Elektromanyetik Dalgalar

Elektromanyetik dalgalar ya da başka bir deyişle EM dalgaları, elektrik alan ve manyetik alan arasındaki titreşimlerin bir sonucu olarak oluşan dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar, salınım hareketi yapan manyetik ve elektrik alanlarından oluşur.

Bir elektrik alanı, manyetik alanla temas ettiğinde elektromanyetik dalgalar oluşur. Bu nedenle “elektromanyetik” dalgalar olarak adlandırılmışlardır. Elektromanyetik dalganın elektrik alanı ve manyetik alanı birbirine diktir. Ayrıca EM dalgasının yönüne diktirler.

Elektromanyetik Dalgaların Özellikleri

EM dalgaları ne elektrik alanı ne de manyetik alan tarafından saptırılır. Bununla birlikte, girişim veya kırınım gösterebilir. Elektromanyetik bir dalga, her türlü ortamdan ve cisimden geçebilir. Bir yerden diğerine yayılacak veya seyahat edecek bir ortam bulmasına gerek yoktur. Öte yandan, mekanik dalgalar (ses dalgaları veya su dalgaları gibi) seyahat edecek bir ortama ihtiyaç duyar.

Elektromanyetik dalgalar, 3×10⁸ m/s sabit hızda hareket ederler. Genellikle elektromanyetik radyasyon, ışık veya fotonlar olarak adlandırılırlar.

EM dalgaları, enine dalgalardır. Bu onların genlik (yükseklik) ve dalga boyu (iki ardışık dalganın en yüksek / en düşük noktaları arasındaki mesafe) ile ölçüldüğü anlamına gelir.

Bir dalganın en yüksek noktası ‘tepe’ , en düşük noktası ‘çukur’ olarak bilinir. Buna göre iki tepe ya da iki çukur arasındaki mesafe dalga boyu olarak adlandırılır. Ayrıca tepe ve çukur arasındaki mesafenin yarısı da genliktir. Bunu başka bir deyişle ifade edecek olursak; tepe noktasının ya da çukur noktasının, dalganın merkez sıfır noktasına olan uzaklığı genliktir.

Genlik ve dalga boyunun haricinde, elektromanyetik bir dalga için önemli olan bir özellikte frekanstır. Frekans, bir dalganın bir saniyede kaç devir yaptığıdır. Yani dalga üzerindeki bir noktanın başladığı konuma gelme mesafesidir.

Elektromanyetik Dalgaların Tarihçesi

Elektromanyetik dalgalar ile ilgili iddialar ilk olarak 19. yüzyılın ortalarında İskoç fizikçi James Clerk Maxwell tarafından ortaya atıldı. Maxwell, elektrik ile manyetizmayı birleştirerek bu iki alanla ilgili tüm bilinenleri tek çatı altında toplamış, elektromanyetizmayı oluşturmuştur.

James Clerk Maxwell, elektromanyetizmanın nasıl işlediğini anlatan yirmi denklem geliştirdi. Bu denklemler o zamandan beri dört temel formüle basitleştirildi.

• İlk denklem, elektrik yükünün dağılımını çevreleyen elektriksel güç alanını göstermektedir.
• İkincisi, manyetik alan çizgilerinin kapalı döngüler oluşturmak için nasıl kıvrıldığını gösterir.
• Üçüncü ve dördüncü denklemler ise, elektromanyetik dalga oluşturmak için elektrik ve manyetik alanların birbirleriyle nasıl etkileştiğini gösterir.

Zengin bir ailenin çocuğu olan Heinrich Hertz, 23 yaşında doktorasını tamamladı. Sadece birkaç yıl sonra, 1886’da, elektrik dalgalarını araştırma başladı. Maxwell’in teorileri test etti ve bu teoriler üzerinde birçok çalışma yaptı.

Hertz’in deneyleri, Maxwell’in belirlediği elektromanyetik etkilerin sonlu bir hızla yayıldığını gösterdi. Elektromanyetik dalgalar, basit anlık kuvvetler değillerdi. Hertz, elektromanyetik dalgaların dalga boyu ve hızını ölçmek içinteknikler geliştirdi. Yansımalarını ve kırılmalarını inceledi. Bu süreçte radyo dalgalarının varlığını keşfetti ve ışık gibi davrandıklarını belirledi.

Elektromanyetik Spektrum

Elektromanyetik dalgalar, çeşitli dalga boylarına ve frekanslara göre sınıflandırılabilir ve düzenlenebilir. Bu sınıflandırma elektromanyetik spektrum olarak bilinir. Aşağıdaki tablo bize, evrenimizde var olan tüm elektromanyetik radyasyon türlerinden oluşan bu spektrumu göstermektedir.

Bu tablodan da görebileceğiniz üzere; elektromanyetik dalgaların çeşitlerini düşük frekanstan, yüksek frekansa doğru şu şekilde sıralayabiliriz:

1. Radyo dalgaları
2. Mikrodalgalar
3. Kızılötesi dalgaları
4. Radar dalgaları
5. Görülebilir ışık dalgaları
6. Ultraviyole ışık dalgaları
7. X-ışınları
8. Gama ışınları

Elektromanyetik spektrum, evrendeki tüm radyasyon çeşitlerinden oluşur. Gama ışınları en yüksek frekansa sahipken, radyo dalgaları en düşük frekansa sahiptir. Görünür ışık yaklaşık olarak spektrumun ortasındadır ve genel spektrumun çok küçük bir kısmını içerir.

Görebildiğimiz gibi, görünür spektrum ( gözlerimizle görebileceğimiz ışık) var olan farklı radyasyon türlerinin sadece küçük bir kısmını oluşturur. Görünür spektrumun sağında, görünür ışıktan daha düşük frekansta (ve dolayısıyla dalga boyu daha uzun) olan enerji türlerini bulur.

Bu enerji türleri arasında kızılötesi (IR) ışınlar (termal gövdeler tarafından verilen ısı dalgaları), mikrodalgalar ve radyo dalgaları bulunur. Bu dalga türleri bizi sürekli çevreler ve zararlı değildir. Çünkü frekansları çok düşüktür.

Görünür spektrumun solunda, ultraviyole (UV) ışınları, X-ışınları ve gama ışınları vardır. Bu dalga türleri, son derece yüksek frekansları (ve dolayısıyla yüksek enerjiler) nedeniyle canlı organizmalara zararlıdır. Bu nedenle sahilde güneş kremi sürmek (güneş ışınlarını engellemek için) ve bir röntgen teknisyeni, başka bir şeye nüfuz etmesini önlemek için vücudumuza kurşun kalkan giydirir.

Bu ışınlar o kadar yüksek frekanstadır ki kurşun kalkana rağmen vücudumuzun görüntüsünün görüntülenmesi sağlar. En yüksek frekans ve enerji olan gama ışınları en zarar verici olanlardır. Neyse ki, atmosferimiz gama ışınlarını dış alandan emer ve böylece bizi zarardan korur.

Elektromanyetik Dalgaların Çeşitleri

• Radyo dalgaları: Radyo dalgaları büyük bir frekans bandını kapsar. Dalga boyları, yüksek frekanslı dalgalar için çok daha düşüktür. Adından da anlaşılacağı gibi radyo ve televizyonlar meydana gelen dalgalardır.
• Mikrodalgalar: Mikrodalga fırınlarda, yemek pişirmek için kullandığımız dalgalrdır. Aynı zamanda radar ekipmanlarında bilgi iletmek için kullanılır. Mikrodalgalar kısa dalga boylu radyo dalgaları gibidir.
• Kızılötesi dalgaları: Gördüğümüz en küçük ışığın ötesinde, biraz daha kısa bir frekansta, kızılötesi denilen bir tür “sıcak ışık” vardır. Göremesek de, yüzümüze çarptıktan sonra cildimizi ısındığını hissedebiliriz. Bu durum, yayılan ısı olarak düşündüğümüz şeydir.
• Görünür ışık dalgaları: Gerçekte gördüğümüz ışık, spektrumun ortasında küçük bir dilimdir.
• Ultraviyole ışık dalgaları: Bu dalgalar, gözümüzün algılayabileceği en yüksek frekanslı mor ışığın hemen ötesinde bir tür mavi ışıktır. Güneş, dünyaya göremediğimiz güçlü ultraviyole ışınları iletir. Güneş yanığı diye tabir ettiğimiz durum bu ışınlardan dolayı meydana gelir.
• X ışınları: Tıpta ve güvenlikte yaygın olarak kullanılan, çok kullanışlı, yüksek enerjili dalga türüdür.
• Gama ışınları: Bunlar, elektromanyetik dalgaların en enerjik ve tehlikeli şeklidir. Gama ışınları, insan sağlığına zararlı radyasyon meydana getirir.

Enerjinin Nicelleştirilmesi ve Işığın İkili Doğası

Işığın uzayda bir dalga olarak nasıl gittiği uzun zamandır bilinmektedir. Aslında, Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens ilk olarak 17. yüzyılın sonlarına doğru ışığın dalga doğasını tanımladı. Huygens’den yaklaşık 200 yıl sonra, fizikçiler ışık dalgalarının ve maddenin birbirinden oldukça farklı olduğunu varsaydılar.

Klasik fiziğe göre, madde kütlesi olan ve uzayda konumu bilinen parçacıklardan oluşuyordu. Öte yandan, ışık dalgaları sıfır kütleye sahip olarak kabul edildi ve uzaydaki konumları belirlenemedi. Farklı kategorilerde oldukları düşünüldüğünde, bilim adamlarının ışık ve maddenin nasıl etkileşime girdiğinin iyi bir açıklamasını bulamadı.

Ancak bu durum 1900’lerde, fizikçi Max Planck karanlıklar üzerinde çalışmaya başladığında değişti. Planck, kara cisimler tarafından yayılan elektromanyetik dalganın, herhangi bir elektromanyetik dalga miktarını emebileceğini veya yaydığını ileri sürdü. Planck, maddenin gerçekten de,  Planck sabiti değeri olan 6,626×10⁻³⁴ J.s, değerinin tam sayı katlarında emildiğini veya yaydığını gözlemledi.

Bu şok edici bir keşifti. Çünkü enerjinin sürekli olduğu ve herhangi bir miktarda aktarılabileceği fikrine meydan okuyordu. Planck’ın keşfettiği gerçeklik, enerjinin sürekli değil, nicelleştirilişidir. Bu enerji paketlerinin her biri bir kuantum olarak bilinir.

Bu kafa karıştırıcı olabilse de, kuantize sistemlere zaten çok aşinayız. Örneğin, günlük olarak kullandığımız para niceldir. Örneğin, bir markete girdiğinizde herhangi bir ürünün 0,995 TL olduğunu göremezsiniz. Çünkü en küçük para birimi 1 kuruştur ve bundan daha küçük bir miktarın transfer edilebilmesi imkansızdır.

Kasiyere bir kuruşun yarısını veremeyeceğimiz gibi, enerjiyi de bir kuantumdan daha az bir şekilde transfer edemeyiz. Yani kuantum enerjinin aktarılabildiği en küçük birimdir.

Planck’ın elektromanyetik radyasyonun kuantize edildiği şeklindeki keşfi, ışığın tamamen bir dalga gibi davrandığı fikrini değiştirdi. Gerçekte, ışık hem dalgalanma hem de parçacık benzeri özelliklere sahip gibi görünüyordu.

Foton

Planck’ın keşifleri, fotonun keşfinin yolunu açtı. Bir foton, ışığın temel parçacık ya da kuantumudur. Fotonlar atomlar ve moleküller tarafından emilebilir veya yayılabilir. Bir foton emildiğinde, enerjisi o atom veya moleküle aktarılır. Enerji nicelleştirildiği için, fotonun tüm enerjisi aktarılır.

Bu sürecin tersi de doğrudur. Bir atom veya molekül enerji kaybettiğinde, atomun veya molekülün enerjisindeki kayıplara tam olarak eşit bir enerji taşıyan bir foton yayar. Bu enerji değişimi, yayılan veya emilen foton frekansıyla doğru orantılıdır.