Modern Fizik ve Uygulamaları

Özel görelilik

Einstein 1905'te özel görelilik kuramını iki ilke üzerine kurdu: 1. Fizik yasaları birbirine göre sabit hızla hareket eden bütün gözlemciler için aynıdır. 2. Işığın boşluktaki hızı, kaynağın ya da gözlemcinin hareketinden bağımsız olarak herkes için aynıdır: \(c = 3 \times 10^8\) m/s.

Bu ilkelerin şaşırtıcı sonuçları vardır: - Zaman genişlemesi: Hareketli bir saat, duran gözlemciye göre daha yavaş işler. Atmosferin üst katmanlarında oluşan müonlar, kısa ömürlerine rağmen bu sayede yeryüzüne ulaşabilir. - Boy kısalması: Hareketli bir cismin hareket doğrultusundaki boyu, duran gözlemciye göre kısa ölçülür. - Eş zamanlılığın göreliliği: Bir gözlemciye göre aynı anda olan iki olay, diğerine göre farklı anlarda olabilir. - Kütle–enerji eşdeğerliği: Kütle bir enerji biçimidir:

Hiçbir kütleli cisim ışık hızına ulaşamaz. Bu etkiler gündelik hızlarda ölçülemeyecek kadar küçüktür; ışık hızına yakın hızlarda belirginleşir.

Siyah cisim ve Planck

Isıtılan cisimlerin yaydığı ışığın renk dağılımı klasik fizikle açıklanamıyordu. Max Planck 1900'de enerjinin sürekli değil, kuantum denen paketler hâlinde yayıldığını öne sürdü:

Pratik hesaplarda \(hc \approx 1\,240\) eV·nm kullanılır. Sıcaklık arttıkça yayılan ışığın en şiddetli olduğu dalga boyu kısalır (Wien yasası): kızgın demir önce kırmızı, sonra beyaz görünür.

Fotoelektrik olay

Bir metal yüzeye yeterince yüksek frekanslı ışık düşürüldüğünde yüzeyden elektron sökülür. Einstein bunu ışığın foton denen parçacıklardan oluştuğunu kabul ederek açıkladı:

Burada \(W_0\), metalin bağlanma enerjisidir (iş fonksiyonu); \(W_0 = h f_0\) ile eşik frekansı bulunur. - Işığın frekansı eşik frekansından küçükse, şiddeti ne kadar artırılırsa artırılsın elektron sökülmez. - Işığın şiddeti artırılırsa sökülen elektron sayısı (akım) artar; elektronların en büyük kinetik enerjisi değişmez. - Işığın frekansı artırılırsa elektronların kinetik enerjisi artar. - Elektronları durdurmak için gereken kesme gerilimi \(e V_k = E_{k,\max}\) ile bulunur.

Bu olay ışığın tanecik doğasının kanıtıdır ve Einstein'a 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırmıştır.

Compton saçılması

X-ışını fotonları serbest elektronlara çarptığında, saçılan fotonun dalga boyu artar (enerjisi azalır), elektron ise geri teper. Foton ile elektron iki bilardo topu gibi çarpışır; momentum ve enerji korunur. Compton olayı fotonun momentumu olduğunu gösterir: \(p = h/\lambda\).

De Broglie ve dalga–parçacık ikiliği

Louis de Broglie, ışık gibi maddenin de dalga özelliği gösterdiğini öne sürdü. Momentumu \(p = m v\) olan bir parçacığın dalga boyu:

Elektronların kristallerden kırınıma uğraması bu fikri doğruladı; elektron mikroskopları bu ilkeyle çalışır. Gündelik cisimlerin kütlesi büyük olduğu için dalga boyları ölçülemeyecek kadar küçüktür. Heisenberg belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda sınırsız kesinlikle bilinemez.

Modern fiziğin uygulamaları

• Laser: Uyarılmış ışıma ile aynı frekans ve fazda, tek renkli, çok yoğun ve dağılmayan ışık üretir. Göz ameliyatları, fiber optik iletişim, barkod okuyucular.
• MR (manyetik rezonans): Güçlü manyetik alana konan vücuttaki hidrojen çekirdeklerine radyo dalgası gönderilir; çekirdeklerin yaydığı sinyallerden iyonlaştırıcı ışınım kullanmadan görüntü oluşturulur.
• Yarı iletkenler: Silisyum ve germanyum gibi maddelere katkı eklenerek n ve p tipi yarı iletkenler yapılır. Diyot, transistör, LED ve bilgisayar çipleri bunlardan üretilir.
• Güneş pilleri: p–n eklemine düşen fotonlar elektron–boşluk çiftleri oluşturur ve doğrudan elektrik üretir (fotovoltaik olay).
• Süper iletkenler: Çok düşük sıcaklıklarda direnci tamamen sıfırlanan maddelerdir. MR cihazlarının mıknatısları, maglev trenleri ve parçacık hızlandırıcıları.
• Nanoteknoloji: 1–100 nm boyutlarındaki yapılarla yeni özellikler kazanan malzemeler (leke tutmayan kumaşlar, kuantum noktalı ekranlar).
• Görüntüleme: Röntgen (X-ışını), bilgisayarlı tomografi ve PET.