Güneş ışınları yer yüzüne ulaşınca, üzerine düştüğü taş, toprak, su gibi maddeler ısınır; ışınların bir kısmı ısıya dönüşür. Yazın çok ısınan taş, kum, toprak gibi maddelerin sıcaklığı artığından üzerine çıplak ayakla basamayız. Isıtılan bakır tencerenin de bir süre sonra sıcaklığı artarak, elimizi yakacak duruma gelir. Yeteri kadar ısıtılmış olan odun ya da kağıt parçası ise tutuşur.
Petrol ürünleri, odun, kömür gibi yakıtların yapılarındaki enerji, bu yakıtlar yandığında ısıya dönüşür.
Elektrik enerjisi, maddenin iç enerjisi, ışık enerjisi, ses enerjisi, güneş enerjisi gibi ısı da bir enerji çeşididir. Yemek pişirmede, ısınmada, makinelerin, motorların, fabrikaların,santrallerin çalıştırılmasında bu ısıdan yararlanırız. Isı enerjisini üretebilmek için önce diğer bir enerji türünün tüketilmesi gerekir. Söz gelişi kömür yanmadan ısı enerjisi elde edemeyiz. Yanma sırasında kömürdeki kimyasal enerji ısı enerjisine dönüşür.
Elektrik enerjisi; elektrik ocağı, ütü, ısıtıcı, fırın gibi araçlardaki tellerde ısıya dönüşür. Biz de bu enerjiyi çeşitli işlerimizi yapmada kullanırız.
Maddeler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç halde bulunurlar. Her üç halde de maddelerin moleküllerinden ve atomlardan oluştuğunu biliyoruz.
Katı bir maddenin molekülleri bulundukları yerde titreşim hareketi yapar. Sıvının molekülleri birbiri üzerinde kayarak yer değiştirirler. Gazlarda ise moleküller bulundukları kabın içinde bağımsız olarak her yöne hareket ederler. İster katı, ister sıvı, ister gaz halinde olsun, belli sıcaklıktaki her maddenin molekül ve atomları hareketlidir.
Molekül ya da atomlar değişik hızlarla hareket ettiklerinden hepsinin hızları birbirine eşit değildir. Buna göre her atom ya da molekülün ortalama bir kinetik enerjiye sahip olduğunu söyleyebiliriz.
Her bir molekülün sahip olduğu kinetik enerjinin değeri çok küçüktür. Bu nedenle tek tek moleküllerin kinetik enerjilerini hissedemeyiz. Herhangi bir maddeyi oluşturan moleküllerin sayısı oldukça fazladır. Sayılamayacak kadar çok sayıdaki moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamı çok büyük değerlere ulaşır. Biz bu toplam enerjiyi ölçebiliriz.
Büyün moleküllerin sahip olduğu kinetik enerjilerin toplamını o maddeyi oluşturan molekül sayısına böleriz. Böylece molekül başına düşen ortalama kinetik enerjiyi elde ederiz. Bu da bize o maddenin sıcaklığı hakkında bir fikir verir.
Moleküllerin hareketleri arttıkça, kinetik enerjileri artar. Bu ise molekül başına düşen ortalama kinetik enerjinin; kısaca sıcaklığın artmasıdır. Buna göre sıcaklık bir maddedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjileri ile ilgili bir büyüklüktür.
Bir maddeye ısı verildiğinde moleküllerin hareketi hızlanır ve kinetik enerjileri artar. Kısaca moleküller kinetik enerji kazanır. Böylece ısı enerjisi kazanan maddelerin sıcaklıkları yükselir.
Soğuyan maddelerde ise moleküllerin hareketi yavaşlar. Bu da moleküllerin kinetik enerjilerinin azalması demektir. Isı enerjisi kaybeden maddelerin sıcaklıkları düşer.
Anlatılanlardan da anlaşılacağı gibi ısı ile sıcaklık aynı kavramlar değildir. Buna örnek verelim.
Kaynamakta olan çaydanlıktaki sudan bir çay bardağı su alalım. Çaydanlıktaki ve çay bardağındaki suların sıcaklıkları aynıdır. Fakat ikisindeki ısı miktarları birbirine eşit değildir. Çaydanlıktaki sıcak su ile daha çok buz eritebiliriz. Bir bardak sıcak su ile eritilen buz çok azdır. Çaydanlıktaki suyun ısısı bir bardak suyun ısısından daha fazladır.
SICAKLIK
Bir cismin ne kadar sıcak olduğunun ölçüsüdür. Derideki duyu alıcılarının yardımıyla bir cismin sıcaklığı konusunda kabaca da olsa bir izlenim denebilir. Ama sıcaklığın tam olarak bilinmesinin gerektiği işlerde ya da derinin dayanabileceğinden daha sıcak ve daha soğuk cisimlerin ölçümünde termometre kullanılır. Sanayi fırınlarındaki gibi çok yüksek sıcaklıkların ölçümünde ise pirometrelerden yaralanılır.
Termometrenin üzerinde bir sıcaklık ölçeği vardır. Pek çok ülkede kullanılan Celsius ölçeğine göre, buzun erime noktası 0 derece, suyun kaynama noktası 100 derecedir. Bugün ABD`de kullanılmakta olan Fahrenheit ölçeğine göre buzun erime noktası 32 derece, suyun kaynama noktası ise 212 derecedir. Kelvin ise bilim adamlarının kullanır.
Bir cismin sıcaklığı moleküllerinin titreşim hızına bağlıdır. Molekülleri ne kadar hızlı titreşirse cisim o kadar sıcak, ne kadar yavaş titreşirse cisim o kadar soğuk olur. Moleküller hareket halinde olduklarından kinetik enerjiyi sahiptir. Bir cismin sıcaklığı moleküllerinin ortalama enerjisini gösterir. Eğer herhangi bir cisim, moleküllerinin tamamen hareketsiz hale geleceği ve tüm hareket enerjilerini yitireceği bir noktaya kadar soğutulabilseydi, böyle bir noktada artık hiçbir iç enerji bulunmazdı. Hiçbir cisim bundan daha soğuk olamaz. Mutlak sıfır denen bu sıcaklık yaklaşık –273 santigrat derecedir. Mutlak sıfıra ulaşmak imkansızdır; ama bilim adamları bu noktanın derecenin milyonda biri kadar yakınına ulaşabilmeyi başarabilmişlerdir.
Diğer bütün memeliler ve kuşlarda olduğu gibi, insan vücudu da çevre sıcaklığından bağımsız olarak belli bir sıcaklığı korur ve bu sıcaklık pek az değişir. İnsanın normal vücut sıcaklığı 36,9 santigrat derecedir. Normal vücut sıcaklığı insandan insana ve ölçümün yapıldığı vücut bölgesine göre çok hafif bir değişim gösterir.
Sıcaklığın Ölçülmesi
Kaynamakta olan çaydanlığa elinizi dokunmaktan sakınırız. Çünkü onun çok sıcak olduğunu ve elimizi yakacağını biliriz. Bir buz parçasını elimize aldığımızda elimizin üşüdüğünü hisseder, buzun çok soğuk olduğunu belirtiriz.
Buna göre bir maddenin sıcak ya da soğuk olması, onun sıcaklık derecesi ile ilgilidir. Sıcak olan bir maddenin sıcaklık derecesi yüksek, soğuk olanın ise sıcaklık derecesi düşüktür.
İki maddeden hangisinin sıcak ya da soğuk olduğunu dokunma duyumuzla anlayabiliriz. Fakat her sıcaklığı ölçmede dokunma duyumuz yeterli olmayabilir. Dokunma duyumuzun dayanabileceği sıcaklık derecesine kadar olan sıcaklıklar ile ilgili kabaca bir fikir ediniriz. Bunu da sıcak, soğuk, ılık biçiminde belirtiriz. Dokunma duyumuzu kullanarak sayısal bir değer vererek yanılma ihtimali yüksektir.
Bu nedenle sıcaklık ölçülürken, kesin ve doğru değerler veren araçlar kullanılır. Bir maddenin sıcaklık derecesini sayıyla gösterebilen bu araçlara termometre adı verilir.
Termometre Çeşitleri
Isınınca genleşmeleri sıcaklıkla orantılı olan katı, sıvı, gaz maddelerden çeşitli termometreler yapılmıştır. Çok yaygın olarak kullanılan sıvılı ve metal termometrelerdir.
Sıvılı Termometreler:
Sıvılı termometrelerde genleşmeleri büyüyen ve sıcaklıkla orantılı olan sıvılar kullanılır. İnce cam boru içindeki sıvı; cıva ise cıvalı termometre, alkol ise alkollü termometre adını alır.
Cıva –39 santigrat derecede donar, 357 santigrat derecede kaynar. Cıvalı termometreler ile –39 santigrat derece ile 357 santigrat derece arasındaki sıcaklıkları ölçebiliriz. Çok soğuk kış günlerinde bu termometreler kullanılmaz. Bunu yerine donma sıcaklığı daha düşük olan alkollü termometreler kullanılır. Çünkü alkol yaklaşık olarak-115 santigrat derecede donar. Bu termometreleri kutuplarda kullanmak mümkündür. Ancak kılcal boru içindeki sıvının iyi görülebilmesi için kırmızı, mavi, sarı vb. renkli boya maddeleri ile boyanması gerekir. Sıvılı termometreler kullanıldıkları yerlere göre çeşitli isimler alırlar. Duvar termometresi, laboratuar termometresi ve hasta termometresi gibi.
Hasta Termometresi:
Cıvalı bir termometredir. Vücut sıcaklığını ölçmede kullanılır. 35 santigrat derece ile 42 santigrat derece arasındaki sıcaklıkları 1/10 incelikle ölçer. Bu termometrelerin haznesi ile kılcal borunu birleştiği yerde bir boğum bulunur. Vücut sıcaklığı ölçüldükten sonra termometre sapından tutularak sallanır. Neden? Yeni bir ölçmeye hazır olan termometre ağız içi ya da koltuk altına konularak vücut sıcaklığı ölçülür.
Metal Termometre:
Cıvalı ve alkollü termometreler ile ölçülemeyen sıcaklık derecelerini ölçmek için metal termometreler kullanılır. Metal termometreler ile 1600 santigrat dereceye kadar olan yüksek sıcaklıklar ölçülebilir. Fabrika ve fırınlar kullanıldığı yerlerdir.
GÜNLÜK HAYATIMIZDA ISI VE SICAKLIK
Bir kibrit alevi ile yemeğimizi pişiremeyiz. Genellikle evlerimizdeki ocaklarda 12 kg’lik tüpler içinde sıvılaştırılmış petrol gazı kullanırız. Bu tüp içindeki gaz yandığında yaklaşık 40 gün yemeğimizi pişirebiliriz. Aynı gazı verdiği ısı ile odamız 7-8 gün ısıtılabilir. Çünkü tüpün içindeki ısı kibrit alevinin verdiği ısıdan çok fazladır. Bir ton taş kömürünün verdiği ısı, iki ton linyitin verdiği ısıdan daha fazladır. Bu yüzden ton başına fiyatı linyitin iki katı da olsa linyit yerine taş kömürü alan karlıdır. Çünkü aynı para ile daha çok ısı satın almaktadır. Sonuç olarak ısı alınıp satılan bir enerji çeşidi olmaktadır. Isı enerjisi doğrudan ölçülemez. Isı miktarı hesapla bulunur. Birimi joule ‘dir. Isıyı ölçmede kullanılan araç ise kalorimetredir.
Her gün dinlediğimiz hava raporlarında derece santigrat cinsinden verilen değerler sıcaklıklardır. Giyimimizi havanın sıcaklığına göre ayarlarız. Denize girerken bizim için önemli olan suyun sıcaklığıdır. Sıcak maddenin, soğuk maddeden daha yüksek olan özelliği sıcaklığıdır. Maddelerin sıcaklığı doğrudan ölçülebilir. Sıcaklığı ölçmede kullanılan araç termometredir. Birimi ise santigrat derecedir.
Bir Cismin Sıcaklığının Artmasını
Sağlayan Fiziksel Enerji: ISI
Isı bir cismin sıcaklık derecesini belirten enerjidir. Isı miktarıyla sıcaklık doğru orantılıdır. Bir cismin üzerindeki ısı arttıkça o cismin sıcaklığı da artar.
Fizik biliminin büyük dallarından biri de ısı bölümüdür. Dünyamızda geçen hemen hemen her olayda ısı önemli bir yer tutar, insanların yer yüzünde ilk olarak karşılaştıkları tabiat olaylarından biri de ısı olmuştur.
İnsanlar, tabiat olaylarının sebeplerini, kanunlarını araştırmaya başladıktan sonra, ısının ne olduğunu da merak ettiler. Önceleri ısıyı bir cisim sandılar. Ancak deneyler ısının ağırlığının olmadığını gösteriyordu. Isıtmadan önce, ısıttıktan sonra tarttıkları cisimlerin ağırlığında bir değişiklik görmediler. Öyleyse ısı gözle görülmeyen, ağırlığı olmayan, sıcak bir cisimden soğuk bir cisme geçebilen yani akışkan bir cisimdir. Buna kalorik adını verirler. 1800 yılına kadar bu inanış sürüp geldi. Ancak, bundan sonra ısının cisim olmadığını gösteren deneyler yapıldı.
Isı Üzerinde Deneyler:
Bu deneylerden ilkini aslında Amerikalı olan, bağımsızlık savaşında İngilizleri tuttuğu için sonradan İngiltere’ye kaçan Kont Rumford yaptı. Eskiden topları silindir biçimindeki demirlerin ortasını oyarak yaparlardı. Bu delme işlemi sırasında yem demir sinindir hem de deliği açan torna kalemi ısınır. Bu olaya dikkat eden Rumford ısı cisminin nereden geldiğini araştırdı. Topun çevresine ısı geçirmeyen keçe sardı, gene ısı meydana geliyordu. Kalemin hızını arttırdı, sıcaklık daha yükseldi. Bu gözlem sonunda Rumford şu sonuca vardı: dışarıya karşı yalıtılmış bir cisim kendi kendine bir cisim doğuramaz: öyleyse ısı bir cisim değil harekettir.
Bundan sonra gene İngiliz bilgini Sir Humphrey Davy çok soğuk bir kış gecesi, iki buz parçasını birbirine sürtünce, buzların eridiğini gördü. Deneyi düşük sıcaklıkta bir daha yaptı, buzlar gene eridi. Buz ancak 0 derecenin üstünde eridiğine göre sürtme sonunda buzların sıcaklığı 0 derecenin üstüne çıkmıştı. Başka bir cisimle bağlantısı bulunmayan buzlara ısı cismi nereden geliyordu? Bu sorunun karşılığını arayan Davy de ısının bir cisim olmadığı sonucuna vardı. Daha sonra İngiliz Juole’un da bir kap içindeki karıştırarak ısıtmasıyla ısının cisim olmadığı artık iyice anlaşılmış oldu.
Isı Nedir:
Bugün artık herkesin kabul ettiği kurama göre ısı, bir çeşit enerjidir. Bilindiği bütün cisimler moleküllerden, onlarda atomlardan meydana gelirler. Bu moleküller de değişmez değillerdir; sürekli olarak hareket halindedirler, kaynaşırlar. Bu kaynaşmaları moleküllerde kinetik enerji bulunduğunu gösterir. Bazı moleküllerde potansiyel enerji de vardır. Bir cisme dışardan ısı enerjisi verirsek, cismin toplam kinetik ve potansiyel enerjisinde bir değişme olmaz. Bu enerji moleküllere geçer, onların hareketini güçleştirir. Bu yüzden, birbirine sürtülen iki cisim ısınır. Sürtünmeyle verilen enerji, moleküllerin hareketini arttırır, bunu sonunda da cisimler ısınır. Çekiçle dövülen demirin ısınması da bundandır. Vurma sırasında cisimlere verilen enerji onların moleküllerinin artırmış, dolayısıyla cisimleri ısıtmıştır.
Demek ki ısı bir enerjidir. Katı ve sıvı cisimlere verilirse onların moleküllerinin hem kinetik, hem de potansiyel enerjiler4ini arttırır. Gaz halindeki cisimlere verilirse moleküllerin yalnız kinetik enerjisi artar.
Isının Cisimler Üzerindeki Etkileri
1 ) Katılarda:
Bir cisme ısı verilirse o cismin sıcaklık derecesi yükselir. Bunun için cisimlerin sıcaklık derecesi belirtilmiştir. Saf suyun donduğu sıcaklık derecesi 0, kaynadığı sıcaklık derecesi de 100 kabul edilmiştir. Bu iki değerin arası 100 eş parçaya bölünmüştür. Bu bize santigrat sıcaklık derecesini verir. C ile gösterilir. Bundan başka Fahrenhayt ve Reomür sıcaklık dereceleri vardır.
Uzatma Katsayısı. Genel olarak, cisimlere ısı verilince boyutları uzar. Bir maden çubuğu bütün uzunluğu boyunca ısıtıldıktan sonra ölçersek boyunun soğuk durumuna göre arttığını görürüz. Bu uzama her cisimde aynı değildir. Aynı ısı değerleri için cisimlerin uzamaları farklıdır. Bunu belirtmek için uzama katsayısı kullanılır. Bir cismin birim uzunluğunun 1 santigrat derece sıcaklık farkında uzadığı miktara o cismin uzama katsayısı denir.
2 ) Sıvılarda:
Sıvılar da genel olarak ısı aldıkları zaman hacimce genleşirler. Yalnız, sıvıların belli bir hacimleri olmadığı için bir kap içinde bulundurulurlar. Isıyla hacim değişmesini incelerken kabın genleşmesini de göz önünde bulundurmak gereklidir. Yoksa, bulunan sonuçlar yanlış olur.
Ergime Isısı. Katı bir cismin birim kütlesini sıcaklığını değiştirmeden ergitmek için verilmesi gereken ısı miktarına o cismin ergime ısısı denir. Bu değer su için 80 kaloridir. Yani, 1 gram buz 0 santigrat derecesinde ergirken çevresinden 80 kalori alır, 1 gram buz donarken çevresine 80 kalori verir.
Basıncın Etkisi. Bir sıvının donma noktası sıvı üzerine yapılan basınçla değişir. Donma sırasında büzülen sıvılarda basınç arttıkça donma noktası daha büyük değerlere kayar. Donma sırasında genişleyen sıvılarda ise durum tersleşir. Onun için, ısı problemlerinde basıncın da göz önünde tutulması gereklidir.
Kolaylık için normal şartlar tarif edilmiştir. 76 sm. hava basıncı ve 0 santigrat derecesine normal şartlar denir.
Buharlaşma Olayı. Bir cismin gaz haline geçmesine buharlaşma olayı denir. Üç bölümü vardır;
1) Buharlaşma
2) Kaynama
3) Süblimleşme
1) Buharlaşma: Sıvının sadece yüzeyindeki kısımlarının buhar haline geçmesidir.
2) Kaynama: Sıvının yalnız yüzeyinde kalmayıp bütününe yayılan buharlaşmadır. Kaynama sonunda bütün sıvı buhar haline geçer. Bir sıvıyı kaynatmak için ona ısı verilmesi gerekir. Bir sıvının birim kütlesini sıcaklığı değişmeksizin, buhar haline geçirmek için verilmesi gereken ısıya buharlaşma ısısı denir. Bu değer su için 539 kaloridir; yani 1 gram suyu buharlaştırmak için ona 539 kalori verilmelidir.
3) Süblimleşme: belli sıcaklık ve basınç altında bir cismin, katı halinden, doğrudan doğruya gaz haline geçmesidir. Naftalin normal şartlarda bu özelliği gösterir.
3) Gazlarda:
Bir gazın durumu üç değişkenle belli olur. Sıcaklığı, tatbik ettiği basıncı, kapladığı hacim. .Bu üç değer arasında bütün gazlar için doğru olan bağıntılar vardır. Gazları ya sabit basınç altında, ya da sabit hacim altında ısıtabiliriz. Buna göre, gazlarda çeşitli olaylar geçer. Gazların özgül ısıları da ısıtma şekline göre iki tanedir: sabit hacimdeki özgül ısı, sabit basınçtaki özgül ısı. Onun için gazlarda ısı problemleri biraz daha karışıktır.
Isını İletimi:
Isıyı insanlığa yararlı şekilde kullanmak için elde ettikten sonra kullanma yerine iletmek gereklidir. Bunun birçok yolu vardır. Yalnız ısı iletimi usullerinde kayıpların az olmasına çalışılır.
Cisimler, ısıyı bir yerden bir yere iletme bakımından çeşitlilik gösterirler. Madenler ısıyı iyi iletirler. Buna karşılık hava kötü iletkendir. Dolayısıyla, içinde hava bulunan maddeler de kötü iletkendir. Böylece, cisimler 1) iletken 2) kötü iletken 3) yalıtkan olmak üzere çeşitli bölümlere ayrılır. Bazen ısının iletilmesi, bazen de dışarıya verilmeyip korunması istenir. Duruma göre ya iletken, ya yalıtkan cisimler kullanılır.
Evlerin, iş yerlerinin, fabrikaların ısıtılmasında, soğutulmasında ısı iletiminin önemli bir payı vardır. Bu bakımdan ısının iletim kanunları araştırılmıştır.
Isının cisimlerin içinden, ya da bir cisimden başka bir cisme geçişi üç yolla olur:
1) İletim (kondüksiyon); 2) Çevirim (konveksiyon); 3)Işınım (radyasyon). 1)İletim: Bu yolla ısı iletiminde cisim ısı geçiren bir cisim olması gereklidir. Ya cismin bir parçası ısı kaynağına değer, ya da cisim sıcak başka bir cisme değer. Bu durumda ısı cismin soğuk erlerine de yayılır. Bu çeşit ısı iletimini soba içine sokulan bir demir çubuğun öbür ucunun ısınmasıyla görürüz.
Olayın açıklanmasında moleküllerden yararlanılır. Sobaya sokulan uçtaki moleküllerin hareketi şiddetlenir. Bu moleküller yanlarındaki moleküllere çarparak onların titreşmesini de arttırırlar. Böylece çubuğun öteki ucu ısınır.
2) Çevirim: Bu yolla ısı iletiminde ısıtılan cismin hareketi söz konusudur. Onun için, ancak sıvılarda, ya da gazlarda çevirim ile iletim yapılır. Bir kabın içinde su ısıtılarak ısınan suyun hacmi artar, yoğunluğu azalır. Dolayısıyla, soğuk sudan daha hafif hale çevrilmiş olan sıcak su yukarılara çıkar. Suyun bu hareketiyle birlikte ısı da soğuk bölgelere taşınmış olur. Bir sobanın odadaki havayı ısıtması bu yolla olur. Sıcak sulu kaloriferler de bu esasa göre çalışırlar.
3) Işınım: Isıtılmış bir cisim, gözle görülen ışık dalgalarının yanında gözle görülmeyen ısı dalgaları da yayınlar. Isının bu yolla iletilmesine ışınım denir.
Isıtılmış cisimden gelen ısı dalgaları önlerine çıkan soğuk cisimleri ısıtırlar. Isı dalgalarının soğuk cisim tarafından alınmasına soğurma denir. Cisimlerim soğurma kabiliyetleri değişiktir. Cisimler, üzerine düşen ısı dalgalarının bir bölümünü soğurur, bir bölümünü de yansıtırlar. Soğurulan bölüm o cismin sıcaklığını arttırmaya yarar. Koyu renkli cisimler, açık renkli cisimlerden daha çok ısınırlar. Onun için, yazın açık renkli elbiseler giyerek güneş ışınlarını yansıtmak gerekir.
Güneşin sıcaklığı bize ışınım yolu ile gelir. Elektrik sobaları hem çevirim, hem de ışınım yolu ile ısıtılırlar. Elektrik akımı ile kızdırılan maden tel parabolik bir reflektörün tam odağına yerleştirilir. Telden çıkan ısı dalgaları reflektör vasıtasıyla toplanıp odaya gönderilir.
Isıtılan cismin yayınladığı ısı dalgaları uzayda dağılır. Cisimlerin ışınım yoluyla enerji salmaları Kauntum Teorisi ile açıklanmıştır. Bu enerji dalgalarının eğrileri çizilirse tepeden tepeye olan uzaklıklarının çok değişik olduğu görülür. Bunlardan uzun olanlar dışarıdan bakan bir gözleyiciye ısı halinde, kısa olanlarda ışık halinde görünürler.
Isı Sığası Ve Özgül Isı
Bir maddenin iç enerjisinin bütün moleküllerinin toplam enerjisine eşit olduğunu söylemiştik. Bir çaydanlık kaynar su ile bir küvet dolusu sıcak suyu ele alalım. Çaydanlıktaki bir su molekülünün enerjisi, küvetteki bir su molekülünün enerjisinden daha fazladır; çünkü kaynayan suyun sıcaklığı küvettekinden daha yüksektir. Buna karşılık küvetteki suyun iç enerjisi, çaydanlıktaki suyunkinden daha fazladır; çünkü küvette çok daha fazla su molekülü vardır. Görüldüğü gibi, bir maddenin iç enerjisi kütlesine ve sıcaklığına bağlıdır.
2 kg suyun sıcaklığını 10 santigrat derece yükseltmek için iç enerjisini bir miktar arttırmak gerekir. 4 kg suyun sıcaklığını 10 santigrat derece yükseltmek için eklenmesi gereken ısı enerjisi ise bunun iki katıdır. 2 kg suyun sıcaklığını 30 santigrat derece yükseltmek için ilkinin üç katı kadar ısı enerjisi vermek gerekir.
İki maddenin molekül yapıları arasındaki farklılık maddelerin iç enerjilerini de etkiler. Örneğin; 1 kg suyun sıcaklığını 1 santigrat derece arttırmak için yaklaşık 4200 joule ’lük enerji gerekirken, 1 kg bakırda 1 santigrat derecelik sıcaklık artışı için yalnızca 400 joule ‘lük enerji yeterlidir. Demek ki bakırdan yapılmış bir cismin ısı sığası, yani dışarıdan aldığı ısı enerjisinin sıcaklığında yarattığı artışa oranı, aynı kütledeki bir suyun ısı sığasından daha küçüktür. Birim kütlenin sıcaklığını 1 santigrat derece arttırmak için gereken ısı miktarına özgül ısı ya da ısınma ısısı denir. Yukarıda ki örnekten de anlaşılacağı gibi suyun özgül ısısı yaklaşık 4200 joule, bakırın ki ise yaklaşık 400 joule ‘dir.
Isı Aktarımı:
Isı, sıcak maddenin yüksek enerjili moleküllerinden soğuk maddenin düşük enerjili moleküllerine aktarımıdır. Bu ısı aktarımı, iletim, konveksiyon ya da taşınım ve ışıma denen üç süreçle gerçekleşir. Eğer bir cismin bir bölümü öbür bölümlerinden daha sıcaksa, bu enerji aktarımı iletim yoluyla olur. Bu süreçte, yüksek enerjili moleküllerin hareketi komşu moleküllerin hızlanmasına yol açar ve bu etki bütün cisme yayılır. Bir maddenin iyi bir ısı iletkeni olması demek, o maddede iletim yoluyla ısı aktarımının kolayca gerçekleşmesi demektir.
Akışkanlarda, yani sıvılarda ve gazlarda ısı aktarımı daha çok konveksiyon ya da taşınım yoluyla olur. Bu süreçte, akışkanın ısınan bölümleri genleşir; genleştiği içinde yoğunluğu azalır. Böylece hafifleyen moleküller yükselirken akışkanın daha soğuk molekülleri alçalarak bunların yerini alır ve bu hareketten doğan konveksiyon akımları ısı enerjisini akışkanın her yanına taşır.
İki cismin arasında, örneğin Güneş ile Dünya ’yı ayıran uzay boşluğu gibi bir boşluk bile olsa, ışıma yoluyla sıcak cisimden soğuk cisme ısı aktarılabilir. Bir cismin molekülleri elektromagnetik ışınım yayar; bu ışınım dalga boyu cismin sıcaklığına bağlıdır. Cisim ne kadar sıcaksa yaydığı ışınım dalga boyu da o kadar kısa olur. Örneğin sıcak bir cisim, dalga boyu görülen ışığınkinden biraz daha uzun olan kızılötesi ışınlar yayar; ama sıcaklığı daha yükseldiğinde ışımanın dalga boyu kısalır ve görünür ışığa dönüşür. Bir cismin elektromagnetik ışınım yayması, iç enerjisinin ışınım enerjisine dönüşerek her yönde yayılması demektir. Başka bir cismin bu elektromagnetik dalgalardan bir bölümünü soğurduğunda, enerjisi artan molekülleri hızlanır ve cismin sıcaklığı yükselir. Güneş ‘in Dünya ‘yı ısıtması ışınım yoluyla ısı aktarımıdır.
Bu soru, 'insanlar konuşurlarken niçin laflarının arasında bazı sesler çıkartırlar' ve 'ağır ağır konuşan insanlar laflarının arasında niçin -ııı-, -eee- derler' şeklinde ikiye ayrılabilir.
Birinci sorunun cevabı, sırasını yani sözü karşısındakine kaptırmamak veya sözlerinin bittiği görüntüsünü vermek istememek olabilir. İnsanlar karşılıklı konuşurlarken birbirlerini dinler gibi görünürler ama o sırada kafalarında söyleyeceklerini tasarlarlar. Onları bir an önce ifade edebilmek için sabırsızlanırlar. Karşısındakinin konuşmasını kesmeyecek olgunluktaysalar bir anlık susmasından istifade ederek söze girerler.
İnsanlar seslerinin kesildiği bir anlık soluklanma sırasında karşılarındaki sözlerinin bittiğini sanmasın diye bu boşlukları 'ııı', 'eee' diye sesler çıkararak doldururlar. Böylece karşıya devam edeceklerinin mesajını verirler. Yani oturduğu koltuğu kaptırmamak için üstünden kalkmamak gibi bir şey.
Bu genellikle yavaş tempoda konuşanların başvurdukları bir taktiktir ama zamanla alışkanlık haline gelir, 'ııı'sız, 'eee'siz konuşamazlar, kendileri de bundan rahatsız olmazlar.
İnsanlar sözleri kesilmesin diye başka anlamsız kelime ve cümleler de kullanırlar, taktikler uygularlar. Örneğin konuşmasına 'çok ilginçtir ki' şeklinde başlayan biri anlatacaklarının çok ilginç olacağını baştan belirterek, sonuna kadar dinlemesi için karşısındakini etkilemeye çalışır. Genellikle de sözlerinden ilginç bir şey çıkmaz.
Konuşma arası boşlukların niçin 'zzz' veya 'uuu' gibi seslerle değil de 'm' ve 'eee' gibi seslerle doldurulduğu sorusunun cevabı ise fonetik biliminin sahasına giriyor, 'ııı', leee' sesleri sesli harflerden oluştukları için istenildiği kadar uzatılabilirler, dudağı, dili ve dişleri oynatmadan rahatça çıkarılabilirler. Herhangi bir kelimenin ilk harfiymiş gibi yanlış anlamaya sebep vermezler. Ağız söyleyeceği ilk kelimeye hazır şekilde en uygun konumunu muhafaza eder.
Konuşma boşluklarında çıkarılan sesler kültürlere göre de farklılık gösterirler. Çoğunluk 'm', 'eee' derken İngilizce konuşanlar 'um', 'er', Çinliler ise 'zhege, zhege' diyorlar.
Yukarı atılan bir cisim, bir süre sonra döner ve yere düşer. Irmaklar hep yukarıdan aşağıya doğru akar. Bunun açıklamasını "yerçekimi" olarak yaparız. Bu, tüm kütleli nesnelerde, gezegenlerde ve yıldızda varolan bir kuvvettir ve ona "kütle çekimi" diyoruz.
Bu çekim, en yoğun cisimeleri ve "boşluğu" eşit oranda donatır. Ondan korunmanın ya da onu etkilemenin hiçbir yolu yok. Uzaklıkla azalır; ama hiçbir şekilde kaybolmaz. Atmosferi Yerküre'nin çevresinde tutan kuvvet ya da bizim Evren boşluğuna uçup gitmemizi engelleyen kuvvet, Dünya'nın uyguladığı kütle çekimi kuvvetidir.
Bir yapma uyduyu, Dünya yörüngesine yerleştirmek için gerekli hız, saniyede 8 kilometreden (8 km/s) az değildir. Dünya'nın çekiminden kurtulmak ve onu temelli terketmek için saniyede 11.2 kilometre hız yapmak gerekir. Güneş'in kütle çekimi daha büyüktür. Çünkü Güneş'in kütlesi, Dünya'nınkinin 400 bin katıdır. Güneş'in kütlesel çekimini aşabilmek için saniyede 16.7 kilometrelik hız gerekir.
Kuşkusuz insanoğlu çok eski zamanlarda da kütle çekimini sezmiş ve onu hesaba katmış olmalı. İlginçtir, bilinen bu eski kuvvet, çağlar boyu açıklanamamış olarak kaldı. Kütle çekimi için bilimsel bir kuram geliştiren ve bunu Evren'i kapsayacak kadar genişleten, büyük İngiliz bilimcisi Sir Isaac Newton (1642-1727) idi.
Masa üzerindeki bir kitabı inceleyelim. Kitaba herhangi bir etki olmadıkça kitap, masa üzerinde hareketsiz kalır. Şimdi, kitabı yatay doğrultuda sürtünme kuvvetini yenecek büyüklükte bir kuvvetle sağa doğru itelim. Sürtünme kuvveti kitapla masa arasında varolan bir kuvvettir.
Kitaba uygulanan kuvvet, sürtünme kuvvetine eşit ve zıt yönlü ise kitap sabit bir hızla hareket edebilecektir. Uygulanan kuvvet sürtünme kuvvetinden büyükse kitap ivmelenir. Uygulanan kuvvet ortadan kalkarsa sürtünme kuvvetinin etkisi ile kısa bir süre hareket ettikten sonra durur (negatif ivmelenme sonucu).
Şimdi, kitabın karşıdan karşıya kaygan hale getirilmiş yüzeyde itildiğini düşünelim. Kitap, yine duracak fakat önceki durumda olduğu gibi çabucak durmayacaktır. Döşemeyi, sürtünmeyi tamamen ortadan kaldıracak kadar cilalar, parlatırsanız kitap, bir defa harekete geçtikten sonra, karşı duvara çarpıncaya kadar aynı hızla hareket edecektir.
Galileo, cisimler hareket halinde iken, durmaya ve hızlanmaya direnme (eylemsizlik) tabitanıa sahip olduğu sonucuna da varmıştı. Bu yeni yaklaşım daha sonra Newton tarafından formülleştirilerek, kendi adıyla anılan Newton'un "Birinci Hareket Yasası" olarak tanımış ve şöyle ifade edilmiştir: "Bir cisme bir dış kuvvet (bileşke kuvvet) etki etmedikçe, cisim durgun ise durgun kalacak, hareketli ise sabit hızla doğrusal hareketine devam edecektir."
Daha basit bir anlatımla, bir cisme etki eden net kuvvet sıfırsa ivmesi de sıfırdır. Newton'un birinci yasası, bir cisme etki eden dış kuvvetlerin bileşkesi sıfır olduğu zaman cismin davranışındaki değişmeleri inceler. Bir cisim üzerine sıfırdan farklı bir bileşke kuvvet etki ettiği zaman neler olur? Bu sorunun yanıtını Newton'un ikinci yasası verir.
Çok düzgün, cilalı, parlatılmış yatay bir yüzey üzerinde, sürtünme kuvvetini önemsemeyerek bir buz kalıbını ittiğinizi düşünün. Buz kalıbı üzerinde yatay bir F kuvveti uygularsanız, kalıp "a" ivmesi ile hareket edecektir. Kuvveti iki katına çıkarırsanız ivme de iki katına çıkacaktır. Bu tür gözlemlerden bir cismin ivmesinin, ona etkiyen bileşke kuvvet ile doğru orantılı olduğu sonucuna varırız.
Peki bileşke kuvveti aynı tutarken cismin kütlesini iki katına çakrsak ne olur? İvme yarısına düşer; üç katına çıkarılırsa üçte birine düşer. Bu gözleme göre, bir cismin ivmesinin kütlesi ile ters orantılıdır. Buna göre Newton'un ikinci yasası şöyle anlatılabilir: "Bir cismin ivmesi, ona etki eden kuvvetle doğru orantılı, kütle ile ters orantılıdır."
Elbette ki gezegenler, Kepler Yasalarına göre hareket ediyordu. Ama neden gezegenler değişik ve üstelik düzgün bir hızla hareket etmiyordu? Gezegenlerin gökyüzünde hareket etmeleri için onları "iten" bir gücün olması gerektiği düşünülüyordu. Ama bu güç neydi? Newton'un yaşadığı dönemde hiç olmazsa birçok insan astrolojiyi ciddiye almıyordu; yani gezegenleri meleklerin itmediği kesindi. Newton, Kepler'in formüllerini çıkarmak için kütlesel çekim (gravitasyonal alan) yasasını kullanmştı.
Newton, Galileo'nun sarkaç deneylerini inceledi ve buradan boşlukta serbestçe dolaşan gezegenlere etkiyen bir çekimin bulunması gerektiği sonucuna kolayca vardı. Çünkü o, düşünür ve matematikçiydi. Gezegenler, eliptik yörüngeler izliyordu. Bu yörüngeler üzerinde dolanırken Güneş'e daha yakın oldukları yerlerde hızları artıyor, sonra Güneş'ten uzaklaştıkça hızları azalıyordu.
Newton, kuvvet bilinirse, bunu kütle denen büyüklüğe bölünce ivmenin bulunabileceğini varsaymıştır. Burada kütle, harekete karşı koymanın bir çeşiti olarak görünür: kütlesi bir başka arabanınkinin iki katı olan çok yüklü bir araba, aynı beygirin etkisi altında birincinin yarısı kadar bir ivme kazanır.
Kısacası kütle, hareket edenin eylemsizliğini bildirir ve bu yüzden ona "eylemsizlik kütlesi" adı verilir. Buna göre her cismin, olanaklı bütün kuvvetlere karşı gösterebileceği tepkiyi belirleyen özel bir eylemsizliği vardır. Bunu saptadıktan sonra geriye kuvvet denen şeyin ne olduğunu anlamak kalıyordu.
Newton kuvveti şöyle tanımlaıyor: Kuvvet, cisimleri hareketsizlik durumu ya da düzgün hareketei değiştirecek biçimde etkileyen bir eylemdir. merkezcil bir kuvvet, cisimleri bir merkeze ya da belli bir noktaya doğru çeker ya da çekilme eğilimi içinde bulunmalarına yolaçar.
Böylece Dünya, Ay'etkilediği zaman ona bir kuvvet uyguluyordu. Ay, Dünya'dan ne kadar uzaksa bu kuvvet de o kadar zayıftı. Daha kesin olarak söylenirse Newton, uzaklık iki kat olunca, kuvvetin ilk değerinin dörtte birine indiğini varsaydı. İki madde birbirlerini kütllelerinin çarpımı ile doğru. aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı bir kuvvetle çeker. Bunların hepsi çekim sabiti denen evrensel bir sabitle çarpılır.
İki elektrik yükü arasındaki kuvvet de aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır ama; bunun kütle ile hiçbir ilgisi yoktur. "Evrensel kütle çekimi yasası" nda, kütlenin rolünün birden değiştiğine dikkat edelim. Kütlenin bu yeni görevini iyice belirtmek için, ağırlık katsayısı (çekim sabiti) ortaya çıktığında buna "çekim kütlesi" denmesi uygun görüldü. O halde Newton'un varsayımı şöyle dile getirilebilir: Çekim kütlesi, eylemsizlik kütlesine eşittir.
Bu özelliğin, ister Ay kadar büyük, isterse Ay modülü kadar küçük olsun bir gök cisminin yörüngesinin kütlesinden bağımsız olarak aynı olduğu sonucunu vermesi ilginçtir.
Newton, kütle çekimi yasasını çok farklı olaylara uyguladı ve onu bilinen Evrenin tümünü kapsayacak şekilde cesaretle yaygınlatırdı. Merkür'ün yaramazlığı dışında bir sorunla karşılaşmadan 200 yıl kendini korudu.
Kütleçekim alanlarının temel nitelikleri şöyle sıralanabilir:
• Kütle çekim kuvvetleri Evrenseldir. Yani Evrendeki her cisim bu kuvvetlerden etkilenir.
• Bir kütle çekim alanı mutlaka çekici kuvvetlere neden olur.
• Kütleçekim alanları, uzun erimlidir; yani bir cismin etrafında oluşan çekim alanının etkileri zayıflayarak da olsa çok uzak mesafelere kadar uzanabilir.
"Duran iki cisim düşünüldüğünde, bu iki cismin birbirine etki ettirdiği çekim kuvveti; cisimlerin arasındaki uzaklığın karesi ile ters, cisimlerin kütleleri ile doğru orantılıdır." Newton böylece doğanın temel sabitlerinden birini de bulmuştu.
Newton, bir matematik sihirbazıydı. Çünkü çok uzun süre onun dışında kimse diferansiyel denklemlerin içinden çıkamıyordu. Newton'dan 60 - 70 yıl önce, büyük Alman bilim adamı Johannes Kepler ( 1571-1630), gezegenlerin Güneş çevresindeki hareketlerini yöneten temel yasaları bulmuştu.
Tarihçe kısaca şöyledir: Eski bilginler gezegenlerin gökyüzündeki hareketlerini gözlemleyerek onların Dünya ile birlikte Güneş çevresinde döndüğü sonucuna vardılar. Bu sonuç daha sonra Copernicus tarafından da bağımsız olarak keşfedildi .İnsanlar keşfin daha önce yapıldığını unutmuşlardı. Bundan sonra araştırılacak soru şuydu: Güneş çevresinde tam olarak nasıl dönüyorlardı?
Güneş’in merkez olduğu bir çember üzerinde mi, yoksa başka bir eğri boyunca mı? Hızları neydi? Bunların yanıtlanması daha zun zaman aldı. Copernicus sonrası dönemler, gezegenlerin gerçekten Dünya’yla birlikte Güneş etrafında mı döndükleri, yoksa Dünya’nın Evren!in merkezinde mi olduğu sorularının tartışıldığı dönemlerdi.
Daha sonra Danimarkalı astronom Tycho Brahe (1546-1601), soruyu yanıtlamak için bir yöntem önerdi. Eğer gezegenler çok dikkatle gözlenip gökyüzündeki yerleri tam olarak kaydedilirse, teorilerin durumu belki açıklığa kavuşabilirdi. Bu, modern bilimin anahtarı ve doğanın gerçekten anlaşılmasının başlangıcı oldu: birşeyi gözlelek, ayrıntıları kaydetmek ve bu bilgilerin şu veya bu yorumu çıkarmayı sağlayacak ipuçlarını içerdiğini ummak.
Zengin bir kişi olan Tycho’nun Kopenhag yakınlarında bir adası vardı. Buraya pirinçten yapılmış kocaman daireler yerleştirdi ve özel gözlem yerleri yaptırdı; sonra, geceler boyunca gezegenlerin konumlarını kaydetti. İşte ancak bu tür yorucu ve yoğun çalışmalar yoluyla birşeyler bulunabilir.
Toplanan bütün bilgi Kepler’in eline verildi; o da gezegenlerin Güneş etrafında ne türlü bir hareket yaptığını incelemeye koyuldu. Bunun için deneme yanılma yöntemini uyguladı. Bir ara yanıtı bulduğunu sandı: Gezegenler, Güneş’in merkez olduğu çemberler üzerinde hareket ediyorlardı. Ancak daha sonra bir gezegenin, Mars’ın sekiz dakikalık bir yay kadar sapma yaptığını farketti.
Kepler, Tycho Brahe’nin bu ölçüde bir hata yapamayacağını düşünüp, yanıtın doğru olmadığı sonucuna vardı. Deneylerin çok dikkatli yapılmış olması nedeniyle başka bir yol deneyerek sonunda üç şey keşfetti. İlk olarak, gezegenler Güneş’in odak olduğu elips şeklinde bir yörünge izliyorlardı.
Elips bütün ressamların bildiği bir eğridir: basık bir daire. Çocuklar da onu iyi bilir; iki ucu tesbit edilmiş bir ipe bir halka geçirip halkaya da bir kalem sokulunca elips çizilebileceğini birileri onlara söylemiştir.
İkinci olarak, bir gezegenin Güneş çevresindeki yörüngesi bir elipstir; Güneş de odakların birindedir. Bundan sonra gelen soru şuydu: Güneş’e yaklaştıkça hızı artıyor, uzaklaştıkça yavaşlıyor mu?
Kepler, bunun da yanıtını buldu. Bulduğu yanıt şöyle açıklanabilir: Örneğin üç hafta gibi belirli bir ara içeren iki farklı zamanda gezegenin konumun saptayalım. Sonra, yörüngenin başka bir bölümünde, gezegenin yine üç hafta ara ile iki ayrı konumunu saptayalım ve Güneş’le gezegeni birleştiren doğruları çizelim (bilimsel deyimiyle bunlar yarıçap vektörleridir).
Üç hafta ara ile çizilen iki doğru ve yörenge arasında kalan alan, yörüngenin her bölgesi için aynıdır. Demek ki, gezegen Güneş’e daha yakın olduğu yerlerde daha hızlı hareket ediyor ve uzaklaştıkça aynı alanı taramak için daha yavaş ilerliyor.
Birkaç yıl sonra Kepler, üçüncü bir kural keşfetti. Bu kural yalnızca tek bir gezegenin Güneş çevresindeki hareketiyle ilgili değildi; farklı gezegenler arasında da ilişki kuruyordu. Bu kurala göre, bir gezegenin Güneş çevresinde tam bir devir yapması için gereken zaman, yörüngenin boyutuna bağlıdır; bu zaman da yörüngenin boyutunun küpünün kare kökü ile orantılıdır. Yörüngenin boyutu elipsin en büyük çapıdır.
Kepler’in bu üç yasası şu şekilde özetlenebilir: Yörünge bir elipstir; eşit sürelerde eşit alanlar taranır ve bir devir için geçen süre, boyutun üç bölü ikinci kuvvetiyle orantılıdır; yani boyutun küpünün kareköküyle. Kepler’in bu üç yasası gezegenlerin Güneş çevresindeki hareketlerini tam olarak belirlemektedir.
Bundan sonraki soru şuydu: Gezegenleri Güneş çevresinde hareket ettiren şey nedir? Keplerle aynı dönemde yaşamış bazı kişiler bu soruyu şöyle yanıtlıyorlardı: Melekler kanatlarını çırparak gezegenleri arkadan yörünge boyunca iterler. Daha sonra göreceğiniz gibi bu yanıt gerçeğe pek de uzak sayılmaz. Tek fark, meleklerin farklı yönlerde oturup kanatlarını içeriye doğru çırpıyor olmalarıdır.
Aynı sıralarda Galileo da Dünya’daki sıradan cisimlerin hareket kurallarını inceliyor, bu inceleme sırasında da bazı deneyler yapıyordu. Toplar eğik bir düzlemden aşağı doğru nasıl yuvarlanıyor, sarkaçlar nasıl sallanıyordu?Galileo "eylemsizlik ilkesi" denilen önemli bir kural keşfetti.
Kural şuydu: Düz bir doğru üzerinde belirli bir hızla hareket eden bir cisim, hiçbir etken olmazsa bu doğru boyunca, aynı hızla, sonsuza kadar gitmeye devam edecektir. Bir topu durmamacasına yuvarlamaya çalışmış olan herkes için buna inanmak güç olsa da; bu ideal şartların varlığında, yerdeki sürtünme gibi etkenler olmasa, top gerçekten de düzgün bir hızla sonsuza kadar gidecektir.
Daha sonraki gelişme Newton’un şu soruyu tartışması ile başladı: Eğer cisim düz bir doğru boyunca hareket etmiyorsa ne olur? Buna verdiği yanıt da şu oldu: Hızı herhangi bir şekilde değiştirmek için kuvvet uygulamak gerekir. Örneğin, bir top hareket ettiği yönde itilirse hızı artar.
Eğer gidiş yönü değişmişse kuvvet yandan uygulanması gerekir. Kuvvet iki etkinin çarpımı ile ölçülebilir.Ufak bir zaman aralığında hzının ne kadar değiştiği, "ivme" olarak tanımlanır. Bunu cismin kütlesi veya eylemsizlik katsayısı ile çarparsık kuvveti buluruz. Bu ise ölçülebilir.
Örneğin bir ipin ucuna bağlanmış bir taşı başımızın üzerinde döndürürsek, ipi çekmemiz grektiğini farkederiz. Nedeni şudur: Taşın hızı sabit olmakla birlikte, bir çember çizerek döndüğü için yönü değişmekte, bu nedenle de taşı sürekli içeriye doğru çekin bir kuvvet gerekmektedir; bu kuvvet de kütle ile orantılıdır.
Şimdi iki ayrı taş alıp önce birini sonra diğerini döndürelim ve ikinci taş için gereken kuvvveti ölçelim. Bu kuvvet, birinciden, kütlelerinin farklılığıyla orantılı olarak daha büyük olacaktır. Hızı değiştirmek için gereken kuvveti saptamak, kütleyi ölçmek için bir yönetem oluşturur.
Newton, bundan bir başka sonuç çıkardı. Onu da basit bir örenkle açıklayalım: Eğer bir gezegen Güneş çevresinde bir çember boyunca gidiyorsa, onun yana doğru, teğet boyunca gitmesi içi kuvvete gerek yoktur. Eğer herhangi bir kuvvet olmasaydı başını alır giderdi.
Ancak gezegen bunu yapmıyorr;kuvvetin olmaması durumunda bir süre sonra gitmiş olcaeğı ta uzaklarda değil, Güneş’e yakın bir yerde bulunuyor. Başka bir deyişle,hızı ve hareketi Güneş’e doğru sapıyor; yani meleklerin, kanatlarını sürekli Güneş’e doğru çarpmaları gerekiyor.
Bir gezegenin düz bir doğru boyunca hareket etmesinin bilinen bir nedeni yoktur. Nesnelerin sonsuza dek gitmeyi sürdürmelerinin nedeni bulunamamıştır. Eylemsizlik Kuramı'nın da bilinen bir kökeni yoktur. Melekler gerçek olmasa da harektin süregittiği bir gerçektir.
Ancak,düşme olgusu için kuvvete gereksinim vardır ve kuvvetin kökeninin Güneş’e doğru olduğu da anlaşılmıştır. Newton, eşit sürelerde eşit alan taranması kuramının, hızdaki bütün değişmelerin Güneş yönünde olduğu savının doğrudan bir sonucu olduğunu; bunun eliptik yörünge için de geçerli olduğunu göstermeyi başardı.
Bu yasayı kullanarak Newton, kuvvetin Güneş yönünde olduğunu ve eğer gezegenlerin periyotlarının Güneş’ten olan uzaklıklarıyla nasıl değiştiği bilinirse, bu kuvvetin uzaklık ile nasıl değiştiğinin de bulunabileceğini gösterdi ve kuvvetin, uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu saptadı.
Buraya kadar Newton, pek bir şey söylemiş sayılmaz; çünkü yalnızca kepler’in ifade ettiği iki şeyi farklı biçimde dile getirmiş oluyordu. birincisi, kuvvetin Güneş yönünde olduğunu söylemekle; ikinci de kuvvetin, uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu söylemekle aynı şeydi.
İnsanlar Jüpiter’in uydularının Jüpiter çevresinde nasıl hareket ettiklerini teleskopla görmüşlerdi. bu hareket tıpkı Güneş Sistemi'nde olduğu gibiydi; sanik uydular Jüpiter’e doğru çekiliyorlardı. Ay da Dünya’nın çekimindedir; Dünya’nın çevresinde döner ve Dünya’ya doğru çekilir. Sanki her şeyin birbirinin çekimi altınrdaymış gibi görünmesi bir sonraki kuramı; genelleme yapacak olursak her cismin her cismi çektiği yolunda olması sonucunu getirdi.
Eğer bu doğru ise, Güneş'in gezEgenleri çektiği gibi dünya da Ay’ı kendisine doğru çekiyordu. Dünya’nın cisimleri çektiği bilinen bir şeydi (hepimiz havada uçmak isetesek de iskemlemizde sık sıkı oturduğumuzu biliyoruz). Yeryüzü'ndeki çekim, yerçekimi olgusu olarak ilyi bilrdiğimiz bir şeydir.
Newton, Ay’ı yörüngede tutan çekimin, nesneleri Dünya’ya çeken kuvvetle aynı şey olabileceğini düşündü. Daha sonra Newton birçok yeni şey ortaya çıkardı. Çekim Yasası'nın ters kare olması durumunda yörüngenin şeklinin ne olacağını hesapladı ve bunu bir elips olarak buldu.
Ayrıca birçok farklı olaya da açıklama getirildi. Bunlardan biri gel-git olayıydı. Gel-git, Dünya ve denizlerin Ay tarafından çekilmesinden kaynaklanıyordu. Bu, daha önceleri de düşünülmüştü; ancak ortada bir pürüz vardı: Olay, Ay’ın denizleri çekmesinden kaynaklanıyorsa Ay’ın bulunduğu taraftaki sular yükselecek, o zaman günde ancak bir gel-git olacaktı.
Gerçekte ise yaklaşık oniki saatte bir, yani günde iki gel-git olduğunu biliyoruz. Farklı bir sonuca varan bir düşünce ekolü daha vardı. Buna göre de Dünya, Ay tarafından suyun dışına çekiliyordu. Gerçekte ne olup bittiğini ilk farkeden Newton oldu: Ay’ın aynı uzaklıktaki kara ve denizler üzerindeki çekim kuvveti aynıydı.
Gerçekte Dünya da Ay gibi bir çember boyunca hareket eder. Ay’ın Dünya’ya uyguladığı kuvvet dengelenmiştir; ama dengeleyici nedir? Ay’ın Dünya’nın çekim kuvvetini dengelemek için dairesel bir yörünge üzerinde hareket etmesi gibi, Dünya da dairesel bir yörünge üzerinde hareket etmektedir. Bu dairenin merkezi Dünya’nın içinde bir noktadadır ve Ay’ın kuvvetini dengelemek için darisel bir hareket yapmaktadır.
İkisinin de ortak bir merkez etrafında dönmesiyle, Dünya açısından kuvvetler dengelenmiş oluyor; ancak bir yöndeki su öteki yöndekine göre daha çok çekildiği için su iki yanda da kabarıyor. Herneyse, gel-git olayı ve günde iki kez gerçekleşmesinin nedeni böylece açıklanmış oluyordu. Bu arada açıklanan daha birçok şey vardı: Dünya, her şey içe doğru çekildiği için yuvarlaktı; kendi ekseni etrafında döndüğü için de yuvarlak değildi. Dış bölgeler biraz uzaga itilmişlerdi ve denge oluşuyordu.
Bilim ilerleyip daha hassas ölçümler yapıldıkça "Newton Yasası" da daha zorlu sınamalarla karşılaştı. Bunlardan ilki Jüpiter'in gezegenleriyle ilgiliydi. Uzun süre dikkatle yapılmış gözlemlerle hareketlerinin Newton Yasası'na uyumu saptanabilirdi. Ancak sonuç bunun doğuru olmadığını gösteriyordu.
Jüpiter’in gezegenleri, Newton Yasası ile hesaplanmış zamana göre, bazen sekiz dakika ileri, bazen sekiz dakika geri olan bir fark oluşturuyorlardı. Bu fark Jüpiter’in Dünya’ya yakın olduğu zamanlarda ileri, uzak olduğu zamanlarda ise geriye doğruydu. Bu tuhaf bir durumdu.
Yerçekimi yasasına güveni tam olan Danimarkalı astronom Roemer (1644-1710), bu durumda ışığın Jüpiter’in gezegenlerinden Dünya’ya gelmesinin zaman aldığı gibi ilginç bir sonuç çıkardı Ayrıca bu gezegenlere baktığımız zaman gördüğümüz şey onların o andaki durumu değil, ışığın bize gelmesi için geçen zamandan önceki durumuydu.
Jüpiter bize yakın olduğunda ışık daha kısa sürede, uzak olduğunda ise daha uzun sürede geliyordu. Bu neden Roemer’in gözlemleri zaman farkı yönünden şu kadar erken, bu kadar geç olmalarına görüe düzeltilmesi gerekiyordu. Bu yolla ışğın hızını ölçmeyi başarmış, ışığın bir anda yayılan birşey olmadığını da ilk kez göstermiş oldu.
Eğer bir yasa doğru ise başka bir yasanın bulunmasına da yol açabilir. Eğer bir yasaya güveniyorsak, ona ters bir şeyin ortaya çıkması bizi başka bir olguya doğru yöneltir. Yerçekimi yasasını bilmeseydik Jüpiter’in gezegenlerinden ne bekleyeceğimizi de bilemezdik; ışığın hızını ölçmek ise çok daha sonralara atılmış olurdu.
Bu süreç, adeta bir keşifler çağına yol açtı. Her yeni keşif, bir yenisine daha yol açan araçları da beraberinde getirir. 400 yıldan beri süregelen ve büyük bir hızla sürmele devam edecek olan bu çağ, işte bu şekilde başlamıştır.
Daha sonraları ortaya yeni bir sorun çıktı. Newton Yasası'na göre gezegenler yalnızca Güneş’in çekiminde değildi; birbirlerini de biraz çekiyorlardı. Öyleyse yörüngeleri eliptik olmamalıydı. Gerçi bu küçük bir çekimdi; ancak "küçük" olan da önem taşıyabilir ve hareketi etkiler.
Jüpiter, Satürn ve Uranüs’ün büyük gezegenler oldukları biliniyordu. Herbirinin diğerleri üzerindeki çekimi sonucu, yörüngelerinin Kepler’in kusursuz elipslerinden ne ölçüde farklı olduğunu saptayacak hesaplar ve gözlemler yapıldı. Sonuçta Jüpiter ve Satürn’ün hesaplamalara uygun hareket ettikleri; Uranüs’ün ise ‘tuhaf’ davrandığı ortaya çıktı.
Adams ve Leverrier adındaki iki astronom, birbirinden bağımsız olarak yaptıkları çalışmalar sonucunda neredeyse aynı anda, Uranüs’ün hareketlerinin görünmyen bir gezegenden etkilendiğini iler sürdüler. Herbiri kendi gözlemevine "teleskopunuzu çevirin ve orayı gözleyin. yeni bir gezgen göreceksiniz" şeklinde birer mektup yolladılar.
Gözlemevlerinden birinin tepkisi "Saçma! Eline kalem kağıt alıp oturan biri, bize gezegen bulmak için nereye bakacağımızı söylüyor" şeklindeydi. Diğer gözlemevinin yöntemi farklıydı ve Neptün’ü buldu.
20. yy’ın başlarında Merkür’ün hareketinin tam da "doğru" olmadığı anlaşıldı. Einstein, Newton Yasalarının biraz hatalı olduğunu ve değiştirilmeleri gerektiğini gösterinceye dek bu durum hayli sıkıntıya yol açtı. Şimdi de bu yasanın kapsamının genişliği sorusu ortaya çıkıyor.
Yasa, Güneş Sistemi dışında da geçerli midir? Galaksimizi birarada tutan şey, yıldızlar arasındaki çekim kuvvetidir. Dünya'dan Güneş'e olan uzaklık sekiz ışık dakikası olduğu halde, galaksilerin uzunlukları 50.000-100.000 ışık yılıdır. Ancak çekim kuvvetinin bu büyük yıldız yığınlarında, bu ölçekteki uzaklıklarda bile geçerli olduğundan kuşkulanmak için bir neden yoktur.
Çekim kuvvetinin varolduğunu doğrudan kanıtlayabileceğimiz uzaklık bu kadar; yani Evren'in büyüklüğünün onda biri veya yüzde biri kadar uzaklıktır. Buna göre, gazetelerde birşeylerin Dünya'nın çekim kuvveti dışına çıktığına ilişkin haberler okusanız da, Dünya'daki yerçekiminin kesin bir sonu yoktur.
Bu yerçekimi, uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak giderek zayıflar; uzaklık iki katın çıkınca o da dört kat zayıflar ve böylece diğer yıldızların güçlü alanlarının karmaşasında kaybolur. Çevresindeki yıldızlarla birlikte başka yıldızları çekerek galaksi oluşturur; bu galaksi de diğer galaksileri çekip bir galaksiler kümesi oluşturur. Böylece Dünya'nın çekim alanı hiç bitmez; ancak belirli ve düzenli bir şekilde zayıflayarak belki de Evren'in sınırlarına kadar gider.
Çekim Yasası, diğer yasaların çoğundan farklıdır. Evren'in ekonomisi ve mekanizması için çok önemli olduğu açıktır ve Evren yönünden birçok pratik uygulaması da vardır. Ancak, diğer fizik yasalarından farklı tipik bir özelliğe sahiptir: bilinmesi pek az pratik yarar sağlar.
Bir galaksiyi oluşturan birçok yıldız değil, sadece gazdır. Belki de her şeyi başlatan, bir şok dalgası olmuştur. Bundan sonraki olaylar, çekim kuvvetinin etkisiyle gazın gittikçe sıklaşarak toplanması, büyük gaz ve toz yığınlarının ve topların oluşmasıdır. Bunlar içeriye doğru düşerken, düşmenin yol açtığı ısıyla yanar ve yıldız haline gelirler.
Böylece yıldızlar, çekim etkisiyle gazın sıkışıp biraraya gelmesiyle ortaya çıkıyorlar. Yıldızlar bazen patladıklarında toz ve gaz püskürtür, bu toz ve gazlar tekrar biraraya toplanıp yeni yıldızlar yaratırlar.
Yandaki şekilde , bir dirkdörtgenin ağırlık merkezinin , birbirine dik iki kenarın ortalarını birleştirmek sureti ile çizilen doğruların kesişme noktalarının verdiği O noktası olduğu gösterilmiştir. Bu nokta aynı zamanda dikdörtgenin köşegenlerinin de kesişim noktasıdır.
Ağırlık Merkezinin Çizim Yoluyla Bulunması [değiştir]
İki dikdörtgenden oluşan bir cismin ağırlık merkezi.Yandaki şekillerde iki dikdörtgenden oluşan bir cismin ağırlık merkezinin çizim yoluyla bulunuşu gösterilmektedir.
1)Cisim şekil 2'de görüldüğü biçimde iki dikdörtgene ayrılır ve oluşan iki yeni dikdörgenin köşegenleri çizilerek, bu dikdörtgenlerin A ve B ağırlık merkezleri bulunur. İki dikdörtgenden oluşan bu cismin ağırlık merkezi AB doğrusu üzerinde olacaktır. Ancak tam yeri belli değildir.
1)Şekil 3'de görüldüğü biçimde cisim iki farklı dikdörtgene daha ayrılır, köşegenleri çizilerek C ve D ağırlık merkezleri bulunur. Yine iki dikdörtgenden oluşan bu cismin ağırlık merkezi CD doğrusu üzerinde olacaktır.
1)Şekil 4'te görülen biçimde, AB ve CD doğruları kesiştirilir, kesişme noktası olan O noktası cismin ağırlık merkezidir.
Ağırlık Merkezinin Hesap Yoluyla Bulunması [değiştir]Herhangi n sayıda parçadan oluşan homojen düzlemsel bir cismin, seçilen bir eksen takımına göre ağırlık merkezi yeri olan (Xo,Yo) noktası aşağıdaki bağıntılar yardımıyla hesaplanabilir. Burada ; Fi parça alanı , xi parçanın x koordinatı , yi parçanın y koordinatıdır.
Ağırlık merkezinin hesabı,
Burada ayrica,
ya da integral biçimleriyle,
büyüklükleri statik momentler olarak tanımlanır, statik momentin birimi cm3'dür . Görüleceği üzere ağırlık merkezi koordinatları, ilgili eksen için statik momentin alana bölümüdür.
Ağırlık merkezinin hesabının daha genel hali aşağıdaki biçimdedir. Karmaşık geometrik şekillerin ağırlık merkezleri bu integraller yardımıyla hesaplanır.
Fizikte ivme hızın zamana göre değişim hızı veya zamana göre türevi olarak tanımlanır. Büyüklüğü uzaklık/zaman2 olan bir vektörel niceliktir. İvme ölçümünde kullanılan SI birimi metre/saniye² ve ivmeölçer kullanarak ölçülür.
Bir cismi ivmelendirmek o cismin zaman içinde yönünü veya hızını değiştirmek demektir. Hız zaman grafiğinin eğimi ivmeyi verir. Matematiksel bağlamda ivme pozitif veya negatif bir değer alabilir. İvmenin işareti hızın işaretiyle aynı olduğunda cisim hız kazanacaktır. Eğer işaretler ters ise cisim yavaşlayacaktır. Belli bir kuvvet cismin hareketi yönündeyse cismin ivmesinde artış olur farklı yöndeyse cismin ivmesi azalır.
formülünde
a ivme vektörü
v hız fonksiyonu
x yerdeğiştirme fonksiyonu
t zaman
d ise Liebniz'in türev gösterimi'dir
Hız zaman grafiği çizildiğinde ivme herhangi bir anda eğriye teğet doğrunun eğimi veya eğrinin türevi ile tanımlanır.
SI birimleri kullanıldığında (hız için metre/saniye, zaman için saniye) formüldeki a'nın birimi m/(s·s) veya m/s2 olarak çıkar (metre bölü saniye kare diye okunur).
Ortalama ivme ā şu şekilde tanımlanır:
formülde
u ilk hız
v son hız
t iki hız ölçümü arasında geçen zaman ("Δt" olarak da yazılabilir)
Hareket yönüne dik bir ivme hızın sadece yönünü değiştirir. Eğer ivmenin şiddeti sabit, yönü de sürekli hareketin yönüne dik olacak şekilde olursa cisim dairesel hareket eder.
İvmenin sık kullanılan birimlerinden biri de g'dir. Bir g 45.5° enleminde, deniz seviyesinde dünyaya serbest düşen bir cismin ivmesidir ve yaklaşık olarak 9.80665 m/s2dir.
Klasik mekanikte ivme (a), kuvvet (f) ve kütle (m) ile Newton hareket yasaları üzerinden bağlantılıdır:
Galile dönüşümleri altında değişmez olduğundan ivme klasik fizikte mutlak bir niceliktir.
Eylemsizlik cisimlerin hızlarını koruma istekleridir. Newton'un 1. hareket kanunu ile ilişkilidir. Bu kanun ise, boşlukta bir cisme ilk ivmesi verildiği andan itibaren sonsuza kadar aynı hızla gidecegi ya da duran bir cisme etkiyen kuvvetlerin bileşkesinin "0" olduğu zaman sonsuza kadar durmaya devam edeceğini anlatır.
Bir araç hızlanırken içerisindeki cisimler geriye doğru itilir. Araç fren yaptığında içerisindeki cisimler öne doğru itilir. Bu durumlarda cisimlere etkiyen kuvvete eylemsizlik kuvveti denir. Eylemsizlik kuvveti sistemin ivmesiyle zıt yönde oluşur.
Duran bir otobüste ayaktaki yolcuların haberi olmadan otobüs aniden hareket ederse yolcular arkaya doğru itilir. Hareket halindeki bir otobüsün aniden fren yapması sonunda ayaktaki ve oturan yolcuların öne fırlamaları yolcuların bulundukların durumları korumak istemelerinden kaynaklanır. Trafik kazalarında arabaların ön koltuklarında oturanların ani fren sonunda kafalarını cama çarpmamaları için emniyet kemeri takmaları zorunludur. Duran bir cismi herhangi bir kuvvet etkilemedikçe sürekli durur. Hareket halindeki bir cismi hareketini engelleyecek bir kuvvet etki etmedikçe hareketine devam eder. Bu özelliğe eylemsizlik denir.
Eylemsizlik Prensibi Eğer maddesel bir noktanın yeri mutlak bir koordinat eksenler sistemine göre tarif edilirse ve bu maddesel nokta dışarıdan başka cisimlerin etkisi altında bulunmuyorsa bu nokta ivmesiz olarak hareket edecektir; yani ya hareketsiz duracak veya bir doğru üzerinde sabit bir hızla hareket edecektir.
Newton'un bu ifadesi şöyle açıklanabilir: Bir kuvvetin uygulanmasıyla durumunu değişmeye mecbur edilmediği takdirde, her cisim bulunduğu hareketsiz halinde veya düzgün hareket halinde kalır.Yani daha açık söylemek gerekirse: Hareketsiz halde duran ya da sabit bir hızla hareket etmekte olan bir cisme, herhangi bir başka kuvvet uygulanmadığı sürece bu durağan halini ya da sabit hızlı halini korur.(Otobüs birden durduğunda yolcuların birden öne doğru savrulduklarına dikkat etmişsinizdir. Savrulmanın nedeni, yolcuların durma anından önceki sabit hızlı hareketlerini sürdürmeleridir.)
Bütün deneylerimiz gösterir ki; nerede ve ne zaman bir ivme meydana gelirse, bu ivme iki sebebin yalnız birinden veya her ikisinden dolayı meydana gelir. Bu ivme, kullanılan sistemin mutlak bir eksenler sistemi olmadığından veya başka cisimlerin etkisinden veya her iki sebepten ötürü olabilir. Başka bir sebep mümkün değildir.
Bu iki sebebin mevcut olmaması halinde, maddesel noktanın ivmesi bulunmayacağı hakikati, bazen her noktanın eylemsizliği vardır sözü ile ifade edilir ve bu sebepten mutlak bir eksenler sistemine eylemsiz sistem denir.
Kanunun kendisi, eylemsiz bir sisteminin anlamını genişletmemize imkan verir. Dolayısıyla, herhangi bir S1 eksenler sistemi mutlak bir eksenler sistemine göre ivmesiz olarak hareket ediyorsa, bir P maddesel noktasının S1 sistemine göre ivmesi mutlak bir sisteme göre ivmesinin aynı olacaktır; yani S1 de eylemsiz bir sistem olacaktır. Böylece birinci kanun doğru ise, yukarıda sözü geçen S sistemi çok büyük bir ihtimalle eylemsiz bir sistemdir.
Birinci hareket kanunu, eğer P maddesel noktası başka bir cisim veya cisimlerin etkisi altında kalıyorsa ve bu etkiler birbirini yok etmiyorlarsa, P'nin eylemsiz bir eksenler sistemine göre hareketine ivme verilmiş olacaktır. Başka cisimlerin etkisi altında kaldığı zaman P maddesel noktası kuvvet etkisi altındadır denir. Birinci kanuna göre, bu takdirde , kuvvet sadece ivme ortaya çıkaran bir şeydir. Bu ancak başka cisimler tarafından uygulanır ve ortaya çıkardığı ivme ile ölçülür. Biz kuvvetleri verilen bir veya başka başka (fakat belli) maddesel noktalar üzerinde meydana getirdikleri ivmeleriyle karşılaştırabiliriz.
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 ya da 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.