Modern Fiziğin Teknolojideki Uygulamaları

1. Kemik kırığını görüntülemek için hastaneye başvuran hastaya röntgen çekilmektedir. Görüntüyü oluşturan ışıma sorulmaktadır. Buna göre kullanılan ışıma hangisidir?

Röntgen görüntüleme

• A) X ışını
• B) Radyo dalgası
• C) Ses dalgası
• D) Kızılötesi ışık
• E) Mikrodalga

Doğru cevap: A — Röntgen görüntüsü X ışınıyla oluşur; kemik bu ışını yumuşak dokudan çok daha fazla soğurur.

1. Ne aranıyor: vücudun içini gösteren ve kemiği yumuşak dokudan ayırabilen ışıma.
2. X ışınları yüksek enerjili elektromanyetik dalgalardır; yumuşak dokudan büyük ölçüde geçer, kalsiyum gibi ağır atom içeren kemikte ise çok soğurulur.
3. Dokudan geçen ışın algılayıcıyı karartır, kemiğin tuttuğu bölge açık kalır; kırık hattı bu açık bölgede koyu bir çizgi olarak görünür.
4. Denetleyelim: görüntü soğurma farkından doğuyor ve bu farkı yaratan ışıma X ışını ✓ — röntgen adı zaten bu ışını bulan Wilhelm Röntgen’den gelir.

2. Yumuşak dokuların ayrıntılı görüntülenmesi için MR cihazı kullanılmaktadır. Cihazın çalışma ilkesi aranmaktadır. Buna göre MR neye dayanır?

MR (manyetik rezonans) görüntüleme

• A) X ışınının soğurulmasına
• B) Güçlü manyetik alan ve radyo dalgalarına
• C) Ses dalgalarının yansımasına
• D) Radyoaktif bozunmaya
• E) LASER ışığının kırılmasına

Doğru cevap: B — MR, güçlü manyetik alanda hizalanan hidrojen çekirdeklerinin radyo dalgalarıyla uyarılmasına dayanır.

1. Ne aranıyor: MR cihazının görüntüyü hangi fiziksel etkileşimle ürettiği.
2. Vücuttaki su ve yağda bol bulunan hidrojen çekirdekleri küçük mıknatıslar gibidir; güçlü manyetik alan onları belirli bir yönde hizalar.
3. Belirli frekanstaki radyo dalgası bu hizayı bozar; dalga kesilince çekirdekler eski hâline dönerken sinyal yayar. Farklı dokular farklı sürede döndüğü için sinyaller görüntüye çevrilir.
4. Denetleyelim: süreçte yalnız manyetik alan ve radyo dalgası kullanıldı, iyonlaştırıcı ışıma yok ✓ — MR’ın yumuşak dokuda ayrıntılı ve güvenli görüntü vermesi bundandır.

3. Gebelik takibinde ultrason tercih edilmektedir. Bu tercihin nedeni sorulmaktadır. Buna göre ultrason neden yeğlenir?

Ultrason görüntüleme

• A) Daha ucuz olduğu için
• B) Daha hızlı olduğu için
• C) Ses dalgası kullandığı ve iyonlaştırıcı ışıma içermediği için
• D) Manyetik alan kullandığı için
• E) Radyoaktif madde kullandığı için

Doğru cevap: C — Ultrason yüksek frekanslı ses dalgası kullanır ve iyonlaştırıcı ışıma içermez; gelişen bebek için güvenlidir.

1. Ne aranıyor: gebelikte başka yöntemler yerine ultrasonun seçilmesinin fiziksel gerekçesi.
2. Ultrason cihazı insan kulağının duyamayacağı yüksek frekanslı ses dalgası gönderir; dalga doku sınırlarından yansır ve dönen yankıların süresinden görüntü kurulur.
3. Ses dalgası mekanik bir titreşimdir, atomlardan elektron koparacak enerji taşımaz; X ışını ve gama ışını ise iyonlaştırıcıdır ve bölünen hücreler için risklidir.
4. Denetleyelim: gebelikte en hassas nokta bebeğin hızla bölünen hücreleri ve ultrason bu hücrelere iyonlaştırıcı zarar vermiyor ✓.

4. Kanser taramasında kullanılan PET cihazı hastaya işaretli bir madde verilerek çalışmaktadır. Bu maddenin özelliği aranmaktadır. Buna göre verilen madde nedir?

PET görüntüleme

• A) Manyetik bir sıvı
• B) Yalıtkan bir boya
• C) Süper iletken bir tel
• D) Pozitron yayan radyoaktif izotop
• E) Yüksek frekanslı ses kaynağı

Doğru cevap: D — PET’te hastaya pozitron yayan radyoaktif bir izotop verilir; pozitron elektronla yok olurken çıkan gama fotonları algılanır.

1. Ne aranıyor: PET cihazının çalışabilmesi için vücuda verilen işaretli maddenin özelliği.
2. Madde genellikle glikoza bağlanmış, pozitron yayan kısa ömürlü bir izotoptur; hızlı çalışan hücreler (örneğin tümör) bu glikozu daha çok çeker.
3. Yayılan pozitron hemen bir elektronla karşılaşır, ikisi yok olur ve zıt yönde giden iki gama fotonu çıkar; halka biçimli algılayıcılar bu fotonları yakalayıp kaynağın yerini hesaplar.
4. Denetleyelim: algılanan sinyal pozitron-elektron yok olmasından geliyor, öyleyse verilen madde pozitron yayan izotop olmalı ✓.

5. Elektronik devrelerin temelinde yarı iletken malzemeler bulunmaktadır. Bu malzemelere örnek istenmektedir. Buna göre aşağıdakilerden hangisi yarı iletkendir?

Yarı iletken malzemeler

• A) Bakır
• B) Cam
• C) Gümüş
• D) Kauçuk
• E) Silisyum

Doğru cevap: E — Silisyum yarı iletkendir; iletkenliği metallerle yalıtkanlar arasındadır ve sıcaklık ya da katkıyla denetlenebilir.

1. Ne aranıyor: iletkenliği iletken ile yalıtkan arasında kalan malzeme.
2. Bakır ve gümüş metaldir, bol serbest elektron taşır; bunlar iyi iletkendir.
3. Cam ve kauçukta elektronlar bağlarına sıkıca bağlıdır; bunlar yalıtkandır. Silisyum dört değerlikli bir elementtir, oda sıcaklığında az sayıda taşıyıcısı vardır ve katkılanarak iletkenliği ayarlanabilir.
4. Denetleyelim: diyot, transistör ve güneş hücrelerinin çoğu silisyumdan yapılır ✓ — yarı iletken elektroniğin temel malzemesi odur.

6. Saf silisyuma katkı yapılarak n tipi yarı iletken elde edilmektedir. Katkı elementinin değerliği sorulmaktadır. Buna göre hangi element katılır?

n tipi katkılama

• A) Üç değerlikli bir element
• B) Beş değerlikli bir element
• C) İki değerlikli bir element
• D) Bir değerlikli bir element
• E) Soy gaz

Doğru cevap: B — n tipi yarı iletken için silisyuma beş değerlikli bir element (örneğin fosfor) katılır; artan elektron negatif taşıyıcı olur.

1. Ne aranıyor: fazladan serbest elektron sağlayacak katkı atomunun değerlik elektronu sayısı.
2. Silisyumun dört değerlik elektronu vardır ve komşularıyla dört kovalent bağ kurar.
3. Beş değerlikli atom kristale yerleşince dört elektronu bağa katılır, beşinci elektron bağ kuramaz ve kolayca serbest kalır.
4. Denetleyelim: fazla taşıyıcı elektron, yani negatif (negative) yüklüdür; adı "n tipi" olan malzemeyle uyuşuyor ✓.

7. Bu kez p tipi yarı iletken elde edilmek istenmektedir. Katkı elementinin özelliği aranmaktadır. Buna göre hangi element katılır?

p tipi katkılama

• A) Beş değerlikli bir element
• B) Dört değerlikli bir element
• C) Üç değerlikli bir element
• D) Soy gaz
• E) Bir metal alaşımı

Doğru cevap: C — p tipi yarı iletken için silisyuma üç değerlikli bir element (örneğin bor) katılır; eksik bağ pozitif taşıyıcı gibi davranan boşluk oluşturur.

1. Ne aranıyor: kristalde elektron eksikliği yaratacak katkı atomunun değerliği.
2. Silisyum dört bağ kurar. Üç değerlikli atom yalnız üç bağa elektron verebilir, dördüncü bağda bir elektronluk yer boş kalır.
3. Komşu bir elektron bu boşluğa atladığında boşluk onun eski yerine geçer; boşluk pozitif yük gibi hareket ederek akım taşır.
4. Denetleyelim: çoğunluk taşıyıcı pozitif (positive) boşluk, adı "p tipi" ✓ — beş değerlikli katkıyla elde edilen n tipinin tam tersidir.

8. p ve n tipi yarı iletkenler birleştirilerek diyot elde edilmektedir. Diyodun devredeki işlevi sorulmaktadır. Buna göre diyot ne yapar?

p-n eklemi (diyot)

• A) Akımı yükseltir
• B) Gerilimi depolar
• C) Direnci artırır
• D) Akımın yalnız tek yönde geçmesini sağlar
• E) Isı üretir

Doğru cevap: D — Diyot, akımın yalnız tek yönde geçmesine izin verir; p-n eklemindeki engel ters yönde akımı durdurur.

1. Ne aranıyor: p ve n tipi malzemelerin birleşmesiyle elde edilen elemanın devredeki görevi.
2. Eklem yüzeyinde elektronlar ile boşluklar birleşir ve taşıyıcısı olmayan bir engel (tükenim) bölgesi oluşur.
3. Doğru yönde bağlanınca (p ucu artıya) dış gerilim engeli daraltır ve akım geçer; ters yönde bağlanınca engel genişler ve akım neredeyse sıfır olur.
4. Denetleyelim: tek yönlü geçiş sayesinde diyot alternatif akımı doğru akıma çeviren doğrultucu olarak kullanılır ✓.

9. Aydınlatmada ve göstergelerde LED kullanılmaktadır. LED'in gerçekleştirdiği enerji dönüşümü aranmaktadır. Buna göre hangi dönüşüm olur?

LED

• A) Işık enerjisi elektrik enerjisine
• B) Isı enerjisi ışık enerjisine
• C) Elektrik enerjisi ısı enerjisine
• D) Kimyasal enerji elektrik enerjisine
• E) Elektrik enerjisi ışık enerjisine

Doğru cevap: E — LED’de elektrik enerjisi ışık enerjisine dönüşür; p-n ekleminde elektron boşlukla birleşirken foton yayılır.

1. Ne aranıyor: LED’e verilen enerjinin hangi türe dönüştüğü.
2. LED doğru yönde bağlanmış bir p-n eklemidir; devreden gelen elektrik enerjisi elektronları eklem bölgesine iter.
3. Eklemde elektron bir boşluğa düşerken enerjisi azalır; aradaki fark foton olarak, yani ışık biçiminde dışarı verilir. Işığın rengi malzemenin enerji aralığına bağlıdır.
4. Denetleyelim: giren enerji elektrik, çıkan enerji ışık ✓ — LED’in akkor lambadan az ısınması da enerjinin büyük kısmının doğrudan ışığa gitmesindendir.

10. Bazı malzemeler belirli bir sıcaklığın altına soğutulduğunda özel bir davranış göstermektedir. Bu davranış sorulmaktadır. Buna göre süper iletkende ne olur?

Kritik sıcaklığın altında

• A) Elektriksel direnci sıfırlanır
• B) Direnci sonsuz olur
• C) Erir
• D) Manyetik alanı içine çeker
• E) Işık yayar

Doğru cevap: A — Süper iletken, kritik sıcaklığın altına soğutulunca elektriksel direnci sıfırlanır ve akım kayıpsız akar.

1. Ne aranıyor: malzeme kritik sıcaklığın altına indiğinde elektriksel davranışında ne değiştiği.
2. Sıradan bir metalde sıcaklık düştükçe direnç yavaş yavaş azalır ama sıfıra inmez.
3. Süper iletken malzemede kritik sıcaklığa ulaşıldığı anda direnç aniden sıfıra düşer; bir halkada başlatılan akım enerji kaybı olmadan uzun süre dolanabilir.
4. Denetleyelim: direnç sıfırsa $P = I^2 R$ ile ısı kaybı da sıfırdır ✓ — MR mıknatıslarında süper iletken bobinler bu yüzden kullanılır.

11. Süper iletken bir malzemenin üzerine mıknatıs bırakıldığında mıknatıs havada asılı kalmaktadır. Bu olayın nedeni aranmaktadır. Buna göre süper iletken ne yapar?

Meissner olayı

• A) Manyetik alanı içine hapseder
• B) Manyetik alanı dışlar
• C) Mıknatısı ısıtır
• D) Yerçekimini yok eder
• E) Mıknatısı iter ama alanı geçirir

Doğru cevap: B — Süper iletken, içindeki manyetik alanı dışlar (Meissner olayı); dışlanan alan mıknatısı iterek havada tutar.

1. Ne aranıyor: mıknatısın süper iletken üzerinde asılı kalmasını sağlayan davranış.
2. Mıknatıs yaklaşınca süper iletkenin yüzeyinde dirençsiz akımlar oluşur; bu akımların ürettiği alan, içerideki alanı tam olarak yok eder.
3. Alan çizgileri malzemenin içine giremez, çevresinden dolanmak zorunda kalır; bu durum mıknatısa yukarı yönlü itici bir kuvvet uygular ve kuvvet ağırlığı dengeler.
4. Denetleyelim: alan içeri girseydi itme oluşmazdı; havada kalma ancak alanın dışlanmasıyla açıklanır ✓.

12. Nanoteknoloji belirli bir boyut aralığında çalışan bir alandır. Bu aralık sorulmaktadır. Buna göre nano ölçek hangi aralıktır?

Nanoteknolojinin ölçeği

• A) 1-100 milimetre
• B) 1-100 mikrometre
• C) 1-100 metre
• D) 1-100 nanometre
• E) 1-100 santimetre

Doğru cevap: D — Nano ölçek 1-100 nanometre aralığıdır; bir nanometre metrenin milyarda biridir ($10^{-9}$ m).

1. Ne aranıyor: nanoteknolojinin çalıştığı boyut aralığı.
2. "Nano" öneki $10^{-9}$ çarpanını belirtir: $1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}$.
3. Karşılaştırmak için: bir mikrometre $10^{-6}$ m, yani 1000 nm’dir. 1-100 nm aralığı birkaç atomdan birkaç yüz atoma uzanan yapılara karşılık gelir.
4. Denetleyelim: bu ölçekte yüzey ve kuantum etkileri belirginleşir, malzemenin özellikleri değişir ✓ — tanım 1-100 nanometredir.

13. Bir malzeme nano boyuta indirildiğinde özellikleri değişmektedir. Bu değişimin başlıca nedeni aranmaktadır. Buna göre neden nedir?

Tanecik küçüldükçe yüzey/hacim oranı

• A) Kütlesinin artması
• B) Renginin değişmesi
• C) Sıcaklığının artması
• D) Yoğunluğunun sıfırlanması
• E) Yüzey alanının hacme oranının çok büyümesi

Doğru cevap: E — Tanecik küçüldükçe yüzey alanının hacme oranı çok büyür; yüzeydeki atomların payı artınca özellikler değişir.

1. Ne aranıyor: aynı malzemenin nano boyutta farklı davranmasının asıl nedeni.
2. Kenarı $a$ olan küpte yüzey $6a^2$, hacim $a^3$ olduğundan oran $6a^2 / a^3 = 6/a$ olur; kenar küçüldükçe oran büyür.
3. Örneğin $a$ bin kat küçülürse oran bin kat büyür. Nano taneciklerde atomların önemli bir kısmı yüzeydedir ve yüzey atomları içtekilerden farklı davranır; tepkime hızı, erime noktası ve renk bu yüzden değişebilir.
4. Denetleyelim: kütle ve yoğunluk ölçekten bağımsız kalırken değişen tek temel oran yüzey/hacimdir ✓.

14. LASER ışığı sıradan lamba ışığından farklı özellikler taşımaktadır. Bu farklılık sorulmaktadır. Buna göre LASER ışığı nasıldır?

LASER ışığının özellikleri

• A) Tek dalga boylu, eş fazlı ve doğrultulmuş
• B) Çok renkli ve dağınık
• C) Yalnız kızılötesi
• D) Işık hızından yavaş
• E) Görünmez

Doğru cevap: A — LASER ışığı tek dalga boylu, eş fazlı ve doğrultulmuş (dar demet) bir ışıktır; bu özellikler uyarılmış ışımadan gelir.

1. Ne aranıyor: LASER ışığını sıradan lamba ışığından ayıran özellikler.
2. Lamba ışığı birbirinden bağımsız çok sayıda atomdan, farklı dalga boylarında ve rastgele fazlarla her yöne yayılır.
3. LASER’de uyarılmış ışıma, gelen fotonla aynı frekans, faz ve yönde yeni foton üretir; aynalar arasında çoğalan bu fotonlar dar ve dağılmayan bir demet oluşturur.
4. Denetleyelim: aynı frekans tek dalga boyu (tek renk), aynı faz eş fazlılık, aynı yön doğrultulmuşluk demektir ✓.

15. LASER ışını günlük hayatta ve tıpta yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanım alanlarından biri istenmektedir. Buna göre aşağıdakilerden hangisi LASER uygulamasıdır?

LASER'in kullanım alanları

• A) Manyetik pusula
• B) Göz ameliyatı ve barkod okuyucu
• C) Termometre
• D) Su terazisi
• E) Barometre

Doğru cevap: B — Dar ve güçlü demet, LASER'i cerrahide ve barkod okumada kullanışlı kılar.

1. LASER demeti çok dar bir alana odaklanabilir.
2. Bu özellik hassas kesme ve okuma sağlar.
3. Göz cerrahisi ve barkod okuyucu bu sayede çalışır.

16. Güneş panellerinde fotovoltaik hücreler kullanılmaktadır. Hücrede gerçekleşen enerji dönüşümü sorulmaktadır. Buna göre hangi dönüşüm olur?

Fotovoltaik hücre

• A) Isı enerjisi elektrik enerjisine
• B) Elektrik enerjisi ışık enerjisine
• C) Kimyasal enerji ısı enerjisine
• D) Işık enerjisi elektrik enerjisine
• E) Rüzgâr enerjisi elektrik enerjisine

Doğru cevap: D — Fotovoltaik hücre ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür; fotonlar p-n ekleminde elektron-boşluk çifti oluşturur.

1. Ne aranıyor: güneş panelindeki hücrenin girdi ve çıktı enerjisi.
2. Hücre bir p-n eklemidir. Üzerine düşen foton, enerjisi yeterliyse bir elektronu bağından koparır ve bir elektron-boşluk çifti oluşur.
3. Eklemdeki iç elektrik alanı elektronu n tarafına, boşluğu p tarafına iter; yüklerin ayrılması uçlar arasında gerilim yaratır ve dış devreye akım verir.
4. Denetleyelim: giren ışık, çıkan elektrik ✓ — LED’deki dönüşümün tam tersidir.

17. Maglev trenleri raya değmeden ilerlemektedir. Bu tasarımın sağladığı üstünlük aranmaktadır. Buna göre başlıca kazanç nedir?

Maglev treni

• A) Sürtünme kaybının çok azalması
• B) Trenin hafiflemesi
• C) Yerçekiminin ortadan kalkması
• D) Elektrik tüketiminin sıfırlanması
• E) Ray gerekmemesi

Doğru cevap: A — Maglev treni raya değmeden manyetik kuvvetle havada tutulduğu için tekerlek-ray sürtünmesi ortadan kalkar ve sürtünme kaybı çok azalır.

1. Ne aranıyor: trenin raya temas etmeden ilerlemesinin getirdiği başlıca kazanç.
2. Güçlü elektromıknatıslar (çoğu tasarımda süper iletken bobinler) treni raydan birkaç santimetre yukarıda tutar ve ileri doğru çeker.
3. Temas olmadığı için tekerlek ile ray arasındaki sürtünme ve aşınma yoktur; geriye esas olarak hava direnci kalır.
4. Denetleyelim: sürtünme kaybı azalınca aynı enerjiyle çok daha yüksek hızlara çıkılabilir ✓ — maglev trenlerinin saatte 400 km’yi aşabilmesi bundandır.

18. Bir evin çatısına güneş paneli kurulmaktadır. Panelin gün içindeki verimini etkileyen etken sorulmaktadır. Buna göre verimi en çok ne belirler?

Çatıya kurulan güneş paneli

• A) Panelin rengi
• B) Güneş ışınlarının panele geliş açısı ve şiddeti
• C) Evin kat sayısı
• D) Panelin ağırlığı
• E) Rüzgârın yönü

Doğru cevap: B — Güneş panelinin verimini en çok ışınların panele geliş açısı ve ışığın şiddeti belirler; dik gelen ışın birim alana en çok enerji bırakır.

1. Ne aranıyor: gün boyunca panelin ürettiği elektriği değiştiren başlıca etken.
2. Panel yalnız üzerine düşen ışık enerjisini dönüştürebilir; bu enerji ışığın şiddetiyle orantılıdır.
3. Işın eğik gelirse aynı demet daha geniş bir alana yayılır ve birim alana düşen enerji azalır; ışın panele dik geldiğinde bu enerji en büyük olur. Güneşin gün içinde yükselip alçalması bu yüzden üretimi değiştirir.
4. Denetleyelim: paneller güneye bakacak ve uygun eğimle kurulur ✓ — amaç ışınların dike yakın gelmesidir.

19. Tabloda üç malzemenin sıcaklıkla direnç davranışı verilmiştir. Silisyumun davranışının nedeni sorulmaktadır. Buna göre bu davranış neyi gösterir?

• A) Silisyumun yalıtkan olduğunu
• B) Silisyumun metal olduğunu
• C) Sıcaklıkla serbest yük taşıyıcı sayısının arttığını
• D) Silisyumun süper iletken olduğunu
• E) Silisyumun manyetik olduğunu

Doğru cevap: C — Sıcaklık arttıkça silisyumun direncinin azalması, bağlarından kopan serbest yük taşıyıcılarının sayısının arttığını gösterir.

1. Ne aranıyor: tablodaki silisyum satırındaki "sıcaklık artınca direnç azalır" davranışının açıklaması.
2. Bakırda serbest elektron sayısı zaten çoktur ve sıcaklıkla değişmez; ısınma yalnız atom titreşimini artırır, elektronlar daha çok çarpar ve direnç artar.
3. Silisyumda ise ısı enerjisi bazı elektronları bağlarından koparır; her kopuş bir serbest elektron ve bir boşluk üretir. Taşıyıcı sayısındaki artış titreşim etkisini bastırır, direnç düşer.
4. Denetleyelim: yalıtkan camda taşıyıcı üretecek kadar bağ kopmaz, direnci yüksek kalır ✓ — silisyumun iki uç arasındaki davranışı yarı iletkenliğin imzasıdır.

20. Modern elektroniğin temel devre elemanı transistördür. Transistörün iki temel işlevi aranmaktadır. Buna göre transistör ne yapar?

Transistör

• A) Yalnız ısı üretir
• B) Yalnız ışık üretir
• C) Yükselteç ve anahtar olarak çalışır
• D) Manyetik alan üretir
• E) Gerilimi depolar

Doğru cevap: C — Transistör, küçük bir akımla büyük bir akımı denetleyerek hem yükselteç hem anahtar olarak çalışır.

1. Ne aranıyor: modern elektroniğin temel elemanı olan transistörün iki temel görevi.
2. Transistör üç uçlu bir yarı iletken elemandır; bir uca (taban ya da kapı) verilen küçük sinyal, öbür iki uç arasından geçen büyük akımı denetler.
3. Küçük sinyaldeki değişim büyük akımda daha büyük bir değişim olarak kopyalanırsa yükseltme olur; denetim sinyali akımı tamamen açıp kapatırsa transistör anahtar gibi çalışır.
4. Denetleyelim: yükseltme hoparlör ve radyo devrelerinde, anahtarlama bilgisayar işlemcilerindeki 0-1 mantığında kullanılır ✓.