Işığın sırrı:elektromanyetik spektrum

Yağmur damlaları penceremize pıtır pıtır çarparken bir yandan da güneş parladığında herkesin beklediği şey olur. Hakkında birçok efsane anlatılan gökkuşağı, muhteşem manzarasıyla bulutların içinden görünür. Hemen hemen 400 yıl önce bilim insanları, tarih boyunca merak edilen gökkuşağının gizemini çözmek için bir yolculuğa koyulmuş. 250 yıl süren bu yolculuk, ardı ardına gelen keşiflerle elektromanyetik spektrumun varlığını ispat etmiş, bilim ve teknolojiye ışık tutmuş.

Elektromanyetik Spektrum Nedir?

Elektromanyetik spektrum, farklı türdeki ışınların sırlanma şekildir. Bu ışınların bazısını gözümüzle görebilir bazısını göremeyiz. Bu dalgalar farklı dalga boyları ve enerjilere sahiptir. Elektromanyetik spektrum, bilimden iletişime, sağlıktan uzaya pek çok alanda önemlidir. Elektromanyetik spektrumu anlamak şüphesiz onun keşfi ile geçen 250 yıldan bahsetmeden pek mümkün değil. Birlikte, bu iki buçuk asırlık tarihsel süreci işlerken, bilimin katlanarak ilerlediğine ve bilimsel atılımların yüzyıllara uzanan sabırlar gerektirdiğine şahit olacağız.

Elektromanyetik Spektrum Nasıl Keşfedildi?

1660’lı yıllara kadar beyaz ışığın kendi başına bir renk olduğuna inanılıyordu. 1666 yılında Newton, karanlık bir odada yaptığı prizma deneyiyle inanılanın aksine, beyaz ışığın aslında tüm renklerin bir karışımı olduğunu gösterdi. Newton yaptığı bu deneyde, aslında gökkuşağının nasıl oluştuğunu açıklayabilmeyi hedefliyordu. Güneş ışığının bir prizmadan geçtiği basit bir düzenekle farklı açılarda kırılan beyaz ışık yansıdığı yüzeyde sırasıyla kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor renklerle yapay bir gökkuşağı oluşturdu. Peki, ne oluyordu da beyaz ışığın prizmadan geçmesiyle bilinen tüm renkler oluşuyordu? O dönemde ışığın yapısı henüz anlaşılmadığı için Newton bu soruyu cevaplandıramadı.

Newton’un deneyinden 135 yıl kadar sonra, 1801 yılında, bilim insanı Young’ın yaptığı çift yarık deneyi ile ışığın dalga olduğu dalga olduğu kanıtlandı. Young; ışığın prizmadan geçerken, dalga boyuna göre farklı açılarla kırıldığını ve böylece renklerine ayrıldığını ispat etti.

Newton’un saçılan ışıklarının aslında ufak bir elektromanyetik spektrum olduğunu anlaşıldığında aradan yaklaşık 200 yıl geçmişti. 1861 yılında James Clerk Maxwell, elektromanyetik teorinin temelini oluşturdu. Maxwell denklemleri, elektromanyetik alanların nasıl çalıştığını açıkladı ve elektromanyetik dalgaların varlığını öngördü.

1800 yılında William Herschel, spektrumun sadece kırmızı ve mor renkli ışıkların arasında sınırlı kalmadığını ön gördü ve buna dair çalışmalar yaptı. Herschel, Newton’un gibi ışığı prizmada kırdıktan sonra yayılan rengarenk ışığı bir termometreyle inceledi ve sırasıyla prizmada ayrışan bütün renklerin sıcaklıklarını ölçtü. Kırmızı rengin ölçümünü aldıktan sonra termometrenin, kırmızı rengin ötesinde de arttığını gözlemledi. Bu durum kırmızı rengin ötesinde görünmeyen ama termometrenin algıladığı bir ışımanın varlığına kapı araladı.Onu son derece şaşırtan bu kırmızı ötesi ışıma türünü “kalorifik ışınlar” diye adlandırdı. 19. yüzyılın sonlarına doğru bu ışımaya kızılötesi ışıma dendi ve böyle kabul gördü.

Herschel’in kızılötesi ışınları keşfinden sonra, görünmeyen ışınların varlığı daha da merak uyandırmaya başladı. Alman bilim insanı Johann Wilhelm Ritter, kızılın ötesinde görünmeyen ışımalar varsa morun ötesinde de olabileceğini düşündü.O dönemde fotoğrafçılık, gümüş klorürün ışıkla karartılması ile yapılıyordu. Ritter’da gümüş klorürü spektrumdaki renkleri sırayla kullanarak kararttı ve sürelerini ölçtü. Kırmızıdan mora gittikçe kararmanın daha hızlı gerçekleştiğini gözlemledi. Gözle görülemeyen morun ötesindeki kısımda ise gümüş klorürün diğer renklerinde olduğundan daha hızlı karardığını fark etti. Bu deneyde Ritter, yalnızca renklerin kırmızıdan mora giderken enerjisinin artmasını değil, aynı zamanda morötesi ışıkların da var olduğunu keşfetti ve bunu kimyasal yöntemlerle bulduğu için ‘Kimyasal ışınlar’ olarak adlandırdı. Daha sonra ‘Mor ötesi ışınlar’ olarak kabul gördü.

1860’lı yıllarda James Clerk Maxwell’in matematiksel zemine oturttuğu elektromanyetik dalga denklemiyle elektromanyetik kuramın ışıkla olan bağlantısı ortaya çıktı. Maxwell’in elektromanyetik dalga denklemi dört temel denklemi içeriyordu: elektrik alanı yasası, manyetik alan yasası, indüksiyon yasası, döngüsel manyetik alan yasası. Maxwell’in denklemleriyle elektromanyetik dalgaların ışık hızıyla ilerlediğini keşfetti. Elektromanyetik dalgaların ışık hızıyla ilerlemesi ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğuna işaret ediyordu.

Elektromanyetik teoriyi temel hatlarıyla oluşturan Maxwell’in keşfi, elektromanyetik spektrumun varlığına işaret ediyordu. Teori, spektrumun sadece morötesi, görünür ışık ve kızılötesinden oluşmadığını iddia ediyordu; çünkü denklemlere dayanarak spektrumun her bölgesini meydana getirmek mümkündü. Geriye diğer elektromanyetik dalgaları deneylerle keşfetmek kaldı.

Maxwell’den yaklaşık 20 yıl sonra Heinrich Hertz, elektriksel titreşimle spektrumun kızılötesinin ilerisinde düşük enerjili radyo dalgalarının olduğunu keşfetti. Çalışmalarının devam ettiren Hertz, radyo dalgalarıyla kızılötesi arasında, radyo dalgalarına göre daha çok ama kızılötesi ışınlara göre daha az enerjili olan mikrodalga elektromanyetik dalgalarının olduğu sonucuna ulaştı. Hertz’in ortaya çıkardığı bu bulgularla spektrumun kızılötesi tarafındaki elektromanyetik dalgalar tamamlandı.

Hertz’den 15 sene sonra, 1895’te, Wilhelm Röntgen; yeni bir ışıma türü keşfetti. Bu ışımanın nereye ait olduğunu bilemediği için buna “X- Işını” ismini uygun gördü. X- ışının keşfi tıpta halen kullanılan yeni bir teşhis yöntemini yanında getirirken, Röntgen’e de tarihin ilk Nobel Fizik ödülünü kazandırdı.

Elektromanyetik spektrum dalgalarının en sonuncusunu 1900’de, Paul Villard keşfetti. Villard radyoaktif yani radyasyon yayan bir çekirdeğe sahip olan radyum atomunun yaydığı radyasyonu incelerken daha önceden keşfedilen alfa ve beta ışımalarının dışında bambaşka bir yüksek enerjili ışıma farketti. Bu ışıma türüne gama ışını adı verildi.

İlk kez 1666’da Newton’la başlayan elektromanyetik spektrumların keşfi, yaklaşık 250 yıllık bilimsel serüvenin ardından Villard’ın gama ışınını keşfetmesiyle beraber noktalanmış oldu.

Elektromanyetik Spektrum Yelpazesi

Elektromanyetik dalgalar sıralanırken, dalga boyları ve enerjileri esas alınmıştır. Radyo dalgalarından başlayıp gama ışınlarında son bulan spektrumda, baştan sona gidildikçe dalga boyu azalır ve ışının enerjisi artar.

Radyo Dalgaları

Spektrumun en başında yer alan ‘Radyo Dalgaları’, en uzun dalga boyuna sahip olan dalgadır ve enerjisi diğerlerine kıyasla küçüktür. Radyo dalgalarının kullanım yelpazesi çok geniştir. Günlük hayatta radyo yayınları, televizyon yayınları, kablosuz iletişimde karşımıza çıkan radyo dalgaları; sağlıkta da MR olarak bilinen manyetik rezonans görüntüleme ve ultrasonografi gibi tıbbi görüntüleme cihazlarında kullanılır. Radyo dalgalarını tespit etmeye yarayan ‘Radarlar’ da trafik kontrolünde, hava durumu tahmininde, denizcilikte ve askeri uygulamalarda kullanılır. Dalga boyu 1 metreden büyüktür.

Mikrodalgalar

Radyo dalgalarının hemen ardından gelen, ondan daha fazla enerjiye sahip olan ‘Mikrodalgalar’ pek çoğumuz için yabancı değil. Mutfakta kullanılan mikrodalga fırınlar, yiyecekleri hızlı ısıtmak veya pişirmek için mikrodalgaları kullanır. Aynı zamanda mikrodalga ışınları sanayide malzemelerin kurutulması ve ısıl işleminde, bilimsel alanda da kimyasal analizde kullanılır. Dalga boyu 1 milimetre- 1 metre arasındadır.

Termal görüntüleme cihazlarıyla görüntülenebilen ‘Kızılötesi ışınlar (IR ışını)’; tıpta vücut sıcaklığını ölçmek için ateş ölçerlerde ve tıbbi görüntüleme cihazlarında, savunmada hedef belirleme ve gece görüşü için kullanılır. Sanayide de ısı ölçümü ve kontrolü için kullanılan bu ışınlar, üretim verimliliğinin artmasını sağlar. Dalga boyu 1 mikrometre- 1 milimetre arasındadır.

Görünür Işık

İnsan gözünün algılayabileceği dalga boyunda olan ışığa ‘Görünür Işık’ denmiştir. Görünür ışık, kırmızı ışığın ortaya çıkmasını sağlayan 750 nanometre ve mor ışığın ortaya çıkmasını sağlayan 400 nanometre boyundaki dalgaları içerir. Görünür ışığın içindeki renkler sırasıyla kırmızı, turuncu, sarı, mavi ve mordur. Bu ışık, günlük hayatta kullandığımız aydınlatmayı sağlar. Bitkiler sadece görünür ışıkta fotosentez yapabilir.

‘Ultraviyole Işınlar’ kısaca ‘UV’ ışınlarını günlük hayatımızda da duyarız. Güneş ışığında çokça bulunan ultraviyole ışını, D vitamini sentezi için oldukça önemlidir ve bronzlaşmayı da bu ışın sağlar. UV ışınına fazla maruz kalmak ciltte güneş lekelerine yol açabilir ve cilt kanseri riski oluşturur. UV ışınları, tıpta mikropları öldürmek, suyu ve havayı temizlemek için kullanılır. Dalga boyu 100-400 nanometre arasındadır.

X-Işınları

Dalga boyu 0.01- 10 nanometre arasında olan X-ışınları çok yüksek enerjili radyasyona sahiptir. Bu sayede maddelerin içinden geçebilir. X-ışınlarının bu özelliği günümüzde maddelerin iç yapısının incelenmesinde kullanılıyor. Havaalanlarına veya mağazalara girerken gördüğümüz X-Ray cihazları, çanta ve valizlerin içini göstererek tehlikeli ve yasa dışı maddelerin tespitini sağlıyor. Tıbbi görüntülemede Röntgen cihazlarında kullanılan X-ışınları; tümörler, kırıklar, diş problemleri ve iç organlardaki hastalıklar gibi birçok tıbbi durumun teşhis edilmesini sağlıyor. Çok fazla maruz kalmak ciddi sağlık problemlerine yol açabiliyor.

Gama Işınları

Son ve enerjisi en yüksek olan elektromanyetik dalga ‘Gama Işınları’, atomların çekirdeklerinden yayılır. Enerjisi çok fazla olduğu için canlılar üzerinde çok ciddi bir tehdit oluşturabilir. Aynı zamanda da tıbbi görüntüleme ve teşhis için oldukça önemlidir. Gama ışınları, kanser hastalığının tedavisinde kullanılır. Bu tedavi sürecinde kanser hücreleri, radyoterapi yöntemi ile gama ışınları kullanılarak öldürülür. Ayrıca bu ışınlar, endüstride malzemelerin iç yapısını ve kalitesini incelemek için de kullanılır.

Sonuç olarak, elektromanyetik spektrumun keşfi ve kullanımı, bilimin ve teknolojinin büyük bir başarısıdır. Bu spektrum, insanlığın yaşamını daha iyi hale getirmek için birçok farklı alanda kullanılmaktadır ve gelecekte daha da önemli bir rol oynamaya devam edecektir. Bu nedenle, elektromanyetik spektrumun keşfinin ve uygulamalarının önemi, insanlığın ilerlemesine ve yaşam kalitesinin artmasına katkıda bulunan bir dizi yenilikçi teknolojinin temelini atmıştır.