Katılar Fiziği
- Katı kavramı çok eski bir kavram olmasına rağmen, katılar fiziği oldukça yeni bir bilimdir. Konusu; katı maddelerin atomlar düzeyinde tanınmasını ve farklı katıların detaylı özelliklerinin incelenmesini sağlamaktadır.
- XX. yüzyılın ikinci yansında katılar fiziği bazı dikkate değer gerçekleşimlerle önem kazanmıştır, bu yeni uygulamalar elektronik endüstrisinde uzun germanyum kristallerinin üretim, transistor, yani iletkenler ve laser ile bu kristaller 2 m.ye ulaşan boyutlara erişmişlerdir. Laser ışığı güneş yüzeyinden yüz bin defa daha parlak olup, çelik bir levhayı delip geçebilir veya dünyanın aya uzaklığını 5 m hassasiyetle ölçebilir.
- Ancak siz katı fiziğini, günlük hayatınıza uzun süredir yerleşmiş bazı etkiler ile tanırsınız elektriğin metaller tarafından iletilmesi, flüorışı veya fosforışı cisimlerle ışık üretim, yürüyen merdivenlerin işlemesini sağlayan fotoelektrik etki veya telefonunuzdaki kristali oluşturmaya yara-yan piezoelektrik olay. Bütün bu oluşumlar, bir katı içindeki taneciklerin düzenlenmesinin sonuçlarıdırlar. Ancak katıdan katıva da fark vardır.
- Madde üç temel hâlde bulunabilir: Gaz, sıvı ve katı. Bunlardan sadece katılar dış bir etki olmaksızın hacim ve durumlarını muhafaza edebilirler. Bu tariften yola çıkarak; klasik fizik bu tarife yeni özellikler ekler: Sıvılar gibi, katılar da az sıkışabilir özelliğe sahiptirler, ancak ısı etkisinde kolayca genleşirler: Katıların özgül ışılan vardır (belirli kütleli bir katının sıcaklığını 1°C arttırmak için gereken enerji miktarı, ayrıca ısıyı veya elektriği ileten katılar ve yalıtkan katılar da mevcuttur.
- İyice incelendiğinde, bu tarifin de yetersiz olduğunu görebilmek mümkündür. Mesela, bir cam parçası ile sodyum klorür tuzunun, bir taneciğini karşılaştıralım. Camı oluşturan tanecikler gelişigüzel yönlenmişlerdjr: bu her yönde olan yönlenme sıvı haldekine benzer.Oysa sodyum klorürde klor ve sodyum düzenli bir yapıda dağılmışlardır: bu yapı her bölgede aynıdır, her sodyum atomu 6 klor atomuyla çevrilidir ve tersi de söz konusudur. Cam yapışkan bir sıvı veya amorf (şekilsiz) bir katıdır.Gerçek bir katı belirli bir sıcaklıkta erir veya katılaşır, oysa amorf bir katı sert veya hamurumsu görünüm kazanır.
- Bir katıyı belirleyebilmek için, maddenin iç yapısını ele alan daha ince araştırmaları incelemek gerekir; yani bir kristal düzenlemesinin varlığından söz edilir. Bu durumda; mutfak tuzu, buz, sodyum veya demir birer kristal (billur) olduklarından, katı olarak kabul edilirler.
- Bütün maddeler gibi, katı molekülleri de atomlardan oluşmuşlardır. Atomlarda; pozitif yükle çekirdek etrafında dağılmış bulunan negatif yüklü elektronlar atomun nötr, yani yüksüz olmasını sağlarlar. Bu elektronlardan bazıları çekirdek yakınında bulunarak iyonları oluştururlar, diğeri ise komşu atomların elektronlarına bağlanırlar. Kristal düzende atomlar, iyonlar veya moleküller düzenli ve periyodik, şekilde sıralanmışlardır. Atom çekirdeklerinin aynı aralıklarla dizildiği sıralar farkedilir. Bu sıralar düzlemleri belirler, ağ şeklindeki bu düzlemlerde birbirine paralel ve eş uzakhklıdırlar; bu ağ şeklindeki düzlemlerin bütünü de kristal ağını, yani kristal şebekesini oluştururlar. Bütünün öyle bir düzeni vardır ki, kristalin bir noktasına bu noktadan ayırdedilemeyen sonsuz sayıda nokta tekabül eder. Bu noktaların herhangi birinden aynı yönlerde aynı manzara görülür.
- Bütün kristaller aynı özelliklere sahip deplerdir. Bazı kristallerde metaller veya sodyum klorürde olduğu gibi kristal örgü iyonlardan oluşur. Diğer türlerde ise; kristal örgü atomlardan oluşur, bu durumda belirli bir atom komşu bir takım atomlara, diğerlerinden daha sıkı bağlanmıştır. Atom gruplanmaları örgüde bireysel olup, diğerlerine daha gevşek bağlanır. Bu fenomen, kristal şebekesinin, gevşek bağlanmış atom gruplanmalarına tekabül eden yönlerde kırılabileceğini açıklar. Grafit veya mika paralel yaprakçıklar hâlinde kırılırlar.
- Ancak gerçek kristaller bu kadar mükemmel olmayıp, bazı fiziksel veya kimyasal hataları ihtiva ederler. Sıvının tekrar soğutulmasıyla elde edilen katıda, kristal bir defada birçok noktada gelişebilir. İki birbirine yakın kristal rastlaştığında,biri diğerinin büyümesini sınırlıyorsa, “eklem”yerinden söz edilir. Bu durumda ağ düzlemleri artık birbirine paralel değildirler; kristalin sağlamlığı azalmış olur, böylece kristalin diğer bazı özellikleri de değişir. Söz gelimi, bir kristalde sıkışma, itme ile oluşan bozuklukta ağ düzlemleri bazı bölgelerde eğilir ve bu durumda bir bozulmadan söz edilir.
- Bazı kristal hataları ise kimyasal tabiatlı olabilir. Yabancı atomlar, kristale gelip, diğer normal bir atomun (süptitüsyon) yerine veya atomda normal olarak rastlanmayan bir pozisyona konabilirler. Çok az miktarlarda dahi olsa, bu safsızlıklar kristalin özelliklerini önemli ölçüde değiştirirler. Öncelikle kristaldeki üstüste yığılmaların düzenini bozarak; örgüde büyük uzaklıklara sebep olurlar. Bir tuğla istifi düşünün; bu tuğlalardan birinin yerine kaldırım taşı konmuş olsun. Onlarda tuğlaya eşit olan bir kaldırım taşı mesafesinde, yığının mükemmel olmadığı farkedilir..Kimyasal tabiatlı bu safsızlıklar kristale yeni özellikler kazandırır.
- Bütün bunlardan en fazla çıkar sağlayan metalürjidir. Söz gelişi, bir alaşım yapmak için; kristaldeki bazı atomlar yerine, diğerlerinin yerleştirilmesi gerekir, bunun için de metalin mekanik özelliklerini değiştirecek yeni bağlar yaratılır. Bu sayede yeni alaşımlar hazırlanarak, söz gelimi pirinci oluşturan çinko ve bakırın elektronlarına uygulanacak bazı sayıları hesaplanabilir. Soğukta yassı levha haline getirme gibi bir işlemde kristal örgü atom düzeyinde ayrıştırılabilir ve bu işlem milimetre karede bin milyar bölünme şeklinde gerçekleştirilebilir. Bir alaşımın ani (çeliğe su verme işlemi) veya yavaş (tekrar pişirme) soğutulmasında alaşım tekrar kristallendirilerek, özellikleri mükemmelleştirilebilir.
- Metaller neden elektriği iletirler? Elektrik akımı elektron geçişinden başka bir şey değildir.Metalik örgünün her atomu, örgüde ilerleyebil-meye elverişli bir veya birkaç elektronu serbest hâle geçirebiliyorsa; elektrik alanın uygulanması tüm örgü boyunca elektronların akımına sebep olur. Eğer, tersine elektronların hepsi atom çekirdeklerine bağlıysalar, ilerleyemezler, bu durumda cismin yalıtkan olduğu söylenir.
- Gerçekte,kristal örgü elektronlar için müsaadeli enerji bandlan ihtiva eder. Yalıtılmış bir atomda, aralıklı enerji seviyeleri ile karakterize edilen ortak merkezli tabakalarda elektronlar dizilmişlerdir. Kristalde madde çok yoğundur ve her atomun etrafındakiler üzerinde bir etkisi vardır ve bunların enerji düzeyleri üstüste gelerek; karışırlar, sonuçta da bandlan oluştururlar. Bu bantların dizilişlerine göre iletken, yarı iletken veya yalıtkan bir örgü söz konusu olur.
- Metalin iletkenliğinin, sıcaklığın hızlı düşmelerinde neden arttığı pek bilinmemektedir. Kristal şebekenin atomları aslında sabit değildirler; denge pozisyonuna göre bu atomlar titreşir ve titreşim genlikleri sıcaklıkla artar.. Bunlar ayrıca elektronların ilerlemelerini de önlerler. Fakat, bunlar titreşim genliklerinin düşük olduğu oranda elektronların ilerlemelerini daha az frenleyeceklerdi, titreşim genliğinin düşük olması da sıcaklığın düşük olması demektir. Fenomen mutlak sıfıra kadar düzenlilik göstermez.
- Belirli bir sıcaklıktan sonra (bu sıcaklık metalden metale değişir, ancak her zaman çok düşüktür), metalin direnci birden sıfıra eşit olur, iletkenliği sonsuza ulaşır. Elektronlar hiçbir engelle karşılaşmaksızın örgüde yol alırlar. Buna yüksek iletkenlik adı verilir. Demir, nikel gibi mıknatıslılığı koruyan metaller (ferro magnetik metaller) bu özelliği göstermezler. Alışılagelmiş en güçlü mıknatıslardan da çok güçlü olan aşırı iletken mıknatıslar da mevcuttur. Bunlar gelecektetrenlerin birbirine bağlanmalarında kullanılacaktır.
- Safsızlıklar sıcaklığı öyle bir sıcaklığa düşürürler ki, bunun altındaki derecelerde aşın iletkenlik söz konusudur. Bu yüzden saflığı yüksek metaller kullanmak gereklidir. Yüksek saflıktaki materyaller, normal olarak düşük sıcaklıkta yalıtkan olan ve iletkenlikleri sıcaklıkla artan maddelerdir. Ancak düşük oranlardaki, belirlenmiş safsızlıklar iletkenliği arttınrlar. Bu özelliği uygulayan endüstri ile transistor üretimi gerçekleştirilmektedir.
- Kristallerdeki optik fenomenler de çok önemlidir. Bu fenomenlerin en basiti renktir. Yalıtılmış veya bir kristaldeki atom belirli bir enerjiye sahiptir. Bir çarpma veya bir radyasyon etkisi altında; atoma göre karakteristik belirlenmiş miktarlarda, enerjisi artabilir. Sonuçta, bir atom çeşitli enerji seviyelerinde bulunabilir, bu seviyelerden birinden diğerine enerji kazanarak veya kaybederek geçebilir, ancak iki seviye arasındaki bir enerjiye hiçbir zaman sahip olamaz.
- Bir atomun enerji seviyesi en düşük olanı değilse, atomun enerjisi azalabilir. Bu durumda atom eksite yani uyarılmış hal denen yüksek enerjili bir düzeyden temel hal denen olası en düşük enerjili düzeye geçer. Bu geçiş genellikle ani olarak gerçekleşir; Atom tarafından kaybedilen enerji ışık şeklinde çıkarılır. Bu ışığın rengi; sadece ışık emisyonundan (yayınım) önce ve sonraki enerji seviyeleri farkına bağlı ve belirlidir.
- Bir metalin kendine özgü parıltısı işte bu şekilde açıklanır. Şeffaf, saydam bir kristalin rengi, absorbe etmediği ışığın rengidir. Atomlar temel seviyeden, uyarılmış bir üst düzeye geçtiklerinde bu ışığın bir kısmı absorblanır. Safsızlıklar bazen renk üzerinde önemli bir rol oynarlar. Yakutta olduğu gibi. Bu krom iyonları içeren bir alümin (alüminyumoksit) kristalidir. Özellikle yeşil bölgede, görünür ışığı absorblayan sadece krom iyonlarıdır. Tayfın absorbe edilmeyen kısmı yakuta kırmızı olan rengini sağlar,bu yüzden bütün yakutlar aynı renklenmeye sahip değildirler; bu renklenme alümin içindeki krom oranında bağlı olarak değişir..
- Laser de; hesaplanmış safsızlıkla zenginleştirilmiş alümin kristali kullanılır. Laser; titreşimleri senkron olan bir ışık demetinden elde edilir. Safsızlık atomları bir flaş ile elde edilen uyarılmış, eksite olmuş hâle taşınırlar. Kristali kat eden zayıf şiddetli bir ışık demeti safsızlık atomlarının temel hallerine dönmelerini sağlar. Bu da yoğun ışık demetli bir emisyon eşliğinde gerçekleşir. Laser etkisinin çeşitli kullanım alanları vardır. Gelecekte uzak mesafelere iletimlerde yararlanılacaktır
- Bu kristal ve ışık arasındaki karşılıklı tepkimeyi sona erdirmez. Bazı yalıtkan kristaller (kadmiyumsülfür gibi) fotokondüktördürler (fotoiletken). Fotoiletkenlik, yalıtkan bir kristalin elektrik iletkenliğinin ışık etkisi ile değişmesidir. Bu da bazı atom elektronlarının koparılmasını sağlayacak yeterli enerjiyi meydana getirir. Bu elektronların hareketi bir elektrik atamı oluşturur ve ışığın şiddetinin büyük olduğu oranda daha şiddetlidir. Fotoiletkenlikte pratikte televizyon kameralarında ve fotoğraf fotometrelerinde yararlanılır.
- Katılar fiziği magnetizma,katıların özgül ısıları, termik iletkenlikleri ile ilgili çalışmaları yenilemiştir. Daha önce bilinenlerden yeni teknikler geliştiren bu bilim oldukça hareketli bir bilimdir.
Şu Sayfamız Çok Beğenildi
Noktalama İşaretleri Ders Sunusu
Yorumlar
Henüz yorum yapılmamış.