MODERN FİZİK

    Manyetik Cisimlerin Sınıflandırılması

         20. Yüzyılın başına gelindiğinde bilim adamları fizik alanında hemen hemen bütün buluşların yapılmış olduğunu düşünüyorlardı. Ancak zaman ilerledikçe atomik boyutta cevap bekleyen yeni problemler ortaya çıkmaya başladı. Yine bu dönemde ortaya çıkan problemlerin çözümü için klasik fizik yetersiz kalıyordu. Modern fizik problemlerin çözümü için olank sağlıyordu. Peki nedir bu Modern Fizik, makro dünyada problemlerin çözümü için Klasik Fizik başarılıydı ancak, mikro dünyada yani atomik boyutta problemlerin çözümü için yetersizdi. İşte; özellikle atomik boyutta klasik fizigin açıklayamadığı problemlerin çözümü için ortaya atılmış fizik teorilerinin tümü olarak tanımlanabilir.
         Peki klasik fiziğin açıklayamadığı, modern fiziğin çözüm getirdiği konular nelerdir. Hadi bazı konulara kısaca gözatalım. Klasik fizikte Newton yasalarında hiç bir sorun yoktu. Elmayı yere düşüren yerçekimini, gezegenlerin güneş etrafındaki davranışları hareket yasaları ve yerçekimi kuvveti ile açıklanabiliyordu. Ancak atomik boyuttaki hidrojen atomundaki elektronun enerjisinin neden belli seviyelerde

    newton
    newton

    olması gerektiğini açıklayamıyordu. Çünkü, klasik fizikteki Newton’a göre maddenin hızı, yüksekliği ve kütlesi değiştirildiğinde madde, istenilen enerjiye sahip olabiliyordu. Ancak hidrojen çekirdiğinin çevresinde dönen elektron uyarılmadığında enerjisi 13.6 eV, uyarıldığında 3.40 eV ve bir kez daha uyarıldığında 1.51 eV oluyordu.
        Başka bir örnekte, bir cismin yaydığı enerji ile sıcaklığı arasındaki ilişkiyi klasik fizikçilerin verdiği cevaplar ile deneysel sonuçların uyuşmamasıdır. Bu durum modern fizikçilerin siyah cismin ışıması çalışması ile çözüme kavuşmuştur. Klasik fizikçiler, siyah cisimdeki ışımaya neden olan şeyin, atomun yörüngesinde salınım hareketi yapan elektronların neden olduğunu düşünüyorlardı. Buna göre sıcaklık arttığında frekans ve ışığın şiddeti, sıcaklıkla doğru orantılı olarak artması gerekliydi. Ancak yapılan deneyler, salınan enerjinin ışık şiddetinin frekansa bağlı olarak olarak önce arttığını sonra da azaldığını gösteriyordu. Bu klasik fizikçiler için bir çıkmazdı. Planck a göre bu problemin çözümü termik ışıma yapan bir cismin yaydığı enerjinin kesikli yapıya sahip olması ile açıklanabilirdi. Bu aynı zamanda ışığın tanecikli yapıda olduğunu izah eden bir açıklamaydı.Planck ›n “maddenin enerji paketçikleri halinde ışıma enerjisi yaydığı” şeklindeki kabulü, modern fiziğin doğmasına yol açmıştır.
         Bir başka örnekte ise, Galileonun genel görelilik ile Einsteinın özel görelilik kavramlarında ortaya çıkmaktaydı. Klasik fizikteki galileonun genel görelilik ilkesine göre birbirine doğru hareket eden iki cismden birinin diğerine göre hızı cisimlerin hızlarının toplam kadardır. Bu durum normal hızlar için hala geçerliliğini koruyan bir durumdur. Ancak çok yüksek hızlarda, yani ışık hızına yakın hızlarda
    hızların ışık hızından daha büyük bir hızın ortaya çıkmasına neden oluyordu. Ancak modern fiziğe göere ışık hızı en üst hızdır.

SİYAH CİSMİN IŞIMASI

         Kara Cismin Işıması, maddelerin sıcaklıklarına bağlı olarak saldıkları elektromanyetik ışıma olarak tanımlanabilir. Mutlak sıfırın (-273 0C ) üstündeki tum maddeler sıcaklık değerine bağlı olarak belirli frekansta ışınım (ışık yayar) yaparlar. İlk başta yani klasik fiziğe göre cisimlerin sıcaklıklarının artmasıyla yaydıkları ışığın frekansıda doğru orantılı olarak artması gerkiyordu. Ancak yapılan deneyler düşünülen ile uyuşmuyordu. Yapılan deney salınan enerjinin frekansının önce arttığını sonra azaldığını gösterdiğini göstermiştir. Kara cismin içine gönderilen ışıgın bir kısmı soğrulur bir kısmı yüzeyden yansıyıp diğer yüzeye çarpar. Bu soğrulma ve yansımalar sonucunda ışığın bütün enerjisi soğrulmuş olur. Belli bir enerji değerine sahip kara cisimde salınan enerjinin frekansı ölçülür.

    siyah cismin ışıması
    siyah cismin ışıması

        Elde edilen deneysel sonuçlar yandaki grafikteki gibi olur. 
    Bu grafikte görüldüğü gibi; maksimum frekansların dalga boyları değişimi sağa doğru azalmaktadır. Frekans arttıkça sıcaklık düştüğü sıcaklık arttıkça ışınım enerjisi de artığı gözlenmektedir.
        Teorile ile deney arasındaki durumu açıklamak için geliştirilen yasalardan biride "Wien yasasıdır". Wien yasasına göre eğrinin tepe noktasına ait sıcaklık ile dalga boyu arasında; T(K).λmax =0,2898 şeklinde bir bağıntı vardır.
        Max plank'a göre kara cismden çıkan ışımanın enerji değerleri, her değerde kesintisiz olmayacağı yani enerji değerleri kesikli olacağıdır. Planck siyah cisim tarafından salınan veya soğrulan enerji; En = n.h.v ifadesiyle verilmelidir.     Eşiklikte verilen n = 1,2,3... gibi tamsayılar, v frekans ve h planck sabitidir. Planck'a göre termik ışıma yapan bir cismin yaydığı enerjinin kesikli değerlere sahip olması, ışığın tanecikli yapıda olduğunu gösteren deneylerden biridir. Planck'ın ortaya attığı bu açıklama modern fiziğin doğmasına yol açmıştır.

FOTON ve FOTOELEKTRİK OLAY

        Işık kaynaklarından çıkan yoğunlaşmış enerji paketlerine foton denir. Işık kaynağından saçılan her bir fotonun enerjisi; E=h.f=h.c/λ bağıtısı ile ifade edilir.
    h : Planc Sabiti = 6,67.10-34 J.s
    c : Işık hızı = 3.108 m/s
    f : Fotonun frekansı (s-1)
    λ : Fotonun dalgaboyu (Å)
    hc = 12400 eV.Å  (1 eV = 1,6.10-19 J )

        "n" tane fotonun enerjisi;En=n.h.f olduğuna göre "t" sürede "n" tane foton yayan ışık kaynağının gücü; p = En / t eşitliği ile bulunur.

    Fotoelektrik Olay

        Işığın metallerden elektron koparması olayına fotoelektrik olay denir.

        Şekilde'ki elektroskopa iletken telle bağlı eksi(-) elektrik yükü ile yüklenmiş, üzerine cıva maddesi sürülmüş çinko levhaya ışık kaynağından foton düşürülürse; elektroskopun yapraklarının arasındaki açıklığın git gide azaldığı görülür. Elektroskopun yaprakları arasındaki açıklığın azalması eksi(-) yüklerin azalmasından kaynaklanmaktadır. Bu'da bize fotonların metal yüzeyden elektron kopardığı anlamına gelmektedir.

    fotoelektrik olay

         Şekilde'ki elektroskopa iletken telle bağlı artı(+) elektrik yükü ile yüklenmiş, üzerine cıva maddesi sürülmüş çinko levhaya ışık kaynağından foton düşürülürse; elektroskopun yapraklarının arasındaki açıklığın değişmediği görülür. Elektroskopun yaprakları arasındaki açıklığın değişmemesi bize fotonların metal yüzeyden elektron koparamadığı anlamına gelmektedir. Artı yüklerin bağlanma enerjisinin yüksek olması fotonları metal yüzeyden elektron koparmasına engel olmaktadır.

    fotoelektrik olay

FOTOSEL DEVRESİ

        Animasyondaki şekildeki gibi metal yüzeye düşen ışığın söktüğü fotoelektronların kinetik enerjilerini ölçmek için kullanılan düzeneğe fotosel denir. Fotosel, havası boşaltılmış cam kabın içine karşılıklı yerleştirilen ışığa duyarlı metal (katot) , anot ve bunların arasında oluşan akım değerini ölçen ampermetreden oluşur. Katoda ışık düştüğünde oluşan akıma fotoelektrik akım denir.
        Metal yüzeye gelen fotonların yüzeyden elektron sökebilmesi için fotonun enerjisinin, elektronun metale bağlanma enerjisine eşit veya büyük olması gerekir. İşte bu en küçük enerji değerine eşik (bağlanma) enerjisi denir. Yüzeyden elektron söken fotonun frekansının en küçük değerine eşik frekansı, sahip olduğu dalga boyuna da eşik dalga boyu denir. Eşik enerjisi;

    fotosel şema_1

    fotosel

        Yandaki tabloda bazı metallere ait eşik enerji değerleri verilmiştir. Her metalin eşik enerji dğeri farklı olduğundan, eşik enerjisi metaller için ayrıt edici bir özelliktir. Einstein'a göre enerjinin korunumu ilkeasine göre, gelen fotonun enerjisi, elektronun bağlanma enerjisi ile elektronun kinetik enerji toplamına eşittir.

    fotosel tablo

        Eşik enerjisinden büyük enerji ile gelen foton, enerjisinin tamamını metale aktardıktan sonra enerjinin bir kısmı bağlanma enerjisine geri kalan enerji ise, elektrona kinetik enerji olarak aktarılır.

    fotosel formül
    fotosel grafik

    Grafik bize, gelen fotonun frekansının kopan fotoelektronların maksimum kinetik enerjilerine oranını göstermektedir.
    Grafiği yorumluyacak olursak;
    1. Eğrinin eğimi bize Planck sabitini verir.
    2. Grafiğin doğrusal olması gelen fotonun frekansının, kopan elektronların kinetik enerjisiyle doğru orantılı olduğunu gösterir.
    3. Gelen fotonun enerjisi elektronun bağlanma enerjisine eşitse ve devreye üreteç bağlı değilse; foton sadece elektronkoparır. kinetik enerjisi olmadığı için anota ulaşamaz.

    fotosel

        Şekildeki devrede fotonların söktüğü fotoelektronların bir kısmının anot'a ulaştığını bir kısmının ise anot'a ulaşmadan farklı yönlerde saçıldığı görülüyor. Anot'a ulaşan elektronlar ise devrede bir akımın oluşmasını sağlar. Oluşan bu akıma İ0 akımı denir.

        İ0 Akımı Büyüklüğü Nelere Bağlıdır:
    1
    . Fotoselin katoduna düşen foton sayısını artması İ0 değereni arttırır.
    (Not:
    Işık şiddeti: Işık kaynaklarından birim zamanda çıkan foton sayısına denir.
     Işık Akısı: Birim yüzeyden geçen foton sayısına denir.
    )
     Yüzeye düşen foton sayısını arttırmak için;
     
    a) Işınların katot yüzeye dik gelmesi sağlanmalıdır.
     b) Işık kaynağının şiddetini arttırmak gerekir.
     c) Katodun yüzey alanını arttırmak.
     d) Işık kaynağı noktasal ise, kaynağı katoda yaklaştırılmalıdır.
    2
    . Katot ile anot arası mesafe azaltılmalıdır.
    3. Anotun yüzey alanı arttırılmalıdır.
    4. Bağlanma enerjisi daha küçük metal seçilmelidir.
    5. Katottan kopan elektronların kinetik enerjisini arttırmak anota ulaşan elektron sayısını arttıracağından, fotonun enerjisini arttırmak (frekansını arttırmak veya dalga boyunu küçültmek) gerekir.

    fotosel /

         İmax Akımı Büyüklüğü Nelere Bağlıdır:

    1.
    Foton sayısını arttırmak ( ışık akısını ) arttırmak.
     a) Işınların katot yüzeye dik gelmesi sağlanmalıdır.
     b) Işık kaynağının şiddetini arttırmak gerekir.
     c) Katodun yüzey alanını arttırmak.
     d) Işık kaynağı noktasal ise, kaynağı katoda yaklaştırılmalıdır.
    2.
    Katodun yüzey alanı arttırılmalıdır.
    3. Katot ile anot arasında elektrik alan oluşacağından, anot ile katot arasındaki mesafe önemsizdir.
    4. Anotun yüzey alanından etkilenmez.
    5. Fotonun enerjisine bağlı değildir. Çünkü katottan kopan her elektron elektrik alandan dolayı anada ulaşacağından, metalin bağlanma enerjisinin üstündeki her enerji değerinde aynı sonucu verecektir.

KESME POTANSİYEL FARKI

        Fotosel devresine eklenen üretecin art(+) kutbu katoda, eksi(-) ucu anoda bağlayalım. Oluşan elektrik alan sayesinde kopan elektronların anoda ulaşması zorlaşacaktır. Gerilim değeri arttırılmaya devam ettirildiğinde, bir noktada akım sıfır olur. Akımın sıfır olduğu bu potansiyel değerine kesme potansiyel denir.

    kesme poatsiyel farkı formül
    kesme potansiyel farkı grafik

        Bağıntıdan da anlaşıldığı gibi kesme potansiyel enerjisi; metalin bağlanma enerjisi, fotonun enerjisi ve frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılıdır.     Kesme potansiyel değeri; ışığın akısına, katot ile anot arası uzaklık, katot ve anotun büyüklüğüne ve kaynağın mesafesine bağlı değildir.

    kesme potansiyel

KESME POTANSİYEL FARKI

        Klasik fizikte elektromanyetik teoride Thompson saçılması ile bilinen saçılan ışınların dalga boylarının başlangıçta sahip oldukları dalga boyu ile aynı olacağı, elektron’un kinetik enerjisinin ise değişmeyeceği tahmin edilmekteydi ve yapılan deneyler de bu sonucu doğrulamaktaydı. Ancak Arthur Holly Compton 1923 yılında yüksek enerjili X ışınlarını karbon maddesine gönderdiği deneyinde elektronla etkileşimi  sonucunda saçılan fotonun enerjisinin değiştiğini gözlemledi. Bu şu anlama geliyordu, ışığın tanecikli yapıda olduğunu ispatlayan  deneylerden biriydi. Compton yaptığı bu bu çalışma sonucunda 1927 yılında Nobel Fizik ödülünü almıştır.

        Yandaki animasyonda foton ile elektronun çarpışması görülmektedir. Esnek çarpışma yapan foton ile elektronun momentum ve enerji korunum ilkelerini sağlamalıdır.     Enerjinin korunum ilkesine göre, çarpışmadan önce ve sonraki enerjiler eşit olacağından;
        E0=Ef + Ee ——› hc/λ0 = hc/λf + Ee

       Momentumun korunum ilkesine göre, çarpışmadan önce ve sonraki enerjiler eşit olacağından;     P0 = Pf + Pe olur.

        Çarpışma sonrasında saçılan elektronun hızı ışık hızına yakın olduğundan elektronun kinetik enerjisini ve momentumunu göreli olarak yazıp enerji ve momentum korunumu denklemlerinden aşağıdaki bağıntı elde edilkir.
    ∆λ = λ – λo = h/mec.(1 – cos θ) = λc.(1–cosθ)
    λ = h/mec = 0,0243 Å
        Bu bağıntı çarpışma yapan fotonun compton dalga boyu değişimi adını alır. Bu de¤er fizikte yayg›n olarak kullan›lan sabitlerden biridir .
        Compton Saçılması deneyinde;
    1. Foton soğrulmaz.
    2. Çarpışmadan sonra fotonun enerjisi ve momentumu azalır.
    3. Çarpışmadan sonra fotonun frekansı küçülür, dalgaboyu büyür.
    4. Fotonun enerjisinin azalması frekansının azalmasından kaynaklanır.
    5. Bu olay aynı düzlemde gerçekleşmektedir.
    6. Fotonun çarpışmadan önceki ve sonraki hızı ( c ) aynıdır, değişmez.
    7. Deney ışığın tanecikli yapıda olduğunu ispatlar.

    compton saçılması

IŞIK OLAYLARI

        Işığın yapısının nasıl olduğunu anlamak için bir çok deney ve teoriler üretilmiştir. Yapılan bazı deneyler ışığın tanecikli yapıda olduğunu, bazı deneyler ise dalga modeli yapıda olduğunu ortaya koymakta, bazı deneylerde her ikisini desteklemekteydi. Aşağıdaki tabloyu inceleyelim.

    tablo

MADDE DALGALARI (De Broglie Hipotezi)

        Bilim tarihi ışığın, tanecikli yapıda mı yoksa dalga modeli yapıda mı olduğu sürekli tartışılmıştır. Yapılan deneyler den bazıları ışığın tanecikli yapıda olduğunu gösterirken, bazı deneylerde ışığın dalga yapısında, bazıları da her iki durumu desteklediği görülmüştür. Işığın hem tanecik hemde dalga modelini desteklemesi ilk zamanlar çelişki gibi görünsede De Broglie hareketli her taneciğe bir dalganın eşlik edeceği” varsayımı ışığın hem dalga hem de tanecikli yapıda olacağı düşüncesini geliştirdi.
        Bu varsayıma göre momentumu P olan bir taneciğe; λ = h / P = h / mv ile verilen bir dalga eşlik eder. Bu dalga boyuna, de Broglie dalga boyu, bu dalgalara ise madde dalgaları adı verilir.

    tablo
.