Konu 28: Elektromanyetik Spektrum ve Görünür Işık

1) Elektromanyetik spektrum (EMS), elektromanyetik dalgaların frekans aralığı, dalga boyları ve foton enerjilerinden oluşur. Yani EMS, ışığın çeşitlerini gösteren bir tablodur. Işığın tüm çeşitlerinin her biri de yine ışıktır.

2) EMS’de frekanslar “1 hertzin altından, 10²⁵ hertzin üzerine kadar” değişir. Dalga boyları ise bir atom çekirdeğinin büyüklüğünün bir kısmından, binlerce km’ye kadar değişir. Frekans ile dalga boyu ters orantılıdır, yani düşük frekans, uzun dalga boyuna, yüksek frekans, kısa dalga boyuna sahiptir.

3) “Hertz (Hz), saniyede bir olaya (veya döngüye) eş değer frekans birimidir.”

4) “Frekans, birim zaman başına yinelenen bir olayın oluşum sayısıdır.”

5) “Fizikte dalga boyu, -periyodik bir dalganın uzaysal periyodu olup- dalganın şeklinin tekrarlandığı mesafedir.” [Tepe-çukur olarak gösterilen şekil(ler), sadece matematiksel bir -sözde- gösterimdir.]

6) “Foton enerjisi, tek bir fotonun taşıdığı enerjidir.”

7) Elektromanyetik dalgaların (EMD) oluşumu, madde ile etkileşimi vs. farklı özelliklere sahiptir.

8) “Uzun dalga boyları için bilinen bir sınır yoktur, kısa dalga boyu sınırının ise Planck uzunluğu civarında olduğu düşünülmektedir.”. Yani EMD’lerin (ışığın) çeşitliliği sonsuzdur.

9) “Fizikte radyasyon, enerjinin uzayda veya maddi bir ortamda dalgalar veya parçacıklar şeklinde yayılması veya iletilmesidir.”

10) “Elektromanyetik radyasyon (EMR), elektromanyetik enerji taşıyan, uzayda yayılan elektromanyetik (EM) alanın dalgalarından oluşur.”

11) “EMR, elektrik ve manyetik alanların senkronize salınımları olan EM dalgalardan oluşur.”

12) EMD’ler boşlukta ışık hızında hareket eder.

13) “EMD’ler, hızlanan elektrik yüklü parçacıklar tarafından yayılır ve bu dalgalar daha sonra diğer yüklü parçacıklarla etkileşerek üzerlerine kuvvet uygulayabilir.”

14) Elektromanyetik alanın kuantumu olan, “sıfır durgun kütleli, yüksüz temel parçacıklar olan fotonlar” “tüm elektromanyetik etkileşimlerden sorumlu”dur.

15) “Kuantum elektrodinamiği, EMR’nin madde ile atomik düzeyde nasıl etkileştiğinin” kuramıdır.

16) “Tek bir gama ışını fotonu, tek bir görünür ışık fotonundan ∼100.000 kat daha fazla enerji taşıyabilir.”

17) Bir EMD, parçacığı veya dalgası fotonlar olan, ışık hızında hareket eden, elektrik ve manyetik alanının durmadan birbirine dönüştüğü, birbirini ürettiği, bu ikisinin bir durumun (yani elektromanyetikliğin) farklı görünümü olduğu ama bir olduğu, kuantumu foton olup elektromanyetik alan şeklinde ilerleyip yani bunların hepsinin aynı bir sistem olduğu bir enerjidir EMD.

18) Işık, elektrik ve manyetizmanın bir birleşimidir.

19) “EMD’ler yansıyabilir, kırılabilir ve birbirleriyle etkileşime girebilir.”

20) “Işık, sonuçta ortaya çıkan dalgayı oluşturan birden fazla frekansa sahiptir.”

21) Işığın frekansı artarsa enerjisi de artar.

22) “Bir foton bir atom tarafından absorbe edildiğinde [emildiğinde, soğurulduğunda (TDK, GTS)], atomu uyarır ve (ortalama olarak çekirdekten daha uzakta olan) bir elektronu daha yüksek bir enerji düzeyine yükseltir [sıçratır, -bir anda orada belirir-]. Uyarılmış bir molekül veya atomdaki bir elektron, daha düşük bir enerji seviyesine indiğinde, enerji farkına karşılık gelen bir frekansta bir ışık fotonu yayar. Atomlardaki elektronların enerji seviyeleri ayrı olduğundan her element ve her molekül kendi karakteristik frekanslarını yayar ve emer.”. Görünür ışık olan renkler de böyle oluşur. Aslında atom altı parçacıklar, atomlar renksizdir. Yani tüm gördüklerimizi elektrona borçluyuz, çünkü ışığın kendisi de renksizdir, bir şeye çarpmayan ışık görünmezdir. Söyleyebilirim ki görünmez bir şeyin, her şeyi görünür yapması da ilginçtir.

23) “Yüklü bir parçacığın dalga paketi [dalgası, alanı] salındığında [uyarıldığında] veya başka bir şekilde hızlandığında elektromanyetik radyasyon üretilir.”

24) Elektromanyetik spektrumda (EMS) bölgeler, düşük frekanstan yükseğe doğru şöyle sıralanır: radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, görünür ışık, ultraviyole (morötesi), X-ışınları ve gama ışınları. Yanı sıra bu bölgeler “arasında kesin olarak tanımlanmış sınırlar yoktur”.

25) Aşırı ultraviyole, X-ışınları ve gama ışınları bir atomdan elektronlarını kopartabilecek güçtedir.

26) Elektromanyetik dalgaların hepsi evrende doğal olarak oluşmaktadır, yanı sıra insanlar (uç koşullar ve ekstrem durumlar hariç olmak üzere), üstte bahsi geçen bölgelerdeki dalgaların hepsini yapay olarak da üretebilir.

27) 380-750 nanometre (nm) dalga boyu ve 400-790 terahertz (THz) frekans aralığındaki görünür ışık, insan gözünün duyarlı “olduğu, EM spektrumun bir parçasıdır. Görünür ışık (ve yakın kızılötesi ışık) tipik olarak bir enerji seviyesinden diğerine hareket eden moleküllerdeki ve atomlardaki elektronlar tarafından emilir ve yayılır.” Görünür ışık, “elektromanyetik spektrumun çok küçük bir kısmıdır” (%2 civarı). Yani ışığın sadece %2’sini görecek şekilde evrimleşmişiz. Buna da renkler demişiz.

28) “EM spektrumun görünür bölgesinde bir frekansa sahip radyasyon, bir nesneden, örneğin bir meyve kâsesinden yansır ve ardından göze çarparsa bu, sahnenin görsel olarak algılanmasıyla sonuçlanır. Beynin görsel sistemi, yansıyan çok sayıda farklı frekansı” ilgili tonlarda işler ve insanlar bir kâse meyve algılar. EMS’deki tüm dalgalar bilgi taşır, insan, gözü-beyni ile görünür ışıktaki bilgiyi doğrudan algılar, bunun dışındaki dalgalardaki bilgileri doğrudan algılayamaz, dolaylı anlayabilir.

29) Görünür ışık (görünür spektrum ya da tayf), “elektromanyetik spektrumun insan gözüyle görülebilen kısmıdır”. “Frekans açısından bu, 400-790 terahertz civarındaki bir banda karşılık gelir. Bu sınırlar kesin olarak tanımlanmamıştır ve kişiden kişiye değişebilir. Optimal [“en uygun” (TDK, GTS)] [farklı] koşullar altında, insan algısının bu sınırları 310 nm’ye (morötesi) ve 1100 nm’ye (kızılötesine yakın) kadar uzanabilir.”. Bazı hayvanlar kızılötesi ışığı deneyimleyebilir-görebilir. “Birçok canlı türü, insanın ‘görünür spektrumunun’ dışındaki frekanslarda ışığı görebilir. Arılar ve diğer birçok böcek, çiçeklerde nektar bulmalarına yardımcı olan ultraviyole ışığı algılayabilir.”, “Kuşlar da ultraviyoleyi (300-400 nm) görebilir ve bazılarının tüylerinde yalnızca ultraviyole aralığında görülebilen cinsiyete bağlı işaretler bulunur.”. Bazı yılanlar, bazı avlarının savunmasız vücut kısımlarını, “5-30 mikrometre arasındaki dalga boylarındaki” ısıyı, görebilir organı ile algılayabilir ve etrafındaki sıcak cisimleri de fark edebilir.

30) Bir renkten bir renge geçişte kesin bir sınır yoktur.^[1]

Şimdi atom çekirdeği ile elektronlar arasındaki etkileşim olan (4 temel kuvvetten biri olan) elektromanyetik kuvvete değineceğiz, ama bu, üstte -maddeler hâlinde- bahsettiğimiz elektromanyetik duruma benzememektedir.

“Kuantum elektrodinamiğinde tüm elektromanyetik alanlar fotonlarla ilişkilidir ve yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim [yani proton artı, dolayısıyla atom çekirdeği de artı, elektron ise eksi yüklü olup bunlar -yani protonlar ile elektronlar- arasındaki etkileşim], yüklü bir parçacık sanal bir foton yaydığında ve daha sonra başka bir yüklü parçacık tarafından emildiğinde [soğurulduğunda, absorbe edildiğinde (TDK, GTS)] meydana gelir. Foton sanal bir foton olmalıdır, çünkü gerçek bir fotonun emisyonu [çıkarılması (TDK, GTS)] enerji ve momentum korunumunu ihlal eder. Örneğin, başlangıçta normal bir elektron bir foton yayarsa son durum bir elektron ve zıt yönlerde hareket eden bir fotondan oluşacaktır, bu, zorunlu olarak ilk normal elektrondan daha fazla enerjiye sahip olan bir” durumdur.

“Ancak Belirsizlik ilkesi bir çelişkiyi engeller. Belirsizlik bağıntısı, ΔExΔt ∼ ћ, bir sistemi yalnızca Δt zaman aralığı için gözlemlersek, sistemin enerjisini bir belirsizlik ΔE içinde olduğundan daha iyi bilmemizin hiçbir yolu olmadığını söyler. Böylece foton, Δt ∼ ћ/ΔE zaman aralığı için ΔE enerjisine sahip olabilir, [böylece de] enerji korunumunun ihlal edilip edilmediğini kimse bilemez. Foton yeterince hızlı geri emildiği sürece, ölçülebilir bir enerji korunumu ihlali yoktur. Foton[un] yeniden emilmesi gerektiğinden ve algılanamadığından buna sanal foton denir. Bu sanal foton değişiminin etkisinin bir QFT [Kuantum Alan kuramı] hesaplaması, olağan Coulomb kuvvetine yol açar. [Yani] Benzer yükler iter ve farklı yükler çeker.” (Δ işareti, yanındaki ne ise farkı belirtir, bizim formülde E₂-E₁ ve t₂-t₁dir. E, enerjidir. t, süredir. ћ, indirgenmiş Planck sabitidir, ћ=h/(2π). h, Planck sabitidir, tam değeri vardır, h=6,62607015×10^-34 J⋅sn. π, pi sayısıdır, π=3,141592… Bunların detaylı anlatımına ilerleyen kısımlarda değineceğiz. Şimdi devam edelim.) [Max Karl E. L. Planck (1858-1947)]

“Δt ∼ ћ/ΔE zamanı için sanal bir foton var olabilir. Bir foton için dalga boyu keyfî olarak büyük ve dolayısıyla enerji keyfî olarak küçük olabileceğinden, ΔE → 0, Δt → sonsuz olabilir. Sanal foton sonsuz bir aralığa sahip olabilir.”

“Bu sanal fotonlar doğrudan gözlemlenemese de gözlemlenebilir olayların olasılıklarına ölçülebilir bir şekilde katkıda bulunurlar. Ancak bazı hesaplamalar sonsuzluğa götürebilir. Matematiksel tutarsızlıklardan kaçınmak ve fiziksel olmayan sonuçları düzeltmek için yeniden normalleştirme tekniği kullanılır. Örneğin etkin elektron kütlesi, sanal fotonların enerji katkıları dâhil edilerek değiştirilir. Yeniden normalleştirme, bilinen fizik ilkelerini ihlal etmeden etkin kütlenin gözlemlenen kütleye eşit olarak ayarlanmasına izin verir. Genel olarak yeniden normalleştirme, bilinen fizik ilkelerini ihlal etmeden, sonsuzlukları mevcut serbest parametrelere emerek kuramdan sonsuzlukları kaldırabilir.” (Burada etkin kütle dediği şey, elektronun -ya da bir parçacığın- Higgs’ten aldığı kütledir -normalde parçacıkların kendilerine ait kütleleri yoktur-, bunun dışında -üstte bahsettiğimiz üzere- elektronun kütlesi 0 -sıfır- da olabilir, sonsuz kütleli de olabilir, bu paragraftan anlamınız gereken budur. Higgs’in detaylı anlatımına ilerleyen kısımlarda değineceğiz.).^[2]

Elektromanyetik kuvvet, atom çekirdeği ile elektronları bir arada tutar, molekülleri oluşturan atomları ve molekülleri bir arada tutar. “Elektromanyetik kuvvet, komşu atomların elektronları arasındaki etkileşimlerden kaynaklanan tüm kimyasal süreçleri yönetir.” [Atomlar (elementler) enerjisel olarak daha kararlı bir hale gelebilmek için elektronlarını ortaklaşa kullanarak molekülleri (yani kimyasal bağları) oluştururlar. Tüm bağlar kuantumla açıklanır, yani moleküllerin oluşması kuantumsal bir olaydır (kavramdır).]^[3]

Sinan Canan (d. 1972) şunları söylemektedir: 380-750 “nm dalga boyuna sahip ışınlar, göz dediğimiz organa yakalandığı için biz onları ışık olarak algılıyoruz ve görünen ışık diyoruz. Bir de onu renklere bölüyoruz. Tabiatta renk diye bir şey olmamasına rağmen -tabiatta renk diye bir şey yoktur, altını çiziyorum- biz o [380 ile 750] nm arasındaki farklı dalga boylarını da farklı renkler olarak kodlayan bir sinir sistemine [beyne] sahibiz. Yani bakın sinir sistemimiz dalga boylarını ayırdığı için renk diye bir şey var. Dışarıda renk diye bir şey yok normalde.”. Duyduğumuz seslerin de belirli bir aralığı olup onlar da bu şekildedir. Yani tabiatta ses de yoktur.^[4] (Burada şunu söyleyebilirim ki bir algılayıcıya ya da bir göze daha ulaşmamış bir dalgaya renk, kızılötesi, morötesi vs. diyebilirsiniz, buna kimse itiraz etmez ve bunlar evrende varlardır.)

Söyleyebilirim ki EMS’nin sadece %2 civarını görmemiz, diğer büyük kısımda çok farklı (başka) şeyler var da bunları göremiyoruz-bilmiyoruz diye bir şey yok, onlar da elektromanyetik dalga. Sonuçta EMS’deki her şeyi ölçüyoruz, anlıyoruz ve biliyoruz. Biliyoruz ki EMS tablosunu oluşturuyoruz, bilmeseydik bu tabloyu oluşturamazdık.

Son olarak şunları da belirtmem-söylemem gerek. Evrende hiçbir şeyin kesin özellikleri yoktur, yani evrende hiçbir şey kesin değildir, zaten kesinlik diye bir şey yoktur. Buna kuantum müsaade etmez. Her bir şey ortalamadır, yaklaşıktır, pertürbatiftir (yaklaşıklıktır). Dolayısıyla beyinlerimiz de renkler de pertürbatiftir. Yaklaşık beyinlerimiz, yaklaşık renkleri doğal olarak yaklaşık algılayacaktır. Yani herkesin gördüğü renk %100 aynı değildir, zaten %100 renk diye bir şey yoktur. İnsanlar 0,0…1 farkla da olsa renkleri farklı algılar (Buradaki üç nokta için ben diyeyim on tane sıfır, siz deyin yüz tane, başka biri desin trilyon tane vs.). Atom altı parçacıkların özelliklerinin sayısal değerleri virgülden sonra sonsuza gittiğinden, her an etkileşimlerle virgülden sonra uzak yerlerinin değişegelmesinden, belirsiz olmasından, Planck birimleri değerlerinin virgülden sonrasının sonsuza gitmesinden, evrende birbirine tıpatıp (%100 olarak) benzeyen iki şey olmadığından evrendeki her bir şey pertürbatiftir, ortalamalardır. %100 ile %0 arası olarak mikroya (molekül altına) doğru inildikçe bu farklar büyür, makroya doğru çıkıldıkça azalır, ama hiçbir zaman %0 olmaz. Dolayısıyla tüm deneyimlerimiz ekstrem minik olarak farklıdır, zaten her bir şey pertürbatif olduğu için böyle olması gerekir. Yanı sıra Genel görelilik kuramına göre evrende birbirine tıpatıp (%100 olarak) benzeyen hiçbir iki hareket ve hiçbir iki zaman yoktur. Yanı sıra kuantuma göre birbirine tıpatıp (%100 olarak) benzeyen hiçbir iki parçacık veya hiçbir iki dalga yoktur. Bu paragrafta ne demek istediğimi az ya da çok anladığınızı umuyorum, ama tam olarak ne demek istediğimi kitabın geri kalanının tamamını okuduğunuzda anlayacaksınız.

 

Kaynaklar

[1] 1, 2, 7, 8, 24-28 numaralı maddeler, Wikipedia Contributors, “Electromagnetic spectrum”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 12 Temmuz 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electromagnetic_spectrum&oldid=1097830237>, Erişim: 11 Ağustos 2022; 3. madde, Wikipedia Contributors, “Hertz”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 7 Ağustos 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hertz&oldid=1102886368>, Erişim: 11 Ağustos 2022; 4. madde, Wikipedia Contributors, “Frequency”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 26 Temmuz 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Frequency&oldid=1100512218>, Erişim: 11 Ağustos 2022; 5. madde, Wikipedia Contributors, “Wavelength”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 30 Temmuz 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wavelength&oldid=1101274275>, Erişim: 11 Ağustos 2022; 6. madde, Wikipedia Contributors, “Photon energy”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 26 Temmuz 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photon_energy&oldid=1100599408>, Erişim: 11 Ağustos 2022; 9. madde, Wikipedia Contributors, “Radiation”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 24 Mayıs 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Radiation&oldid=1089579528>, Erişim: 11 Ağustos 2022; 10-23 numaralı maddeler, Wikipedia Contributors, “Electromagnetic radiation”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 12 Temmuz 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electromagnetic_radiation&oldid=1097814902>, Erişim: 12 Ağustos 2022 (22. maddedeki alıntı buradandır.); 29, 30 numaralı maddeler, Wikipedia Contributors, “Visible spectrum”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 28 Mayıs 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Visible_spectrum&oldid=1090318570>, Erişim: 12 Ağustos 2022. {22. madde için yanı sıra, Jim Al-Khalili [Sunan ve Hazırlayan], “Atom”, Bölüm 1: The Clash of the Titans [TV Belgeseli], BBC Four, Yapımcı ve Yönetmen: Tim Usborne, 26 Temmuz 2007, <https://www.bbc.co.uk/programmes/b007tr91>, Erişim: 16 Haziran 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20180116061830/https://www.bbc.co.uk/programmes/b007tr91], The mystery of the universe /Official/, YouTube, 7 Ekim 2015, <https://www.youtube.com/watch?v=Y-AiqCp7Vlc>, Erişim: 16 Haziran 2018, Süre Aralığı: 28.39‑33.25 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20200301092438/https://www.youtube.com/watch?v=Y-AiqCp7Vlc] [Bu aralığın öncesi ve sonrasını izlemeniz de tavsiye edilir.]; Belgeselin Türkçe alt yazılısı için, Belgesel Günlüğü, Dailymotion, 14 Kasım 2015, <https://www.dailymotion.com/video/x3deks4>, Erişim: 24 Ağustos 2022, Süre Aralığı: 25.23-29.35 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20160909005638/https://www.dailymotion.com/video/x3deks4].}

[2] University of Tennessee DPA Authors (yy.), “The Standard Model”, The University of Tennessee, Knoxville, Department of Physics and Astronomy, ty., <http://electron6.phys.utk.edu/phys250/modules/module%206/standard_model.htm>, Erişim: 17 Ağustos 2022 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20220822113556/http://electron6.phys.utk.edu/phys250/modules/module%206/standard_model.htm]. (“Δ işareti, yanındaki…” parantez içi kısım için 287. sonnota bakınız.)

[3] Wikipedia Contributors, “Electromagnetism”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 1 Ağustos 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electromagnetism&oldid=1101723169>, Erişim: 18 Ağustos 2022. {“Atomlar (elementler) enerjisel…” köşeli ayraç içi kısım için, Wikipedia Autoren, “Chemische Bindung”, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie, sgt: 30 Haziran 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Chemische_Bindung&oldid=224106438>, Erişim: 24 Ağustos 2022; Wikipedia Contributors, “Chemical bond”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 11 Ağustos 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Chemical_bond&oldid=1103983047>, Erişim: 24 Ağustos 2022.}

[4] Sinan Canan, “SoruYorum – Tabiatta Renk Var mıdır?”, AçıkBeyin, YouTube, 30 Mayıs 2019, <https://www.youtube.com/watch?v=56zXWBu-pmY>, Erişim: 25 Ağustos 2022, Süre Aralığı: 04.35-05.05 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20220519061642/https://www.youtube.com/watch?v=56zXWBu-pmY]. (Videoda Canan 400-700 nm diyor, ben onu daha doğru olan 380-750 nm olarak yazdım.)