Bragg Yasası nedir? Bragg Yasası ne işe yarar, nerelerde kullanılır, nasıl keşfedildi, özellikleri, formülü ve açıklaması.
Bragg Yasası
DNA’nın çifte sarmal yapısı, Bragg yasası sayesinde keşfedilmiştir. Bu yasa, düzenli bir yapıya sahip bir katı içinde ilerleyen dalgaların, parlak beneklerden oluşan bir desen meydana getirecek şekilde birbirlerini nasıl güçlendirdiğini açıklar. Beliren beneklerin aralıkları ise katıyı oluşturan atomların veya moleküllerin aralarındaki muntazam mesafelere bağlıdır. Benek desenine bakılarak malzemenin mimarisi anlaşılabilir.
İyi aydınlatılmış bir odadaysanız, elinizi duvara yaklaştırdığınızda keskin hatlı bir siluet oluşturduğunu görürsünüz. Elinizi duvardan uzaklaştırdıkça gölgenin hatları belirsizleşmeye başlar. Bunun bir nedeni ışığın elinizin çevresinde kırınmasıdır. Işık ışınları parmaklarınızın çevresinden geçerken içeri doğru yayılır ve hatları bulandırır. Bütün dalgalar böyle hareket eder. Su dalgaları liman duvarlarının çevresinden geçerken kırınır. Ses dalgaları da konser sahnesinin kenarlarını aşarken bükülür.
Kırınım, Huygens ilkesiyle de tanımlanabilir. Yani dalga cephesinin her noktası bir başka dalga enerjisi kaynağı olarak değerlendirilip dalgaların geçişlerde nasıl davranacağı öngörülebilir. Her nokta yeni bir dairesel dalgacık üretir. Bunlar toplanarak da dalganın ileriye doğru gelişimi betimlenebilir. Dalga cephesi bir engelle karşılaştığında, uç noktalardan dairesel dalgacıklar yayılır. Bu durum, paralel dalgalar eliniz gibi bir engelin çevresinden veya liman ağzı yahut kapı gibi bir açıklıktan geçerken olur.
X-lşını kristalografisi
Avustralyalı fizikçi William Lawrence Bragg, kırınımın kristaller arasından geçen dalgalarda bile gerçekleştiğini keşfetmiştir. Kristaller düzgün sıraların ve sütunların olduğu düzgün kafes yapısında dizili atomlardan oluşur. Bragg bir kristalden X-ışınları geçirip bir ekrana düşürdüğünde, ışınlar atom sıralarının çevresinden saçıldılar. Kristalden çıkan ışınlar diğer yönlere göre belli yönlerde daha çok toplandı ve beneklerden oluşan bir desen ortaya çıktı. Kullanılan kristalin türüne göre değişik benek desenleri oluşuyordu.
Bu olayı gözlemleyebilmek için Alman fizikçi Wilhelm Röntgen‘in 1895’te keşfettiği X-ışınlarına ihtiyaç vardı, çünkü bu ışınların dalgaboyu, görünür ışığın dalgaboyundan bin kez daha küçüktü ve kristaldeki atomların arasındaki açıklıklardan da daha ufaktılar. Yani X-ışınlarının dalgaboyları kristal tabakalarının arasından geçebilecek ve geçerken de şiddetli bir kırınıma uğrayacak denli küçüktü.
Bragg yasasının matematiksel gösterimi şöyledir:
2d sin θ = n λ
Burada d atom tabakaları arasındaki mesafe, θ gelen ışığın yaptığı açı, n bir tamsayı ve λ dalgaboyudur.
En parlak X-ışını benekleri, ışınlar kristalin içinden geçerken sinyallerinin birbirleriyle “aynı faz”da olmasıyla sonuçlanan yolları izlediğinde oluşuyordu. Tepeleri ve çukurları aynı hizada olan dalgalar aynı fazdadır ve üst üste geldiklerinde parlaklıkları artar, benekler oluştururlar. “Faz dışı” olan dalgaların tepeleri ve çukurları ters hizada olur. Bu yüzden birbirlerinin etkisini yok ederler ve hiç ışık çıkmaz. Dolayısıyla parlak beneklerden oluşan desende benekler arası açıklıklar sayesinde kristalin atomları arasındaki uzaklık belirlenebilir. Dalgaların bu şekilde birbirlerinin etkisini arttırma ya da azaltma olgusuna “girişim” denir.
Bragg bunu iki dalgayı göz önüne alarak matematiksel olarak ifade etmiştir – biri kristalin yüzeyinden yansıyan, diğeri de yalnızca bir atomluk katman kadar girip yansıyan iki dalga. İkinci dalganın aynı fazda olup ilk dalgayı güçlendirmesi için ilk dalganın boyunun bir tam sayı katı kadar ek bir mesafe gitmiş olması gerekir. Bu ek mesafe ışınların geliş açısına ve atom tabakaları arası açıklığa bağlıdır. Bragg yasası belli bir dalgaboyu için gözlemlenen girişim ile kristaldeki açıklıkların arasındaki ilişkiyi ortaya koyar.
DNA çifte sarmalı
1950′!i yılların başlarında araştırmacılar yaşamın yapıtaşı DNA’nın yapısını çözmek için kafa yoruyorlardı. İngiliz fizikçiler James Watson ile Francis Crick 1953’te DNA’nın çifte sarmal yapıda olduğunu buldular. Bu çok büyük bir ilerlemeydi. Bragg yasasını kullanarak Londra’daki Kings College’da DNA’nın X-ışını kristalografi fotoğraflarını çeken Rosalind Franklin ile Maurice Wilkins’e teşekkür etmeyi de ihmal etmediler. Franklin parlak beneklerin girişim dizisini göstererek DNA’nın yapısını açığa çıkaran çok net fotoğraflar elde etmişti. Bu çalışmalardan dolayı Crick, Watson ve Wilkins Nobel Ödülü aldı. Erken yaşta ölen Franklin ise alamadı. Bazıları o dönemin cinsiyetçi yaklaşımı nedeniyle bu keşifte onun rolünün azımsandığı görüşündedir. Franklin’in sonuçları Watson ve Crick’e kendi izni olmadan da sızdırılmış olabilir. Günümüzde ise Franklin’in katkıları hak ettiği takdiri görüyor.
Derin yapı
X-ışını kristalografisi, hem kimyacılar hem de biyologlar tarafından hem molekül mimarilerini araştırırken hem de yeni malzemelerin yapısını ortaya çıkarmak için yaygın biçimde kullanılır.
1953’te DNA’nın çifte sarmal yapısını bulmak için kullanılmıştı. Rosalind Franklin’in çektiği fotoğraflarda DNA’nın X-ışını girişim örüntüsüne bakan Francis Crick ve Jim Watson, bu örüntüyü oluşturan molekülün ikili sarmal şeklinde düzenlenmiş olması gerektiğini fark etti.
X-ışınlarımn keşfi ve kristalografi teknikleri sayesinde, fizikçiler ilk kez maddenin derin yapısına ve hatta insan bedeninin içine bakmalarını sağlayan araçlara sahip oldu. Bugün tıbbi görüntülemede kullanılan birçok tekniğin altında aynı fizik yaklaşımı yatar: Bilgisayarlı tomografi, bedenin birçok X-ışını diliminden elde edilen gerçekçi bir iç resme benzer; ultrason, organlardan gelen yüksek frekanslı yankılardan görüntü oluşturur; manyetik rezonanslı görüntüleme (MR) vücut dokularında su taraması yapar ve güçlü mıknatıslarla molekül titreşimlerini saptar; pozitron yayımlı tomografi (PET) bedene verilen radyoaktif maddelerin izlenerek görüntü elde edilmesini sağlar. Doktorlar ve hastalar böyle araçlar geliştirdikleri için Bragg gibi biliminsanlarına çok şey borçludur.
