Bu konuda ne öğreneceksin
Telefonunun ekranı, kamerasının sensörü, otomatik kapıların gözü, hastanedeki MR ve röntgen cihazı, kasadaki barkod okuyucu, internetin fiber kablolarından gelen ışık ve evini aydınlatan LED lamba… Hepsinin ortak noktası, 20. yüzyılın fiziğine, yani kuantum fiziğine ve atom-çekirdek bilgisine dayanmasıdır. Önceki konularda fotonu, enerji düzeylerini, fotoelektrik olayı ve radyoaktiviteyi öğrendin. Bu konuda bu bilgilerin yarı iletkenler, LED, lazer, güneş pili, optik fiber, görüntüleme teknikleri ve nükleer enerji gibi teknolojilerde nasıl kullanıldığını göreceksin. Bu konuda hesaptan çok kavram ve yorum ağırlıktadır.
Hedefler
- Yarı iletken, diyot, transistör ve LED'in çalışma ilkesini açıklamak.
- Güneş pili ve fotoselin fotoelektrik olayla ilişkisini yorumlamak.
- Lazerin özelliklerini ve kullanım alanlarını bilmek.
- Optik fiberin tam yansımayla çalıştığını açıklamak.
- Tıbbi görüntüleme tekniklerini (X ışını, MR, ultrason, PET) ayırt etmek.
- Fisyon ve füzyonu, nükleer reaktörün yapısını karşılaştırmak.
1. Yarı iletkenler ve elektronik
İletken, yalıtkan ve yarı iletken: Katılarda enerji düzeyleri bantlar hâlinde bulunur. Yalıtkanda iletim bandı ile değerlik bandı arasındaki yasak aralık büyüktür, elektron geçemez. İletkende bantlar örtüşür. Yarı iletkende (silisyum, germanyum) yasak aralık küçüktür, ısı ya da ışık enerjisiyle elektron iletim bandına geçebilir.
Katkılama: Saf silisyuma az miktarda başka atom eklenir:
- n tipi: Fazladan serbest elektron (fosfor ekleyerek).
- p tipi: Fazladan boşluk (oyuk) (bor ekleyerek).
Diyot (p-n eklemi): p ve n tipi yarı iletkenin birleşimidir. Akımı yalnızca bir yönde (ileri beslemede) geçirir, ters yönde engeller. AC'yi DC'ye çevirmekte (doğrultucu) kullanılır.
Transistör: Üç uçlu elemandır. Küçük bir akımla büyük bir akımı kontrol eder, anahtar ya da yükseltici olarak çalışır. Bilgisayar işlemcilerinde milyarlarca transistör vardır.
LED (ışık yayan diyot): İleri beslemede n bölgesinden gelen elektron, p bölgesindeki oyukla birleşirken fazla enerjiyi foton olarak yayar. Fotonun rengi yarı iletkenin yasak aralığına bağlıdır. Akkor lambaya göre çok verimlidir, çünkü enerjiyi ısıya harcamaz.
2. Işığın elektrik üretimi ve algılanması
Fotosel ve ışık sensörü: Fotoelektrik olay prensibiyle ışık, akıma çevrilir. Otomatik kapılar, sokak lambalarının ışığa göre yanması, asansör ve alarm gözleri fotosel kullanır.
Güneş pili (fotovoltaik): p-n eklemine düşen foton, yasak aralığı aşacak enerjideyse elektron-oyuk çifti oluşturur. İç elektrik alanı bunları ayırır ve devreden akım geçer. Verimi sınırlıdır, çünkü fotonun enerjisi aralıktan küçükse soğurulmaz, büyükse fazlası ısıya gider.
Dijital kamera (CCD, CMOS): Her piksel bir ışık sensörüdür. Gelen foton sayısı elektrik yüküne çevrilir.
3. Lazer
Lazer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) uyarılmış ışıma ile ışığı kuvvetlendiren cihazdır. Uyarılmış bir atom, kendisini uyaran fotonla aynı fazda, aynı yönde, aynı enerjide yeni bir foton yayar.
Lazer ışığının özellikleri:
- Tek renkli (monokromatik): Tek dalga boyunda.
- Eş fazlı (koherent): Tüm fotonlar aynı fazda.
- Paralel ve ince demet: Çok az yayılır.
- Yüksek yoğunluklu: Enerji küçük bir alana toplanır.
Kullanım alanları: Barkod okuyucu, CD-DVD, lazer yazıcı, göz ameliyatı, kesme-kaynak, mesafe ölçme, lazer işaretleyici, haberleşme.
4. Optik fiber
Çok ince cam ya da plastik liflerdir. Işık, lifin içinde tam yansıma ile ilerler: Çekirdeğin kırılma indisi dış katmandan büyüktür ve ışık kritik açıdan büyük açıyla çarptığı için dışarı çıkmaz. Kayıplar çok azdır.
Kullanım: İnternet ve telefon haberleşmesi (milyonlarca ayrı sinyali ışık darbesi olarak taşır), tıpta endoskopi, dekoratif aydınlatma.
5. Tıbbi görüntüleme
| Yöntem | Temel ilke | Not |
|---|---|---|
| X ışını (röntgen) | Yüksek enerjili elektromanyetik dalga, dokulara göre farklı soğurulur | Kemik gibi yoğun dokular net görünür, iyonlaştırıcıdır |
| BT (tomografi) | Farklı açılardan çekilen X ışını görüntülerinin birleştirilmesi | Kesit görüntü |
| MR (manyetik rezonans) | Güçlü manyetik alan ve radyo dalgası ile hidrojen çekirdeklerinin tepkisi | İyonlaştırıcı ışın yok, yumuşak doku net |
| Ultrason | Yüksek frekanslı ses dalgalarının yansıması | Gebelik izleme, iyonlaştırıcı değil |
| PET | Radyoaktif işaretli madde, pozitron-elektron yok olmasıyla gama fotonları | Metabolik aktiviteyi gösterir |
Radyoterapi: Kanser hücrelerine yüksek enerjili ışın (gama, X, hızlandırılmış parçacık) yöneltilir.
6. Nükleer enerji
Fisyon (bölünme): Ağır bir çekirdeğin () nötron soğurup iki orta kütleli çekirdeğe bölünmesidir. Tepkimede kütle kusuru enerjiye () dönüşür ve birkaç nötron açığa çıkar. Bu nötronlar başka çekirdekleri bölerse zincir tepkime oluşur.
Nükleer reaktör:
- Yakıt çubukları: Zenginleştirilmiş uranyum.
- Yavaşlatıcı (moderatör): Su ya da grafit, hızlı nötronları yavaşlatır.
- Kontrol çubukları: Bor ya da kadmiyum gibi nötron soğuran maddeler. Çubuklar aşağı indirilince nötron sayısı azalır ve tepkime yavaşlar ya da durur.
- Soğutucu: Isıyı taşır, buhar türbinini döndürür.
Füzyon (birleşme): Hafif çekirdeklerin (hidrojen izotopları) birleşip daha ağır çekirdek oluşturmasıdır. Güneş ve yıldızların enerji kaynağıdır. Çekirdekler pozitif yüklü olduğundan birbirini iter, bu yüzden milyonlarca derece sıcaklık gerekir. Füzyonun yakıtı bol, atığı az, ama kontrol altında yapılması çok zordur.
| Fisyon | Füzyon | |
|---|---|---|
| Çekirdek | Ağır çekirdek bölünür | Hafif çekirdekler birleşir |
| Koşul | Nötron çarpması | Çok yüksek sıcaklık ve basınç |
| Atık | Radyoaktif atık | Çok az |
| Kullanım | Santraller | Güneş, araştırma reaktörleri |
7. Diğer teknolojiler
- Süper iletkenlik: Çok düşük sıcaklıkta bazı maddeler elektrik direncini tamamen kaybeder. MR cihazlarında ve manyetik havada kalan trenlerde güçlü mıknatıslar bu sayede elde edilir.
- Nanoteknoloji: - ölçeğindeki yapılarla çalışılır. Bu boyutta kuantum etkileri baskındır. İlaç taşıma, güneş pilleri ve yeni malzemelerde kullanılır.
- GPS: Uydu saatleri, hızları ve yer çekimi nedeniyle özel ve genel görelilik düzeltmeleri gerektirir.
8. Sık yapılan hatalar
- Kontrol çubuklarının nötron ürettiğini sanmak. Soğururlar.
- Fisyon ile füzyonu karıştırmak. Fisyon ağır çekirdeği böler, füzyon hafifleri birleştirir.
- LED'in akkor lamba gibi telin kızması ile ışık verdiğini düşünmek.
- Lazerin yalnızca "güçlü ışık" olduğunu sanmak. Asıl özelliği eş fazlı ve tek renkli olmasıdır.
9. Konuyu toparla
| Teknoloji | Dayandığı olay |
|---|---|
| LED | Elektron-oyuk birleşmesiyle foton salınması |
| Güneş pili, fotosel | Fotoelektrik olay |
| Lazer | Uyarılmış ışıma |
| Optik fiber | Tam yansıma |
| MR | Manyetik alan ve radyo dalgası |
| Nükleer santral | Fisyon |
| Güneş | Füzyon |
Mini test
Soru 1
Işık yayan diyotun (LED) çalışma ilkesiyle ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
- Aİleri beslemede elektron-oyuk birleşmesinde enerji foton olarak yayılır.
- BTers beslemede akım geçer ve telin kızarmasıyla ışık oluşur.
- CIşık yalnızca dış ortamdan gelen fotonların yansımasıyla oluşur.
- DIşığın rengi diyottan geçen akımın yönüne göre belirlenir.
- EIşık, çekirdeğin bozunması sonucu yayılan gama ışınlarıdır.
Cevabı ve çözümü göster
Doğru cevap: A
- LED, ileri yönde beslenen bir p-n eklemidir. n bölgesinden gelen elektronlar p bölgesindeki oyuklarla birleşir.
- Birleşme sırasında fazla enerji foton olarak yayılır ve fotonun rengi yarı iletkenin yasak aralığına bağlıdır. Doğru cevap A.
Diğer şıklar: B akkor lambanın ilkesi LED'e uygulanmış / C LED kendi ışığını üretir / D renk yasak aralıkla belirlenir, akım yönüyle değil / E LED'de çekirdek olayı yoktur, elektronik geçiş vardır.
Soru 2
Lazer ışığı için aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
- AFarklı dalga boylarını bir arada içerir ve her yöne eşit yayılır.
- BFotonlarının fazları birbirinden bağımsızdır.
- CBir ampulün ışığıyla aynı yapıdadır, yalnızca daha parlaktır.
- DTek dalga boylu, eş fazlı ve paralel bir demet oluşturur.
- EYalnızca boşlukta yayılabilir ve maddeye enerji aktaramaz.
Cevabı ve çözümü göster
Doğru cevap: D
- Lazerde uyarılmış ışıma ile yayılan fotonlar, uyaran fotonla aynı fazda, aynı yönde ve aynı enerjidedir.
- Bu yüzden lazer tek renkli, eş fazlı ve paralel bir demettir. Doğru cevap D.
Diğer şıklar: A akkor lamba ışığının özelliği lazere verilmiş / B faz bağımsızlığı doğal ışık kaynaklarının özelliğidir / C doğal ışık ile lazer arasındaki temel farklar unutulmuş / E lazer maddeye enerji aktarır, kesme ve kaynakta kullanılır.
Soru 3
Füzyon tepkimeleriyle ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
- AAğır bir çekirdek, nötron soğurarak daha küçük çekirdeklere bölünür.
- BHafif çekirdekler birleşir ve çok yüksek sıcaklık gerektirir.
- CGünümüzdeki nükleer santrallerin tamamında kullanılır.
- DTepkimede kütle korunur, kütle kusuru oluşmaz.
- EZincir tepkime kontrol çubuklarıyla yönetilir.
Cevabı ve çözümü göster
Doğru cevap: B
- Füzyonda hidrojen izotopları gibi hafif çekirdekler birleşip daha ağır çekirdek oluşturur.
- Çekirdekler pozitif yüklü olduğundan birbirini iter. Bu itmeyi aşmak için milyonlarca derece sıcaklık gerekir. Doğru cevap B.
Diğer şıklar: A fisyonun tanımı verilmiş / C santraller fisyonla çalışır / D füzyonda da kütle kusuru enerjiye dönüşür / E kontrol çubukları fisyon reaktörlerinde kullanılır.
Soru 4
Bir nükleer reaktörde kontrol çubuklarının görevi aşağıdakilerden hangisidir?
- AYakıt olarak uranyum sağlayıp zincir tepkimeyi başlatmak.
- BNötronları hızlandırarak fisyon sayısını artırmak.
- CReaktörden ısıyı alıp buhar türbinine taşımak.
- DFisyonla açığa çıkan kütleyi artırarak enerji kazandırmak.
- ENötronları soğurarak zincir tepkimenin hızını kontrol etmek.
Cevabı ve çözümü göster
Doğru cevap: E
- Fisyon zincir tepkimesi, açığa çıkan nötronların yeni çekirdekleri bölmesiyle sürer.
- Kontrol çubukları bor ya da kadmiyum gibi nötron soğuran maddelerden yapılır. Çubuklar indirilince nötron sayısı azalır ve tepkime yavaşlar. Doğru cevap E.
Diğer şıklar: A yakıt çubuklarının görevi / B yavaşlatıcı nötronları hızlandırmaz, yavaşlatır / C soğutucunun görevi / D kütle kusuru enerjiye dönüşür, kütle artmaz.
Kendini dene
Kendini dene
Diyot akımı kaç yönde geçirir?
Yalnızca ileri yönde.
Optik fiberde ışık hangi olayla ilerler?
Tam yansıma.
Güneş pili hangi fizik olayına dayanır?
Fotoelektrik olaya.
Güneş'in enerji kaynağı fisyon mudur füzyon mu?
Füzyon.
MR cihazı iyonlaştırıcı ışın kullanır mı?
Hayır.
Yanlış yaptığın soruları yanlış soru defterine ekleyebilirsin. Birkaç gün sonra tekrar karşına çıkar.