FİZ314 Fizikte Güncel Konular 2015-2016 Bahar Yarıyılı Bölüm-2 ve Bölüm-3 (Uygulamalar) Ankara A. OZANSOY
Gece Görüş Sistemleri Gece gören cihazların temeli fotoelektrik olaya dayanır. (Gözlük, dürbün, kamera vb. optik sistemler yoluyla kullanılır). Karanlık bir ortamda dahi cisimlerin görüntülerini alabilmeyi sağlarlar. Görüntü, yakın kızılötesi (0.75 1.4 µm dalga boyu) ile görünür ışığın görünür ışığa dönüştürülmesi ile elde edilir. Anlaşmasal olarak, termal ışınımın detekte edilmesiyle görüntülerin alınması 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 sökülen fotoelektronlar, birkaç yüz voltluk potansiyel fark altında kanal plakası olarak adlandırılan delikli bir levhaya doğru hızlandırılırlar (mikro kanal plaka). Bu levha üzerinde çapları yaklaşık 10 m olan çok sayıda delik vardır. Her bir fotoelektron deliğe çarptığında, oradaki atomları iyonize eder. İyonlaşma sonucu açığa çıkan elektronlar delik boyunca hızlandırılırlar. Hızlanan elektronlar başka deliklerle başka çarpışmalar yapar. Böylece bir elektron çığı elde edilir. Deliklerden çıkan elektron çığının etkilerini görebilmek için elektronlar fosfor bir yüzeye çarptırılır ve görüntü elde edilir. [Kaynak 3] Şekil Kaynak [4] ten alınmıştır. 2
Şekiller sırasıyla Kaynak [4] ve [2] den alınmıştır. Bazı kullanım alanları, - Askeri - Havacılık - Güvenlik - 3
Elektron mikroskobu Elektronların dalga özelliğini temel alan bir alettir. İlki 1932 yılında yapılmıştır. Optik mikroskoplara benzer ancak ayırma gücü çok daha büyüktür. Çünkü elektronlar çok büyük kinetik enerji kazanacak şekilde çok yüksek hızlara kadar hızlandırılabilirler ve bu onlara çok kısa dalga boyu kazandırır. Böylece elektronların dalga boyu optik mikroskoplar için kullanılan görünür ışığın dalga boyundan ~ 100 kez daha kısa olur. Bu da optik mikroskopta yapacağımız incelemeden ~ 100 kat 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 demeti gönderilir. Elektron demetinin odaklaması mercekler veya manyetik alan ile yapılır. Elektron mikroskopları TEM (Transmission Electron Microscope - Geçirimli Elektron Mikroskobu) ve SEM (Scanning Electron Microscope -Taramalı Elektron Mikroskobu) olarak iki çeşittir. Kırmızı kan hücrelerini görüntüsü Saç teli Kar tanesi 4
Şekiller, Kaynak 7 ve 8 den alınmıştır. 5
Karşılaştırma TEM Kaynak 9 ve 10 dan yararlanılmıştır. 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. Bir seferde daha az miktarda örnek incelenebilir. Örnekler kalın da olabilir. Bir seferde daha çok miktarda örnek incelenebilir. Çözünürlüğü yüksek. Görüntüler floresan ekranda. Çözünürlüğü TEM e göre daha düşük. Görüntüler monitörde. 2B- görüntüler elde edilir. 3B- görüntüler elde edilir. Yüzey kusurlar, kimyasal çöktürücüler, yerdeğiştirmeler, tane sınırları vb. incelenir. 6 Yüzeyler, toz malzemeler, parlatılmış ve aşınmış mikro yapılar, kimyasal ayrıştırıcılar vb. incelenir.
X- ışını kırınımının uygulamaları X-ışınlarının dalga boyları, bir malzemedeki atomlar arası uzaklık ile aynı mertebede olduğu için, x-ışınları kırınım yöntemi, bir malzemedeki atomlar ve moleküllerin düzenlerini incelemenin en uygun yöntemidir. x-ışınları, malzemenin içine girebildiğinden malzemenin kristal ve iç yapısı hakkındaki bilgileri (birim hücrenin yapısı, birim hücrede atomların dizilişleri, kristal örgü sabitlerini belirleme vb) deneysel olarak görülebilir yapar. [Kaynak 11] X-ışını kırınım cihazı ile elde edilen şiddet grafiği ile incelenen örnek ile ilgili bilgi elde edilir. 7
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 önce bahsetmiştik, dolayısıyla hava ile etkileşim olmadığı için vakumda tutmaya gerek yoktur. Ancak atom numarası düşük olan elementlerle şiddetli olarak etkileşmezler. 8
Nötron Kırınımı Kırınım için nötron kullanmanın avantajları şunlardır: -Nötronlar, hidrojen bakımında zengin malzemelerin içinden geçerken yavaşlarlar. Hidrojen içeren malzemelerin kristal yapısı incelenirken nötron demetleri kullanmak idealdir. Örneğin geleceğin yakıtı olarak hangi malzemelerin hidrojen depolamada en uygun olacağı gibi sorular nötron kırınımı ile cevaplanabilir. - Nötronlar protonun çekirdek kuvvetiyle doğrudan etkileşirler. Ayrıca nötronların manyetik momentleri 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 da kullanılır. Nötron kullanmanın dezavantajları, nötron kaynaklarının pahalı ve sınırlı oluşu ile nötronların zor detekte edilmesi sıralanabilir. [Kaynak 11 ve 12] Şekil, Kaynak 13 ten alınmıştır. 9
Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM: Scanning Tunneling Microscope) Tünel olayına dayanarak metal yüzeylerin atomik ölçekteki ayrıntılarını görmeye yarayan bir araçtır. 1981 yılında G. Binning ve H. Röhrer tarafından icat edilmiştir. 1986 yılında Binning ve Röhrer, 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. Ucu piezoelektrik destekler tutar. (Piezolelektrikler kendilerine elektrik alan uyguladığında genleşen ya da sıkışan seramiklerdir). Uç yüzey üzerinde tutulduğunda, uç üzerinden geçen akım, yüzey ve tungsten uç arasındaki uzaklığa bağlı olur. Bu uçlarla yüzeydeki atomları tek tek görebiliriz, atomların oluşturduğu tepe ve vadiler tespit edilebilir. Şekil, Kaynak 3 ten alınmıştır. 10
Bir yüzeyi taramanın iki yolu vardır: 1. Sabit tünel akımı ile tarama 2. Sabit yükseklikten tarama Şekil, Kaynak 15 ten alınmıştır. İlk yöntemde, akımın sabit kalması için bir geri besleme üreteci ile ucun her noktada yüksekliği değiştirilir. Yatay tarama konumlarında uç ve yüzey arası dik uzaklığın grafiği çizdirilerek yüzeyin topografyası ortaya çıkarılır. İkinci yöntemde yükseklik sabit tutulur. Tünel akımındaki değişikler yatay tarama konumuna göre çizdirilir. Cu üzerindeki CHP (cyclodehydrogenation) nin STM görüntüsü Şekil, Kaynak 16 dan alınmıştır. 11
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM-Atomic Force Microscobe) STM nin önemli bir sınırlaması sivri uç ve incelenen malzemenin iletkenliğidir. Atomik kuvvet mikroskopu ile yalıtkan yüzeyler de görüntülenebilir. Atomik kuvvet mikroskopları bir dirsek ucu ile kuvvet uygulayıp, kuvvetin etkilerini ölçerek yüzey görüntülerini elde eder. Topografya ölçümleri için AFM daha duyarlıdır. AFM ler değişik ortamlarda ya da boşlukta çalıştırılabilirler. Dirsek ucunun temas noktasına bir lazer demeti gönderilip yansımaları ışık detektörleri ile ölçülür. Işık detektörü, incelenecek malzemenin yerleştirildiği piezoelektrik tabanı aktif hale getirir ve akım malzeme ile uç arası uzaklık sabit kalacak şekilde tabanı kontrol eder. Şekil, Kaynak 3 ten alınmıştır. 12
Kaynaklar: 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 13