Morpa Genel Kültür Ansiklopedisi & MsXLabs.org
Vikipedi, özgür ansiklopedi

Elektromanyetik Işınım

Hızlandırılmış yüklü parçacıkların meydana getirdiği enerji dalgaları. Elektromanyetik dalgalar da denen elektromanyetik ışınım, birbirine ve hareket yönüne dik, enine titreşen sinüzoidal elektrik ve manyetik alanlardan oluşur. Elektromanyetik dalgaların yayılmaları için maddesel bir ortam gerekmez. Boşlukta 2,997 925 x 108 metre/saniye gibi c harfiyle gösterilen sabit bir hızla (ışık hızı) yayılırlar. Bu hız kırılma indisi n olan bir ortamda c/n değerini alır. Elektromanyetik ışınımın özellikleri, dalga hareketinin frekansına bağlıdır. Frekansla dalga boyunun çarpımı ışık hızına eşittir. Elektromanyetik ışınımın yayılma frekanslarının tümü elektromanyetik spektrum (tayf) olarak bilinir. En düşük frekanslar radyo dalgalarına, daha yüksek frekanslar da, sırasıyla kızılötesi ışınım, ışık, morötesi ışınım, x ışınları ve gamma ışınlarına karşılık düşer. Yansıma, kırılma ve girişim olayları, dalga hareketi yaklaşımıyla yeterince açıklanabilmekteyse de, fotoelektrik olayı ve kara cisimlerce kızılötesi ışınımın soğrulup yeniden yayılmasını açıklayabilmek için elektromanyetik ışınıma, parçacıklardan oluşuyormuş gibi de yaklaşmak gerekir. Kuvantum teorisi de zaten buna dayanır. Bu kurama göre, belli koşullarda, elektromanyetik ışınım, ışık hızıyla yayılan ve durgun kütleleri sıfır olan kuvanta adlı parçacıklardan oluşan bir parçacık seli gibi düşünülebilir ve kuvanta ya da fotonların enerjisi ,ışınımın frekansıyla (v) Planck sabitinin (h) çarpımına eşittir.

Özellikler

Elektromanyetik Işınım fiziğinin adı Elektrodinamik’dir. Elektromanyetizma, elektrodinamik teorisi ile ilişkili bir fiziksel olaydır. Elektrik ve manyetik alanlar süper pozisyon ilkesine uygun olduklarından, herhangi bir parçacık ya da zamana bağlı elektrik ya da manyetik alan aynı yerdeki mevcut alanlara vektör alan oldukları için vektörel olarak toplanırlar. Örneğin bir atom yapısı üzerinde seyahat halindeki bir EM dalgası yapının atomları içinde salınım indükler, böylece kendi EM dalgalarını yaymalarına sebep olur. Bu özellikler kırılma ve kırınım gibi çeşitli olaylara neden olur. Işık bir salınım olduğundan, vakum gibi doğrusal ortamda statik elektrik ya da manyetik alan boyunca seyahat etmekten etkilenmez. Ancak bazı kristaller gibi doğrusal olmayan ortamlarda ışık ve statik elektrik ve manyetik alanlar arasında Faraday etkisi ve Kerr etkisi gibi etkileşimler görülebilir.
Kırılma, bir dalganın bir ortamdan yoğunluğu farklı başka bir ortama geçerken hızını ve yönünü değiştirmesidir. Ortam kırılma endeksi oranı kırılma derecesini belirler ve Snell yasası ile özetlenmiştir. Işığın prizmadan görünür tayf olarak parlamasının sebebi dalga boyu bağımlı kırılma indisidir.
EM ışınım hem dalga hem de parçacık özellikleri taşır (dalga parçacık ikiliği). Her iki karakteristik çok sayıda deney ile onaylanmıştır. EM ışınım nispeten geniş zaman ölçeklerinde ve büyük mesafelerde incelendiğinde dalga karakteristiği daha belirgin, küçük zaman ölçeklerinde ve mesafelerde parçacık karakteristiği daha belirgindir. Örneğin EM ışınım madde tarafından emildiğinde ve ilgili dalga boyunun küpü başına 1 den az foton düştüğünde parçacık benzeri özellikler daha açıktır. Işık emilimi durumunda düzensiz enerji birikimini deneysel gözlemlemek zor değildir. Açıkçası bu gözlemler tek başına ışığın parçacık davranışına delil değil, o maddenin kuantum niteliğini yansıtır.
Tek fotonun kendi kendine parazitlenmesi gibi, aynı deneyde elektromanyetik dalgaların hem dalga hem de parçacık niteliklerinin ortaya çıktığı durumlar vardır. Gerçek tekil-foton deneyleri (kuantum optik duyarlılıkta) bugün lisans düzeyinde yapılabilmektedir. Bir tek foton girişimölçer üzerinden gönderildiğinde, her iki patikayı da izleyerek, dalgalar gibi kendisi ile etkileşir, karışır ancak ışıl çoğaltıcı ile ya da benzer hassas algılayıcılar ile ancak bir kez tespit edilebilir.

Dalga modeli

Işığın doğasının önemli bir yönü frekansıdır. Bir dalganın frekansı salınım hızıdır ve Hertz birimi ile ölçülendirilir. Bir Hertz saniyede bir salınıma eşittir. Işık genelde, toplamı bileşke dalgayı veren frekanslar tayfına sahiptir. Farklı frekanslar farklı kırılma açılarına maruz kalır.
Bir dalga peşi sıra tepelerden ve çukurlardan oluşur. İki çukur ya da tepe noktası arası mesafe dalga boyunu verir. Elektromanyetik tayf dalgaları boylarına göre sınıflandırılır, bina büyüklüğündeki radyo dalgalarından atom çekirdeği büyüklüğünde gamma ışınlarına kadar. Frekans şu denkleme göre dalga boyuna ters orantılıdır:
Denkleme göre, “v” dalga hızı (vakum ortamda hız “c” olur), “f” frekans, “λ” ise dalga boyudur. Dalgalar değişik ortamlar arasından geçerken hızları değişir ama frekansları aynı kalır. Parazit, iki ya da daha fazla dalganın çakışması sonucu yeni bir dalga şekli oluşmasıdır. Eğer alanlar aynı yönde bileşenler içeriyorsa yapıcı parazit, ayrı yönlerde ise yıkıcı parazit yaparlar. Elektromanyetik dalga enerjisi bazen “ışıyan enerji” olarak adlandırılır.

Parçacık Modeli

Elektromanyetik ışınımın foton denen farklı enerji paketleri (kuanta) olarak parçacık benzeri özellikleri vardır.[1] Dalganın frekansı dalganın enerjisi ile doğru orantılıdır. Çünkü fotonlar enerji taşıyıcıları olarak davranırlar, yüklü parçacıklar tarafından yayılır ve soğurulurlar. Foton başına enerji Planck-Einstein denklemi ile hesaplanır.
Burada “E” enerjiyi, “h” Planck sabitini, “f” ise frekansı temsil eder. Bu foton-enerji ifadesi ortalama enerjisi Planck yayılım yasasını elde etmek için kullanılan daha genel bir elektromanyetik osilatörün enerji seviyelerinin belirli bir durumudur. Bu enerji seviyesinin düşük sıcaklıkta eşdağılım prensibi ile tahmin edilenden kesin bir farkla ayrıldığı gösterilebilir. Bu eşdağılım hatası düşük sıcaklıklardaki kuantum etkisinden dolayıdır.



Bir foton bir atom tarafından soğurulduğunda bir elektronunu uyararak onu daha yüksek onu daha yüksek bir enerji seviyesine çıkartır. Eğer enerji yeterince yüksekse yüksek enerji seviyesine zıplayan elektron çekirdeğin pozitif çekiminden kurtulup atomdan kurtulabilir, buna fotonizasyon denir. Tersine bir elektron daha düşük enerji seviyesine indiğinde enerji farkı kadar foton yayar. Her element, atomların içindeki elektronların enerji seviyeleri ayrı olduğundan, kendi frekansında yayar ve soğurur.
Bütün bu etkiler birlikte yayılım ve soğurma tayfını açıklar. Soğurma tayfında koyu bantlar karışık ortamdaki atomların değişik frekanstaki ışığı soğurmasından kaynaklanmaktadır. Işığın geçtiği ortamın bileşimi soğurma tayfının yapısını belirler. Örneğin uzak bir yıldızın yaydığı ışıktaki koyu bantlar yıldızın atmosferindeki atomlardan kaynaklanır. Bu bantlar atom içinde izin verilen enerji seviyelerine karşılık gelir. Benzer bir durum yayım için de oluşur. Elektronlar daha düşük enerji seviyelerine indiklerinde bu düşüşü temsil eden bir tayf yayılır. Bu durum, bulutsu yayılım tayfında kendini gösterir. Bugün bilim adamları bu durumu yıldızların hangi elementlerden oluştuklarını bulmak için kullanmaktadırlar. Ayrıca aynı durum tayfın kırmızıya kayma (redshift) yönteminde kullanılarak yıldızların uzaklıklarını hesaplamada kullanılır.

Yayılma Hızı

İvmelenen herhangi bir elektrik yükü ya da herhangi bir değişen manyetik alan elektromanyetik ışınım üretir. Yük hakkındaki elektromanyetik bilgi ışık hızında yol alır. Doğru değerlendirme engelli zaman denen bir kavramı içerir. Bu ekstra şartlar elektromanyetik ışınımdan sorumludur. Herhangi bir kablo (ya da anten gibi herhangi bir iletken) alternatif akım ilettiğinde, elektromanyetik ışınım akımla aynı frekansta yayılır. Kuantum seviyesinde ise elektromanyetik ışınım yüklü parçacığın dalga paketi dalgalandığında ya da ivmelendiğinde oluşur. Durağan haldeki yüklü parçacıklar hareket etmez ama bu hallerin birbirleriyle çakışması (süper pozisyonu) yüklü parçacığın kuantum halleri arasında ışınımsal geçiş (radiative transition) durumuna sebep olur. Elektro manyetik ışınım koşullara bağlı olarak dalga ya da parçacık davranışı gösterir. Dalga durumunda ışınım hızı (ışık hızı), dalga boyu ve frekansı ile karakterize edilir. Parçacık olarak ele alındığında (foton), her parçacığın dalganın frekansı ile ilişkili enerjisi vardır. Bu enerji Planck’ın E=hv ilişkisinden bulunur. Burada “E” fotonun enerjisi, h = 6.626 x 10^-34 Js ise Planck sabitidir, “v” ise dalganın frekansını simgeler.
Bir kurala koşullar ne olursa olsun uyulur: vakum içindeki EM ışınım gözlemciye göre, gözlemcinin hızı ne olursa olsun, her zaman ışık hızında yol alır. (Bu gözlem Albert Einstein’ın özel görelilik teorisini geliştirmesini sağlamıştır.) Bir ortamda (vakum dışında), hız faktörü ve kırılma indisi frekansa ve uygulamaya bağlı olarak dikkate alınır. Her ikisi de vakumda hızlanan bir ortamın hız oranıdır.