Işığın Bir Ortamda Yayılması

Işık; yayılma olaylarında dalga gibi, madde ile etkileşme olaylarında ise parçacık gibi davranır.
Dalga modelinde; ışık olayları, geometrik optik ve fiziksel optik adları altında iki ayrı modelle incelenmektedir.

Geometrik optikte; ışığın önüne konulan engelin boyutlarının ışığın dalgaboyundan çok büyük olması durumunda ışığın doğrusal yol alacağını ve ışınlarla gösterilebileceği kabul edilmektedir.

Fiziksel optikte ise; ışığın önündeki engelin boyutlarının ışığın dalgaboyu ile karşılaştırılabilir büyüklükte olmasındaki optik olayları incelenmektedir.

Geometrik Optikte Işın Yaklaşımı

Noktasal bir ışık kaynağından çıkan ışık bütün doğrultularda yayılan dalgaboylu küresel dalgalar olarak kabul edilmektedir.

Ortam izotrop, yani yayılan dalganın hızının her yerde aynı olması durumunda, bu ışık dalgaları ışık kaynağını merkez kabul eden eşmerkezli küresel yüzeyler oluşturacak şekilde yayılırlar.

Herhangi bir noktadaki yayılma doğrultusu, dalga yüzeyine bu noktada dik olan doğrultudur.
Şekilde ışığı, yarıçapsal doğrultuda ışın adı verilen ve yayılma doğrultusunu belirten doğrusal çizgiler ile görmekteyiz.
Işık, parçacık teorisindeki gibi fotonlardan oluştuğu kabul edilirse, ışınlar bu fotonların izlediği yolları gösterir.
Noktasal ışık kaynağından çok uzaklara gidilirse küresel dalga yüzeyi, yarıçapın çok büyük olmasından dolayı bir düzlem gibi düşünülebilir.
Düzlem dalgalar halindeki ışınlar dalga cephesine (yüzeyine) dik olduğundan şekilde görüldüğü gibi birbirlerine paralel çizgiler şeklindedir.
Işın, ışığın yayıldığı yönde doğrusal bir çizgi boyunca ilerler.
Şekilde ışığı, yarıçapsal doğrultuda ışın adı verilen ve yayılma doğrultusunu belirten doğrusal çizgiler ile görmekteyiz.
Örneğin, karanlık bir odadan geçen güneş ışığı demeti bir ışın yolunu izler.

Gelen dalganın önüne şekildeki gibi, çapı ışığın dalga boyuna göre çok büyük olan dairesel bir yarığa sahip engelle karşılaşırsa, yarıktan geçen dalga doğrusal bir hat boyunca, bazı küçük kenar etkileşmeleri dışında, yoluna devam eder.

Engelde ki yarığın çapı şekilde olduğu gibi gelen dalganın dalgaboyu mertebesinde olursa, yarıktan çıkan dalgalar bütün yönlerde saçılırlar.
Çıkan dalganın önemli ölçüde kırınıma uğradığı görülür.
Eğer yarığın çapı, dalgaboyuna göre çok küçükse, yarık noktasal bir dalga kaynağı gibi davranır.
Dalgaboyu olan bir düzlem dalganın çapı d olan bir engel ile etkileşmesi:
Bir ortamda ilerleyen bir ışık ışını, ikinci bir ortamın sınırına çarpınca, gelen ışının bir kısmı, birinci ortama tekrar geri döner yani yansır.

Şekilde pürüzsüz ayna gibi bir yansıtıcı yüzeye gelen ışık ışını yansıma noktasında yüzeyin normali (ışığın yüzeye değdiği noktadan yüzeye dik çıkılan çizgiye normal adı verilir) ile açısı yapıyorsa, yansıyan ışının da normalle yaptığı açısı ile aynı değerde olacaktır.

Yani gelen ışının normalle yaptığı açısı, yansıyan ışının normalle yaptığı açısına eşittir:
Gelen ışın, yansıyan ışın ve normal aynı düzlemde bulunur.
Aynaya gelen ışınlar birbirlerine paralel ise yansıyan ışınlarda birbirine paralel olur.
Işığın düzgün bir yüzeyden yansımasına düzgün yansıma denir.
Herhangi bir pürüzlü yüzeyden olan yansımaya dağınık yansıma denir.
Değişik yüzey şekilli aynalardan ışınların yansıması.
Pürüzsüz bir eğrisel yüzeyden ışınların yansıması şekilde görülmektedir.
Eğrisel yüzeylerde de, gelme ve yansıma açıları birbirlerine eşittir.
Ancak yüzey normalinin yönü değiştiğinden, yansıyan ışınlar farklı yönlere dağılırlar.

Bir ışık ışını, aralarındaki açı 900 olan iki düzlem aynaya gelen ışın şekilde de görüldüğü gibi art arda iki yansımadan sonra yansıyan ışının, gelen ışının ayna ile yaptığı açıya bağlı olmaksızın geliş doğrultusuna paralel ters yönde yansımaktadır.

Işığın Kırılması

Işık bir ortamdan kırılma indisi farklı ikinci ortama, örneğin havadan cama geçerken ortamlar arasındaki sınıra çarpınca, ışının bir kısmı yansır, bir kısmı da ikinci ortama girer.

Gelen ışın, yansıyan ışın ve kırılan ışın her üçü de aynı düzlemdedir.
Işığın geldiği ortamın kırılma indisi n1 ve kırılan ışının bulunduğu ortamın kırılma indisi n2 olsun.
Gelen ve kırılan ışınların ortamlar arasındaki sınırın normali ile yaptıkları açılar sırasıyla ve olsun. Bu durumda:
Bu bağıntı 1621 yılında deneysel olarak Willibrord Snell tarafından bulunduğundan Snell yasası olarak bilinir.
Işık az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçtiğinde normale yaklaşarak kırılırken, çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçtiğinde normalden uzaklaşarak kırılır.

Tam Yansıma

Işık kırılma indisi büyük bir ortamdan kırılma indisi küçük bir ortama geldiğinde (örneğin sudan havaya) bir kısmı yansımaya uğrayarak birinci ortamda kalırken, bir kısmı da kırılarak ikinci ortama geçerler.

Fakat gelme açısı öyle bir sınır değerine geldiğinde kırılma açısı değerine ulaşır. Bu açısına ışığın bu iki ortama ait sınır açısı denir.
Gelme açısı ise ışığın artık tümü arakesit yüzeyinden geri yansır ve ikinci ortama geçemez.
Bu olaya Tam Yansıma adı verilir.
Snell yasası kullanılırsa;

sin900 nin 1'e eşit olduğu göz önüne alınırsa sınır açısının değeri; eşitliği ile elde edilir.
Tam yansımada yansıyan ışının şiddetinde bir azalma olmaz, gelen ışınla aynı değerdedir. Bu nedenle bu yansımaya tam yansıma denir.
Bir ışık demetinin ilerleme yönünü değiştirmek için, prizma ve prizma içerisinde tam yansımadan yararlanılabilinir.
Tam yansıma su-hava için uygulanırsa; suyun kırılma indisi 1,33 ise su-hava ara yüzeyi için sınır açısı:

Eğer bir kişi suyun içinden yukarı doğru su yüzeyine 48.80 den daha küçük açı ile bakarsa suyun dışını görür, sınır açısından baktığında su yüzeyini ancak görür, sınır açısından daha büyük değerlerde ise su tabanından yansıyan ışınları görür.