Fiziğin temel ilkeleri yazı dizimiz devam ediyor. İlk bölümde mekanik ve optik konularını anlatmıştık. Elektrik kuvvetleri ve manyetik kuvvetler öylesine iç içe geçmiştir ki, çoğu kez bunun için "elektromanyetizma" terimi kullanılır. Her iki kuvvet de atomun işleyişi çerçevesinde ortaya çıkar.
Elektrik ve manyetizma
Elektrik akımı elektron gibi yüklü parçacıkların harekete geçmesiyle gerçekleşir. Normalde madde elektrik yönünden nötrdür; çünkü yükler dengededir ve elektronlara ya da protonlara etkide bulunan belirgin bir elektrik alan yoktur. Statik elektrikte, sürtünme pozitif ve negatif yüklerin ayrılmasına yol açar; örneğin cama bir ipek çarpası sürtülünce, ipekten cama elektronlar aktarılır. Pozitif ya da negatif yüklerin yoğunluğunu gösteren ölçüye, voltaj ya da elektrik potansiyeli denir.
Endüksiyon ve elektrik alanları
Akülerde bir elektrik potansiyeli farklılığı yaratmak için metallerin farklı elektronegatiflik (elektron salmaya yatkınlık). Fotoelektrik etki, ışığı bir elektrik akımını dönüştürür. Foto-diyotlarda elektrik akımları üretmek için hafif ve yarı-iletken malzemeler kullanılır.
Elektromanyetik endüksiyonda, manyetik alanın içinden tel geçirmek ya da manyetik alanın gücünü değiştirmek yüklerin ayrılmasını ve bir elektrik potansiyelinin oluşmasını sağlar.
Pile bir tel takıldığında, uçların tel içinde yarattığı elektrik alan elektronları çeker. Yüklerin hızı ne kadar yüksek olursa, yük sayısı ve akım o ölçüde büyük olur. Dahası, telin içinden geçen elektrik akımı telin çevresinde manyetik alan oluşturur. Akım taşıyan bir telin çevresine küçük mıknatıslar yerleştirerek bu olayı görmek mümkündür.
Manyetizma
Elektrik yükünün ve elektrik akımının hareketi, dairesel akım yönü çevresinde manyetik alanlar yaratır. Hareket eden yükler iyonlardır. Dünya'nın ve Güneş'in manyetik alanlarının, gezegenlerin çekirdeklerindeki iyonların devinimiyle ortaya çıktığı düşünülür.
Manyetik alanlar demir ve diğer birkaç metalden yapılan mıknatıslarla da oluşur. Maddedeki atomlar aslında elektron ve protonlardaki yüklerden dolayı ufak birer mıknatıs gibidir. Olağan koşullarda atomdaki manyetik alanlar birbirlerini nötrler. Ama kalıcı mıknatıslarda elektronların dönüşleri her zaman bir manyetik alan oluşturacak düzendedir.
Kalıcı mıknatısın kuzey ve güney kutbu vardır. Manyetik alan güney kutbundan mıknatısa girer ve kuzey kutbunda mıknatıstan çıkar. Aynı kutuplar birbirini iterken, zıt kutuplar birbirini çeker.
Manyetik alanların hareket eden elektrik yüklerine etkisine Lorenzt kuvveti deniyor. Bu kuvvet manyetik alana ve yükün devinimine dik yöndedir. Başta jeneratörler ve elektrik motorları olmak üzere çeşitli aygıtların çalışma prensibi Lorentz kuvvetinin karşılıklı etkilerine dayanır.
Direnç yasası
Elektrik akımı, voltaj ve direnç arasındaki ilişki, ayarlanabilir vanası bulunan su dolu bir varil benzetmesiyle anlaşılabilir.
Vana kapalıyken su akmadığı için, suya karşı sonsuz derecede yüksek bir direnç vardır. Sonsuz derecede yüksek dirence sahip elektrik devresi ise düğmesi açık olduğu için kesik durumdaki bir devredir. Böyle bir devredeki akım sıfır olur. Su varilinin vanası biraz açıldığında, varilden küçük bir miktar su akıntısı gelir. Bu kapalı bir devredeki düğmeye denk olur; devrenin direnci yüksek olduğundan akım düşüktür. Vana sonuna kadar açılırsa, büyük miktarda su akar. Bu küçük bir dirence ve dolayısıyla büyük bir akıma sahip devreye denk olur. Böylece bir devrenin direncinin voltaja bölümünü akım (R=V/1) olarak tanımlayabiliriz.
Georg Ohm voltaj değiştirildiğinde devredeki direncin değişmediği yolundaki deneysel olguyu bulmuştu. Bu bize Ohm yasasını verdi: V =IR.
Atomlar ve radyoaktivite
20. yüzyılda kuantum mekaniğinin bulunması insanların dünyaya bakışını değiştirdi. Evrendeki bütün madde biçimleri bulma arayışı hala sürüyor. Atomların yapısını açıklamak için geliştirilmiş farklı fiziksel modeller var. Kabuk modeline göre, bir atom pozitif yüklü bir çekirdekten ve onun çevresindeki dairesel yörüngelerde dönen elektronlardan oluşur (Tıpkı gezegenler gibi).
Çekirdekte, nükleer kuvvetlerin bir arada tuttuğu pozitif yüklü protonlar ve nötr yapıdaki nötronlar yer alır. Elektron sayısı proton sayısına eşittir ve elektronlar kuantum mekaniği ilkelerinin belirlediği yörüngelerde hareket eder. Katyonlar pozitif yüklü, anyonlar negatif yüklüdür. Bunlar eksik elektronlu ya da ilave elektronlu atomlardır.
İzotoplar
Çekirdekteki protonların sayısı kimyasal özelliklerini ve ait olduğu elementi belirler. Aynı elementin farklı nötron sayısına sahip varyantlarına izotop denir. Bunu belirtmek için bir izotoptaki nötronların ve protonların toplamı element adının ya da simgesinin yanında yazılır.
Altının tek bir kararlı izotopu (Au-197) var. Karbonun ise iki kararlı izotopu (C-12 ve C-13) ve bir kararsız izotopu (C-14) var. C14 bir adet elektron salarak bozunur. Karbonun bazı izotopları (C-10,C-11 vb.) ve bazı altın izotopları doğada bulunmamakla birlikte, laboratuvarda yapay yoldan elde edilir.
Nükleer fizyon
Proton ve nötron sayısındaki artışla birlikte çekirdek kararsız hale gelir. Büyük çekirdekli atomlar – örneğin plütonyum ya da uranyum – belirli koşullarda nötronlarla bombardıman edilince ayrılır. Nükleer fizyon denen bu süreç bir enerji ve yeni izotop kaynağıdır.
Radyoaktivite ve radyasyon
Parçacıklar ve enerjiden oluşan radyoaktif radyasyon, nükleer fizyonla ortaya çıkar. Alfa radyasyonu iki proton ve iki nötronun birbirine bağlanmasıyla meydana gelir. Bir kağıt tabakasıyla kapatıldığında bile insan sağlığına çok zararlar verebilir.
Beta radyasyonu elektronların ve pozitronların yüksek hızda salınmasıdır. Gamma radyasyonu en yüksek frekansa sahiptir ve elektromanyetik radyasyonun en enerjili biçimidir. Gamma ışınlarından korunmak için çok kalın beton ya da kurşun duvarlara gerek vardır.
Nükleer fizyon sırasında zararlı miktarda X Işını salınır. Diğer fizyon ürünleri radyoaktif izotoplardır. Bu izotoplardan bazıları ilk nükleer fizyon işleminden yüzyıllar sonra dağılıp radyoaktif radyasyon salar.
Uranyum-235 ve plütonyum-239 izotopları atom enerjisi santrallerinde ve nükleer silah yapımında fizyon malzemesi olarak kullanılır.
Karbon tarihlemesi
Her canlı organizma besinlerden ve havadan karbon alır. Canlı organizmalarda C-14 izotopu miktarının kararlı C-12 izotopu miktarına oranı atmosferdeki oranla aynıdır. Ölü bir organizmada C-14, 5730 yıllık bir yarı-ömürle bozunuma uğrarken C-12 miktarı sabit kalır. Böylece bir organizmanın kalıntılarındaki C-12'nin C-14'e oranından iskeletin ya da dokunun ölüm tarihi hesaplanabilir. Atmosferin C-14 içeriğindeki değişiklikler bu tarihleme yöntemini zaman içerisinde etkisiz kılabilir.
Ek bilgiler
- Kutup buz tepelerindeki hidrojen izotoplarının oranı bize iklim değişiklikleri konusunda bilgiler veriyor.
- Her element X Işınlarıyla ya da elektronlarla bombardımana tutulduğunda ayrı bir ışık tayfı salar. Malzemelerin kimyasal bileşimlerini belirlemede bu yönteme başvuruluyor.
- Atom modelleri sürekli geliştirilip daha ayrıntılı hale getirilmektedir.
Fizikte Elektrik, Manyetizma, Atomlar ve Radyoaktvite hakkında sorulanlar
Elektrik yükleri ve elektrik alanları arasındaki ilişki nedir?
Elektrik yükleri, yüklü parçacıkları çevreleyen kuvvet alanları olan elektrik alanları yaratır. Elektrik alanları, pozitif yüklerden uzağa ve negatif yüklere doğru işaret eden kuvvet çizgileri olarak görselleştirilebilir.
Manyetik alanlar ve elektrik akımları arasındaki ilişki nedir?
Elektrik akımları, hareketli yüklü parçacıkları çevreleyen kuvvet alanları olan manyetik alanlar yaratır. Manyetik alanlar, akım taşıyan tellerin etrafında döngüler oluşturan kuvvet çizgileri olarak görselleştirilebilir.
Bir atom ve bir iyon arasındaki fark nedir?
Atom, eşit sayıda pozitif yüklü protona ve negatif yüklü elektrona sahip nötr bir parçacıktır. Bir iyon, bir veya daha fazla elektron kaybetmiş veya kazanmış, eşit olmayan sayıda proton ve elektronla sonuçlanan yüklü bir parçacıktır.
Radyoaktif bozunma süreci nedir?
Radyoaktif bozunma, kararsız bir atom çekirdeğinin iyonlaştırıcı radyasyon yayarak enerji kaybetmesi sürecidir. Bu, alfa bozunumu (helyum çekirdeğinin emisyonu), beta bozunumu (elektron veya pozitron emisyonu) ve gama bozunumu (yüksek enerjili fotonların emisyonu) dahil olmak üzere çeşitli mekanizmalar yoluyla gerçekleşebilir.
Elektrik yükü ile güçlü nükleer kuvvet arasındaki ilişki nedir?
Elektrik yükü, atom çekirdeklerini bir arada tutan çekici kuvvet olan güçlü nükleer kuvvetle doğrudan ilişkili değildir. Ancak güçlü nükleer kuvvet, çekirdekteki elektrik yüklerinin dağılımından etkilenebilir ve bu da bazı kararsız çekirdeklerin beta bozunmasına veya diğer radyoaktif bozunma biçimlerine maruz kalmasına yol açabilir.
Elektrik ve manyetizma nasıl ilişkilidir?
Elektrik ve manyetizma, elektromanyetizma olarak bilinen aynı temel doğa gücünün iki yönüdür. Elektrik yükleri ve manyetik alanlar birbirleriyle yakından bağlantılıdır ve birinin davranışı diğerinin davranışını etkileyebilir.
Atom nedir?
Atom, bir elementin kimyasal özelliklerini koruyan en küçük madde birimidir. Proton ve nötron içeren bir çekirdekten oluşur ve çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronlarla çevrilidir.
Radyoaktivite nedir?
Radyoaktivite, bir atomun çekirdeğinden kendiliğinden radyasyon yayılmasıdır. Uranyum gibi radyoaktif izotoplarda olduğu gibi doğal olarak veya nükleer enerji üretimi gibi insan faaliyetlerinin bir sonucu olarak ortaya çıkabilir.
Elektrik akımları nasıl manyetik alan üretir?
Elektrik akımları manyetik alanlar üretir çünkü hareket eden elektrik yükleri etraflarında bir manyetik alan oluşturur. Manyetik alanın gücü, akan akım miktarına ve telden uzaklığa bağlıdır.
Atomlar nasıl radyasyon yayar?
Atomlar, çekirdekleri kararsız hale geldiğinde ve radyoaktif bozunmaya uğradığında radyasyon yayabilir. Bu, çekirdek çok ağır olduğunda veya çok fazla proton veya nötron içerdiğinde meydana gelebilir ve alfa parçacıkları, beta parçacıkları veya gama ışınlarının yayılmasına yol açar.