Radyasyon ve Evren – I

Gökyüzüne baktığımızda gördüğümüz nesneler herhangi bir inceleme ya da araştırma yapabilmek için çok uzakta bulunmaktadırlar. Işık hızında seyahat edebildiğimizi farz etsek bile gezegenimizden 2.5 milyon ışık yılı uzaklıkta bulunan Andromeda galaksisine araştırma yapmak için gidip gelmemiz 2.5 milyon yıl + 2.5 milyon yıldan 5 milyon yıl yapar. Böyle bir zaman dilimi insanların ömrü ve dünya üzerinde insanlık medeniyetinin var olduğu zaman dilimine baktığımızda muazzam derecede büyüktür. Böyle bir durumda yapılacak en doğru hareket öncelikle oraya seyahat etmeye çalışmaktansa oradan bize gelen bilgileri incelemek ve değerlendirmek olacaktır. Bu bilgi de bize elektromanyetik radyasyon olarak gelir. Elektromanyetik teori, bilgi edinmek için seyahat etme zorunluluğunu ortadan kaldırdığı için astronomide kilit noktadır. Işık diğer bir deyişle elektromanyetik radyasyon, boşlukta hareket ettiği sırada dalga gibi davranırken maddeler ile etkileşimlerinde tanecik gibi davranır.

ELEKTROMANYETİK RADYASYON (EMR):

Radyasyon bir ışımadır ve enerjinin aktarılması için bir yoldur. Elektromanyetik radyasyon ise elektromanyetik dalgalardan meydana gelir ve elektromanyetik dalgalarla benzer özellikler gösterir. Bir nevi elektromanyetik alanı ifade eder. EMR hem dalga hem de parçacık özelliğine sahiptir. Yakın mesafelerde ve kısa zaman aralığında parçacık özelliği, uzak mesafelerde ve daha uzun zaman aralığında dalga özelliği gözlemlenebilir. EMR kendisini oluşturan yüklü parçacıkların tekrar tekrar ivmelenmesine gerek duymadan kendi enerjisi bitene kadar yayılmaya devam eder. Kuantum elektromanyetizma teorisine göre EMR bütün elektromanyetik etkileşimi gerçekleştiren fotonlardan oluşur. Atomdaki elektronların bir alt seviyeye geçmesi veya kara cisim ışıması gibi kuantum etkileri EMR’a ek kaynak sağlar.

Planck eşitliğine göre dalga hareketi yapan fotonun enerji ile frekansı doğru orantılıdır. Biri artarsa diğeri de artar veya biri azalırsa diğeri de azalır.

E = h × f  (E=enerji, h= Planck sabiti, f=fotonun frekansı)

EMR, boşlukta ışık hızıyla yayılır ama yine de bizden çok uzaktaki bir cismi gözlemlerken her ne kadar cismin görüntüsü bize ışık hızında geliyor olsa da evrenimiz o kadar büyük ve astronomik cisimler bize o kadar uzak ki biz o cisimlerin geçmişteki hallerini görürüz. Mesela Andromeda galaksisini gözlemlerken bizden 2.5 milyon ışık yılı uzaklıkta olduğu için onun görüntüsünün bize ulaşması 2.5 milyon yıl sürüyor ve biz Andromeda’nın 2.5 milyon yıl önceki halini gözlemliyoruz. Aslında bu durum günlük hayatımızda da geçerli gördüğümüz her şeyi görebilmemiz için onlardan çıkan ışığın gözümüze kadar gelmesi gerekir ışığın hızı çok yüksek olduğu ve günlük hayatımızda gök cisimlerine göre çok daha yakın objeleri gözlemlediğimiz için bu dikkat edilmeyecek bir zaman farkıdır.

Bu yazımızda radyasyonu genel olarak anlatacağız. Alt başlıklarımız ise şöyledir; dalgalar ve dalga hareketleri, elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik spektrum, radyasyon kanunu, girişim, kırılma, polarizasyon, termal radyasyon, kara cisim ışıması, Planck sabiti, Wien yasası, Stefan-Boltzmann kanunu, Doppler etkisi.

DALGALAR:

Dalgalar bir titreşim hareketidir. Bir ortama aktarılan enerjinin başka bir ortama aktarılma biçimidir. İnsanoğlu bilgileri bu şekilde elde eder, gelen dalgaları inceler ve yorumlar. Bir ortamda oluşan titreşim veya sarsıntı dalgalar ile iletilir. Bazı dalgalar salınım hareketinin yönü ve iletim yönü açısından sınıflandırılır. Eğer bu ikisi birbirine dikse enine dalgalar olarak adlandırılırlar. Eğer bu ikisi birbirine paralel ise boyuna dalgalar olarak adlandırılırlar. Deprem, su ve yay dalgaları ise hem enine hem de boyuna dalgalardır. Dalgalar taşıdıkları enerjiye göre de mekanik ve elektromanyetik dalgalar olarak ikiye ayrılır. Mekanik dalgaların iletilebilmesi için ortama ihtiyaç varken elektromanyetik dalgaların iletilmesi için maddesel ortama ihtiyaç yoktur. Işık en uzak galaksilere hareket ederken boşlukta ilerleyebilir ama ses dalgaları bunu yapamaz. Dalgalar farklı ortamlardan geçerken frekansı ve dalga boyu değişmezken, hızı değişir.

En kolay gözlemlenebilen dalgalar su dalgalarıdır. Su dalgaların insanların en çok yanılsamaya düştüğü şey dalgalı bir suda suyun üzerinde bulunan bir cismin dalgayla beraber ilerlediğidir. Oysaki ne cisim ne de su ilerler, ikisi de aynı yerinde kalır sadece yükselen ve alçalan su seviyesiyle cisim de yükselir ve alçalır.

DALGALARIN HAREKETİ:

Bir su birikintisi üzerinde yüzen bir dal parçası hayal edin. Eğer o suya bir taş atarsak ya da başka bir yolla titreşim üretirsek bu sonucunda oluşan dalgalar su yüzeyinde ilerlemeye başlar. Bu dalgalar aslında titreşimin kaynağından enerji ve bilgi taşımaktadırlar. Dalgalar dal parçasına ulaştığında bu enerjinin bir kısmını dal parçasına aktarır bu şekilde kaynaktan dal parçasına bilgi aktarılmış olur. Dalgalarda aktarılan madde değil enerjidir.

Atma: Ortamda ilerleyen bir titreşime atma denir.

Genlik: Atmanın taşıdığı enerji ile doğru orantılıdır. Dalga tepesi veya dalga çukurunun (dalganın denge konumuna en uzak olduğu yerler) denge konumu ile arasındaki mesafedir. Dalganın yüksekliğidir.

Periyot (T): Bir tam dalga oluşması için geçen süredir. Kaynağa bağlıdır.

Frekans (F): Birim zamanda oluşan dalgadır. Kaynağa bağlıdır. Birimi hertz (Hz)’dir.

T × F = 1

Dalga boyu (λ): İki tepe ya da iki çukur arasındaki mesafedir. Kaynağa ve ortama bağlıdır. Dalga boyu ile enerji ters orantılıdır.

Dalganın hızı (V): Birim zamanda dalganın aldığı yoldur. Kaynağa ve ortama bağlıdır.

ELEKTROMAYETİK DALGALAR(EMR):

Elektromanyetik dalgalar yayılmak için maddesel ortama ihtiyaç duymaz bu yüzden uzay boşluğunda ilerleyebilen bu dalgalardan çok uzağımızda bulunan gök cisimleri hakkında bilgi edinebiliyoruz. Elektromanyetik dalgalar birbirine dik elektrik alan ve manyetik alandan oluşur. Bu alanlar birbirine dik oldukları sürece bütün düzlemlerde olabilirler. Ve bu iki alan dalganın yayılma doğrultusuna dik konumdadır. Eğer yüklü parçacıklar titreşirse bu titreşme sonucu elektrik alan değişir, ardından değişen elektrik alan kendisine dik bir manyetik alan oluşturur ve değişim uzay boyunca dalga olarak hareket eder. Buna göre enerji harcanarak periyodik bir alan değişimi meydana getirilirse, bu enerji ışık hızıyla aynı hızda elektrik ve manyetik alan dalgaları olarak uzaya yayılır. Sonuç olarak enerji aktarılışı olur ve bizler gidip inceleme yapmak zorunda olmadan uzağımızdaki cisimler hakkında bilgi edinmiş oluruz.

Elektrik alan artı yükten eksi yüke doğrudur ve birim yüke etki eden kuvvet olarak tanımlanır. Manyetik alan ise hareket ettirilen bir yükte kuvvet oluşturan vektörel alandır. Aslında elektrik alan değişimi manyetik alan değişimi oluşturur demek eksik bir söylemdir çünkü manyetik alan değişimleri de elektrik alan değişimi yaratır. Bu ikisi hangisinin tetiklediğine bakılmaksızın birbirini etkiler.

Işığın (elektromanyetik dalgaların) sabit olarak hızı c=300.000 km/s’ tir.

λ = c × T ‘den

Uzun dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaların frekansı düşükken, kısa dalga boyundakilerin yüksektir.

ELEKTROMANYETİK DALGALARIN KEŞFİ:

Elektromanyetik dalgaların keşfinden önce fizik; mekanik, elektrik ve manyetik alanın üzerindeki çalışmalardan ibaretti. Elektromanyetik dalgaların keşfi fizik dünyasında yeni bir kapı açtı. Elektromanyetik dalgaları ilk ortaya atan Maxwell oldu, Hertz de bu dalgaların varlığını doğruladı.

IŞIĞIN KIRILMASI:

Işık farklı yoğunluktaki ortamlar arası geçiş yaparken doğrultusunda ve hızında değişim olur, bu duruma kırılma denir. Işığın kırılma miktarı dalga boyuyla ters orantılıdır. Güneş ışığı yani beyaz ışık içerisinde farklı dalga boylarında renkler barındırdığı için gökkuşağı oluşumu ya da ışığın prizmadan geçirilmesi gibi kırılma olaylarında renklerine ayrılır. Kırmızı renk en büyük dalga boyuyla az kırılırken, mavi-mor renk en kısa dalga boyuyla en çok kırılır. Bu yüzden gökyüzü mavi gözükür. Kırılma olayı suyun içindeki cisimlerin ve suyun dibinin anlaşılmasında yanılsamada da karşımıza çıkmaktadır. Işık maddesel ortamlarda kırınıma uğrar ama bu çoğu zaman önemsiz ve fark edilmeyecek derecededir ama kırılma olayı ses dalgalarında daha net fark edilebilir.

GİRİŞİM:

İki farklı kaynaktan gelen dalgaların birbirini sönümlemesi ya da kuvvetlendirmesi olayıdır. Thomas Young’ın 1805 teki girişim deneyiyle ışığın dalga özelliğini kanıtlanmış oldu. Görünür ışıkta fark edilebilir derecede değildir.

Kırılma ve girişim olayları astronomide (teleskop tasarımı dahil) önemli rol oynar.

ELEKTROMAYETİK DALGALARIN KUTUPLANMASI (POLARİZASYON):

Enine dalgalarda kutuplanma görülmektedir. Elektromanyetik dalgalarda bilindiği gibi elektrik alan ve manyetik alan birbirine diktir ve bu ikisi yayılma yönüne de diktirler. Işıktaki elektrik alan manyetik alana düz olan bütün düzlemlerdedir. Eğer bu düzlemlerden sadece birinde olanların geçmesine izin verilecek şekilde filtrelenirse ışık polarize edilmiş olur.

Aşağıdaki örnekte ışık ilk olarak dikey polarizörden geçiyor ve polarize edilmiş ışık oluşuyor. İkinci polarizör yatay olduğu için dikey polarize edilmiş ışın buradan geçemez.

Polarize edilmemiş ışınlar yalıtılmış yüzeylerden yansırken bir miktar polarize edilir. Ayna gibi maddeler bu konuda kötüyken cam gibi şeffaf yüzeyler polarize etmede iyidir. En iyi polarizasyonu sağlayan açıya Brewster açısı denir.

Formüldeki ‘n’ kırılma indeksini gösterir, ‘Qi’ ortama geldiği açı ve ‘Qr’ ortamdan ayrılırkenki açısıdır. Bu şekilde olan polarizasyon kamaşma denir. Optik mikroskopide ışığın polarizasyonundan faydalanılır. Çapraz polarizörler kullanılır. İlki polarizör ikincisi ise analiz edicidir. Az önce anlatıldığı gibi çapraz şekilde yerleştirilen polarizörlerden ışık geçemez ama araya çift kırılmalı (birefringent) konulduğunda bu malzeme ışığa yön verir ve mikroskoptan ışığın çeşitli şekilleri görülebilir duruma gelir.

Bir sonraki yazımız ile radyasyon konusunu işlemeye devam edeceğiz.

 

Hazırlayan: İlayda Kesmen

İTÜ Astronomi Kulübü Üyesi

Kapak Görseli: Stephen Knapp

Kaynaklar:

Yorumlar kapatıldı.

Proudly powered by WordPress | Theme: Baskerville 2 by Anders Noren.

Up ↑