fizik nedir? proje nedir nasıl...
TRANSCRIPT
TÜSSİDE – 24-31 Ocak 2010Koordinatör: Prof. Mehmet Ay (ÇOMÜ)
Fizik Nedir?
Proje nedir nasıl hazırlanmalıdır?
Spektroskopi ve Lazer hakkında kısa bilgi
Rıza DemirbilekYıldız Teknik Üniversitesi, Fizik Bölümü
• Fizik Nedir?
• Proje Nedir?
• Spektroskopi
• Lazer
SUNUM İÇERİĞİ
Fizik, doğada var olan her nesnenin (varlığın) temel yapı taşlarından (atom ve atom altı) içinde var olduğu ortama dek her şeyi kapsayan, bütün varlıkların birbirleriyle etkileşimini ve herhangi bir zamanda bir konumda bulunma durumlarını inceleyen bir temel doğa bilimidir.
Konum, hareket , etkileşim
Bu anlamda Fizik, doğal olayları özlü olarak betimleyen temel yasaları en açık ve temel haliyle ortaya çıkarma ve bu yasaları, ileride yapılacak deneylerin ve gelişebilecek olayların sonuçlarını öngörecek teorilerin geliştirilmesinde kullanma işlem ve çalışma süreçlerini kapsar.
FİZİK NEDİR?
İster cansız olsun iste canlı olsun, varlıkların çevresi ile etkileşimini ve bir konumda ve zamanda bulunma durumları incelerken onların;
Konumlarını,durgun/hareketli oluşlarını,enerjilerini,etkidikleri/etkilendikleri kuvvetlerin türleri ve büyüklükleri
gibi olaylar ve durumlarla ilgili sorular sorar ve bunlara yanıtlar arar.
FİZİK NEDİR?
Böylece, bu belirtilen noktalar hakkında genellemelere gider, gözlem ve deneyler yapar; doğada var olmayan sistemler –enerji ve madde harcaması karşılığında- geliştirir ve insanın doğayı daha yakından tanımasını sağladığı gibi, doğayı kullanarak insanlığın refah düzeyini yükseltmeyi de sağlar.
Fizik, yaşamı anlamamıza, yaşamımızı kolaylaştırmaya önemli katkı sunan temel bilim dalıdır.
Fizik, heyecan vericidir, ilginçtir, bilinmeyenleri algılamaya, anlaşılmayanları anlamaya yardımcı olur.
FİZİK NEDİR?
Günümüzde Fizik, gelişim aşamaları açısından iki ana başlık altında ele alınabilir:
Klasik Fizik: 1900 yılından önce geliştirilen teoriler, kavramlar, kanunlar, klasikmekanikteki deneyler, termodinamik ve elektromanyetizma konuları bu kategoride ele alınır.
Modern Fizik: 19. yüzyılın sonlarına doğru başlayan ve klasik fiziğin açıklamakta eksik kaldığı fiziksel olayları açıklayan yeni teorileri kapsayan çalışma alanını kapsar. Bu alandaki en önemli iki teori Kuantum Mekaniği ve Görelilik’dir.
Doğadaki olaylar gerçekte varsayıldığı gibi tamamıyla doğrusal değildir. Dolayısıyla doğayı ve özellikle iklimsel olaylar, elektro optik ve fotokırıcı süreçler gibi doğrusal olmayan olay ve süreçleri gerçeğe daha yakın betimlemeye ve öngörmeye çalışan çalışmalar son yıllarda hız kazanmış ve kuantum fiziğini betimleyen doğrusal matematiksel işlemciler yerini doğrusal olmayan işlem ve işlemcilere bırakmaktadır. Bu özelliklerin söz konusu olduğu çağdaş fizik çalışmaları “Yeni Fizik” ten söz ettirecek türdendir.
FİZİK NEDİR?
Fizik deneysel gözlemler ve nicel ölçümlere dayanır: Bir yandan doğayı ve çevremizi açık gözlülükle inceleyerek nicel değerlendirmeler diğer yandan ortaya çıkardığı az sayıda temel doğa kanunu ile yeni öngörüler yaparak onları yapay olarak geliştirdiği süreçlerle (deneylerle) test eder.
FİZİK NEDİR?
Gözlem ve
Deney
Teori ve
öngörüler
Doğada kendiliğinden ortaya çıkmakta olan veya çıkan olayların gözlemi yapılabildiği gibi düşünülmüş ve laboratuar ortamında yapılan deneyler yapılarak da gözlemler yapılabilir. Bu anlamda “Deney”, doğaya sorulan hedefli bir soruya açık bir yanıt bulabilmek için yapılan deneme düzeneği ve ölçüm sürecidir.
Fizikte teorik bir betimleme, her zaman insanın doğayı algılamada oluşturduğu bir modelin betimlemesidir. Bir teori ele alınan bir modelin bütün özelliklerini hesaplayabildiği için bir deneyciye hangi deneylerin söz konusu modelin geçerliliğini test edebileceğine dair bilgi verir. Teorik ve deneysel çalışmaların bu birlikteliği, karşılıklı destekleme ve sorgulama süreci insanlığın fiziksel bilgi birikiminin gelişmesine büyük katkı sunmaktadır.
FİZİK NEDİR?
Gözlem, deney ve teori olarak fiziğin gelişim aşamaları şu şekilde sıralanabilir:
“Neler oluyor” sorusunu sormak ve bunun için bilerek veya bilmeyerek gözlemlerin yapılması. Tarihsel gelişim sürecinde Galilei’e kadar yapılanlar temel olarak bu çerçevede ele alınabilir.
“Nasıl oluyor” sorusunun yanıtlanması; gözlem ve denemeler. Bilim tarihinde Galilei ile başlar.
“Neden oluyor” sorusunu yanıtlanması. Bilim tarihinde Newton ile başlar. İlk Fizik kanunları. Fizksel bir kanun ölçülebilir büyüklükleri ve fiziksel kavramlarını birbirine bağlar. Bu bağ bir matematiksel eşitlik ile gösterilir.
Çağımızda bunların gelişmiş hali olarak “Ne, nasıl, neden ve hangi koşul altında ve çerçevede?” Sorularına yanıt aranmaktadır.
FİZİK NEDİR?
Gözlem, insanın duyu organları (Görme, işitme, dokunma hissi, koklama ve tatma) aracılığı ile yapılır. Bunlar arasında görme özellikle büyük önem taşır. Örneğin bir ölçü aracı ibresinin bir miktar kayması, osiloskop veya bilgisayardaki sayısal yada grafiksel gösterimler.
Gözlem sürecinde dikkat edilmesi gereken duyu organlarımızın ne kadar hassas ve doğru algıladığıdır. Doğru ve tarafsız gözlem için iyi ölçü araçlarına gereksinim vardır. Sonuç olarak “Fizikte Ölçme“ konusu çok önemlidir.
Bütün bu gözlemlerin, deneylerin ve teorilerin insanlar arasında doğru aktarılması ve anlaşılması için de ortak bir fizik diline gerek vardır. Bu dil şu öğelerden oluşur:
Gözlemleri, ölçüm sonuçlarını ve düşünülen modelleri anlaşılır açıklıkta ifade eden önermeler, güncel dil ve fiziksel kavramlar, matematiksel ifadeleri kısa ve öz sunabilen bağıntılar ve onlarda kullanılan semboller, görselleştirici şekil ve resimler.
FİZİK NEDİR?
“Yeni Fizik”: Doğrusal olmayan doğa gerçeği
FİZİK NEREYE GİDİYOR?
İsotrop (a) ve isotrop olmayan (b) katı cisimler için klasik atomsal model.
FİZİK NEREYE GİDİYOR?
http://www.ee.duke.edu/~drsmith
Metamalzemeler sahip oldukları dieletrikve manyetik parametrelerin reel ve sanal bileşenlerine bağlı olarak dalga ilerlemesinin değişik biçimlerini sunarlar.
Bu parametrelerin reel kısmının işareti de rol oynamaktadır.
(soğuran ortamlar için sanal kısmı hep pozitiftir.)
00
00
EHk
HEk
Metamalzeme
FİZİK NEREYE GİDİYOR?
Mikro teknik aracılığı ile enerji eldesi
Institut für Mikro- und InformationstechnikWilhelm-Schickard-Str. 10 D-78052 Villingen-Schwenningen
Malzeme bilimi
FİZİK NEREYE GİDİYOR?
Atomik yapı
Hücre yapısı
20. yüzyıl 21. yüzyıl
• Yapay malzemeler; küçük malzemeleryüksek performanslı
malzemeler
• Nano yapılar;nano sensörlernano makinelernano hesaplayıcılar
• Genetik olarak tasarlanmış hücreler;gıda üretimiilaç üretiminano yapıların üretimi
FİZİK NEREYE GİDİYOR?
Yüksek Enerji fiziği
CERN deki çalışmalar, kazandırdıkları ve getirecekleri
FİZİK NEREYE GİDİYOR?
Biyofizik
……
PROJE NEDİR?
Önceden belirlenmiş bir süre içerisinde;
• değişim yaratmayı hedefleyen,
• birbiriyle ilişkili amaç ve hedefleri olan,
• yeni ürünlerin (bilgi, uygulama prosedürleri, çeşitli kullanılabilir mal
veya araçlar, programlar) elde edilmesi ile sonuçlanan bir planlı
çalışma sürecidir.
PROJENİN AŞAMALARI
Düşüncenin akla geliş
Araştırma/planlama
Veri toplama
Veri işleme
Değerlendirme
Araştırma düşüncesi, durumu değerlendirme, proje taslağı
Literatür inceleme, konunun sınırlandırılması, Nelerin nasıl yapılacağının planlanması, proje başvurusu
Gerekli ön testler, bilgilerin elde edilmesi ve toparlanması
Hipotezlerin testi, soruların yanıtlanması, sonuçların yorumlanması
Rapor, sunumlar, yayınlar, yeni projelere yönelik düşünceler
PROJE ÇALIŞMALARIYLA ULAŞILMAK İSTENEN
Bu bağlamda proje,
öğrencilerin gerçek yaşama benzer işler üzerinde, özgün bir ürün ortaya koymak
amacıyla yaptıkları bağımsız konu araştırmaları ve etkinliklerdir.
• Ülkemizin gereksinim duyduğu geleceğin bilim insanlarını yetiştirmek;
• Bilimsel amaçlı yarışma ve benzeri etkinlikleri ülke genelinde yaygınlaştırmak ve teşvik etmek,
• Geleceğin bilim insanı olma potansiyeline sahip çocuklarımızı erken yaşlarda keşfedip var olan yeteneklerini geliştirmek,
• Onlara gerekli desteği vererek araştırmacı bir ruh kazandırmak,
• Öğrencileri Matematik ve Fen Bilimleri alanlarında yaratıcılığa teşvik etmek,
• Öğrencilerin gizli kalmış yeteneklerinin desteklenerek geliştirilmesine ortam hazırlamak,
• Ülkenin geleceğini yönlendirecek, bilimsel alanlarda özgün ve farklı düşünceler ortaya koyabilen, özgüveni gelişmiş bireyler yetiştirilmesine katkıda bulunmak
şeklinde vurgulanabilir.
Burada amaç;
1. Projenin konusunu seçmek
2. Bilgi toplamak
3. Projenin tanımlanması
4. Projenin yürütülmesi
5. Değerlendirme
ve Rapor Yazımı
PROJE NASIL HAZIRLANMALIDIR
Araştırma düşüncesi, durumu değerlendirme, proje taslağı; literatür inceleme, konunun sınırlandırılması
Nelerin nasıl yapılacağının planlanması, proje başvurusu
Gerekli testler, bilgilerin elde edilmesi ve toparlanması; hipotezlerin testi, soruların yanıtlanması, sonuçların yorumlanması
Yayınlar, sunumlar, yeni projelere yönelik düşünceler
Bilimsel birer çalışma olan projeler;
yaratıcı, bilimsel, uygulanabilir, yarar sağlamaya dönük, açık ve anlaşılır olmalıdır.
1. Proje konusunun seçimi
Proje konusu;
• ilgi çeken,üzerinde düşünülen,
• merak edilen
• yenilik getiren/getirebilen
• bir problemi çözebilecek, bir soruna çözüm olabilecek
konulardan seçilmelidir.
2. Bilgi toplamak
• Projenin konusu belirlendikten sonra konuyla ilgili kitaplardan,
dergilerden, internetten, kaynak kişilerden ve kurumlardan bilgi
toplanmalıdır.
3. Projenin tanımlanması
Projenin Amacı,
• Amaç, elde edilmek istenen sonucun basit anlatımıdır.
• Projelerin genelde tek bir amacı vardır.
• Projenin amacı iyi tanımlanmadığında amaca yönelik hedefler ve faaliyetleri
tanımlamada sorunlarla karşılaşılabilir.
Projelerde,
problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması
Hedefler,
• Hedefler, tanımlanan amaca hizmet etmelidir.
• Hedefler birden fazla olabilir.
• Ölçülebilir hedefler belirlenmelidir.
Projelerde,
problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
0
a1
a2
a3
b1
b2
b3
b4
b5
b6
b7
b8
c1
c2
c3
c4
c5
c6
c7
c8
c9
Hedef
3. Projenin tanımlanması
Yöntem
Proje çalışmaları sırasında izlenecek yol, yapılacak deney ve gözlemler, veri toplama
araçları, istatistiksel değerlendirmeler, grafik çizimleri ve hesaplamalar yöntemi belirleyen
unsurlardır.
Projelerde,
problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması
Uygulama adımları ve Çalışma Takvimi
Proje çalışmaları sırasında gerçekleştirilecek faaliyetler adım adım
tanımlanarak çalışma takvimi hazırlanmalıdır.
Amaca yönelik daha yararlı ara hedeflerde esneklik olabilmelidir. Bu durum
projenin yeni düşünceler doğurmasına yardımcı olur.
Projelerde,
problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması
Beklenen Sonuçlar
Her bir faaliyet için beklenen sonuçlar ortaya konulmalıdır.
Projelerde,
problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
4. Projenin yürütülmesi
Proje belirlenen amaç, hedefler, yöntemler, uygulama adımları ve
takvim doğrultusunda yürütülür.
Proje yürütümünde, proje yürütücüsü merkezi rol oynar.
Yürütücü, projenin sağlıklı bir şekilde yürütülmesini ve sonuçlandırmasını iyi
yönetmelidir.
5. Değerlendirme ve Rapor Yazımı
• Bu aşamada proje sonuçlarının ve etkisinin değerlendirmesi yapılır.
• Daha önce yapılan çalışmalarla karşılaştırılarak amaca ne ölçüde ulaşıldığı belirtilir.
• Raporda proje çalışmalarında elde edilen sonuçlar yazılır.
• Bulgular, yazılı ve görsel araçlarla ifade edilir.
Proje sonucunda, proje amaç ve hedeflerine ulaşıldığı bilimsel olarak gösterilmelidir.
Projeler sürdürülebilir olmalıdır.
6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler
• Verilen bilgiler öz, ancak mümkün olduğunca doğru ifade edilmelidir. Eksik ifadelerden kaynaklanan yanlış anlaşılmalar önlenmelidir.
Örnek:
….. “UV ışınları Görünmeyen ışınlar olarak bilinir.” ….
cümlesi nasıl anlaşılır?
6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler
• Varılan sonuçların çerçevesi,
1. sağlayacağı veya sağladığı yarar açısından,
2. bilimsel yapısı açısından ve
3. teknik kullanışlılık ve verimlilik açısından
verilmelidir.
6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler
• Yapılan çalışmalar, yalın ve mümkün olduğunca açıklayıcı olmalıdır.
• Çalışmaya götüren etmenler ve ön bilgiler açık ve anlaşılır, tarihsel gelişimi net ve durum değerlendirmesi olması gerekir.
• Çalışmanın kendisi elde edileni anlatmada en uygun dil seçilerek (pasif veya aktif cümleler) yazılmalıdır.
• Sonuçlar; bilimsel, teknik ve sosyal sonuçları ve yararları ile birlikte uygun bir dil, grafik, animasyon ile verilmelidir.
Spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim (bir miktar
madde) tarafından; saçılması, yansıtılması, soğrulması veya salınması ile
ilgilenen fen bilimi dalıdır.
Elektromanyetik ışıma:
Radyo dalgaları (Gamma) ışınları
Parçacıklar:
Nötronlar, elektronlar, protonlar, pozitronlar, .......
Spektroskopi: (Latince) ruhtaki resim, ruhun resmi.
Bu terimi ilk kullanan kişi: Arthur Schuster, 1882
SPEKTROSKOPİ : Tanım
SPEKTROSKOPİ : Tanım
Türkçe sözcük önerisi: Renkserim
SPEKTROSKOPİ : Tanım
Saleh B.E.A.,Teich M.C.Fundamentals of Photonics (Wiley, 2e)
Spektroskopi sürekli gelişmekte olan bir daldır. Hem var olan tekniklerin
iyileştirilmesi ve geliştirilmesi, hem de yeni yöntemlerin önerilmesi bu alanı şimdiye
dek hep canlı tutmuştur.
Günümüzde spektroskopi kavramı içine pek çok teknik girmesine rağmen başlangıçta
sadece optik spektroskopi olarak gelişmiştir.
SPEKTROSKOPİ : Tanım
R e n k s e r i m
SPEKTROSKOPİ : Tarihçe
Newton 1666
Herschel: Infrared 1800
Ritter: UV 18001
Fraunhofer 1814
Bunsen ve Kırchhoff 1859
Rayleigh 1871
Hallwachs 1887 ve Einstein 1905
Rydberg 1890
Röntgen 1895
J. J. Thomson 1897
Aston 1912
J. Franck ve G. Hertz 1914
Raman ve Smekal 1928
Townes ve Basov 1954
Maiman 1960
Turner, Terenin ve Siegbahn 1962
Herzberg 1971
Bloembergen ve Shawlow 1981
Spektroskopinin başlangıcı, 17.
yy. da Newton’un güneş ışığının
çeşitli renklerden oluştuğunu
gösteren meşhur prizma deneyidir.
19. yüzyılın başında
görünmeyen elektromanyetik
ışımanın (IR ve UV) varlığının
anlaşılması ile Newton spektrumu
genişlemiştir.
SPEKTROSKOPİ : Tarihçe
SPEKTROSKOPİSPEKTROSKOPİ : Temel Düzenek
SPEKTROSKOPİSPEKTROSKOPİ : Temel gösterim
SPEKTROSKOPİ : Hidrojen Atomunun Spektrum Serileri
SPEKTROSKOPİ : Kutuplanırlık spektrumu
SPEKTROSKOPİ : Molekül hareketleri
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektrometreleri
Kütle spektrometresinde, iyonlaşma bölgesinde elde edilen hareketli iyonlar,elektrikle yüklü plakalara doğru çekilerek hızlandırılır. Kütle ayırıcısına gönderilir vekütle ayırıcısında kütle/yük (m/z) oranlarına göre hızlıca ayrılır. İyonların çoğu tekyüklü olduğundan, oran basitçe iyonun kütlesine eşittir. Çeşitli tipte kütlespektrometreler kullanılmaktadır. Bunlar,
• Kuadrupol kütle spektrometre,
• Uçuşzamanlı kütle spektrometre
• Çiftodaklamalı kütle spektrometredir.
(http://74.125.77.132/search?q=cache:nNWyBVn63l8J:w3.gazi.edu.tr/~mkaracan/enstrumental/Atomik%2520Kutle%2520Spektroskopisi.ppt+k%C3%BCtle+spektroskopisi&cd=2&hl=tr&ct=clnk&gl=tr).
SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Manyetik Rezonans
SPEKTROSKOPİ : Manyetik Rezonans
SPEKTROSKOPİ : Nükleer Manyetik Rezonans
SPEKTROSKOPİ : Zeeman olayı
OPTİK SPEKTROSKOPİ
SOĞURMA YANSIMA SAÇILMA IŞIMA
Molekül Soğurulması
AtomSoğurulması
OptikDikroizm
DöngüselDikroizm
RayleighFraunhofer
Raman Floresans Fosforesans FotoakustikSpektroskopisi
Atom EmisyonSpektroskopisi
Gecikmeli Ani
IsılIşımalı
KimyasalIşımalı
FotoIşımalı
UyarıEmisyonSpektroskopisi
BiyoIşımalı
TriboIşımalı
PolarizasyonSpektroskopi
Zaman AyrışımlıSpektroskopi
EnerjiAktarımlıSpektroskopi
SPEKTROSKOPİ : Optik Spektroskopi
ELEKTROMANYETİK DALGALAR
Elektrik ve Manyetizma kanunları Maxwell denklemleri ile
özetlenebilirler:
İntegral Biçiminde:
1.
2.
3.
4.
s içn QdAE1
s n dAB 0
c s n dAB
dtddlE
c s n dAE
dtdIdlB
Gauss Kanunu
Manyetizma için Gauss Kanunu
Faraday İndüksiyon Kanunu
Ampere Kanunu
Diferansiyel Biçimde:
1.
2.
3.
4.
QE
0
B
tBE
tEJB
E : Elektrik alan
: Manyetik alan
: Akım yoğunluğu
: Dielektrik sabiti
: Manyetik geçirgenlik
B
J
Soğurma ve Dağıtkanlık
yay
)(202
2
tEmQx
dtdx
dtxd
Sönümlü harmonik salınıcı
tieEtE 0)( tiextx 0)(
)(1)( 220
tEmQ
itx
)()()()( tEtxQtp
Atomik polarizasyon
Düşük yoğunluklar için geçerli)()()( txQNtrQNtP
EP
0 : karmaşık
Polarizasyon tepkisi modeliHareket denklemi
IIOD 0log
Optik yoğunluk
Soğurma ve Dağıtkanlık
)exp()exp( zzikI )exp(0 zII
Lambert- Beer - Kanunu
I
0I
I
0 z
ortamGelen
ışık
Geçen ışık
00
Güçlendirici ortam
Soğurucu ortam
IIOD 0log
Optik yoğunluk
)exp()exp( zzikI )exp(0 zII
Örnek: Bir optik fiber kablosunun absopsiyon katsayısı 0,001 m-1 dir. 1 km uzunluğunda böyle bir kabloya gelen I0 yeğinliğindeki ışığın çıkış yeğinliği ne olur?
Örnek: Laboratuarlarda kullanılan bir Gri filtre (Örn. HC-3) yaklaşık olarak 1 mm-1 soğurma katsayısına sahiptir. Kalınlığı 2 mm olan böyle bir filtre üzerine düşen ışığın ne kadarını geçirir? Optik yoğunluğu ne olur?
I
0I
I
0
ortam
Gelen
ışık
Geçen ışık
z
Soğurma
Soğurma
Bazı kavramlar
Absorptans (a): Gelen ışığın ne kadarının azaldığını veren birimsiz büyüklüktür. Genelde % olarak verilir.
Transmitans (T): Gelen ışığın ne kadarının ölçülen ortamdan çıktığını veren birimsiz büyüklüktür. Genelde % olarak verilir.
Absorbans (A): Optik yoğunluk: Lambert-Beer yasasında verilen z büyüklüğünü veren niceliktir.
Absorpsiyon katsayısı (): bririm uzunluk başına absorbans büyüklüğüdür ve cm-1
veya m-1 boyutunda verilir.
Absorpsiyon etki kesiti (): Molekülllerin yada atomların soğurma özelliklerini belirlemeye yarayan büyüklüktür. Birimi cm2 veya m2 olarak verilir.
Molar absorpsiyon katsayısı (): bir çözeltide mol başına soğurma katsayısını veren büyüklüktür. cm-1/Mol olarak verilir.
zeII 0
Soğurma
)()()( NN
N
N’
Et
Eu
()
Bir madde ortamında bir soğurma frekansı için ölçülen
soğurma o ortamda bulunan soğurma yapabilecek
atomların yada moleküllerin soğurmalarının toplamıdır.
Soğurma yapan kuantum mekaniksel sistem: Atom/iyon, Molekül
Geçiş tesir kesiti: )()( is Hf
hEE tu
Soğurma
İki seviyeye sahip bir atomsal dizge için ideal soğurma
Bir atomsal sistemin doğal genişlemesi: Lorentz fonksiyonu biçimi (homojen)
Bir atomsal sistemin doğal genişlemesi: Gauss fonksiyonu biçimi
220 )2/()(
2/)(
g
hEE tu
2ln
2/exp2ln2)( 0
g
An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, J. Garc´ıa Sol´e, L.E. Baus´a and D. Jaque, Wiley, 2005
Frekansta belirsizlik, enerjide belirsizlik doğurur.
Bir frekansa bağlı (spektral) çizgi genel olarak ile verilir
Geçiş Çizgilerinin Genişlemesi
)(g1)(
0
dg max0 )( gg
:0 Rezonans frekansı
Çizgi genişlemesine neden olan pek çok etken vardır:
A) Homojen genişleme
B) Homojen olmayan genişleme• Doğal genişleme
• Basınçtan dolayı genişleme
• Enerji yutan (elastik olmayan) çarpışmalar
• Doppler olayından dolayı genişleme
• Elastik çarpışmalar
Soğurma Spektrumu alma düzeneği
An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, J. Garc´ıa Sol´e, L.E. Baus´a and D. Jaque, Wiley, 2005
Lazer: Madde ve ışık etkileşiminin bir sonucu
• Işık → Madde → Işık• Zorlamalı salınım• Lazer• Lazer türleri• Lazer ışığının özellikleri• Lazerlerin uygulamaları • Lazer ışığının tehlikeleri ve
korunma
Zorlamalı ışık salması, h =E yada h >E
h
h1,2,..
E
E+ ters dolum
(örn. Bir rezonatörde)
Işık → Madde → Işık
Zorlamalı ışık salması (emisyon)
http://www.physics.otago.ac.nz/Physics100/simulations/Gamelan/java/laser/index.html
h
I1›
I2›
Soğurma (Absorpsiyon)
Atomlar kendiliğinde soğurma yapamazlar.
Işık alanı + Temel durum (temel enerji seviyesi) Soğurma: uyarılmış durum (uyarılmış enerji seviyesi).
Einstein-Katsayıları: B12
kendiliğinden
h
zorlamalı
2h
Uyarılmış bir durumda bulunan atomlar kendiliğinden ışık salabilirler.
Uyarılmış durum uyarılmış durum + ışık alanıTemel durum (: Emission) temel durum (:Emission)
h
Işık salması (Emisyon)
A21 B21
Lazer Işığı
x
E
L
Rezonator uzunluğu
Lazer
nsssm
mcL 33,010344,3
/1099,21,0 10
8
L=10 cm, R=95% için
nsnsRc
Lt 6,6)95,01(
33,0)1(0
S1 S2
Lazer
E1
E2
E
W
N1
N
2
E1
E2
E
W‘ : kendiliğinden
W : zorlamalı
N1
N
2
0221 t
nNWWnNWnNdtdn
Soğurma
zorlamalıEmisyon
kendiliğindenEmisyon
Kayıplar
Lazer içindeki foton sayısı hesap eşitlikleri
n : Dikkate alınan foton sayısı
W: Geçiş olasılığı
N1: Temel durumda bulunan atomların sayısı
N2: Uyarılmış durumda bulunan atomların
sayısı
t0 : Lazer içerisinde bulunan bir fotonun
yaşam süresi
İlk başta lazer eylemini gerçekleştiren fotonlar (rezonatör ekseni boyunca) dikkate alınırsa
Lazer
0)(0
12 tnnNNW
dtdn
)(1
DVW
V: Lazer ortamının hacmi : Uyarılmış seviyenin yaşam süresi
D()d : …+d frekans aralığının birim
hacminde bulunan olası duran dalgalar
3
2
8)(c
D
Kendiliğinden salınımın lazer olayına katkısı yok.
Lazer şartı için n den bağımsız olan W´N2 terimi ihmal edilebilir.
Bir sistemin lazer etkinliği gösterebilmesi için fotonların üretilme debisi 0 dan büyük olmalıdır:
n ≠ 0 şartı ise şunu verir:
Örnek Hesaplama: yakut lazeri için verilen şu verilere göre W yi hesaplayınız
V= 62,8 cm3, = 4,32·1014 Hz, =2,49 ·1011 Hz
c= 2,9979 ·1010 cm/s, = 3,0 ms
W = 1,224 ·10-12 s-1
Haken
03
212 8
tcVNN
Lazer içerisindeki fotonların yaşam süresi t0 mümkün olduğunca uzun olmalı Lazer ortamının hacminin mümkün olduğunca küçük olması gerekir. Emisyonun yaşam süresi mümkün olduğunca kısa olmalı Mümkün olduğunca yüksek enerji seviyelerin büyük dolum imkanı N2-N1
Frekans de mümkün olduğunca küçük olmalı.
Lazer şartı
cRLt
)1(0
Lazer malzemesi ile ilgili kriterler
Yapı ile ilgili kriterler
Bunlara ek olarak daha başka faktörler de bir lazerin yapılmasında rol oynarlar.
örneğin.: pompa kaynağı, güç kaynağı, boyutlar …
Hesaplama örneği:
Farklı rezonatör uzunlukları
ve yansıma yeğinlikleri için t0
ın hesaplanması
L = 1cm L = 10 cm L = 100 cm
R = 99%, 3,336·10-9 s, 3,336·10-8 s, 3,336·10-7 s,
R = 90%, 3,336·10-10 s, 3,336·10-9 s, 3,336·10-8 s,
R = 10%. 3,706·10-11 s, 3,706 6·10-10 s, 3,706·10-9 s,
Haken / Wolf
Lazer tarihinden bazı önemli gelişmeler
1917 Einstein‘in zorlamalı emisyonu teorik olarak açıklaması.1928 R Ladenberg et al. Gas deşarjında zorlamalı salınımın deneysel gözlemlenmesi1951 Maserin C.H. Townes tarafından geliştirilmesi
Maser lazer ile aynı temel düşünceye dayanıyor; ancak sadece mikrodalga bölgesinde çalışıyor.
1958 C.H. Townesand A.L. Schawlow tarafından maser prensibinin optik frekanslaradauygulanabilirliğinin önerilmesi.
1960 T.H. Maimanat Hughes Laboratuvarda atmalı yakut lazeri gerçekleştirdiklerini bildirdiler.1961 İlk sürekli dalga lazeri rapor edildi (Helium Neon lazeri).1962 İlk yarı iletken lazeri (R Hall)1964 Nicolay Basov, Charlie Townesand A leksandrProkhorovget Lazer ve maser prensibini
açıkladıkları için Nobel Ödülü aldılar.1976 J M J Madey et al. Serbest Elektron lazeri1981 Art Schalowand Nicolaas Bloembergenget lazer spektroskopisini gelişimine katkılarından
dolayı Nobel ödülü aldılar1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ve William D. Phillips
atomları lazer ile soğutup tuzaklama yöntemini geliştirdikleri için Nobel Ödülü aldılar.
2
Pompa
1
Lazer geçişi
Lazer türleri, enerji şemasına göre
• İki seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
Lazer türleri, enerji şemasına göre
1
Lazergeçişi
2
3
Pompe
Işımasız geçiş
• İki seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
Lazer türleri, enerji şemasına göre
0
Lazergeçişi
1
2
Pompa Işımasız geçiş
• İki seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
Lazer türleri, enerji şemasına göre
• İki seviyeli lazer sistemi
0
Lazergeçişi
1
2
Pompa
Işımasız geçiş
Işımasız geçiş
3• Üç seviyeli lazer sistemi
• Üç seviyeli lazer sistemi
4F2
4F1
2E
4A2
Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam)
Atomlardaki elektronik geçişleri
Katıhal lazerleri (z.B. Rubin,Nd-YAG, …)
Gaz lazerleri (z.B.Argon-Ion, Krypton, He-Ne, ...)
Moleküllerdeki elektronik geçişler
Excimer Lazer (HeN, XeBr, XeCl,… )
Kimyasal Lazer (F+H2 → HF*+H, etc.)
Renk malzemesi lazerleri (z.B. Rodamin 6G, Stilbene, Pyridin, ...)
Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam)
Auf molekularen Schwingungen beruhende Laser ( Örneğin CO2)
Yarı iletkenlerdeki elektronik geçişler
Serbest elektron lazerleri
Röntgen lazeri
Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam)
Lazer ışığı özellikleri
• yüksek yeğinlik
• çok kısa salmalar (pulslar) üretebilme imkanı
Işın özelliği(uzaysal Koherentlik)
Tek renklilik (monokromatiklik) (zamansal Koherentlil), l =c·t =c/
Lazer uygulamaları (Malzeme işleme)
Yüzey işlemeKesme
Kaynak yapma yazma / işaretleme
Bir aralıktan açılma alanının ölçülmesi
Hareketli ölçüm cisimlerinde kısa ölçüm süresi
Parlak yüzeylerde bile kararlı ölçüm
Robotların konumlarının kontrolü
Bir iş makinasındaki titreşimleri ölçme
Paslanmış bir metal milin kontrolü
Lazer uygulamaları (Malzeme işleme / otomasyon)
Lazer uygulamaları (Günlük hayatta)
Lazer uygulamaları (Tıpta)
Lazer uygulamaları (Tıpta)
• 1) Deri ve plastik cerrahi• 2) Göz• 3) Sindirim sistemi• 4) Kadın hastalıkları• 5) Üroloji• 6) Kardiyoloji• 7) Diş hekimliği• 8) Beyin cerrahisi• 9) K.B.B. • 10)Ortopedi.
Lazer uygulamaları (çekirdek birleşimi girişimleri)
Lazer ışığının tehlikeleri ve korunma
İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması
Sınıf 1 Sözkonusu lazer ışığı yeğinliği öngörülebilen şartların altında. Zararsızdır.
Sınıf 1MSözkonusu lazer ışığı 302,5 nm - 4 000 nm spektral aralığındadır.Lazer ışığı eğer başka optik araçlar (mercek, teleskop, büyüteç) aracılığı ile sahip olduğuğu genişlikten daha fazla daraltılmazsa göz için zararsızdır.
Sınıf 2Sözkonusu lazer ışığı 400 nm ile 700 nm spektral bölgesindedir. Kısa süreli etki için (≤ 0,25s) göze zararlı değil. Bu dalgaboyu dışındaki ek ışık kısımları 1. sınıf şartlarındadır.
İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması
Sınıf 3A
Sözkonusu lazer ışını optik araçlarla (büyüteç mercek, teleskop) daraltıldığında göz için tehlikelidir. Eğer optik araçlarla ışın genişliği daraltılmazsa göz için tehlikeli değildir! Herhangi bir optik araç ile ışın daraltılması yoksa görünür bölge için ( 400 nm - 700 nm) kısa süreli etkilerde (≤ 0,25s), ve diğer spektral bölgeler için daha uzun etkiler için de tehlikeli değildir.
Sınıf 3B
Sözkonusu lazer ışını göz için ve genellikle deri için de tehlikelidir. Doğrudan 3B sınıfı lazer ışığına bakmak tehlikelidir.Ancak bir dağıtıcı bir yansıtıcıdan en az 13 cm uzakta ve 10s den daha kısa bir süre bakılması ve eğer aynı zamanda hiç bir doğrultulmuş ışın kısmı olmaması durumundan ışına bakılabilinir
Sınıf 4Sözkonusu lazer ışını göz için çok tehlikeli ve deri için tehlikelidir. Dağıtkan olarak saçılan ışık da tehlikelidir. Bu tür lazerlerin ışıkları yangın ve patlama nedeni olabilirler.
Lazeler ve Işın yolları için kurallar
Lazer bölgelerinin genellik sözkonusu tüm odanın (Laboratuarın) lazer ışınları için işaretlenmeli,
lazerlelrin çalışması durumunda laboratuara girişler sınırlandırılmalıdır.
Laboratuarda hemen ulaşılabilir yerlerde acil durum anahtarları olmalıdır.
Işın yolları genellikle göz hizasında olmamalıdır! (oturma durumu da dikkate alınmalı)
Mümkün olduğunca ışın yollar saydam olmayan borularla çevrelenmelidir.
Optik araçların yerleştirilmesinde olası yansımalar dikkate alınmalı düşük yeğinlikli lazer ışını ile test
ilgili düzenek (deney düzeneği ) test edilmelidir.
Dağınık yansımalar dahi bazen yüksek doğrultulu ışınlara sahip olabilir ve 4. sınıf lazerleri
durumunda zaralı olabilirler.
Optik araçların kullanılmayan kısımları siyahlaştırılmalıdır.
Optik araçlar serbest şekilde (tutucusuz ve kapaksız) hiç bir zaman ışın yollarında bırakılmamalıdır.
Işın yakalayıcı ve perdelemeler kullanılmalıdır. Ustaca seçimlerle ışın yolu takip edilebilir durumda ve
güvenli olacaktır.
Yeni çalışmaya başlayanlar tecrübeli çalışanlar tarafından bilgilendirilmelidir. Aynı şekilde misafirler tehlikeler
hakkında bilgilendirilmelidir.
Araştırma laboratuarlarında dikkat edilmesi gerekenler
Herkes kendi bölgesindeki güvenlikten sorumludur.
Her eylem öncesinden etkileri hakkında iyice düşünülmelidir!
Lazerlerden korunma ve ayar gözlükleri kullanılmalıdır. Ortamın aydınlatılması yapılmalıdır.
Laboratuar içinde Yollar serbest bırakılmalı ve çalışma yerleri her zaman toplanmış bırakılmalıdır.
Optik araçlar yerleştirilir veya düzeneklerden kaldırılırken önceseinde lazer ışığı boloke edilmelidir.
Eğer birden fazla kişi aynı deney düzeneğinde çalışıyorsa lazer ışını uyarıdan sonra serbest
bırakılmalıdır!
Eğilme durumunda gözler kapatılmalıdır ve ışık kaynağına bakılmayacak şekilde yüz
çevrilmelidir..
Saatler, takılar ve kemer başlıkları yansımlara yansımalara neden olurlar
Bakım ve onarım araçları kullanılırken dikkat edilmelidir. Onlardan da yansımalar olabilir.