Fiziğin Alt Dalları

2009-11-03 20:42:00
Fiziğin Alt Dalları

Mekanik Cisimlerin hareketleri ve etkileşmelerinin temel fizik ilkeleriyle kavranmasına yönelik olarak incelenmesi mekaniğin kapsamına girer. Bu anlamda tüm fizik, mekanik olarak görülebilir. Klasik mekanik ya da Newton mekaniği, atomlarla karşılaştırıldığında, oldukça büyük cisimlerle ve ışık hızından çok daha düşük hızlarla ilgilidir.
Klasik mekanik içinde, kinematik yalnızca bir parçacığın hareketinin tanımlanmasıyla ilgilenirken, dinamik parçacığın hareketi ile buna etkiyen kuvvet arasındaki bağıntıları inceler. Statik, denge konumundaki nesnelerle ilgilenir. Esneklik, biçimi bozulabilen katıların mekaniğidir. Hidrostatik ve hidrodinamik ise sırasıyla durgun ve hareketli akışkanları araştırır.
Klasik mekaniğin temellerini, Isaac Newton’ın üç hareket yasası oluşturur. Birinci yasa, bir cismin, bir etki altında kalmadığı sürece düz bir çizgi boyunca sabit hızla hareket edeceğini öngörür. İkinci yasa, bir cisme etkiyen net kuvvetle cismin momen-tumunun değişim hızı arasındaki bağıntıyı S verir. Etki-tepki yasası olarak bilinen üçüncü yasa, eşit büyüklükte ama zıt yönlü | kuvvetlerin etkisiyle çarpışan iki cisim söz konusu olduğunda, gene eşit büyüklükte ve zıt yönlü kuvvetlerin ortaya çıkacağım belirtir. Kütleçekimi momentum, açısal momentum, enerji ve korunum yasaları mekaniğin belli başlı kavramları olarak sayılabilir.
Termodinamik ve ısı
Termodinamik, fiziksel olayların oluşum koşullarım ve ara etkileşimlerini, enerji ve entropi değişimleriyle inceleyen bilim dalıdır. Dört temel yasa üzerine kuruludur ve tümdengelim yöntemiyle çeşitli sonuçlara ulaşır. Birinci yasa, yalıtılmış bir sistem içindeki tüm değişimler sonunda enerji içeriğinin sabit kalacağını ortaya koyan, enerjinin korunumu yasasıdır; ikinci yasa, yalıtılmış bir sistemde entropinin sürekli olarak artacağını belirtir; üçüncü yasa, mutlak sıfır sıcaklığında yetkin kristallerin entropisinin sıfır olacağını ortaya koyar. Sonuncusu, sıfırına yasa olarak bilinen bir aksiyomdur; buna göre, üçüncü bir sistemle ayrı ayrı ısıl dengede olan iki sistem, birbiriyle de ısıl dengededir.
Özellikle Maxwell ve Boltzmann’ın katkılarıyla geliştirilen istatistiksel mekanik, çok sayıdaki parçacıkların toplu davranışlarını olasılık yasalarına dayanarak açıklayan bir yöntem kullanır. İstatistiksel mekaniğe göre bir sistemin düzensizlik derecesi, sistemin entropisinin bir fonksiyonudur. Isı olarak aktarılan enerji, düzensiz hallerde bulunan parçacıkların enerjisidir. Sıcaklık ise, enerjinin parçacıklar arasında nasıl paylaşıldığının nicel bir ölçüsüdür. Elektrik ve magnetizma. İlkin farklı olaylar olarak görülen, sonra elektromagnetizma adı altında birleştirilen bu bilim dalı, elektrik yükü özelliği taşıyan parçacıkların etkileşmelerini inceler. Yüklü parçacıklar durgun olduklarında bir elektrik kuvvetiyle etkileşirler. Hareketli olduklarında ise buna ek olarak magnetik kuvvet ortaya çıkar.
Elektromagnetizmada alan kavramı önemli rol oynar. Elektrik yüklü bir parçacığın, kendisini çevreleyen uzaydaki tüm bölgelerde bir elektrik alam yarattığı ve bu alan içinde bulunan bir başka yüklü parçacığın buna bir elektriksel kuvvetle karşılık vereceği düşünülür. Klasik elektromagnetizma-nın tümü, 19. “yüzyılda J. C. Maxwell’in ortaya koyduğu dört denklemle özetlenebilir. Bu bağıntılar, yüklü parçacıklar arasındaki etkileşmeleri kapsar. Optik. Işık elektromagnetik dalgalardan oluştuğundan, ışığın yayılmasını inceleyen optiğin konusu, uygulamalı elektromagnetizma olarak görülebilir.
Bununla birlikte, bu fizik dalım, ışık ışınlarının yalnızca izlediği yollarla ilgilenen geometrik optik ve ışığın ayırt edici dalga olaylarını inceleyen fiziksel optik olarak iki bölüme ayırmak, alışılmış bir sınıflandırmadır. Temel dalga olayı, uzayda bir noktada karşılaşan iki dalganın birleşerek farklı bir bileşke dalga vermesi olan girişimdir. Benzer bir olay da, çok sayıda dalga kaynağının yol açtığı girişim olarak bilinen kırınımdır. Işığın dalga özellikleri, inter-ferometre ve kırınım ağı gibi düzeneklerle araştırılır.
Atom fiziği
Klasik mekanik ve klasik elektromagnetizma, atom fiziğindeki problemlere uygulandığında kökten yanlışlıklara yol açmaktadır. Atomlar, çok küçük Güneş sistemleri olarak düşünülemez. Atomun yapısı, ancak kuvantum mekaniği temelinde kavranabilir. Daha ince ayrıntılar ise, görelilik kuvantum mekaniğini gerektirir.
Atomlar çok küçük olduğundan, bunların özellikleri ancak dolaylı deney teknikleriyle anlaşılabilir. Bunların başında, maddenin saldığı ya da soğurduğu elektromagnetik ışınımların ölçülmesi ve yorumlanmasıyla uğraşan spektroskopi gelir. Tüm kimyasal elementler, özgün dalgaboylarında ışınımlar veren tayflar gösterir. Dalga mekaniği kullanılarak ve elektron kütlesi ve yükü, ışık hızı, Planck sabiti gibi bazı atom sabitlerinin yardımıyla belirtici dalgaboyları ve atomun enerjileri hesaplanabilir.
Katı hal fiziği
Yoğun haldeki maddelerin, elektriksel, magnetik, optik ve esneklik özelliklerini araştıran katı hal fiziği, öncelikli olarak kristallerle ilgilenir; bunun nedeni, bu maddelerin basit geometrik düzenlenişlerinin, kuvantum kuramının çok cisim-li sistemlere uygulanmasında kuramsal kolaylıklar sağlamasıdır.
Nükleer fizik
Atomdan yaklaşık on bin kez küçük olan atom çekirdeğinin yapısını ve kararsız çekirdeklerin ışımalarını araştıran bilim dalı nükleer fiziktir. Kararsız radyoaktif çekirdekler, alfa parçacığı, beta parçacığı, kütlesiz nötrinolar, pozitronlar gibi parçacıklar da salarlar (bak. radyoaktiflik). Çekirdek özellikleri, saçılım deneyleriyle saptanır. Çok yüksek hızlara çıkarılan yüksek enerjili parçacıklarla bombalanan (dövülen) hedef çekirdeklerin bu çarpışmalardan sonraki dönüşümleri, çekirdek tepkimeleri olarak adlandırılır. Çekirdek bölünmesi ve çekirdek kaynaşması yeni elementlerin oluşmasına yol açan tepkimelerdir.
Parçacık fiziği
Çağdaş fiziğin en yoğun ilgi alanı, temel parçacıklar üzerine yapılan araştırmalardır. Parçacık fiziği ya da yüksek enerji fiziği olarak bilinen bu dal çok sayıdaki temel parçacık arasındaki ilişkilerin aydınlatılmasıyla uğraşır. Kararlı elektron ve protondan, 10′2°saniyelik ömrü olan çok kararsızlarına kadar geniş çeşitlilik gösteren bu parçacıklar, kabarcık odası gibi düzenekler aracılığıyla incelenir.
Çağdaş fiziğin kuramsal temellerini, kuvantum ve görelilik kuramları oluşturmaktadır. Fiziğin çeşitli dallarının konuları, deneysel yöntemleri ve kuramsal teknikleri ne kadar farklı olsa da, bu iki kuramın uyarlamalarına, birçok araştırma alanında rastlanmaktadır. Kuvantum mekaniği, elek-tromagrıetik ışınımın sürekli dalgalardan değil, enerji ve momentumlan, frekansları ile orantılı olan parçacığa benzer fotonlar-dan oluştuğunu ileri sürer.
Klasik mekanik, bir olası değerler aralığında sürekli değişebilen fiziksel niceliklerle belirlenirken, kuvantum kuramının belirleyici özelliği kesikli (ayrık) değerler taşıması ve içkin olarak belirsizlik ilkesine yer vermesidir.

Fiziğin dalları, Mekanik Cisimlerin hareketleri ve etkileşmelerinin temel fizik ilkeleriyle kavranmasına yönelik olarak incelenmesi mekaniğin kapsamına girer. Bu anlamda tüm fizik, mekanik olarak görülebilir. Klasik mekanik ya da Newton mekaniği, atomlarla karşılaştırıldığında, oldukça büyük cisimlerle ve ışık hızından çok dahadüşük hızlarla ilgilidir.
Klasik mekanik içinde, kinematik yalnızca bir parçacığın hareketinin tanımlanmasıyla ilgilenirken, dinamik parçacığın hareketi ile buna etkiyen kuvvet arasındaki bağıntıları inceler. Statik, denge konumundaki nesnelerle ilgilenir. Esneklik, biçimi bozulabilen katıların mekaniğidir. Hidrostatik ve hidrodinamik ise sırasıyla durgun ve hareketli akışkanları araştırır.
Klasik mekaniğin temellerini, Isaac Newton’ın üç hareket yasası oluşturur. Birinci yasa, bir cismin, bir etki altında kalmadığı sürece düz bir çizgi boyunca sabit hızla hareket edeceğini öngörür. İkinci yasa, bir cisme etkiyen net kuvvetle cismin momen-tumunun değişim hızı arasındaki bağıntıyı S verir. Etki-tepki yasası olarak bilinen üçüncü yasa, eşit büyüklükte ama zıt yönlü | kuvvetlerin etkisiyle çarpışan iki cisim söz konusu olduğunda, gene eşit büyüklükte ve zıt yönlü kuvvetlerin ortaya çıkacağım belirtir. Kütleçekimi momentum, açısal momentum, enerji ve korunum yasaları mekaniğin belli başlı kavramları olarak sayılabilir.
Termodinamik ve ısıTermodinamik, fiziksel olayların oluşum koşullarım ve ara etkileşimlerini, enerji ve entropi değişimleriyle inceleyen bilim dalıdır. Dört temel yasa üzerine kuruludur ve tümdengelim yöntemiyle çeşitli sonuçlara ulaşır. Birinci yasa, yalıtılmış bir sistem içindeki tüm değişimler sonunda enerji içeriğinin sabit kalacağını ortaya koyan, enerjinin korunumu yasasıdır; ikinci yasa, yalıtılmış bir sistemde entropinin sürekli olarak artacağını belirtir; üçüncü yasa, mutlak sıfır sıcaklığında yetkin kristallerin entropisinin sıfır olacağını ortaya koyar. Sonuncusu, sıfırına yasa olarak bilinen bir aksiyomdur; buna göre, üçüncü bir sistemle ayrı ayrı ısıl dengede olan iki sistem, birbiriyle de ısıl dengededir.
Optik

Fiziğin optik olarak adlandırılan kısmı ışığın davranışını inceler. Işığın uzayda izlediği yolu inceleyen optiğe geometrik optik diyoruz. Geometrik optiğin içinde de kırınım, girişim ve yansıma-kırılma olayları bulunmaktadır. Önce basit olan olaydan başlarsak; yansıma ve kırılma günlük hayatta çıplak gözle görülebilen olaylardır. Örneğin, yarısı su ile doldurulmuş bir bardağın içine bir çubuk koyarsak çubuğu bir doğru şeklinde göremeyiz. Bunun nedeni ışığın kırılma indisleri farklı bir ortamdan diğerine geçmesidir.
Düz bir aynanın karşısına geçtiğinizde neden odanın içindeki her şeyi değil de bazı şeyleri görebiliyoruz? Bunu da yansıma özelliği ile açıklayabiliriz. Düzgün bir yansıtıcıya gönderilen ışık, düzlemin normaline hangi açı ile gelirse o açı ile geri döner. Demek ki odanın içinde gördüğünüz cisimlerin gönderdiği ışınlar, aynadan yansıdıkları zaman gözünüze geliyordur.
Girişim olayı üst üste binme ya da yok etme ile sonuçlanır. Girişim yapan dalgalar arasındaki faz farkı 180 derece ise ve dalga boyları eşit ise son dalga genliği iki kat artar.
Eğer 0 derece ise birbirlerini yok ederler.
Kırınım olayı bir dalganın engellere çarparak kenarlarından bükülmesidir. Herhangi bir yarıktan geçen dalga dsina = + λ kadar yol alır. (burada x geçen dalganın dalgaboyudur.)
Girişim, kırınım ve kutuplanma (polarizasyon) olayları ışığın dalga yapısını desteklerken fotoelektrik olay, Compton olayı ve kara cisim ışıması ışığın tanecikli yapıda olduğunu gösterir. Işık çift karakterli olup, hem dalga hem de tanecik özelliği taşır.


Manyetizma

Hareket eden elektrik yüklerinin, birbirlerine tatbik etmiş oldukları kuvvetleri inceleyen bir fizik dalı. Bir elektron hüzmesinin yanına mıknatıs konulduğunda, hüzme sapar, yolunu değiştirir. Elektrik motoru da, manyetik kuvvetler esasına göre çalışır. Manyetizmin hakim olduğu en mühim yerlerden birisi de, atomdur. Çekirdeğin etrafında dönen elektronların hareketlerinde, manyetizm tesiri görülür. Ele alınan iki mıknatısı birbirine yaklaştırınca meydana gelen itiş veya çekiş gücü kolayca hissedilir. Hareket eden yükler, manyetik alan meydana getirir. Manyetik alan da, hareket eden yüklere kuvvet tatbik eder.

Manyetik alan: Demir tozlarını kağıda serdiğimizde, altına tutacağımız mıknatısın manyetik kuvvet çizgileri, küçük demir parçalarına tesir edecek ve kuvvet çizgilerini paralel hale getirecektir. Böylece, alanın geometrik şekli ortaya çıkacaktır.

Bir telden akım geçmesi, elektron akışına bağlıdır. Anahtar kapalı iken, elektronlar belli bir momentumla kablodan akarlar. Yani, hareket yönünde akmaya devam etmek isterler. Onları durduracak kuvvet lazımdır. Süratli giden araba da böyledir.

Devre açıldığı zaman, akan elektronlar anahtara basınç yapar ve etaletle, devrenin kırık bölümünü atlamak isterler. İletkenin teli, sargı halinde olursa, aynı moment ile bu defa telin ucundan atlamak isterler. Ancak tel sargıdaki manyetiklik, düz teldeki manyetiklikten çok fazladır. Bunun sebebi şudur: Elektronlar, sadece belli bir kütleye sahip parçacıklar değildir. Aynı zamanda, hareket halinde iken, içinde bulundukları manyetik alan, elektronların bir parçasıdır ve kütlelerine tesir eder. Sargıdan çıkan kıvılcımın daha kuvvetli olması, akımın etrafındaki manyetik alanın içinde bulunan elektron kütlelerinin daha ağır olmasına bağlıdır.

Manyetik alan fikrinin sistemimize tesir eden en enteresan yönlerinden birisi de, manyetik alanın enerji taşımasıdır. Mesela radyo anteni, enerjiyi uzaktaki bir alıcıya, arada kablo olmaksızın hava vasıtasıyla ulaştırır. Kablo, enerji için bir rehber ve istikamet vericiden başka birşey değildir. Enerji akışı, kablo etrafındaki elektrik ve manyetik alanlar cinsinden tarif edilebilir. Akım için elektriki alan, havada enerji transferi için de manyetik alan lazımdır.

Atomlar ve moleküller: Her atomda, bir çekirdek ve etrafında dönen elektronlar mevcuttur. Çekirdek, atoma göre çok küçüktür. Fakat kütlenin esasını ve pozitif yükü ihtiva eder. Çekirdeğin o kadar küçük ebadına rağmen, elektronun negatif yüküne karşı gelip, onu nötr hale getirebilen bir pozitif yüke sahip olması da dikkat etmeye değer bir konudur.

Manyetiklik, elektronların dönme hareketlerinden ileri gelir. Atomların manyetikliği, elektronlarının dönme hareketlerine göre sınıflandırılabilir. Eski ilim adamları, atomları katı küreler olarak kabul ediyorlardı. Bunun sebebi, elektronların, atom çekirdeği etrafında çok büyük bir hızla dönmelerindendir. Elektronlar, çekirdekleri etrafındaki küçücük yollarında, bir saniyede, milyarlarca defa dönmektedir. Atomun dış yüzeyinde dönen elektronlar saniyede 1000-150.000 km yol alırlar ki, bu süratle giden bir tren, bir saniyede Haydarpaşadan Erzurum'a birkaç kere gidip gelebilir. Bir atom hareketsiz ise, elektronları da hareketsizdir denemez. Aksine çok hızla döndüğü için duruyormuş gibidir. Açısal bir momentumu yoktur. Açısal bir ekseni ve bu eksen etrafında dönmekten hasıl olan bir hareketi yoktur. Böyle bir atom, bilardo topu gibi, kendine çarpan atomlara, katı kürelerin göstereceği tepkiyi gösterir.

Belli bir ekseni (manyetik eksen) olup, açısal hareketi olan atomlarda manyetik hususiyetler görülür.

Atomlarda manyetik hususiyetler mevcut olabildiğine göre, atomlar birbirleriyle sıkı sıkıya bağlanıp nötrol çiftler meydana getirebilirler. Mesela, bir hidrojen atomunun açısal momentumu vardır ve bu yüzden devamlı mıknatıslık hususiyeti taşıyan küçük küreler gibi davranır. Bir çift hidrojen atomu ise, H2 molekülünü teşkil eder. H2 molekülü olur. Açısal momentumu kalmaz. Sanki birbirine yapışmış iki mıknatısı andırır. Ancak, böyle ferdi atomlar birleşerek, daha büyük bir açısal momentum açığa da çıkabilir. Mesela iki oksijen atomu birleşince, iki atomun manyetikliği birbirini nötr hale getirmez. Manyetik eksenlerini muhafaza ederler.

Atomlardaki manyetik nötrleştirme meselesi, ferdi atomların içindeki elektronlar arasında da olur. Mesela çift numaralı atomların elektronları, açısal bir momentumu olmayacak tarzda hareket eder.

Laboratuvarlarda bir atomun manyetik kuvvetini tesbit etmek mümkün olabilir. Ayrıca bu atomun bir manyetik alana göre ne durumda olduğu da bulunabilir. Ancak alan, homojen bir manyetik alan olmamalıdır. Şayet atomun manyetik kuvvet çizgileri, manyetik alanın kuvvet çizgilerine paralel ise atom daha kuvvetli manyetik alana doğru çekilir. Değilse kuvvetli manyetik alandan daha kuvvetsiz manyetik alana itilir.

Atom hüzme deneyi: Atomlar bir fırından neşredilerek, çizgi halinde bir delikten geçip, içinde muhtelif oyukları, girinti ve çıkıntıları olan U elektrikli mıknatısının manyetik alanına tabi olurlar. Buradan sonra da bir fotoğraf kağıdının üzerine düşerler. Mıknatısa elektrik verilmediği zaman, gönderilen atomların yeri, fotoğraf kağıdından tesbit edilir. Mıknatısa elektrik verilip, homojen olmayan manyetik alan hasıl olduğu zaman ise, bu U şeklinde fakat hüzmenin içinden geçtiği kısım, girintili çıkıntılı olan mıknatıstan geçen atomların, fotoğraf kağıdındaki yeri değişir. Mıknatısın hüzmeye yakın sivri kısmına teğet geçen atomlar; manyetik kuvvet çizgileri, mıknatısın manyetik alanı, kuvvet çizgilerine paralel olan atomlardır. Diğerlerinin çizgileri ters olduğundan, daha az kuvvetli çekim alanlarına, yani mıknatısın geniş oyuklu yerlerine itilirler.

Madem ki dönen atomların manyetik bir ekseni vardır, o halde manyetik alan içindeki atomların eksenleri üzerinde de bir fark vardır ve bu fark, ekseni, alana paralel hale getirmeye çalışır. Şayet büyük bir mıknatıs, bir sargının etrafında döndürülürse açığa çıkan voltajın frekansı, mıknatısın dönme frekansına göre değişecektir. Atomik veya nükleer manyetik endüksiyon deneyleri, katıların ve sıvıların manyetik alanları ve burada cereyan eden hareketler hakkında geniş bilgi verirler.

Diamanyetizma ve para manyetizma: Demir gibi devamlı mıknatıslanabilen ferromanyetik maddeler hariç, maddeler, manyetikliği bakımından iki sınıfa ayrılabilir: Diamanyetik maddeler ve paramanyetik maddeler. Diamanyetik maddeler bir mıknatısın yanına getirildikleri zaman, mıknatıs bunları iter, paramanyetik maddeleri ise çeker. Her iki halde de manyetizasyon, alan kuvvetiyle doğru orantılıdır. Diamanyetik maddelerde manyetizma, alana antiparalel, paramanyetik maddelerde ise paraleldir.

Birçok maddelerin atomları, birbirlerini nötr hale getirmeye çalışır. Bu sebeple diamanyetiktir. Mesela su, canlı organizma, cam, tahta, plastik cisimler, bazı kaya ve ****l çeşitleri diamanyetiktir. Paramanyetik cisimlerin atomları, açısal momentuma sahiptirler.

Havadaki oksijen gazı molekülleri birbirinden uzakta olduğu için, manyetik bir alanın olmadığı zaman, manyetik hususiyet göstermez, ancak, bir mıknatısın kutupları arasındaki basıncın arttığı müşahade edilmiştir. Yani, manyetik alanın çekim gücü sebebiyle, mıknatısın uçları arasına oksijen gazı moleküllerinin dolduğu gözlenmiştir. Fakat bu çok zayıftır.

Birbiriyle manyetik münasebeti çok az olan maddelerde, mesela, gazlarda, manyetiklik tatbik edilen manyetik alanla doğru orantılı, mutlak sıcaklık (-273°C) ile ters orantılıdır. Bunu Pierre Curie bulmuştur. Sıcaklık çok düşürüldüğü zaman manyetik hale gelen cisimler vardır.

İçinde tuz bulunan çok seyrek sulu çözeltideki iyonlar, birbirlerinden uzak olduklarından manyetikliği çok azdır. Yani çok az paramanyetikdir.
Bazı paramanyetik tuzları, ısıyı düşürüp, yükseltmek suretiyle kontrol etmek mümkündür.

Bir cismin paramanyetik mi yoksa diamanyetik mi olduğunu anlamak için, homojen olmayan iki çubuk elektromıknatıs alınır. Aynı hatta konur. Böylece manyetik eksenleri yatay hale gelir. İkisinin arasına bilinmeyen cisim, manyetik eksene 45°lik açıyla yerleştirilir. Manyetik alan husule getirilir. Cisim, mıknatısların istikametlerine dönüyorsa yani o da yatay hale geliyorsa paramanyetiktir. Dik hale geliyorsa diamanyetiktir.

Demir bir ferromanyetikldir. Ferromanyetik maddeler çok kuvvetli manyetik hususiyete sahiptir. Ancak ferromanyetik cisimlerin bile mıknatıslama özelliklerini kaybedecekleri kritik sıcaklıklar vardır. O°K (-273°C)'de veya çok yüksek derecelerde manyetiklik değişebilir.

1987
0
0
Yorum Yaz