisi büyüdükçe ışığın ortamdaki hızının büyüklüğü azalır. Yüzeye gönderilen ışının gelme açısı 0o ise (ışın yüzeye dik geliyorsa) ortam değiştiren ışının hızı değişir ancak ilerleme doğrultusunda bir değişiklik olmaz.

Kırılma indisi büyük olan bir ortamdan kırılma indisi küçük olan bir ortama gönderilen ışınların her durumda kırılma indisi küçük olan ortama geçebildiği söylenemez. Bu durumu etkileyen faktörlerin incelenebilmesi için “Sınır açısı” deneyini yapınız.

“Sınır açısı” deneyinde görüldüğü gibi indisi büyük olan ortamdan küçük olan ortama gönderilen ışının gelme açısı arttıkça kırılma açısı da artar. Gelme açısı belli bir açı değerine ulaştığında kırılma açısı 90o olur ve ışın, ortamları ayıran yüzey üzerinde hareket eder. Kırılma açısını 90o yapan gelme açısına sınır açısı denir. Bazı saydam ortamlardan havaya gönderilen ışınların sınır açıları Tablo 4.5’te verilmiştir. Tablo 4.5’te de görüldüğü gibi indislerin farkı büyüdükçe sınır açısı küçülür. Kırılma indisi büyük olan ortamdan küçük olan ortama farklı açılar ile gönderilen ışınların izlediği yollar Şekil 4.30’da verilmiştir.

Bu yollar incelenirse
• 1 numaralı ışın ortamların ayırıcı yüzeyine dik geldiği için gelme açısı 0o dir. Yüzeye dik gelen ışınlar, doğrultularını değiştirmeden diğer ortama geçer.
• 2 numaralı ışının gelme açısı i2, kırılma açısı r2 dir. i2 açısı sınır açısından küçük olduğu için ışın kırılma indisi küçük olan ortama normalden uzaklaşarak r2 açısıyla kırılarak geçer.
• 3 numaralı ışının gelme açısı i3 tür. i3 açısı sınır açısına eşit olduğu için kırılma açısı 90o olur. Bu durumda ışın iki yüzeyi ayıran çizgi üzerinden hareket eder.
• 4 numaralı ışının gelme açısı i4 tür. i4 açısı sınır açısından büyük olduğu için ışın aynı açı ile yüzeyden yansıma yaparak geldiği ortama geri döner. Işının bu davranışı tam yansıma olarak adlandırılır. Tam yansımanın etkisi ile oluşan olaylardan biri de serap olayıdır. Yazın güneşli bir günde asfalt bir yol üzerinde ileri bakıldığında görülen ama aslında orada olmayan su birikintisi görüntüsü serap olayıdır.

Tam yansıma yaparak göze ulaşan ışık, görme sistemi tarafından ışığın geldiği doğrultunun uzantısından ve yolun üzerinden geliyor gibi algılanır. Gökyüzü mavi olduğundan yol üzerinde görülen mavilik su birikintisi sanılır. Asfalt üzerinde serap görülen noktaya doğru yaklaştıkça kırılan ışınlar göze ulaşamaz ve serap kaybolur. Işığın tam yansıması, teknolojide de kullanılan bir özelliktir. Işığın bir yerden başka bir yere iletilmesi için fiber optik kablolar kullanılır.

Fiber optik kablolar cam veya saydam plastik maddelerden yapılır. Bir uçtan giren ışık art arda tam yansımalar yaparak diğer uçtan çıkar. Fiber optik kablolar tıpta, endüstride ve iletişimde geniş kullanıma sahiptir. Telefon tellerinin ve televizyon sinyal kablolarının yerini alan fiber optik kablolar diğer kablo çeşitlerine göre veri kaybının az olmasını ve verilerin çok hızlı iletilmesini mümkün kılmıştır. Tıpta fiber optik cihazlar, ulaşılamayan bir bölgedeki organları görüntülemek için kullanılır. Endoskopi cihazlarında ve laparoskopik ameliyatlarda görüntüleme amacıyla fiber optik kablolardan yararlanılır. Işığın tam yansıması olayı havuz aydınlatmalarında da kullanılır. Havuz tabanına yerleştirilen ışık kaynaklarından yayılan ışınlar, su yüzeyinde aydınlık bir alan oluşturur. Işık kaynağından çıkan ışınlardan normale yakın doğrultuda gelenler hava ortamına çıkabilmektedir. Normal ile yapılan açı büyüdükçe kırılma açısı da büyür. Böylece sınır açısı değeri ile gelen ışınlar yüzeyden ilerlerken sınır açısından daha büyük açı ile yüzeye gelen ışınlar tam yansıma yaparak suya geri döner. Bu şekilde hava ortamından su yüzeyine bakıldığında belirli bir alanın aydınlanmış olduğu görülür.

Işığın Paralel Yüzlü Ortamlardan Geçişi

Işığın kırılmaya uğradığı yüzeyler Şekil 4.34: a’daki gibi birbirine paralel ise ışığın her geçişi için Snell Bağıntısı ayrı ayrı yazılır. Işığın Şekil 4.35’teki paralel yüzlü saydam ortamlardan geçişinde, K ortamından L ortamına i açısıyla gönderilen ışının L ortamına geçişte kırılma açısı r olsun. Işın L ortamından tekrar K ortamına geçerken gelme açısı r olduğu için Snell Yasası’na göre kırılma açısı i olacak şekilde geçer. Bu nedenle ışık, gelme doğrultusuna paralel bir doğrultuda hareket eder. Işığın paralel olarak yer değiştirmesine paralel kayma denir.