Ayna, insanın kendisini görmesi için kullandığı cam veya maden levhadır. Mercek ise içinden geçen paralel ışınları birbirine yaklaştıran ya da uzaklaştıran saydam bir cisimdir. İnsan gözünün görmesini göz merceği sağlar. Görme bozukluğunu gidermek için merceklerden oluşan gözlük takılır. Fotoğraf makinesi ve büyüteç de, mercekle çalışan araçlardır. Mikrokskop, teleskop ve diğer birçok ölçme araçlarında mercekler ve aynalar bulunmaktadır.
Bir aynanın önünde durup bakarsanız, yüzünüzü görebilirsiniz. Aynanın durumunu değiştirince, başka cisimleri de görebilirsiniz. Aynada, önündeki cismin bir görüntüsü oluşur.
Mercek ve aynalar, görüntü eldesi için kullanılırlar. Normal bir düz aynada, öndeki cismin görüntüsü, cisimle aynı büyüklükte ve doğrultudadır; fakat sağı ve solu yer değiştirmiştir. Sol el, görüntünün sağ tarafında görünür. Aynalar ve merceklerle daha büyük yada daha küçük görüntüler de elde edilebilir. Mercek, bir ya da iki yüzü çukur veya tümsek olan, cam veya plastikten yapılmış bir araçtır. Saydamdır, yani ışığı geçirir. Fakat içinden geçen ışığın gidişini saptırır. Bu sapmaya ışığın kırılması denir.
Ayna ise ışığın geçemediği, parlak bir cisimdir. Yüzleri düz veya eğri olabilir. Camın bir tarafını gümüş veya başka metalle kaplayarak yapılır. Ayna, üzerine gelen ışığı, geldiği tarafa geri gönderir. Bu olaya da ışığın yansıması denir. Mercekler ve aynalarla ilgili çalışmalara geometrik optik denir. Optik, ışık bilgisi demektir. Geometri ise, şekiller ve doğrultuları inceleyen bilimdir.farklı şekilli mercekler ve aynalar, ışığın gidişini çeşitli şekillerde değiştirirler. Bunlar geometrik optik kurallarıyla belirlenmiştir.
Işık, bir enerji türüdür. Kitabın sayfasından göze gelen ışık, göze enerji taşımaktadır. Fakat ayna ve merceklerin çalışmasını açıklamak için ışığın ne olduğunu açıklamaya gerek yoktur. Işığın ne olduğu öğrenilmeden çok önce ışığın hareket şekli incelenmiş ve anlaşılmıştı.
Işık, cam, su ve hava gibi maddelerden geçebilir. Bu maddelere ortam denir. Boşluk da bir ortamdır ve ışık ondan da geçebilir. Işığın hareketi, ışınlardan yola çıkılarak daha kolay incelenebilir. Işık ışını, ışığın çok ince bir parçasıdır
Bir ortamda yol alan bir ışın doğrusal olarak gider. Fakat başka bir ortama geçince, doğrultusu değişir. Bir ayna veya merceğe çarpınca da aynı şey olur. Bunlara gelirken ve çıktıktan sonra ışık doğrusal yayılır. Fakat içinde, kırılmalar nedeniyle sapmalar olur.
Düz bir çizgi çizin. Bunu bir aynanın düz yüzü varsayın. Sonra bu yüzeye gelen, doğrusal bir ışın çizin. Bu ışın, aynaya herhangi bir noktada çarpsın. Aynı noktaya gelen, fakat aynaya dik bir ışın daha çizin. Buna dik çizgi veya normal denir.
Önce çizilen herhangi ışın, normalle bir açı yapar ve bu açıya gelme açısı adı verilir. Yansıyan ışın da, normalle bir açı yapar. Buna yansıma açısı denir.Yansıma yasasına göre, gelme açısıyla yansıma açısı birbirine eşittir. Böylece, yansıyan ışın, gelen ışının normalle yaptığı açının aynını yapacak şekilde, normalin diğer tarafına çizilebilir. Gelme açısı sıfır derece ise, gelen ışınla yansıyan ışın üstüste çakışır.Gelme açısı doksan dereceye yakınsa, yansıyan ışın da ayna yüzüne değerek gider.Bu olay, bir bilardo topunun masanın kenarına çarpıp, aynı açıyla diğer tarafa gitmesine benzer.Aynanın önüne bir cisim koyduğumuzu düşünelim. Cismin her noktasından geçerek gelen ışınlar aynaya çarpar. Her ışın, yansıma kuralına uyar. Yansıyan ışınlar, normalin diğer tarafına doğru yol alırlar. Aynanın arkasındaki bir noktadan ışınlar çıkıyormuş gibi görünür. Cisim oradaymış gibi olur. Bu şekilde, aynanın arkasında oluşan görüntüye gerçek olmayan görüntü denir.
Düz aynada,cisimle görüntü aynı boydadır. Ayna arkasındaki görüntünün ve öndeki cismin, aynaya uzaklıkları eşittir.
Bütün cisimler, üzerlerine gelen ışığın bir kısmını yansıtırlar. Böyle olmasaydı, onları göremezdik. Fakat neden her cisimde aynadaki gibi görüntüler görmeyiz? Ayna yüzeyinin özelliği nedir?Aynalarda görüntü oluşmasının nedeni arka yüzlerinin çok parlak olmasıdır. Yüzey pürüzlü olursa, yansıyan ışınlar birçok doğrultulara dağılır, bu yüzden bir görüntü oluşamaz. Dışbükey (konveks) aynadaki görüntü de, düz aynadakine benzer. Yüzeyi düz değildir ve dışa doğru çıkıntılıdır.bir topun yüzeyi veya fincanın dış tarafı da dışbükeydir. Dışbükey aynanın yüzeyi küreseldir ve kürenin bir kısmı şeklindedir. Büyük mağazalardaki ve otomobillerdeki aynalar genellikle dışbükeydir. Dışbükey aynada cismin görüntüsü, cisimden daha küçüktür. Ayrıca görüntünün biçimi de bozulmuştur.Dışbükey aynalarda yalnız görüntünün büyüklüğü değişmez. Görüntünün aynaya uzaklığı, cismin aynaya uzaklığından daha azdır. Otomobillerdeki geriyi görme aynalarında arkadan gelen otomobiller daha yakında gibi görülür. Gerçek uzaklıklarını anlamak için dönüp bakmak gerekir.Dışşbükey aynanın küçük bir yüzeyini düzlem ayna gibi düşünebiliriz. Aynı şekilde, yeryüzündeki küçük bir yüzeyi de düz olarak görürüz. Böylece, her ışın, düz yüzeyden yansıyor gibi düşünülebilir.
Dışbükey aynanın merkezinden ve tepesinden geçen normal doğruya aynanın ekseni denir. Eksen üzerindeki cisimlerin görüntüsü yine eksen üzerinde oluşur.
Çorba kaşığının arkasıda dışbükey aynadır. Kaşığın iç çukur tarafı ise, içbükey (konkav) bir yüzeydir. Dışbükey aynalar, küçük görüntü verdikleri halde, içbükey aynalardaki görüntü, cisim tarafındadır ve cisimden daha büyüktür. Traş aynaları iç bükey ayna şeklindedir.
Eğlence parklarındaki güldüren aynaların yüzeyleri dalgalıdır. Bazı kısımları dışbükey, bazı kısımları ise içbükey aynadır. Bu yüzden, bakınca, bazı kısımlarımızı büyük, bazılarını ise küçük görürüz. Cisim uzakta ise, içbükey aynalarda değişik bir görüntü oluşur.bir traş aynasından yeteri kadar uzakta durursanız kendinizi daha küçük görürsünüz. Aynı zamanda görüntü baş aşağıdır ve aynanın arkasında değil, önündedir.
Bu çeşit görüntüye gerçek görüntü denir. Görüntünün bulunduğu yerden gerçek ışınlar geçer. İçbükey aynaların çok yakınındaki cisimlerin görüntüsü ise, dışbükey aynalardaki gibi gerçek olmayan görüntüdür.Çok büyük astronomi teleskoplarında yansıtıcı (reflektör) denilen içbükey aynalar vardır. Kalifornia’daki Palomar dağındaki yansıtıcının çapı 508 santimetredir. Yıldızların görüntülerini elde etmekte kullanılır. Yıldızların görüntülerinin resmi de çekilebilir.Aynalardan başka, merceklerle de görüntü elde edilebilir. Mercekler cam disklerden kesilir ve sonra yüzeyleri parlatılır. Işık, mercekten geçince, doğrultusu değişir. Bu olayı anlamak için, ışığın su ve camda nasıl yol aldığını bilmek gerekir. Bir ortamdan diğerine geçerken ışığın doğrultusu değişir. Buna kırılma denir.Hava ve cam gibi, farklı iki ortamın sınırını belirtmek amacıyla düz bir çizgi çizin. Sonra havadan bir ışın geldiğini gösterin. Cama çarptığı yerdeki yüzeyin normalini çizin. Işık, cam içinde yolunu değiştirecek ve kırılmış ışık olacaktır. Kırılmış ışının, normalle yaptığı açıya kırılma açısı adı verilir. Bu açı, normalin diğer tarafındadır.Kırılma kuralına göre kırılma açısı, gelme açısından daha küçüktür. Yani, ışık, norrmale doğru yaklaşır. Eğer açı, yüzeye teğet olarak gelirse, yani dik açılı ise düz olarak yoluna devam devam eder.Şimdi de camdan gelen herhangi bir ışın çizin. Bu ışın kırılacak ve havaya çıkacaktır. Havadaki kırılma açısı, camdakinden farklıdır. Kırılma kuralına göre, kırılma açısı, gelme açısından daha büyüktür. Işık, normalden uzaklaşır şekilde yol alır.Bu iki durum birbirinin benzeridir. Havadaki açı, camdaki açıdan her zaman daha büyüktür. Cam, havadan daha yoğun bir maddedir. Yoğun olan ortamda, açı daha küçüktür. Bu durum diğer ortamlar içinde böyledir. Işık, hava ile su arasında kırılıyorsa, sudaki açı daha küçüktür, çünkü su, havadan daha yoğundur.Işık, havadan, daha yoğun bir ortama geçerse, o ortamın yoğunluğuna bağlı olarak kırılır. Ortamın yoğunluğu fazlaysa, kırılma açısı küçük olur; yani ışık daha fazla bükülür. Bu bükülme miktarı, kırılma indisi denilen bir sayıyla gösterilir. Yoğunluğu fazla olan ortamın kırılma indisi de büyüktür.Aynalarda olduğu gibi, mercekler de ışığın doğrultusunu değiştirmek için kullanılır. Bir cisimden gelen ışınlar, mercekten geçtikten sonra, başka bir noktada kesişirler ve sanki oradan çıkıyor gibi olurlar.Yeni noktada bir görüntü oluşur. Büyüteçler, iki tarafı da dışbükey olan merceklerdir. Bunları kullanarak, Güneş ışınlarını bir noktada toplayabilirsiniz. Böylece Güneşin bir görüntüsünü elde edebilirsiniz. Aynı şekilde pencerenin görüntüsü de görülebilir.Bir büyüteçle, kolunuzu uzatıp tutarak cisimlere bakın. Cisimlerden gelen ışınlar, mercekle gözünüz arasında bir bir yerde birleşir ve ışık bu noktadan yeniden gözünüze gelir. Cisimlerin gerçek görüntülerini görürsünüz. Fakat bu görüntüler başaşağı durumdadır.Küçük gök dürbünleri, normal dürbünler ve bir çok astronomi dürbününde, cisimlerin gerçek görüntülerini elde etmede dışbükey mercekler kullanılır. Bunlara ince kenarlı mercekler adı verilir. Cisimler ince kenarlı merceğe yaklaştıkça, görüntüleri, mercekten daha uzakta oluşur. Fakat cisim, merceğe çok yakınsa, gerçek bir görüntü oluşmaz. Cisimle aynı tarafta, gerçek olmayan bir görüntü oluşur. Küçük bir böceğe, büyeteci yaklaştırarak bakınca, böceğin gerçek olmayan bir görüntüsü görülür.
Büyüteçteki merceğin iki yüzü de dışbükey değildir. Biri dışbükey diğeri düzdür. Bu tip merceğe düzlem-dışbükey mercek denir. Bir yüzü dışbükey diğeri çukur da olabilir. Bunlar ışınların daha az dağılmasını sağlarlar.Ortası, kenarlarından daha ince olan mercekler, büyüteç olarak kullanılamaz. Cisimlerin görüntüleri gerçek değildir ve cisimden daha küçüktür. Bunlarla gerçek görüntü elde edilemez. Gözlüklerdeki mercekler daha çok bu türdendir.
Bir cismin veya görüntüsünün fotoğrafını çekebilirsiniz. Fotoğraf makinesinin merceği iki tarafı dışbükey ince kenarlı mercektir. Film üzerinde gerçek görüntü oluşturur.
İnsan gözündeki mercek de ince kenarlıdır. Gözün ağtabaka denilen arka kısmında, gerçek görüntü oluşturur. Ağtabakada renkli ışıklar ve görüntüler elektrik sinyallerine dönüşür ve beyine gider.Yapay merceklerin şekli değişemediği halde, göz merceği, yüzeylerini değiştirebilir. Eğriliği çok fazlalaşınca, yakındaki cisimleri görür. Eğriliği az olunca, uzaktaki cisimleri görür.Fotağraf makinesinin merceğinin belirli bir şekli vardır. Farklı uzaklıktaki cisimlerin görüntüsünü, film üzerine düşürebilmek için, mercek hareket ettirilir.Merceklerin ve aynaların da yapım kusurları olabilir. Yüzeylerinin eğriliği değişkense, bulanık görüntülerin oluşmasına yol açarlar. Bir noktadan gelen ışınlar, bir noktada birleşmez, farklı yerlerde birleşirler. Buna küresel sapma adı verilir. Bunu önlemek için, merceklerin yüzeyi tam küresel yapılmaz.Renk sapması nedeniyle de bulanık görüntü oluşabilir. Çünkü merceğin yapıldığı cam, farklı renkli ışıkları, farklı miktarlarda kırar. Bu yüzden cisimlerin görüntüsü bulanık olur. Görüntü, renkli şeritler biçiminde görülür. Bu sapma, birkaç merceği bir arada kullanarak düzeltilebilir. Kullanılan camların kırılma indisleri farklı seçilir.
Merceğe gelen ışınların hepsi diğer tarafa geçmez. Bir kısmı da geri yansır. Bu durum pencere camında görülebilir. Bunlar, optik araçlarda istenmeyen yanlış görüntülere yol açabilir. Bu yansımayı azaltmak için mercekler, ışığı geçiren, fakat yansıtmayan özel bir kimyasal maddeyle kaplanır.
Işık, yoğun bir ortamdan, az yoğun ortama geçerse, yüzeyin normalinden uzaklaşarak kırılır. Bu kırılma o kadar fazla olabilir ki , kırılan ışın, yüzeye teğet olur. Bu durum kritik açı denilen belli bir geliş açısında olur. Geliş açısı, kritik açıdan daha büyükse, kırılma olmaz. Gelen bütün ışık, yeniden çok yoğun ortama yansır. Buna tam yansıma adı verilir.Mercek: Optik görüntüler oluşturmak için kullanılan, genellikle küresel yüzeylerle sınırlı, camdan ya da ışık kırıcı bir maddeden yapılmış hacim.Dalga ve titr: Sesötesi mercek, sesötesi titreşimlerin hızının, sesötesi inceleme ortamındakinden (su, insan vücudu) çok farklı olduğu bir gereç içinde (pleksiglas, kauçuk) gerçekleştirilen ve bu nedenle, sesötesi titreşimler için optik merceklerin ışığa gösterdiğine benzer özellikler gösteren düzenek. (Sesötesi mercekler, akustik mikroskopta kullanılır.)Elektron: Elektron merceği, kondansatörlerden (elektrostatik mercek), bobin ya da elekromıknatıslardan (elektromanyetik mercek) oluşan ve optik merceklerin ışık demetlerini saptırdığı gibi, yüklü parçacık demetlerini de saptıran eksenel bakışımlı düzenek. (Elektron akımlarını yakınsatmaya olanak veren elektron mercekleri birçok aygıtta, özellikle elektron mikroskoplarında kullanılır.)Mad: Kenarlara doğru incelen, nispeten az kalınlıkta mineral yığını.
Oftalmol: Yapay gözmerceği genellikle katarakt nedeniyle çıkarılan gözmerceğinin yerine takılan implant.(Afaki durumunda gözlükle yapılan düzeltmeye göre çok daha iyi olduğundan büyük bir gelişme göstermiştir:görme alanını tam görür ve görüntülerin boyutlarını da büyütmez.)
Opt: Basamaklı mercek ya da Fresnel merceği merkezi bir mercek ile kırıcı ya da yansıtıcı çeşitli halkalardan oluşan ve koşut ışıklı geniş bir demet elde etmek için deniz fenerlerinde kullanılan optik sistem.
Radyotekn: Radyoelektriksel mercek, bir radyoelektrik dalgasının yayılmasında, faz gecikmeleri oluşturmaya yarayan ve böylece yakınsama ya da ıraksama etkileri yaratan düzenek; faz gecikmelerinin değeri gelme açısına ya da düzenekten geçen ışının konumuna bağlıdır.
Ansikl. Opt: Bir mercek, genellikle küresel olan iki yüzeyle (diyoptrlar) sınırlı, kırıcı ve saydam bir ortamdan oluşur. Doğurucuları koşut olan iki silindir yüzeyle sınırlı mercekler de vardır.
Mercek: Bir cisimden gelen ışık ışınlarını odaklayarak cismin optik görüntüsünü oluşturmaya yarayan cam ya da bir başka saydam malzemeye denir. Fotoğraf makinesi, gözlük, mikroskop, teleskop gibi aygıtlarda merceklerden yararlanılır. Işık, merceğin içinde hava da olduğundan daha yavaş ilerler;
bu nedenle de ışık demeti hem merceğe girerken hem de mercekten çıkarken kırılır, yani aniden doğrultu değiştirir; merceklerin ışık ışınlarını odaklama etkisi de bu olgudan kaynaklanır
Merceklerde, duyarlı biçimde işlenmiş iki karşıt yüzey vardır; bu yüzlerin her ikisi de küresel olabileceği gibi, biri küresel öteki düzlemsel olabilir. Mercekler, yüzeylerinin biçimine göre, çift dışbükey, düzlem dışbükey, yakınsak aymercek, çift içbükey, düzlem içbükey ve ıraksak aymercek olarak sınıflandırılır. Merceğin eğri yüzeyi, gelen ışık demetindeki farklı ışınların farklı açılarla kırılmasına neden olur ve bu da, ışık demetindeki paralel ışınların tek bir noktaya doğru yönelmesine (yakınsama) ya da bu noktadan öteye doğru yönelmesine (ıraksama) yol açar. Bu noktaya merceğin odak noktası ya da asal odağı denir. Bir cisimden yayılan ya da yansıyarak gelen ışık ışınlarının kırılması, bu ışınların farklı bir yerden geliyormuş gibi algılanmasına yol açar ve nitekim bu farklı yerde de cismin optik bir görüntüsü oluşur. Bu görüntü gerçek (fotoğrafı çekilebilir ya da ekran yansıtılabilir) olabileceği gibi sanal da (mikroskopta olduğu gibi, ancak merceğin içinden bakılarak görülebilir) olabilir. Cismin optik görüntüsü cismin kendisinden daha büyük ya da daha küçük olabilir; bu durum, merceğin odak uzaklığına ve cisim ile mercek arasındaki uzaklığa bağlıdır.
Duyarlı ve net bir görüntü oluşturabilmek için genellikle tek bir mercek yetmez; bu nedenle de örneğin teleskoplarda, mikroskoplarda ya da fotoğraf makinelerinde, değişik mercek kombinasyonlarından yararlanılır. Bu tür mercek gruplarındaki merceklerden bazıları dışbükey ve bazıları içbükey olabileceği gibi bunların bazıları kırma ya da ayırma gücü yüksek ve bazıları da kırma ya da ayırma gücü düşük camdan yapılmış olabilir. Gruptaki mercekler, her birinin sapıncı (aberasyon) istenen düzeyde olacak ve net bir görüntü elde edilebilecek biçimde, duyarlılıkla saptanmış uzaklıklarda yerleştirilir ya da üst üste yapıştırılır. Mercekler yerleştirilirken yüzeylerinin eğiklik merkezinin asal eksen ya da optik eksen denen düz bir hattın üzerinde bulunmasına özen gösterilir.
Mercekler çok değişik çaplarda yapılabilir; örneğin mikroskoplarda 0,16 cm, teleskoplarda ise 100 cm’lik mercekler kullanılabilir. Daha büyük teleskoplarda mercek yerine içbükey aynalardan yararlanılır.
Mercek Çeşitleri:
Yüzlerinin durumuna ve biçimine göre, üçü ince kenarlı, üçü de kalın kenarlı olmak üzere altı tür mercek ayırt edilir. Yüzlerin C1 ve C2 eğrilik merkezlerinden geçen doğruya merceğin ana ekseni adı verilir ( yüzlerden biri düzlemse, merkezlerden biri sonsuza gider). S1 S2 uzunluğu merceğin kalınlığıdır. Kalınlık, yüzlerin eğrilik yarı çapı karşısında önemsiz kalıyorsa, mercek ince, karşıt bir durum söz konusu olduğunda da kalındır. İnce kenarların bazı özellikleri, incelenmesi daha güç olan kalın merceklere de yaygınlaştırılabilir.
İnce mercekler: İnce mercekler durumunda S1 ve S2 noktalarının, ana eksen üzerinde bulunan ve merceğin optik merkezi adı verilen bir O noktasında birbiriyle karşılaştıkları kabul edilir. İnce mercekler ince kenarlı ya da kalın kenarlı olabilirler. İnce kenarlılar yakınsak merceklerdir: Ana eksene paralel olan her ışın demeti bir F noktasında yakınsayarak görünür hale geçer. Kalın kenarlılar söz konusu olduğundaysa mercek ıraksaktır. Bu sonuçlar kırılma yasalarından kaynaklanır. Bir merceğin, bir cismin tam belirgin (net) bir görüntüsünü vermesi için, cismin her noktasına görüntünün bir noktası denk düşmelidir: Bu durumda sisteme stigmatik adı verilir. Bunu gerçekleştirmek çok güç, hatta büyük boyutlu cisimler söz konusu olduğunda olanaksızdır. Bununla birlikte, görüntüyü oluşturmak üzere kullanılan ışınların ana eksen ile yaptıkları eğim az olduğu ve mercekten optik merkeze yakın geçtikleri zaman (Gauss koşulları) yeterli derecede iyi bir sonuç elde edilir.
Bu durumda, ana eksene dik bir düz cisimden, eksene dik bir düz görüntü sağlanır. Görüntü, bu noktaya yerleştirilmiş olan bir ekran üzerinde gözlenebiliyorsa buna gerçek görüntü, karşıt durumdaysa zahir görüntü adı verilir.
Yakınsak mercekler: Ana eksene paralel ışınların yakınsama noktası olan F noktasına ana görüntü-odak adı verilir. Bu odak ana eksen doğrultusunda, sonsuzdaki bir nesne-noktanın görüntüsüdür.(uygulamada nesne-noktanın görüntüsünün tam F üzerinde olması için, bu noktanın OF uzunluğunun on katı kadar bir uzaklıkta bulunması çoğunlukla yeterli olur.)
Öte yandan, ana eksen üzerinde öyle bir F noktası da belirlenebilir ki, F’ten çıkan ışınlar mercekten geçtikten sonra ana eksene paralel bir ışın demeti oluştururlar. Söz konusu F noktasının görüntüsü bu durumda ana eksen üzerinde sonsuzda bulunur ve F noktasına ana nesne-odak adı verilir.
OF ve OF’ uzunlukları sırasıyla merceğin nesne-odak uzaklığı ve görüntü-odak uzaklığı olarak adlandırılır. Ana eksene eğik olarak gelen paralel bir ışın demeti, ana eksene F’ nokatasında dik olan bir düzlemde ki bir H’ noktasında (ikincil görüntü-odak) yakınsar; bu düzlem, görüntü-odak düzlemidir. Aynı biçimde, ikincil nesne-odak ve nesne-odak düzlemi tanımlanabilir.
BİR NESNENİN YAKINSAK BİR MERCEK ARACILIĞIYLA VERİLMİŞ GÖRÜNTÜSÜNÜN GEOMETRİK OLARAK ELDE EDİLMESİ. Basit olarak bir AB doğru parçasıyla gösterilmiş olan düz bir nesne ve mercek konumu ve boyutları çizim yoluyla saptanabilen bir A’ B’ görüntüsü verir(Çizim kolaylığı için bazı noktalar ana eksenden uzaklaşmış olsalar bile, Gauss koşullarının gerçekliği kabul edilir). Merceğin ana ekseni üstünde bir A noktasıyla, bu eksene dik olan AB doğrusu seçilir. Aranan görüntü, merceğin ana eksenine dik olan ve B noktasından B’ görüntüsü bilindiğinden tam olarak saptanan bir A’B’ doğru parçasıdır. B’ elde etmek için, B’den çıkan demetin iki özel ışını göz önüne alınır(geometride, bir nokta, bilinen iki doğrunun kesişmesiyle tam olarak belirlenir);sözgelimi, F noktasından geçerek gelen ışınla, O optik merkezden geçerek gelen ışın kullanılabilir. Bu iki ışının kesişme noktası, aranan B’ noktasıdır(B’den geçen ışınların tümü, mercekten geçtikten sonra B’ noktasındanda geçerler). Nesnenin konumuna göre görüntü gerçek yada zahiridir.
Iraksak mercekler:Ana eksene paralel ışınlı bir demete F’ noktasından çıkıyormuş gibi olan ıraksak bir demet denk düşer; bu noktaya anagörüntü-odak denir. Ana nesne-odak adı verilen birF noktasında, zahiri olarak yakınsayacak biçimde bir demetin mercek üstüne gönderilmesiyle, ana eksene paralel olarak ortaya çıkan bir demet elde edilir. Yakınsak mercekteki gibi, ıraksak merceklerde de görüntü-odak ve nesne-odak düzlemleri ile görüntü-odak ve nesne-odak uzaklıkları’nın tanımı yapılır.
BİR NESNENİN IRAKSAK BİR MERCEK ARACILIĞIYLA VERİLMİŞ GÖRÜNTÜSÜNÜN GEOMETRİK OLARAK ELDE EDİLMESİ. Burada da yakınsak mercekler için yapılan işlemin aynısı gerçekleştirilir:B noktasından çıkan iki özel ışın (sözgelimi,biri O’ dan, öteki F’ den geçen ) kullanılır. Birincisi sapmaz;ikincisiyse ana eksene paralel olarak çıkan bir ışın gibi sapar. Bu iki ışının kesişme noktası, aranan B’ noktasıdır. Nesnenin konumuna göre, görüntü gerçek yada zahiridir.
Mercek Sapınçları:
Mercek Gauss koşullarına uygun olarak kullanılmadığı zaman, elde edilen görüntüler bozulur ve sapınç (aberasyon) diye adlandırılan olaylar görülür.
Renkser Sapınç: Beyaz ışıkta aydınlanmış bir nesne, az ya da çok önemli renklenme gösteren bir görüntü verir. Buna merceğin kırılma indisinin, ışığın dalga boyuyla birlikte değişmesi yol açar. Beyaz ışık farklı renklerdeki belirli sayıda ışınımın üst üste gelmesi biçiminde ele alınırsa (tek bileşenli [tek renkli] ışınım) bu ışığın kırmızı ışınımları morunkilerle aynı noktaya yakınsamazlar. Böylelikle farklı renklerde birçok görüntü elde edilir. Bunlar ancak kısmen üst üste gelirler.
Geometrik Sapınç: Büyük açılımlı bir demet kullanıldığında bir nesne noktası, bir P’görüntü noktası verir; çünkü merceğin kenar bölgelerinden geçen ışınlar eksene yakın bölgeden geçenlere oranla daha çok parlar; yakınsak bir merceğin merkez bölgesine göre kenarları da yakınsak, ıraksak bir merceğin kenarları da daha ıraksaktır (küresel sapınma). Yukarıdaki bozulma düzeltilse bile, mercek, ana eksenin yakınında bulunan bir noktanın görüntüsünü, bu noktadan çıkan demet çok genişse normal biçiminde vermez. Biçimi kuyruklu yıldızı (komet) anımsatan bir leke elde edilir; bu sapınca koma adı verilir.
Dar demetlerin kullanılması, kusurlardan arınmış görüntülerin elde edilmesi için yeterli olmaz. Gerçek merceğin ana eksenine çok eğimli olarak gelen ince bir ışık demetiyle nesne-noktanın iki ayrı görüntüsü meydana gelir. Astigmatizm adı verilen bu sapınç bir dairesel yarı çaplarını aynı anda net bir görüntüsü elde edilmesinin olanaksızlaşmasından kaynaklanır: Yatay çap belirgin olunca dikey çap belirsizdir; bu durumun tersi de söz konusudur.Ayrıca bu kusurlar düzeltilse bile ana eksene dik olan geniş bir düzlemsel yüzeyin görüntüsü eğri bir yüzeydir. Bu kusara alan eğriliği adı verilir.
Yukarıda sözü edilen kusurlar giderildikten sonra başkaları ortaya çıkabilir; bunların sonucu olarak görüntülerin doğrusal büyümesi, merceğin ekseninden uzaklaştıkça artar. Böylece, eksenden geçmeyen bir doğru çizgi içbükeyliği görüntünün merkezine doğru (fıçı biçiminde bükülme) ya da ters yönde (hilal biçiminde bükülme) dönmüş olan eğri bir çizgi verir.
Bu sapınçların azaltılması sorunu çok güçtür, çünkü düzeltilmeleri için gerekli koşullar çoğu kez birbirine karşıttır. Gözlükçüler, isteğe göre, çeşitli merceklerin biçimlerinden, maddelerinden ve karşılıklı yerlerinden yararlanmak amacıyla bir çok merceği bir arada kullanırlar.
Özel Mercekler:
Silindirik mercekler, silindir bir yüzey ve bir düzlemle, küresel-silindirik mercekler bir küre ve silindirle sınırlandırılmıştır. Bazı merceklerse yüzlerinden biri bir düzlem ya da bir küreyle değiştirilebilen, iki tor yüzeyiyle sınırlandırılmıştır; bu tor mercekler özellikle gözlerdeki astigmat durumunun düzeltilmesine yararlar. Fresnel’in deniz fenerlerinde kullanılan kademeli mercekleri eksenin küresel sapıncının kısmen, ama yeterli olarak giderilmesini sağlar. Merkez bölgesinin kalınlığının azaltılması, büyük çapta uygulamaların gerçekleştirilmesine olanak verir. Böylelikle ısınma ve büyük enerji yitimi tehlikesi de azaltılmış olur.
Merceklerin Kullanıldığı Yerler:
Dışbükey mercekler fotoğraf makinelerinde kullanılır. Fotoğraf makinesinde, merceğin hemen arkasında bir fotoğraf filmi bulunur. Fotoğraf makinesinin boyutları ve film ile mercek arasındaki uzaklık göz önünde tutlacak olursa, fotoğrafı çekilecek görüntünün makineye oldukça uzak olduğu kavranabilir. İşte mercek bu uzaktaki cisimlerden, insanlardan ya da manzartadan gelen ışık ışınlarını toplayarak ardındaki film üzerinde ödaklar ve burada görüntünün baş aşağı, yani ters bir resmini oluşturur. Refleks tipi makinelerde, birincisinin aynısı ikinci bir mercek daha bulunur; bu mercek, aynı görüntüyü arkadaki bir cam ekranın üzerine düşürerek fotoğrafçının odaklama ayarını iyi yapabilmesine ve çekeceği resmi tam olarak görebilmesini sağlar.
Zoom objektifliği makinelerde ise odak uzaklığının değişmesini sağlayan ayrı bir mercek sistemi bulunur.
Sinema filmi göstericilerinden ya da slayt makinelerinde parlak biçimde aydınlatılmış filmden gelen ışık üzerine düşürmeye yarayan dışbükey mercekler kullanılır. Film yalnızca 35 mm genişliğindedir, ama ekran üzerine düşürülen görüntünün genişliği metrelerce olabilir.
Gözdeki Mercek :
Gözde de, görüntüyü oluşturan bir dışbükey mercek sistemi vardır. Öndeki kavisli, saydam katman (kornea) ile arasındaki suyumsu sıvı bir sıvı mercek oluşturur; gözbebeğinden (iristeki küçük delik ) göze giren ışık, ilk aşamada bu mercek tarafından odaklanır. Sonra ışık, gözbebeğinin ardında yer alan, içteki dışbükey göz merceğinden geçer. Bakılmakta olan cismin görüntüsünün odaklama ayarının yapılabilmesi için, küçük kaslar göz merceğinin eğriliğini ve biçimini değiştirebilir. Görüntü, gözün arkasında, ağtabaka denen ışığa duyarlı bir alanın üzerinde oluşur. Mercek sistemi dışbükey olduğundan görüntü baş aşağı gelmiş durumdadır;görüntüyü doğru konuma getiren beyindir.
Merceğin Oluşturduğu Görüntü:
Elinize dışbükey, yani yakınsak bir mercek alın ve merceği bir cisme iyice yaklaştırın; öyle ki, mercek ile cisim arasındaki uzaklık, merceğin odak uzaklığından daha küçük olsun. Bu durumda cismi doğal konumunda, am büyültülmüş olarak göreceksiniz. Daha sonra merceğin ardına, yani sizin baktığınız tarafına bir kart koyun; bu durumda, kartın üzerinde cismin görüntüsünün oluşmadığını fark edeceksiniz(oysa pencereye tutulan mercek örneğinde görüntü oluşmuştu ). Kart, film yada ekran üzerine düşürülebilen görüntülere “gerçek “ görüntü denir. Bu tür yüzeylerin üzerinde oluşturulamayan görüntülere de sanal görüntü adı verilir yada eski adıyla zahiri görüntü denir. Sanal görüntüler ancak merceğin içinden bakılarak görülebilir.
Bir büyüteç ya da oyuncak bir teleskopla bakarken, gözlenen cismin çevresinde genellikle renkli saçakların oluştuğunu görürsünüz. Bunun nedeni farklı renklerden ışık ışınlarının mercekten geçerken farklı açılarla kırılmasıdır. Örneğin, mavi ışık ışınları kırmızı ışık ışınlarından daha büyük bir açıyla kırılmaya uğrar. Beyaz ışık, gökkuşağındaki bütün renklerin karışımından oluştuğu için, görüntünün çevresinde bir gökkuşağı saçağı oluşur. Bu saçağı gidermek için mercek, her biri ayrı tür camdan yapılmış iki katman halinde hazırlanır. Bu tip merceklere bileşik mercek denir. Bunların üretimi oldukça zor ve masraflıdır; kaliteli fotoğraf makinelerinin ve dürbünlerin pahalı olmasının nedeni de budur.
Merceklerin Yapımı ve Tarihi:
Mercekler, cam bloklarının karborundum (silisyum karbür) ya da korindon (alüminyum oksit) gibi aşındırıcı bir tozla zımparalanmasından sonra, demir oksitli bir cila macunuyla perdahlanması(parlatılması) yoluyla hazırlanır. Bu işlemlerden bazıları makineyle gerçekleştirilir, ama gene de mercek yapımsüreci yavaş ve pahalıdır; son perdah işlemi ve merceğin sınanması büyük hüner ister. Günümüzde, gözlük camı, kontak lens ve büyüteç yapımında plastiklerden de yararlanılır; bu tür gözlük camlarına piyasada organik cam denir.
Eski Yunanlılar ve Romalılar, güneş ışınlarını odaklıyarak ateş yakmak için bazen içi su dolu cam kaplardan yararlanırlardı. Gözlük ve büyüteç 1300’den önce; teleskop 1608’de icat edildi. Çok güçlü bir büyüteç türü olan MİKROSKOP;TELESKOP kendi maddelerinde ayrıntılı olarak işlenmiştir. Topluiğne başı büyüklüğündeki merceklerden, 1 metre çapındaki merceklere kadar çok değişik boyutlarada mercekler yapılabilir. ABD’de, Wisconsin’deki Yerkes Gözlemevi’nde bulunan büyük teleskopun objektif büyüklüğü 1 metredir.
TELESKOP
Teleskop, çıplak gözle görülemeyecek kadar uzakta olan cisimlere bakmak için kullanılan bir aygıttır. Optik teleskoplar, uzaktaki cisimden gelen ışık ışınlarının toplanması ve bu ışınların cismin büyütülmüş bir görüntüsünü elde edecek biçimde odaklanması ilkesine dayalı olarak çalışır. Ama radyo dalgaları gibi başka ışınım türlerini toplayan teleskoplar da vardır. Örneğin; radyoastronomi alanında kullanılan radyoteleskoplar çok önemli aygıtlardır. Optik teleskopların en önemli kullanım alanı astronomidir; bunlardan ayrıca, karada ve denizde uzak cisimlerin görüntülerini büyültmekte, yerölçümü aygıtlarında ve sekstantlarda da yararlanılır. Dürbünler aslında, yan yana getirilmiş iki teleskoptan başka bir şey değildir.(bkz.dürbün)
Teleskopu kimin bulduğu kesin olarak bilinmemektedir. Bir söylentiye göre, 1608’de Hollanda’da Hans Lippershey adındaki Middelburglu bir gözlük yapımcısı, bir gün rastlantı sonucu, art arda duran iki mercekten bakmış ve yakındaki kilisenin rüzgargülünün çok büyük olarak görmüş, böylece de teleskopu keşfetmiştir. Ama bazılarına göre, teleskop 1608’den önce de bilinmekteydi.
Teleskop bulunduktan sonra hızla başka ülkelere de yayıldı. İtalyan bilim adamı Galileo Galilei teleskopun astronomi için çok yararlı olabileceğini fark etti. Galileo 1610’dan başlayarak kendisi için çeşitli teleskoplar yaptı ve bunlarla pek çok önemli astronomi keşfinde bulundu. Ay’daki dağları, Jupiter’in en büyük dört uydusunu, Venüs’ün evrelerini, Samanyolu Gökadası’ndaki yıldız alanlarını ve Güneş lekelerini de içine alan bu keşifler astronomi tarihinde bir dönüm noktası oluşturur.
Önceleri bütün teleskoplar bir içbükey mercek (ortası uçlarından daha ince olan ıraksak mercek ) ile bir dışbükey mercekten (ortası uçlarından daha kalın olan ıraksak mercek ) yapılırdı. Bunlara Galileo teleskopu denirdi. Alman astronom Johannes Kepler, bir içbükey ve bir dışbükey mercek yerine iki dışbükey mercek kullanılarak daha iyi bir teleskop yapılabileceğini ileri sürdü ve bu türden ilk teleskop 1630 dolaylarında gerçekleştirildi. Kepler teleskopu denen bu tür bir teleskopun astronomi için Galileo teleskoplarından daha uygun olduğu ortaya çıktı ve Kepler teleskopu kısa sürede yaygınlaştı.
Mercekli Teleskoplar:
Galileo ve Kepler teleskoplarının her ikisi de mercekli teleskoptu ve ışık ışınlarının kırılması temeline dayalı olarak çalışıyordu. Objektif denen büyük mercek, uzaktaki cisimden gelen ışık ışınlarını kırılmaya uğratarak belirli bir odakta toplar. Gözlemci, göz merceği denen ve objektifin oluşturduğu görüntüyü büyütmeye yarayan daha küçük mercekten bakar. Mercekli teleskoplar ışığın kırılması ilkesine dayalı olarak çalıştığı için kırılmalı teleskop olarak da adlandırılır.
Galileo bütün gözlemlerini, merceklerinin çapı 5 cm den daha kısa olan küçük teleskoplarla yapmıştı. Sonraki astronomlar, daha çok ışık toplayabilen daha büyük mercekler kullandılar.
İlk mercekli teleskop yapımcılarının ve kullanıcılarının karşılaştığı en büyük sorunlardan biri, farklı renklerdeki ışığın farklı miktarlarda yada açılarda kırılması olgusuydu. Mavi ışığın kırmızı ışıktan daha çok kırılması yada benzeri durumlar, ilk kırılmalı teleskop yada merceklerinin hafif bulanık bir görüntü vermesi ve görüntünün çevresinde bir renk saçağı oluşmasına neden oluyordu. Bu sorunu 18.yy’ın sonlarında iki İngiliz mucit çözdü. Chester Moor Hall ve John Dollond birbirlerinden habersiz sürdürdükleri çalışmalar sonucunda, farklı cam türlerinden yapılmış merceklerin kullanılmasıyla görüntüdeki bulanıklığın ve renk saçaklarının ortadan kaldırabileceğini buldular. Sonraki teleskop yapımcıları da daha büyük çaplı mercek yapma yöntemleri geliştirdiler. Mercekli teleskop bugün de önemini korumaktadır, çünkü bunlara başka aygıtlar takılarak gökcisimlerinin doğrudan ölçümleri yapılabilmektedir.
Aynalı Teleskop:
Aynalı teleskoplarda ışık ışınları, bir çukur aynadan yansıtma yoluyla toplanır ve odaklanır. Bu tür teleskoplara yansımalı teleskop da denir. İlk aynalı teleskopu 1668’de büyük İngiliz bilim adamı Sir Isaac Newton yaptı. Aynalı teleskopun, bütün renkleri aynı biçimde yansıtmak ve ilk mercekli teleskoplarda görülen türden bir bulanıklığa ve renk saçaklanmasına yol açmamak gibi büyük bir üstünlüğü vardı. Alman asıllı büyük İngiliz astronom Sir William Herschel da aynalı teleskop yapımını geliştirenler arasındadır. Sir Herschel aynalarını kendisi taşlar ve parlatırdı. 1781’de Uranüs gezegenini keşfettiğinde kendi yaptığı teleskoptan yararlanmış ve sonraki 30 yılda da sistematik bir yıldız ve bulutsu kataloğu hazırlamıştı.
Günümüz Teleskopları:
İyi bir astronomi teleskopu net bir görüntü verebilmeli ve soluk cisimlerin açıkça görülebilmesini sağlayacak kadar çok ışık toplayabilmelidir. Mercekli teleskopta net görüntü, tek objektif yerine iki ya da daha çok mercek kullanılarak ve bu mercekler titizce taşlanıp parlatılarak elde edilir. Aynalı teleskopta ise bu, aynanın titizce taşlanmaşı ve parlatılmasıyla sağlanır. Objektif merceklerinin ya da aynanın alanı büyüdükçe ışık toplama gücüde artar.
Bugün kullanılmakta olan büyük teleskopların çoğu aynalı teleskoplardır. Bunun bir nedeni, kusursuz bir ayna yapmanın kusursuz bir mercek yapmaktan daha kolay olmasıdır. Bir başka neden de, aynanın belirli bir yüzeye yerleştirilerek doğru konumda kolayca tutulabilmesidir; oysa mercekler, ışık geçişini engellememek için ancak kenarlarından tutturulabilir ve büyük, ağır mercekleri sağlam bir biçimde bir yere oturtabilmek çok güçtür.
Cam aynalar 19.yy’ın ortalarında, cam yüzeylerin gümüşle kaplanması yönteminin bulunmasından sonra yaygınlaştı. Daha önceleri teleskop aynaları, yüzde 68 oranında bakır ve yüzde 32 oranında kalaydan oluşan bir alaşımdan yapılırdı. Günümüzde büyük aynalar genellikle gümüş yerine alüminyumla kaplanır; çünkü alüminyum daha uzun ömürlüdür, kısa dalga boylu ışığı daha iyi yansıtır ve kolayca kararmaz.
Büyük teleskoplarda, objektif merceklerinin yada aynanın bulunduğu tüp bölümü, gökyüzünün her yönüne dönebilen bir sehpanın üzerine yerleştirilir; böylece, seçilen gökcisminin, Dünya’nın dönmesinden kaynaklanan hareketi sırasında da izlenmesi olanaklı olur. Teleskoplar bir çark sistemi yada elektrik motorlarıyla döndürülür; büyük teleskoplarda her konum değişikliği elektriksel olarak gerçekleştirilir ve bilgisayarla denetlenir.
Teleskoplar genellikle kameralarla, bazen de gelen ışığın rengini kaydetmekmek için, spektrograflarla donatılır. Kameralı teleskopların üstünlüğü, gözle doğrudan görülemeyecek kadar solgun yıldızların fotoğraflarının çekilebilmesidir, bunun için objektif uzun bir süre açık bırakılır. Kalıcı bir kayıt biçimi olan fotoğrafın geçmişte astronomide büyük bir önemi olmuştur. Bugün fotoğraf tekniklerinin yerini almış olan özel elektronik aygıtların yardımıyla çok daha solgun cisimlerin varlıkları belirlenebilmektedir. Teleskop görüntüleri televizyon ekranına aktırılabilmekte ve bilgisayarda saklanabilmektedir.
Belirli amaçlar için özel teleskoplar geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları, parlaklığı ve ısısı nedeniyle ancak özel aygıtlarla gözlemlenebilen Güneş’in fotoğraflarını çekmekte kullanılır. Gökyüzünün geniş bir kesiminin fotoğrafını anında çekmeye yarayan özel teleskoplar da vardır; bu teleskop türü 1929’da Alman astronom Bernhard Schmidt(1879-1935) tarafından bulunmuştur ve Schmidt teleskopu olarak anılır.
Ünlü Teleskoplar:
Dünyanın en büyük mercekli teleskopu 1897’de ABD’de Wisconsin eyaletine bağlı William Bay’deki Yerkes Gözlemevi’nde kurulmuştur. Bu, 102 santimetrelik bir teleskoptur. (verilen büyüklük, mercekli teleskoplarda objektif çapını, aynalı teleskoplarda ise aynanın çapını gösterir.) Teleskopun mercekleri taşıyan tüpünün uzunluğu 18 metredir. Artık çok büyük mercekli teleskop yapılmamaktadır, ama bu aynalı teleskoplar için geçerli değildir.
En büyük aynalı teleskoplardan biri, 1935-48 arasında, ABD’de California’daki Palomar Dağı Gözlemevi’nde kurulmuş olan 5,1metrelik Hale teleskopudur. Teleskopun yalnızca aynasının ağırlığı 18 tondur, aynayı taşıyan tüp 17 metre uzunluğundadır ve 140 ton ağırlığındadır. Sehpasıyla birlikte teleskopun toplam ağırlığı 500 tona ulaşmaktadır. Ama bu büyük kütle, küçük bir kuvvetle döndürülebilecek kadar duyarlı bir biçimde dengelenmiştir.
ABD’de Arizona eyaletindeki Kitt Peak’te kurulu olan gözlemevinde bir düzineden çok teleskop vardır. Bunların en büyüğü, yapımı 1973’te tamamlanan 4 metrelik Mayall aynalı teleskopudur. Güneş etkinliklerini incelemek için kullanılan, dünyanın en büyük Güneş teleskopu da Kitt Peak’tedir.
Çok aynalı teleskop sistemlerinin gerçekleştirilmesiyle teleskop tasarımında büyük bir ilerleme sağlanmıştır. Bu sistemde bir kaç ayna ışığı ortak bir odak noktasının üzerinde toplar. Her ayna çok duyarlı bir biçimde bilgisayarla denetlenir ve böylece verdikleri görüntülerin tam olarak üst üste düşmesi(örtüşmesi) sağlanır. Arizona eyaletindeki Hopkins Dağı’nda bulunan altı aynalı teleskopun gücü, 5 metrelik bir teleskopunkine eşdeğerdir; ama maliyeti çok daha düşüktür. Toplam olarak 15 metrelik çapa eşdeğer, birden çok ayna kullanan teleskop tasarımları geliştirilmiştir.
Modern teleskopların kurulması için harcanması gereken para çok büyük olduğundan astronomlar bunları olabildiğince verimli bir biçimde kullanmak isterler. Gözlemlerde bugün artık fotoğraf tekniklerinden pek fazla yararlanılmamaktadır, çünkü ışığı algılamak ve löçmek için duyarlı elektronik aygıtların kullanılmasına dayalı daha iyi yöntemler geliştirilmiştir. Ama bugün de Schmidt teleskoplarında fotoğraf tekniklerinden yararlanılır.
Teleskoplar bulutların, su buharının ve atmosfer kirliliğinin olumsuz etkilerini azaltmak için dağların tepesine kurulur. Örneğin; İngiliz optik astronominin ana merkezi, Britanya Adaları’daki koşulların gözlem için elverişsiz olmasından dolayı Kanarya Adaları’na aktarılmıştır. Bir teleskop için en iyi yer, gözlem koşullarının kusursuz olduğu uzay karanlığıdır. Günümüzde balonlarla ve yapma uydularla uzaya teleskoplar gönderilmektedir. ABD’nin fırlattığı insansız uzay aracı “Yörünge Astronomi Gözlemevi 2”de (OAO-2) 11 teleskop bulunmaktadır. 1990’da ise, Hubble Uzay Teleskopu fırlatılmıştır; ama teleskopun aynalarından biri arızalı çıkmıştır. Gelecekte belki de Ay’da teleskoplar kurulacak ve böylece herhangi bir atmosfer etkisinden uzak, son derece net görüntüler elde edilebilecektir.
Uzaydaki cisimlerin yaydığı pek çok ışınım türü, Dünya’yı çevreleyen atmosferin içinden geçemez. X ışınları, morötesi ve kızılötesi ışınlar bunlardan bazılarıdır. Bu dalga boylarındaki astronomi çalışmaları, yörüngedeki yapma uydulara yerleştirilen özel teleskoplarla gerçekleştirilir.
DÜRBÜN
Dürbün, uzaktaki cisimlerigözlemlemekte kullanılan ve içine gözmercekleri(oküler) yerleştirilmiş iki tüpten oluşan optik alete denir. Aynı çerçeveye yerleştirilen tüplerdeki mercek sisteminin odak noktası çoğunlukla tak bir ayar halkasıyla yapılır, ama her tüpü ayarlanan dürbün türleri de vardır.
Çoğu dürbünde her tüpün içinde iki prizma vardır. Bu prizmalar, gözmerceğinin ters çevirdiği görüntüyü yeniden doğrultur. Prizmalar, ışık ışınlarının tüpün içinde katedeceği uzaklığı arttırarak, dürbünün uzunluğunu azaltır. Ayrıca, objektif mercekleri arasındaki uzaklığın, gözmercekleri arasındaki uzaklıktan daha fazla olmasını olanaklı kılarak daha iyi bir stereoskopik etkiye(uzak mesafelerdeki görüntülerde derinlik özelliği) yol açarlar.
Dürbünler genellikle, 6*30, 7*50 ya da 8*30 olarak sınıflandırılır. İlk sayı objektif merceğinin büyütme oranı, ikicisi ise milimetre cinsinden çapını belirtir. Merceğin çapı, dürbünün ışık toplama gücünün bir ölçüsüdür. Derinlik etkisinin önemli olmadığı durumlarda, tekgözmercekli(monoküler) dürbünler kullanılır. Bunlar temelde çift tüplü dürbünlerin yarıya bölünmüş türleridir. Basit ve ucuz mercek sistemlerinden yapılan tiyatro dürbünlerinin görüş açısı dardır ve büyütme oranları 2,5-4 arasında değişir.
MİKROSKOP
Mikroskop, çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük cisimleri görmeye ve incelemeye yarayan aygıttır. MERCEK madddesinde anlatılan basit büyüteçler bazen “basit mikroskop” olarak tanımlanır; ama mikroskop deyimini, daha büyük, daha karmaşık ve çok daha etkili bir alet olan “bileşik mikroskop” için kullanmak daha doğru olur.
Mikroskopun oluşturduğu görüntüye doğrudan yada bir ekran üzerine yansıtılılarak yada fotoğrafı çekilerek bakılabilir. Mikroskopla incelenen maddeler saydam yada saydamsız olabilir. Bileşik mikroskoplarda bakteri boyutlarındaki cisimler incelenebilir, öte yandan elektron mikroskopuyla çok küçük virüslerin ve büyük moleküllerin görülmesi olanaklıdır.
Optik Mikroskop: (tarihçe) İlk mikroskop türü 15.yy’ın ortalarından başlayarak büyüteç olarak kullanılan tek mercekli mikroskoptu. Geliştirdiği tekniklerle çok yüksek nitelikli mercekler yapmayı başaran Felemenkli doğabilimci Antonie van Leeuwenhoek(1632-1723), bunlara 2-3 mikrometre(0,002-0,003mm) çapındaki bakterileri incelemeyi başardı. O dönemde böyle tek mercekli mikroskoplar renkser sapınç(aberasyon) sorununu artıran bileşik(iki yada daha fazla mercekli) mikroskoplara yeğlenmekteydi. İlk bileşik mikroskop, 1590-1609 arasındaki dönemde Felemenk’te yapıldı; bu tür mikroskopu Hans Jansen, onun oğlu Zacharias ya da Hans Lippershey’in bulduğu kabul edilir. Bulunuşundan kısa süre sonra İtalyan ve İngiliz optikçilerin yaptıkları bileşik mikroskoplar yaygın olarak kullanılmaya başlandı; ama bu mikroskoplarda kullanılan merceklerin renkser sapıncı görüntünün renklenmesine ve bozulmasına yol açıyordu. İlk olarak teleskoplarda kullanılan ve renkser sapıncı büyük ölçüde ortadan kaldıran renksemez(akromatik) mercekler mikroskoplarda 18.yy’ın sonlarında Hollanda’da kullanılmaya başladı. Ayrılımı(farklı dalgaboylarındaki ışığın kırılma indisinin farklı olması nedeniyle değişik renklerin farklı miktarlarda kırılarak birbirlerinden ayrılması) düşük crown camından yapılmış bir dışbüke(tümsek) mercek ile ayrılımı yüksek flint camından yapılmış bir içbükey(çukur) merceğin birleştirilmesiyle oluşturulan renksemez merceklerin yapımına ilişkin ilk kurumsal çalışmayı İngiliz optikçi Joseph Jackson Lister gerçekleştirdi. (1830) mikroskop tasarımında en önemli gelişme Alman fizikçi Ernst Abbe (1840-1905) tarafından gerçekleştirildi. Abbe, yağa daldırılmış objektif tekniğini (objektif ile incelenecek cisim arasına bir yağ damlasının yerleştirilmesi yöntemi) buldu, cisim üzerinde ışığın yoğunlaştırılmasını sağlayan kondansörü geliştirdi, merceklerin ayırma gücü ve ışık toplama yeteneklerinin belirlenmesini sağlayan “sayısal açıklık” kavramını ortaya koydu ve yüksek nitelikli, sapınçsız apokromatik mercek sistemini geliştirdi. Abbe,mikroskopta ayırma gücünün optik sistemin sayısal açıklığının büyütülmesi ya da daha kısa dalgaboyu ışık kullanılmasıyla yükseltilebileceğini de belirledi. Görünür ışık kullanılarak birinci yöntemin kuramsal sınırlarına ulaştıktan sonra, ikinci yolun denenmesine geçildi, böylece morötesi ışınımdan yararlanan mikroskoplar gerçekleştirildi, ama bu tür mikroskopların yapımında önemli teknik zorluklarla karşılaşıldı.1924’de Fransız fizikçi Louis-Victor Broglie, elektron demetinin bir dalga demeti özelliği gösterdiğini ortaya koydu. Elektron demetinin dalgaboyunun ışığın dalga boyuna oranla çok daha kısa olmasından yararlanarak 1930’lu yıllarda elektron mikroskopu gerçekleştirildi. Elektron mikroskopuyla elde edilen büyütme gücü 50 binin üstündedir.
Bileşik Mikroskop: Tek bir yakınsak mercekten oluşan ve yalın mikroskop olarakta bilinen büyüteçlerle 20’den yüksek büyütme gücü elde edilmesinde merceğin sapınç özelliklerinden kaynaklanan önemli sorunlar ortaya çıkar. Günlük yaşamda kullanılan büyütme gücü düşük büyüteçlerin yanı sıra duyarlı mekanik aygır yapımcılarının gözlerine kıstırarak kullandıkları ve saatçi gözlüğü denilen büyüteçler yalın mikroskopların günümüzde yararlanılan örnekleridir. Çift dışbükey yada düzlem dışbükey (bir yüzü düzlemsel diğeri dışbükey) bir yakınsak mercek olan büyüteçte görüntü sanal ve düzdür. Bileşik mikroskopta temel olarak iki yakınsak mercek bulunur. Bunlardan incelenecek cisme bakan merceğe objektif(cismin merceği) , göze yakın olanada gözmerceği(oküler) denir. İncelenecek cisim üzerine ya bir içbükey ayna yada bir ışık kaynağı ile bir yakınsak mercek sisteminden(kondasör) oluşan aydınlatma sistemi aracılığıyla odaklanmış ışık düşürülür. Objektif ile gözmerceği uygun bir mekanizma aracılığıyla birbirlerine göre ileri-geri, yada örneğin yerleştirildikleri tabla aşağı-yukarı hareket ettirilebilir ve böylece objektif ile cisim arasındaki uzaklık çok duyarlı bir biçimde ayarlanabilir.
Objektifin odak uzaklığı büyütme gücü düşük mikroskoplarda 25-75mm,orta büyütmeli mikroskoplarda 8-16mm, yüksek büyütmeli mikroskoplarda ise 2-4mm’dir. Çok küçük odak uzaklıkları yağa daldırılmış objektiflerde kullanılır. Cisim objektifin odak noktasının önüne ve odağa çok yakın olarak yerleştirilir, bu durumda objektifin arka odak düzleminin gerisinde, cisme göre ters ve büyük bir gerçek görüntü elde edilir. Bu görüntünün cisme oranla büyüklüğü, 2 ile 100 arasındadır. Bu görüntü, büyüteç olarak çalışan ve sanal görüntü oluşturan gözmerceği tarafından daha da büyütülür.
Bir mikroskopun yalnızca cismin büyütülmüş bir görüntüsünü vermesi yeterli değildir;cisme ilişkin ince ayrıntıların da görülebilmesi, bu nedenle de görüntünün keskin olması gerekir. Görüntünün keskinliğini sınırlayan ise merceğin sapınç kusurlarıdır. Bu kusurların başında faklı dalgaboyundaki ışık ışınları için(kırılma indisinin farklı olmasından dolayı ) odak noktalarının farklı olmasından kaynaklanan ve görüntünün kenarlarında renk saçakları oluşmasına neden olan renkser sapınç gelir. Renkser sapınç, yakınsak merceğe, ayrılımı daha yüksek camdan yapılmış uygun bir ıraksak merceğin eklenmesiyle giderilebilir. Mercek yüzeylerinin küresel olmasından kaynaklanan küresel sapınçta görüntünün bulanıklaşmasına neden olur. Sapınçları ortadan kaldırmak için tasarımlanan mercek sisteminin yapısı merceğin büyütmesi yükseldikçe karmaşıklaşır, dolayısıyla yapım maliyeti yükselir. Yüksek ayırma gücü elde edebilmek için düzeltilmesi gereken dört sapınç türü daha vardır:Koma(görüntü ekseninin belirli bölümlerinde görüntünün bozulması), astigmatlık, distorsiyon(görüntünün çarpılması) ve alan eğriliği. Bütün bu sapınçları belirli ölçüde düzeltmek amacıyla çeşitli mercek sistemleri tasarımlanmıştır. Bunları renksemez(akromatik), apokramatik ve yarıapokromatik(flüorit) mercekler olarak üç genel sınıfa ayırmak olanaklıdır. Fotomikroskopide büyük sakıncalar yaratan alan eğriliği kusurunu gidermek amacıyla “düz alanlı mercek” olarak adlandırılan özel mercek sistemleri geliştirilmiştir. Gözmerceği genellikle iki ayrı mercekten oluşur; bunlardan göze yakın olanı renkser sapıncı engellemek amacıyla crown-flint camlarından yapılmış mercek çifti biçimindedir. Objektifte tam olarak giderilemeyen kusurları dengelemek üzere özel olarak tasarımlanan gözmerceği ayrıca görüntüde yer belirlemeye yarayan göstergeler ya da görüntü üzerinde kafes biçiminde bir desen oluşturan çizgiler içerir.
Özel Mikroskop Türleri: Stereoskopik mikroskoplar birbirine özdeş iki mikroskoptan oluşur. Bunların eksenleri arasında yaklaşık 16 derecelik bir açı vardır, böylece iki eksenin incelenecek cisim üzerinde kesişmesi sağlanır, bu tür mikroskoplarla cismin stereoskopik bir görüntüsü elde edilir. Gözlenen cismin düz görüntüsünü elde etmek için prizma kullanılır. Tek bir objektifi bulunan ve ışık ışınlarını ikiye ayırarak iki gözmerceğine yönelten türden stereoskopik mikroskoplar da yaygın olarak kullanılır.
Ultramikroskop, koloit (asıltı) parçacıklarını incelemek amacıyla 1903’te geliştirilmiştir. Adi mikroskopla gaözlenemeyecek kadar küçük olan bu parçacıklar, güçlü bir ışık kaynağı aracılığıyla mikroskop eksenine dik doğrultuda ışıkla aydınlatılır. Parcacıkların saçılıma uğrattığı ışık karanlık zemin önünde oluşan parıltılar biçiminde gözlenir. Bu yöntemle 5-10 milimikron çapındaki parçacıkların oluşturduğu parıltıların gözlenmesi olanaklıdır.
Metalurji mikroskopları ışık geçirmeyen malzemelerin, özellikle metallerin yapısını incelemek amacıyla kullanılır. İncelenecek örnek, yüzü aşağı gelecek biçimde yerleştirilir ve alttan düşey olarak aydınlatılır. Bu tür mikroskoplar genellikle fotoğraf makinesiyle donatılmışlardır.
Mikroskopta oluşan görüntünün kontrastlığı, örneğin ışığı soğurma niteliğinden kaynaklanır; kontrastlığı artırmak için genellikle örneğin boyanması gerekir. Canlı hücrelerin ve benzer saydam cisimlerin incelenmesinde, boyamanın olanaksızlığından dolayı büyük zorlukla karşılaşılır. Faz kontrastlı mikroskoplar ve girişimli mikroskoplar örneğin herhangi bir işlemden geçirilmesine gerek kalmaksızın, kontrastın optik yöntemlerle yükseltilmesini sağlayan ve özellikle biyolojide yaygın kullanım alanı olan mikroskop türleridir.
Mikroskopun ayırma gücünü yükseltmenin bir yolu kısa dalga boylu ışık kullanmaktır. Bu amaçla gerçekleştirilen ve mor ötesi ışınımdan yararlanan mikroskoplarda incelenecek örnek mor ötesi ışınımla aydınlatılır. Bu tür mikroskopta merceklerin kuvarstan yapılmış olması gerekir. Morötesi ışınım mikroskopu adi mikroskopa oranla iki kat yüksek ayırma gücü sağlar; ama bu mikroskop türü, odaklama güçlükleri ve görüntünün yalnızca fotoğraf aracılığıyla elde edilebilmesi yüzünden yaygınlaşamamıştır. Morötesi ışınıma duyarlı televizyon kameralarının geliştirilmesiyle morötesi ışınım mikroskopu daha kullanışlı bir yapıya kavuşmuştur. Morötesi ışınımın örnekte oluşturduğu flüorışımadan yararlanan flüorışımalı mikroskoplar da özellikle biyoloji ve tıpta kullanılır.
Aynalarda renkser sapınca hiç bulunmaması, odak uzaklığının görünür ışık içinde, morötesi ve kızılötesi ışınımlar ıçin de aynı kalması yansıtıcı (mercek yerine ayna kullanan) mikroskop yapımı düşüncesini doğurmuştur. Böyle bir mikroskopta ayna kullanma zorunluluğu vardır; küresel olmayan aynaların yapımı ise oldukça zordur. Ayrıca ayna yüzeylerinin atmosfer etkisiyle bozulup kararması büyük bi sorun olmaktaydı.
Öteki mikroskop türleri arasında özellikle jeoloji ve kristalografide kullanılan ve incelenecek örneğin kutuplanmış ışıkla aydınlatıldığı kutuplayıcı mikroskop; daha çok silisyum kristallerindeki kusurların incelenmesinde ve sahte sanat ürünlerinin belirlenmesinde yararlanılan kızılötesi ışınımın mikroskopu; laser ışını ve x ışınları kullanan mikroskoplar ile çok yüksek frekanslı sesüstü dalgalardan yararlanan çok yüksek ayırma güçlü akustik mikroskoplar sayılabilir.
Elktron Mikroskopu: Fransız fizikçi Louis-Victor Broglie 1924’te, o döneme değin maddesel parçacık olarak kabul edilen elektronların ve öteki parçacıkların aynı zamanda dalga özelliği gösterdiğini ortaya koydu. Elektronların dalga yapısı 1927’de deneysel olarak hesaplandı. Parçacıkların bir dalga olarak sahip oldukları dalga boyunu veren ve Broglie’nin ortaya koyduğu eşitliğe göre, örneğin 60.000 voltla hızlandırılmış elektronların etkin dalga boyu 0,05 angströmdür, bir başka deyişle yeşil ışın dalga buyunun 100.000’de 1’ine eşittir. Bu nedenle mikroskopta ışık yerine böyle bir dalganın kullanılması durumunda ayırma gücünün çok büyük ölçüde artması beklenebilir. Elektrostatik ve magnetik alanların elektronlardan ya da başka yüklü parçacıklardan oluşan demetleri saptırabildiği ve odaklayabildiğinin 1926’da kanıtlanması üzerine ayrı bir fizik dalı olarak elektronoptiği ortaya çıktı. İlk elektron mikroskopu 1933’te gerçekleştirildi; optik mikroskoplarla elde edilebilen ayırma gücü elektron mikroskopu kullanılarak bir kaç yıl içinde aşıldı. İlk ticari elektron mikroskopunun yapımına 1935’te İngiltere’de başlandı. Bunu Almanya ve ABD izledi. Günümüzde elektron mikroskoplarıyla 3 angströmden küçük uzunluklar seçilebilmekte, böylece büyük moleküllerin doğrudan gözlenmesi olanaklı olmaktadır.
Optik Mikroskopa Göre Farklar: Elektronlar hava içinde heve molekülleri ile çarpışmalarından ötürü yol alamadıklarından, elektron demetinin geçtiği yolda havanın boşaltılmış olması gerekir. Bu nedenle canlı örnekler elektron mikroskopuyla incelenemez. Optik mikroskopta merceklerin odak uzaklıkları sabittir ve odaklama için örneğin objektife uzaklığı değiştirilir. Elektron mikroskopunda kullanılan elektrostatik ya da magnetik alan merceklerin odak uzaklıkları değişkendir ve kolaylıkla ayarlanabilir; bu nedenle mercekler arasındaki uzaklık ve örneğin objektife uzaklığı sabit tutulur. Optik teleskoplarda genellikle sanal görüntü elde edilir; elektron mikroskopunda ise görüntü gerçektir, bu nedenle flüorışın bir ekran üzerinde oluşturularak doğrudan görülür duruma getirilebilir ya da film üzerinde oluşturularak fotoğrafı elde edilebilir. Optik mikroskopta görüntü, ışığın, incelenen örnek tarafından soğurulması sonucunda oluşur; elektron mikroskopunda ise görüntüyü oluşturan, elektronların, örnekteki atomlar tarafından saçılıma uğratılmasıdır. Ağır (atom numarası yüksek) atomlar elektronları daha kolay saçılıma uğrattığından incelenen örnekte ne kadar çok ağır atom varsa görüntünün kontrastlığı da o oranda yüksek olur. Elektron mikroskopunda elektron demetini saptırma yada odaklama amacıyla kullanılan mercekler elektrostatik ya da elektromagnetik merceklerdir. En yalın elektrostatik mercek iç içe iki eşeksenli metal silindirden ya da art arda yerleştirilmiş iki metal levhadan oluşur.
Geçişli Elektron Mikroskopu: Elektron demetini incelenen örneğin içinden geçerek görüntü oluşturduğu çeşitli elektron mikroskoplarında başlıca üç bölüm bulunur: 1) Elektron demetini üreten ve örneğe odaklayan bölüm 2) Görüntüyü oluşturan bölüm 3) Görüntü izleme bölümü
Elektron demetini oluşturan bölüm elektron tabancası olarak adlandırılır. Mikroskopun elektron tabancasından ekrana ya da filme kadar tüm bölümlerinin elektronlarının serbestçe yol almalarını sağlamak üzere havası boşaltılmış bir sistem içinde bulundurulması gerekir.
Yüksek Gerilimli Mikroskoplar: Alışılagelmiş elektron mikroskoplarında elektronları hızlandıran gerilimin değeri 100 kilovolt civarındadır. Buna karşılık, 1.200.000 voltluk gerilimler kullanan mikroskoplarda yapılmıştır. Yüksek gerilim kullanmanın üstünlüklerini şöyle sıralayabiliriz: 1) Gerilim yükseldikçe, elektron hızı büyür 2) Hızlı elektronlar alın örneklerden daha çabuk geçer 3) Enerji kayıplarından kaynaklanan renkser sapınç artar 4) Örnek daha az ısınır, bozucu etkiler azalır 5) Elektron kırınım desenlerinin ayırma gücü yükselir. Yüksek hızlı elktronların yolu üzerindeki cisimlere çarpmasıyla ortaya çıkan x ışınlarının mikroskop kullananlara zarar vermemesi için de gerekli önlemlerin alınması gerekir.
Tarıyıcı Elektron Mikroskopu: Cisimlerin yüzeyini incelemek üzere geliştirilen tarıyıcı elktron mikroskopunda uygun bir saptırıcı düzenek aracılığıyla bir elktron demetinin incelenecek yüzeyi sürekli olarak taraması sağlanır. Yüzeye çarpan elektronlar yüzeyden ikincil elektronların fırlamasına yol açar. Bu ikincil elektronlar bir kırpışım kristaline (elektronların çarpmasıyla kısa süreli ani ışık parlamaları oluşturan kristal) gönderilir.kristalde ortaya çıkan parlamalar bir fotoçoğaltıcı lamba aracılığıyla yüzbinlerce kez yükseltilerek elektrik sinyaline dönüştürür. Bu elektrik sinyali bir katot ışının lambadaki (televizyon görüntü tüpü) görüntünün parlaklığını denetler. Katot ışınlı lambanın ekranını denetleyen demetin mikroskopla incelenecek yüzeyi tarayan demetle eşzamanlı tarama yapması sağlanır. Böylece lamba ekranındaki bir noktanın parlaklığı örneğin yüzünde bu noktaya karşılık gelen noktada salınan ikincil elektronların sayısıyla orantılı olur. Sonuç olarak ekranda incelenen yüzeyin yapısını gösteren bir görüntü elde edilir.
Elektron Sondalı Mikroçözümleyici: 1947’de geliştirilen elektron sondalı mikroçözümleyici örnekteki elementleri büyük bir ayırma gücü ile belirleyebilmektedir. Elektron sondali mikroçözümleyici özellikle mineraloji ve metalurjide yaygın olarak kullanılır.
Alan Etkili Mikroskop: Alan etkisiyle salım olgusundan yararlanarak çalışan bu aygıt, temel olarak, bir katot ışınlı lamba içine yerleştirilmiş çok ince bir telden oluşur. Güçlü bir elektrik alanının etkisiyle telin ucandan elektronlar fırlar; bu elktronlar lambanın flüorışın ekranına düşerek ekranda ince telin ucunu görüntüsünü oluşturur. Böyle bir aygıtta büyütme, flüorışın ekranının eğrilik yarı çapı ile telin ucunun yarı çapı arasındaki orana eşittir. Bu yöntemle yalnızca yüksek sıcaklıklara dayanıklı tungsten, platin, molibden gibi metaller incelenebilir, çünkü telin ucunda ortaya çıkan yüksek akım yoğunluğu yüzden büyük ısı açığa çıkar.
Alan etkili mikroskopun değişik bir tür de kristal yapısındaki kusurları doğrudan incelenmesine olanak sağlayan alan etkili iyon mikroskopudur.
Bu yazı 7 kere okundu !
bu makale 14-11-2008 - 19:41 tarihinde
bilim ve teknoloji,
fizik kategorisine yazıldı.
(şu ana kadar iç yorum yapılmamış)
Bundan yaklaşık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir, mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda (boşlukta) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabileceğini önerdi. Boşlukta iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz ne olur? İlk reaksiyonunuz “hiçbir şey” olabilir. Fakat gerçekte, her iki ayna, basit vakum sonucu birbirini karşılıklı olarak çekerler. (
İşte bu etkiyi Hollandalı teorik fizikçi Hendrik Casimir 1948 yılında, Eindhoven’da Philips Araştırma Laboratuvarı’nda, tüm nesnelerde colloidal çözeltiler üzerine araştırma yaparken bu fenomeni önerdi. Bu colloidal çözeltiler; mikron boyutlu parçacıklar içeren bir sıvı karışımında, boya ve mayenozda olduğu gibi, viskoz materyallerdir. Böyle çözeltilerin özellikleri nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici Wan der Waals kuvvetleri tarafından belirlenir.
İki ayna arasındaki kuvvet Casimir kuvveti olarak, bu fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir. Casimir etkisi yıllarca teorik merak konusu oldu. Bu fenomene ilgi son yıllarda daha da arttı. Deneyci fizikçiler, mikro-makinelerin çalışmalarını etkileyen Casimir kuvvetini, çok duyarlı ölçüm aletleri geliştirerek, gözlediler. Bu konuda temel fizik tarafından yeni atılımlar da yapıldı. Bir çok teoriysen, 10 veya 11 boyutlu temel kuvvetlerin bileşik alanlar teorisinde “büyük” fazladan boyutların varlığını öngörmektedir. Onlar, bu boyutların, milimetrenin altındaki uzaklıklarda, klasik Newton kütle çekimini değiştirebileceğini söylüyorlar. Casimir etkisinin ölçümü, çok daha sonra, böyle radikal düşünceleri test etmek için fizikçilere yardımcı olabilir.
Casimir kuvveti her ne kadar tam bir karşı-sezgi gösterirse de, gerçekte iyi anlaşılır. Klasik mekaniğin ilk zamanlarında vakum düşüncesi oldukça basitti. Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının (içindeki gazın) boşaltılıp sıcaklığının mutlak sıfıra indirildiği durumdur. Kuantum mekaniğinin gelmesiyle vakum anlayışı tamamıyla değişti. Belirli elektromanyetik alanlarda tüm alanlar (parçacıklar) titreşim yaparlar. Bir başka deyişle, bir sabit etrafında aktüel değeri değişen, verilen her hangi bir moment, bir ortalama değere sahiptir. Mutlak sıfırda bile, kusursuz bir vakumda bile, bir fotonun yarı enerjisine karşılık gelen ortalama enerjide, “ vakum salınımları (titreşimleri) “ olarak bilinen salınımlar mevcuttur.
Bununla birlikte, vakum salınımları bir fizikçinin zihninde soyut değildir. Onlar, makroskopik ölçekli deneylerde doğrudan canlandırılabilen, gözlenebilir sonuçlara sahiptirler. Örneğin, uyarılmış seviyedeki bir atom uzun süre uyarılmış kalamaz, kendiliğinden foton salarak taban durumuna geri döner. Bu fenomen vakum salınımlarının bir sonucudur. Bir kurşun kalemi parmağınızın ucunda dik durdurmaya çalışın. Eğer eliniz tamamen kararlı ise kalem orada duracak (kalacak), değilse denge bozulacaktır. Fakat çok-çok zayıf bozulma (sapma), kalemi daha kararlı bir denge konumuna getirecektir. Benzer olarak, vakum salınımları uyarılmış bir atomun taban durumuna inmesine sebep olur.
Casimir kuvveti vakum (boşluk) salınımlarının en çok tanınmış mekanik etkisidir. İki ayna arasında bir boşluk olduğunu düşünün (şekildeki gibi). Tüm elektromanyetik alanlar çok farklı frekansları içeren bir karakteristik “spektrum”a sahiptir. Serbest bir vakumda tüm frekanslar eşit öneme sahiptir. Fakat boşluk (oyuk) içerisinde, aynalar arasında ileri-geri yansıyan alanda, durum farklıdır. Alan, boşluk içerisine, yarım dalga boyunun tam katları, tam olarak uyabiliyorsa çoğaltılır. Bu dalga boyu “oyuk (boşluk) rezonansına” karşılık gelir. Diğer dalga boylarında, aksine, alan zorlanır. Vakum salınımları ya zorlanır ya da frekansın boşluk rezonansına karşılık gelip gelmediğine bağlı olarak yükselir.
Casimir etkisinin tartışmasında önemli bir fiziksel nicelik de “alan radyasyon basıncı”dır. Her alan-vakum alanı bile-enerji taşır. Tüm elektromanyetik alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki şeylere basınç uyguladığı gibi, yüzeylere basınç uygular. Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı enerjinin artması ile artar. Oyuk içindeki radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dış kısımdakinden daha güçlüdür ve bundan dolayı aynalar bir birinden uzağa itilirler. Rezonans dışında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dışarıdakinden daha küçüktür ve bundan dolayı aynalar birbirine doğru çekilirler.
Dengede, çekme bileşenleri itme bileşenlerinden azıcık daha güçlü etkiye sahiptir. Kusursuz iki paralel düzlem ayna için, Casimir kuvveti çekicidir ve bu yüzden aynalar bir birlerini çekerler. Kuvvet, F; kesit alanı A ile doğu, aynalar arasındaki uzaklığın dördüncü kuvveti (üssü) d4 ile ters orantılıdır. Bu geometrik niceliklerden ayrı olarak kuvvet, ışık hızı ve Planck sabiti gibi temel değerlere de bağlıdır.
Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken, uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır. Örneğin, alanı 1 cm2 ve aradaki uzaklık 1 mm olan iki ayna yaklaşık 10-7 N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet çapı yarım milimetre olan bir su damlasının ağırlığı kadardır. Bu kuvvet her ne kadar küçük gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında en güçlü olur. Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklaşık 100 katı, Casimir etkisi 1 atmosfer basınsının eşdeğeri basınç üretir.
Her ne kadar günlük yaşamımızda böyle küçük uzaklıklar ile ilgilenmesek de, onlar “nano yapılı ölçekler” ve “mikro-elektromekanik sistemlerde” önemlidir. Bunlar, mikro boyutlu mekanik elemanlar ve hareketli parçalarda, bir silikon örneğini küçük parçalara bölen akıllılıktadır. Elektronik bileşenler bilginin ilerlemesi için cihaz üzerine bağlanır, ki o, mekanik parçaların hareketini algılar ve sürdürmesini sağlar. Mikro-elektromekanik sistemlerin bilim ve teknolojide mümkün bir çok uygulama alanı vardır. Örneğin, bugün bunlar otomobillerde “air-bag basınç sensörleri” olarak kullanılmaktadır.
Aralarındaki uzaklık d ve yüzey alanı A olan iki plaka arasındaki Casimir kuvveti F=(πhc/480)(A/d4 ) bağıntısıyla hesaplanır. Burada h Planck sabiti ( 6,62.10-34J.s ), c ışığın boşluktaki hızı ( 3.108 m/s ) dır. Bu küçük kuvvet, 1996 yılında Steven Lamoreaux tarafından %5 deneysel hata ile ölçülmüştür.
Fotondan başka parçacıklar da küçük bir etki ortaya çıkarır, fakat sadece foton kuvveti ölçülebilirdir. Fermiyonlar itici bir etki oluştururken, fotonlar gibi tüm bosonlar, çekici Casimir kuvvetini oluştururlar. Eğer elektromanyetizmada süpersimetri olsaydı, o zaman fermiyonik fotonlar da var olacaktı. Bu durumda fotonların itme çekme etkisi bir birini yok edecek ve Casimir etkisi olmayacaktı. Gerçekte Casimir etkisinin varlığı gösterir ki; doğada süpersimetrinin olması bir simetri kırılmasını gerektirir.
Teoriye göre; vakumda “toplam sıfır nokta enerjisi, tüm olası foton modları üzerinden toplam alındığında sonsuz olur. Casimir etkisi; sonsuzlukların götürülmesinde, bir enerji farkından meydana gelir. Vakum enerjisi, gravitasyonel (kütle çekim) etkileşmeden dolayı, “kuantum kütle çekim teorisinde” bir bilmecedir. Kütle çekim teorisi uzay-zamanın eğriliğine sebep olan büyük bir “kozmolojik sabit” ortaya çıkarır. Bu uyuşmazlığa çözüm, kuantum kütle çekim teorisinden beklenmektedir.
Mehmet TAŞKAN
Kaynaklar:
1)H.B.G. Casimir, Proc. Kon. Ned. Akad. Wetensch. B51, 793 (1948)
2)S. Lamoreaux, Phys. Rev. Lett., 78, p5 (1996).
3)K A Milton 2001 The Casimir Effect: Physical Manifestations of Zero-point Energy (World Scientific, Singapore) Buy the book: Amazon UK/Amazon US . Subscribe to Physics World << Previous Physics World September 2002 Next >> physics world alerts .
kaynak: http://www.genbilim.com/content/view/5931/36/
Bu yazı 4 kere okundu !
bu makale 14-11-2008 - 19:25 tarihinde
bilim ve teknoloji,
fizik kategorisine yazıldı.
ve şu etiketler eklendi:
casimir,
etkisi
(şu ana kadar iç yorum yapılmamış)
