Elektromanyetik Dalgalar

Elektromanyetik dalgaların biyolojik etki ve uygulamaları Elektromanyetik dalgalar, dalga boyu km’lerle ifade edilen radyo dalgalarından dalga boyu 10-16 m dolaylarına kadar inen gama ışınlarına kadar geniş bir aralığı kapsar. Spektrumdaki farklı bölgelerin oluşum mekanizmaları ve madde ile etkileşim biçimleri farklılık gösterir. Görünür ışık ve morötesi ışık atomik enerji düzeyleri arasındaki geçişlerden, kızılötesi ışın moleküler enerji düzeyleri arasındaki geçişlerden kaynaklanır.

Spektrumun özel bölgelerine verilen adlar şekilde gösterilmiştir.

Bütün e. m. d lar boşlukta aynı bir c = 3 Bütün e.m.d lar boşlukta aynı bir c = 3.108 m/s hızı ile ve birbirine dik doğrultudaki elektriksel ve magnetik alan değişmeleri şeklinde yayılır. E.m.d lar hem dalgasal, hem de tanecik özellik gösteren enerji yayılmasıdır. Dalgaların yayılma hızı (c), frekansı (f) ve dalga boyu (ʎ) arasındaki ilişki; c = ʎ.f m/s

Foton adı verilen bir elektromanyetik enerji paketçiğinin enerjisi, h = 6,62.10-34 J.s Planck sabitini göstermek üzer; E = h.f (J) Frekansı yüksek (dalga boyu küçük) olan fotonların enerjileri yüksektir.

Radyo Dalgaları: Dalga boyu 30 cm civarında kilometrelere ulaşabilen bu dalgalar özel elektronik devrelerle elde edilir ve detekte edilirler. Önemli biyolojik etkileri yoktur. Her türlü sinyal iletiminde (radyo, TV, telsiz vb.) taşıyıcı dalga olarak kullanılırlar.

Mikrodalgalar : Dalga boyları 50 mm-30 cm arasında olan mikrodalgalar özel elektronik lambalar (klystron) aracılığıyla elde edilirler ve yine elektronik yöntemlerle dedekte edilebilirler. Radar sistemlerinde kullanıldıkları için radar dalgaları olarak da adlandırılırlar. Bu dalgalar soğurulduklarında moleküler dönme enerji düzeylerinin değişmesine neden olabilirler. Göz merceğinde saydamlığın bozulmasına, sinir sisteminde ve EEG (elektroensefalografi) desenlerinde değişimlere neden olabilmektedir.

Kızılötesi ışınlar: Dalga boyları 0 Kızılötesi ışınlar: Dalga boyları 0.8 μm-125 μm arasında olan elektromanyetik dalgalar kızılötesi ışınlar (infrared) veya ısı ışınları olarak adlandırılırlar. Güneş ışığı spektrumunda bulunurlar ve sıcak cisimlerin yüzeylerinden salınırlar. Kızılötesi ışınların salınması veya soğrulması, moleküler sistemlerdeki dönme ve titreşim enerji düzeylerinin değişmeleri ile ilgilidir.

Kalıcı dipol momente sahip moleküler sistemler bu ışınları soğurur ve ortamda sıcaklık yükselmeleri olur. Kızılötesi soğurma spektrumları özellikle moleküler madde analizinde çok kullanılır. Vücudun sıcaklık dağılım haritasını çıkarmaya yönelik termografi yöntemi vücuttan yayılan kızılötesi ışınların deteksiyonuna dayalıdır.

Görünür ışık: Dalga boyları 360 nm-800 nm arasında olan bu ışınlar, güneş spektrumunda bulundukları gibi atomların ısı etkisinde uyarılmaları sonucu da salınırlar. Güneş ışığı içindeki görünür ışık, fotosentez yoluyla yerdeki hayatın temel enerji kaynağıdır. Görünür ışık salma ve soğurma spektrumlarının spektrofotometrik olarak incelenmesi, madde atomik içeriğinin en önemli analiz yöntemlerinden biridir.

Morötesi(Ultraviyole) ışınları: Dalga boyları 2 nm- 400 nm arasında olan bu ışınlar güneş spektrumunda bulunur. Bu ışınlar gaz deşarj tüpleri ile metallere orta hızda elektron çarpması ile elde edilirler. Az miktarlarda morötesi ışınları D vitamin sentezi ve kemik gelişimi için gerekli görülmektedir.

Ancak fazla şiddetleri zararlıdır. Protein ve nükleik asitler morötesi ışınları karakteristik bir şekilde soğururlar. Şiddetli morötesi ışımasının bazı deri kanserlerine neden olduğu saptanmıştır.

X-Işınları X-ışınları ya da Röntgen ışınları, 0.125 ile 125  kev enerji aralığında veya buna karşılık, dalgaboyu 10 ile 0,01 nm aralığında olan elekromanyetik dalgalardır. X ışınları özellikle tıpta tanısal amaçlarla kullanılmaktadırlar.  X-ışınları aynı görünür ışık gibi bir elektromanyetik dalga olup, görünür ışıktan farkı düşük dalga boyu, dolayısıyla yüksek frekansları ve enerjileridir.

İyonlaştırıcı radyasyon sınıfına dahil olduklarından zararlı olabilirler. X-ışını fotonları atomları iyonize edebilecek ve moleküler bagları kırabilecek enerjiye sahiptir. Bu da X-ışınlarını, canlı dokuya zararlı olan iyonlaştırıcı radyasyon sınıfına sokar. Kısa sürelerde maruz kalınan yüksek dozda X-ışını, radyasyon hastalığına sebep olurken, düşük dozlarda uzun süreler maruz kalınan X-ışınları kanser riskini arttırır.

X-IŞINLARININ OLUŞUMU X-ışınları, doğal X-ışınları ve yapay X-ışınları olmak üzere iki şekilde meydana gelir; 1) Doğal X-Işınları: Atom çekirdeği tarafından enerji kabuğundan elektron yakalanması, alfa bozunumu, iç dönüşüm ve beta bozunumu olaylarıyla meydana gelir. Bir atoma dışarıdan gelen veya gönderilen yüksek enerjili elektronlar o atomun ilk halkalarından elektronlar koparırlar. Atomdan kopan bu elektronun yerine daha yüksek seviyelerden (üst halkalardan) elektronlar atlayarak kopan elektronun yerindeki boşluğu doldururlar. Bu sırada ortaya çıkan enerji fazlalığı X-ışını şeklinde dışarı salınır.

Çekirdek içerisinde bulunan protonlardan bir tanesi hareketi esnasında atomun ilk halkalarındaki elektronu yakalar ve nötrleşir. Yakalanan bu elektronun halkasındaki boşalan yere diğer bir halkadan bir elektron atlamasıyla X-ışını meydana gelebilir. 2) Yapay X-Işınları:Maddenin; elektron, proton, parçacıkları veya iyonlar gibi hızlandırılmış parçacıklar etkileşmesinden ya da X-ışını tüpünden veya başka bir uygun radyoaktif kaynağından çıkan fotonlarla etkileşmesinden meydana gelir Maddenin, fotonlarla etkileşmesinden karakteristik (çizgi) X-ışınları, yüklü parçacıklarla etkileşmesinden hem karakteristik hem de sürekli X-ışınları elde edilir.

Etkileşme şekline göre 2 tür X-ışını elde edilir. a)Sürekli (Frenleme) X-Işınları:Elektron demeti, hedef atomun çekirdeğine yaklaştığında, çekirdeğin pozitif yükünden kaynaklanan elektrik alandan etkilenir ve ivmeli hareket yapmaya zorlanarak dışarıya fotonlar yayar. Sürekli bir enerji spektrumuna sahip bu fotonlara sürekli x-ışınları, bu olaya da frenleme radyasyonu adı verilir. b)Karakteristik X-Işınları: Hedef atom üzerine gönderilen elektronların, hedef atomun yörüngesindeki elektronlarla etkileşimi sonrasında, aldıkları enerjiyle üst enerji seviyelerine çıkarlar. Kararsız durumdaki bu enerji seviyeleri geri bozunduğunda dışarıya foton yayınlanır. Enerjileri, seviyeleri arasındaki farka eşit olan bu fotonlara karakteristik x-ışınları adı verilir.

X-Işını Tüpü: X-ışını tüpü yüksek voltajlı bir katot ışını tüpüdür. Tüp yüksek vakumda havası boşaltılmış cam bir kılıftan oluşmuştur. Bir ucunda anot (pozitif elektrot), diğer ucunda katot (negatif elektrot) bulunur ve bunların her ikisi de lehimle sıkıca mühürlenmiştir.

Katot, ısıtıldığında elektron salan tungsten materyalinden yapılmış bir flamandır. Anot, kalın bir çubuk ve bu çubuğun sonundaki metal hedeften oluşur. Anot ve katot arasına yüksek voltaj uygulandığında katot flamanda elektron yayınlanır. Bu elektronlar yüksek gerilim altında anoda doğru hızlandırılır ve hedefe çarpmadan önce yüksek hızlara ulaşır. Yüksek hızlı elektronlar metal hedefe çarptıklarında enerjilerini aktararak bir foton yayınlanır. Oluşan X-ışını demeti cam zarfın içindeki ince cam pencereden geçer. Bazı tüplerde tek dalga boylu X-ışını elde etmek için filtre kullanılır.

X-Işınlarının Fizyolojik Etkisi Yüksek enerjili her ışın gibi X-ışınları da dokular için zararlıdır. Çok yüksek frekansa sahip olan X-ışınları kimyasal bağları kırabilecek enerjiye sahiptir. Bağların kırılması sonucu iyonlaşma oluşur. İyonlaşabilen elektromanyetik ışınımları, hücrenin genetik materyali olan DNA'yı parçalayabilecek kadar enerji taşımaktadır. DNA'nın zarar görmesi ise hücreleri öldürmektedir. Bunun sonucunda doku zarar görür. DNA'da çok az bir zedelenme, kansere yol açabilecek kalıcı değişikliklere sebep olabilir.

Hücre için en zararlı ışınlar yumuşak X-ışınlardır, zira bu ışınlar hücre tarafından soğrulur ve bu enerji kazancı hücre içinde yaralanmalara sebep olur. Radyolojide kullanılan ışınlar, sertlikleri dolayısıyla çok daha az soğrulurlar ve bu nedenle de çok daha az zararlıdırlar. X-ışınlarına hedef olunduğunda ani bir acıma duygusu da duyulmaz. İyileşmesi diğer yanıklardan çok daha yavaş olur. Modern X-ışınları cihazı, bütün bu tehlikelere karşı korunmak üzere dikkatlice tasarlanmış ve güvenlik düzenekleri ile donatılmıştır.

Biyolojik Etkileri Biyolojik materyal içinden x-ışınları geçerken, biyomoleküllerde iyonlaşma ve uyarılmalar olabilir. Sonuç olarak da hücre bozulabilir veya ölebilir. Hücreler x-ışınlarından doğrudan etkilenmeseler de ışımanın hücre çevresinde meydana getirdiği kimyasal değişikliklerden dolaylı olarak etkilenerek bozulabilir veya ölebilir. Işımanın biyolojik etkileri, ışıma etkisinde yanmalarda olduğu gibi somatik veya kromozomların bozulmasından ya da gen mutasyonlarından kaynaklanan kalıtsal bir değişiklik olabilir.

Elektronun yükü e =1.602×10-19 kulomb Elektronun kütlesi m =9.109×10-31 kg Nötron kütlesi =1.675×10-27 kg Işık hızı c =2.998×10 8 m/sn Plank sabiti h =6.626×10-34 J sn Boltzman sabiti k =1.381×10-23 J/ o K Avagadro sayısı N =6.023 ×1023 1/mol Gaz sabiti R =8.314 J/mol 1 kalori= 4.186 J 1 erg =10-7 J 1 eV = 1.602×10-19 J Elektronvolt (eV), bir elektronun boşlukta bir voltluk elektrrostatik potansiyel farkı katederek kazandığı kinetik enerji miktarıdır.1 volt çarpı elektronun yüküne eşittir.