FİZ314 Fizikte Güncel Konular

2015-2016 Bahar Yarıyılı Bölüm-2 ve Bölüm-3 (Uygulamalar)

15.03.2016 Ankara

A. OZANSOY

15.03.2016A.Ozansoy2

Gece Görüş Sistemleri

‘ Gece gören ’ cihazların temeli fotoelektrik olaya dayanır. (Gözlük, dürbün, kamera vb. optiksistemler yoluyla kullanılır). Karanlık bir ortamda dahi cisimlerin görüntülerini alabilmeyisağlarlar. Görüntü, yakın kızılötesi (0.75–1.4 µm dalga boyu) ile görünür ışığın görünür ışığadönüştürülmesi ile elde edilir. Anlaşmasal olarak, termal ışınımın detekte edilmesiyle görüntülerinalınması ‘ termal görüntüleme’ olarak bilinir. [Kaynak 1 ve 2]

Bu sistemlerin çalışma prensibi şöyledir:

Bir mercek sitemi ile ışık toplanır. Toplanan ışık, görüntü yoğunlaştırıcı tüpe gönderilir.Toplanan ışık tüp içerisindeki fotokatot bir malzeme üzerine düşürülür. Fotokatottan sökülenfotoelektronlar, birkaç yüz voltluk potansiyel fark altında ‘kanal plakası’ olarak adlandırılan deliklibir levhaya doğru hızlandırılırlar (mikro kanal plaka). Bu levha üzerinde çapları yaklaşık 10 m olançok sayıda delik vardır. Her bir fotoelektron deliğe çarptığında, oradaki atomları iyonize eder.İyonlaşma sonucu açığa çıkan elektronlar delik boyunca hızlandırılırlar. Hızlanan elektronlar başkadeliklerle başka çarpışmalar yapar. Böylece bir elektron çığı elde edilir. Deliklerden çıkanelektron çığının etkilerini görebilmek için elektronlar fosfor bir yüzeye çarptırılır ve görüntü eldeedilir. [Kaynak 3]

Şekil Kaynak [4]’ ten alınmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy3

Şekiller sırasıyla Kaynak [4] ve [2]’ den alınmıştır.

Bazı kullanım alanları,

- Askeri

- Havacılık

- Güvenlik

- …

15.03.2016A.Ozansoy4

Elektron mikroskobu

Elektronların dalga özelliğini temel alan bir alettir. İlki 1932 yılında yapılmıştır. Optikmikroskoplara benzer ancak ayırma gücü çok daha büyüktür. Çünkü elektronlar çok büyük kinetikenerji kazanacak şekilde çok yüksek hızlara kadar hızlandırılabilirler ve bu onlara çok kısa dalgaboyu kazandırır. Böylece elektronların dalga boyu optik mikroskoplar için kullanılan görünür ışığındalga boyundan ~ 100 kez daha kısa olur. Bu da optik mikroskopta yapacağımız incelemeden ~ 100kat daha ayrıntılı inceleme yapmayı sağlar. [Kaynak 5 ve 6]

Elektron mikroskopları 3- boyutlu cisimlerin ayrıntılı incelemesi için kullanılır. Böylece 10-10

m mertebesinde küçük cisimler görülebilir. İncelenecek malzeme üzerine elektron demetigönderilir. Elektron demetinin odaklaması mercekler veya manyetik alan ile yapılır. Elektronmikroskopları TEM (Transmission Electron Microscope - Geçirimli Elektron Mikroskobu)ve SEM (Scanning Electron Microscope -Taramalı Elektron Mikroskobu) olarak iki çeşittir.

Kırmızı kan hücrelerini görüntüsü Saç teliKar tanesi

15.03.2016A.Ozansoy5

Şekiller, Kaynak 7 ve 8 den alınmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy6

TEM SEM

Elektronlar örneğin içinden geçer. Elektronlar örneğin yüzeyi üzerine gönderilir.

Örnek, mikroskop kolonu içinde vakumda ve ortadadır.

Örnek, mikroskop kolonunun sonundadır.

Yüzeyin iç yapısı ile ilgili detaylı bilgi verir. Yüzeyle ilgili bilgi verir.

Örnekler ince olmalıdır. Örnekler kalın da olabilir.

Bir seferde daha az miktarda örnek incelenebilir.

Bir seferde daha çok miktarda örnek incelenebilir.

Çözünürlüğü yüksek. Çözünürlüğü TEM’ e göre daha düşük.

Görüntüler floresan ekranda. Görüntüler monitörde.

2B- görüntüler elde edilir. 3B- görüntüler elde edilir.

Yüzey kusurlar, kimyasal çöktürücüler, yerdeğiştirmeler, tane sınırları vb. incelenir.

Yüzeyler, toz malzemeler, parlatılmış ve aşınmış mikro yapılar, kimyasal ayrıştırıcılar vb. incelenir.

Karşılaştırma Kaynak 9 ve 10’dan yararlanılmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy7

X- ışını kırınımının uygulamalarıX-ışınlarının dalga boyları, bir malzemedeki atomlar arası uzaklık ile aynı mertebede olduğu için,x-ışınları kırınım yöntemi, bir malzemedeki atomlar ve moleküllerin düzenlerini incelemenin enuygun yöntemidir. x-ışınları, malzemenin içine girebildiğinden malzemenin kristal ve iç yapısıhakkındaki bilgileri (birim hücrenin yapısı, birim hücrede atomların dizilişleri, kristal örgüsabitlerini belirleme vb) deneysel olarak görülebilir yapar. [Kaynak 11]

X-ışını kırınım cihazı ile eldeedilen şiddet grafiği ileincelenen örnek ile ilgili bilgielde edilir.

15.03.2016A.Ozansoy8

X-ışını kırınım yöntemi;

- Kristal ve amorf malzemeleri ayırt etme

- Kristal malzemelerin yapılarını belirleme

- Birim hücredeki atomları ve elektron yoğunluklarını belirleme

- Tek kristallerin içeriğini belirleme

- Çoklu kristallerin özelliklerini belirlemede kullanılır.

X-ışını kırınım yöntemi kolay ve ucuzdur (X-ışını üretmek kolay). X-ışınlarının Dünya atmosferine nüfuz etmediğinden daha öncebahsetmiştik, dolayısıyla hava ile etkileşim olmadığı için vakumdatutmaya gerek yoktur. Ancak atom numarası düşük olan elementlerleşiddetli olarak etkileşmezler.

15.03.2016A.Ozansoy9

Nötron Kırınımı

Kırınım için nötron kullanmanın avantajları şunlardır:

-Nötronlar, hidrojen bakımında zengin malzemelerin içinden geçerken yavaşlarlar. Hidrojen içerenmalzemelerin kristal yapısı incelenirken nötron demetleri kullanmak idealdir. Örneğin geleceğin yakıtıolarak hangi malzemelerin hidrojen depolamada en uygun olacağı gibi sorular nötron kırınımı ilecevaplanabilir.

- Nötronlar protonun çekirdek kuvvetiyle doğrudan etkileşirler. Ayrıca nötronların manyetikmomentleri olduğu için manyetik kristallerin düzenlenimlerinin araştırmalarında da kullanılır.

- Atom numarası düşük elementler için nötron kırınımı desenleri daha yüksek çözünürlüğe sahiptir.

- Nötron kırınımı ile farklı atomik izotoplar ayırt edilebilir. Örgü titreşimleri çalışmalarında dakullanılır.

Nötron kullanmanın dezavantajları, nötron kaynaklarının pahalı ve sınırlı oluşu ile nötronların zor detekte edilmesi sıralanabilir. [Kaynak 11 ve 12]

Şekil, Kaynak 13’ten alınmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy10

Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM: Scanning Tunneling Microscope)

Tünel olayına dayanarak metal yüzeylerin atomik ölçekteki ayrıntılarını görmeye yarayan biraraçtır. 1981 yılında G. Binning ve H. Röhrer tarafından icat edilmiştir. 1986 yılında Binning veRöhrer, E. Ruska (elektron mikroskobunu bulan kişi) ile beraber Nobel Fizik Ödülü’ nü paylaştılar.

STM de keskin bir tungsten iğne ucu ile incelenecek yüzey arasında bir potansiyel fark uygulanır.Elektronlar, iğneden yüzeye kuantum tünelleme yoluyla geçerek bir tünel akımı oluştururlar. Ucupiezoelektrik destekler tutar. (Piezolelektrikler kendilerine elektrik alan uyguladığında genleşenya da sıkışan seramiklerdir). Uç yüzey üzerinde tutulduğunda, uç üzerinden geçen akım, yüzey vetungsten uç arasındaki uzaklığa bağlı olur. Bu uçlarla yüzeydeki atomları tek tek görebiliriz,atomların oluşturduğu tepe ve vadiler tespit edilebilir.

Şekil, Kaynak 3’ten alınmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy11

Bir yüzeyi taramanın iki yolu vardır:

1. Sabit tünel akımı ile tarama

2. Sabit yükseklikten tarama

İlk yöntemde, akımın sabit kalması için bir geribesleme üreteci ile ucun her noktada yüksekliğideğiştirilir. Yatay tarama konumlarında uç ve yüzeyarası dik uzaklığın grafiği çizdirilerek yüzeyintopografyası ortaya çıkarılır.

İkinci yöntemde yükseklik sabit tutulur. Tünelakımındaki değişikler yatay tarama konumuna göreçizdirilir.

Cu üzerindeki CHP (cyclodehydrogenation)’nin STM görüntüsü

Şekil, Kaynak 15’ten alınmıştır.

Şekil, Kaynak 16’dan alınmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy12

Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM-Atomic Force Microscobe)

STM’ nin önemli bir sınırlaması sivri uç ve incelenen malzemenin iletkenliğidir. Atomik kuvvetmikroskopu ile yalıtkan yüzeyler de görüntülenebilir. Atomik kuvvet mikroskopları bir dirsekucu ile kuvvet uygulayıp, kuvvetin etkilerini ölçerek yüzey görüntülerini elde eder.Topografya ölçümleri için AFM daha duyarlıdır. AFM’ler değişik ortamlarda ya da boşluktaçalıştırılabilirler. Dirsek ucunun temas noktasına bir lazer demeti gönderilip yansımaları ışıkdetektörleri ile ölçülür. Işık detektörü, incelenecek malzemenin yerleştirildiği piezoelektriktabanı aktif hale getirir ve akım malzeme ile uç arası uzaklık sabit kalacak şekilde tabanıkontrol eder.

Şekil, Kaynak 3’ten alınmıştır.

15.03.2016A.Ozansoy13

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Night_vision_device

2. http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/gece-gorus-sistemleri-nasil-calisir/16808#ad-image-0

3. “ Temel Fizik Cilt-II “ P.M. Fishbane, S. Gasiorowicz ve S.T. Thornton, (Çeviri: Prof. Dr. Cengiz Yalçın), 2. Baskı, Arkadaş Yayınevi 2007, Ankara.

4. http://www.gecegorusdurbunu.com/gece-gorus-durbunu-nedir-nasil-calisir/

5. “Fen ve Mühendislik için Fizik ” , Cilt-II, R.A. Serway ve R.J. Beichner, (Çeviri Editörü: Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu), 5. Baskıdan çeviri, Palme Yayıncılık 2002, Ankara.

6. “Fen ve Mühendislik için Modern Fizik”, J.R. Taylor, C.D. Zafiratos, M.A. Dubson, (Çeviri: Prof. Dr. Bekir Karaoğlu), 2. Baskıdan Çeviri, Okutman Yayıncılık, 2008, Ankara.

7. http://cbe.ivic.ve/mic250/pdf/thesebook-chap3.pdf

8. https://www.purdue.edu/ehps/rem/rs/sem.htm

9. http://www.slideshare.net/MollyGolly/3-cells-and-microscopes

10. http://www.slideshare.net/damarisb/sem-n-tem

11. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, İ. Dinçer, http://acikarsiv.ankara.edu.tr/browse/605/917.pdf

12. Ders Notları, Dr. A. G. Gökçe, http://kisi.deu.edu.tr/aytac.gokce/SSP_3.pdf

13. “Fen ve Mühendislik için Modern Fizik”, J.R. Taylor, C.D. Zafiratos, M.A. Dubson, (Çeviri: Prof. Dr. Bekir Karaoğlu), 2. Baskıdan Çeviri, Okutman Yayıncılık, 2008, Ankara.

14. “Kuantum Mekaniği Temel Kavramlar ve Uygulamalar”, T. Dereli ve A. Verçin, Gözden geçirilmiş 3. Baskı, TÜBA Ders kitapları 5, 2014, Ankara.

15. http://medikalteknoloji.com/biyomedikal/forum-t5336.html

16. http://www.nature.com/nchem/journal/v3/n1/fig_tab/nchem.891_F2.html

Kaynaklar: