FİZİĞİN TARİHSEL GELİŞİMİ

Transkript

1 FİZİĞİN TARİHSEL GELİŞİMİ MODERN FIZIK 20. yüzyıl: Modern Fiziğin Doğuşu

2 ANA KONULAR # #Atom teorisi ve atom modelinin evrimi# # #Dalga-parçacık ikiliği# # #Fotoelektrik etki# # #Franck-Hertz deneyi# # #Rutherford deneyi# # #Kara cisim ışıması# # #Kuantum termodinamiği# # #Merkür yalpalaması# # #Michelson Morley deneyi# # #Radyoaktivite# # #Yerçekimsel mercek

3

4 Alman asıllı, Nobel Fizik Ödülü sahibi fizikçi. Röntgen ışınlarını bulması ile tanınır mat yüzeyden geçebilen yeni bir ışın olarak tanımladı ve cebirde bilinmeyeni simgeleyen X harfini kullanarak "X ışını" ismini verdi. Daha sonraları bu ışınlar, "Röntgen ışınları" olarak anılmaya başlanmıştır. Bu buluşundan sonra Röntgen farklı kalınlıktaki malzemelerin ışını farklı şiddette geçirdiğini gözlemledi. Bunu anlamak için fotoğrafsal bir malzeme kullanıyordu. Tarihteki ilk tıbbi X ışını radyografisini de (Röntgen filmi) yine bu deneyleri sırasında gerçekleştirdi ve 28 Aralık 1895 yılında bu önemli keşfini resmi olarak duyurdu. Ancak X ışınını bulduğu zaman deneylerinde elini kullandığı için aşırı dozda X ışınından parmaklarını kaybetti. Wilhelm Röntgen! Olayın fiziksel açıklaması 1912 yılına kadar net olarak yapılamasa da, buluş fizik ve tıp alanında büyük heyecan ile karşılandı. Çoğu bilim adamı bu buluşu modern fiziğin başlangıcı saydı.

5 Antoine Henri Becquerel # ( ) Fransız fizikçi, radyoaktivitenin kaşiflerinden Nobel Fizik Ödülü sahibi. SI ölçü sisteminde betivorlyy birimi Bekerel (Becquerel, Bq) onun ismine ithafen verilmiştir. Siyah kağıda sarılı film ve üstüne konmuş uranyum bileşiği birkaç gün çekmecesinde güneşin doğmasını ve 1 Mart günü, belli bir sebebi olmaksızın, çekmecedeki filmi banyo etti, ve uranyum kristalinin güneş ışığına maruz kalmadığı halde filme iz bıraktığını gördü. Becquerel bunun x ışınlarına benzer görünmez bir ışın olarak tanımladı. Becquerel ışınları olarak adlandırıldı. # 1898 de Marie Curie adını daha genel bir isim olan, radyoaktivite ile değiştirdi yılında Pierre Curie ve Marie Curie ile birlikte radyokativitenin keşfinde oynadığı rolden dolayı Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Becquerel'in uranyum tuzlarından çıkan radyoaktiviteyi gözlemlediği film tabakası

6 Britanyalı fizikçi. Elektronları, izotop kavramını keşfetmesi ve kütle spektrometresini icat etmesiyle bilinir. Gazların elektriksel iletkenliği üzerindeki çalışmaları ve elektronları keşfinden dolayı 1906 da Nobel Fizik Ödülü yle ödüllendirilmiştir te Cambridge Üniversitesi nde kıdemli fizik profesörü oldu. Öğrencilerinden biri daha sonra çok başarılı olacak Ernest Rutherford du da "gazların elektriksel iletkenliği üzerine teorik ve deneysel çalışmalarından dolayı" Nobel Ödülü yle ödüllendirildi. Joseph John (J.J.) Thomson!

7 1897 yılında J.J. Thomson, bir katot ışını tüpü kullanarak ürettiği ışınlar üzerinde, o zamana kadarki en kapsamlı deneyi yaptı. Gözlemlerinden türettiği sonuçlar, çarpıcı ve sağlamdı. Tüp bir elektrik alanına yerleştirildiğinde katot ışınları saptırılıyor, manyetik alana yerleştirildiğinde ise, dairesel biçimde kıvrılıyordu. Işınların eksi yüklü parçacıklardan oluştuğu kanaatine vardı. Gerçi bu zaten biliniyordu. Thompson, elektrik ve manyetik alanların ışınlara uyguladığı kuvvetlerden hareketle, katot ışınları için 'elektrik yükü bölü kütle' (q/m) oranını belirledi. Tüpteki katot hangi malzemeden yapılmış veya tüpün içi hangi tür gazla doldurulmuş olursa olsun, karşısına hep aynı q/m oranı çıkıyordu.

8 Elektronlar eksi yüklü, halbuki atomlar nötür olduğuna göre, atomun bir yerlerinde artı yükler bulunmalıydı. Elektronlar atomlardan çok daha küçük veya hafif olduğuna göre, bu artı yüklü parçacıklar atomdan çok daha ağır olmak zorundaydı. # Thomson bu sonuçlardan hareketle, atomu 'karpuz'a benzeten modelini önerdi: Artı yüklerin oluşturduğu etli kırmızı kısım üzerinde, çekirdeklere benzeyen eksi yüklü elektronlar. Bazı bilim adamları, William Prout ve Norman Lockyer gibi, atomların daha temel bir parçadan oluştuğunu öne sürdüler. Ancak bu parçanın en küçük atom olan hidrojen olduğunu öngördüler. # # Thomson, 1897 de, bu temel parçacığın şimdi elektronlar olarak bilinen atomaltı parçacıklar olduğunu ve bir atomdan 1000 kat daha küçük olduğunu öne süren ilk kişiydi.

9 Joseph John Thomson, değişik gazlarda yapmış olduğu deneylerle her atomun elektron yükünün kütlesine oranını hesaplayarak elektronu keşfetmiştir. Elektron veren atomun artı yüklü olacağını ispatlamış, atom içerisinde proton ve elektronun homojen olarak dağıldığını söylemiştir. Bu yüzden bu modele üzümlü kek modeli de denilmektedir. Rutherford Atom Modeli ile proton ve elektronun homojen dağıldığı ilkesi çürütülmüştür.

10 Polonya asıllı kimyager ve fizikçi.# # Radyoaktivite üzerine yaptığı çalışmalarla iki farklı alanda Nobel Ödülü kazandı. Uranyumla yaptığı deneyler sonucu radyoaktiviteyi keşfetti. Toryumun radyoaktif özelliğini buldu ve radyum elementini ayrıştırdı Nobel Fizik ödülü, 1911 Nobel Kimya ödülü sahibi ve radyoloji biliminin kurucusudur. Çalışmalarıyla bir çığır açan Curie, Nobel Ödülü'nü alan ilk kadın, bu ödülü iki kere alan ilk biliminsanı olmuştur. Marie Curie Temmuz 1898'de Curie'ler yeni radyoaktif bir element olan ve uranyumun radyoaktif bozunmasından ortaya çıkan polonyumu bulduklarını duyurdular. (İsmini Marie'nin vatanı Polonya'dan esinlenerek koydular)# # 1911 yılında radyum ve polonyumun keşfi ve araştırılmasındaki rolünden ötürü Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Pierre Curie#

11 Marie ve Pierre,radyasyondan kaynaklanan rahatsızlıklar geçirmeye başladılar. Radyumun dokuya verdiği zarar, araştırmacılar tarafından kabul edilmeye başlanmıştı. Aynı zamanda, radyumun etkisinin kötü dokulara uygulanarak tedavide kullanılabileceği fikri de doğmaya başlamıştı. # Amerikalı mucit Alexander Graham Bell, kanserin tedavisi için tümöre radyum verilmesini önermişti yılında Paris Üniversitesi'nde Radyum Enstitüsü kuruldu ve Marie Curie ilk müdür olarak atandı. Hayatı boyunca radyumun tıptaki önemine dikkat çekti. I. Dünya Savaşı sırasında taşınabilir röntgen cihazları yaparak, kızı Irene ile birlikte, genç kadınlara x ışını teknolojisini öğretti. Ayrıca fizik tedavi uzmanlarına savaş ortamında radyoloji ekipmanını nasıl kullanacaklarını gösterdiler. Bu esnada yüksek dozda radyokaktif ışına maruz kaldılar.

12 Radyokaktivite çalışmalarından dolayı, radyokativite birimine "curie" denilmektedir. Curie'nin not defterleri o kadar radyasyona maruz kalmıştır ki, kurşun kaplı bölmelerde tutulup radyoaktif koruma altında incelenebilmektedir.

13 Ernest Rutherford Yeni Zelanda'ya göç etmiş İskoçya'lı bir ailenin 12 çocuğundan dördüncüsüydü. Aralık 1895'te Wilhelm Conrad Röntgen'in X Işını'nı bulduğunu açıklamasının ardından, J.J. Thomson ve Rutherford bu konuda çalışmaya başladılar ve X Işını'nın gazlar içinden geçerken çok sayıda artı ve eksi elektrik yüklü parçacık ortaya çıkmasına, yani iyonlaşmaya yol açtığını, bu parçacıkları yeniden birleştirerek nötr atomlar oluşturduğunu buldular. Rutherford ayrıca bu iyonların hızını ve birbirleriyle birleşerek yeniden gaz molekülleri oluşturma süresini belirlemeye yönelik bir yöntem geliştirdi. İyonlaşma gücü yüksek olan ama kolaylıkla soğurulabilen ışın türünü alfa ışınları, daha az iyonlaşmaya yol açan, ama girim gücü daha yüksek olan ışınları da beta ışınları olarak adlandırdı.

14 Ernest Rutherford Rutherford Deneyi Arkasına film yerleştirilmiş bir altın tabakaya +2 yüklü alfa tanecikleri (He+2) gönderilerek ışınların levhaya çarptıktan sonra izledikleri yollar çizilmiştir Deney sonucunda şu bulgulara ulaşılmıştır:! Öyleyse, atomda büyük boşluklar vardır.# # # Işınların küçük bir kısmının kırıldığı ve çok küçük bir kismının yansıdığı görülmüştür: Öyleyse, atomda + (pozitif) yükler çekirdek adı verilen küçük bir hacimde toplanmıştır.# # # Atomda pozitif yük, kütle merkezinde çekirdek diye adlandırılan çok küçük bir hacimde toplanmıştır.# # # Atomda pozitif yüklü tanecikler kadar elektron, çekirdeğin etrafında bulunur ve atom hacminin büyük bir bölümünü elektronlar kaplar.# Rutherford atom modeli ile Modern Atom Teorisi ve Bohr atom modelinin temelleri atılmıştır.

15 Ernest Rutherford

16 Albert Abraham Michelson Prusya li, Amerikan vatandasi oldu nobel alan ilk Amerikalidir Edward Williams Morley Michelson Morley deneyi, fizik tarihinin en önemli ve ünlü deneylerinden biridir. 1887'de Albert Michelson ve Edward Morley tarafından Case Western Reserve University'de yapılan deney genel olarak eter teorisine karşı en büyük kanıt olarak düşünülür. Albert Michelson özellikle bu çalışması için 1907'de Nobel Fizik Ödülü'nü aldı Deneyin asıl amacı Ether maddesinin var olduğunu deneysel olarak kanıtlamaktı.amacın olumlu yönde olmasına rağmen deney olumsuz sonuçlandı. Eğer böyle bir madde olsaydı içinde bulunan her şeyi etkilerdi (ışık dahil). Michelson ve Morley deneyi değişik zamanlarda ve koşullarda tekrarladılar ama sonuç değişmedi. Işıkta bir sapma ya da gecikme olmadı.

17 FİZİĞİN ALANLARI çok yavaş çok hızlı çok büyük HIZ çok küçük boyut Klasik Mekanik Kuantum Mekanik Relativistik Mekanik Kuantum Alan Theorisi

18 Quantum Mekanigi Max Planck Albert Einstein Niels Bohr Louis de Broglie Max Born Paul Dirac Werner Heisenberg Wolfgang Pauli Erwin Schrödinger Richard Feynman

19 Quantum mekanik, quantum kimya lie birlikte parallel şekilde gelişmiştir: # 1838 Michael Faraday tarafından katod ışınlarının keşfi# # Gustav Kirchhoff tarafından black body ışıması problemi# # 1877, Botzmann ın enerjinin belirli paketler (kuantize) halinde olması gerektiğini keşfi.# # 1887, Heinrich Hertz in fotoelektrik olayı gözlemlemesi (ancak bir açıklama bulamaması. Einstein 1905 de açıklamıştır)# # 1900 de Max Planck ın olası enerji paketlerini bir sabit kullanarak tanımlaması.. (planck sabiti) #

20 Max Planck ( ) Alman parası üzerinde Planck Alman fizikçi Nobel Fizik Ödülü sahibi# "Kuantum Kuramı"nı geliştirmiştir. Termodinamik yasaları üzerine çalıştı. Kendi adıyla bilinen "Planck sabiti"ni ve "Planck ışınım yasası"nı buldu. Ortaya attığı kuantum kuramı, o güne değin bilinen fizik yasaları içinde devrimsel ve çığır açıcı nitelikteydi.

21 Fotoelektrik etki, bir kaynaktan yayılan ışık veya daha yüksek enerjili elektromanyetik dalganın (morötesi ışın veya x-ışını) bir madde (metaller, metal olmayan katılar, sıvılar veya gazlar) yüzeyine düşmesi sonucu maddeden elektron yayınlanması olayıdır. Maddeden yayınlanan bu elektronlar fotoelektron olarak adlandırılır. Olayı ilk olarak Heinrich Rudolf Hertz, elektromanyetik dalgaların varlığını deneysel olarak göstermeye çalışırken gözlemlemiş olduğundan bu olaya Hertz etkisi de denir Fotoelektrik etki ancak günümüzde bu isim kullanılmamaktadır. Olay deneysel olarak gözlenmiş fakat 1905 yılında Albert Einstein tarafından açıklanana kadar olaya klasik fizik yasaları ile bir anlam verilememiştir.

22 The photoelectric effect reported by Heinrich Hertz in 1887, and explained by Albert Einstein in Düşük-enerji olayı: Photoelectric effect Orta-enerji olayı: Compton scattering (saçılması) Yüksek-enerji olayı: Pair production Albert Einstein 1905de, hertz ın 1887de gözlediği fotoelektrik olayı açıklayabilmek için, Max Planck ın quantum teorisini kullandı. Ve ışığın da quantum paketlerinden oluştuğunu iddea etti. Bu paketler daha sonra ancak 1926 da Gilbert N Lewis tarafından foton olarak adlandırıldı.

23 1905, Einstein'ın hayatının en verimli yılı olmuştur# 1905 de yaptığı 4 yayını Yayın Tarihi Calisma Konu Önemi 9 Haziran Işığın Oluşumu ve Dönüşümü Üzerine Bir Görüş Fotoelektrik etki Enerjinin kuantalardan oluştuğunu önerdi ve kuantum kuramının önünü açtı. 17 Temmuz Durağan Bir Sıvı İçindeki Asıltı Parçacıklarının Moleküler Kinetik Kuramı Çerçevesindeki Hareketleri Üzerine Brown hareketi Atomların varlığına bir kanıt sundu ve istatistik fizik alanına destek sağladı. 26 Eylül Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Özel görelilik Maxwell'in elektromanyetik denklemleri ile mekanik yasalarını bağdaştırdı, ışık hızının her referansa göre sabit olduğunu önerdi, esirin varlığını reddetti. 21 Kasım Bir Cismin Eylemsizliği Enerji İçeriğine Bağlı mıdır? Kütle-enerji eşitliği Kütle enerji eşitliğini ünlü formülü ile gösterdi, ışığın gravitasyon ile bükülebileceğini açıkladı.

24 Kuramın, spektroskopi biliminin atomik temelini kurduğu çok geçmeden anlaşılır. Niels Bohr Kuantum kuramının atom yapısının belirlenmesinde ilk kez kendi adıyla anılan atom modelini oluşturdu. Kuantum fiziğinin gelişmesinde 50 yıla yakın bir süre öncü rol oynadı.

25 Atom modelinin evrimi: # Thomson, Rutherford, Bohr, Heisenberg/Schrödinger II. Dünya Savaşı sırasında Bohr, New Mexico'daki Los Alamos'ta (ABD) atom bombasının geliştirilmesine katkıda bulundu. Savaştan sonra Kopenhag'a döndü ve burada 1962'de öldü.

26 Louis de Broglie Parçacık ve dalga ikiliği

27 Max Born, (11 Aralık Ocak 1970) # Alman teorik fizikçi.# # Görelilik, atom ve katı-hal fiziği, matris mekaniği, kuantum mekaniği, optik ve akışkanların kinetik teorisi gibi fiziğin birçok dalında önemli çalışmaları olmuştur. Doktorasını 1907 yılında Göttingen Üniversitesi'nden almıştır. Üstün matematik bilgi ve becerisini bu yıllarda asistanlığını yaptığı, büyük matematikçi David Hilbert'ten almıştır. Bu güçlü matematiksel temel, Heisenberg'in geliştirdiği kuantum mekaniğini matrislerle daha kolay bir şekilde ifade etmesini sağlamıştır yılında, Schrödinger'in dalga mekaniğini yayımlamasından hemen sonra Born, Schrödinger'in metotlarını atomik dağılıma uyguladı ve Born yakınsama metotlarını geliştirdi. Max Born

28 Paul Adrien Maurice Dirac (8 Ağustos Ekim 1984), İngiliz fizikçi ve matematikçi. Kuantum mekaniğinin kurucularındandır. Diğer önemli keşiflerinin yanında fermionların davranışını açıklayarak antimaddenin keşfine olanak veren ve kendi adı verilen Dirac denklemi'ni yaratmıştır. Dirac 1933 Nobel Fizik Ödülü'nü Erwin Schrödinger ile paylaşmıştır.

29 Werner Heisenberg Karl Werner Heisenberg, 5 Aralık 1901 Würzburg'da doğdu, 1 Şubat 1976 Münih'te öldü. Kendi ismiyle anılan Belirsizlik İlkesi'ni bulan Alman fizikçi, atom yapısı bilgisine katkılarından dolayı 1932 yılında fizik dalında Nobel Ödülü'ne layık görüldü. 1958'de, atomun içindeki temel parçacıkların yapısını izah eden, birleşik alan teorisinin formülünü ortaya koydu. Heisenberg, hiçbir fizik bilgininin açıklama yapamadığı bir konuyu da aydınlattı. Bu konu, atom çekirdek yapısına ait olup; Mezon Alan Teorisi olarak isimlendirilmiştir. Heisenberg'in açıkladığı bu fenomen şöyledir :

30 Avusturya asıllı Nobel Fizik Ödülü sahibi İsviçreli fizikçidir.# # Münih'te okuduktan sonra 1921 yılında Göttingen'de ve Kopenhag'da asistanlık yaptı. 1928'de Zürich Federal Politeknik okulunda teorik fizik profesörlüğüne tayin edildi. 1940'tan itibaren Princeton'da ders verdi ve 1946 yılında Zürih'e döndü. Heisenberg ile birlikte manyetik alanların kuvanta teorisini kurdu ve Kopenhag okulunun en ileri, en ünlü temsilcilerinden biri oldu. Pauli ilkesi de denilen ünlü ihraç ilkesini ortaya attı. Sonradan bu ilke, birleşme değerinin yorumuna ve iki cismin aynı anda aynı uzay parçası içinde bulunamayacağı kavramına yol açtı yılında Fermi ile nötrino'ların varlığını teorik olarak ispatladı. Bu hipotez çok daha sonraları deneysel yoldan ispatlanabildi. Pauli 1945 yılında Nobel Fizik Ödülüne layık görüldü. Wolfgang Pauli # (25 Nisan 1900, Viyana - 15 Aralık 1958, Zürih),

31 1924'te ortaya atılan, aynı uzay hücresinde (mesela atomda) bulunan spin'li taneciklerin gösterdiği bağdaşmazlıklarla ilgili ilkedir. Elektronlar, protonlar, nötronlar Pauli ilkesine uyar. Bu ilkeden elektronların bir atomun değişik enerji seviyelerindeki dağılışları, enerji seviyeleri arasında mümkün olan geçişler ve taneciklerin uyduğu istatistik hakkında temel sonuçlar çıkarılır. Buna Pauli dışlama prensibi de denir.

32 Erwin Schrödinger Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (12 Ağustos Ocak 1961), Avusturyalı fizikçi. Kuantum mekaniğine olan katkılarıyla, özellikle de 1933'te kendisine Nobel Ödülü kazandıran Schrödinger Denklemi'yle tanınır. Schrödinger'in Kedisi diye bilinen düşünce deneyini önermiştir. Schrödinger denklemi Kutu içinde bulunan detektör bir radyoaktivite algılarsa, şişe kırılarak zehir salınıyor ve kedi ölüyor. Kopenhag Quantum mekanik akımı, kutu açılmadan önce kedinin aynı anda hem ölü, hem de canlı olabileceğini öneriyor. Bir gözlemcinin kutuyu açarak sonucu gördüğü an, kedinin varlığı canlılık veya ölüm gerçeğinden birini seçmek durumunda kalıyor. Bu gözlem, kuantum örtüşmenin hangi anda sona erdiği ve gerçekliğin bir olasılıklardan birini seçerek gerçeğe çökeldiği sorusunu sordu.