Anasayfa » Genel » Merak Edilen Fizik Soruları ve Cevapları

Merak Edilen Fizik Soruları ve Cevapları

Fizik düşünce sınırlarını zorlayan bir bilim dalı. Kuramlar teoriler daha ispatlanmamış bir çok konuda merak edilen sorular…
Bu sorulardan bazılarını ve bu soruların cevaplarını yazımızda bulabilirsiniz.

1-) Paleomanyetizma nedir?
PaleomanyetizmaDünya üzerinde, hemen her dönemde meydana gelen yanardağ faaliyetleri sonucunda, demir mineralleri içeren ve mıknatıslanma özelliğine sahip olan kayaçlar oluşur. Yanardağ püskürtüeri ile açığa çıkan lavlar çok yüksek sıcaklıklarda olduğundan, yeryüzüne ulaştıkları anda herhangi bir manyetik alan özelliği taşımazlar. Ancak çok dar bir sıcaklık aralığından geçen demir molekülleri, belirli katmanlar arasında sıkışarak katılaşırlar. Katılaşmaları esnasında da, dünyanın o anki manyetik alan yönelimine göre bir dizilim gösterirler (kuzey-güney yönünde). Bilindiği gibi, dünyanın normal kuzey ve güney kutuplarının dışında, bir de manyetik kuzey ve güney kutupları vardır. İşte bu kayaçların çerisindeki mineral dizilimi de, katılaşma anındaki manyetik kuzey ve güney kutuplarının yönünü gösterir. Bir yanardağdan dikine kesit aldığımızda, lav katmanlarında bulunan demir kristallerinin manyetik kutup dizilimi tesbit edilebilir. Bunun sonucunda da, yanardağın faaliyete başladığı ilk andan itibaren dünyanın manyetik kutuplarında meydana gelen değişmeler saptanabilir.

Bu kuramın ortaya çıkmasından sonra dünyanın çeşitli yerlerinde, farklı katmanlar ile çalışmalar yapılmış ve dünyanın farklı dönemlerdeki manyetik kutup yönelimleri çıkarılmıştır. İncelenen katmanlardaki manyetik alan çizgilerinin, bugünkünden oldukça güçlü sapmalar gösteriyor olması (hatta 200 milyon yıl öncesinin manyetik kutuplarının, bugünkülerin tam ters yönünü göstermesi), başta bilim adamlarını oldukça şaşırtmıştır. Ancak çalışmalar devam ettikçe, kayan şeyin manyetik alanlar değil, kıtaların kendileri olduğu anlaşılmıştır. İşte bu nedenle paleomanyetizma, kıtaların kayması kuramının en güçlü desteklerinden birisi haline gelmiştir.

 

2-) Isınan hava neden yükselir?
isinan-havaBir gaz topluluğuna etki eden kuvvetler aşağı doğru yerçekimi ve yukarı doğru da gazın basıncıdır. (Yukarı çıkıldıkça hava basıncı düşer, dolayısıyla gaz moleküllerine yüksek basınçtan alçak basınca doğru bir kuvvet etki etmektedir.)
Gazın sıcaklığının her yerde aynı olduğu durumda, gaz üzerine etkiyen yerçekimi kuvveti ile basıncın yukarı doğru kuvveti eşitlenir ve havanın durağan olmasına neden olur. Şimdi, böyle bir hava kütlesinin bir bölgesinde sıcaklığın yükseldiğini varsayalım. Isınan havanın basıncı yükseldiği için, bu sıcak bölge genleşir. Kısa zaman içinde, sıcak havanın basıncı çevresiyle eşit hale gelir.
isinan-hava-yukselir-deneyiKısaca, durağan bir soğuk hava kütlesi içinde genleşmiş, yani daha az yoğun bir sıcak hava kütlesi oluşur. Bu kütleye basınçtan dolayı yukarı doğru etkiyen kuvvet, aynı hacme sahip soğuk havaya etkiyen kuvvetle aynıdır. Fakat, sıcak hava daha az yoğun olduğu için ve yerçekimi kuvveti gazın kütlesi ile doğru orantılı olduğu için, sıcak havaya etkiyen yerçekimi kuvveti daha azdır. Bu nedenle sıcak havaya etkiyen kuvvetler eşitlenmez ve yukarı doğru net bir kuvvet oluşur

 

3-) Dünya kendi ekseni etrafında saatte 1000 mil hızla dönüyor. Eğer bir otomobil ya da araç bu hızı aşabilirse ne olur?
Günümüzde bu hızı aşan uçaklar var. Ve gözlemlenen tek şey şu ki; pilot, güneşi Batı’dan doğup Doğu’dan batıyor olarak görür.
Dunya-Donus-Hizi

4-) Elektronların hızı yaklaşık olarak ne kadardır?
elektron-hareketiElektronlar çok çeşitli hızlara sahip olabilirler.

Düşük Hız: Bir elektrik telinden akım geçerken içinde elektronların hareket ettiğini biliyoruz. Elektronların bir tel içindeki hızları birçok insanı şaşırtacak derecededir. Mesela 2 mm çapında 10 A akım taşıyan bir bakır teldeki elektronların hızı saniyede ortalama 0.024 cm civarındadır.

Yüksek Hız: Bohr atom modelinde elektron çekirdeğin etrafında bir yörünge çizerek döner ve bu elektronun hızı yaklaşık saniyede 2,000,000 metredir. Yani ışık hızının % 1’i civarında.

Çok Yüksek Hız: Bir çekirdek bozunmasında açığa çıkan beta (elektron) parçacığının hızı ışık hızına çok yakındır (300,000,000 m/s). Bunun yanında büyük çekirdekli atomların (Uranyum) en iç yörüngesindeki elektronların hızı da ışık hızına yakındır.

 

5-) Boyumuzun uzunluğu yerin bize uyguladığı yerçekimi kuvvetini etkiler mi? Yani boyumuz uzun olursa daha mı az ya da daha mı çok yerçekimine maruz kalırız?
Bir insan boyu Dünya’nın yarıçapıyla kıyaslanamayacak kadar küçüktür. Aslında yerin çekiminden etkilenmemizi sağlayan en önemli faktör kütledir. Dolayısıyla uzun boylu insanlar, kütleleri daha fazla olduğu için yerçekiminden daha fazla etkilenirler.

 

6-) Yolcu uçaklarının uzun mesafeli uçuşlarında, Dünya’nın kendi ekseni çevresindeki dönüş yönü ve hızı uçuş süresini etkiler mi? Bir arkadaşım Türkiye’den ABD’ye gidiş süresinin dönüşten daha kısa olduğunu söyledi. Bu durum merak ettiğim konuyla ilgili mi?
ucak-dunyaBu soru sıkça sorulan fizik soruları arasında yer alıyor. Eskiden bir arkadaşım San Fransisco’dan New York’a 9 saatte gittiğini ve 3 saatte döndüğünü şaka yollu söyler dururdu. Aslında bu yolculuk normalde 6 saat sürüyor. Fakat bu iki şehir farklı zaman dilimlerindeler ve iki saat dilimi arasındaki fark 3 saat. Uçaktan indiğinizde de saatlerinizi ayarlamak zorunda kaldığınız için, kol saatiniz yolculuğun normalden daha uzun ya da daha kısa sürdüğü gibi yanlış bir imaj uyandırabiliyor. Arkadaşım New York’a 6 saatte gitmiş ve havaalanında saatini 3 saat ileri almış. Bu yüzden sanki 9 saat geçmiş gibi bir izlenim edinmiş. Eğer yazının devamını okursanız Ayhan’ın arkadaşının büyük bir olasılıkla böyle bir yanılgıya düşmüş olduğunu göreceksiniz.
Ama bu Ayhan’ın sorduğu soruya bir yanıt değil. Gerçekten Dünya’nın kendi ekseni etrafında dönüşü uçağın varış süresini gittiği yöne bağlı olarak etkiliyor mu etkilemiyor mu sorusu yanıtlanmaya değer.

Bu ve buna benzer bir çok soruda, vereceğimiz yanıtı daha da netleştirmek için sorudakine benzer değişik durumları incelemek genellikle iyi bir yöntem. Soruyu uçak yerine, araba için de sorabiliriz. Acaba iki şehir arasında biri doğuya diğeri batıya doğru hareket eden iki araba, varacakları yere birbirlerinden farklı sürelerde mi ulaşırlar ya da aynı yakıtı mı harcarlar?

Fizikte sıkça kullanılan “görelilik ilkesi” gereği yanıt her iki araba için aynı olmalı. Bu ilkeye göre sabit hızla hareket eden bir cismin içinde, örneğin bir trende, hareketler o cisme göre betimlenirse fizik kanunları aynı kalır. Yani bu trendeki fizikçiler trenin durduğunu varsayıp aynı sonuçlara ulaşabilirler. Yerde bütün yönlere doğru aynı güçlükle yürüdüğümüz gibi tren içinde de ileriye ya da geriye doğru yürürken bir fark hissetmeyiz. Arabalar da hareketleri için yerden kuvvet alırlar ve gidecekleri mesafe yere göre sabittir. Dünya’nın uzaydaki hareketinin bu tip olaylarda bir önemi yok.

Eğer bu cevap sizi ikna etmediyse, yerin Dünya’nın dönüşünden dolayı olan hareketinin hızını hesaplayın. Biz bunu Ankara için hesapladık ve saatte yaklaşık 1,300 km’lik bir hız bulduk! Bu kadar müthiş bir hızla hareket eden bir yer üzerinde saatte 100 km, en fazla 200 km hızla hareket eden arabalar bu hızdan etkileniyor olsalar, bu etki çok açık bir şekilde görünüyor olurdu. Hatta doğuya doğru değil yürümek, bir taşıtla bile gitmek imkansız olurdu!

Uçaklar da hareketleri için havadan kuvvet alırlar. Bu nedenle aynı yakıtı harcayarak havaya göre aynı hıza erişirler. Dünya dönerken etrafını saran havayı da kendisiyle beraber döndürüyor. Böyle olunca yerden bakan birine göre toprak gibi hava da hareketsizmiş gibi duruyor. Böylece aynı yakıtı harcayan uçakların hareketinde de Dünya’nın dönüşünün bir etkisinin olamayacağını rahatlıkla söyleyebiliriz. Kısaca tekrarlarsak, normal, rüzgârsız bir havada değişik yönlere giden uçaklar, havaya göre olduğu gibi yere göre de aynı hızla hareket ederler.

Rüzgârlı havalarda durum değişir. Eğer havaya göre aynı hızla giden uçakları düşünürseniz, (bu her uçak aynı yakıtı harcıyor demek) rüzgârla aynı yönde giden uçak yere göre daha hızlı gidiyordur; çünkü hem uçak havaya göre belli bir mesafe kat eder, hem de rüzgâr havayı ve içindeki uçağı bir miktar ileriye taşır. Uçak, rüzgâra ters yönde girmişse bu uçak yere göre daha yavaştır. Sonuç olarak şunu söyleyebiliriz. Eğer İstanbul’dan Ankara’ya doğru kuvvetlice bir rüzgâr esiyorsa, İstanbul-Ankara uçuşu daha kısa, Ankara-İstanbul uçuşu daha uzun sürer.

Rüzgârların belki de en ilginç olanı Jet-Stream diye adlandırılan ve yerden 10-30 km yukarıdan esen güçlü hava akımları. Bunlar sürekli aynı yönde, batıdan doğuya doğru ve saatte 100-400 km hızlarla esiyorlar. Yerden hissedilmeyen Jet-Stream ilk defa 2. Dünya Savaşı sırasında bombardıman uçakları tarafından keşfedildi. O zamandan beri bu rüzgârlar üzerinde yapılan çalışmalar bunların Dünya’nın dönüşünün etkisiyle basitçe açıklanamayacak bir şekilde oluştuğunu gösteriyor.

Normal yolcu uçakları havaya göre 800 km/saat hızla giderler. Eğer doğuya doğru uçan bir uçak 200 km/saat hızla esen bir Jet-Stream içine girerse yere göre hızı 1,000 km/saat olur. Eğer uçak ters yönde giderse bu defa hızı yere göre 600 km/saat olacaktır. Bu, yolculuk süresi ve uçağın harcadığı yakıt olarak %66’lık bir fark demek.

Yolcu uçaklarının bu rüzgâra ters yönde girmemek gibi bir alternatifleri yok. Uluslararası kurallar gereği uçaklar daha önceden belirlenmiş hava yollarını kullanabilirler ve ancak belli yüksekliklerde uçabilirler. Bu nedenle Jet-Stream’e ters yönde giren uçaklar da var. Yolculuk süresi de bu rüzgârın hızına bağlı olarak uzayıp kısalabiliyor.

Ayhan’ın sorduğu soruya geri dönersek, doğuya doğru olan yolculuklar daha kısa, batıya doğru olan yolculuklar daha uzun olmalı. Normalde Türkiye-New York seferi 11 saat sürüyor ve dönüş yolculuğuysa 9 saat. Jet-Stream hızlarında mevsimsel değişimlerle bu süreler değişebilir ama genel olarak bir fark olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Bu fark Ayhan’ın arkadaşının söylediğinin tam tersi olduğuna göre, ya arkadaşı farklı zaman dilimlerinden etkilenmiş ya da olay aktarılırken yönler ters aktarılmış olmalı.

 

7-) Bilindiği gibi -273 °C’de atomlar titreşme yapmazlar. Buna bağlı olarak da bu sıcaklıkta bir direnç göstermezler. Çünkü direnç, maddenin cinsine bağlı olduğu gibi sıcaklığa da bağlıdır. Kuantum fiziğinde bir molekülün [en düşük enerji seviyesinde bile bir titreşme hareketi yaptığını gördük] Ben buradan, cismin sıcaklığı ne olursa olsun, moleküllerinin her durumda bir enerjiye sahip olacağı anlamını çıkarıyorum. -273 °C’de bile bir molekül mutlaka titreşecektir. Titreştiğinden dolayı da bir dirence sahip olacaktır. Bu çelişkiyi nasıl açıklayabiliriz?
eksi300dereceİlk önce, her maddenin atomlarının en düşük sıcaklıkta bile bir titreşim hareketi yaptığını belirtmemiz gerekiyor. “Sıfır noktası hareketi” olarak adlandırılan bu olay tamamen bir kuantum etkisi. Bu hareketin varlığını anlamak için kuantum belirsizlik ilkesi kullanılıyor: Bir cismin hareket etmemesi hızının sıfır olması anlamına gelir, yani hızda herhangi bir belirsizlik yoktur. Belirsizlik ilkesine göre konum ve hızdaki belirsizliklerin çarpımı belli bir değerden büyük olmak zorunda. Bu durumda konumun belirsizliğinin sonsuz olması gerekir. Eğer elinizde tuttuğunuz bir maddenin atomlarının komşu galakside de bulunabilme olasılığının var olduğuna inanmıyorsanız, böyle bir şeyin olanaksız olduğunu çıkarırsınız. Yani, herhangi bir cismin durması, hangi şart altında olursa olsun, mümkün değildir.

Öte yandan, mutlak sıfır sıcaklığı (0 Kelvin ya da -273.15 °C), bir cismin sahip olabileceği en düşük sıcaklık anlamına geliyor. Bir cismin soğuması çevresine ısı vermesiyle mümkün olduğu için, cisim en düşük enerjiye sahip olduğu anda 0 Kelvin sıcaklığına erişmiş demektir. Artık bu noktadaki bir cismi daha da soğutmak mümkün değildir. Dikkat etmemiz gereken nokta, en düşük sıcaklığın sadece en düşük enerji anlamına gelmesidir, en düşük hareket değil. Mutlak sıfırdaki bir maddenin atomlarının yaptığı sıfır noktası hareketi bir kuantum etkisi olduğu için, hareketin varlığı cismin fiziksel özelliklerini çok küçük oranda değiştiriyor, ama bir çok durumda bu küçük oran ölçülebiliyor. Helyumun, (atmosfer basıncında) hiç bir sıcaklıkta donmamasının temel nedeni bu sıfır nokta hareketi.

Aynı hareketin atom içindeki elektronlarda da olduğunu belirtelim. Elektronlar en düşük enerji seviyesinde bulunduklarında bile elektronların çekirdek çevresinde dönme hareketleri devam eder.

Şimdi gelelim arkadaşımızın sorusunun en önemli kısmına. Madem her maddenin, 0 Kelvinde bile bir hareketi var, niye bu hareket bir dirence neden olmuyor? Bu soruya vereceğimiz yanıt, sıfır nokta hareketinin bildiğimiz anlamda hareketten oldukça farklı olduğunu gösteriyor. Şöyle bir düşünce deneyi yaptığımızı tasarlayalım: Bir atomu en düşük enerji seviyesine kadar soğuttunuz ve sıfır nokta hareketini ilk elden gözlemlemek üzere (her nasılsa) kendinizi küçülterek atoma yaklaştınız. Soru şu: atom titreştiğine göre, iyice yaklaştığınızda size çarpabilir mi?

Eğer söz konusu olan makroskobik bir makine olsaydı fazla yaklaşmamanızı tavsiye ederdik. Ama, en düşük enerji seviyesinde olan bu atom için böyle bir tavsiyeye ihtiyacınız yok. Çünkü bu atomun size çarpması, hareketinin, dolayısıyla enerjisinin bir kısmını size aktarması anlamına geliyor. Atomun size aktarabileceği enerjisi olmadığı için size çarpması mümkün değil. Başka bir şekilde söylemek gerekirse, sıfır noktası hareketi öyle bir hareket ki, varlığı ile yokluğu arasındaki farkı anlamak olanaksız.

Şimdi mutlak sıfır sıcaklığındaki bir metalin neden sıfır dirence sahip olduğunu açıklayabiliriz. Atomların titreşimlerinden kaynaklanan direncin temel nedeni, akım taşıyan elektronların atomlara “çarparak” hareket yönlerini değiştirmesi. Bu çarpışmalar ne kadar fazlaysa ve ne kadar büyük oranda yön değiştiriyorsa direnç o kadar büyük olur. Çünkü, metalin içinden geçmeye çalışan elektronların sadece küçük bir kısmı metali boydan boya geçebilir.

Elektronlarla atomların “çarpışması” iki değişik şekilde mümkün olur. Birinci yolda, elektron enerjisinin bir kısmını atoma verebilir. Bu olayın gerçekleşebilmesi için, elektronun yeteri kadar fazla enerjisi olması gerekir. Çünkü, atom bir üst enerji seviyesine çıkabilmek için belli bir miktar enerjiye ihtiyaç duyar. Eğer elektronda bu kadar enerji yoksa, bu olay gerçekleşemez. Elektronların sahip oldukları enerji, metale uygulanan voltajla orantılı olduğu için, ve genellikle direnç ölçümlerinde düşük voltajlar kullanıldığı için bu tip olaylar çok düşük bir oranda gerçekleşir. (Direnç voltajla akımın oranı olduğu için, voltajı ne kadar küçük seçerseniz seçin direnç değişmez.) Dolayısıyla direnç bu tip “çarpışmalardan” kaynaklanmıyor.

İkinci yolda, elektron atomdan bir miktar enerji alabilir. Daha yüksek bir enerjiye sahip olan elektron bir süre hareket ettikten sonra bu fazla enerjiyi başka bir atoma verir ve ikinci bir saçılma gerçekleşir. Bu olay dizisinin gerçekleşebilmesi için, enerji veren atomun en düşük enerji seviyesinde olmaması lazımdır. Dolayısıyla sıfır nokta hareketi yapan atomlar, kesinlikle böyle bir olaya karışmazlar. Oda sıcaklığındaki metallerin direnci temelde bu tip çarpışmalardan kaynaklanır.

Mutlak sıfır sıcaklığına sahip bir metalden geçen düşük enerjili bir elektron, atomlarla her iki şekilde de “çarpışamayacağı” için, saçılmadan yoluna devam eder. Sonuç: sıfır direnç.

Atomların titreşimleri, metallerde dirence neden olan tek etmen değil. Metal içindeki yabancı atomlar, kristal yapıdaki düzensizlikler, hatta maddenin bir dış yüzeyinin varlığı bile düşük sıcaklıklarda bir direncin ortaya çıkmasına neden olurlar. Fakat oda sıcaklığındaki bir metalde dirence neden olan en büyük etmen atomik titreşimlerdir. Mutlak sıfır civarındaki düşük sıcaklıklarda, bu etmen, yukarıda açıkladığımız nedenden dolayı tamamen ortadan kayboluyor.

Aynı hareketin atom içindeki elektronlarda da olduğunu belirtelim. Elektronlar en düşük enerji seviyesinde bulunduklarında bile elektronların çekirdek çevresinde dönme hareketleri devam eder.

Şimdi gelelim arkadaşımızın sorusunun en önemli kısmına. Madem her maddenin, 0 Kelvinde bile bir hareketi var, niye bu hareket bir dirence neden olmuyor? Bu soruya vereceğimiz yanıt, sıfır nokta hareketinin bildiğimiz anlamda hareketten oldukça farklı olduğunu gösteriyor.

Şöyle bir düşünce deneyi yaptığımızı tasarlayalım: Bir atomu en düşük enerji seviyesine kadar soğuttunuz ve sıfır nokta hareketini ilk elden gözlemlemek üzere (her nasılsa) kendinizi küçülterek atoma yaklaştınız. Soru şu: atom titreştiğine göre, iyice yaklaştığınızda size çarpabilir mi?

Eğer söz konusu olan makroskobik bir makine olsaydı fazla yaklaşmamanızı tavsiye ederdik. Ama, en düşük enerji seviyesinde olan bu atom için böyle bir tavsiyeye ihtiyacınız yok. Çünkü bu atomun size çarpması, hareketinin, dolayısıyla enerjisinin bir kısmını size aktarması anlamına geliyor. Atomun size aktarabileceği enerjisi olmadığı için size çarpması mümkün değil. Başka bir şekilde söylemek gerekirse, sıfır noktası hareketi öyle bir hareket ki, varlığı ile yokluğu arasındaki farkı anlamak olanaksız.

Şimdi mutlak sıfır sıcaklığındaki bir metalin neden sıfır dirence sahip olduğunu açıklayabiliriz. Atomların titreşimlerinden kaynaklanan direncin temel nedeni, akım taşıyan elektronların atomlara “çarparak” hareket yönlerini değiştirmesi. Bu çarpışmalar ne kadar fazlaysa ve ne kadar büyük oranda yön değiştiriyorsa direnç o kadar büyük olur. Çünkü, metalin içinden geçmeye çalışan elektronların sadece küçük bir kısmı metali boydan boya geçebilir.

Elektronlarla atomların “çarpışması” iki değişik şekilde mümkün olur. Birinci yolda, elektron enerjisinin bir kısmını atoma verebilir. Bu olayın gerçekleşebilmesi için, elektronun yeteri kadar fazla enerjisi olması gerekir. Çünkü, atom bir üst enerji seviyesine çıkabilmek için belli bir miktar enerjiye ihtiyaç duyar. Eğer elektronda bu kadar enerji yoksa, bu olay gerçekleşemez. Elektronların sahip oldukları enerji, metale uygulanan voltajla orantılı olduğu için, ve genellikle direnç ölçümlerinde düşük voltajlar kullanıldığı için bu tip olaylar çok düşük bir oranda gerçekleşir. (Direnç voltajla akımın oranı olduğu için, voltajı ne kadar küçük seçerseniz seçin direnç değişmez.) Dolayısıyla direnç bu tip “çarpışmalardan” kaynaklanmıyor.

İkinci yolda, elektron atomdan bir miktar enerji alabilir. Daha yüksek bir enerjiye sahip olan elektron bir süre hareket ettikten sonra bu fazla enerjiyi başka bir atoma verir ve ikinci bir saçılma gerçekleşir. Bu olay dizisinin gerçekleşebilmesi
için, enerji veren atomun en düşük enerji seviyesinde olmaması lazımdır. Dolayısıyla sıfır nokta hareketi yapan atomlar, kesinlikle böyle bir olaya karışmazlar. Oda sıcaklığındaki metallerin direnci temelde bu tip çarpışmalardan kaynaklanır.

Mutlak sıfır sıcaklığına sahip bir metalden geçen düşük enerjili bir elektron, atomlarla her iki şekilde de “çarpışamayacağı” için, saçılmadan yoluna devam eder. Sonuç: sıfır direnç.

Atomların titreşimleri, metallerde dirence neden olan tek etmen değil. Metal içindeki yabancı atomlar, kristal yapıdaki düzensizlikler, hatta maddenin bir dış yüzeyinin varlığı bile düşük sıcaklıklarda bir direncin ortaya çıkmasına neden olurlar. Fakat oda sıcaklığındaki bir metalde dirence neden olan en büyük etmen atomik titreşimlerdir. Mutlak sıfır civarındaki düşük sıcaklıklarda, bu etmen, yukarıda açıkladığımız nedenden dolayı tamamen ortadan kayboluyor.

 

8 -) Sadece tek tarafını gösteren camlar nasıl yapılıyor?
camBu camların çalışma prensibi, bildiğimiz tül perdelerin çalışma prensibiyle aynı. Yani bu camların iki yüzü arasında bir fark yok. Bu noktanın daha iyi anlaşılması için “üzerine düşen ışığı, düştüğü yüze göre farklı oranlarda geçiren bir cam yapmak mümkün mü?” sorusunun detaylı yanıtlayalım. Fiziğin temel yasalarından birisi olan termodinamiğin ikinci yasası bu soruya “kesinlikle hayır!” yanıtını veriyor.

Bu yasanın değişik ifade edilme tarzlarından bir tanesi şöyle der: “Evrende başka hiçbir şeyi değiştirmeden, soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı sağlamak mümkün değildir”. Buradaki “Evrende başka hiçbir şeyi değiştirmeden” ifadesi önemli. Aksi takdirde, yasanın çay demlemek için su ısıtmanın bile imkansız olduğunu söylediği anlamı çıkardı.

Işığı tek yönde geçiren, ya da farklı yönlerde değişik oranlarda geçiren camlardan yapmak mümkün olsaydı, bu camları ikinci yasayı ihlal etmek için kullanabilirdik. Bunu göstermek için bir düşünce deneyi tasarlamamız yeterli. Eğer elimizde ışığı tek yönde geçiren, diğer yönde kesinlikle geçirmeyen bir cam varsa, duvarları ışığı mükemmel yansıtan aynalarla kaplanmış bir odayı bu camla ikiye bölüp, ışığın geçtiği taraftaki odaya sıcak bir çay, diğer odaya da buzlu su koyabiliriz.

Buradaki kilit nokta, her cismin sürekli ışık (daha doğru bir terimle elektro-manyetik dalga) yayınladığı gerçeği. Cismi oluşturan atomlar ve bu atomlardaki elektronlar sürekli hareket halindedir. Bu parçacıklar çoğunlukla en düşük enerji seviyelerinde bulunurlar, ama önemli bir kısmı uyarılmış seviyelerdedir. Bu uyarılmış elektronlar daha düşük enerji seviyelerine döndükçe, aradaki enerji farkını ışık olarak yayınlarlar. Bir başka deyişle cisimler ışıyarak soğurlar. Cisim ne kadar sıcaksa, bu yayınlanan ışık o kadar çok enerji taşır. Köz halindeki bir odunun bu nedenle parlak olduğunu ve sizi ısıtmaya devam ettiğini burada ekleyelim.

Düşünce deneyimizdeki buzlu su da, bize göre soğuk olmasına karşın bir miktarışık yayar. Soğuk olduğundan dolayı, bu ışığın enerji yoğunluğu çayınkine göredaha azdır; ama bu o kadar önemli değil. Buzlu sudan yayılan ışığın bir kısmıözel camımızdan geçerek, çay tarafından soğurulur. Böylece ışıma yoluyla çayaısı aktarılmış olur. Çaydan yayınlanan ışınlarsa, camı geçemez ve aynı bölmedekalır (ve çay tarafından tekrar soğurulur). Böylece, buzlu su enerji kaybederekgittikçe soğur, çaysa gittikçe ısınır. Hatta biraz sabırlı davranıp beklersek(bir iki yıl gibi), buzlu suyun tamamen donup soğumaya devam ettiği, çayınsabuharlaşıp gittikçe daha çok ısındığını da gözlememiz mümkün.

Böylece, ikinci yasanın mümkün olmadığını söylediği şeyi, yani evrende başkabir şeyi değiştirmeden, hatta kendiliğinden, ısının soğuk bir cisimden sıcakbir cisme akmasını sağlamış oluruz. Termodinamiğin ikinci yasası oldukça sağlamtemeller üzerine oturduğundan, bu noktada sadece tek yöne ışık geçiren camların yapılmasının mümkün olmadığını kabul etmekten başka yapacak şeyimiz yok!

Aynı argümanı her iki yönde ama farklı oranlarda geçirgen olan camlar için yürütmekmümkün. Örneğin bu özel cam sağdan sola doğru gitmek isteyen ışığın sadece %50’sinigeçirsin, soldan sağa yönelen ışığınsa %50.001’ini geçirsin. Aradaki farkın ne kadar küçük olduğu önemli değil. Eğer geçirgenlik oranları arasında bir farkvarsa, bu farkı kullanarak ikinci yasayı alt etmek mümkün.

Argümanı daha rahat görmek için iki odaya da aynı sıcaklıkta iki özdeş cisimkoyalım. Aynı sıcaklıkta bulunan cisimler aynı miktarda enerjiyi ışık olarakyayarlar. Fakat soldan sağa aktarılan enerji sağdan sola aktarılandan bir miktarfazla olduğundan sağdaki cisim biraz ısınıp, soldaki biraz soğur. Bir süre sonra,ısınan cisim daha fazla, soğuyansa daha az enerji yayacağından, cam üzerindendeğişik yönlere giden ışığın taşıdığı enerjiler eşitlenir ve net ısı transferidurur. İki odalı sistemimiz bu noktada dengeye gelir. Bu son durumda sağ odadaki cisim soldakinden biraz daha sıcaktır. Önceki durumda olduğu gibi aşırı soğumave ısınma söz konusu değil ama bu bile ikinci yasaya aykırı.

Bu camları kullanarak büyük sıcaklık farkları elde etmek de mümkün. Tek yapmanızgereken şey, odacıkların sayısını mümkün olduğu kadar artırmak. Böylece, iki ardışık odadaki sıcaklık farkı düşük olmasına rağmen, en uçtaki odaların sıcaklıklarıbüyük oranda farklı olacaktır.

Sonuç olarak, bir camın, ya da herhangi bir cismin farklı yönlere farklı oranlardageçirgen olması ikinci yasaya aykırı. Eğer camınız soldan sağa %50.001 oranında ışık geçiriyorsa, sağdan sola da %50.001 oranında geçirmesi lazım. Ne birazaz ne de biraz fazla! İkinci yasanın saydamlık hakkında bu derece güçlü şeyler söyleyebilmesi gerçekten çok ilginç.

Peki madem bu tip camlar fiziğe aykırı, o halde bu camlar nasıl işliyor? Bunabasitçe “göz aldanması” diyebiliriz. Gözümüzün müthiş yeteneklerinden birisi değişik ışık seviyelerine kendisini ayarlayabilmesi. Gündüz çok parlakkende, gece karanlığında da görme işlevini yerine getirebiliyor. Parlak bir ışıkkaynağının yanında zayıf bir ışık kaynağı varsa, göz kendini parlak olan ışığagöre ayarlar ve zayıf ışığı fark etmemiz olanaksızlaşır. Bu nedenle gündüz vakti yıldızları göremiyoruz. Halbuki yıldızlardan gelen ışık gündüz de gece de aynı parlaklığa sahip.

Yabancı filmlerde gördüğümüz sorgu odalarında camın ayırdığı odalardan birikaranlık diğeri de aydınlık tutuluyor. Camın özelliği, üzerine gelen ışığınçoğunu yansıtması ve çok az bir kısmını geçirmesi. Aydınlık odada bulunan kişi, aynadaki kendi parlak görüntüsünden düğer odadan gelen ışığı seçemiyor. Bu kadarbasit. Aynı işi bir tül perde de rahatlıkla yapıyor.

tektaraf1
Resim1: Eğer cam ışığı sadece sağa geçiriyorsa, sağ odacığa ısı aktarımıolur.

tektaraf2
Resim2: Cam sağa daha fazla oranda ışık geçiriyorsa, denge durumundasağdaki cisim daha sıcak olacaktır.

tektaraf3

 

9-) Hız zamana bölünmüş mesafedir.
Einstein hızın aynı olması için mesafe ve zamanın FARKLI olması gerektiğini düşündü. Bu da zamanda kuşkulu bir şeyler olduğunu gösterdi. Bana göre zaman ve mesafenin farklı olması gerekmiyor. Başka bir deyişle Einstein’ın ışık hızının mutlak, uzay ve zaman aralıklarının izafi olduğunu düşünmesi bana çok ters düşüyor. Şöyle ki Newton kuralları daha geçerli gibi gözüküyor: zaman ve mesafe aralıkları mutlaktır ve ışık hızı izafidir. Bunun açıklamasını da Einstein’ın kendi verdiği bir örnekle gösterebilirim. Elimizde bir yolcu vagonu olsun ve vagonun ortasında bir adam olsun, bu adamın elinde her iki tarafa aynı anda ışık saçabilen bir alet olsun. Adam aletin düğmesine bastığında vagonun sonundaki kapı ile başındaki kapıya ışık ulaştığında kapılar açılsın. Bu adamı da dışarıdan izleyebilen başka bir adam olsun. Şimdi tren giderken adam bu aletin düğmesine bastığında kapılar trenin içindeki adama göre aynı anda açılır ama dışarıdaki gözlemciye göre arka kapı daha önce açılır. Burada göreceli bir kavram söz konusu. Şimdi Einstein’ın söylediğiyle ne kadar tezat olduğunu göstermek ve sorumu sormak istiyorum. Albert Einstein diyor ki: Işık nasıl yayılırsa yayılsın hareket eden kişi de duran kişi de ışığı aynı hızda gittiğini görür. Burada durmak istiyorum. Tren örneğine dönelim: Trenin dışındaki gözlemci arka kapının daha erken açıldığını görüyor; bu durumda Einstein’ın söylediği gibi ışık hızı herkes için aynıdır yargısı yok oluyor. Eğer aynı olsaydı dışardan trene bakan kişi de kapıların aynı anda açıldığını görmüş olmaz mıydı? Bir şey daha söylemek istiyorum. Diyelim ki ışık hızından 6.279mil/sn hızla daha yavaş giden bir araçta olduğumuzu düşünelim ve arkamızdan ışık ışını yollansın. Bu durumda ben Einstein’ın dediği gibi ışığın hızını 186.279mil/sn mi? yoksa Newton’un dediği gibi 186.279-180=6.279mil/sn olarak mı görürüm?

Newton’un kuralları (daha doğrusu Galileo’nun kuralları) bize normal gelsede, doğanın bizim düşündüğümüz gibi çalışması zorunluluğu yok. Şüphesiz Einsteinda eski zaman kavramının anlaşılmasını daha kolay bulmuştur. Ne var ki, 19.yüzyılın sonlarında yapılan bir çok deney işlerin bu kadar basit olmadığınısöylüyordu.

Önce “hızların eklenmesi yasasından” başlayalım. Bu Galileo’nun ünlügörelilik yasası. “Dünya dönüyor” dedikçe, “o zaman niye bıraktığımızbir taş düşerken yana savrulmuyor?” gibi itirazlar sürekli geldiği için,Galileo görelilik yasasını geliştirmek zorunda kalmıştı. Bugün bu yasayı anlamaktazorlanmıyoruz. Eğer 1 m/sn hızla gidiyorsanız ve ileriye doğru 2 m/sn hızlabir taş atarsanız, taş 3 m/sn hızla gider. 19. yüzyılın sonunda, birçok bilimadamı bu yasayı kullanarak Dünya’nın uzaydaki hızının bulunabileceğini düşündüler.

hizzaman1

Dünya Güneş çevresinde dönerken, saniyede 30 km.lik bir hız yapıyor (bu ışığınboşluktaki hızının 10,000’de biri). Güneş’in de bir hızı olduğunu düşünürsek,Dünyanın “gerçek” hızı, hangi yöne doğru gittiğine bağlı olarak bundanfazla ya da az olabilir. Galileo’nun görelilik yasasına göre Dünya’dan yayılanışık, Dünya’yla aynı yönde gidiyorsa biraz hızlanmalı, ters yönde gidiyorsada biraz yavaşlamalı. Hızda 10,000’de birlik bir değişme pek fazla olmasa gerek.Işık 1 metre kadar bir mesafe kat etmişse, normalden 0.1 mm civarında bir ilerlemeya da gecikme söz konusu demektir. Bu pek ölçülebilir bir uzaklık gibi görünmüyor. Ama ışığın dalga yapısı düşünüldüğünde, 0.1 mm ışığın yarım mikron civarındaolan dalga boyundan çok fazla olduğu için, bu kadar bir fark bile 19. yüzyılın basit aletleriyle ölçülebilir.

Bu deneylerden en ünlüsü olan Michelson ve Morley deneyi yapıldığında Dünya’nınhareket etmediği gibi bir sonuç ortaya çıktı! Dünya Güneş çevresinde dönerkenhız yönünü sürekli değiştirdiği için, Güneş’in hızını da hesaba katarak, uzayda hareket ederken en azından bir anlık dursa bile diğer zamanlarda saniyede 30km mertebesinde bir hıza sahip olması gerektiğini rahatlıkla söyleyebiliriz.Dünya’nın hızı sürekli değiştiğine göre sorun Dünya’nın hareketinde değil, Galileo’nun görelilik ilkesinde olmalı. Dünya hangi hızla hareket ederse etsin, sanki Dünyayerinde duruyormuş gibi ışık her yöne eşit hızla yayılıyor.

Sorunun ışığın kendisinde değil, boşluktaki hızında olduğu da anlaşıldı. Örneğin,ışık suda yayılırken 1.5 kat daha yavaş hareket ettiğini biliyoruz. Akan birsu içinde ışığın hızı ölçüldüğü zaman beklenen oluyor. Işık suyla aynı yöndegidiyorsa biraz daha hızlı, ters yönde gidiyorsa biraz daha yavaş gidiyor. (Tabi burada Galileo’nun hızların eklenmesi yasasının yanlış olduğu görülmeye başlıyor.) Bu deney, garip olan şeyin ışığın “fiziksel yapısı” olmayıp, boşluktayayılırken gitmeyi tercih ettiği hızda olduğunu gösteriyor. Örneğin nötrinodediğimiz parçacıklar, bir olasılıkla ışık hızıyla hareket ediyorlar. Eğer aynı deney nötrinolarla yapılsaydı aynı sonuçlar bulunurdu.

Buna benzer bir çok deney, ışığın boşlukta yayıldığı hızın, nerede ölçülürseölçülsün aynı olduğunu söylüyordu. Eğer deney sizin kuramlarınıza aykırı birşey söylüyorsa, kuramlarınızın, belki de bu kuramların kullandığı kavramların yanlış olduğu kesin. Zamanın bir çok ünlü beyni bu problem üzerinde uğraşmış, ama ancak Einstein yeni kavramlarla geldiğinde problem tam ve çelişkisiz olarak çözülebilmiş.

Einstein, bu problemi çözmek için iki varsayımdan hareket ediyor. İlk olarak, Galileo’nun görelilik yasasını özde kabul ederek, detayda yanlış olabileceğini düşünüyor. Yani, hareket eden bir cismin (örneğin trenin) içinde yapılan birdeney, cisim dururken yapılsa da aynı sonuçları verir. Böylece, Galileo’nun istediği oluyor: Piza kulesinden bırakılan taşlar, bu yeni görelilik ilkesinegöre de yana savrulmuyor. Fakat “hızların eklenmesi yasası” büyük bir olasılıkla geçerli değil. Varsayımın en önemli sonucu, Dünya’nın hızını Dünya’dayken ölçmemizin artık mümkün olmaması.

Einstein’ın kabul ettiği ikinci varsayım, bütün deneylerin söylediklerini kabul etmek oluyor. Yani, kim tarafından ölçülürse ölçülsün, ışığın boşluktaki hızı aynıdır.

Bu iki basit varsayım, biri görelilik ilkesi, diğeriyse önemli bir deney sonucu,yüksek hızlardaki bu gizemi çözmek için yeterli. Fakat artık o iyi bildiğimizi sandığımız uzay-zaman kavramlarından vazgeçmemiz gerekiyor.

Tren örneğindeki kapıların açılması, zaman kavramında nelerden vazgeçmemiz için iyi bir örnek. Trendekine göre kapılar aynı anda açıldığı halde, dışardakine göre kapılar farklı zamanlarda açılıyor. Böylece, günlük deneyimlerimizle sorgulamadan kabul ettiğimiz bir eşzamanlılık kavramının artık geçerli olmadığını görüyoruz. İki farklı olayın, aynı zamanda olup olmaması gözlemciden gözlemciye değişen,göreli bir olgudur. Bu zaman kavramının mutlak olmadığını, yani her olayın nezaman olduğunu söyleyecek kesin bir zamanının olmadığını söylüyor. Kabul etmesibiraz zor, ama ne yazık ki doğa bu şekilde işliyor. Onun ne dediğini kabul etmektenbaşka bir çaremiz yok.

 

10-) Herkes en düşük sıcaklık noktasını bilir: -273 derecedir. Benim merak ettiğim en yüksek sıcaklık noktası. -273 derecedeki bir maddenin molekülleri hareketsizdir. Bu maddeye ısı verelim, moleküller titreme hareketi yapacak, hareketlenmeye başlayacak. Isıyı arttıralım. Her hal değişiminde moleküllerin hızları sürekli artacak, öyle değil mi? Bu madde en son gaz halindeydi. Sürekli ısı vermeye devam edelim. Herhalde bu artış sonsuza doğru sürecek değil. Ben şöyle düşünüyorum: Einstein’ın teorisine göre hiç bir madde ışıktan daha hızlı gidemez. O halde bu moleküllerin hızları 300,000 km/sn’yi geçemeyecek. Yani en üst sıcaklık noktası belirmektedir. Ya sizce?

eksi300dereceBir maddenin sıcaklığı moleküllerinin hızından çok sahip oldukları ortalama enerjiyle ilgili olduğu için bu sorunun yanıtı hayır. Maddeyi ısıtmaya devamettiğiniz sürece sıcaklığı artacaktır.

Bu anlamda bir cismin hızının ışık hızı ile sınırlı olması oldukça aldatıcı. Konuyu görelilik kuramının bize kazandırdığı kütle ile enerjinin eşdeğerliliğikavramıyla daha iyi anlamak mümkün. Ünlü E=mc2 formülü kütle ve enerji ölçümlerininarasındaki ilişkiyi veriyor. Böylece, örneğin bir gram suyu bir derece ısıttığınızdaenerjisinin 1 kalori arttığını söyleyebileceğiniz gibi, kütlesinin de 4.7 x 10-17 kg arttığını da söyleyebilirsiniz.

Bir cismi hızlandırmak için cisme vermek zorunda kaldığımız enerji için de aynışey geçerli. Kinetik enerji olarak adlandırılan bu enerji türünün de bir kütlesi olduğundan, cisim hızlandıkça kütlesi de artar. Bu nokta çok önemli. Çünkü kütle, eylemsizliğin, yani hareketteki değişimlere karşı cisimlerin direncinin bir ölçüsü. Öyleyse, görelilik kuramına göre hareketli bir cismi hızlandırmak içindaha fazla enerji harcamalıyız: Hem cismin orijinal kütlesi için hem de yeniden hızlandırmadan önce var olan kinetik enerjinin kütle eşdeğeri için.

Olayı biraz daha netleştirmek için bir oyuna benzetme yapabiliriz (en azından deneyebiliriz). Elinizde bir çuvalla, bol çakıllı geniş bir alanda bulunuyorsunuz. Oyunun tek kuralı, her adım attığınızda yerden bir çakıl alıp çuvala atmak. Doğal olarak taşıdığınız yük arttıkça adım atmanız zorlaşıyor ve adım boyunuz küçülüyor. Soru şu: istediğiniz kadar uzağa gidebilir misiniz? Eğer çok uzakta bir noktayı hedef olarak seçmişseniz oraya kadar gitmeniz mümkün olmayabilir. Bir süre sonra yükünüz o kadar ağırlaşır ki adım atmanız ya da çuvalı sürüklemeniz imkansızlaşabilir. Kısacası bu oyunda gidebileceğiniz maksimum uzaklık kendiliğinden ortaya çıkıyor. Buna rağmen çuvalı istediğiniz kadar doldurabilir misiniz? Eğer çuvalınız yeteri kadar büyükse bu soruya yanıt evet olacaktır. Yani mesafe içinbir sınır olmasına karşın yük için bir sınır yok.

Parçacık hızlandırma oyunu yukarıdaki oyuna (tamamen olmasa bile) oldukça benziyor. Sonuçta ulaşamayacağınız bir en yüksek hız, ışık hızı, ortaya çıkıyor. Bu hıza istediğiniz kadar yaklaşabilirsiniz ama ulaşmanız ve geçmeniz mümkün değil. Üstelik taşınan çakıllara benzetebileceğimiz enerjiyi istediğiniz kadar artırabilirsiniz. Işık hızına erişmeniz sonsuz enerji gerektirdiği için, evrende de büyük olasılıkla sonlu miktarda enerji (kütle) olduğu için pratikte ve kuramda mümkün değil.

Modern parçacık hızlandırıcılar yukarıdaki oyuna oldukça benzer bir şekilde çalışıyorlar. Örneğin protonları hızlandırmak için, parçacıklar bir elektrik geriliminin yaratıldığı bir bölgeden geçiriliyor. Protonlar 1 voltluk bir gerilim farkını atlamak zorunda bırakılırsa enerjileri 1 eV (elektron volt) artar. Bu sonuç protonun hızına bağlı değil. Eğer protonları döndürüp dolaştırıp aynı bölgeden defalarca geçirebilirseniz, enerjilerini istediğiniz kadar artırabilirsiniz.

Örneğin, Fermilab’daki Tevatron’dan çıkan protonlar 800 GeV’luk inanılmaz bir enerjiye sahipler (GeV=giga eV=109 eV). Bu 0.983 GeV olan protonun durağan kütlesinin(enerjisinin) 850 katı kadar! Bu durumda protonların hızı ışık hızının %99.99993’üne eşit. Bu kadar hızlı protonları daha da hızlandırmak mümkün. CERN’de 2005 yılında tamamlanması planlanan ‘Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ (Large Hadron Collider, LHC) 14 TeV’luk protonlar üretecek (TeV=tera eV=1012 eV). Bu Fermilab’dakilerden yaklaşık 17 kat fazla bir enerji demek. Çıkan protonların hızıysa ışık hızının %99.9999997’sine eşit olacak.

Bu kadar büyük enerji farkı olduğu durumda hızların birbirlerine çok yakın görünmesinin ne kadar aldatıcı olduğunu bir örnekle daha iyi anlayabiliriz. Bu hızlandırıcılardan çıkan protonları uygun bir kapta topladığınızı varsayalım. Elinizde bir Fermilabkabı bir de CERN kabı olsun. Hangi kaptaki proton gazının daha sıcak olduğunu anlamak için klasik bir yöntemi denemeye karar verdiniz: Bir elinizi bir kaba, diğer elinizi diğer kaba soktunuz. Hangi eliniz daha çok yanar?

Yanma, bir başka ifadeyle vücudunuzun kimyasal maddesindeki hasar, protonların size enerjilerinin ne kadarını aktardıklarıyla doğru orantılıdır. Yani dahafazla enerjisi olan protonlar elinizi daha çok yakacaktır. Hatta, elinizin protonları tamamen soğurduğunu düşünürsek, CERN’den gelen kaptaki protonların Fermilab’dan gelenlere oranla 17 kat daha fazla yaktığını da söylemek mümkün. Uzun lafın kısası, hızın önemi yok, CERN kabı çok daha sıcak.

Bu kadar yüksek enerjiye sahip protonlar normalde 10 15 derece sıcaklığında ortaya çıkabilirler. Bu sıcaklık derecesi ve hatta daha yüksek sıcaklıklar evrenimizi meydana getiren büyük patlamanın ilk anlarında oluşmuştu. Zaten, hızlandırıcılarla bu kadar yüksek enerjilere ulaşılmasının bir amacı da büyük patlamanın bu evresinde neler olup bittiğinin ve günümüz evrenini nasıl etkilediğinin anlaşılması.

 

11-) Mıknatıs, demir, kobalt vb. metalleri neden çekmektedir? Ayrıca, mıknatısın çekim etkisinin, çok yüksek sıcaklıklarda erimiş haldeki bu tür metallere karşı zayıfladığı (hatta yok olduğu) söylenmektedir. Neden? Erimiş haldeki bu tür metallerin mıknatıs tarafından çekilebilmesi için ne yapmak lazım? (Mesela , mıknatısın gücünü arttırmak veya erimiş haldeki bu metallere elektron bombardımanı uygulamak çözüm olabilir mi?)

miknatisMaddelerin manyetik özellikleri o kadar karışık bir konu ki, birinci sorudaki”neden” çok uzun bir yanıt gerektiriyor. Burada soruyu “bir mıknatısneleri çeker?” olarak değiştirip aşağıdaki açıklamalarda mümkün olduğukadar, mıknatıslığa neden olan mikroskobik mekanizmalardan bahsetmemeyi uygunbulduk.

Demirle mıknatıslık arasındaki bağlantı iyi bilinir. Bu nedenle mıknatıslıközelliği gösteren maddelere “demire benzer manyetik özellikleri olan”anlamında ferromanyet deniyor. Bilinen ferromanyetler arasında tek bir elementtenoluşan demir, nikel, kobalt ve gadolinyum metalleri ve iki ya da daha fazlaelementten oluşan yüzlerce bileşik madde var. Bunlar arasında manyetit, Fe3O4,en iyi bilineni. Ferromanyetlerde manyetik alan, atomların içindeki elektronlarınçekirdek etrafında ve kendi etraflarında dönmeleri sonucu oluşur. Bu maddelerinparalel doğrultuda yönelmiş atomik mıknatısların birleşmesinden oluştuğunu düşünebiliriz.

Demirden yapılmış bir mıknatısla, yine demirden yapılmış ama mıknatıslık özelliğiolmayan bir çivi arasında atomik ölçekte herhangi bir fark yok. Çivinin manyetiközelliğini gizleyen şey, bu maddenin binlerce küçük manyetik bölgeye bölünmüş olması. Her bir bölge mıknatıslık doğrultusu aynı yönde olan atomlardan oluşuyorve bölgenin bildiğimiz anlamda bir mıknatıstan farkı yok. Fakat her bölgeninyarattığı manyetik alan, diğer bölgelerin yarattığı alanlar tarafından zayıflatıldığı için, çivinin dışarısında gözlemlenebilir bir manyetik alan oluşamıyor. Birmıknatısın bu çividen farkı, ya tek bir bölgeden oluşması ya da bir doğrultudakibölgelerin hacminin diğerlerinden fazla olması. Bu sayede dışarıda net bir manyetik alan oluşabiliyor.

Mıknatıslanmamış bir çivi bir manyetik alan içine konduğunda, manyetik bölgelerbu alandan etkilenir. Doğrultusu manyetik alanla aynı yönde olan bölgeler genişleyerekbüyür, zıt yönde olan bölgeler de daralırlar. Bazı bölgelerin doğrultularındahafif dönmeler de olur. Bunun sonucunda çivi manyetik alanla aynı yönde olangeçici bir mıknatıslık kazanır. Geçici, çünkü dışarıdan uygulanan manyetik alançekildiğinde bölgeler genellikle eski hallerine dönerler. Bazen bölge sınırlarırahatça hareket edemediği için değişim kalıcı da olabilir. Uzun süre bir mıknatıslatemasta bulunan bir çivinin, mıknatıs çekildiğinde hafifçe mıknatıslık özelliğikazandığını bilirsiniz. Bölge sınırlarının serbestçe hareket edememesinden kaynaklananbu olaya histerezis deniyor.

Bu geçici mıknatıslığın doğrultusu manyetik alana paraleldir. Örneğin, eğermıknatısın kuzey kutbu çiviye daha yakınsa, çivinin mıknatısa yakın kısmı güney,uzak kısmı da kuzey kutbuna sahip olur. Zıt kutuplar birbirlerini çektikleriiçin, bu durumda çivi mıknatısa doğru çekilir.

Şimdi arkadaşımızın birinci sorusunu yanıtlayabiliriz: Mıknatıslar sadece mıknatıslarıçekerler. Yani sadece ferromanyet olup, bölgelere bölündüğü için net bir mıknatıslığıolmayan (bir başka deyişle “gizli” mıknatıslığı olan) maddeler, yukarıdaaçıkladığımız mekanizmayla manyetik alanlar tarafından çekilirler.

Bir ferromanyet ısıtıldığında, Curie noktası olarak adlandırılan bir sıcaklıktave üzerinde manyetik özelliğini kaybeder ve tamamen normal bir maddeye dönüşür.Saf demirin Curie noktası 770 °C’dir. Bu sıcaklığın üzerinde bir demir parçasıne bir mıknatıs olabilir, ne de bir mıknatıs tarafından çekilebilir. Curie noktasındakideğişim atomik mıknatısların paralel doğrultuda yönelebilme yeteneklerini kaybetmelerindenkaynaklanıyor. Bu değişimin erimeyle herhangi bir ilgisi yok. Örneğin demir1538 °C’de erir. Bir uç örnek vermek gerekirse, Disprosyum metali -185 °C’de,oda sıcaklığının çok altında, mıknatıslığını kaybeder ve 1411 °C’de erir.

Son olarak, ısıtıldığı için mıknatıslığını kaybeden ve artık manyetik alanlartarafından çekilmeyen maddeleri çekmek için ne yapabiliriz? Burada en garantiçözüm çok güçlü manyetik alan uygulamak olacak. Çünkü bütün maddeler, ferromanyetolsun ya da olmasın, manyetik alanlardan etkilenirler. Normal maddelerde buetki çok zayıf olduğu için, evinizde kullandığınız mıknatıslarla etkiyi hissedebilmenizolanaksız. Ancak büyük laboratuarlarda bulunan güçlü elektromıknatıslarla bukuvveti gözlemlemek mümkün.

Maddeler kabaca üçe ayrılabilir: ferromanyetler, paramanyetler ve diamanyetler.Paramanyetler, tıpkı ferromanyetler gibi üzerlerine uygulanan manyetik alanlaaynı doğrultuda, fakat çok zayıf bir biçimde, mıknatıslanırlar. Diamanyetlerde tam ters yönde. Bu nedenle, mıknatıslar paramanyetleri çeker ve diamanyetleriiter. Normalde ferromanyet olan maddeler, Curie noktasının üzerinde paramanyetiktir.Yani, çok sıcak bir demir parçasını, hatta erimiş demiri bile güçlü bir mıknatıslaçekmek mümkün.

Diamanyetik maddelere en iyi örnek bildiğimiz su ve canlı maddeler. Diamanyetikmaddenin en ilginç özelliği, mıknatıslar tarafından boşlukta sabit tutulabilmeleri.Fotoğrafta Hollanda’daki Nijmegen üniversitesinde gerçekleştirilen, zıt yöndeetkiyen yerçekimi ve manyetik kuvvetlerle havada dengede durabilen küçük birkurbağa gösteriliyor. Detayları ve aynı deneyin daha değişik diamanyetler içinnasıl yapıldığını görmek istiyorsanız.
http://www.sci.kun.nl adresini inceleyebilirsiniz.

12-) Bir yıldızın karadeliğe dönüşebilmesi için kütlesinin belli bir limitin üzerinde olması lazım. Ama bir karadeliğin olay ufkuna sahip olması için (teoride) kütlesinin belli bir limit üzerinde olmasına gerek yok. Örneğin bir kalemi bile yeterince sıkıştırabilirsek bir karadelik elde edebiliriz. Burada önemli olan kütlenin değil yoğunluğun belli bir sınırın üzerine çıkması.Sorum şu: Bir atomun kütlesinin, atomun hacmine oranla çok küçük bir alanda, çekirdekte toplandığını biliyoruz. Acaba atom çekirdeğinin, ondan da öte proton ve nötronların her birinin kendi olay ufkuna sahip olacak yoğunlukları yok mu? Eğer varsa çekirdek içi kuvvetler bununla alakalı olabilir mi?

Yukarıdakilere bir de temel parçacıkların noktasal olduklarının varsayıldığınıeklersek, herhalde sorun biraz daha belirginleşir. Eğer temel parçacıklar, kütlenintek bir noktada toplandığı sonsuz yoğunluklu maddeler iseler hepsi birer karadelikolmalı.

karadelikNoktasal parçacıklar varsayımı üzerinde durmak için yeterli yerimiz yok. Sadece,parçacıkların gerçekten noktasal olup olmadıklarını deneysel olarak sınamanınmümkün olmadığını, buna karşın parçacıkların bir büyüklüğü olduğu konusundada yeterli deneysel veri olmadığını ekleyelim. Normalde atom çekirdeğinin kapladığıhacim olarak bildiğimiz bölge, aslında çekirdek içindeki, proton ve nötronlarınyapı taşlarını oluşturan kuark ve diğer temel parçacıkların uyguladığı güçlükuvvetin etki mesafesinden doğuyor.

Gerçi, sicim kuramları temel parçacıkların noktasal olmayıp, ip gibi bir boyutlueğriler şeklinde olduğunu iddia etse de yukarıdaki soru bu kuramlar için degeçerli. Eğer bütün temel parçacıklar noktasalsa, her biri gerçekten bir karadelikoluşturur mu? Böyle bir şey oluyorsa bu olayın varlığını nasıl anlayabiliriz?Ne yazık ki bu soruların yanıtları bilinmiyor. Çünkü yanıt ancak kütleçekimkuvvetinin kuantum kuramıyla verilebilir. Fiziğin bu iki kuramını tek bir kuramdabirleştirme çabaları şimdiye kadar başarısız kaldı ve hâlâ parçacık fizikçilerinimeşgul eden önemli bir problem olma özelliğini koruyor.

ABD’de Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda ağır altın iyonlaranın ışığınkineyakın hızlarda çarpıştırılması sonucu oluşan parçacık yağmurunun kesit görüntüsü.Çarpışma sonucu oluşacak bir karadeliğin Dünya’yı yutacağı biçiminde medyadayer alan sansasyonel haberler, laboratuvar yetkililerince gülümsemeyle karşılanmıştı.Nedeni, karadelik oluşması için çok daha yoğun enerjiler gerekmesi ve oluşsabile, böylesine küçük bir karadeliğin anında yokolması.

Fakat neler olabileceği konusunda bir fikir edinmemiz mümkün. Bunu da, kuantumfiziğini büyük karadeliklere uygulamayı başararak, karadeliklerin aslında tamkara olmadığını, dışarıya bir tür ışıma yayarak buharlaştığını keşfeden Stephen Hawking’e borçluyuz. Buharlaşmanın neden kaynaklandığını kısaca hatırlamaktayarar var. Kuantum fiziğine göre uzay boşluğu, özelliksiz bir boşluk değildir.Aksine, boşlukta parçacık karşıt parçacık çiftleri kendiliğinden ortaya çıkarak,kısa bir süre yaşadıktan sonra birbirlerini tekrar yok ederler. Hawking, buolaylar bir karadeliğin olay ufkunun çok yakınında olduğunda, çiftlerden birininsoğurulduğunu, fakat diğerinin sonsuza kaçarak karadeliğin hafiflemesine neden olduğunu gösterdi. Buharlaşma diye adlandırabileceğimiz bu olayın hızı sadecekaradeliğin kütlesine bağlı. Kolayca tahmin edilebileceği gibi, karadelik ne kadar büyükse, buharlaşma da o kadar yavaş oluyor. Öyleyse, her karadelik yeteri kadar bir süre sonra (eğer bu arada başka kütleler yutarak daha da büyümemişse) buharlaşarak yok olacaktır.

Büyük yıldızların doğal evrimleri sonucu oluşmuş karadeliklerin yaşam süreleriçok uzun: Evrenin bugünkü yaşından kat kat daha uzun. Fakat aynı şeyi daha küçük kütleli karadelikler için söylemek mümkün değil, çünkü bir karadeliğin yaşamsüresi kütlesinin küpüyle ters orantılı. Eğer 10 gramlık bir kurşun kalemi sıkıştırıp bir karadelik elde etmek mümkün olsaydı, (kalemi çekirdeğin çapından 10 katrilyonkat daha küçük bir bölgeye sıkıştırabilseydik) bu karadelik 10-22 saniye içinde buharlaşarak yok olurdu. Aslında bu kadar kısa sürede olan buharlaşmayı “patlama” olarak adlandırmak daha doğru. Yani küçük karadelikler, daha çevresindeki maddeyi yutarak büyümeye zaman bulamadan patlayacaklardır.

Proton kütlesindeki bir parçacık için bu buharlaşma süresi çok çok daha küçük.Fakat daha temel parçacıklar ölçeğine inmeden Hawking’in sonuçları geçerliliğini kaybeder. Bunun da nedeni kısaca şu: Karadelik küçüldükçe, buharlaşma daha hızlıoluyor, yani kütle ve enerjisini daha hızlı kaybediyordu. Bu, bir saniye içindekaradelikten ayrılan ışınımdaki parçacıkların ortalama sayısının ve ortalama enerjisinin daha fazla olması anlamına geliyor. Karadeliğin kütlesi 10 mikrogram seviyesine indiğinde, kaçan parçacıkların ortalama kütlesi de 10 mikrogram büyüklüğüne erişiyor. Bu tip kütlelerde geride kalanın mı yoksa kaçan her bir parçacığınmı asıl karadelik olduğunu söylemek zor. Bu nedenle daha küçük kütleler için olayın fiziğinde önemli bir değişiklik var ve parçacık fizikçilerinin aydınlatmaya çalıştığı asıl alan burası. Daha küçük karadelikler için belki hâlâ niteliksel olarak bir buharlaşmadan söz edilebilir, ama Hawking’in sonuçlarının buraya uygulanması zor.

Tekrar temel parçacıklara dönersek: olayın fiziğinde büyük bir değişim olduğundan dolayı parçacıklar bildiğimiz anlamda karadelik özellikleri taşıyamazlar. Problemin nereden kaynaklandığı belli: Parçacık kütleleri ölçeğinde bir karadelik olsabile bu karadeliğin diğer kütleleri yutarak büyümesi imkansız.

Bunun dışında, kütle küçüldükçe olay ufkunun da küçüldüğünü, ve parçacıklariçin olay ufkunun bildiğimiz tüm uzunluk ölçeklerinden küçük olduğunu ekleyelim(10-54 metre). Hiç bir hızlandırıcıda parçacıkların bu kadar yakın olması sağlanamadığı için bu mesafelerde kütleçekim yasasının hangi formda olduğunu henüz bilmiyoruz.

Yukarıda bu soruya yanıtımızın neden “bilmiyoruz” şeklinde olduğunu açıklamaya çalıştık. Şu anda elimizden ne yazık ki bu geliyor. Bu soruya verilecek ilk yanıt büyük bir olasılıkla kuramsal alandan gelecek ve bir olasılıkla kütleçekim kuvvetinin doğanın diğer üç kuvvetiyle ilgisi de bu arada ortaya çıkacaktır.

 

13-) Yeryüzünden bakıldığında yarım daire şeklinde görülen gökkuşağının uçaktan bakıldığında çember şeklinde olduğunu öğrendim. Gökkuşağının oluşması neden çember şeklinde oluyor?

gokkusagi_manzarasiBu soruyu tam olarak yanıtlayabilmek için “Gökkuşağı nasıl oluşur?” sorusunun da yanıtlanması gerekir. Özellikle yağmurlu havalarda gördüğümüz gökkuşağı, aslında, Güneş’in garip bir “ayna” da oluşan bir görüntüsü. Söz konusu “ayna” ise, böyle zamanlarda havada bulunan sayısız su damlacıkları tarafından oluşturuluyor. Olay, Güneş’ten gelen ışık ışınlarının küresel sudamlacıkları içinde kırılarak, bir kaç iç yansımadan sonra dışarı farklı biryönde çıkmasından kaynaklanıyor.

Küresel bir su damlacığı üzerine düşen ışığın izleyebileceği yollar Şekil 1’degösteriliyor. Damlaya kırılarak giren ışın, damlanın yüzeyine çarptığında birkısmı dışarı çıkar (A ışını), fakat bir kısmı da iç yansımayla su içine geridöner. İçeride kalan ışın da damlanın yüzeyine tekrar değdiğinde yine bir kısmıdışarı çıkarak (B ışını), geri kalan kısmı yansır. Bu şekilde, damla içindekalan ışın, sayısız iç yansıma sonucu her defasında dışarıya bir kısmını bırakarakgittikçe zayıflar.

Ana gökkuşağı, damla içinde sadece bir iç yansıma geçiren B ışınları tarafındanoluşturuluyor. Bunlar, neredeyse geriye, Güneş’in olduğu tarafa doğru yönelirler.Şekil 2’de kırmızı ışık için, damla üzerine düşen ışınların damlaya girdiğiyere bağlı olarak izledikleri yollar gösteriliyor. Doğal olarak çıkan ışınınhangi doğrultuya yöneleceği, gelen ışının damlaya nereden girdiğine bağlı.

gokkusagi1Şekil-1

Burada ilk bakışta pek ilginç görünmeyen bir olay oluyor. Her ışın farklı açılarla geriye dönse de, bunlardan biri en yüksek açıya sahip. Kırmızı ışık için buen yüksek açı 42°. Diğer bir deyişle, damlanın özel bir yerine düşmeyen bütünışınlar 42°’den daha az bir açıyla geriye yansıyorlar. Böyle bir en yüksek geri dönme açısının olması gökkuşağının oluşumu için şart. Çünkü ışınlarının büyük bir kısmı bu en yüksek açıya yakın açılarda geri dönüyorlar. Örneğin, gelen kırmızı ışınların %20’si 41°-42° arasındaki 1 derecelik aralıktan çıkarken, geri kalan %80’iyse, 0o-41° arasındaki 41 derecelik oldukça büyük aralıktan çıkıyorlar. Bu durumda, ışığın şiddeti daha fazla olduğu için, 42°’den çıkan ışınları görmemiz daha kolayken, diğer açılardan çıkanların görülebilmesi çok zor; özellikle geri tabandan gelen ışık düşünülürse.

Eğer Güneş sadece kırmızı renkte ışığa sahip olsaydı, bu ışınların gökyüzünde oluşturacağı görüntü Şekil 2’deki gibi olurdu (abartılı çizildi). Burada ennet şekilde görülebilen çemberin dış kısmı olacaktır. Bu nedenle, pratikte,bu tip ışınların 42°’lik bir koni üzerinde geri yansıdığını söylüyoruz.

gokkusagi2Şekil-2

Diğer renklerin geri dönme açısı farklı: Örneğin, görülebilir tayfın diğer ucundaki mor ışık suda daha fazla kırıldığından, en yüksek geri dönme açısı 40.5°’dir. Güneş’ten gelen beyaz ışık değişik dalga boylarında birçok renkten oluştuğu için, damlaya girdikten sonra tek bir iç yansımayla dışarı çıkınca, 40.5° ile42° arasında bileşen renklerine ayrılır; mor en içte, kırmızı en dışta olmak üzere.

gokkusagi3 Şekil-3

Bu geri dönen ışığın, Güneş’in atmosferdeki su damlalarından garip bir yansıması olduğunu düşünebiliriz: Yani gelen ışınlar, bir koni üzerinde geri yansır. Bu yansıma gözle algılandığında da Güneş’in bu “garip ayna” daki görüntüsü olan gökkuşağını görüyoruz. Şüphesiz bu görüntü, normal bir aynadakine hiç benzemiyor.

Gökkuşağına baktığımızda, örneğin mavi olarak gördüğümüz kısımlar, bakış doğrultusundaki damlalardan geri dönen mavi ışıklardan oluşuyor. Bu damlalardan geri dönen diğer renklerse, başka yönlere gittikleri için sizin tarafınızdan görülemezler. (Tabii başkaları bu damlaları değişik renklerde görebilirler.)

Gökkuşağının oluştuğu yerse, Güneş ışınlarının gittiği doğrultunun 40° civarındaki yönler. Doğal olarak bu bir çember. Fakat gökkuşağı renklerini açık seçik görebilmek için, bakılan doğrultuda yeteri sayıda su damlası olmak zorunda. Yerden yapılan gözlemlerde, Güneş ufkun üzerinde olduğu için, gökkuşağının alt yarısından daha büyük bir kısmı yerle örtüşür. Yani, ya baktığınız doğrultuda yere çok yakınsınızdır ve burada yeterli sayıda damlacık yoktur, ya da vardır ama geri tabandaki yerin görüntüsü, zayıf gökkuşağını seçebilmenizi engeller. Tabii bunlar bir uçaktanya da yüksek bir dağın tepesinden bakanlar için geçerli değil.

Yine aynı nedenle, öğlen Güneş tam tepedeyken gökkuşağını göremezsiniz. Kuşağı görebilmeniz için, Güneş’in ufkun en fazla 42° üzerinde olması gerekir.

Son olarak, Şekil 1’deki C ışınının da, benzer şekilde 50°-53° arasında renklerin ters sıralandığı (kırmızı içte, mor dışta) bir kuşak oluşturduğunu ve uygunhava koşullarında bunu görmenin mümkün olduğu da ekleyelim. Fakat A ışını için, yukarıda bahsettiğimiz en büyük açı olmadığından, bu ışınlar renkli bir kuşakoluşturamıyor.

 

14-) Madem ışık fotonlardan oluşuyor; niçin camdan geçiyor da diğer maddelerden geçemiyor? Fiziksel nedenini açıklarsanız sevinirim…

Bu soruyu bütün elektromanyetik spektruma genelleştirmek gerekir. Çünkü ışık olarak algıladığımız şey aslında elektromanyetik dalgaların çok küçük bir kısmı. Çok uzun dalga boylu radyo dalgalarından, dalga boyu atomun çapından çok küçük gama ışınlarına kadar olan bu spektrumun, dalga boyu 0.4 mikronla 0.7 mikronarasında kalan kısmını gözlerimiz algılayabiliyor. Bu nedenle bir fizikçiye “ışık” dediğinizde çoğunlukla tüm elektromanyetik spektrumu anlayacaktır, sadece “görünür ışık” dediğimiz sınırlı kısmı değil. Tüm canlıların gözlerinin neden bu geniş spektrumun sadece küçük bir kısmını algıladığıysa daha değişik bir soru.

Öyleyse, tüm elektromanyetik spektrumu düşünürsek, soruyu “neden belli bir dalga boyuna sahip ışığı bazı maddeler geçirir de bazıları geçirmez?” şeklinde sorabiliriz. Bunu yanıtlamaya kalktığımızda maddelerin birbirlerinden farklı olmadığını görürüz. Yani her maddenin saydam olduğu bazı dalga boyları ve saydam olmadığı bazı başka dalga boyları vardır.

Örneğin bildiğimiz bütün metaller görünür ışığa karşı saydam değildir. Bu kızıl ötesindeki bütün düşük dalga boyları için de geçerli. Fakat morötesi ışıklar kullandığımızda her metal, dalga boyu belli bir değerden küçük ışıklar için saydamlaşır. Morötesi saydamlaşması denilen bu olay sadece metallere özgü değil. Bütün maddeler düşük dalga boylu mor ötesi ışınlar, X ışınları ve gama ışınları için saydamdırlar. Zaten X ışınlarını kullanan Röntgen filmleri bu olay sayesinde kullanılabiliyor.

En ilginç örnekse herkesin bildiği en saydam madde olan su. Görünür ışığın hepsini geçirmesine rağmen, bu pencerenin dışındaki bizim göremediğimiz ışınların çoğuna karşı saydamlığını kaybeder. Su, morötesinden başlayarak bir kaç Angströmlük dalga boylarına kadar ve kızılötesinden başlayarak radyo dalgalarına kadar bütün elektromanyetik dalgaları güçlü bir şekilde soğurur. Bu oldukça garip bir durum.Eğer bir gün, gözlerini bizim gördüğümüz ışık yerine, elektromanyetik spektrumun başka bir kısmını görmek için kullanan bir “uzaylıyla” karşılaşırsak, ve onlardan suyu tarif etmelerini istersek yanıt “simsiyah bir sıvı”olacaktır! Peki neden sadece suyun geçirgen olduğu dalga boylarını görebiliyoruz? Bu bir rastlantı mı, yoksa suyun atmosferde ve hayatın başladığı denizlerdebol miktarda bulunmasının gerektirdiği bir zorunluluk mu? Bunun yanıtını sizverin.

Peki maddelerin hangi dalga boyunda saydam olacağı nasıl belirleniyor? Elektromanyetik dalgalar maddedeki elektronlarla etkileşirler. Yani ışık maddeden geçerken,elektronlar tepki vererek hareketlerini değiştirirler. Bu etkileşimin sonuçlarını kuantum kavramlarıyla açıklamak daha kolay. Kuantum kuramına göre maddedeki elektronlar sadece belli enerji seviyelerinde bulunabilirler ve bu seviyeye özgü bir hareket yaparlar. Burada önemli olan elektronların enerjilerinin sadece belli değerler alabilmesi. (Doğal olarak bu seviyeler maddeden maddeye değişiyor.)

Eğer bir elektron bir seviyeden daha yüksek bir başka seviyeye geçmek isterse, çevreden bir şekilde iki seviyenin enerji farkı kadar enerji almak zorunda kalır. Benzer şekilde, elektron daha düşük bir seviyeye geçmek istiyorsa, fark kadar enerjiyi çevreye bir şekilde vermek zorunda.

Elektromanyetik dalgalar da foton olarak adlandırdığımız paketlerle enerji taşırlar. Örneğin 0.4 mikron dalga boylu mor ışık 3.1 eV’luk enerji taşıyan paketlerden oluşmuştur. (1 eV bir elektronun 1 voltluk bir gerilim altında hızlanmasıyla kazandığı enerji). Bu bizim için oldukça küçük, ama elektronlar için tipik bir enerji. Fotonlar elektronlarla etkileştiklerinde iki farklı durum söz konusu: Ya fotonun enerjisi, elektronu bulunduğu seviyeden başka bir seviyeye çıkarmak için gereken enerjiye eşittir, ya da değildir.

elektromanyetik2

Eğer foton enerji farkına eşit enerji taşıyorsa, elektron bu fotonu soğuraraküst seviyedeki hareket durumuna geçer. Böylece gelen ışık soğurulmuş ve maddeyi geçememiş olur. Bundan sonra elektronun ne yaptığını da kısaca anlatmakta yarar var. Elektron üst seviyelerde oldukça kararsızdır ve bir süre sonra değişik yöntemlerle tekrar alt seviyelere düşer: Ya elektron kaybetmesi gereken enerjiyi bir foton olarak rasgele bir yöne yayar (bu olaya, yani soğurulmadan hemen sonra gerçekleşen ışık yayınımına, flüoresans deniyor) ya da elektron enerjisini maddeiçindeki atomların hareket enerjisine çevirir. (bu da maddenin ısınmasıyla sonuçlanır.)

Fotonun soğurulması için enerjisinin tam olarak enerji seviyeleri farkına eşit olması gerekmediğini ekleyelim. Biri Doppler etkisi olmak üzere bir çok değişik nedenden dolayı, elektronlar fotonların biraz az ya da biraz fazla enerjisi olmasını hoş görüyle karşılayarak bunları memnuniyetle soğururlar.

Diğer durumda, yani gelen fotonun enerjisi, madde içindeki elektron seviyelerinden ikisinin farkına eşit değilse, bu fotonun soğurulma olasılığı yoktur. Böyle bir foton madde içinden geçer gider. Maddelerin saydamlığı soğurulmanın mümkün olmadığı durumlarda ortaya çıkar.

Artık, örneğin kırmızı renkli bir camın neden böyle olduğunu rahatlıkla açıklayabiliriz. Böyle bir cam sadece kırmızı ışığı geçirir (çünkü içinde kırmızı ışığı soğurabilecek herhangi iki seviye yoktur) ve diğer ışıkları soğurur. Bu nedenle camın içine baktığımızda sadece bu kırmızı rengi görebiliriz.

 

15-) Bir belgeselde, bir astronotun su içmesini gördüm. Burada ilgimi çeken şey, su kütlesinin, yerçekimsiz ortamda dağılmadan küre şeklini aldığıydı. Normalde sıvılarda, atomların çekim kuvveti katılara göre daha zayıf olduğundan, sıvılar ancak bulundukları kabın şeklini alabilmektedirler. Herhangi bir kap olmadığı zaman sıvılar bir bütün gibi davranamaz ve saçılırlar.

Suyu ağırlıksız ortamda dağılmaktan koruyan şeyin su molekülleri arasındaki kuvvetler olduğunu öncelikle belirtelim. Üstelik bu kuvvetler, katı halden sıvıhale geçildiğinde pek fazla değişmezler. Bunu anlamanın en basit yolu faz değişimi için gerekli ısılara bakmak. Bir gram buzu (0 °C’de) eritmek için 80 kaloriısı harcamak gerekiyor. Buna karşın, bir gram suyu (100 °C’de) buharlaştırmak içinse 540 kalori gerekir. Bu ısılar, moleküller arasındaki bağları zayıflatmak için gerekli enerji olarak yorumlanırsa, buradan erime sırasında su molekülleri arasındaki bağın ancak yedide bir kadarı zayıflıyor anlamını çıkarabiliriz. Su dışındaki diğer bütün maddelerde de durum aynı. Kısacası, moleküller arasındaki kuvvetlerin büyüklüğü açısından, sıvılar katılardan pek farklı değil.

astronot-suSıvıyı küre şekline sokmaya çalışan kuvvete “yüzey gerilimi” deniyor. Sıvı içindeki herhangi bir molekül, her taraftan diğer moleküllerle çevrili olduğu için, yani her yöne ortalama olarak eşit miktarda çekildiği için, yine”ortalamada” herhangi bir kuvvet hissetmez. Ama sıvının yüzeyinde olan moleküller, sadece sıvının olduğu taraflardan çekildiği için, bunları sıvının içine çeken net bir kuvvetin varlığından söz etmek mümkün. Böylece, moleküller arasındaki etkileşim, sıvının yüzeyini içeri doğru çeken net bir kuvvete nedenoluyor.

Bu kuvvet, aynı zamanda sıvının yüzeyini mümkün olduğu kadar küçültmeye çalışıyor. Yüzeydeki moleküllerin bir taraflarının boş olması, bu moleküllerin içerdekilere göre daha fazla enerjiye sahip olması anlamına geliyor. Öyleyse bir sıvının ne kadar büyük yüzeyi varsa, yüzey molekülleri toplam enerjiyi o kadar artırırlar. Bütün fiziksel sistemler, enerjilerini azaltacak şekilde hareket ettiği için, sıvılar yüzey alanlarını küçültmeye çalışırlar. Bu anlamda yüzey, şişirilmiş bir balon gibi düşünülebilir. Balonun, içerdeki havayı sıkıştırması ile yüzey alanını küçültmeye çalışması aslında aynı şey.

Bu olgu kendini en açık biçimde, yerçekimi kuvvetinin olmadığı, ağırlıksız ortamlardagösterir. Böyle bir durumda sıvının alacağı şekil iki bin yıldır bilinen eski bir matematik problemine dönüşür: Sabit hacimli bir cisim, hangi şekli aldığında en küçük yüzey alanına sahip olur? Bu sorunun çözümü ileri matematik gerektirsede, yanıtı oldukça basit: küre.

Üstelik, aynı olayı Dünya üzerinde de görmek mümkün. Musluktan damlayan, yağ içinde yüzen ya da cam üzerinde yoğunlaşan su damlaları, hatta çaydanlıkta kaynayan suyun içindeki kabarcıklar; aynı olgu nedeniyle mümkün olduğu kadar küreye yakın şekillere girmeye çalışırlar. Bu tip yerlerde diğer kuvvetler de (yerçekimi, sürtünme, kaldırma kuvveti vs.) işin içine girdiği için, ideal şekil mükemmel bir küre değildir.

Burada dikkat edilmesi gereken önemli nokta şu: Yüzey geriliminin kendini açık bir şekilde gösterebilmesi için, yüzey enerjisi diğer enerjilere oranla büyük olmalı. Bu da, yüzeyin hacme oranı büyük olduğunda mümkün oluyor. Yüzey/hacim orantısını bir küre için hesaplarsanız, küre küçüldüğünde oranının büyüdüğünü görürsünüz. Kısacası, su damlalarınız ne kadar küçükse, yüzey gerilimi o oranda etkin olur ve damlalar mükemmel küre şeklini almaya başlar. Tabii, uzaydaki ağırlıksız ortamda, diğer kuvvetler olmadığı için, su kütlesinin ne kadar büyük olduğu önemli değil.

Yüzey gerilimi bütün sıvılarda ve her sıcaklıkta vardır. Belki değişen sıcaklık ve sıvı içindeki yabancı moleküller (sudaki sabun gibi) yüzey geriliminin büyüklüğünü değiştirebilir, ama nitel etki her zaman aynıdır. Yani, erimiş demir de uzayda küre şeklini alacaktır.

Üstelik aynı olgunun katı cisimlerde de var olduğunu söylemek mümkün, ama önemli bir farkla: Yüzey enerjisi yüzeyin hangi doğrultuda yöneldiğine bağlı olduğu için, katının en ideal şekli bir küre değil, fakat simetrik, düzgün yüzlü şekillerdir. Örneğin tuz kristalleri kırıldıklarında ya da kristal büyütmeyle oluşturulduklarında düzgün küpler ortaya çıkar.

Gazlarda, moleküller arası etkileşim çok zayıf olduğu için, bu etkileşimlerin bir sonucu olan yüzey gerilimi de oldukça düşük olmalı (ölçülemeyecek kadar düşük). Üstelik, gaz genleşip idealliğe yaklaştığında, yüzey gerilimi daha da düşmeli. Bu nedenle, uzayda kendi haline bırakılan bir gaz kitlesi, bir kere genleşmeye başlayınca sonsuza kadar genleşmeye devam edecektir.

Tübitak

Etiketler:
Önceki Yazı Linki
Sonraki yazı linki

Hakkında Yaşar Cantürk

Bilişim Teknolojileri Öğretmeni

7 Yorum

  1. birbirine göre hareketli iki gözlemci hangi hız ölçümünde her zaman anlaşırlar

  2. uçaklı soruda ”havaya göre olduğu gibi yere göre de aynı hızla hareket ederler.” şu bilgi yanlış gibi duruyor

    w.r=v

    w’.r’=v’

    olmak üzere farklı yüksekliklerdeki uçaklar dünya etrafına döndüğü için w lar eşit ve yarı çapa bağlı v ve v’ değerleri yere göre farklılık gösterirler

    tek bir uçak ele alınsa dahi r=0 olan ekvatordan ölçüm yapıcak olursak r=x değeri için yere göre havada uçan bir uçağın hızı yine yere göre farklılık gösterir.

  3. Gaz molekulleri arasinda carpismalar sonucunda zayif kuvvetler olusur diyebilr miyiz kinetik teori icin

Yorum Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.* işaretli alanlar gerekli *

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Sayfanın Başına Git