Mikrodalga fırınlarda yemeklerimizi ısıtmak için kullandığımız dalgalardan röntgen cihazının saçtığı ışınlara kadar pek çok yerde elektromanyetik dalgalara rastlamak mümkündür. Aslında elektromanyetik dalgalardan kaçmak mümkün bile değildir. Bunun nedeni en basitinden görmemizi sağlayan ışığın bile bir elektromanyetik dalga olmasıdır! Peki nedir bu elektromanyetik dalga? Biz işin dalgasında değiliz, hadi açıklayalım. Aslında elektromanyetik dalganın ne olduğu kelimenin adında gizlidir: Elektromanyetik dalgalar birbirine dik manyetik ve elektrik alanlardan oluşan dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar ilk defa deneysel olarak Heinrich Hertz tarafından keşfedilmiştir. Bu dalgalar genelde basitleştirilmiş biçimde aşağıdaki gibi tasvir edilir:

Wikimedia Commons

Bu görselde gösterilen elektromanyetik dalgalar yönünde ilerlemektedir. Manyetik ve elektrik alan bileşenleri ayrı olarak gösterilmiştir. Burada aslında ışığın bile bu formda bir dalga olduğunu söyleyebiliriz. Bu noktada şöyle bir haklı soru gelebilir: Peki o zaman gördüğümüz ışığı radyo dalgalarından ayıran nedir? Madem ikisi de birer elektromanyetik dalga o zaman onları farklı yapan nedir? Bunun cevabı dalgaların frekansı veya enerjisindedir. Daha sonra aslında frekans ve enerjinin birbirini belirlediğine değineceğiz. Frekans, periyodik (düzenli olarak tekrarlanan) bir olayın belli bir zaman içerisinde tekrarlanma miktarıdır. Frekans SI birimler sisteminde Hz (Hertz) birimi ile gösterilir. Bir örnek ile açıklayalım: 1 Hz frekansında bir dalgadan bahsettiğimizde bir noktadan saniyede 1 tepe veya 1 çukur geçiyor, 2 Hz frekansında bir dalgadan bahsettiğimizde ise bir noktadan saniyede 2 tepe veya 2 çukur geçiyor demektir.

Dalgalardan bahsettiğimizde değinilmesi gereken bir diğer önemli kavram ise elbette dalga boyudur. Bir elektromanyetik dalganın dalga boyu tepeden tepeye ve çukurdan çukara ölçülen mesafedir. Aşağıda bunun bir örneği gösterilmiştir:

Wikimedia Commons

Bir dalganın dalga boyu onun ortamda ilerleme hızı ve frekansı ile belirlenir. Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızında yani hızla ilerler. Işık hızı genelde sembolü ile gösterilir ve dalganın frekansına dersek bir elektromanyetik dalganın dalga boyu şu şekilde verilir:

Dalga boyu Yunan alfabesinden sembolü ile gösterilir. Işığın hızı yayıldığı ortama ve frekansına bağlı olarak değiştiği için dalga boyu farklı ortamlarda farklı olarak bulunur. Boşlukta tam olarak ile ilerken dünya atmosferine girdiğinde bu hız yaklaşık olarak kadardır. Diğer ortamlarda da farklılıklar göstermektedir. Bundan dolayı dalga boyu ortama bağlı olarak değişir. Örnek olması açısından boşlukta radyo dalgalarının dalga boyu metre ve santimetre ile ölçülürken görünür ışık, 700-400 nanometre (0,000000001 metre) civarındadır. Gama ışınları ise atom çekirdeği ile karşılaştırılabilir uzunluktadır.

Elektromanyetik dalgalar ile alakalı bilnmesi gereken bir diğer önemli husus ise elektromanyetik dalgaların foton adı verilen ayrık parçacıklar tarafından taşınmasıdır. Üst kısımda bahsedildiği üzere elektromanyetik dalgaların enerjisi frekansı tarafından belirlenir. Bu ilişki matematiksel olarak şu biçimdedir:

Burada biçiminde tanımlanan Planck sabitidir. Bu konuda şunu vurgulamak önemlidir: Bu enerji ışığın şiddeti değil tek bir fotonun enerjisidir. Örnek teşkil etmesi açısından ışığı ele alalım. Işığın frekansını artırdığınızda ışığın enerjisi artar. Bu enerji artışı ışığın parlaklığı değil ışığın renginin değişmesi ile sonuçlanır. Işığın şiddetini artırmak için birim zamanda üretilen foton miktarını artırmamız gerekir.

Elektromanyetik Spektrum

Elektromanyetik dalgaları frekansına veya denk olarak enerjisine göre sıralarsak bir spektrum elde ederiz. Aşağıda elektromanyetik spektrumun bir örneği verilmiştir:

Wikimedia Commons

Elektromanyetik spektrumda frekans sağa doğru gittikçe artar, dolayısıyla foton enerjisi de artar. Buradan görüleceği üzere gama ışınları aralarında en çok enerjiye sahip olan iken radyo dalgaları en az enerjiye sahip olandır. Ayrıca görselde dalga boyları ve karşılaştırma amaçlı çeşitli objeler gösterilmiştir. Örneğin radyo dalgaları binalarla karşılaştırılabilirken, kızılötesi ışınlar iğne ucu uzunluğundadır. Burada verilen uzunlukların bir tür genelleme olduğunu vurgulamak gerek. Bir radyo dalgası farklı dalga boylarında olabilir. Örneğin 100 metrelik dalga boylu bir dalga radyo dalgası sınıfına girerken iken 10 metrelik bir dalga da hâlâ radyo dalgası sınıfındadır. Ayrıca radyo dalgalarından mikrodalgalara geçiş net olarak tanımlanmaz. Bu tarz isimlendirmeler ve gruplandırmalar biraz keyfidir. Şimdi bu gruplandırmaları tek tek ele alarak genel özelliklerini ve kullanım alanlarını inceleyelim.

Radyo Dalgaları

Radyo dalgaları tüm elektromanyetik spektrumda en uzun dalga boyuna sahip olan dalga türüdür. Radyo dalgaları temel olarak haberleşme için kullanılır. Evlerinizde ve arabalarınızda dinlediğiniz FM radyo yayınları Türkiyede 88-108 MHz frekans aralığında yapılır ve dalga boyları yaklaşık olarak 2,78 metreden 3,41 metre aralığında değişmektedir. Ayrıca radyo dalgaları deniz iletişimi, havacılık iletişimi ve askeri iletişim gibi pek çok iletişim türünde de kullanılır. Radyo dalgaları yalnızca insan kaynaklı olarak üretilmez. Örnek olarak radyo dalgaları yıldırımlar tarafından da üretilirler. Yıldırımlar tarafından üretilen karakteristik radyo dalgaları yıldırım algılama sistemlerinde kullanılır.

Mikrodalgalar

Mikrodalga dediğimizde pek çok kişinin aklına ilk olarak mikrodalga fırınlar gelmektedir. Bu, mikrodalgaların kullanım alanlarına verilebilecek en klasik örneklerden biridir. Lakin mikrodalgaların kullanımına daha pek çok örnek verilebilir. Mikrodalgalar tıpkı radyo dalgaları gibi haberleşmede yoğun olarak kullanılır. Hatta muhtemelen şu an siz de bir tanesini kullanılıyorsunuz: Wi-Fi teknolojisi. Evet, Wi-Fi teknolojisi mikrodalga bandında çalışır ve hatta mikrodalga fırınlarla aynı frekansta, yani 2.45 GHz de çalışırlar. Bunun dışında mikrodalgalar bir diğer önemli haberleşme teknolojileri olan 4G ve 5G teknolojilerinde de kullanılır. Ayrıca hız ölçmek ve cisim algılamak için kullanılan radar teknolojisinde de mikrodalgalara güvenilir. Tıpkı radyo dalgalarında olduğu gibi doğal mikrodalga kaynakları vardır. Bunlardan birisi evrenimizdir. Evet, doğru okudunuz. Evrenimizin derinliklerinden mikrodalga ışınları gelmektedir. Buna kozmik mikrodalga arkaplan ışıması adı verilir. Bu ışıma, tamamen başka bir içeriğin konusu olacak kadar detaylı ve uzundur. Dolayısıyla burada değinmeyeceğiz.

Kızılötesi Işınlar

Kızılötesi dalga boyu aralığı, insan gözünün algıyamadığı en uzun dalga boylu ışınları kapsayan aralıktır. Her ne kadar insanlar algılayamıyor olsa da doğada bu ışınların bir kısımını algılayan canlılar mevcuttur. Doğal kızılötesi ışın kaynaklarının en iyi örneği güneş ve belli bir ısıya sahip cisimlerdir. Belli bir ısıya sahip cisimler kızılötesi ışıma yaparlar ve bu fenomene kara cisim ışıması (İng: "black-body radiation") adı verilir. Bu ışınları kullanarak cisimlerin sıcaklığını temassız olarak ölçen termometreler ve termal kameralar üretilmektedir. Ayrıca kızılötesi ışınlar haberleşme için de belirli bir kullanıma sahiptir. Televizyon kumandalarında ve fiber optik haberleşmede sıklıkla kullanılmaktadır. Kızılötesi dalgaların aralığı oldukça geniştir ve görünür ışığa yakın kısımları, optik olarak görünür ışığa benzer davranış sergiler.

Görünür Işınlar

Görünür ışınlar adından da anlaşılacağı üzere insanların gözü tarafından algılanabilen dalga boyu aralığına verilen addır. Bu dalga boyu aralığı tüm elektromanyetik spektrumda oldukça küçük bir aralığı kaplar. Yaklaşık olarak 380 nanometre ile 750 nanometre aralığını kaplamaktadır. 1 nanometre, metrenin milyarda biridir. Doğal görünür ışık kaynaklarına en iyi örnek güneştir. İnsan tarafından algılan ışığın rengi ışığın frekansı veya ortamdaki dalga boyu tarafından belirlenir. Aşağıda bu renkler ve dalga boyları verilmiştir:

Wikimedia Commons

Görünür ışık için 750-620 nanometre aralığındaki ışığı kırmızı, 620-590 nanometre aralığındaki ışığı turuncu, 690-570 nanometre aralığındaki ışığı sarı, 570-495 nanometre aralığındaki ışığı yeşil, 495-450 nanometre aralığındaki ışığı mavi ve 450 ve 380 nanometre aralığı mor kısmı kapsamaktadır. En azından biz insanlar o şekilde isimlendirmeyi tercih etmişiz.

Morötesi Işınlar

Morötesi dalga boyu aralığı, insanların göremediği en kısa dalga boylu ışınları kapsayan aralıktır. Aynı kızılötesi ışınlarda olduğu gibi doğada bu ışınları algılayan canlılar mevcuttur. Morötesi ışınların yüksek enerjili (kısa dalga boylu) olanları insan cilt ve göz sağlığı için risklidir. Morötesi ışınlarda güneş tarafından büyük oranda üretilmektedir. Bu üretilen ışınların daha yüksek enerjili olan bir kısmı atmosfer tarafından bloke edilirken daha düşük enerjili olanlar bir miktar yer yüzüne ulaşmaktadır. Ancak yine de bu ulaşan ışınların insan sağlığı için zararlı olmadığı anlamına gelmez. Bu yüzden yüksek UV indeksi ölçülen günlerde, kış bile olsa, güneş kremi kullanmakta fayda vardır. Morötesi ışınlar saçan lambalar dezenfeksiyon için aktif olarak kullanılmaktadır.

X Işınları

X ışınları, fizikçi Wilhelm Röntgen tarafından 1895 yılında keşfedilmiştir. Ayrıca Röntgen bu keşfiyle ilk Nobel Fizik Ödülü'nü kazanmıştır. Bu yeni bilinmeyen ışınlara matematikteki bilinmeyen sembolü olan "X" adını vermiştir. X ışınları, keşfedildiği dönemde röntgen cihazlarında hızla kullanılmaya başlanmıştır ve günümüzde de çok önemli bir tıbbi görüntüleme cihazıdır. X ışnıları tomografi gibi daha gelişmiş tıbbi görüntüleme cihazlarında da kullanılmaktadır. X ışınları yalnızca görüntülüme için değil, ayrıca Cyberknife gibi teknolojiler ile tümör tedavisinde de kullanılmaktadır. X ışınlarının tüm bu iyi yanlarına rağmen yüksek miktarda ve kontrolsüz maruziyeti zararlı olabilmektedir. Bundan dolayı hastanelerde tomografi cihazlarının operatörlerini uzun süreli maruziyetten korumak için çalışma sahasındaki duvarlar X ışınlarını bloke edebilen kurşun metali ile kaplanmaktadır. X ışınları ayrıca, doğal kaynaklar tarafından da üretilmektedir. Örnek olarak yıldızlar, süpernovalar ve yıldırımlar verilebilir.

Gama Işınları

Gama dalga boyu aralığı, elektromanyetik spektrumun en yüksek enerjili ışınlarını kapsayan kısmıdır. Gama ışınları genellikle radyoaktif bozunmalar sonucunda ve uzay kaynaklı olarak karşımıza çıkar. X ışınlarında olduğu gibi gama ışınlarının da kullanıldığı bir tümör tedavisi teknolojisi mevcuttur. Bu teknoloji Gama Knife olarak adlandırılır ve bu teknolojide gama ışını kaynağı olarak rayoaktif kobalt kullanılır. Gama ışınları da aynı X ışınlarında olduğu gibi, yüksek miktarda ve kontrolsüz maruziyet durumunda sağlık açısından oldukça zararlı olabilmektedir.

Sonuç

Bu içerikte görünür ışık ve radyo dalgaları gibi görünürde alakalı değilmiş gibi gözüken iki farklı şeyin, aslında aynı olgunun farklı kısımları olduğunu gördük. Radyo dalgaları dahil hiçbir elektromanyetik dalga türü insan icadı değildir. Doğada kendi başlarına mevcuttur. Sadece insanlar olarak bilimi ve mühendisliği kullanarak "yapay" yollarla onları üretmenin, kullanmanın, faydalı ve iyi yollarını bulmaya çalışmaktayız. Elektromanyetik spektrum gibi pek çok farklı fiziksel konsepti daha iyi kavrayarak insan hayatını çok daha kolaylaştırabiliriz.