Optik saydamlık ve yarı saydamlık

Fiziğin optik alanında, geçirgenlik (aynı zamanda bu terim için kolay geçirebilen ve saydam anlamları da kullanılmaktadır ) ışığın bir materyal üzerinden dağılmadan geçebilmesine olanak sağlayan fiziksel bir özelliktir. Makroskopik (büyük) ölçeklerde (boyutların, fotonların sahip oldukları dalga boyundan çok daha fazla olduğu ), fotonların Snell kanununa göre hareket ettikleri söylenebilir. Yarı saydamlık (yine makroskopik ölçeklerde ), geçirgenliğin içinde bulunan bir üst kümedir ve ışığın geçmesine izin verir ancak Snell kanununu takip etmek zorunda değildir. Fotonlar, kırınım işaretleri içinde herhangi bir değişim meydana geldiğinde her iki arayüzde de dağınım gösterebilirler. Diğer bir deyişle, yarı saydam bir ortam ışığın ulaşım yapmasına olanak sağlarken saydam olan bir ortam sadece ışığın geçişini onaylamakla kalmaz aynı zamanda görüntü oluşumuna da izin verir. Yarı saydamlığın karşıtı olan kavram opaklıktır (ışık geçirmezlik). Saydam yani geçirgen olan maddeler oldukça net görülen, tamamının tek bir renge sahip olduğu ya da her rengi içeren bir spekturumu meydana getiren herhangi bir kombinasyona sahip olabilir.

Işık ile herhangi bir madde karşılaştığında, bu madde ile ışık arasında birkaç olasılığa sahip birbirinden farklı etkileşimler gerçekleşebilir. Bu etkileşimler ışığın dalga boyuna ve karşılaştığı maddenin doğal yapısına göre değişebilir. Fotonlar bir madde ile karşılaştıklarında yansıma, soğurma (emme ) ve yayılma kombinasyonlarından bazılarını gösterirler. Bazı maddeler, ince bir tabakaya sahip cam ya da temiz su, kendileri üstüne düşen ışığın büyük bir kısmını iletir ve az bir kısmını da yansıtır. Bu türden maddelere optik açıdan geçirgen maddeler denir. Birçok sıvı ve sulu çözeltiler oldukça yüksek değerlerde bulunan bir geçirgenliğe sahiptir. Bazı yapısal bozuklukların (boşluklar, çatlaklar vb.) bulunmayışı ve birçok sıvının moleküler yapılarının optik alanında gerçekleşen iletimlerde önemli sorumluluklara sahip olduğu belirtilmiştir.

Işığın geçmesine izin vermeyen maddelere opak (saydam olmayan) maddeler denir. Bu türden maddelerin çoğu soğurma merkezleri olarak adlandırılan özellikleri içeren kimyasal kompozisyona sahiplerdir. Maddelerin çoğu, beyaz ışık frekanslarını soğurma konusunda oldukça seçicidirler. Bunlar, görülebilen spektrumda yer alanların belirli bir kısmını soğurabilirken geriye kalan kısımları yansıtır. Soğurulmayan spektrum frekansları ya geri yansıtılıyordur ya da bizim fiziksel gözlem yapabilmemiz için iletiliyordur. Bu olay renk oluşumlarına neden olan olaydır. Bütün frekans ve dalga boyundaki ışıkların güçsüzleşmesi soğurma ve dağılma mekanizmalarının birleştirilmesine bağlı olarak gerçekleşir.

Saydamlık, bu yapıya sahip olmayı başaran hayvanlar için kamuflaj sağlar. Bu durum, aydınlatmanın iyi olduğu ortamlardan çok loş ışık ve yoğun (bulanık) deniz suyunda daha kolay gerçekleşir. Birçok suda yaşamını sürdüren canlı, örnek olarak denizanaları, oldukça saydamdır.

Dağınık yansıma olayı genellikle ışığın metalik ya da cam gibi özelliklere sahip olmayan katı maddelerin yüzeylerine çarptıktan sonra, maddenin içinde bulunan mikroskopik düzensizliklerin ortaya çıkardığı çoklu yansımalar ve pürüzlü durumda olan yüzeyi nedeni ile bütün yönlerde dağılım göstermesi sonucu oluşur (örnekleri: polikristalin maddelerin tanecik sınırları ya da organik maddelerin hücre veya fiber sınırları verilebilir ). Dağınık yansıma, her yönde yansıyabilen açılar sayesinde karakterize olmaktadır. Çıplak gözle görülebilen nesnelerin çoğunun kimliği dağınık yansıma kullanılarak tespit edilebilir. Bu kavram için kullanılan bir başka adlandırma ise ışığın dağılımıdır. Nesnelerin yüzeyinde gerçekleşen ışık dağılımı, bizlerin başlıca fiziksel gözlem mekanizmasıdır.

Işık bir nesneye çarptığı zaman genelde tek bir frekansa (ya da dalga boyuna ) değil de birçok frekansa sahiptir. Nesneler belirli frekanslarda bulunan ışıkları soğurmak, yansıtmak veya iletmek için seçici olarak görülen bir eğilime sahiptirler. Buna örnek olarak, bir objenin diğer tüm görülebilen ışık frekanslarındakileri soğururken sadece yeşil ışığı yansıtması gösterilebilir. Başka bir nesne ise görünür ışık frekanslarındaki diğer tüm ışıkları soğururken sadece mavi ışığın iletilmesini sağlayabilir. Bu davranış biçimini, görünür ışıkların bir nesne ile olan etkileşimlerinde ışığın frekansına, nesne içinde bulunan atomların doğasına ve genellikle de nesnenin atomlarında bulunan elektronların doğasına bağlayabiliriz.

Bazı maddeler üzerlerine düşen ışığın büyük bir kısmının yansıtılmadan, madde boyunca iletilmesine izin verebilir. Işık dalgalarının kendileri üstünden iletilmesine izin veren maddelere optiksel olarak geçirgen maddeler denir. Kimyasal olarak saf bir halde bulunan (katkısız ) pencere camı ve temiz nehir ya da kaynak suyu bu türe örnek olarak verilebilir.

Elektronik soğurmada, gelen ışık dalgasının sahip olduğu frekansın maddeyi oluşturan atomlar içindeki elektronların enerji seviyelerinde veya bu enerji seviyelerine yakın seviyelerde bulunması gerekir. Bu durumda, elektronlar ışık dalgasının enerjisini soğuracak ve kendi enerji seviyelerini artıracaktır.

Çoğu zaman, bir maddeye çarpan ışıkta yukarıda verilen örneklerden bazı kombinasyonlar meydana gelir. Farklı maddelerdeki durumlar soğurabilecekleri enerjinin sahip olduğu değerlerde değişiklik gösterir. Örnek olarak, kullanılan birçok gözlüğün ultraviyole (UV ) ışınları engellemesi verilebilir.

Yoğunlaştırılmış maddelerdeki hareketin mekanik enerjisini depolayabilmek için kullanılan başlıca fiziksel mekanizma doğrudan ısı ya da termal enerjidir. Termal enerji kendini hareket enerjisi olarak gösterir. Bu yüzden ısı, atomik ve moleküler seviyelerdeki harekettir. Kristalin maddelerdeki başlıca hareket şekli titreşimdir. Verilen yakınlarında bulunan komşular tarafından etrafı çevrilmiş herhangi bir atom, kristalin yapı içindeki ortalama ya da kesin pozisyonda titreyecektir. İki boyutlu gerçekleşen bu titreme hareketi, bir saat pendulumunun salınım hareketiyle eşit değerdedir.

Verilen frekansta bulunan bir ışık dalgası aynı titreşimsel frekanslara sahip parçacıklar ile birlikte bir maddeye çarptığı zaman, bu parçacıklar ışık dalgasının sahip olduğu enerjiyi soğurup titreşim hareketinden kaynaklanan termal enerjiye dönüştürür.

Bir nesne gelen ışığı yansıttığı ya da gelen ışığı soğurduğu gerekçesiyle geçirgen olarak görülmeyebilir. Neredeyse bütün katılar gelen ışığın bir kısmını yansıtırken diğer bir kısmını ise soğurur.

Yalıtkan maddelerin (dielektrik madde ) çoğu birbirine iyonik bağlarla bağlanmıştır. Bu yüzden, bu maddeler etkileşmek için bekleyen serbest elektronlara sahip değildir ve ayrıca bağ elektronları gelen dalganın yalnızca küçük bir kısmını yansıtabilir. Geri kalan bütün frekanslar ya da dalga boyları yayılma gerçekleştirmekte (ya da iletilme de ) serbesttirler. Bu sınıfa dahil olan maddeler bütün seramikleri ve camları içerir.

Eğer yalıtkan bir madde ışık soğurucu ekleyici moleküller (pigmentler, boyalar, renklendiriciler ) içermiyorsa, bu madde genellikle görünür ışık spektrumuna karşı geçirgendir. Yalıtkan bir madde içinde bulunan renk merkezleri (ya da boya molekülleri, veya “dopant” olarak bilinen maddeler ) gelen ışık dalgasının bir kısmını soğurabilir. Geriye kalan frekanstakiler yansıtılmakta ya da iletilmekte özgürdürler. Bu durum renkli camların nasıl elde edildiğini anlatmaktadır.

Optik açıdan geçirgen olan maddeler, belirli değerlerde dalga boyuna sahip gelen ışık dalgalarına bu madde tarafından verilen karşılığa odaklanır. Optik fiber, silindirik bir biçimde bulunan ve içe doğru gerçekleşen toplam yansıma süreci tarafından ışığın sahip olduğu eksen boyunca ışığı ileten dielektrik bir frekans yönlendiricidir.

Işık yoğun bir ortamda hareket ederken engele dik açılarla çarptığında, çarpan ışık tamamen yansıtılır. Bu etki, içe yönelik toplam yansıma olarak adlandırılan, optik fiberlerde çekirdek içinde bulunan ışığı kısıtlamak amacıyla kullanılır.

Yüzeye yakın alanlarda suya batmadan yüzebilen deniz hayvanlarının çoğu oldukça saydamdır ve bu durum onlara mükemmel bir kamuflaj yapma olanağı sağlar. Ancak saydamlık, deniz suyundan kaynaklanan farklı kırıcılık endekslerine sahip maddelerden meydana gelen bedenler için çok zordur. Bazı deniz hayvanları, denizanası gibi, çoğu sudan meydana gelen jelatinden oluşmuş vücutlara sahiptir ve hücresiz bir vücut parçası olan kalın mesoglia’ları oldukça saydamdır. Ve bu özellik onlara batmayan uygun bir yapı kazandırır. Ancak bu durum bazı dezavantajlara da yol açar ve bunlardan biri de bu hayvanları kendi kas kütlelerinin taşıyabileceğinden daha ağır yapar, bu durum da onların yavaş yüzmelerine sebep olur. Sahip olunan bu büyük kamuflaj özelliği için hareket yeteneklerinden ödün vermeleri gerekmiştir. Karada, atmosfer ortamında saydam bir yapıya sahip olmak ise çok daha zordur ancak bunun bir örneği Güney Amerika’nın yağmur ormanlarında görülebilir. Burada yaşamlarını sürdüren cam kurbağaları saydam bir deriye ve solgun yeşilimsi uzuvlara sahiptir.