Elektromanyetik radyasyon

Elektromanyetik dalga kavramı ilk olarak James Clerk Maxwell tarafından ortaya atılmış ardından Heinrich Hertz tarafından doğrulanmıştır. Maxwell elektrik ve manyetik alanların dalga benzeri yapılarını ve simetrilerini açığa çıkaran alan dalga formu denklemleri elde etmiştir. Maxwell, ışığın ölçülen hızının, dalga denklemlerinden çıkan EM dalgaları hızları ile çakışık olmasından dolayı ışığı da bir elektromanyetik dalga olarak kabul etmiştir. Maxwell’in denklemlerine göre, hareketsiz bir elektrik yükü etrafında bir elektrik alan oluşturur. İvmeli hareket eden bir elektrik yüküyse oluşturduğu elektrik alana ek olarak manyetik alan oluşturur. Bu alanlar birbirlerine dik olarak salınırlar ve EMR oluşur.

Maxwell denklemlerine göre, Elektromanyetik dalga asıl olarak bir yükün bir doğrultuda ivmeli salınım hareketi (harmonik hareket) yapması sonucu oluşur. Faraday'ın Elektrik alan teorisinde, durgun bir yükten uzayın her yönüne elektrik alan kuvvet noktacıkları saçılır, bu noktacıklar aynı yükten belli doğrultularda peşi sıra saçıldıkları için elektrik alan kuvvet noktacıkları birleşerek bir doğru halini alırlar, bu doğrulara elektrik alan kuvvet çizgileri yayılır.

Şimdi sayfa düzlemindeki bir durgun pozitif yükü ele alalım. Bu pozitif yükü, sayfa düzlemini dik kesen bir doğrultuda, önce sayfa düzleminden içeri doğru sonra da sayfa düzleminden dışarı yönde ivmelenecek şekilde, sürekli bu sırayla giden bir harmonik hareket yaptırırsak, yükten çıkan elektrik alan kuvvet noktacıklarının yükten ayrıldıkları konum sürekli değişeceğinden, yukarı aşağı salınım hareketi yapan yükten peşi sıra saçılan noktacıklar bu sefer bir dalgasal hareket görüntüsü oluşturacak şekilde bir yörüngede yükten uzaklaşmış olurlar.

Sonuçta durgun veya sabit hızda hareket eden bir yükten elektrik alan kuvvet çizgileri yayılırken; salınım yapan bir yükten elektrik alan kuvvet dalgası yayılır denir.

Yine bu pozitif yük harmonik hareket yaptığı için, ivmeli olarak sayfa düzlemine göre yukarı aşağı salınım hareketi yapan bu pozitif yük, Maxwell denklemlerine göre uzaydaki elektrik alanın değerinin ivmeli bir şekilde değişimine neden olur ve yine Maxwell denklemlerine göre uzayın elektromanyetik eylemsizliği nedeniyle, ivmeli olarak sırayla artan ve azalan elektrik alanı dengelemek amacıyla uzay tarafından oluşturulan manyetik alan kuvvet çizgilerinin şiddeti de harmonik olarak artar ve azalır, böylece manyetik alan kuvvet çizgilerinin şiddeti de bir dalgasal hareket görüntüsü oluşturmuş olur. Pozitif yük salınım yaparken hareket yönü sürekli değiştiği için yükten yayılan elektrik alan kuvvet dalgasına daima dik yönde olan manyetik alan kuvvet dalgası da sırasıyla bir düzlemden içeri ve aynı düzlemden dışarı olacak şekilde yön değiştirecektir. Böylece elektrik alan dalgasının yayılım düzlemine dik düzlemde ve elektrik alan dalgasının yayıldığı düzlemden içeri ve dışarı salınım hareketi yapan bir manyetik alan kuvvet dalgası oluşacaktır. Bu da bir elektromanyetik dalga olan ışığın yapısıdır. Sonuç olarak, "salınım yapan her yükten elektromanyetik dalga (radyasyon) saçılır" denir.(Bakınız:Maxwell Denklemleri) James Clerk Maxwell bunu matematiksel olarak kanıtlayan ilk bilim adamıdır. Manyetik alan ve elektrik alanı kuvvet noktacıklarının yükten salındıktan sonra yükten uzaklaşarak uzayda hareket etmeleri,vakum uzayda ışık hızıyla(c) gerçekleşir. Bu nedenle elektrik ve manyetik alan kuvvet noktacıklarının birlikte olup dalgasal bir hareket yaptığı elektromanyetik radyasyonun hareket hızı vakum uzayda ışık hızıdır ve elektromanyetik dalgaların yayılım hızı, uzaydaki hızı ne olursa olsun her gözlemci için aynı hızdadır. Bu bilgi üzerinden A.Einstein, görelilik teorilerini oluşturmuştur. Bu teorilerde ışık hızına yakın hızlarda hareket eden bir cisim için göreli olarak zamanın yavaş aktığını, cismin içerisindeki taneciklerin hareketinin yavaşladığını, bu nedenle cisme uygulanacak herhangi bir kuvvetin cismi daha az ivmelendireceğini, yani hızlanan cisimlerin kuvvete karşı direncinin artacağını bu nedenle teorik olarak hızlanan cisimlerin kütlesinin artması gerektiğinden tutun da her cismin bir iç enerjisinin mc2 kadar olduğuna dek birçok evrensel kanun bulunmuştur. Bunların hepsinin hareket noktası ışık hızının sabit olduğunu ifade eden Maxwell denklemleridir.

Faraday'a göre bir yükten her doğrultuda peşi sıra elektrik alan kuvvet noktacıkları saçılır ve birleşerek elektrik alan kuvvet çizgilerini oluşturular,uzayın her yönüne yayılarak elektrik alan kuvvetini oluşturmuş olurlar. Maxwell denklemlerine göre uzay hem elektrik alan yönünden ve manyetik alan yönünden (elektromanyetik) olarak eylemsizlik kuralını sergiler. Yani, sayfa düzlemi üzerinde sabit hızla hareket eden bir elektronu ele alalım, elektronun hareket yönündeki uzay parçasında herhangi bir konumda elektrik alan kuvvet çizgilerinin yoğunluğu arttığı için, uzay kendi iç enerjisiyle bir bu artış etkisine tepki vererek, elektronun kendi üzerine hareketine karşıt olan bir negatif yük akımı oluşturur, böylece uzaklaşan negatif yükler artan elektrik alan kuvvet çizgilerinin yoğunluğunu azaltarak, elektronun hareketinden kaynaklanan artışı dengelemeye çalışarak bir eylemsizlik sağlamış olur. Buna uzayın elektromanyetik eylemsizliği denir. Bu karşıt yönlü negatif yük akımıyla oluşan manyetik alan da elektronun hareket yönünün sağında sayfa düzleminden içeri, solunda sayfa düzleminden dışarıdır. Bu durum sağ el kuralına göre oluşan manyetik alan kuvvet çizgilerinin yönünü verir. Teoriye göre, uzay kendi eylemsizliği adına, yük akımları ve manyetik alanlar oluşturabilecek bir iç enerjiye sahiptir. Manyetik alan kuvvet çizgileri daima elektrik alan kuvvet çizgilerine dik olan bir düzlemde oluşmak zorundadır.

EMR fiziğinin adı elektrodinamiktir. Elektromanyetizma, elektrodinamik teorisi ile ilişkili bir fiziksel olaydır. Elektrik ve manyetik alanlar süperpozisyon ilkesine uygun olduklarından, herhangi bir parçacık ya da zamana bağlı elektrik veya manyetik alan aynı yerdeki mevcut alanlara vektör alan oldukları için vektörel olarak toplanırlar. Örneğin bir atom yapısı üzerinde seyahat halindeki bir EM dalgası yapının atomları içinde salınım indükler, böylece kendi EM dalgalarını yaymalarına sebep olur. Bu özellikler kırılma ve kırınım gibi çeşitli olaylara neden olur. Kırılma, bir dalganın bir ortamdan yoğunluğu farklı başka bir ortama geçerken hızını ve yönünü değiştirmesidir. Ortamın kırılma indisi kırılma derecesini belirler ve Snell yasası ile özetlenmiştir.

Işık da bir salınım olduğundan, vakum gibi doğrusal ortamda statik elektrik ya da manyetik alan boyunca seyahat etmekten etkilenmez. Ancak bazı kristaller gibi doğrusal olmayan ortamlarda ışık ve statik elektrik ve manyetik alanlar arasında Faraday etkisi ve Kerr etkisi gibi etkileşimler görülebilir.

EMR hem dalga hem de parçacık özellikleri taşır . Her iki karakteristik çok sayıda deney ile onaylanmıştır. EM radyasyon nispeten geniş zaman ölçeklerinde ve büyük mesafelerde incelendiğinde dalga karakteristiği daha belirgin, küçük zaman ölçeklerinde ve mesafelerde parçacık karakteristiği daha belirgindir. Örneğin EMR madde tarafından emildiğinde ve ilgili dalga boyunun küpü başına 1 den az foton düştüğünde parçacık benzeri özellikler daha açıktır. Işık emilimi durumunda düzensiz enerji birikimini deneysel gözlemlemek zor değildir. Açıkçası bu gözlemler tek başına ışığın parçacık davranışına kanıt değildir, o maddenin kuantum niteliğini yansıtır.

Tek fotonun kendi kendine parazitlenmesi gibi, aynı deneyde elektromanyetik dalgaların hem dalga hem de parçacık niteliklerinin ortaya çıktığı durumlar vardır. Gerçek tekil-foton deneyleri (kuantum optik duyarlılıkta) bugün lisans düzeyinde yapılabilmektedir. Bir tek foton girişimölçer üzerinden gönderildiğinde, her iki patikayı da izleyerek, dalgalar gibi kendisi ile etkileşir, karışır ancak ışıl çoğaltıcı ile ya da benzer hassas algılayıcılar ile ancak bir kez tespit edilebilir.

Işığın doğasının önemli bir yönü frekansıdır. Bir dalganın frekansı salınım hızıdır ve Hertz birimi ile ölçülendirilir. Bir Hertz saniyede bir salınıma eşittir. Işık genelde, toplamı bileşke dalgayı veren frekanslar tayfına sahiptir. Farklı frekanslar farklı kırılma açılarına maruz kalır.

Denkleme göre, “v” dalga hızı (vakum ortamda hız “c” olur), “f” frekans, “λ” ise dalga boyudur. Dalgalar değişik ortamlar arasından geçerken hızları değişir ama frekansları aynı kalır.

Girişim, iki ya da daha fazla dalganın çakışması sonucu yeni bir dalga şekli oluşmasıdır. Eğer alanlar aynı yönde bileşenler içeriyorsa yapıcı girişim, ayrı yönlerde ise yıkıcı girişim]] yaparlar.

Burada “E” enerjiyi, “h” Planck sabitini, “f” ise frekansı temsil eder. Bu foton-enerji ifadesi ortalama enerjisi Planck yayılım yasasını elde etmek için kullanılan daha genel bir elektromanyetik osilatörün enerji seviyelerinin özel bir durumudur. Bu enerji seviyesinin düşük sıcaklıkta eşdağılım prensibi ile tahmin edilenden kesin bir farkla ayrıldığı gösterilebilir. Bu eşdağılım hatası düşük sıcaklıklardaki kuantum etkisinden dolayıdır.

Bir foton bir atom tarafından soğurulduğunda bir elektronunu uyararak onu daha yüksek onu daha yüksek bir enerji seviyesine çıkartır. Eğer enerji yeterince yüksekse yüksek enerji seviyesine zıplayan elektron çekirdeğin pozitif çekiminden kurtulup atomdan kurtulabilir, buna fotoelektrik etki denir. Tersine bir elektron daha düşük enerji seviyesine indiğinde enerji farkı kadar foton yayar. Her element, atomların içindeki elektronların enerji seviyeleri ayrı olduğundan, kendi frekansında yayar ve soğurur.

Bütün bu etkiler birlikte yayılım ve soğurma tayfını açıklar. Soğurma tayfında koyu bantlar karışık ortamdaki atomların değişik frekanstaki ışığı soğurmasından kaynaklanmaktadır. Işığın geçtiği ortamın bileşimi soğurma tayfının yapısını belirler. Örneğin uzak bir yıldızın yaydığı ışıktaki koyu bantlar yıldızın atmosferindeki atomlardan kaynaklanır. Bu bantlar atom içinde izin verilen enerji seviyelerine karşılık gelir. Benzer bir durum yayım için de oluşur. Elektronlar daha düşük enerji seviyelerine indiklerinde bu düşüşü temsil eden bir tayf yayılır. Bu durum, bulutsu yayılım tayfında kendini gösterir. Bugün bilim adamları bu durumu yıldızların hangi elementlerden oluştuklarını bulmak için kullanmaktadırlar. Ayrıca aynı durum tayfın kırmızıya kayma (redshift) yönteminde kullanılarak yıldızların uzaklıklarını hesaplamada kullanılır.

İvmelenen herhangi bir elektrik yükü ya da herhangi bir değişen manyetik alan EMR üretir. Herhangi bir kablo (ya da anten gibi herhangi bir iletken) alternatif akım ilettiğinde, elektromanyetik radyasyon akımla aynı frekansta yayılır. Kuantum seviyesinde ise elektromanyetik radyasyon yüklü parçacığın dalga paketi dalgalandığında ya da ivmelendiğinde oluşur. Durağan haldeki yüklü parçacıklar hareket etmez ama bu hallerin birbirleriyle çakışması (süper pozisyonu) yüklü parçacığın kuantum halleri arasında radyasyonsal geçiş durumuna sebep olur.

Elektromanyetik radyasyon koşullara bağlı olarak dalga ya da parçacık davranışı gösterir. Dalga durumunda radyasyon hızı (ışık hızı), dalga boyu ve frekansı ile karakterize edilir. Parçacık olarak ele alındığında (foton), her parçacığın dalganın frekansı ile ilişkili enerjisi vardır. Bu enerji Planck’ın E=hf ilişkisinden bulunur. Burada “E” fotonun enerjisi, h=6.626 x 10−34 Js ise Planck sabitidir, “f” ise dalganın frekansını simgeler.

Bir ortamda (vakum dışında), hız faktörü ve kırılma indisi frekansa ve uygulamaya bağlı olarak dikkate alınır. Her ikisi de vakumda hızlanan bir ortamın hız oranıdır.

EMR'nin maddeyle etkileşimi üç şekilde olur: yansıma, soğurma ve maddeyi geçebilme (aktarma). Bu etkileşimi EMR'nin dalga boyları belirler. Radyo dalgaları, radyo antenleriyle alınabilir. Mikrodalgalar bazı maddeleri ısıtabilmektedir. Görülebilir ışık, görme hücrelerini (çubuk ve koni) etkileyecek boyuttadır. Morötesi ışın ve X ışını ise atom ve atom altı parçacıklarla etkileşir.

Görülebilir ışık fotonu maddeye çarptığında madde uyarılır ve foton, maddenin moleküler yapısına göre değişen diğer bir ışık fotonu şeklinde yansıtılır. Bir madde, günışığında eğer kırmızı görülüyorsa, bu madde gün ışığındaki kırmızı dışında tüm görülebilir ışık fotonlarını soğurur, yalnınca uzun dalga boylu olan kırmızı ışığı yansıtır.

Görülebilir ışığı geçiren maddeler saydam (transparent), yarı geçirgen maddeler translusent, geçirmeyen maddeler ise opak olarak adlandırılır. Radyolojide kullanılan tanısal amaçlı X-ışınını fazla geçiren vücut yapıları (akciğerler, yağ dokusu gibi) radyolusent, az geçiren vücut yapıları (kemik, kalsifikasyon gibi) ise radyoopaktır.