Ana sayfa 168. Sayı Işığın ötesine yolculuk: X-ışınının gözlenmesi

Işığın ötesine yolculuk: X-ışınının gözlenmesi

430
PAYLAŞ
Çeşitli boyutlarda ve şekillerdeki Geissler tüpleri.

Özgür Can Özüdoğru

Hiç röntgen çektirdiniz mi? Belki de bir dergide okumuşsunuzdur, “lazerle tümör öldürme, kanser tedavisi”. Ya da belgeselde X-ışını uzay teleskoplarıyla bir gökada kümesi fotoğrafı görmüşsünüzdür. Bu saydıklarım, X-ışınlarının kullanım alanlarından yalnızca bir kısmı. Bu yazıda X-ışınının keşif sürecine bakacağız; bu keşfe giden yolların taşlarını döşemiş birçok fizikçiyi anacağız.

Şu zamanlar, insanlığın yaşadığı en ilginç çağlardan biri oluyor. Ağaç kavuklarında ve mağaralarda yaşayan insanlık, tarımı keşfettiğinde ilk defa bu denli bir toplumsal dönüşüm yaşamıştı. O zamanlar evrendeki sırların çoğunu henüz çözmemiştik, ancak dinler ve devlet yapılanmaları bizlere güven sağlıyordu. Sosyal sınıf sistemi işliyor gibi görünüyordu, taa ki insanlığın daha önceden kutsal olarak görüp sorgulanamaz ilan ettiği kavramların sorguladığı zamanlara gelene kadar. İşte o zamanlarda, yasaklı felsefe kitaplarını yeniden okunduk. Öğrendik. Adımlarımızı daha emin bir şekilde atıyorduk artık. Karşımızda yepyeni bir atılım alanı vardı, bilim. 18. ve 19. yüzyılın Aydınlanma Çağı, tüm evrenin sırlarını açıklayacak, toplumları savaştan kurtaracak muhteşem ütopyaların çağıydı. Bilime karşı takınılan toplumsal tavrı belki de en iyi şekilde açıklayan söz Christiaan Huygens’e aitti: “Tüm dünya benim vatanım, bilim ise dinimdir.” Onun gibi biliminsanları, modern dünyanın temellerini oluşturdular. Bizler de bu yazıda bu tatlı akıma kapılıp X-ışınlarının keşfedilme sürecini keşfedeceğiz.

Hiç röntgen çektirdiniz mi? Belki de bir dergide okumuşsunuzdur, “lazerle tümör öldürme, kanser tedavisi”. Ya da belgeselde X-ışını uzay teleskoplarıyla bir gökada kümesi fotoğrafı görmüşsünüzdür. Bu saydıklarım, X-ışınlarının kullanım alanlarından yalnızca bir kısmı, gözlerimizin gördüğü ışığın ötesine geçtikçe evreni çok daha iyi anlıyoruz, çünkü görebildiğimiz evren ufacık. İnsanlığın ışığı anlama süreci halen devam ediyorken, gelin yolun ortalarında bir yere bakalım. Rotamızı 19. yüzyıl Avrupasına bir kere daha çevirip; dönemin fizikçilerinin, ışığın yüksek enerjili köşelerinin keşif yolculuğuna katılalım. Işığın farklı dalga boylarının keşif süreci, çok fazla fizikçinin kolektif çalışmasının ürünü olduğundan pek çok biliminsanının ismini zikredeceğiz.

Heinrich Geissler

Geissler tüpleri, Crookes tüpleri, Lenard ışığı

Deneysel ya da gözlemsel çalışan biliminsanları için eskiden hayat çok zordu. Diyelim ki bir astronomsunuz ve gezegen gözleyeceksiniz. Bir kere cam ustalarıyla anlaşıp kendi teleskopunuzu yaptırmanız gerekiyordu. Yüksek dağ tepelerinde, karda, çamurda yolculuk yapıp elleriniz titreye titreye yaptığınız gözlemleri kaleme geçirmeliydiniz. Laboratuvarlarında çalışan fizikçiler için de durum farklı değildi. Teknik eleman kavramı henüz tam olarak ortaya çıkmadığı için deneysel fizikçiler, deney aletlerini geçmişte uzunca süre kendileri yaptı. Marangoz bir aileden gelen Alman fizikçi Heinrich Geissler de, atadan gelen bu yeteneklerini fizikçilik kariyerinde kullanıyordu. Almanya’nın Bonn Üniversitesinde çalışırken kendine bir cam atölyesi yaptıran Geissler, üniversitenin beher, tüp gibi cam aletlerini de üflemeye başladı. Fizik bölümünde en önemli fenomen, ışığın davranışlarının ölçümüydü. Bunu bilen Geissler, dışarısıyla bağlantısı kesilen bir ışık tüpü yaratmaya koyuldu. Fizikçiler 1850’lerden itibaren ışığın elektromanyetik özelliklerini incelemeye başladılar ve tuhaflıklar gözlemlediler. O dönemde genel kanılardan biri, ışığın bir parçacık değil, elektromanyetik dalga olduğuydu. Nitekim zaman zaman elektrik ileten metallerin parladığı, iki devre arasında şimşekler çaktığı da görülebiliyordu. Bu fenomenden ilham alan Heinrich Geissler, düşük basınçlı bir cam tüpün içinden devre geçirdi. Devreyi bir noktada sonlandırıp, devreyle aynı hizaya bir metal parçası koydu, devrenin bittiği nokta ile metal arasında da biraz boşluk oluşturdu. Bu boşlukta devreden çıkan elektronlar havada yol alıp metale ulaşıyor, ortaya çıkan şimşekler de camın içinde bir lamba gibi görünüyordu.

Elektriğin ışığı “yarattığı” “Geissler tüpleri” adı verilen bu cihazlar, o dönemde neredeyse her üniversitenin laboratuvarlarına girdi, öğrencilerin elektrik hakkında görsel bilgi edinmelerini sağlıyordu. Büyük Britanya Kraliyet Kimya Topluluğu’ndan fizikçi Sir William Crookes, bu tüpün işlevini bir adım öteye taşıdı. Aklında bir fikir vardı.

William Crookes

Crookes ailesinin 16 çocuğundan en büyüğü olan William Crookes, Kraliyet Kimya Akademisi’nden mezun, bilimin farklı alanlarına ilgi duyan bir biliminsanıydı. Elektriğin vakum içinde yolculuk ettiği yere, sırasıyla alttan ve üstten mıknatıs yaklaştıran Crookes devreden çıkan yıldırımların yukarı aşağı hareket ettiğini gördü. Devreden çıkan elektronlar mıknatısa karşılık veriyorlardı! Mıknatısın artı yönüne hareket etmesi demek, elektronların yükü var demekti. Bu bilgiyi, Crookes tüpleri sayesinde kuramsallaştıran Ernest Rutherford; atomların elektron ve proton adı verilen pozitif ve negatif yüklere sahip olduğunu, protonların merkezde çekirdeği oluşturduğunu, elektronlarınsa yörünge üzerinde döndüğünü ortaya attı. Rutherford atom modeli, uzunca süre bilim camiası için en güvenilir atom modeli olarak varsayılmıştır. Hatta yörünge etrafında dönen atomlar, yörünge etrafında dönen gezegenlerle birleştirilip tüm evrenin benzerliği yakıştırmaları popülerleşmişti. Crookes tüpleri sayesinde elektronların, vakum içinde rahatça hareket edebildiği bir ortam sağlanmıştı. Bu sayede artık elektronlar ile tek başına deney yapmak mümkündü.

Crookes tüpleri.

Bu son teknoloji Crookes tüplerinin doğuracağı fırsatları ilk değerlendiren kişi, atom modeli inşa eden Rutherford olmuştu şüphesiz. Ancak bu yalnızca bir başlangıçtı. 1888 yılında Almanya’da, Heinrich Hertz’in çalışkan öğrencisi Philipp Lenard, bu elektronları “görmek” istiyordu. Laboratuvarlarındaki Crookes tüpünün anot ucuna aliminyum bir ayna koymaya karar verdi. Böylece çarpan elektronlar bir noktaya saçılacaktı. Yaptığı deney sonucu, oda içinde yeşilimsi bir parıldama gördü. Lenard, bu ışıltının yeni bir tür ışık olduğunu anlamıştı, ama davranışları hakkında pek bir bilgisi yoktu. Yaptığı gözlemler sonucu bu yeni ışığın maddeler üzerindeki etkileri hakkında bir makale kaleme alan Lenard, gözlemlediği ışığa “Lenard ışığı” adını verdi. Fakat yaptığı iş yarıda kalmıştı. Bu yarım kalan işi, 1895 yılında Würzburg Üniversitesi’nde Fizik Bölüm Başkanlığı yapan bir profesör tamamlayacaktı: Wilhelm Röntgen…

Wilhelm Röntgen

Wilhelm Röntgen

Hollandalı ünlü Lennep ailesinden bir anneyle tüccar bir babanın tek çocuğu olan Röntgen, doğayı çok seven, asi bir çocuktu. Sık sık Almanya ormanlarında tek başına yürüyüşe çıkardı. Bir sıraya oturup tahtada saatlerce anlatılan dersleri dinlemekten nefret eden küçük Röntgen, elleriyle çalışarak yeni şeyler üretmekten hoşlanıyordu. Lisesinde, yakın bir arkadaşı okul müdürüyle dalga geçen bir karikatür çizip etrafa yaymıştı. Olay yönetim tarafından duyulunca kıyamet kopmuş, tüm okul sorguya çekilmişti. Röntgen, okuldan atılmak pahasına arkadaşını korumuş, hocalarına arkadaşının ismini vermeyi reddetmişti. Karikatürü çizip yayanın Röntgen’in yakın arkadaşı olduğu eninde sonunda anlaşılınca, lisenin disiplin kurulu Röntgen ve arkadaşını okuldan attı. Diplomasız bir şekilde eve dönen Röntgen’in fizik okuma hayalleri sekteye uğramıştı. Hollanda’nın Utrecht Üniversitesi, lise diploması olmadığı gerekçesiyle onu reddetti. Röntgen, Avrupa’da lise diploması olmaksızın öğrenci kabul eden üniversite bölümlerini araştırmaya koyuldu. Zürih Politeknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi için üniversitenin koyduğu yetenek sınavını geçmek yeterliydi, diplomaya gerek yoktu. İsviçre’deki hayattan ve ailesinden bağımsız olmaktan çok hoşlanan Röntgen, üniversitenin Makine Mühendisliği Bölümü’nde tam hayal ettiği gibi üretken bir ortamla karşılaştı ve kolayca lisansı bitirip dönemin önemli uygulamalı fizikçilerinden biri olan August Kundt’tan doktora derecesi aldı. Hemen ardından Zürih’te kendine bir hayat kurmaya karar veren Röntgen’in önünde bir sorun vardı. Ek doçentlik kadrosu bir türlü çıkmıyordu ve Kundt’un asistanı sıfatıyla üniversitede bulunmak artık Röntgen’e yeterli gelmiyordu. Bunun üzerine Strasbourg Fizik Enstitüsü’nde istemeyerek de olsa ekonomik sebeplerle işe başladı. Yazdığı makaleler ve dönemin kuramsal fiziğiyle deneysel fiziğine bir arada hâkim olması onu değerli bir akademisyen yapıyordu. Zamanında kendisini reddeden Utrecht Üniversitesi, ona profesörlük pozisyonu teklif etmişti. Bu teklifi reddeden Röntgen, Würzburg Kraliyet Üniversitesi’nin profesörlük teklifini kabul etti ve ilerleyen zamanlarda bu üniversitenin bölüm başkanı ve rektörü olarak da görev yaptı.

Philipp Lenard

X- ışınları: “Kendi ölümümü gördüm sanki!”

Röntgen iyi ders veren bir hoca değildi, çünkü çok içine kapanıktı. Fakat bilimsel olarak çok aktifti. Sürekli deneyler yapan, düzenekler hazırlayan Röntgen, çevresi tarafından sayılan biriydi ve üniversitedeki üst düzey görevleri sayesinde yapacağı çalışmalar için kolayca bütçe bulabiliyordu. Crookes tüpleriyle oynarken anot kısmına alüminyum ayna koyan Lenard’ın sistemini kendi laboratuvarında yeniden inşa etti. Bu sırada laboratuvarının başka bir köşesinde bulunan fotoğraf kâğıtlarının, bu ışından etkilendiğini fark etti. Hemen yakına getirerek ne gibi bir özelliğin oluşacağını izlemeye başladı. Devreden çıkan “Lenard ışınları”, önündeki her cismin içinden geçerek bazı metallere çarpıyordu. Ortamdaki kurşun bir kap, ışının geçmesine engel olmuştu mesela. Röntgen, kendini ışının önüne attı. Ölmemişti, fakat elektronlar tümüyle de içinden geçmiyordu. Kemikleri, bu ışının geçmesine engel oluyordu. Bu gözleminden iki hafta sonra, tamamen güvenli olduğunu anlamasının ardından, karısının elini, fotoğraf kâğıdının üzerine koydu. Karısının ellerindeki kemikler, iskelet ve alyansı fotoğraf kâğıdına işlenmişti. Karısı görüntüye bakarak “Wilhelm, kendi ölümümü gördüm sanki” dedi. Kendi iskeletinin fotoğrafını gören ilk insanın söylediği ilk cümle de bu olmuş oldu. Röntgen, henüz tam olarak bilinmediklerinden, bu ışınlara “X-ışını” yani bilinmeyen ışın adını vermeyi önerdi, ancak kamuoyunda ünlenen bu olay halk arasında “Röntgen ışını” olarak yaygınlaştı. Philipp Lenard ise yıllarca hakkının yendiğini düşündü. Lenard ışınlarını bulan ilk kişi oydu, fakat fotoğrafını çekmek aklına gelmemişti. Lenard’ın edindiği bilgileri bir adım öteye götürmeyi başaran ve uygulamalarını, özelliklerini ortaya çıkaran kişi Röntgen olmuştu. Bu çalışması Wilhelm Röntgen’e, ilk kez verilen Nobel Fizik Ödülü’nü getirdi.

Floresan lambalar ve neon ışıklar

Çeşitli maddelerin elektrik altındaki davranışını incelemek, 19. yüzyıl kimyasının araştırma konularından birisiydi. Özellikle Alman biliminsanı Gustav Kirchhof ve dönemin diğer çağdaşları, kalay üzerine elektromanyetik deneyler yaparken, bazı kalayların elektrik altında yeşil renkte parladığını fark ettiler. Bu konuya kafa yormaya başlayan biliminsanları, bu tür kalayların yeni bir element olduğunu fark ettiler. Talyum adı verilen bu element, elektrik altında değilken kalayı andırıyordu, ancak elektrik altında yeşil bir ışık saçıyordu. Daha sonradan çinko silikat kristalleri ile yapılacak bu tür lambalara “floresan” adı verilecekti. Elementlerin doğal özelliklerini kullanarak ışık üreten floresan lambalar, normal ampullere göre çok daha enerji tasarruflu olduğundan kısa sürede yaygınlaştı. İlk zamanlar yalnızca beyaz renk ışık üretilebildiğinden konutlarda pek fazla tercih edilmese de, katı hal alanındaki gelişmeler sayesinde sarı ve diğer renklerde de floresan ışığın üretilmesiyle en yaygın aydınlatma araçlarından biri haline geldi. Geissler tüplerinin yapısını ana prensip olarak alan neon ışıklandırma da, 20. yüzyılın başlarında fabrikasyon üretiminin yapılmasıyla birlikte, özellikle reklam amaçlı yaygınlaşmaya başladı. Fakat özellikle neon ışıkları çıkardığı seslerle çevre konutları rahatsız ediyordu. Bu nedenle zaman içinde popülerliklerini kaybettiler, yerlerini sessiz ve daha “cıvıl cıvıl” olabilen LED ışıklara bıraktılar.

Lenard ve Röntgen’in akıbetleri

Peki X-ışınlarını ilk gören iki biliminsanı, Lenard ve Röntgen’e bu keşiflerinden sonra neler oldu? Philipp Lenard, 1. Dünya Savaşı’nın ardından Almanya’ya yapılan haksızlıklar ve baskılara dayanarak milliyetçi görüşler benimsemeye başladı. Zamanla ülkede artan Yahudi düşmanlığı akımına kapılı Nazi Partisi üyesi oldu. Alman Irkının kendi bilimini yapması gerektiğini savunan Lenard, “Deutsche Physik” yani Alman Fiziği kavramını geliştirdi. Nazi Hükümeti boyunca Aryan olmayan biliminsanlarının -Einstein dahil- yaptığı çalışmaların üzerine çalışılmasının yasaklanmasında büyük rol oynadı. Aryan olmayan fiziksel kavramlar için dilbilimi çalışmaları yapıp çoğunlukla yabancı dillerde olan bu kavramlar yerine Almanca kavramlar türetti. Bu kelimelerin bir kısmı halen kullanımda. 2. Dünya Savaşı yenilgisinin ardından da tüm itibarı elinden alınmış bir halde yaşama veda etti. Kendisinin ve nicelerinin hayatı, bilimin ve bilimselliğin tek başına bir insanı iyi yapan değerleri tanımlayamayacağının açık örneğini oluşturmakta.

Wilhelm Röntgen ise akademik kariyerine 58 akademik makale, 4 doktora öğrencisi, 5 farklı üniversitede profesörlük görevi sığdırdıktan sonra, Lorentz’in elektrik kuramlarıyla Maxwell’in manyetik akım kuramlarını X-ışını için kuramsallaştırmaya başladı. X-ışınlarının 0.01 ile 10 nanometre arasındaki bantta yer aldığını keşfetti. X-ışını hakkında yaptığı çalışmalardan sonra ise hayatının geri kalanında hobilerine vakit ayırmaya karar verdi. Bavyera Eyaletindeki Alp Dağları’nın tamamını tek başına tırmandığı söylenmekte.

Birçok biliminsanının ortak eseri olan yüksek enerjili ışınların keşif sürecini birlikte inceledik. Günümüzde X-ışınları oldukça yaygın bir biçimde tıptan mühendisliğe, fizikten kimyaya pek çok alanda kullanılmakta ve yeni keşifler doğurmakta. Tüm bu çalışmaların bize gösterdiği en önemli şey, bilim alanındaki buluşların ve gelişmelerin birbirleriyle ne kadar da bağlantılı olduğudur belki de. İnsanlığın evreni anlama serüveni sürdükçe bu bağlantı da hiç kopmadan devam edecek.

Kaynaklar

1) https://www.britannica.com/biography/William-Crookes

2) https://www.britannica.com/biography/Philipp-Lenard

3) http://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/physics-biographies/wilhelm-conrad-roentgen

4) https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1901/rontgen-facts.html

5) https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1901/rontgen-bio.html