Radyasyon ve Evren – II

Okuma Süresi: 6 dakika


Radyasyon konusunu işlemeye devam ediyoruz. Bu konu hakkındaki birinci yazımızı buradan okuyabilirsiniz.

SPEKTRUM:

Gözlem yapmak astronominin temel gerekliliklerinden biridir. İnsanlar sadece görünür ışık tayfında bulunan dalga boyu aralığında ışıma yapan cisimleri algılayabilmektedir. Bu da insanların evrenimizin sadece küçük bir kısmını görebilmesine sebep olmaktadır. İnsan gözü görünür ışık tayfındaki dalga boyu aralığında bulunan cisimleri görebilmektedir. Oysa o dalga boyu aralığından çok daha farklı ve büyük aralıklarda ışıma yapan cisimler bulunmaktadır. Eğer sadece gözlerimizle gözlem yapmaya çalışırsak çok uzaktaki cisimlerden bize ulaşan bilgilerin sadece bir kısmını algılayıp yorumlayabiliriz. Bu yüzden yeni geliştirilen teknolojiler astronomik gözlemler ve astronominin ilerleyişi için büyük öneme ve paya sahiptir.

Görünür spektrumda temel olarak kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor olmak üzere 6 ana renk vardır. Kırmızı renk 7.0×10^(-7)m ile en uzun dalga boyuna sahipken mor renk 4.0×10^(-7)m ile en kısa boyuna sahiptir. Kırmızı renk en az kırılırken mor renk en çok kırılan renktir. Kırılma miktarı dalga boyuna bağlıdır. Kırmızı ışığın frekansı 4.3×10^14 Hz, mor ışığın frekansı 7.5×10^14 Hz’dir. Diğer renklerin aldığı değerler bu değerlerin arasındadır.

Atmosferik opaklık: Uzaydan gelen bütün elektromanyetik dalgalar dünya atmosferinden geçip Dünya yüzeyine ulaşamamaktadır. Atmosferimize giriş yapan Güneş ışınları soğurulur yansıtılır ya da yüzeye ulaşır. Yukarıdaki resimde de göründüğü gibi genel olarak radyo dalgaları ve görünür dalgalar atmosferimizden geçebilmektedir. Atmosferdeki iyonosfer tabakası sayesinde yeryüzünde haberleşme sağlanır.

İyonosfer: Atmosferin elektromanyetik dalgaları yansıtacak miktarda iyonların ve serbest elektronların bulunduğu kısımdır. Radyo dalgalarını en iyi yansıtma özelliğine sahiptir.

IŞIK SPEKTRUMUNUN TARİHSEL SÜRECİ:

1666 yılına kadar Aristo’nun öne sürdüğü gibi beyazın kendi başına bir renk olduğuna inanılıyordu ama 1666 yılında Newton’un karanlık bir odada yaptığı prizma deneyinde beyazın 6 ana rengin hepsini içerdiğini kanıtlamış oldu. Newton, deneyinde asıl amacı gökkuşağının oluşumunu açıklamaktı. Güneş ışığı (beyaz ışık) karanlık odaya küçük bir delikten girdi ve prizmadan geçerek renklerine ayrıldı. Newton bunu izlerken tarihin ilk spektrumunu izlediğinin farkında değildi. O dönemin şartları düşünülünce bu durumda çok da şaşılacak bir durum değil o dönemde ışığın yapısını anlamak bir yana dursun insanlar daha görme olayının gözümüzden çıkan ışık sayesinde olduğunu sanıyordu. 1801 yılında, Young’un çift yarıklı deneyiyle ışığın dalga boyu özelliği kanıtlanınca ışık tayfının gizemi açıklığa kavuştu. Artık beyaz ışığın prizmadan geçirilince dalga boyu farklılıklarına göre renklerine ayrıldığı biliniyordu. Newton’dan 200 yıl sonra da Maxwell ışığın elektromanyetik dalga olduğunu ortaya koydu.

Işık tayfının diğer kısımları üzerine ilk çalışma 1800 yılında William Herchel tarafından yapıldı. Herchel Newton’un tayfındaki renkleri termometreyle incelemeye karar verdi ve farklı renklerde farklı sıcaklık değerleri kaydetti. Asıl onun için şaşırtıcı olan kırmızı rengin ilerisinde de sıcaklık farklılıklarını ölçmesi oldu. Böylece ışık tayfının gözümüzle göremediğimiz kısımlarıyla ilgili çalışmaların ilk adımı atılmış oldu. 1801 yılında Alman fizikçi Johann Wilhelm Ritter, ışık tayfı kızılötesinde devam ediyorsa morötesinde de devam etmeli düşüncesiyle gümüş klorürü kullanarak deneyini yaptı. O yıllarda gümüş klorürün ışık ile karartılabileceği biliniyor ve fotoğrafçılıkta kullanılıyordu. Işığın kuvveti arttıkça gümüş klorürün kararma süresi kısalıyordu. Kırmızıdan mora gittikçe kararma süresi kısalıyordu. Herchel, bu durumun morötesi kısımda da devam ettiğini gözlemlemesi ile morötesi ışınları bulunmuş oldu. Hechel, morötesi ışınları kimyasal bir yolla bulmuş olmasından dolayı onlara ‘Kimyasal Işınlar’ adını vermiştir fakat sonrasında ‘morötesi’ adı kabul görmüştür. Bu buluşlardan sonra birçok kesim için elektromanyetik tayfın hepsi keşfedilmiş ve bilim insanlarının onunla işi bitmişti.

1845 yılında Faraday’ın yaptığı deneye göre ışık manyetik alandan geçerken polarizasyon açısı değişiyordu sonuç olarak bu durum ışığın manyetizmayla olan ilişkisini ortaya koyuyordu. James Clerk Maxwell, 1860 yılında matematiksel denklemlerle ışık ile elektromanyetik kuramın ilişkisini ortaya koydu. Maxwell’in elektromanyetik dalga denkleminde ışığın hızı yaklaşık 300.000 km/s olarak bulunuyor ki bu da ölçülen gerçek değerine yakındır. Bu sonuçları sadece elektrik manyetik alanları içeren denklemlerle bulmuştu. Bunun bir rastlantı olamayacağını düşünerek Maxwell 1885’te ışığın elektromanyetik dalga olduğunu ortaya attı. Bu keşiften sonraki deneyler onun bu teorisini kanıtladı.

Maxwell’in keşfi spektrumun morötesi ve kızılötesinden de fazlasına sahip olduğuna işaret ediyordu, denklemlerle spektrumun tamamını oluşturmak mümkündü. 1888 yılında Heinrich Hertz radyo dalgalarını keşfetti ve dahası bunların Maxwell’in denklemindeki gibi ışık hızında ilerlediğini kanıtladı. Ayrıca mikrodalga ışınlarını da bularak spektrumda kızılötesinin bulunduğu kısmı tamamıyla aydınlatmış oldu.

1895’te Wilhelm Röntgen, Crookes tüpüyle yatığı deneyde yeni ışınlar buldu. Bu ışınların nereye ait olduğunu kestiremediğinden bunlara X-ışınları adını verdi. Bu keşfi tıpta kullanılan yeni bir tanı yöntemini ortaya çıkardı. Röntgen’e bu keşfinden dolayı 1901 yılında Nobel Fizik Ödülü verildi.

Spektrumun keşfedilmemiş olan son bölgesi 1900’lü yıllarda keşfedilmiş oldu.

TERMAL RADYASYON:

0 Kelvin’in üzerindeki bütün sıcaklıklara sahip cisimler belirli bir ışıma yapar. 0 Kelvin’in üzerindeki bütün cisimlerin sahip oluğu bir ısı enerjisi vardır ve bu enerjisinden dolayı cisimdeki yüklü parçacıklar titreşim hareketi (ivmeli hareket) yaparlar. Bildiğiniz üzere yüklü parçacıkların ivmeli hareketi soncu elektromanyetik dalgalar oluşur ve cisim ışıma yapmış olur. Cisimler ışıma termal radyasyon yaydıkları gibi soğururlar. Bir cisim ortamla arasındaki sıcaklık farkı eşitleninceye kadar cisim ışıma yapar.

KARA CİSİM:

Kara cisim dediğimiz maddeler üzerine düşen bütün radyasyonu emen ve yayan cisimlerdir. Doğada mükemmel kara cisim yoktur ama onun üzerinden yapılan hesaplamalar gerçek nesneleri anlamamıza yardımcı olur.

KARA CİSİM EĞRİSİ:

Normalde ışıma yapan cisimler tek bir frekansta ışıma yapmaz bütün frekanslarda ışıma yapar ama her cisim ışıma eğrisindeki en üst noktayı kendine özel bir dalga boyunda en yoğun ışımasını yapar. Bu durum bizim nesnenin özellikleri hakkında çok fazla şey öğrenmemizi sağlar. Kara cisimlerin ışıma yaparken yarattığı eğriye aynı zamanda ‘Planck Eğrisi’ de denir. Mükemmel kara cisimlerin ışıma eğrilerinin değişimi sadece sıcaklık değişimlerine bağlıdır.

Bir cismin sıcaklığı artıkça kara cisim eğrisinin en üst seviyesi daha yüksek frekanslara doğru kayar. Kırmızı bir renkte ışıma yapan bir cisim ısıtıldıkça ışıma rengine daha yüksek frekanstaki renklerde eklenir ve en sonunda beyaz renkte ışıma yapar. Eğer cisim daha da ısıtılmaya devam edilirse beyaz renkte maviye doğru bir kayma oluşur. Bu yüzdendir ki ısıtılan bir demirin rengi önce koyu kırmızı, turuncu parlak sarı ve ardından da beyaz olur. Yine de eğrinin ana şekli aynı kalır.

PLANCK HİPOTEZİ:

Yukarıdaki görseldeki formülde Planck sabitini içeren Planck Kara Cisim Işıma Kanun’un formülü gösterilmiştir. Planck, siyah cisim ışımasını açıklamada klasik fiziğin yetersiz kaldığını gözlemledi ve sorunun siyah cisim ışımasında değil klasik fizikte olduğu kanısına vardı. Planck ışıma yapan parçacıkların kesikli enerjilere sahip olması gerektiğini düşünerek iki postüla öne sürdü;

İlkinde, aşağıdaki eşitliğe göre, titreşerek ışıma yapan cisimlerin bu eşitlikte verilen kesikli enerji değerlerini alabileceğini söyledi.( n=kuantum sayısı, υ=ışıma yapan parçacıkların frekansı)

En = nhυ

İkincisinde, titreşen parçacılar bir enerji seviyesinden diğer enerji seviyesine geçerken (hυ) kadar bir enerji değerine sahip soğurma ya da ışıma yapabileceklerini söyledi.

WİEN YASASI:

Radyasyonun yayıldığı dalga boyu ve sıcaklık ters orantılıdır. Bu ilişkiyi formüle dönüştüren Wilhelm Wien’den dolayı bu yasaya Wien Kayma Yasası denir.

STEFAN-BOLTZMANN KANUNU:

Bir cisim ısındıkça yaydığı enerji miktarı cismin ısınma miktarından daha fazla artmaktadır. Aslında bir cismin yaydığı enerji sahip olduğu sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle doğru orantılıdır. Bu orantıyı gösteren yasaya Stefan-Boltzmann yasası denir.

DOPPLER ETKİSİ:

Doppler göreceli olarak kaynağı hareket eden bir dalganın frekansının farklı algılanmasıdır. Dalga kaynaktan çıktıktan sonra normalde bir dalga oluştuğunda başlangıç noktası kaynaktan bir dalga boyu kadar uzaklaşmış olacaktır ama eğer kaynak hareket ederse mevcut dalga boyu değişir ve gözlemcinin kaynağa göre nerde durduğuna bağlı olarak gözleyen için dalganın dalga boyu kısalır veya uzar. Bu durumda;

λ = V / f(frekans) ‘ dan

Hız ortama bağlı bir değişken olduğundan böyle bir durumda değişmez ama eğer dalga boyu değişirse frekans da değişir. Eğer kaynak gözlemciye göre yaklaşıyorsa gözlemci için dalga boyu kısalır ve frekans artar veya kaynak gözlemciden uzaklaşıyorsa dalga boyu artar ve frekans azalır. Günlük hayatta en kolay karşılaşılabilir örnek ambulanslardır. Bir ambulans size yaklaşırken ve uzaklaşırken sesini farklı algılarız bunun sebebi doppler etkisidir. Doppler etkisi radarla hız kontrollerinde de kullanılmaktadır çünkü dalga boyundaki değişim kaynağın hızı ile orantılıdır. Astronomide ise bu olay evrenin genişlediğinin kanıtlarından biridir. Çünkü doppler etkisi sadece seste değil ışıkta vardır ve bir cisim sizden uzaklaşıyorsa ışımanın frekansı azalır ve renginde kırmızıya kayma yaşanır. Eğer yakınlaşıyorsa tam tersi olur ve renginde maviye kayma yaşanır.

 

Hazırlayan: İlayda Kesmen

İTÜ Astronomi Kulübü Üyesi

Kapak Görseli: International Centre for Radio Astronomy Research

Kaynaklar:

 

Yorumlar kapatıldı.

WordPress gururla sunar | Theme: Baskerville 2 by Anders Noren.

Yukarı ↑