Işıma Nedir?
Bildiğiniz üzere her cisim (mutlak sıfırın üzerinde olan her şey), sıcaklığından dolayı bir ışıma yapar. İlk önce ışıma nedir, ona değinelim. Işıma = radyasyondur efendim. Evet, halis muhlis radyasyon. Peki, ışıma dediğimiz radyasyon nasıl oluşur?
Diyelim sevdiceğiniz ile buluşacaksınız. Süslendin püslendin falan filan ama karnında garip bir his var. Kelebekler uçuyormuş gibi. Kelebekler kıpır kıpır karnından dışarı çıkmak istiyor. Bu “hayali kelebekler” sadece kusma ile dışarı çıkabilirler. Kustun ve rahatladın; aynı zamanda kelebekler de dışarı çıktı. İşte sizin bu küçük heyecanınız ile ışıma arasında çok ortak nokta var.
Sıcaklığı olan her maddenin atomları hareket halindedir. Titreşirler, yerlerinde durmazlar. Bir o yana bir bu yana zıplarlar. Ortaokulda öğrendiğiniz üzere bu atomların içinde yüklü parçacıklar (proton, elektron) vardır. Sizin karnınızdaki kelebekler gibi uçuşup ivmeli hareket yapan bu yüklü parçacıklar etrafa elektromanyetik dalga yayarlar. Yani cisim, sahip olduğu sıcaklık nedeni ile her saniye etrafa elektromanyetik dalgalar yayar. İşte buna biz ışıma diyoruz. Her madde ışıma yapar. Sevdiceğiniz de sadece sizin gözünüz de değil bilim nezlinde de ışıl ışıldır. İnsan vücüdüda etrafa elektromanyetik dalgalar yayar. daha çok kızılötesi ışıma yaparız. kızıl ötesi kamera ile sevdiceğinize bakarsanız kalp bölümünde yoğun bir kırmızılık görebilirsiniz.
E=h⋅f
Meşhur E=h⋅f formülüne ufaktan değinelim. Bu formül abimiz bize der ki; frekans (f) artarsa senin enerjin (E) de artar. Frekans arttıkça ışımanın enerjisi artar. Eee, frekans ile dalga boyu da ters orantılıydı değil mi? Yani frekans arttığında enerji artarsa, dalga boyu azaldığında enerji artar. Velhasıl kelam dalga boyu küçüldükçe ışımanın enerjisi coşar.
Anadan doğma bilgimiz ile gama ışınının radyo dalgasından daha yüksek enerjili olduğunu biliriz. Neden? Çünkü gama ışınının dalga boyu çok çok küçük. Bir hanımefendinin boyu ne kadar küçükse o kadar tehlikeli olur gibi bir şey bu..
Kara Cisim Nedir?
Bir cisim düşün. Öyle bir cisim ki üzerine gelen tüm elektromanyetik ışınımları (radyo dalgaları, mikrodalgalar, görünür ışık, gama ışınları vs.) %100 soğuruyor, hüp diye içine çekiyor. Hiçbirini yansıtmıyor, kaçırmıyor. İşte bu ideal hayali cisme kara cisim diyoruz. Bu cisim, soğurduğu enerjiyi ayna gibi geri yansıtmaz; sıcaklığına bağlı olarak elektromanyetik ışınım şeklinde geri salar. Yani kara cisim hem aşırı iyi bir soğurucu hem de aşırı iyi bir yayıcıdır.
Kara oğlan yani cisim düşük sıcaklıktayken bize kapkara(?) görünür. Bunun sebebi, Stefan–Boltzmann Yasası'na göre bir cismin yaydığı toplam ışıma enerjisinin sıcaklığıyla (T4) ilişkili olmasıdır. Örneğin cismin sıcaklığı 2 birimse, yaydığı toplam ışıma enerjisi 16 birimdir. Sıcaklık düştükçe, yayılan enerji de ciddi şekilde azalır. Ayrıca düşük sıcaklıkta dalga boyu o kadar büyüktür ki, görünür bölgenin dışına kayar. Yani cisim aslında ışınım yapıyordur ama bu ışınım insan gözünün göremediği (kızılötesi gibi) dalga boylarındadır. Bu nedenle düşük sıcaklıkta kara oğlanı siyah görürüz. Siyah görmemizin başka bir nedeni ise evrimsel süreçte insan gözünün 380nm-750nm arasındaki dalga boylarını görebilmesidir. Bu da başka bir yazının konusu olsun.
Kara cismin düşük sıcaklıkda nasıl davrandığını inceledik. Şimdi ise yüksek sıcaklıklarda ne olduğuna bakalım. Aranızda anne karnında folik asit yağmuruna tutulmuş olanlarınızın tahmin edebileceği gibi, yüksek sıcaklıklarda kara oğlanımız pırıl pırıl parlıyor. Kara oğlana (kara cisme) çok sıcaklık verirsek, yayılan enerji acayip derecede büyür. E=h⋅f gereği enerji büyükse frekans büyüktür, frekans büyükse dalga boyu küçüldükçe küçülür. Unutmayın; boyu kısa hanımefendiler daha tatlıdır..pardon tehlikelidir. Dalga boyumuz küçükse enerjimiz yüksektir.
Dalga boyumuz kısalıp görünür bölgeye girdiğinde kara cisim artık saklanamaz; ışıl ışıl parlamaya başlar. Ama sıcaklığı daha da artırırsak, ışımanın tepe noktası görünür bölgeyi de geçer; morötesine, X-ışınlarına kayar. Bu yüzden aşırı sıcak cisimler sadece "parlak mavi" değil, her renkten ışık yaydığı için genelde beyazımsı görünürler.
Wien Yasası
Bizden milyarlarca kilometre uzaktaki yıldızların sıcaklığını nasıl ölçüyoruz? Elinizde matematik ve fizik varsa, sizden milyarlarca kilometre ötedeki bir cismin sıcaklığını şak diye bulabiliyorsunuz. Bilim mühteşem bir olgu. İşte burada devreye Wien Yasası giriyor:
λmaks⋅T=b
Bu bağıntı şunu söylüyor: Bir cismin sıcaklığı (T) arttıkça, en şiddetli ışıma yaptığı dalga boyu (λmaks) küçülür. Renklerin dalga boyuna göre uzundan kısaya(yani enerjisi azdan çoğa) şöyle sıralanır; Kırmızı → Turuncu → Sarı → Yeşil → Mavi → Mor. Yani cisim ısındıkça rengi kırmızıdan maviye doğru kayar. Bu yüzden yıldızların rengine bakarak; kırmızıysa nispeten soğuk, maviyse yanıyorsun fuat abi misali cayır cayır sıcak diyebiliriz.
Morötesi Felaket
Klasik fizik uzun dalga boylarını açıklasa da kısa dalga boylarında (morötesi) yetersiz kaldı. Örneğin elimizde ne olsun? Bir soğuk baklava kutusu olsun. (Soğuk baklava diye bir şey yoktur. Baklava ve sütlü Nuriye vardır. Soğuk baklava nispeten taşralı isme sahip sütlü Nuriye’yi, nispeten modern isimli “soğuk baklava” olarak kakalama çalışmasının bir ürünüdür.)
Bu kutunun içine dalgaları yerleştirelim. Kutunun boyutu sabit olduğu için radyo dalgalarından sadece bir iki tanesi sığarken, radyo dalgasın göre dalga boyu milyarlarca kat küçük olan morötesi dalgalardan katrilyonlarca sığdırabiliriz. Gama ışınının dalga boyu ise morötesi ışının dalga boyundan yüz binlerce kat daha küçüktür. Yani iki tane radyo dalgası sığdırdığımız kutuya 2.bir katrilyon.yüzbin tane gama dalgası sığdırabiliriz. Dalga boyu ne kadar küçük ışın seçersek o kadar fazla dalga sığdırırız. Başka bir değişle sonsuz tane dalga sığdırabiliriz. Klasik fizikçiler (Rayleigh ve Jeans) her bir dalga moduna eşit miktarda enerji vermemiz gerektiğini sanıyorlardı. Eğer kutuya sonsuz sayıda kısa dalga modu sığıyorsa ve her biri enerji alıyorsa, kutuyu açtığın an içinden sonsuz enerji fışkırması gerekirdi. İşte biz buna "Morötesi Felaket" diyoruz.
Planck Hipotezi
Bereket versin ki keltoş fizikçimiz Planck düşündü ve dedi ki: "Bari ben enerjiyi sürekli değil de kesintili (paket paket) varsayayım, belki formül tutarda kızlara hava atarım" Planck bu paketlere "kuant" adını verdi. Kız mevzusu dışında gerçekten planck enerjinin kesintli olduğunu bir yerlerinden atarak doğru sonuca gitti.
Buradaki kilit nokta şu: Bu paketleri bölemezsin. Bakkaldan yumurta alır gibi; ya 1 tane alırsın ya 2 tane, gidip 10 buçuk yumurta isteyemezsin. İşte bu düşünceyle klasik fiziği yıktı. Planck, morötesi gibi yüksek frekanslı paketlerin "giriş ücretinin" çok pahalı olduğunu buldu. Kutudaki enerji bu pahalı paketleri almaya yetmiyordu, böylece sonsuz enerji fışkırması durdu.
Ve Evren Pikselleşti...
Planck aslında evrenin "çözünürlüğünü" ilan etti. Klasik fizik dünyayı pürüzsüz ve analog bir film sanıyordu ama Planck dedi ki: "Hayır, evren aslında pikselleşmiş bir yapıdır." Enerjinin en temelinde bölünemez "pikselleri" vardır. Eğer enerji pikselleşmiş olmasaydı, o baklava kutusundan fırlayan sonsuz radyasyonla hepimiz şu an közlenmiş olurduk. Bugün hayattaysak, bunu evrenin "düşük çözünürlüklü" paket yapısına ve Planck’ın o paketleri bölmemize izin vermemesine borçluyuz.
