Elektromanyetik spektrum

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 ölçüt. Herhangi bir cismin elektromanyetik tayfı veya spektrumu, o cisim tarafından çevresine yayılan karakteristik net elektromanyetik radyasyonu tabir eder.
Elektromanyetik tayf, dalga boylarına 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 dalga boyu (yüksek frekans) ucunun limitinin Planck uzunluğuna, uzun dalga boyu (alçak frekans) ucunun limitinin ise evrenin tümünün fiziksel büyüklüğüne eşit olduğu düşünülmektedir.
Genişliği
Elektromanyetik tayf binlerce kilometreden atomaltı uzunluklara kadar geniş bir yelpazedeki dalga boylarında 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 dalga boyundaki (λ) elektromanyetik enerjinin bu dalga boyu 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:
frekans x dalga boyu veya, ve veya
Burada; m/s (ışık hızı) ve de Planck sabiti 'dir.
Buna göre;
Yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar yüksek enerjiye ancak kısa dalga boyuna,
Düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar ise düşük enerjiye ancak uzun dalga boyuna
sahiptirler. Görünür ışık veya başka bir elektromanyetik türü belli bir madde içerisinde yaratılır veya içerisinden geçerse (örneğin atmosfer), bu ışınımın dalga boyu 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 dalga boyları arasındaki görünür ışık bandı dışındaki diğer ışınım aralıkları da algılanabilir. Normal bir laboratuvar spektroskobu 2 ile 2500 nm arasındaki dalga boylarını kolayca algılayabilir. Cisimlerin, gazların ve hatta yıldız ve galaksilerin fiziksel özellikleri ile ilgili birçok veri, bunlardan yayılan elektromanyetik ışınımın bir spektroskop yardımıyla analiz edilerek öğrenilebilir. Örneğin hidrojen atomları 21,12 cm'lik dalga boyunda 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, kızıl ötesi, görünür ışık, mor ötesi, 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 dalga boyu aralığında bulunabilir. Örneğin, bazı az enerjili gama ışınları aslında bazı yüksek enerjili X-ışınlarından daha uzun dalga boyuna 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 itibarıyla X-ışınları ile gama ışınları arasındaki belirleyici fark dalga boylarında değil, 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.
Radyo dalgaları
Radyo dalgaları binlerce kilometreden yaklaşık bir milimetreye kadar dalga boylarındadır ve sahip oldukları 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 elektrik akımı oluşmasını sağlar. Radyo antenlerinin çalışma ilkesi bu etkiye dayanır.
Mikrodalga
Mikrodalgalar tipik olarak uygun çap ve şekilde metal dalga kılavuzu tüpler kullanabilecek kadar kısadırlar ve magnetron veya klistron tüpler kullanarak istenen 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 kızıl ötesi 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 kullanılmaktadır. 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.
Kızıl ötesi ışınım
Kızıl ötesi radyasyon yaklaşık olarak 300 GHz ile 400 THz frekansları ve 1 mm ile 750 nm arasındaki dalga boylarını kapsar. Üç ana kategoride incelenir:
Uzak kızıl ötesi, 300 GHz (1 mm 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 kızıl ötesi ışınım, atmosferin saydam olmasında büyük rol oynamaktadır. Astronomide 200 μm ile birkaç mm arasındaki dalga boylarına genellikle milimetre altı denir ve "uzak kızıl ötesi" tanımı 200 μm'nin altındaki dalga boyları tarafından kullanılır.
Orta kızıl ötesi, 30 THz (10 μm λ) ile 120 THz (2,5 μm λ) arasında bulunur. Sıcak cisimler bu sıklıkla bu aralıkta ışınım yayarlar. Orta kızıl ötesi ışınım normal moleküler titreşim tarafından emilebilir. Bu frekans aralığına bazen parmak izi bandı da denir.
Yakın kızıl ötesi, 120 THz (2500 nm λ) ile 400 THz (750 nm 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 dalga boylarına ayrılabilir. Her dalgaboyu farklı bir frekansa sahiptir ve göz tarafından farklı bir renk olarak algılanır.
Mor ötesi ışınım
Dalga boyu görünür ışıktan daha kısadır. Oldukça enerjik olduğu için mor ötesi (UV) ışınım kimyasal bağları bozup çeşitli molekülleri iyonize edebilir veya katalizör etkisi gösterebilir. Güneş yanıkları mor ötesi 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 Güneş'ten gelen UV radyasyonunun büyük bir kısmı yüzeye ulaşmadan önce atmosferdeki ozon tabakası tarafından emilir.
X-ışınları
X-ışınları, mor ötesi ışınlardan daha kısa dalga boyuna, dolayısıyla 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.