in

Fiziğin temel ilkeleri – Elektrik, Manyetizma, Atomlar ve Radyoaktvite

Fiziğin temel ilkeleri yazı dizimiz devam ediyor. İlk bölümde mekanik ve optik konularını anlatmıştık. Elektrik kuvvetleri ve manyetik kuvvetler öylesine iç içe geçmiştir ki, çoğu kez bunun için "elektromanyetizma" terimi kullanılır. Her iki kuvvet de atomun işleyişi çerçevesinde ortaya çıkar.

Elektrik ve manyetizma

Güneş'in manyetik alanları, yüzeyindeki iyonlaşmış gaz patlamalarına yol açar. Yaylar manyetik alanların biçimini izler
Güneş'in manyetik alanları, yüzeyindeki iyonlaşmış gaz patlamalarına yol açar. Yaylar manyetik alanların biçimini izler

Elektrik akımı elektron gibi yüklü parçacıkların harekete geçmesiyle gerçekleşir. Normalde madde elektrik yönünden nötrdür; çünkü yükler dengededir ve elektronlara ya da protonlara etkide bulunan belirgin bir elektrik alan yoktur. Statik elektrikte, sürtünme pozitif ve negatif yüklerin ayrılmasına yol açar; örneğin cama bir ipek çarpası sürtülünce, ipekten cama elektronlar aktarılır. Pozitif ya da negatif yüklerin yoğunluğunu gösteren ölçüye, voltaj ya da elektrik potansiyeli denir.

Endüksiyon ve elektrik alanları

Akülerde bir elektrik potansiyeli farklılığı yaratmak için metallerin farklı elektronegatiflik (elektron salmaya yatkınlık). Fotoelektrik etki, ışığı bir elektrik akımını dönüştürür. Foto-diyotlarda elektrik akımları üretmek için hafif ve yarı-iletken malzemeler kullanılır.

Elektromanyetik endüksiyonda, manyetik alanın içinden tel geçirmek ya da manyetik alanın gücünü değiştirmek yüklerin ayrılmasını ve bir elektrik potansiyelinin oluşmasını sağlar.

Pile bir tel takıldığında, uçların tel içinde yarattığı elektrik alan elektronları çeker. Yüklerin hızı ne kadar yüksek olursa, yük sayısı ve akım o ölçüde büyük olur. Dahası, telin içinden geçen elektrik akımı telin çevresinde manyetik alan oluşturur. Akım taşıyan bir telin çevresine küçük mıknatıslar yerleştirerek bu olayı görmek mümkündür.

İLGİLİ:  Fiziğin temel ilkeleri – Termodinamik ve görelilik teorisi

Manyetizma

Elektrik yükünün ve elektrik akımının hareketi, dairesel akım yönü çevresinde manyetik alanlar yaratır. Hareket eden yükler iyonlardır. Dünya'nın ve Güneş'in manyetik alanlarının, gezegenlerin çekirdeklerindeki iyonların devinimiyle ortaya çıktığı düşünülür.

Manyetik alanlar demir ve diğer birkaç metalden yapılan mıknatıslarla da oluşur. Maddedeki atomlar aslında elektron ve protonlardaki yüklerden dolayı ufak birer mıknatıs gibidir. Olağan koşullarda atomdaki manyetik alanlar birbirlerini nötrler. Ama kalıcı mıknatıslarda elektronların dönüşleri her zaman bir manyetik alan oluşturacak düzendedir.

Kalıcı mıknatısın kuzey ve güney kutbu vardır. Manyetik alan güney kutbundan mıknatısa girer ve kuzey kutbunda mıknatıstan çıkar. Aynı kutuplar birbirini iterken, zıt kutuplar birbirini çeker.

Manyetik alanların hareket eden elektrik yüklerine etkisine Lorenzt kuvveti deniyor. Bu kuvvet manyetik alana ve yükün devinimine dik yöndedir. Başta jeneratörler ve elektrik motorları olmak üzere çeşitli aygıtların çalışma prensibi Lorentz kuvvetinin karşılıklı etkilerine dayanır.

Direnç yasası

Elektrik akımı, voltaj ve direnç arasındaki ilişki, ayarlanabilir vanası bulunan su dolu bir varil benzetmesiyle anlaşılabilir.

Vana kapalıyken su akmadığı için, suya karşı sonsuz derecede yüksek bir direnç vardır. Sonsuz derecede yüksek dirence sahip elektrik devresi ise düğmesi açık olduğu için kesik durumdaki bir devredir. Böyle bir devredeki akım sıfır olur. Su varilinin vanası biraz açıldığında, varilden küçük bir miktar su akıntısı gelir. Bu kapalı bir devredeki düğmeye denk olur; devrenin direnci yüksek olduğundan akım düşüktür. Vana sonuna kadar açılırsa, büyük miktarda su akar. Bu küçük bir dirence ve dolayısıyla büyük bir akıma sahip devreye denk olur. Böylece bir devrenin direncinin voltaja bölümünü akım (R=V/1) olarak tanımlayabiliriz.

Georg Ohm voltaj değiştirildiğinde devredeki direncin değişmediği yolundaki deneysel olguyu bulmuştu. Bu bize Ohm yasasını verdi: V =IR.

İLGİLİ:  Düşen kardan elektrik üreten taşınabilir jeneratör geliştirildi

Atomlar ve radyoaktivite

Fizikçi ve kimyacı Marie Curie radyoaktif polonyum ve radyum elementlerini buldu
Fizikçi ve kimyacı Marie Curie radyoaktif polonyum ve radyum elementlerini buldu

20. yüzyılda kuantum mekaniğinin bulunması insanların dünyaya bakışını değiştirdi. Evrendeki bütün madde biçimleri bulma arayışı hala sürüyor. Atomların yapısını açıklamak için geliştirilmiş farklı fiziksel modeller var. Kabuk modeline göre, bir atom pozitif yüklü bir çekirdekten ve onun çevresindeki dairesel yörüngelerde dönen elektronlardan oluşur (Tıpkı gezegenler gibi). Çekirdekte, nükleer kuvvetlerin bir arada tuttuğu pozitif yüklü protonlar ve nötr yapıdaki nötronlar yer alır. Elektron sayısı proton sayısına eşittir ve elektronlar kuantum mekaniği ilkelerinin belirlediği yörüngelerde hareket eder. Katyonlar pozitif yüklü, anyonlar negatif yüklüdür. Bunlar eksik elektronlu ya da ilave elektronlu atomlardır.

İzotoplar

Çekirdekteki protonların sayısı kimyasal özelliklerini ve ait olduğu elementi belirler. Aynı elementin farklı nötron sayısına sahip varyantlarına izotop denir. Bunu belirtmek için bir izotoptaki nötronların ve protonların toplamı element adının ya da simgesinin yanında yazılır.

Altının tek bir kararlı izotopu (Au-197) var. Karbonun ise iki kararlı izotopu (C-12 ve C-13) ve bir kararsız izotopu (C-14) var. C14 bir adet elektron salarak bozunur. Karbonun bazı izotopları (C-10,C-11 vb.) ve bazı altın izotopları doğada bulunmamakla birlikte, laboratuvarda yapay yoldan elde edilir.

Nükleer fizyon

Proton ve nötron sayısındaki artışla birlikte çekirdek kararsız hale gelir. Büyük çekirdekli atomlar – örneğin plütonyum ya da uranyum – belirli koşullarda nötronlarla bombardıman edilince ayrılır. Nükleer fizyon denen bu süreç bir enerji ve yeni izotop kaynağıdır.

İLGİLİ:  Termodinamiğin sıfırıncı yasası nedir ve ne anlama gelir?

Radyoaktivite ve radyasyon

Parçacıklar ve enerjiden oluşan radyoaktif radyasyon, nükleer fizyonla ortaya çıkar. Alfa radyasyonu iki proton ve iki nötronun birbirine bağlanmasıyla meydana gelir. Bir kağıt tabakasıyla kapatıldığında bile insan sağlığına çok zararlar verebilir.

Beta radyasyonu elektronların ve pozitronların yüksek hızda salınmasıdır. Gamma radyasyonu en yüksek frekansa sahiptir ve elektromanyetik radyasyonun en enerjili biçimidir. Gamma ışınlarından korunmak için çok kalın beton ya da kurşun duvarlara gerek vardır.

Nükleer fizyon sırasında zararlı miktarda X-ışını salınır. Diğer fizyon ürünleri radyoaktif izotoplardır. Bu izotoplardan bazıları ilk nükleer fizyon işleminden yüzyıllar sonra dağılıp radyoaktif radyasyon salar.

Uranyum-235 ve plütonyum-239 izotopları atom enerjisi santrallerinde ve nükleer silah yapımında fizyon malzemesi olarak kullanılır.

Karbon tarihlemesi

Her canlı organizma besinlerden ve havadan karbon alır. Canlı organizmalarda C-14 izotopu miktarının kararlı C-12 izotopu miktarına oranı atmosferdeki oranla aynıdır. Ölü bir organizmada C-14, 5730 yıllık bir yarı-ömürle bozunuma uğrarken C-12 miktarı sabit kalır. Böylece bir organizmanın kalıntılarındaki C-12'nin C-14'e oranından iskeletin ya da dokunun ölüm tarihi hesaplanabilir. Atmosferin C-14 içeriğindeki değişiklikler bu tarihleme yöntemini zaman içerisinde etkisiz kılabilir.

Ek bilgiler

  • Kutup buz tepelerindeki hidrojen izotoplarının oranı bize iklim değişiklikleri konusunda bilgiler veriyor.
  • Her element X-ışınlarıyla ya da elektronlarla bombardımana tutulduğunda ayrı bir ışık tayfı salar. Malzemelerin kimyasal bileşimlerini belirlemede bu yönteme başvuruluyor.
  • Atom modelleri sürekli geliştirilip daha ayrıntılı hale getirilmektedir.

Fiziğin temel ilkeleri | Mekanik ve optik

kara deliğin merkezi

Kara deliğe düşersek ne olur: İçinde ve diğer tarafta ne var?