Işık tayfı

Elekromanyetik spektrum ve bazı ışınım (radyasyon) türlerinin tayf üzerindeki yaklaşık yerlerini gösterir ilüstrasyon. İnsan gözünün algılayabildiği tek radyasyon tipi olan görünür ışık elektromanyetik tayfta çok ince bir aralık bandında bulunmaktadır.

Elektromanyetik tayf veya elektromanyetik spektrum (EMS), evrenin herhangi bir yerinde fizik kurallarınca mümkün kılınan tüm elektromanyetik radyasyonu ve farklı ışınım türevlerinin dalga boyları veya frekanslarına göre bu tayftaki rölatif yerlerini ifade eden kavramdır. Herhangi bir cismin elektromanyetik tayfı veya spektrumu, o cisim tarafından çevresine yayılan karakteristik net elektromanyetik radyasyonu tabir eder.

Elektromanyetik tayf, dalgaboylarına göre atomaltı değerlerden başlayıp (bkz. Gama ışını veya X-ışını) binlerce kilometre uzunlukta olabilecek radyo dalgalarına kadar birçok farklı radyasyon tipini içerir. Elektromanyetik tayf teoride sonsuz ve sürekli olsa da, pratikte kısa dalgaboyu (yüksek frekans) ucunun limitinin Planck uzunluğuna, uzun dalgaboyu (alçak frekans) ucunun limitinin ise evrenin tümünün fiziksel büyüklüğüne eşit olduğu düşünülmektedir.

Elektromanyetik tayfın genişliği

Elektromanyetik tayf binlerce kilometreden atomaltı uzunluklara kadar geniş bir yelpazedeki dalgaboylarında ışınımları kapsar. 30 Hz ve altındaki frekansların (uzun-dalga) radyoastronomide bazı nebulalar tarafından üretildiği ve bu yapıların araştırılmasında kullanıldığı, 2.9 * 10²⁷ Hz değeri civarında frekanslara sahip ışınımların da çeşitli kozmik kaynaklardan yayıldığı bilinmektedir.

Boşlukta, belirli bir dalgaboyundaki (λ) elektromanyetik enerjinin bu dalgaboyu ile orantılı bir frekansı (f) ve foton enerjisi (E) bulunmaktadır. Bu yüzden elektromanyetik tayf bu üç değerden herhangi biri kullanılarak ifade edilebilir. Değerler birbirine aşağıdaki formüller ile bağlıdır:

$c=\,\!$ frekans x dalgaboyu veya $\lambda ={\frac {c}{f}}\,\!$ , ve $E=hf\,\!$ veya $E={\frac {hc}{\lambda }}\,\!$

Burada; $c=299,792,458\,\!$ m/s (ışık hızı) ve $h\,\!$ de Planck sabiti $(h\approx 6.626069\cdot 10^{-34}\ {\mbox{J}}\cdot {\mbox{s}}\approx 4.13567\ \mathrm {\mu } {\mbox{eV}}/{\mbox{GHz}})$ 'dir.

Buna göre;

Yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar yüksek enerjiye ancak kısa dalgaboyuna,
Düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar ise düşük enerjiye ancak uzun dalgaboyuna

sahiptirler. Görünür ışık veya başka bir elektromanyetik türü belli bir madde içerisinde yaratılır veya içerisinden geçerse (örneğin atmosfer), bu ışınımın dalgaboyu artacak, dolayısıyla frekansı düşecektir. Bu değişiklikten dolayı, ışınımların elektromanyetik tayf değerleri ile ilgili rakamsal bilgiler verilirken genellikle söz konusu ışınımlar uzaydaki (boşluk) sayısal değerleri ile ifade edilir.

Spektroskopi ile insan gözünün algılayabildiği 400 ile 700 nm'lik dalgaboyları arasındaki görünür ışık bandı dışındaki diğer ışınım aralıkları da algılanabilir. Normal bir laboratuvar spektroskobu 2 nm ile 2500 nm arasındaki dalgaboylarını kolayca algılayabilir. Cisimlerin, gazların ve hatta yıldız ve galaksilerin fiziksel özellikleri ile ilgili birçok veri bunlardan yayılan elektromanyetik ışınım bir spektroskop yardımıyla analiz edilerek öğrenilebilir. Örneğin hidrojen atomları 21.12 cm'lik dalgaboyunda spesifik bir radyo dalgası yayar. Söz konusu ışınım algılandığında, mesela uzak bir gezegenin atmosferinde hidrojen gazı da bulunduğu anlaşılabilir. Bu teknik astrofizik araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Elektromanyetik radyasyon başlıca yedi kategoride incelenir. Bunlar düşük frekanstan yüksek frekansa doğru radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi, görünür ışık, morötesi, X-ışınları ve Gama ışınlarıdır.

Tayf kategorileri

Yukarıda verilen sınıflandırma genelde doğru olsa da, söz konusu kategoriler arasında kesin sınır çizgileri yoktur ve bazı durumlarda aslında belirli bir kategoride yer alan bir ışınım, bir başka kategorinin dalgaboyu aralığında bulunabilir. Örneğin, bazı az enerjili gama ışınları aslında bazi yüksek enerjili X-ışınlarından daha uzun dalgaboyuna sahiptir. Bunun sebebi, "gama ışını" teriminin nükleer bozunum veya başka bir atomaltı işlem sonucu oluşan fotonlar için kullanılırken X-ışınlarının atom çekirdeğine yakın yüksek enerjili iç elektronların orbital değişimleri sonucu oluşmasıdır. Sonuç itibariyle, X-ışınları ile gama ışınları arasındaki belirleyici fark dalgaboylarında degil, söz konusu ışınımları yaratan kaynaklardadır. Ancak gama ışınları genellikle X-ışınlarından daha yüksek frekanslı ve dolayısıyla daha yüksek enerjilidir ve bu yüzden kendi kategorilerinde değerlendirilir.

Başlıca elektromanyetik tayf bantları ve yaklaşık sayısal değerleri:

Sınıf   Frekans (f)       Dalgaboyu (λ)   Enerji (E)           Açıklama
Y       300 EHz - 30 EHz  1 pm - 10 pm    1.24 MeV - 124 keV   Gama ışınları
HX      30 EHz - 3 EHz    10 pm - 100 pm  124 keV - 12.4 keV   Sert X-ışınları
SX      3 EHz - 30 PHz    100 pm - 10 nm  12.4 keV - 124 eV    Yumuşak X-ışınları
EUV     30 PHz - 3 PHz    10 nm - 100 nm  124 eV - 12.4 eV     Uzak morötesi 
NUV     3 PHz - 300 THz   100 nm - 1 μm   12.4 eV - 1.24 eV    Yakın morötesi
VIS*                                                           Görünür ışık aralığı*
NIR     300 THz - 30 THz  1 μm - 10 μm    1.24 eV - 124 meV    Yakın kızılötesi 
MIR     30 THz - 3 THz    10 μm - 100 μm  124 meV - 12.4 meV   Orta kızılötesi 
FIR     3 THz - 300 GHz   100 μm - 1 mm   12.4 meV - 1.24 meV  Uzak kızılötesi
EHF     300 GHz - 30 GHz  1 mm - 1 cm     1.24 meV - 124 μeV   Aşırı yüksek frekans 
SHF     30 GHz - 3 GHz    1 cm - 1 dm     124 μeV - 12.4 μeV   Süper yüksek frekans 
UHF     3 GHz - 300 MHz   1 dm - 1 m      12.4 μeV - 1.24 μeV  Ultra yüksek frekans 
VHF     300 MHz - 30 MHz  1 m - 10 m      1.24 μeV - 124 neV   Çok yüksek frekans 
HF      30 MHz - 3 MHz    10 m - 100 m    124 neV - 12.4 neV   Yüksek frekans 
MF      3 MHz - 300 kHz   100 m - 1 km    12.4 neV - 1.24 neV  Orta frekans 
LF      300 kHz - 30 kHz  1 km - 10 km    1.24 neV - 124 peV   Alçak frekans
VLF     30 kHz - 3 kHz    10 km - 100 km  124 peV - 12.4 peV   Çok alçak frekans
VF/ULF  3 kHz - 300 Hz    100 km - 1 Mm   12.4 peV - 1.24 peV  Ses frekansı
SLF     300 Hz - 30 Hz    1 Mm - 10 Mm    1.24 peV - 124 feV   Süper alçak frekans
ELF     30 Hz - 3 Hz      10 Mm - 100 Mm  124 feV - 12.4 feV   Aşırı alçak frekans

Radyo dalgaları

Radyo dalgaları el telsizlerinden gelişmiş uzay haberleşme sistemlerine kadar birçok platform tarafından kullanılmaktadır.

Radyo dalgaları binlerce kilometreden yaklaşık bir milimetreye kadar dalgaboylarındadır ve sahip oldukarı rezonansa uygun antenler ve modülasyon teknikleri kullanarak analog veya sayısal veri aktarımı kanalları olarak değerlendirilebilirler. Televizyon, cep telefonu, MRI, kablosuz bilgisayar ağları ve benzeri uygulamalar radyo dalgalarını kullanır.

Radyo dalgalarının veri taşıma özellikleri dalga yüksekliği, frekans ve faz belirli bir bant aralığında modüle edilerek belirlenir. Elektromanyetik spektrumun bu bölümünün kullanımı birçok ülkede çeşitli resmi kuruluşlar tarafından kısıtlanmakta ve denetlenmektedir. Elektromanyetik radyasyon bir iletkene empoze edildiğinde, iletkenin yüzeyindeki atomların elektronlarını daha enerjik kılarak iletken yüzeyinde küçük bir elekrik akımı oluşmasını sağlar. Radyo antenlerinin çalışma ilkesi bu etkiye dayanır.

Mikrodalga

Mikrodalgalar tipik olarak uygun çap ve şekilde metal dalga klavuzu tüpler kullanabilecek kadar kısadırlar ve magnetron veya klistron tüpler kullanarak istenilen faz ve frekansta üretilebilirler. Mikrodalga üretimi TED ve IMPATT gibi katı yapılı diyotlar kullanılarak da yapılabilir. Çeşitli frekanslardaki mikrodalga enerjisi bazı materyaller tarafından emilebilir ve bu süreç sonucunda ısı açığa çıkar. Mikrodalga fırınlar su moleküllerinin bu özelliğini kullanır. Wi-Fi gibi kablosuz sinyal aktarımında da düşük yoğunluklu mikrodalga kullanılır. Mikrodalga fırınlar bu yüzden çalışır durumda ve yeterince yakın mesafede olduklarında cep telefonu ve diğer bazı elektronik cihazları etkileyebilirler.

Terahertz ışınım

Terahertz (THz) radyasyon, elektromanyetik tayfta uzak kızılötesi ile mikrodalgalar arasındaki frekans bandında bulunur. Yakın zamana kadar spektrumun bu bölgesi büyük oranda ihmal edilmişti ancak günümüzde bu milimetre-altı bant özellikle haberleşme, doku gösterimi ve savunma teknolojilerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bu bandın askeri amaçlı uygulaması şimdilik düşman askerleri üzerine yansıtılan terahertz ışınımı suretiyle derilerinde yanma hissi yaratarak bu tehditleri etkisizleştirme uygulaması ile sınırlıdır. Aynı ışınım söz konusu hedeflerin elektronik ekipmanını da iş göremez hale getirecektir.

Kızılötesi ışınım

Kızılötesi radyasyon yaklaşık olarak 300 GHz ile 400 THz frekansları ve 1 mm ile 750 nm arasındaki dalgaboylarını kapsar. Üç ana kategoride incelenir:

Uzak kızılötesi, 300 GHz (1mm λ) ile 30 THz (10 μm λ) arasındadır. Bu bandın alt bölümleri için mikrodalga da denilebilir. Bu radyasyon tipik olarak spin yapan gaz molekülleri, sıvılarda moleküler akışkanlık ve katılarda fotonlar tarafından emilir. Dünyanın atmosferindeki yaklaşık %1 su buharı tarafından emilen uzak kızılötesi ışınım, atmosferin saydam olmasında büyük rol oynamaktadır. Astronomide 200 μm ile birkaç mm arasındaki dalgaboylarına genellikle milimetre altı denir ve "uzak kızılötesi" tanımı 200 μm'nin altındaki dalgaboyları tarafından kullanılır.

Atmosferin hangi dalga boylarını geçirip hangilerini bloke ettiğini özetler bir ilüstrasyon.

Orta kızılötesi, 30 THz (10 μm λ) ile 120 THz (2.5 μm λ) arasında bulunur. Sıcak cisimler bu sıklıkla bu aralıkta ışınım yayarlar. Orta kızılötesi ışınım normal moleküler titreşim tarafından emilebilir. Bu frekans aralığına bazen parmak izi bandı da denir.
Yakın kızılötesi, 120 THz (2500 μm λ) ile 400 THz (750 μm λ) arasındadır. Görünür ışığa benzer fiziksel işlemler tarafından üretilir ve benzer optik kurallara tabidir.

Görünür ışık

İnsan gözünün ışık veya renk olarak algıladığı aralığa denk gelen elektromanyetik enerjidir. Beyaz ışık bir prizmadan geçirildiğinde bileşenleri olan diğer dalgaboylarına ayrılabilir. Her dalgaboyu farklı bir frekansa sahiptir ve göz tarafından farklı bir renk olarak algılanır.

Morötesi ışınım

Dalgaboyu görünür ışıktan daha kısadır. Oldukça enerjik olduğu için morötesi (UV) ışınım kimyasal bağları bozup çeşitli molekülleri iyonize edebilir veya katalizör etkisi gösterebilir. Güneş yanıkları morötesi radyasyonun insan derisi üzerindeki yıkıcı etkisine örnek olarak verilebilir. Bazı durumlarda kanserojen etki yapabilir. UV ışınım ayrıca etkin bir mutajendir ve hücrelerin DNA yapısını bozarak kontrolsüz mutasyona sebep olabilir. Dünya'ya güneşten gelen UV radyasyonun büyük bir kısmı yüzeye ulaşmadan önce atmosferdeki ozon tabakası tarafından emilir.

X-ışınları

X-ışınları, morötesi ışınlardan daha kısa dalgaboyuna, dolayısı ile daha yüksek frekans ve enerjiye sahiptir. Çeşitli materyallerin içinden geçebildikleri için tıpta organ ve kemiklerin görüntülenmesinde sıkça kullanıldığı gibi, ayrıca yüksek-enerji fizik ve gökbilim uygulamalarında da kullanım alanı bulmuştur. X-ışınlarının bir başka adı Röntgen ışınlarıdır.

Gama ışınları

Gama ışınları 1900 yılında Villiard tarafından bulunmuştur. Bilinen en enerjik elektromanyetik radyasyon türü olan gama ışınları nükleer aktivite ve çeşitli kozmik kaynaklar tarafından üretilirler.

Ayrıca bakınız

This article is issued from Vikipedi - version of the 1/1/2017. The text is available under the Creative Commons Attribution/Share Alike but additional terms may apply for the media files.