Fiziğin Alanları

Fiziğin alanları

Klasik mekanik

· Elektromanyetizm

· Termodinamik

· Genel görelilik

· Kuantum mekaniği

· Parçacık fiziği

· Yoğun madde fiziği

· Atom fiziği

· Süperiletken

Klasik mekanik

Klasik mekanik makroskopik boyutlarda (~10−9m >) cisimlerin hareketlerini hem deneysel hem de matematiksel olarak inceleyen,fiziğin iki ana dalından biridir

Klasik Mekanik basit kristal modellerinden, galaksilerin hareketlerine kadar oldukça geniş bir büyüklük skalasında tutarlı sonuçlar vermektedir Bunların yanı sıra, çevremizde gördüğümüz birçok mekanik olay klasik mekanik kullanılarak oldukça yüksek bir doğrulukla hesaplanabilir

Klasik mekanik, Newton mekaniği, klasik istatistik mekanik ve klasik elektromanyetik teori alt dallarını içinde barındırır Özel ve genel görelilik kuramları bazı kaynaklarca klasik mekaniğin bir alt dalı olarak kabul edilse de bu kuramların yapıları gereği klasik mekanğin veya kuantum mekaniğinin bir alt dalı olmak yerine bu kuramları, ışık hızına yakın hızlarda veya kütle çekimin büyük olduğu durumlarda modifiye ettiğini söylemek daha doğru olur

Klasik mekanik günlük olaylar çerçevesinde oldukça kesin sonuçlar üretmektedir, ancak ışık hızına yakın hızlarda hareket eden sistemler için göreli mekanik (relativistic mechanics), çok küçük uzaklık ölçeklerinde sistemler için nicemleme mekaniği (quantum mechanics) ve her iki özelliğe sahip sistemler için de göreli nicemleme alan teorisi (relativistic quantum field theory) kullanılmalıdır Klasik mekaniğin araştırma dalları için alttaki şablonu kullanabilirsiniz



Eğik atış hareketi klasik mekaniğin inceleme alanlarından biridir

Konum ve türevleri

• Mekaniğin birimleri
• Konum m
• Açı birimsiz (radyan)
• Hız m s−1
• Açısal hız s−1
• İvme m s−2
• Açısal ivme s−2
• Sarsım (fizik) m s−3
• Eylemsizlik momenti kg m2
• Momentum kg m s−1
• Açısal momentum kg m2 s−1
• Kuvvet kg m s−2
• Tork kg m2 s−2
• Enerji kg m2 s−2
• Güç kg m2 s−3
• Basınç ve Enerji yoğunluğu kg m−1 s−2
• Yüzey gerilimi kg s−2
• Yay sabiti kg s−2
• Kinematik akmazlık m2 s−1
• Dinamik akmazlık kg m−1 s−1
• Yoğunluk kg m−3
• Aksiyon kg m2 s−1

Noktasal bir parçacığın konumu uzayda rastgele seçilen O referans noktasından, parçacığa çizilen vektördür

Hız ve Sürat

Hız, ya da yerdeğiştirmenin zamana oranı, konumun zamana göre birinci türevi olarak tanımlanır

İvme

İvme, ya da hızın zamana oranı, hızın zamana göre türevi (aynı zamanda konumun ikinci türevi) olarak tanımlanır

Sınırları



Klasik mekaniğin sınırları

Klasik mekaniğin birçok dalı genel göreliliğin ve göreli istatistiksel mekaniğin basitleştirilmiş ve günlük yaşama uyarlanmış halidir

Newton kanunlarının genel hali

Özel görelilikte, bir parçacığın momentumu şudur:

m parçacığın kütlesi, v hızı ve c ışık hızı

Eğer v c ye göre çok küçükse kökün içi yaklaşık 1 olur ve

Böylece klasik mekaniğin p=mv eşitliğinin aslında ışık hızına göre çok daha küçük hızlarda hareket eden cisimler için basitleştirilmiş bir eşitlik olduğu görülebilir

Dalları

Klasik mekanik, ilk önce geleneksel üç ana dala ayrıldı:

Statik, kuvvetlerin ve momentlerin etkisi altında cisimlerin denge durumlarını inceler
Dinamik, hareket ve kuvvet arasındaki ilişkiyi inceler
Kinematik, kuvvetleri hesaba katmadan hareketlerin etkileri ile uğraşır

Bütün mekaniksel büyüklükler kütle (kilogram), uzunluk (metre) ve zaman (saniye) cinsinden ifade edilebilmektedir

Elektromanyetizma



Elektromanyetizma elektrikle yüklü parçacıklar arasındaki etkileşime neden olan kuvvet'tir Bu etkileşimin gerçekleştiği alanlar, elektromanyetik alan olarak tanımlanır Doğadaki dört temel kuvvetten biri, elektromanyetizmadır Diğer üçü; güçlü etkileşim, zayıf etkileşim ve kütle çekim kuvvetidir

Elektromanyetizma, yerçekimi dışında, günlük yaşamda karşılaşılan hemen hemen tüm fenomenlerden sorumlu etkileşimdir Olağan madde, formunu her bir molekülünün arasındaki intermoleküler güçün bir sonucu olarak alır Elektronlar atom çekirdeklerinin etrafındaki orbitallerde elektromanyetik dalga mekaniği tarafından moleküllerinin yapı taşları olan atomları oluşturmak için bağlı tutulurlar Bu, kimyada, komşu atomların elektronları arasındaki etkileşimden doğan süreçleri yönetir Atomlar arasındaki komşuluk, sırasıyla, elektronların elektromanyetik kuvvetleri ve momentumları tarafından belirlenir

Elektromanyetizma, elektrik alanda da manyetik alanda da ortaya çıkar Her iki alan da elektromanyetizmanın farklı sonuçlarıdır; ancak, öz itibariyle birbirleriyle ilintilidirler Bundan dolayı, değişen bir elektrik alan, bir manyetik alan üretir; değişen bir manyetik alan da, elektrik alanı oluşturur Bu etki, elektromanyetik indüksiyon olarak tanımlanır ve elektrik jeneratörlerinin indüksiyon motorların ve transformatörlerin çalışma temelinde yer alır Matematiksel olarak konuşursak, manyetik alanlar ve elektrik alanlar, bağıl hareket üzerinden 2dereceden tensör ve bivektör kullanılarak birbirine dönüştürülebilir

Elektrik alanlar, elektrik potansiyeli(örneğin, bir pil voltajı) ve elektrik akımı (örneğin, bir el fenerindeki elektrik akışı) gibi bazı ortak olayların nedenidirler Manyetik alanlar, mıknatıslarla ilgili kuvvetin sebebidir

Kuantum elektrodinamikte, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimler, sanal fotonlar olarak bilinen ve yüklü parçacıklar arasında değiş tokuş edilen haberci parçacıkların incelendiği Feynman diyagramları yöntemi kullanılarak hesaplanabilir Bu yöntem pertürbasyon teorisi incelenerek elde edilebilir

Elektromanyetizmanın teorik uygulamaları Albert Einstein'ın 1905 yılında özel görelilik teorisini geliştirmesinin önünü açtı
Elektromanyetik Teorinin Tarihi

Aslında, elektrik ve manyetizma iki ayrı kuvvet olarak düşünülüyordu Bu görüş, 1873'te basılan, James Clerk Maxwell'in, içinde pozitif ve negatif yüklerin etkileşimlerinin tek kuvvetle düzenlendiği gösterilen Treatise on Electricity and Magnetism yayınıyla değişti Deneyler ile açıkça gösterilmiş olan tüm bu etkileşimlerin dört ana etkisi vardır:



Hans Christian Ørsted

Elektrik yükleri, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı bir güç ile birbirlerini çekerler ya da iterler: Zıt yükler birbirini çeker, aynı yükler birbirini iter
Benzer şekilde, manyetik kutuplar (ayrı noktalardaki kutuplaşmalar) birbirlerini çeker ya da iterler ve her zaman çift olarak ortaya çıkarlar: Her kuzey kutbu, manyetik alan çizgileriyle bir güney kutbuna bağlanmıştır
Bir tel içerisindeki elektrik akımı, tel etrafında, yönü akıma bağlı olan (saat yönünde veya saat yönünün tersine), dairesel bir manyetik alan oluşturur
Telin içinde, manyetik alana doğru veya manyetik alandan doğru hareket eden, döngü halindeki bir akım indüklenir Benzer olarak bir mıknatıs, manyetik alana doğru veya manyetik alandan doğru hareket ettirildiğinde, akımın yönü bu harekete bağlı olarak değişir

21 Nisan 1820 tarihinde bir akşam, Hans Christian Ørsted ders için hazırlarken, şaşırtıcı bir duruma tanık oldu Malzemelerini hazırladığı sırada, kullandığı pildeki elektrik akımı açık ve kapalı iken pusula iğnesinin manyetik kuzeyden saptığını fark etti Bu sapma, onu şuna ikna etti: Manyetik alan çizgileri, tıpkı ışık ve ısıda olduğu gibi, elektrik akım taşıyan bir telin her tarafından yayılıyordu Bu durum da, elektrik ve manyetizma arasındaki doğrudan ilişkiyi teyit ediyordu



James Clerk Maxwell

Keşif sürecinde, Ørsted, olgunun herhangi bir tatmin edici açıklamasını yapmadı, onu matematiğe dökmeye de çalışmadı Ancak, üç ay sonra daha yoğun araştırmalara başladı Bundan kısa süre sonra da, bir teldeki elektrik akımının bir manyetik alan ürettiğini kanıtlayan bulgularını yayınladı Onun elektromanyetizma konusuna yaptığı katkılardan dolayı, manyetik indüksiyon, CGS birimine göre (oersted) olarak isimlendirilmiştir

Ørsted'in bulguları, bilim camiasında elektrodinamike dair yoğun araştırmaların kapısını açtı Bulgular, Fransız fizikçi André-Marie Ampère'in, akım taşıyan iletkenler arasındaki manyetik kuvvetleri tanımlayan matematiksel formu geliştirmesini sağladı Ayrıca, Ørsted'in keşfi birleştirilmiş bir enerji kavramına doğru büyük bir adım oldu

Michael Faraday tarafından gözlemlenen, James Clerk Maxwell tarafından genişletilen ve Oliver Heaviside ile Heinrich Hertz tarafından kısmen yeniden formüle edilen bu kavram birleştirme, 19 yüzyılda matematiksel fizikin en önemli başarılarından biridir Bu başarı, ışığın doğasını anlamak gibi uzun erimli sonuçlar doğurmuştur Işık ve diğer elektromanyetik dalgalar, kuantize olan, kendi kendine yayılan manyetik alan titreşimleri diyebileceğimiz foton formunu alır Farklı salınım frekansları, elektromanyetik radyasyonun farklı biçimlerini doğurur; en düşük frekanslardaki radyo dalgalarından, orta frekanslardaki görünür ışığa, en yüksek frekanslardaki gama ışınına

Ørsted, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi inceleyen tek insan değildi 1802 yılında Gian Domenico Romagnosi, İtalyan bir hukuk bilgini, elektrostatik yüklerle manyetik bir iğneyi saptırdı Aslında, düzenekte galvanik akım yoktu ve bu nedenle elektromanyetizma da mevcut değildi Keşfin bir dökümü, 1802 yılında, bir İtalyan gazetesinde yayınlandı Ancak, çağın bilim camiası tarafından büyük ölçüde göz ardı edildi

Genel

Elektromanyetik kuvvet, bilinen dört temel kuvvetten biridir Diğer temel kuvvetler: nükleonları oluşturmak için kuarkları bağlayan ve çekirdekleri oluşturmak için nükleonları bağlayan güçlü nükleer kuvvet, radyoaktif bozunmanın bazı türlerini oluşturan zayıf nükleer kuvvet ve kütle çekim kuvveti Tüm diğer kuvvetler (sürtünme kuvveti gibi), neticede, parçacıkların hareketiyle sağlanan bu temel güçlerden ve momentumdan kaynaklanır

Elektromanyetik kuvvet, kütle çekim kuvveti dışında, günlük hayatta nükleer ölçekte karşılaşılan tüm diğer olgulardan sorumludur Kabaca; atomlar arası etkileşimlerden kaynaklanan tüm kuvvetler, elektrik yüklü atom çekirdeklerine ve atomların etrafındaki ve içindeki elektronlara etkiyen elektromanyetik kuvvetle ve bu parçacıkların hareketlerinden nasıl ivme kazandıklarıyla açıklanabilir Buna, sıradan nesneleri "itme" veya "çekme" sırasında deneyimlediğimiz, vücutlarımızdaki ve bu nesnelerdeki her bir molekülün arasındaki moleküller arası kuvvetten doğan kuvvetler de dahildir Aynı zamanda kimyasal olayın bütün formlarını içerir

Elektronların hareketlerinin momentumları tarafından üretilen etkili kuvvet, elektronların birbirleriyle etkileşim içerisinde olan atomlar arasında bir diğer atoma momentum taşıyarak hareket etmesi, atom içi ve moleküller arası kuvvetlerin anlaşılmasında oldukça önemli ve gereklidir Elektronlar toplamı, daha dar hale geldikçe, Pauli dışlama ilkesi'ne göre; minimum momentumları mutlaka artar Moleküler düzeydeki maddenin, yoğunluğu da dahil olmak üzere durumu; elektronların taşıdığı momentumdaki değişimin oluşturduğu kuvvet ve elektromanyetik kuvvet arasındaki denge ile belirlenir

Klasik elektrodinamik

Bilim adamı William Gilbert, De Magnete 'inde (1600), elektrik ve manyetizmanın, her ikisi de maddelerin itilmesi ve çekilmesine sebep olabilirken, farklı etkiler olduklarını ileri sürdü Denizciler, yıldırımların pusula iğnelerini bozabildiklerini fark etmişlerdi, ama yıldırım ve elektrik arasındaki bağlantı, Benjamin Franklin 'in 1752'de gerçekleştirdiği deneylere kadar doğrulanamamıştı İnsan yapımı elektrik akımı ve manyetizma arasındaki bağlantıyı ilk keşfedip yayınlayanlardan biri Romagnosi 'dir Romagnosi, 1802 yılında bir teli bir elektrik pili boyunca bağlamanın yakındaki bir pusula iğnesini saptırdığını fark etti Ancak bu etki, 1820 yılında Ørsted benzer bir deney gerçekleştirene kadar yaygın olarak bilinmedi[2] Ørsted'in çalışması, Ampère'i elektromanyetizmaya dair matematiksel bir teori üretmek üzere etkiledi

Klasik elektromanyetizma olarak bilinen elektromanyetizma teorisi, 19 yüzyıl boyunca çeşitli fizikçiler tarafından geliştirilmiş; önceki gelişmeleri tek bir teoriye toplayan ve ışığın elektromanyetik doğasını keşfeden James Clerk Maxwell 'in çalışmalarıyla sonuç bulmuştur Klasik elektromanyetizmada, elektromanyetik alan; Maxwell denklemleri olarak bilinen bir dizi denkleme uyar ve elektromanyetik kuvveti Lorentz kuvvet yasası verir

Klasik elektromanyetizmanın özelliklerinden biri, klasik mekanik ile bağdaştırılmasının zor; ancak, özel görelilik ile bağdaştırılabilir olmasıdır Maxwell denklemlerine göre, bir vakum içindeki ışık hızı, evrensel bir sabittir Bu sabit sadece electrical permittivity ve magnetic permeability of free space 'e bağlıdır Bu, klasik mekaniğin köklü bir temel taşı olan Galilean invariance 'i ihlal eder İki teoriyi uzlaştırmanın tek yolu, yayılan ışıkta ışık saçan eter 'in olduğunu varsaymaktır Ancak, daha sonraki deneysel çalışmalar eterin varlığını tespit edemedi Hendrik Lorentz'in ve Henri Poincaré'in önemli katkılarından sonra, 1905 yılında Albert Einstein, klasik kinematikleri, klasik elektromanyetizmayla uyumlu yeni bir kinematik teorisiyle değiştiren özel görelilik tanımıyla bu problemi çözdü (Daha fazla bilgi için, bkz: özel görelilik tarihçesi)

Ek olarak, görelilik teorisi gösterdi ki, hareketli referans sistemlerinde manyetik alan elektrik alan bileşeni sıfırdan farklı olan oluşturmaktadır, tersi elektrik alan için de geçerlidir Yani manyetik alan ve elektik alan bir paranın iki farklı yüzü gibi düşünülebilir İşte bu yüzden konunun adı “elektromanyetizma”dır (Daha fazla bilgi için, bkz: Klasik elektromanyetizma ve özel görelilik)

Fotoelektrik etkisi

Aynı yıl yayınlanan başka bir makalede, Albert Einstein, klasik elektromanyetizmanın köklü temellerini zayıflattı Ona fizik dalında Nobel ödülü kazandıran fotoelektrik etkisi teorisi, sonradan foton olarak adlandırılacak olan parçacık benzeri şeylerde ışığın bulunabileceğini var sayıyordu Einstein'ın fotoelektrik etki teorisi, Max Planck'ın 1900 yılında sunduğu morötesi katastrofunun çözümündeki kavramaları artırdı Eserinde, Planck, sıcak nesnelerin farklı paketlerde elektromanyetik radyasyon yaydığını gösterdi Bu da, siyah cisim ışıması olarak gerçekleşen sonlu, toplam bir enerji kavramıdır Bu sonuçların her ikisi de, ışığın sürekli bir dalga olarak tanımlandığı klasik görüş ile doğrudan çelişmektedir Planck'ın ve Einstein'ın teorileri, kuantum mekaniğinin atalarıdır 1925 yılında formüle edilen bu mekanik, elektromanyetizmada kuantum teorisinin icadını gerektirmiştir Kuantum elektrodinamiği (veya "QED") olarak bilinen bu teori, 1940'lı yıllarda tamamlanmıştır ve pertürbasyon teorisinin uygulanabilir olduğu durumlarda, fizikte bilinen en kesin teorilerden biridir

Birimler

Elektromanyetik birimler, temel SI biriminin amper olduğu elektriksel birimler sisteminin bir parçasıdır Temeli, elektrik akımlarının manyetik özelliklerine dayalıdır Birimler şunlardır:

Amper (akım)
Coulomb (yük)
Farad (kapasitans)
Henry (indüktans)
Ohm (direnç)
Tesla (manyetik alan)
Volt (elektrik potansiyeli)
Watt (güç)
Weber (akı)

Elektromanyetik cgs sisteminde, elektrik akımı; elektrik akımı Ampère yasası tarafından tanımlanan temel bir niceliktir ve geçirgenliği birimsiz bir niceliktir (göreli geçirgenlik) ve bunun boş uzaydaki değeri birim değer (bu değer matematiksel işlemlerde 1 olarak kabul edilir) olarak kabul edilir Sonuç olarak, bu sistemdeki eşitliklerle bağlantısı olan bazı denklemlerde ışık hızının karesi açıkça görünür

Termodinamik

, (Yunancada: thermos:ısı ve dynamic:enerji) Bazı Türkçe kaynaklarda ısıl devingi olarak da geçer Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı Termodinamik yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir



Sadi Carnot (1796-1832) Termodinamik biliminin kurucusu olarak kabul edilir

Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken, denge termodinamiği kastedilir Bu yüzden termodinamiğin ana kavramlarından biri "quasi-statik" (yarı-durağan) adı verilen, idealize edilmiş "sonsuz yavaşlıkta" olaylardır Zamana bağlı termodinamik olaylarla, denge halinde olmayan termodinamik ilgilenir

Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler

Termodinamik değişkenler

Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini, ya da çevre koşulları tarif etmek için kullanılır En çok kullanılanlar ve simgeleri şunlardır:

Mekanik değişkenler:

Basınç: P
Hacim: V

İstatistiksel değişkenler:

Sıcaklık: T
Entropi (düzensizlik): S

Mekanik değişkenler, temel klasik veya parçacık fiziği tanımlarıyla tarif edilebilirken, istatistiksel değişkenler sadece istatistiksel mekanik tanımlarıyla anlaşılabilir

Termodinamiğin çoğu uygulamasında, bir ya da daha çok değişken sabit tutulurken, diğer değişkenlerin bunlara göre nasıl değiştiği incelenir ve bu da sistemin matematiksel olarak (n sabit tutulmayan değişkenlerin sayısı olmak üzere) n boyutlu bir uzay olarak tarif edilebileceği anlamına gelir İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, bu değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek "durum denklemleri" yazılabilir Bunların en basit ve en önemli olanlarından biri ise ideal gaz yasasıdır

Bu denklemde R evrensel gaz sabiti'dir Ayrıca istatistiksel mekanik terimleriyle bu denklem şöyle yazılır:

Bu denklemde de k Boltzmann sabiti'dir

devamı aşağıda

Termodinamik potansiyeller

Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört tane termodinamik potansiyel tanımlanabilir:

Sistemin İç Enerjisi

Helmholtz Serbest Enerjisi

Gibbs Serbest Enerjisi

Entalpi

Entalpi,özel bir fonksiyondurBasınç sabit olduğu zaman bize ısıyı verir Bu dört potansiyelin diferansiyel denklemlerini ve zincirleme türev kuralını kullanarak bu dört potansiyel, değişkenler ve birbirleri cinsinden yazılabilir:

devamı aşağıda

Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar

Termodinamik kanunları

Sıfırıncı kanunu

Termodinamiğin en basit yasasıdır Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler Sıfırıncı yasa şöyle der:

Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler, ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyseler, A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler

1931 yılında Ralph H Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, doğal olarak 1 ve 2 yasalardan önce gelmek zorunluluğu doğmuş ve sıfırıncı yasa adını almıştır

Birinci kanunu



Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar

Bir sistemin iç enerjisindeki artış: sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır

U2 – U1 = Q – W

Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir Bütün bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir

Aşağıdaki formüllerde

Q = çevrim boyunca net ısı alışverişini
W = çevrim boyunca net iş alışverişini

göstersin Ama bir de çevrime ihtiyaç duyuyoruz şimdi onu da basit olarak çizelim,

Örnek hal değişimi

Şimdi bu şekilde sistemin herhangi iki hali görünüyor yani 1 ve 2 nolu noktalar Hal değişimleri ise A , B , C çizgileriyle sağlansın Ok yönleri de hal değişimlerinin olacağı yönler Şimdi hal değişimleri 1A2 ve 1B2 ise 2C1 ilk hale dönülen durumdur Şimdi çevrimleri kurguluyalım elimizde 1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri var:

1A∫2δQ + 2C∫1δQ = 1A∫2δW + 2C∫1δW ( 1A2C1 Çevrimi ) (a denklemi)

1B∫2δQ + 2C∫1δQ = 1B∫2δW + 2C∫1δW ( 1B2C1 Çevrimi ) (b denklemi)

1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri birbirlerine eşittir Termodinamiğin 1 kanunu uygulandığında a ve b denklemleri ortaya çıkar b denklemi a denkleminden çıkarırsak c denklemini buluruz

1A∫2 ( δQ - δW ) = 1B∫2( δQ - δW ) (c denklemi)

1A2 ve 1B2 aynı haller arasında herhangi iki hal değişimi olduğundan δQ – δW ifadesinin 1-2 noktası arasındaki bütün hal değişimleri için bağımsız olduğu söylenebilir Bunların farkı nokta fonksiyonudur ve tam diferansiyeldir Bu sisteme has bir özellik olup sistemin enerjisidir ve E ile gösterilir (E=δQ-δW) sonsuz küçük hal değişimi için bu formülün integrali alınırsa;

Q1-2 : Sistemin hal değişimindeki ısı alışverişi
W1-2 : Sistemin hal değişimindeki iş alışverişi
E1 : Sistemin ilk haldeki enerjisi ve
E2 : Sistemin son haldeki enerjisi

olmak üzere;

Q1-2 – W1-2 = E2 – E1

formülü çıkar Termodinamikte enerji, maddenin yapısına bağlı iç enerji ve koordinat eksenlerine bağlı olan kinetik enerji (EK) ve potansiyel enerji (EP) olarak ayrılabilir;

E = U + EK + EP

Sistemin herhangi bir hal değişimindeki enerjisi de;

Q1-2 – W1-2 = E2 – E1 = (U2 – U1) + (1/2) m (V22 – V12) + m g (z2 – z1)

U: iç enerji
m: kütle
V: hız
g: yerçekimi ivmesi
z: yükseklik

İkinci kanunu

Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:

Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır (Kelvin-Planck Bildirisi)

ya da Verim asla 1 den büyük olamaz şeklinde tanımlanabilirbir başka izah da şöyle olabilir

tek kaynaktan ısı çekerek çalışan bir makina yapmak olası değildir

Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır (Clausius Bildirisi)

Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini) Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi) Aslında, dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır Sisteme dışardan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez Aynı zamanda evrendeki düzensizlik eğilimini de anlatır Düzensizlik eğilimini anlatırken entropi kelimesini kullanır Yunanca, en = ingilizcedeki 'in' gibidir, önüne geldiği kelimeye -de, -da eki verir ve tropos = yol kelimesinin çoğulu olan 'tropoi' (tropi diye telaffuz edilir) kelimesinden Yani; "yolda")

Düzensizlik ya değişmez ya da artar Örnek olarak difüzyon verilebilir Ayrı duran maddeler bir arada olandan daha düzenlidir ve kendiliğinden karışmış sıcak ve soğuk sudan oluşmuş ılık suyun, bir daha sıcak ve soğuk diye ayrılması imkânsızdır
Eskime, yaşlanma, yıllanma gibi eylemlerin nedenidir
En düzensiz enerji ısıdır ve bir gün gelecek bütün enerji ısı olacaktır ve bu da evrenin sonu demektir
İleri sürülecek teoriler termodinamiğin 2 kanunuyla çelişmemelidir
Entropi iş yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır İki cam balona farklı sıcaklıklarda gaz, cam balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin döndüğünü görülecektir Fakat sonra entropi arttığı için pervanenin dönmesi duracaktır
Spor yapmak için bir parkta 100 metrelik bir koşu yapıldığını, 100 metrenin sonunda yorulup koşamayacak hale gelindiğini ve bir yere oturulduğu düşünülecek olursa koşarken harcanmış olan ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir
Sistemin düzensizliği arttıkça artan herhangi bir fonksiyon rahatça entropi fonsiyonu olabilir Örneğin bir bardak suyumuz olduğunu ve bunun içine bir damla mürekkep damlatıp gözlediğimizi düşünelim ve içeride neler olduğunu hayal etmeye çalışalım Mürekkep molekülleri başlangıçta kısa bir süre bir arada bekleştikten sonra su içine dağılmaya başlayacaklardır Çünkü kendilerine çarpan su molekülleri tarafından değişik yönlere itileceklerdir (su ve mürekkep maddelerinin kimyasal bağlarının birbirlerini itmeye elverişli olmalarından dolayı) Şimdi de olağanüstü bir bilgisayarın, sistemin bütün mümkün durumlarını sayabildiğini düşünelim Sistemin bir durumu denildiğinde anlamamız gereken şey bir molekülün belirli bir koordinata ve belirli bir hıza; bir başka molekülun bir başka belirli koordinata ve hıza sahip olduğu konfigürasyondur Bardaktaki mürekkep örneğinde bu tür durumların sayısının çok fazla olduğu açıktır Zira bunların çok büyük bir kısmı mürekkebin moleküllerinin bardak içinde oraya buraya rasgele dağıldığı, düzensiz, yani yüksek entropili durumlara karşılık gelirler Bizim algıladığımız düzeyde bunların hepsi homojen durumlardır Çünkü karışıma baktığımızda o molekülün burada, bir başkasının şurada olmasına aldırmadan, mürekkebin homojen olarak dağıldığını söyleyebiliriz Yani olağanüstü sayıda farklı mikroskopik durum tek bir makroskobik duruma, yani homojen duruma karşılık gelir
Aslında sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en kararlı hali almaya çalışmaktadırlar Hayatın anlamı da budur, yaşam entropi yollarından biridir, şekerin çaya çok daha çabuk karışmasını sağlayan kaşık işlevindedir
Kapalı bir sistemde entropi her zaman artar Kapalı sistem kısmı çok önemlidir Sisteme enerji vermek suretiyle entropisi azaltılabilir Dünya kapalı bir sistem değildir Güneşten sürekli olarak enerji akmaktadır dünyaya, ve düzeni bu sağlar
"Parçacık sayısı sonsuza giderken olması en muhtemel olan şey olur": Havaya bir miktar bozuk para atılsa hepsinin tura gelme ihtimali yalnızca birdir Biri dışında hepsinin tura gelme ihtimali daha çoktur Yarısının yazı, yarısının tura gelme ihtimali daha da çokturİşte bu sonuncusu maksimum entropiye sahip olan sistemdir Sonuç olarak entropinin artması, sistemin muhtemel olmayan durumdan daha çok muhtemel olan duruma doğru gitmesi demektir İçinde bulunulan odadaki moleküllerin hepsinin odanın sağ köşesindeki bir noktaya toplanması mümkünse de bu koşulu sağlayan yalnızca bir konfigürasyon vardır Oysa atomların odanın her yerine eşit dağıldığı daha çok konfigürasyon vardır

Üçüncü kanunu

Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu belirtir:

Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır

Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır Bu sayının sıfır değil de bir sabit olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan belirsizliklerin yok olmasına rağmen kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hala mevcut olmasıdır Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir

Genel görelilik

Genel görelilik, ya da göreliliğin genel kuramı, 1916 yılında Albert Einstein tarafından yayımlanan kütleçekimin geometrik kuramı ve bugün modern fizikteki kütle çekimin tanımıdır Genel görelilik, özel görelilik ve Newton'ın evrensel kütleçekim yasasını genelleştirerek kütleçekimin uzay ve zaman ya da uzayzamanda tanımlanmasını sağlar

Uzayzamanın eğriliği, madde ve radyasyonun enerji ve momentumu ile doğrudan bağlantılıdır Genel göreliliğin zamanın akışı, uzayın geometrisi, serbest düşme yapan cisimlerin hareketi, ışığın yayılımı gibi konulardaki öngörüleri, klasik fiziğin önermeleri ile belirgin farklılıklar gösterir kütleçekimsel zaman genişlemesi, kütleçekimsel merceklenme, ışığın kütleçekimsel kızıla kayması, kütleçekimsel zaman gecikmesi bu farklılıkların örnekleridir Genel göreliliğin bugüne kadarki tüm önermeleri deney ve gözlemler ile doğrulanmıştır Her ne kadar genel görelilik kütleçekimin tek göreli kuramı olmasa da, deneysel veri ile uyum sağlayan en basit teoridir Buna rağmen, teorinin hala cevaplayamadığı sorular varlığını sürdürmektedir Bunlardan en temel olanı, genel görelilik ile kuantum mekaniğinin yasalarının hangi şekilde bağdaştırılarak, tamamlanmış kendi içinde tutarlı bir kuantum alan kuramı yaratılabileceğidir

Einstein'in teorisinin astrofiziğe kayda değer etkileri vardır Örneğin, büyük bir yıldızın ömrünün sonuna yaklaştığı bir zamanda içine çökerek karadelik oluşturduğuna işaret eder Bazı astronomik cisimlerin yaydığı yoğun radyasyona karadeliklerin sebep olduğuna dair yeterli kanıt mevcuttur Örneğin mikrokuasarlar, yıldızsal karadeliklerin ve aktif galaktik çekirdekler, süpermasif karadeliklerin varlıklarının bir sonucu olarak oluşurlar

Işığın kütleçekim nedeniyle bükülümesi, uzaktaki bir astronomik cismin gökyüzünde aynı anda birden fazla yerde görüntüsünün belirmesine sebep olan, kütleçekimsel merceklenme olarak adlandırılan bir mucizeye neden olur Genel görelilik aynı zamanda, bugüne kadar ancak dolaylı olarak gözlenlenmiş olan, kütle çekim dalgalarının da varlığını öngörmektedir Buna dair doğrudan gözlemlerin yapılması LIGO ve NASA/ESA Laser Interferometer Space Antenna (Lazer girişimölçer uzay anteni) gibi projelerin amaçlarıdır Tüm bunlara ek olarak genel görelilik, evrenin durmaksızın genişleyen modelinin bugünkü kozmolojik modelinin temelidir

Tarihçe



Arkafondaki Samanyolu ile 600 kilometere uzaklıktan görülen 10 güneş kütlesindeki karadelik simülasyonu
1905'de göreliliğin özel teorisini açıkladıktan hemen sonra, Einstein bu göreli çerçeveye kütleçekimini nasıl dahil edeceğine dair fikir yürütmeye başladı 1907 yılında serbest düşen bir gözlemciyi ele alan basit bir düşünce deneyinden yola çıkarak kütleçekimin göreli teorisi üzerine sekiz yıl sürecek bir araştırmaya başladı Bir çok denemenin ardından, bugün Einstein alan denklemleri olarak bilinen çalışmasını sonlandırarak, Kasım 1915'de Prusya Bilimler Akademisinde sundu Bu denklemler Einstein'ın kuramının çekirdeğini oluşturur ve herhangi bir maddenin uzay ve zamanı nasıl etkilediğini belirler

Einstein alan denklemleri doğrusal olmayan ve çözümü oldukça zor olan diferansiyel denklemlerdir Einstein, başlangıçta kuramını öngörüye dayanarak biçimlendirmiş ve yaklaşıklık yöntemleri kullanmıştı Ancak çok zaman geçmeden 1916 yılında, astrofizikçi Karl Schwarzschild Einstein alan denklemlerinin ilk kesin ve sıfırdan farklı çözümünü bulmayı başardı Bu çözüm Schwarzschild metriği olarak adlandırılır

Schwarzschild metriği ile, kütleçekimsel içe çökmenin son evrelerinin, yani bugün bilinen adıyla karadeliklerin, tanımının temelleri ortaya koyulmuştur Aynı yıl Schwarzschild çözümünün elektrik yüklü cisimler için genelleştirilmiş çözümü olan Reissner–Nordström çözümüne ulaşıldı Bugün bu çözüm elektrik yüklü karadelikler için kullanılmaktadır

1917'de Einstein, kuramını, evrenin bütününe uygular ve göreli kozmolojinin temelini atar Genel göreliliğin öngörüsü evrenin genişlemekte ya da büzülmekte olduğu iken, Einstein evrenin durağan olduğunu düşünmektedir ve bunu sağlamak için orjinal alan denklemlerine kozmolojik sabit olarak adlandırdığı yeni bir parametre ekler

Ancak 1929'da Hubble'ın çalışması evrenin durağan olmadığını, genişlediğini gözler önüne serer Friedmann 1922'de yaptığı çalışmada genişleyen evren modelini kozmolojik sabit kullanmaksızın ortaya koymuştur Lemaître bu çözümü Büyük patlama'nın ilk modelini formüle etmek için kullanmıştırEvrenin genişlediğine dair gözlemlerden sonra, Einstein, kozmolojik sabiti, hayatının en büyük hatası olarak tanımlar

Bu süre zarfında genel görelilik merak uyandıran bir kuram olarak kalır Özel göreliliğin yasaları ile uyumlu olması ve Newton kuramının açıklayamadığı bazı etkilere cevap getirmesi nedeni ile açıkça Newtonsal kütleçekime karşı bir üstünlüğü vardır 1915'de kuramının Merkür'ün günberi noktasının devinimi problemine keyfi değişkenler kullanmadan nasıl açıklık getirdiğini, Einstein bizzat kendisi açıklamıştır 1919'da Eddington tarafından yönetilen bir keşif, 29 Mayıs 1919 tarihindeki tam güneş tutulması sırasında yıldızışığının güneş tarafından aynı genel göreliliğin öngördüğü şekilde büküldüğünü doğrulamış ve Einstein'ın ününü daha da arttırmıştır Ancak kuramın altın çağını 1960 ve 1975 yılları arasında yaşamış ve ancak bundan sonra teorik fiziğin ana dallarından biri olarak kabul görmüştür

Klasik mekanikten genel göreliliğe

Genel göreliliği iyi anlamanın yolu klasik mekanik ile benzerliklerini ve farklılıklarını gözden geçirmektir Öncelikle klasik mekaniğin ve Newton'un kütleçekim yasasının geometrik bir tanımdan yola çıktığı bilinmelidir Bu tanım özel göreliliğin yasaları ile birleştirilerek, genel göreliliğin yasaları sezgisel olarak türetilebilir

Newton kütleçekiminin geometrisi



Genel göreliliğe göre, kütleçekim alanındaki bir cisim ile kapalı bir kutu içinde ivmelenen bir cisim benzer şekilde davranır Örneğin, roketin içindeki gözlemci (solda) ve Dünya'daki gözlemci (sağda) topun düşüşünü aynı algılar Bunun sebebi roketin ivmelenmesinin aynı göreli kuvveti yaratmasıdır

Klasik mekaniğin özünde, bir cismin hareketinin serbest (ya da ivmeli) hareketinin ve bu serbest hareketten sapmaların bileşimi yatar Bu sapmalar cisme etkiyen dış kuvvetlerin varlığından kaynaklanır ve kuvvetin tanımı Newton'un ikinci yasası ile verilmiştir İkinci yasa bir cisme etkiyen net kuvvetin cismin eylemsiz kütlesi ve ivmesinin çarpımı kadar olacağını söyler Cismin tercih edeceği eylemsiz hareket, uzay ve zamanın geometrisine bağlıdır: Standart olarak klasik mekaniğin referans çerçevelerinde serbest hareket yapan cisimler düz çizgiler boyunca sabit hızla hareket ederler Günümüz terminolojisinde, cisimlerin eğri uzayzamandaki bu yollarına jeodezik denilmektedir

Kuantum mekaniği

Kuantum mekaniği; nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır

İngilizce'de quantum (Latince: 'quantus', "ne kadar") olarak kullanılan terim, kuramın belirli fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapar Kuantum mekaniğinin temelleri 20 yüzyılın ilk yarısında Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli gibi bilim adamlarınca atılmıştır Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara cisim ışınımı, dalga kuramı, alan teorileri gibi kavram ve kuramlar bu alanda geliştirilmiş ve klasik fiziğin sarsılmasına ve değiştirilmesine sebep olmuştur

Tarihçe

Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, kara cisim ışıması (blackbody radiation), tayf çizgileri, fotoelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır Açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu En yalın halde klasik mekanik evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu 1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreksizlik gösterdiğini, bazı deneyleri açıklamak için bir varsayım olarak kullanmak zorunda kaldılar Elbette bu iki darbe klasik mekaniği yıkmadı Uzunca bir süre bilim adamları bu süreksizliği klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraştı Yine aynı yıllarda atomun iç yapısı üzerine yapılan deneyler korkunç bir gerçeği gözler önüne serdi Ernest Rutherford yaptığı deneyle atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi

Bu dönemde elektronun varlığı biliniyordu Bu durumda eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, çok kısa bir zaman diliminde elektronlar çekirdeğe düşeceklerdi Bu elektromanyetik teoriye göre açıklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel hareket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti

Geçiçi çözüm Niels Bohr'dan geldi Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyorlar, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyorlar bu sayede sistem dengede durabiliyordu Bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysa da daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu Bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı Ne var ki Bohr'un "yamalı bohça"sı 1920'lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalgaboylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu

Kuantum mekaniğini Planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da De Broglie ile gelmiştir Louis de Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini önerdi Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu

Işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'in yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti Ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu

Max Planck 1900 yılında karacisim ışınımı problemini (morötesi facia diye de anılır), çözmek için

denklemini kullanmıştı Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü ν frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*ν nun tamsayı katlarında enerji taşıyabileceğini göstermişti 'h', günümüzde Planck sabiti adıyla anılır

Fotonlar dalga özelliği gösterirse madde de gösterebilir analojisinin yanında önemli bir ipucu da Einstein'in birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri idi

Buna göre, serbest bir parçacık, fazı x, zamanı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*π*(k*x - ν*t) , ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve ν frekansı, x ve t gibi dönüşmelilerdi Ya da diğer bir deyişle, p ve E gibi Bunun mümkün olabilmesi için, k ve ν, p ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı

Fotonlar icin E=h*ν olduğundan, madde için de

varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür

Herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımı ile, de Broglie, deneysel olarak gözlenen ve Sommerfeld ve Bohr tarafindan "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları matematiksel olarak kolayca türetti Bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Laboratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular Deney 1924'te de Brogli tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler

Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu

Ama doğru çıkış noktası idi

Enteresan bir şekilde, 1925-1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matris mekanigi ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar Ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi Yani sedece deneysel olarak gözlenebilen değerleri gözönüne alan bir yaklaşım kullandılar

1926 yılında Erwin Schrödinger bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı

Sonunda kendi dalga mekaniğinden Heisenberg'in matriks mekaniğini de türetip iki formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi Son makalelerinden birinde Schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar

Dirac'a göre tarih biraz daha farklı işlemiştir Ona göre, Schrodinger önce relativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü Ancak bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında çalışıyordu!

Daha sonra relativistik dalga denklemini yayınladığında ise, bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafından yayınlanmıştı ve hâlâ Klein-Gordon denklemi olarak anılır

Bu noktadan sonra Dirac; teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir Örneğin pozitron'un varlığının tahmini 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır kuantum teorisi Daha sonra 1940'larda Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P Feynman, Kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950'li ve 60'lı yıllar Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuştur

Parçacık fiziği

Parçacık fiziği, fiziğin atomaltı parçacıkları inceleyen dalıdır

Atomaltı parçacıklar bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcısı denilen dev düzeneklerde, yüksek elektrik alan etkisi ile hızlandırılmış parçacıkların manyetik alan etkisi ile odaklanarak çarpıştırılması ile ortaya çıkan farklı parçacıklar incelenebilir hale getirilmeye çalışılır Bu işlemlerin yapılmasında ve yaratılan çarpışmalarda ortaya çıkan enerji miktarları çok büyük olduğundan parçacık fiziği yüksek enerji fiziği olarak da adlandırılır

Temel parçacıklar

Leptonlar ve kuarklar şimdiki bilgilerimize göre en temel parçacıklardır Yani, kendilerini oluşturan başka parçacıklardan yapılmamışlardır Temel parçacıklar fermiyonlardır, dönüş (spin) kuantum değerleri kesirlidir (1/2 gibi) Bu parçacıklar dönüş değerleri kesirsiz (0, 1 gibi) olan bozonlar sayesinde birbirleri ile etkileşirler

Leptonlar

Leptonlarin en çok bilineni elektrondur Elektron şimdilik başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir Leptonların spini (dönüş; parçacığın iç açısal momentumu) ½ ve elektrik yükleri (protonun elektrik yükünün katları olarak) -1 veya 0 dır Yunanca lepton hafif temel parçacık anlamına gelmektedir Şimdilik (2007'de) bilinen 6 lepton vardır:

e electron (Elektrik yükü=-1)
νe elektron-nötrino (Elektrik yükü=0)

τ tau (Elektrik yükü=-1)
ντ tau-nötrino (Elektrik yükü=0)

μ muon (Elektrik yükü=-1)
νμ muon-nötrino (Elektrik yükü=0)

Kuarklar

Temel parçacıklar içinde adını Murray Gell-Mann ve Georg Zweig tarafından alan parçacıklar kuarklardır Kuarklarda spin ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır Şimdilik (2007'de) bilinen 6 kuark vardır:

u up (ap) (üst, elektrik yükü=2/3)
d down (davn) (alt, elektrik yükü=-1/3)

c charm (çerm) (çekici, elektrik yük=2/3)
s strange (strenç) (tuhaf, elektrik yükü=-1/3)

t top (tap) (tavan, elektrik yükü=2/3)
b bottom (bat`ım] (taban, elektrik yükü=-1/3)

Temel Kuvvetler

Doğada şimdilik varlığı bilinen dört temel kuvvet vardır Bu kuvvetler belli parçacıkların değiş-tokuşu ile oluşurlar ve şöyle sınıflanabilirler:

Elektromanyetik Kuvvet: Foton tarafından iletilir Foton kütlesizdir Foton, günlük hayatta iç içe yaşadığımız Isı, Işık, Radyo-TV sinyalleri, Mikrodalgasinyalleri, X-ışınları, Gama ışınları ve bunlara benzer enerji yayılımlarını taşımakla yükümlüdür Elektromanyetik kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile '1/mesafe2' şeklinde değişir
Zayıf Çekirdek Kuvveti: Z adı verilen kütleli foton ile W adı verilen kütleli ve elektrik yükünü haiz parçacıklar tarafından iletilirler Z ve W boson'lar radyoaktif bozunmalardan sorumludurlar Zayıf bir kuvvettir ve yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile 'Exp(- MZ * mesafe)/mesafe2)' şeklinde değişir ve yalnız 'mesafe ~ 1/ MZ' civarında etkili olur
Şiddetli Çekirdek Kuvveti: Gluon (yani 'zamk' parçacığı) tarafından iletilir Güçlü kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile 'mesafe' şeklinde değişir ve büyük mesafelerde güçlü bir etkileşme verirken, küçük mesafelerde oldukça zayıftır (Hook kuvveti gibi)
Kütleçekim Kuvveti: Graviton tarafından iletilir Graviton henüz keşfedilmemiştir Bu kuvvet hep çekimseldir ve yüklü (kütleli) parçacıklar arasındaki mesafe ile '1/mesafe2' şeklinde değişir

Hadronlar

Kuarklar ve/veya antikuarklar gluon tarafından zamklanarak hadronları oluştururlar Yeğin kuvvet gereğince kuarklar hadronlar içinde hapsolmuş olarak bulunurlar; serbest parçacık olarak gözlemlenemezler 3 kuarktan (veya antikuarktan) oluşan spini kesirli hadronlara Baryonlar (bu kelime Yunanca ağır anlamındadır), bir kuark ve bir antikuarktan oluşan spini tam sayı hadronlara ise Mezonlar (bu kelime "Mezzo" orta sözünden gelir) denir

Atom çekirdeği

Atom çekirdeği temel parçacık değildir, nükleon adı verilen proton ve nötronlardan meydana gelir Elektron ve çekirdeğin içindeki nötron ile proton kararlı parçacıklardır Kuarklar bir araya gelerek nükleonları oluştururlar Nötron u,d,d kuarklarından, proton ise u,u,d kuarklarından meydana gelmiştir Elektrik yükleri hesaplandığında nötronun yüksüz (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0) ve protonun +1 yüklü (2/3 + 2/3 - 1/3 = 1) olduğu görülür

Bir atom çekirdeğini oluşturan nükleonlar aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar Bu olay esnasındaki kuvvet Yeğin etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan tutar Bu olgu ilk kez Hideki Yukawa tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezondur Ortalıkta fazla görülmeyen bu parçacıkların ömrü çok kısadır Yüklü pi mezon 10^{-8} sn yaşar

Bir atom çekirdeğinin her zaman kararlı değildir, kararsız atom çekirdeklerinde, ki radyoaktif maddelerin çekirdekleri böyledir, çekirdek parçalanması olur Bunun nedeni zayıf etkileşim adlı kuvvettir

Spin istatistiği

Yukarda belirtilen bu parçacıkların Pauli yasası dahilinde spinleri göz önüne alındığında, ya tam sayılı (0,1,) veya buçuklu (1/2, 3/2,) olduğu görülür Yarı tamsayılı spinli parçacıklar Fermi istatiklerine, tamsayılı spine sahip olanlar Bose-Einstein istatiklerine uyarlar

Bu nedenle spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar

Fermiyonlar (Enrico Fermi'den)
Bozonlar (M K Bose'dan)

Fermi istatistiklerine uyan parçacıklar aynı anda aynı kuvantum sayılarına sahip olamazlar (elektron gibi)

Bose istatiklerine uyanlar ise aynı anda aynı konumda olabilirler (fotonlar bu grupta oldukları için lazer ışını oluşabilir) Yukarıda bahsi geçen Temel Kuvvetlerin etkileşim parçacıkları Bozonlardır

Tüm bahsedilen parçacıkların bir antiparçacığı da mevcuttur; bu parçacıkların tamamı antimadde olarak adlandırılır

Yoğun madde fiziği
Yoğun madde fiziği, fiziğin, maddenin makroskopik fiziksel özellikleri ile ilgilenen dalıdır Özel olarak sistemdeki bileşen sayısının fazla ve bu bileşenler arasındaki etkileşimin büyük olduğu yoğun maddeyle ilgilenir Yoğun maddenin en bilindik örnekleri katılar ve sıvılardır Bunun yanı sıra belli sistemlerde süperiletkenlik, ferromıknatıslık ve antiferromıknatıslık, Bose-Einstein yoğunlaşması yoğun maddelere örnek olarak verilebilir



Vanadium Dioksit Kristalleri Kalınlıkları 90 nm civarında, iletken-yalıtkan faz geçisi esnasında çekilen fotoğraf yaklaşık 1000 kat büyütmeye sahiptir

Yoğun Madde Fiziğinin Amacı ve Fizikteki Yeri

Yoğun maddde fiziğinin temel amacı yoğun maddeyi, kuantum mekaniği, klasik mekanik, istatistiksel mekanik, elektromanyetik teori, alan teorisi gibi fizik yasaları yardımıyla anlamaktır Bunun yanı sıra kimya, malzeme bilimi, nanoteknoloji, biyofizik, atom fiziği ve hatta teorik yoğun madde fiziği, yüksek enerji fiziği ve parçacık fiziği ile etkileşim ve alışveriş içindedir

Yoğun madde fiziği, günümüz fiziğinin hem üzerine çalışan insan sayısı hem de konu zenginliği açısından en büyük dalı olarak kabul edilebilir Ayrıca sonuçları itibari ile de günlük hayatımızı doğrudan etkileyen fizik dalıdır Örneğin günümüz çip teknolojisi (bu cep telefonundan en basit elektronik kol saatine kadar her yerde vardır), televizyon vb aklınıza gelebilecek bir çok teknolojik devrim yoğun madde fiziğindeki ilerlemeler sonucunda gelişmektedir

Yoğun Madde Fiziğinin Alt Dalları

Fazlar

Katı, Sıvı, Gaz
Düşük sıcaklı fazları- Fermi sıvısı, Fermi gazı, Süperakışkan vb
Faz olgusu- Düzen parametresi, faz geçişleri

Yüzeyler

Yüzey gerilimi
Nükleasyon

Kristal Katılar

Turleri- İletkenler, Yalıtkanlar, Yarıiletkenler, Yarı metaller
Elektronik Özellikleri

Kristal Olmayan Katılar

Amorf katılar, Parçacıklı katılar, Kristalimsiler

Yumuşak Yoğun Madde

Sıvı Kristaller(LCD televizyonalardaki malzeme), polimerler, karmaşık akışkanlar, jeller, köpükler, karışımlar

Nanoteknoloji

Atom fiziği

Atom fiziği, atomu bir bütün olarak alarak atomların etkileşimlerini -atomun ve moleküllerin yapısı, enerji düzeyleri, dalga fonksiyonlari ve elektromanyetik geçişleri, atomlar arası bağlar, molüküler yapılar, atom modeli, atomik spektroskopide ince yapı ve aşırı ince yapı, spektroskopik gösterim ve enerji seviyeleri, geçiş olasılığı ve seçim kuralları, Zeeman olayı, Stark olayı, moleküler spektrum, iyonik bağlar, dönme, titireşim ve elektronik geçiş spektrumu, lazer gibi bölümleri- inceleyen fiziğin alt dallarından 2 si dir

Süperiletken
(Üstüniletken), elektriksel iletkenlikleri sonsuza ulaşan maddelere denir Bazı element ve alaşımlar belirli bir sıcaklık (Kritik sıcaklık:Tc) seviyesine veya o kritik sıcaklığın altına doğru soğutulduklarında süperiletkenlik özelliği kazanırlar [[Elektrik akımı], dirençle karşılaşmadan süperiletken maddelerin üzerinden geçebilir Başka bir özellikleri de içlerindeki manyetik akıyı mükemmel bir diyamanyetiklik özelliği göstererek dışarı itmeleridir Bu diyamanyetik özellik göstermeleri Meissner etkisi olarak tanımlanır Süperiletken maddeler 'den yüksek akıımlar geçebilir

Tarihi Gelişme Süreci

Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes 1908 yılında Helyum’u sıvı hale dönüştürmeyi başardı Bu başarı 4,2 K’e kadar olan düşük sıcaklıklarda fiziksel özelliklerin araştırılmasını mümkün hale getirdi Metallerin elektriksel dirençlerinin bu düşük sıcaklık bölgelerindeki değişimi yine ilk defa Onnes tarafından incelendi Sıvı Helyum’un keşfinden 3 yıl sonra Heike Kamerlingh Onnes, civa metalinde DC elektriksel direncin kritik sıcaklık(Tc) diye adlandırdığı sıcaklık ve altındaki sıcaklıklarda ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü gözlemledi Ancak ölçülemeyecek kadar düşük değere düşmüyordu Daha sonra yapılan ölçümlerle sıfır olduğu anlaşılmıştır Bu heyecan verici gözlem süperiletkenliğin keşfi olarak bilinmektedir Bu çalışmadan dolayı Kamerling Onnes 1913 yılında Nobel Fizik ödülünü kazandı Daha sonraki yıllarda yapılan çalışmalarda başka elementlerin ve bileşiklerinde (1913 yılında kursunun (Pb) 7,2 K’de (Onnes, 1911), 1930 yılında Niyobyum'un 9,2 K’de (Chapnik, 1930) süperiletken olduğu anlaşıldı Süperiletkenliğin H K Onnes tarafından 1911 yılında kesfinden 1933 yılına kadar süperiletkenin bir ideal iletken olduğu yani sadece sıfır dirence sahip olduğu düsünülüyordu Kusursuz diyamanyetizma özelliği keşiften yaklaşık 22 yıl sonra W Meissner ve R Ochsenfeld tarafından gözlendi Diyamanyetiklik, manyetik ters yönelmesi olarak ifade edilebilir Manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi gösterirler Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir Su, bu yapıya sahip maddelerden biridir Diyamanyetizma özelliği, keşfedilen süperiletkenler için ortak bir özellik oluşturmaktadır Bu özellik Meissner Etkisi olarak bilinmekte olup, kritik sıcaklığın altındaki süperiletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu manyetik alanı dışarlaması prensibidir

Meissner Etkisi

W Meissner ve R Ochsenfeld tarafından 1933 yılında gözlemlenen bu etkide, manyetik alan içindeki bir süperiletken kritik geçiş sıcaklığına(Tc) kadar soğutulduğunda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışına itilir Manyetik alanın bu şekilde dışarlanması Meissner etkisi olarak bilinir ve bu etki, bir süperiletkenin içinde B=0 olacak şekilde davrandığını gösterir Manyetik alanın dışlanması, perdeleme akımları (shielding currents) olarak bilinen ve uygulanan manyetik alana eşit ve zıt yönde alan oluşturacak yönde süperiletken yüzeyinde akan elektrik akımından dolayı meydana gelir Meissner etkisinin en iyi gösterimi levitasyon durumundaki kalıcı mıknatıs deneyidir Süper iletkenler sıfır elektriksel dirence sahiptirler Bunun yanında manyetik alanı itme gibi bir özellikleri daha vardır (diamanyetik) Yüklü bir parçacık bir eksen etrafında döndüğünde bir manyetik alan oluşturur Bu manyetik alanın yönünü parçacığın dönme yönü belirler Atomlarda manyetik alan oluşturan tanecik elektrondur Proton ve nötronun etkisi çok küçük olduğundan ihmal edilir Bir atomun veya molekülün elektron dizilişi yazıldığında bazılarının eşleşmiş bazılarının ise eşleşmemiş olduğu görülür Eşleşmiş elektronların dönme yönleri birbirine ters olduğundan oluşturdukları manyetik alanlar birbirlerini sıfırlayacaklardır Elektron dizilişi yazılan maddenin bütün elektronları eşleşmiş ise net bir manyetik alan oluşmayacağından bu tür maddeler manyetik alandan etkilenmezler ve diamanyetik olarak isimlendirilirler Bu olaya Meissner etkisi (akı dışarlanması) adı verilir

Cooper Çifti

Cooper çiftleri Negatif elektrik yüklü elektron atom örgüsün içinden geçerken pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşime geçerse Cooper çifti oluşup atom örgüsünün şekli bozulurCooper çiftleri süperiletkendeki akımın taşıyıcılarıdır fonon alışverişi ile bağlı kalırlarFonon kristal titreşim kuantumudurParçalayıcısı düzen parametresiyken adını Leon Neil Cooper'dan alır

Öncelikle, Cooper çiftlerini oluşturan elektronlar tek bir atoma bağlı değil Bunlar, aynen metallerdeki gibi malzeme içinde serbestçe dolaşan elektronlardan oluşuyor Bazı atomların (metal atomları) en dış kabuklarındaki elektronlar atomlara diğerlerinden çok daha zayıf bağlanmıştır Atomları bir araya koyarak malzemeyi oluşturduğunuzda, bu elektronlar bir atomdan diğerine rahatça geçerek, malzeme içinde serbestçe dolaşmaya başlarlar Küçük bazı farklar dışında bu hareket parçacıkların boş uzaydaki hareketine oldukça benziyor Biz bu tip malzemelere “metal” diyoruz Süperiletkenlik de metallerde, bu serbest elektronların birbirleriyle “bir şekilde” etkileşerek Cooper çiftleri oluşturmasıyla oluşuyor Etkileşme BCS tipi dediğimiz süperiletkenlerde, atomların titreşmesi aracılığıyla gerçekleşiyor Yani, bir elektron çevresindeki atomların titreşmesine neden oluyor, bu titreşimler uzağa yayılıyor ve başka bir elektronun hareketini etkiliyor Fakat elektronların etkileşmesi için bu tek bir olası mekanizma değil Özellikle seramik süperiletkenlerde başka etkileşme mekanizmalarının olduğu düşünülüyor

Önemli olan bir nokta bu etkileşmenin çok zayıf olması Bunun bir sonucu, elektronların birbirlerine bağlanması için sıcaklığın çok düşürülmesi gerekiyor Bu da, dediğin gibi, belli bir kritik sıcaklığın altında gerçekleşiyor Kritik sıcaklık her malzeme için farklı O malzemedeki elektronların ne kadar büyük titreşim yaratabildiklerine (BCS mekanizması için), elektron yoğunluğuna vb bir çok faktöre bağlı Bir çok malzeme için bu 1 Kelvinin bile altında, kurşun için 7K, magnezyum diborid için 39K, seramikler için daha yüksek Şu andaki dünya rekoruna 138K ile bir seramik sahip Ama, bütün malzemeler süperiletken olamıyor Bunun nedeni bu malzemelerde Cooper çifti oluşturacak derecede yeterince güçlü bir etkileşmenin olmaması olabilir, ya da deneysel olarak yeterince düşük sıcaklıkları henüz elde edemediğimizden de olabilir Bazı metallerse, normal basınç altında hiç bir zaman süperiletken olamadığı halde, yüksek basınç altında ve uygun sıcaklık altında süperiletken olabiliyor (örneğin demir) Şu anda, hangi malzemenin hangi sıcaklık (ve basınç) altında süperiletken olacağını güvenilir bir şekilde söyleyebilen bir kuram yok Süperiletkenlik alanındaki en büyük sorun, kuramların bu anlamdaki yetersizliği Gelecekte oda sıcaklığında süperiletken olan malzemeler bulunacağı umuluyor Ama o zamana kadar, bilim adamları güçlü soğutucularla çalışmak zorunda Kritik sıcaklığın üzerinde bir süperiletkenin metale dönüşmesi, bu malzemelerin normalde metal olmasından kaynaklanıyor, başka bir şey değil

Elektronlar arasındaki etkileşmenin zayıf olmasının ikinci bir sonucu, bu elektronlar bağlanıp bir Cooper çifti oluşturduklarında aralarındaki uzaklığın oldukça büyük olması (Zayıf etkileşme ==> büyük uzaklık, düşük kritik sıcaklık) Diğer bir takım nedenlerden dolayı bu uzaklığa “uyum uzaklığı” deniyor ve değeri 1000 Angstrom ile bazı seramiklerde 30 Angstrom arasında değişiyor Atomların çapının bir kaç Angstrom olduğunu hatırlarsanız, bir Cooper çiftindeki iki elektron arasında yüzlerce başka elektron olduğunu görebilirsiniz Bunun bir anlamı, bir çiftteki elektronlardan birinin rahatlıkla bağdan kurtulup başka bir çifte bağlanabilmesi olasılığı Yani, malzeme içinde bir kere birbirlerine bağlandı mı artık ayrılmayan çiftler yerine çok daha karmaşık bir durum söz konusu Bu nedenle süperiletkenlerin kuramsal tasviri oldukça karmaşık ve yine bu nedenle süperiletkenlikle Bose-Einstein yoğuşması arasında bire bir ilişki kuramıyoruz (Halbuki iki olay birbirine çok benziyor) Sözü çok uzatmadan, asıl soruya gelelim Bir çifti oluşturan elektronların enerjileri aynı da olabilir, farklı da Bağlanmayı sağlayan etkileşme çok zayıf olduğundan, çiftin bağlanma enerjisi çok düşük Bu nedenle elektronların enerjileri de aşağı yukarı aynı olmalı; enerjileri arasında çok büyük farklar olmamalı Elbette bu elektronlar birbirleri arasında momentum ve enerji değişimi gerçekleştiriyorlar, ama söz konusu enerjiler bağlanma enerjisine göre çok düşük Çiftin dağılarak iki bağımsız elektrona dönüşmemesi için bunlar zorunlu

Cooper çiftlerinin oluşmasının neden sıfır dirence yol açtığı sorusununsa basit bir cevabı yok Standart, Bose-Einstein yoğuşması cinsinden açıklaması şöyle: Kuantum kuramına göre elektron bir fermiyondur; yani aynı kuantum durumunda bulunamayan, Pauli dışlama ilkesine uyan parçacıklar Buna karşın çift sayıda fermiyon içeren bir sistemse bir bozondur Bozonlar da, fermiyonların aksine aynı kuantum durumunda bulunmaya çalışır Örneğin helyum atomu, 2 proton, 2 nötron ve 2 elektrondan, dolayısıyla 6 fermiyondan oluşan bir bozondur Bose-Einstein yoğuşması olayında, bozonların büyük çoğunluğu aynı kuantum durumuna girer Bu durumda, eğer bir takım bozonlar bir yöne doğru sabit hızla hareket ediyorsa, bütün diğer bozonlar da aynı yöne doğru aynı hızla gitmek isteyecektir Belli bir sıcaklığın altında sıvı helyumda gördüğümüz “süper akışkanlık” bu kuantum olgusundan kaynaklanıyor Süperiletkenlerde de Cooper çiftleri bir bozon gibi davranıyor (ama, yukarıda değindiğim gibi bir Cooper çiftini, değişmez bir parçacık olarak düşünmek pek doğru değil) Dolayısıyla, akım taşıyan bir durumda, bütün Cooper çiftleri aynı yönde, aynı hızla hareket etme eğiliminde Dolayısıyla, bu akımdan bir Cooper çiftini çıkarmak (yavaşlatmak) enerji isteyen bir olay, normal dirençli metallerdeki gibi dışarıya enerji veren bir olay değil

BCS Kuramı

Bir metalde atom örgüsünü oluşturan atomların birlikte hareket ettiği biliniyorduBu yapı belli enrji ve frekanslarda titreşiyorduTitreşimin artması fonona bağlıydı frekans ise atom kütlesine bağlıydıCiva için kritik sıcaklığın civa izotopuna göre değişiyordu buda süperiletkenliği fononla ilgisi olduğunu kanıtlıyorduNegatif atom örgüsünün içinden pozitif yüklü iyonlarla elektromanyetik etkileşim yapmasının sonucu elektronları birlikte hareket ettirmeye çalışıyordu ve bu çiftlere Cooper çifti denildi Süperiletkenliği anlamaya yönelik geniş çapta kabul edilmiş ilk teori 1957 yılında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adındaki Amerikalı fizikçilerden geldi ve onlara 1972'de Nobel ödülünü kazandırdı Bu teori BCS teorisi olarak bilinmekte olup, adı bilimadamlarının soyisimlerinin başharflerinden derlenmiştir

BCS teorisi, süperiletkenliği mutlak sıfıra yakın değerlerde olan elementleri ve basit alaşımları (1 tip süperiletkenler) açıklamakla birlikte yüksek sıcaklık süperiletkenlerini açıklamakta yetersiz kalmaktadır

İsterseniz kısaca teoriden bahsedelim BCS teorisine göre elektronlar kristal bir örgünün içinden geçerken, örgü içeri doğru bükülme gösterir ve fonon denen ses paketleri oluşturur Bu fononlar deforme olmuş alanda pozitif bir yük yatağı oluşturarak arkadan gelen elektronların aynı bölgeden geçmesine olanak sağlarlar Elektronların çiftler halinde geçmesine sebep olan bu olaya 'phonon-mediated coupling' (fonon yardımıyla eşleşme) denir ve süperiletkenliğe olanak sağlar
Kalıcı Mıknatıs Deneyi

Kritik sıcaklığın altına kadar soğutulmuş bir süperiletken maddeye üstten küçük, hafif fakat oldukça kuvvetli bir mıknatıs yaklaştırıldığında, mıknatısın süperiletken madde üzerinde kaldığı gözlenirMıknatıs süperiletkene yaklaştırıldığı zaman süperiletken madde üzerinde bir süperiletken akım meydana getirecektir Manyetik alanın etkisiyle oluşan bu süperiletken akım dışarıdan uygulanan alana eşit fakat zıt yönde bir manyetik alan oluştururSüperiletken madde içerisinde oluşan bu manyetik alan da dışarıdan uygulanan manyetik alanın süperiletken madde içerisine girmesini engelleyecektir Bu engelleme sonucu da süperiletken mıknatıs üzerinde havada kalacaktırBu olay madde süperiletken fazında kaldığı sürece devam edecektir BSC TEORİSİ:Süperiletkenligi anlamaya yönelik genis çapta kabul edilmis ilk teori 1957 yilinda John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer adindaki Amerikali fizikçilerden geldi ve onlara 1972'de Nobel ödülünü kazandirdi BCS teorisine göre elektronlar kristal bir örgünün içinden geçerken, örgü içeri dogru bükülme gösterir ve fonon denen ses paketleri olusturur Bu fononlar deforme olmus alanda pozitif bir yük yatagi yaratarak arkadan gelen elektronlarin ayni bölgeden geçmesine olanak saglarlar Buna göre kritik sıcaklığın altında iki elektron fonon aracılığı ile etkileşerek birbirine bağlanırlar Bu çift COOPER ÇİFTİ olarak adlandırılır

Süperiletkenliğin teknolojik uygulaması
Manyetik Güç Depolama
Maglev Trenleri
Maglev Rüzgar Türbinleri
SQUIDs
Süperiletken Bolometreler
Süperiletken Kablolar