Işık uzayda yol alırken dalga gibi, madde ile etkileşimi sırasında tanecik gibi davranır.Işığın dalga gibi yol alması; yarığın belli bir aralıktaki birim yüzeyde belli bir dalgaboyuna sahip ışığın yarıktan geçmesinden sonraki deseni dalga hareketi yapmasına neden olur. Bu durumda ışık sürekli spektruma sahip olması gerekirken foton çarpması meydana gelmiş ve girişim-kırınım olaylarını ortaya çıkarmıştır. Olaya parçacık düşüncesiyle bakarsak taneciklerin tek bir noktada toplanması gerekirdi. Fakat fotonun dalgaboyu çok büyükten çok küçüğe giderken hep dalga özelliği gösterir. Dalga hareketi sadece kırınım-girişim olayı ile açıklanabilen bir olaydır. Bu olayın amacı, ilerleyen fotonun sisteme yansıyışını incelemektir. Sisteme müdahale ettiğimiz anda veriler değişeceği için dalga fonksiyonu da değişecektir, sistem müdahalesi olmadan inceleme yapamayız. Bu ölçüm çok küçük olacaktır (10-34 mertebesine kadar düşer). Bu da belirsizliğe neden olur. Ortaya çıkan belirsizlik belli bir belirsizlik sabiti ile hesaplanır, Huygens ve Hooke teorileri ile açıklanır.
Işığın parçacık özelliği ise enerji alışverişinin en önemli ispatlarındandır. Bir engele çarpan ışık çarpışma ile bağlantılı olarak foto elektrik olayı açıklar. Foton modelin en önemli özelliği ışığın soğrulabilmesidir. Foton kütlesiz temel parçacıktır. Bu parçacığı bir enerji topu gibi düşünürsek, bu top bize dokunduğunda bir enerji hissederiz. Bu özellik ile soğurma ve emisyon (salma) da tanımlanabilmektedir. Top içindeki enerji, bunun madde dışına yayılmasıyla orantılıdır. Işık bir foton demetidir ve kütlesi tanımlanamamış bir kuantum özelliğe sahiptir. Kuantum özellikli fotonlar bozunma sonucu enerji açığa çıkararak atomik geçişlerde kuantumlanmış bir enerjiye sahip olurlar. Böylece ışığın özellikleri ve etkileri de farklılık gösterir.
Elektromanyetik Dalgalar
Işık dalgaboyu, frekans, enerji ve radyasyon tipine göre farklılıklar gösterir. Işığın dalgaboyu 1,0 pm ile 100 km arasında değişir. Her ışık dalgasının belirli aralıklarda bir enerjisi vardır. Dalgaların kuantum enerjileri dalgaboyu ile ters orantılı olarak değişir yani dalgaboyu küçüldükçe dalganın sahip olduğu enerji artar. Örneğin; radyo dalgalarının dalgaboyu 300 mm ile 100 km aralığındadır, bu dalgaboyuna sahip olan bir ışığın kuantum enerjisi 10-11 eV gibi çok küçük bir değerdedir. Farklı enerjiye sahip ışığın madde üzerindeki etkileri de farklıdır. Işık dalgaları sahip olduğu özelliklere göre; Radyo Dalgaları, Mikrodalgalar, Kızılötesi Dalgalar, Görünür Bölge Işınları, Morötesi Işınlar, X-Işınları ve Gama Işınları olarak sınıflandırılır. Yüksek sıcaklıklı ve yüksek hızlı radyasyon sonucu X-ışınları ve Gama ışınları gibi yüksek enerjili dalgalar oluşurken, düşük sıcaklıklarda radyasyon sonucu Görünür Bölge ve Radyo Dalgaları gibi düşük enerjili dalgalar oluşur. Elektromanyetik spektrumda, ışık en düşük enerjiden en yüksek enerjye doğru sıralanmıştır.
Radyo Dalgaları: Radyo dalgaları elektromanyetik spektrumun en uzun dalga boyuna sahip dalgalarıdır. Bu dalgalar bir futbol sahasından daha uzun ya da bir futbol topunun çapı kadar kısa olabilir. Radyo dalgaları insanlar tarafından görünmez ve dokunulmaz özelliktedirler. Müziği, konuşmaları, resimleri ve bilgiyi görünmez bir şekilde milyonlarca kilometre uzağa iletebilirler. Bu, havanın iletkenliği sayesinde sağlanır. Radyodan dinlediğimiz müzik, TV ekranındaki görüntüler bir anten yardımı ile elektromanyetik dalgaların sinyaller şeklinde toplanarak mekanizmaya taşınması sonucu ortaya çıkar. Bu tür dalgalar çok büyük dalgaboylu radyo dalgalarıdır. Cep telefonları da bilgi iletimi için radyo dalgalarından faydalanılarak üretilmiştir. Burada kullanılan dalgalar ise çok küçük dalgaboyuna sahip olan radyo dalgalarıdır.
Radyo dalgaları, optik dalgalardan daha büyük olduğundan, görünür ışık için kullandığımız teleskoplardan farklı olarak radyo teleskoplar ile görüntülenir. Radyo teleskoplar fiziksel görüntüleri netleştirebilmek için diğerlerinden daha büyük ve yüksek çözünürlüklü olmalıdır. Görüntünün netleştirilebilmesi için birkaç küçük teleskop odağının birleştirilmesi üzerinde çalışılmaktadırlar. Hareket halindeki odaklayıcılar sayesinde tek bir büyük radio teleskop ile eşit alana sahip bir çalışma alanına ulaşılabilmekte ve istenilen sonuca ulaşılabilmektedir.
Birçok astronomik nesne radyo dalgaları yayar. Yaklaşık yüz yıllık araştırmaların bir sonucu olarak geliştirilen radyo teleskopları gökyüzü, gezegenler, dev gaz ve toz bulutları, yıldızlar ve galaksilerin incelenmesi için kullanılır. Radyo dalgalarının güneş ışığı, bulut, yağmur gibi etmenlerden etkilenmemesi gözlemler için bir büyük bir avantaj sağlamaktadır.
Mikrodalgalar: Mikrodalgalar dalgaboyu cm mertebesindeki elektromanyetik dalgalardır. Dalgaboyu 0,3 – 30 cm arasında değişmektedir. Bir yerden başka bir yere bilgi aktarımında kullanılırlar. Kısa mikrodalgalar uzaktan algılama için kullanılırken uzun mikrodalgalar ısı dalgaları şeklinde kullanılmaktadırlar. Örneğin, hava tahminlerinde kullanılan Doppler Radar Sistemleri’ndeki elektromanyetik dalgalar kısa mikrodalgalardır. Bir mikrodalga kulesi, telefon ve bilgisayar verilerini bir şehirden diğerine iletebilir. Radar nesneleri algılayarak oluşturduğu yansıtıcı mikrodalga öbekleri ile nesnenin yerini belirlemeyi sağlar. Uzaydan görüntü alabilmek için oldukça iyi bir tercihtir. Mikrodalgalar bilindiği gibi fırınlarda pişirme özelliğine de sahiptirler. Bu tür dalgalar ise uzun dalgaboyuna sahip mikrodalgalardır. Isı dalgaları şeklinde yayılan bu dalgalar yansıma ve odaklanma yöntemleriyle fırın içindeki nesneyi pişirir. Mikrodalgalar sis, yağmur, kar, bulutlar ve duman gibi hava olaylarına nüfuz edebilir.
Bir insanın kızılötesi görünümü. NASA.
Kızılötesi Dalgalar: Kızılötesi dalgalar elektromanyetik spektrumun görünür bölge ışınları ile mikrodalgalar arasında yer almaktadır. Dalgaboyu µm mertebesindedir. Yakın kızılötesi ve uzak kızılötesi olmak üzere iki farklı özellikte kızılötesi dalga vardır. Uzak kızılötesi dalgalar bir toplu iğne başı büyüklüğünde ve termal (ısı) şekilde yayılan dalgalardır. Ateş, güneş ışığı, radyatör gibi ısı yayılım bölgelerinde karşımıza çıkmaktadır. Derideki ısıya duyarlı sinir uçlarının bu dalgaları (ısıyı) algılaması sonucu vücut sıcaklığının iç ve dış deri sıcaklığı arasındaki farkı tespit edebilir. İnsanlar, normal vücut sıcaklığında yaklaşık 10 mikron dalga boyunda infrared dalga yayabilir. Göz bunu algılayamaz, kızılötesi enerji genellikle ısı olarak algılanmaktadır. Sıcaklık farklarını algılayabilmek için özel kamera ve filmler kullanılır.
Yakın kızılötesi dalgalar ise mikroskobik boyuttadırlar. Dalgaboyu kısa olan bu dalgalar en yaygın şekli ile TV kumandalarında kullanılmaktadır. Bilindiği gibi birçok nesne kızılötesi ışık yayar. Yakın kızılötesi ışığın yansıması için çok yüksek sıcaklık gereklidir. Kızılötesi ışık parlar ve yüksek sıcaklıklı nesne tarafından yansıtılır veya absorbe edilir, Böylece film nesneyi görür ve kırmızı, mavi yeşil renklerde bir görüntü ile nesnenin belirlenmesini sağlar. Ayrıca uzaydan görüntüleme ve bulut yapısı üzerindeki çalışmalarda da kızılötesi dalgalardan faydalanılır. Sıcaklık farkına dayalı bu yöntem ile kara, deniz ve bulutlar ayırt edilmektedir. Örneğin düşük rakımlarda sıcak bulutları ve çoklu bulut katmanları görebilmekteyiz.
Görünür Işık: Sadece görünür ışık dalgaları gözle görebildiğimiz elektromanyetik dalgalardır. Görünen renkler farklı dalgaboylarında ve gökkuşağına benzer bir renk geçişine sahiptir. En uzun dalgaboyuna sahip ışık kırmızı en kısa dalgaboylu ışık mordur. Bütün dalgaların birlikte görüldüğü noktada beyaz renk oluşur. Beyaz ışık bir prizma yardımı ile tayflara ayrılır ve farklı dalgaboylarında renkler oluşturulur. Her renk elektromanyetik spektrumun farklı bir dalga boyuna karşılık gelir. Görünür ışık, elektromanyetik spektrumun gözle görülebilir ksımında olduğundan, farklı dalga boylarında ışık algılayabilir araçların kullanımını kolaylaştırır. Dünya bu araçların etrafında odaklıdır ve bu araçlar evren kökeni ve geleceği ile ilgili çalışmalara çok büyük katkı sağlamaktadırlar. Uzaydaki gezegenlerin incelenmesinde kullanılan Sky Teleskoplar da bu aletler kullanılarak oluşturulmuştur.
Ultraviyole (Morötesi) Dalgalar: Bu dalgalar görünür ışıktan daha kısa dalgaboyuna sahip olan dalgalardır. Dalgaboyu 0.3 µm ile 30 nm arasında değişiklik gösterir. Dalgaboyuna göre yakın, ırak ve aşırı uzak UV dalgalar olarak adlandırılırlar. Üç bölgeye ayrılan bu ışığın enerjisi ve etkileri de farklılık gösterir. Ultraviyole ışık “Ultraviyole Teleskoplar” tarafından ölçülebilir. Yakın UV dalgalar görünür bölge ışığına benzer özellikteki UV dalgalarıdır. Astronomik çalışamalara yardımcı olmak için geliştirilmiş farklı uydular vardır. Bunların bir çoğu sadece UV ışığını algılayarak yıldız ve galaksilerin gözlenmesinde kullanılmaktadır. Örneğin, Hubble Uzay Teleskobu, yakın ultraviyole ışığı gözlemlerken, NASA’nın Extreme Ultraviolet Explorer uydusu şu anda aşırı ultraviyole evreni araştırmaktadır.
Güneş’ten gelen bazı ultraviyole dalgaları Dünya’nın atmosferine nüfuz edebilmesine rağmen, çoğu Ozon gibi çeşitli gazlar tarafından engellenir. Bildiğimiz gibi güneş, farklı dalga boylarında ışık yayar ancak ultraviyole dalgaları canlı hücrelerine en çok zarar veren ışınlardır, farklı derecelerdeki etkileri ile güneş yanıklarına neden olmaktadırlar.
X-Işınları: X-ışınları, dalgaboyu 3 nm ile 0,03 nm arasında değişen elektromanyetik dalgalardır. Bunlar ultraviyole dalgalarından daha küçük dalga boylarında olduğu için enerjileri de daha yüksektir. Dalgaboylarının çok küçük olması dalgadan çok parçacık gibi hareket etmesine neden olmaktadır. Dünya atmosferi X-ışınlarını geçirmeyecek kadar kalın olduğu için bu elektromanyetik dalgalar neredeyse yeryüzüne hiç temas edemez. X-ışınlarını gözle görmek mümkün değildir. Fakat bu dalgalar X-ray filmler yardımı ile görüntülenebilmektedirler. X-ışını dedektörleri, X-ray ışığından foton toplayarak odaklanmak için tasarlanmışlardır. Bilimsel olarak röntgen görüntülemelerinde de X ışınlarından faydalanılmaktadır. Cilt ve deri tarafından soğurulan X-ışınları kemik ve dişler üzerine düşerek görüntü almayı sağlamaktadır.
X-ışınları ilk kez 1895 yılında bir Alman bilim adamı Wilhelm Conrad Röntgen tarafından yapılan bir deneyde, vakum tüpleri ile deneme yaparken meydana gelen bir kaza sonucu görülmüş ve belgelenmiştir. Uzaydaki birçok cisim X-ışını yaymaktadır. Bu cisimler milyon dereceden daha yüksek ısı yaydıklarından X-ray teleskopları tarafından kolay algılanabilmektedirler.
Bir süpernova kalıntısı altında kompozit görüntü tam bir spektrum gösterir. Fermi Gama ışınları kırmızı ile, Chandra Gözlemevi’nden gelen x-ışınları mavi ve yeşil ile, Hubble uzay teleskopu tarafından çekilen görünür ışık verileri ise sarı ile görüntülenir. Spitzer uzay teleskopu Kızılötesi veriler kırmızı ile, Very Large Array radio verileri turuncu renkte gösterilmiştir.
Gama Işınları: Dalgaboyu 0,03 nm ile 0,003 nm aralığındaki elektromanyetik dalgalardır. Elektromanyetik spektrumun en küçük dalgaboyuna ve en yüksek enerjisine sahip dalgalarıdır.Bu dalgalar nükleer patlamalar ve radyoaktif atomlar tarafından üretilir. Gama ışınlarının kaynağı olarak supernova patlamaları, nötron yıldızları, pulsar ve kara delikler gösterilmektedir. Bazı bilim adamları Samanyolu galaksisi dışında birkaç milyon yılda bir kez gama ışını patlamaları gerçekleştiğine inanmaktadır. Evrenin büyüklüğünü düşündüğümüzde ışın patlamaları ve bunların gizeminin çözülmesi konusunda evrenin kökeni hakkında daha fazla bilgi ve çalışmaya ihtiyaç duyulacağı aşikar. Güneş 10 milyar yıl boyunca Gama ışını yaymış ve yaymaya devam edecektir.
Bu elektromanyetik dalgalar dünya atmosferi tarafından soğurulduğu için yeryüzüne nüfuz etmesi mümkün değildir. Gama ışınları yüksek enerjili fotonlar sebebiyle Gamma-Ray teleskoplardan yansıması ve enerji kaybı ile bir Compton saçılması sürecinde özel dedektörler kullanılarak ölçülebilmektedir.
“Işık evrenin görsel kaynağıdır” diyebilir miyiz?
Evet, bunu söylemek yanlış olmaz. Elektromanyetik dalgalar ve ışın patlamaları olmasaydı evrendeki milyonlarca cismin varlığının keşfedilmesi belki de mümkün olmayacaktı. Gerek teleskoplar gerekse uydulardan gelen veriler gösteriyor ki evrendeki cisimlerin neredeyse tümü ışık saçıyor. Saçılan ışık sahip olduğu enerjiyle bize bir şeyler aktarıyor ve kendisine ulaşmamızı sağlıyor. Bu da evrenin bizimle iletişim yolu belki de…
**Bu yazı NetBilim Dergisi’nin Ekim 2011 sayısında yayınlanmıştır.
Meltem GÜNDÜZ
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fizik Bölümü
Kaynaklar:
- Kızılötesi İşleme ve Analiz Merkezi, Caltech / JPL
- Polar, Pixie, ABD Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi
- NASA Science & missionscience.nasa
