12. Sınıf Modern Fiziğin Teknolojideki Uygulamaları — 12. Sınıf Fizik — Konu Anlatımı

Hastane Koridorunda Dört Kapı

Bir hastanenin görüntüleme bölümünde dört kapı var. Her biri farklı bir fizik yasasını kullanıyor.

Röntgen. Tüp içinde 20-150 kV ile hızlandırılan elektronlar bir metal hedefe çarpar ve X ışını üretir. X ışını yumuşak dokudan kolay geçer; kalsiyum gibi atom numarası büyük elementler içeren kemik onu daha çok soğurur. Filmde kemik bu yüzden açık renkli görünür. X ışını iyonlaştırıcıdır; doz bu yüzden sınırlı tutulur.

MR. Hasta 1,5 tesla gibi güçlü bir manyetik alana yatırılır. Vücuttaki hidrojen çekirdekleri (protonlar) bu alanda yaklaşık 64 MHz'lik radyo dalgasıyla rezonansa girer. Radyo sinyali kesilince protonların geri dönüş süresi dokuya göre farklıdır; görüntü buradan kurulur. İyonlaştırıcı ışıma yoktur.

Ultrason. 2-15 MHz'lik ses dalgaları dokular arası sınırlardan yansır. Sesin dokudaki hızı yaklaşık 1540 m/s; 5 MHz için dalga boyu $1540 / 5 \times 10^6 \approx 0{,}3$ mm. Dalga boyundan küçük ayrıntı ayırt edilemez; frekans yükseldikçe görüntü keskinleşir ama dalga derine inemez. Gebelikte ilk tercihtir, çünkü iyonlaştırıcı değildir.

PET. Hastaya pozitron yayan bir izotop (çoğunlukla yarılanma süresi yaklaşık 110 dakika olan flor-18) içeren şeker verilir. Pozitron bir elektronla karşılaşınca ikisi yok olur ve zıt yönlere giden iki adet 511 keV'lik gama fotonu doğar. Dedektör halkası bu iki fotonu aynı anda yakalar; şekeri çok tüketen tümör dokusu parlak görünür.

Sık yapılan hata: MR'ın röntgen gibi ışın verdiğini sanmak. MR güçlü mıknatıs ve radyo dalgası kullanır; iyonlaştırıcı ışıma kullanan röntgen, BT ve PET'tir.

Yarı İletken: Katkının Gücü

Saf silisyumun her atomu dört komşusuyla bağ kurar ve oda sıcaklığında çok az serbest elektron vardır. Az miktarda katkı her şeyi değiştirir:

• n tipi: 5 değerlikli fosfor ya da arsenik eklenir; beşinci elektron serbest kalır. Çoğunluk taşıyıcı elektrondur.
• p tipi: 3 değerlikli bor ya da galyum eklenir; bir bağ eksik kalır, bu boşluk pozitif yük taşıyıcı gibi hareket eder.

Yaygın yanılgı: p tipi malzemenin pozitif, n tipinin negatif yüklü olduğunu sanmak. İkisi de elektrikçe nötrdür; katkı atomlarının kendisi de nötrdür. "p" ve "n" yalnızca çoğunluk taşıyıcının türünü söyler.

İki tip birleşince p-n eklemi, yani diyot oluşur: akımı yalnız bir yönde geçirir. Silisyum diyot ileri yönde yaklaşık 0,7 V'tan sonra iletmeye başlar.

LED de bir p-n eklemidir. Elektron boşlukla birleşirken yasak enerji aralığı kadar enerjili foton yayar; renk bu aralıktan hesaplanır: $\lambda = 1240 / E_g$. Kırmızı LED için $E_g \approx 1{,}97$ eV $\rightarrow$ 630 nm, mavi LED için $E_g \approx 2{,}76$ eV $\rightarrow$ 450 nm. Güneş pili bu işin tersidir: silisyumun yasak enerji aralığı 1,12 eV olduğu için yaklaşık $1240 / 1{,}12 \approx 1100$ nm'den kısa dalga boylu ışık elektron-boşluk çifti üretir ve gerilim doğar. %20 verimli, 1,6 m²'lik bir panel tam güneşte (1000 W/m²) yaklaşık $0{,}2 \cdot 1000 \cdot 1{,}6 = 320$ W verir.

Metalde sıcaklık artınca direnç artar; yarı iletkende ise ısı yeni taşıyıcılar serbest bıraktığı için direnç azalır.

Direnç Sıfır Olunca

Onnes 1911'de cıvayı sıvı helyumla 4,2 K'e soğuttuğunda direncin birden sıfıra düştüğünü gördü: süper iletkenlik. Olayın başladığı sıcaklığa kritik sıcaklık denir. 1986'dan sonra bulunan seramik süper iletkenlerde (YBCO gibi) kritik sıcaklık yaklaşık 92 K'dir; ucuz sıvı azotun kaynama sıcaklığı olan 77 K'in üstündedir. MR cihazlarının güçlü mıknatısları süper iletken sargılarla yapılır.

Süper iletken manyetik alanı içinden dışlar (Meissner olayı); üzerine konan mıknatıs havada asılı kalır. Maglev trenlerinin bir türü bu ilkeyle raydan yükselir.

Küçüldükçe Değişen Malzeme

Nanoteknoloji 1-100 nanometre ölçeğindeki yapılarla çalışır ($1$ nm $= 10^{-9}$ m; bir saç teli yaklaşık 80 000 nm kalınlığındadır). O ölçekte malzemenin davranışı değişir, çünkü yüzeydeki atomların payı büyür.

Mini hesap: kenarı 1 cm olan bir küpün yüzey alanı 6 cm². Aynı küpü kenarı 1 mikrometre olan küplere bölersek $10^{12}$ küçük küp olur, toplam yüzey $10^4$ katına, yani 6 m²'ye çıkar. Kütle aynı, yüzey on bin kat. Nano gümüşün mikrop öldürücü, nano boyutlu katalizörlerin çok etkili olması bundandır. Altın nanoparçacıklar sarı değil kırmızı görünür.

LASER ise uyarılmış ışımayı kullanır: tek dalga boylu, aynı fazlı ve çok az dağılan bir demet. Göz ameliyatı, barkod okuyucu ve fiber optik iletişim bu özellikler sayesinde mümkündür.

Sınav ipucu: Bu konudaki sorular çoğunlukla "cihaz ↔ ilke" eşleştirmesidir. İyonlaştırıcı olanları (röntgen, PET) ve olmayanları (MR, ultrason) iki gruba ayırarak başlayın.

Sık sorulanlar