Bir Hastane Koridorunda Üç Kapı
Bir hastanenin görüntüleme katında yan yana üç kapı var: ultrason, röntgen ve MR. Üçü de vücudun içini gösteriyor ama üç farklı dalga kullanıyor.
- Ultrason: insan kulağının duyamayacağı kadar yüksek frekanslı ses (2-15 MHz). Mekanik dalgadır; dokuda ilerleyip organ sınırlarından yansır.
- Röntgen: X ışını, yani ışıkla aynı türden bir dalga. Yumuşak dokudan büyük ölçüde geçer, kemikte soğurulur. Filmde kemikler bu yüzden beyaz kalır.
- MR: güçlü bir mıknatısın içinde hizalanan hidrojen çekirdekleri radyo dalgalarıyla uyarılır; çekirdeklerin geri yaydığı sinyal görüntüye çevrilir. Kullandığı radyo dalgaları, X ışını gibi iyonlaştırıcı değildir.
Hamile bir kadının bebeğine neden röntgen değil ultrason yapılır? Ses dalgasının enerjisi hücrelerdeki bağları koparacak türden değildir; X ışını fotonu ise koparabilir.
Ayırt Etmenin Tek Sorusu
Bir cihazın mekanik mi elektromanyetik dalga mı kullandığını tek soru ayırır: boşlukta çalışabilir mi?
- Mekanik dalga yayılmak için madde ister: ses, ultrason, sonar sinyali, deprem dalgası.
- Elektromanyetik dalga boşlukta da yayılır: radyo, mikrodalga, kızılötesi, görünür ışık, morötesi, X, gama.
Sonar ile radar aynı fikirle çalışır: sinyal gönder, yankıyı bekle. Ama sonar ses, radar elektromanyetik dalga kullanır. Denizaltı su altında sonar kullanır, çünkü su radyo dalgalarını birkaç metrede soğurur; ses ise suda kilometrelerce yol alır. Uzayda ise sonar hiç çalışmaz.
Sık yapılan hata: ultrasonu "ışın" adı yüzünden elektromanyetik sanmak ya da görünmediği için uzaktan kumandanın ışığını "dalga değil" saymak. Ultrason sestir; kumanda ise yaklaşık 940 nm'lik kızılötesi ışık yayar.
Yankı Hesabı: Aynı Formül, Üç Ölçek
Gönderilen sinyal hedefe gidip geri döner. Ölçülen süre gidiş ve dönüşün toplamı olduğu için:
$d = \dfrac{v \cdot t}{2}$
| Cihaz | Dalga hızı | Yankı süresi | Uzaklık |
|---|---|---|---|
| Ultrason (dokuda) | 1540 m/s | 65 µs | $\frac{1540 \cdot 65 \times 10^{-6}}{2} \approx 0{,}05$ m |
| Balıkçı sonarı (denizde) | 1500 m/s | 0,08 s | $\frac{1500 \cdot 0{,}08}{2} = 60$ m |
| Hava radarı | $3 \times 10^{8}$ m/s | 0,2 ms | $\frac{3 \times 10^{8} \cdot 2 \times 10^{-4}}{2} = 30$ km |
Ultrasonda organ 5 cm derinde; sonarda balık sürüsü 60 m aşağıda; radarda uçak 30 km uzakta. Süreler bir milyon kattan fazla farklı ama hesap aynı.
Sık yapılan hata: ikiye bölmeyi unutmak. Bölmezseniz sonar örneğinde 120 m bulursunuz; yanlış sonuç, hep doğru cevabın tam iki katıdır.
Ultrasonun neden megahertz frekans kullandığını da hesaplayabiliriz: 3 MHz'te dokudaki dalga boyu $\frac{1540}{3 \times 10^{6}} \approx 0{,}5$ mm. Dalga boyundan küçük ayrıntılar ayırt edilemediği için yarım milimetrelik yapıları görmek bu frekansı gerektirir.
Grafikten Hız Okumak
Bir sonar ölçümünde derinliği yankı süresine karşı çizerseniz orijinden geçen bir doğru elde edersiniz. Eğim $\frac{d}{t} = \frac{v}{2}$'dir; eğimi 750 m/s bulunan bir grafik, sesin o sudaki hızının 1500 m/s olduğunu söyler. Eğimi doğrudan ses hızı sanmak, ikiye bölmeyi unutmanın grafikteki karşılığıdır.
Mini soru: Aynı grafikte yankı süresi 1,2 s ise deniz kaç metre derindir? $750 \cdot 1{,}2 = 900$ m.
Sismograf: Depremin Uzaklığını Ölçmek
Deprem dalgaları yer kabuğunun titreşimidir, yani mekanik dalgadır. Sismograf iki türünü ayrı ayrı kaydeder: önce gelen, daha hızlı P dalgası (kabukta yaklaşık 6 km/s) ve arkasından gelen, daha yavaş S dalgası (yaklaşık 3,5 km/s). İki dalga aynı anda yola çıktığına göre aradaki gecikme uzaklığı verir.
Örnek: Bir istasyonda S dalgası P dalgasından 20 s sonra geliyor. Deprem ne kadar uzakta?
$\dfrac{d}{3{,}5} - \dfrac{d}{6} = 20 \Rightarrow d \cdot \dfrac{6 - 3{,}5}{21} = 20 \Rightarrow d = \dfrac{20 \cdot 21}{2{,}5} = 168$ km
Üç istasyonun bulduğu uzaklıklar harita üzerinde üç çember çizer; çemberlerin kesiştiği nokta depremin merkez üssüdür. GPS'in uydularla yaptığını, sismologlar yer altı dalgalarıyla yapar.
Bazı cihazlar ise dalga türünü değiştirir. Mikrofon, havadaki ses dalgasının titrettiği zarın hareketini elektrik sinyaline çevirir; hoparlör bunun tersini yapar. Bir radyo alıcısı da önce elektromanyetik dalgayı elektrik sinyaline, sonra hoparlörüyle sese dönüştürür. Bu yüzden "radyo ses dalgası kullanır" demek yanlıştır: yayın elektromanyetik dalgayla gelir, sese ancak evinizde dönüşür.
Işıkla Veri, Zamanla Konum
Fiber optik. İnternet verisi cam liflerin içinde ışık darbeleriyle taşınır. Işık lifin kenarına, sınır açısından büyük bir açıyla çarptığında hiç dışarı çıkmaz, tamamen yansır. Kırılma indisi 1,5 olan cam için sınır açısı $\sin\theta_s = \frac{1}{1{,}5}$ bağıntısından yaklaşık 41,8°'dir. Lif kıvrılsa da ışık bu yansımalarla yol alır.
GPS. Telefonunuz, yörüngedeki uyduların gönderdiği radyo sinyallerinin kaç saniyede ulaştığını ölçer ve bu süreleri ışık hızıyla çarparak uydulara uzaklığını bulur. Zaman ölçümündeki küçücük hata büyük konum hatasına dönüşür: yalnız 1 mikrosaniyelik hata $3 \times 10^{8} \cdot 10^{-6} = 300$ m'lik sapma demektir. Uydulardaki atom saatleri bu yüzden şarttır.
Evde deney. Televizyon kumandasını telefonunuzun ön kamerasına tutup bir tuşa basın. Gözünüzün göremediği kızılötesi ışığı kamera algılar ve ekranda yanıp sönen mor-beyaz bir nokta görürsünüz.
AYT ipucu: Cihaz sorusunda önce "ortam gerekiyor mu?" diye sorun; sonra dalga türünü söyleyen anahtar kelimeyi arayın: "yankı + su altı" sonar ve ses, "iyonlaştırıcı" X ya da gama, "manyetik alan + radyo" MR, "tam yansıma" fiber optik.
Sık sorulanlar
Gebelik takibinde neden röntgen yerine ultrason kullanılır?
Ultrason yüksek frekanslı ses, yani mekanik dalgadır ve iyonlaştırıcı değildir. X ışını fotonları ise hücrelerdeki kimyasal bağları bozabilecek enerjidedir.
Sonar hesabında süre neden ikiye bölünür?
Ölçülen süre sinyalin hedefe gidip geri dönmesinin toplamıdır. Uzaklık tek yönlü yol olduğu için hız ile sürenin çarpımı ikiye bölünür.
Su altında haberleşmede neden ses kullanılır?
Su, radyo dalgalarını birkaç metrede soğurur. Ses ise suda yaklaşık 1500 m/s ile kilometrelerce yol alabilir.