Fizik Nedir? Proje nedir nasıl hazırlanmalıdır?maycalistaylari.comu.edu.tr/calistay2010_1/sunumlar/danisman/riza... · Koordinatör: Prof. Mehmet Ay (ÇOMÜ) TÜSSİDE –24-31

TÜSSİDE – 24-31 Ocak 2010Koordinatör: Prof. Mehmet Ay (ÇOMÜ)

Fizik Nedir?

Proje nedir nasıl hazırlanmalıdır?

Spektroskopi ve Lazer hakkında kısa bilgi

Rıza DemirbilekYıldız Teknik Üniversitesi, Fizik Bölümü

• Fizik Nedir?

• Proje Nedir?

• Spektroskopi

• Lazer

SUNUM İÇERİĞİ

Fizik, doğada var olan her nesnenin (varlığın) temel yapı taşlarından (atom ve atom altı) içinde var olduğu ortama dek her şeyi kapsayan, bütün varlıkların birbirleriyle etkileşimini ve herhangi bir zamanda bir konumda bulunma durumlarını inceleyen bir temel doğa bilimidir.

Konum, hareket , etkileşim

Bu anlamda Fizik, doğal olayları özlü olarak betimleyen temel yasaları en açık ve temel haliyle ortaya çıkarma ve bu yasaları, ileride yapılacak deneylerin ve gelişebilecek olayların sonuçlarını öngörecek teorilerin geliştirilmesinde kullanma işlem ve çalışma süreçlerini kapsar.

FİZİK NEDİR?

İster cansız olsun iste canlı olsun, varlıkların çevresi ile etkileşimini ve bir konumda ve zamanda bulunma durumları incelerken onların;

Konumlarını,durgun/hareketli oluşlarını,enerjilerini,etkidikleri/etkilendikleri kuvvetlerin türleri ve büyüklükleri

gibi olaylar ve durumlarla ilgili sorular sorar ve bunlara yanıtlar arar.

FİZİK NEDİR?

Böylece, bu belirtilen noktalar hakkında genellemelere gider, gözlem ve deneyler yapar; doğada var olmayan sistemler –enerji ve madde harcaması karşılığında- geliştirir ve insanın doğayı daha yakından tanımasını sağladığı gibi, doğayı kullanarak insanlığın refah düzeyini yükseltmeyi de sağlar.

Fizik, yaşamı anlamamıza, yaşamımızı kolaylaştırmaya önemli katkı sunan temel bilim dalıdır.

Fizik, heyecan vericidir, ilginçtir, bilinmeyenleri algılamaya, anlaşılmayanları anlamaya yardımcı olur.

FİZİK NEDİR?

Günümüzde Fizik, gelişim aşamaları açısından iki ana başlık altında ele alınabilir:

Klasik Fizik: 1900 yılından önce geliştirilen teoriler, kavramlar, kanunlar, klasikmekanikteki deneyler, termodinamik ve elektromanyetizma konuları bu kategoride ele alınır.

Modern Fizik: 19. yüzyılın sonlarına doğru başlayan ve klasik fiziğin açıklamakta eksik kaldığı fiziksel olayları açıklayan yeni teorileri kapsayan çalışma alanını kapsar. Bu alandaki en önemli iki teori Kuantum Mekaniği ve Görelilik’dir.

Doğadaki olaylar gerçekte varsayıldığı gibi tamamıyla doğrusal değildir. Dolayısıyla doğayı ve özellikle iklimsel olaylar, elektro optik ve fotokırıcı süreçler gibi doğrusal olmayan olay ve süreçleri gerçeğe daha yakın betimlemeye ve öngörmeye çalışan çalışmalar son yıllarda hız kazanmış ve kuantum fiziğini betimleyen doğrusal matematiksel işlemciler yerini doğrusal olmayan işlem ve işlemcilere bırakmaktadır. Bu özelliklerin söz konusu olduğu çağdaş fizik çalışmaları “Yeni Fizik” ten söz ettirecek türdendir.

FİZİK NEDİR?

Fizik deneysel gözlemler ve nicel ölçümlere dayanır: Bir yandan doğayı ve çevremizi açık gözlülükle inceleyerek nicel değerlendirmeler diğer yandan ortaya çıkardığı az sayıda temel doğa kanunu ile yeni öngörüler yaparak onları yapay olarak geliştirdiği süreçlerle (deneylerle) test eder.

FİZİK NEDİR?

Gözlem ve

Deney

Teori ve

öngörüler

Doğada kendiliğinden ortaya çıkmakta olan veya çıkan olayların gözlemi yapılabildiği gibi düşünülmüş ve laboratuar ortamında yapılan deneyler yapılarak da gözlemler yapılabilir. Bu anlamda “Deney”, doğaya sorulan hedefli bir soruya açık bir yanıt bulabilmek için yapılan deneme düzeneği ve ölçüm sürecidir.

Fizikte teorik bir betimleme, her zaman insanın doğayı algılamada oluşturduğu bir modelin betimlemesidir. Bir teori ele alınan bir modelin bütün özelliklerini hesaplayabildiği için bir deneyciye hangi deneylerin söz konusu modelin geçerliliğini test edebileceğine dair bilgi verir. Teorik ve deneysel çalışmaların bu birlikteliği, karşılıklı destekleme ve sorgulama süreci insanlığın fiziksel bilgi birikiminin gelişmesine büyük katkı sunmaktadır.

FİZİK NEDİR?

Gözlem, deney ve teori olarak fiziğin gelişim aşamaları şu şekilde sıralanabilir:

“Neler oluyor” sorusunu sormak ve bunun için bilerek veya bilmeyerek gözlemlerin yapılması. Tarihsel gelişim sürecinde Galilei’e kadar yapılanlar temel olarak bu çerçevede ele alınabilir.

“Nasıl oluyor” sorusunun yanıtlanması; gözlem ve denemeler. Bilim tarihinde Galilei ile başlar.

“Neden oluyor” sorusunu yanıtlanması. Bilim tarihinde Newton ile başlar. İlk Fizik kanunları. Fizksel bir kanun ölçülebilir büyüklükleri ve fiziksel kavramlarını birbirine bağlar. Bu bağ bir matematiksel eşitlik ile gösterilir.

Çağımızda bunların gelişmiş hali olarak “Ne, nasıl, neden ve hangi koşul altında ve çerçevede?” Sorularına yanıt aranmaktadır.

FİZİK NEDİR?

Gözlem, insanın duyu organları (Görme, işitme, dokunma hissi, koklama ve tatma) aracılığı ile yapılır. Bunlar arasında görme özellikle büyük önem taşır. Örneğin bir ölçü aracı ibresinin bir miktar kayması, osiloskop veya bilgisayardaki sayısal yada grafiksel gösterimler.

Gözlem sürecinde dikkat edilmesi gereken duyu organlarımızın ne kadar hassas ve doğru algıladığıdır. Doğru ve tarafsız gözlem için iyi ölçü araçlarına gereksinim vardır. Sonuç olarak “Fizikte Ölçme“ konusu çok önemlidir.

Bütün bu gözlemlerin, deneylerin ve teorilerin insanlar arasında doğru aktarılması ve anlaşılması için de ortak bir fizik diline gerek vardır. Bu dil şu öğelerden oluşur:

Gözlemleri, ölçüm sonuçlarını ve düşünülen modelleri anlaşılır açıklıkta ifade eden önermeler, güncel dil ve fiziksel kavramlar, matematiksel ifadeleri kısa ve öz sunabilen bağıntılar ve onlarda kullanılan semboller, görselleştirici şekil ve resimler.

FİZİK NEDİR?

“Yeni Fizik”: Doğrusal olmayan doğa gerçeği

FİZİK NEREYE GİDİYOR?

İsotrop (a) ve isotrop olmayan (b) katı cisimler için klasik atomsal model.


http://www.ee.duke.edu/~drsmith

Metamalzemeler sahip oldukları dieletrikve manyetik parametrelerin reel ve sanal bileşenlerine bağlı olarak dalga ilerlemesinin değişik biçimlerini sunarlar.

Bu parametrelerin reel kısmının işareti de rol oynamaktadır.

(soğuran ortamlar için sanal kısmı hep pozitiftir.)

00

00

EHk

HEk

Metamalzeme


Mikro teknik aracılığı ile enerji eldesi

Institut für Mikro- und InformationstechnikWilhelm-Schickard-Str. 10 D-78052 Villingen-Schwenningen

Malzeme bilimi


Atomik yapı

Hücre yapısı

20. yüzyıl 21. yüzyıl

• Yapay malzemeler; küçük malzemeleryüksek performanslı

malzemeler

• Nano yapılar;nano sensörlernano makinelernano hesaplayıcılar

• Genetik olarak tasarlanmış hücreler;gıda üretimiilaç üretiminano yapıların üretimi


Yüksek Enerji fiziği

CERN deki çalışmalar, kazandırdıkları ve getirecekleri


Biyofizik

……

PROJE NEDİR?

Önceden belirlenmiş bir süre içerisinde;

• değişim yaratmayı hedefleyen,

• birbiriyle ilişkili amaç ve hedefleri olan,

• yeni ürünlerin (bilgi, uygulama prosedürleri, çeşitli kullanılabilir mal

veya araçlar, programlar) elde edilmesi ile sonuçlanan bir planlı

çalışma sürecidir.

PROJENİN AŞAMALARI

Düşüncenin akla geliş

Araştırma/planlama

Veri toplama

Veri işleme

Değerlendirme

Araştırma düşüncesi, durumu değerlendirme, proje taslağı

Literatür inceleme, konunun sınırlandırılması, Nelerin nasıl yapılacağının planlanması, proje başvurusu

Gerekli ön testler, bilgilerin elde edilmesi ve toparlanması

Hipotezlerin testi, soruların yanıtlanması, sonuçların yorumlanması

Rapor, sunumlar, yayınlar, yeni projelere yönelik düşünceler

PROJE ÇALIŞMALARIYLA ULAŞILMAK İSTENEN

Bu bağlamda proje,

öğrencilerin gerçek yaşama benzer işler üzerinde, özgün bir ürün ortaya koymak

amacıyla yaptıkları bağımsız konu araştırmaları ve etkinliklerdir.

• Ülkemizin gereksinim duyduğu geleceğin bilim insanlarını yetiştirmek;

• Bilimsel amaçlı yarışma ve benzeri etkinlikleri ülke genelinde yaygınlaştırmak ve teşvik etmek,

• Geleceğin bilim insanı olma potansiyeline sahip çocuklarımızı erken yaşlarda keşfedip var olan yeteneklerini geliştirmek,

• Onlara gerekli desteği vererek araştırmacı bir ruh kazandırmak,

• Öğrencileri Matematik ve Fen Bilimleri alanlarında yaratıcılığa teşvik etmek,

• Öğrencilerin gizli kalmış yeteneklerinin desteklenerek geliştirilmesine ortam hazırlamak,

• Ülkenin geleceğini yönlendirecek, bilimsel alanlarda özgün ve farklı düşünceler ortaya koyabilen, özgüveni gelişmiş bireyler yetiştirilmesine katkıda bulunmak

şeklinde vurgulanabilir.

Burada amaç;

1. Projenin konusunu seçmek

2. Bilgi toplamak

3. Projenin tanımlanması

4. Projenin yürütülmesi

5. Değerlendirme

ve Rapor Yazımı

PROJE NASIL HAZIRLANMALIDIR

Araştırma düşüncesi, durumu değerlendirme, proje taslağı; literatür inceleme, konunun sınırlandırılması

Nelerin nasıl yapılacağının planlanması, proje başvurusu

Gerekli testler, bilgilerin elde edilmesi ve toparlanması; hipotezlerin testi, soruların yanıtlanması, sonuçların yorumlanması

Yayınlar, sunumlar, yeni projelere yönelik düşünceler

Bilimsel birer çalışma olan projeler;

yaratıcı, bilimsel, uygulanabilir, yarar sağlamaya dönük, açık ve anlaşılır olmalıdır.

1. Proje konusunun seçimi

Proje konusu;

• ilgi çeken,üzerinde düşünülen,

• merak edilen

• yenilik getiren/getirebilen

• bir problemi çözebilecek, bir soruna çözüm olabilecek

konulardan seçilmelidir.

2. Bilgi toplamak

• Projenin konusu belirlendikten sonra konuyla ilgili kitaplardan,

dergilerden, internetten, kaynak kişilerden ve kurumlardan bilgi

toplanmalıdır.


Projenin Amacı,

• Amaç, elde edilmek istenen sonucun basit anlatımıdır.

• Projelerin genelde tek bir amacı vardır.

• Projenin amacı iyi tanımlanmadığında amaca yönelik hedefler ve faaliyetleri

tanımlamada sorunlarla karşılaşılabilir.

Projelerde,

problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.


Hedefler,

• Hedefler, tanımlanan amaca hizmet etmelidir.

• Hedefler birden fazla olabilir.

• Ölçülebilir hedefler belirlenmelidir.

Projelerde,


0

a1

a2

a3

b1

b2

b3

b4

b5

b6

b7

b8

c1

c2

c3

c4

c5

c6

c7

c8

c9

Hedef


Yöntem

Proje çalışmaları sırasında izlenecek yol, yapılacak deney ve gözlemler, veri toplama

araçları, istatistiksel değerlendirmeler, grafik çizimleri ve hesaplamalar yöntemi belirleyen

unsurlardır.

Projelerde,



Uygulama adımları ve Çalışma Takvimi

Proje çalışmaları sırasında gerçekleştirilecek faaliyetler adım adım

tanımlanarak çalışma takvimi hazırlanmalıdır.

Amaca yönelik daha yararlı ara hedeflerde esneklik olabilmelidir. Bu durum

projenin yeni düşünceler doğurmasına yardımcı olur.

Projelerde,



Beklenen Sonuçlar

Her bir faaliyet için beklenen sonuçlar ortaya konulmalıdır.

Projelerde,


4. Projenin yürütülmesi

Proje belirlenen amaç, hedefler, yöntemler, uygulama adımları ve

takvim doğrultusunda yürütülür.

Proje yürütümünde, proje yürütücüsü merkezi rol oynar.

Yürütücü, projenin sağlıklı bir şekilde yürütülmesini ve sonuçlandırmasını iyi

yönetmelidir.

5. Değerlendirme ve Rapor Yazımı

• Bu aşamada proje sonuçlarının ve etkisinin değerlendirmesi yapılır.

• Daha önce yapılan çalışmalarla karşılaştırılarak amaca ne ölçüde ulaşıldığı belirtilir.

• Raporda proje çalışmalarında elde edilen sonuçlar yazılır.

• Bulgular, yazılı ve görsel araçlarla ifade edilir.

Proje sonucunda, proje amaç ve hedeflerine ulaşıldığı bilimsel olarak gösterilmelidir.

Projeler sürdürülebilir olmalıdır.

6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler

• Verilen bilgiler öz, ancak mümkün olduğunca doğru ifade edilmelidir. Eksik ifadelerden kaynaklanan yanlış anlaşılmalar önlenmelidir.

Örnek:

….. “UV ışınları Görünmeyen ışınlar olarak bilinir.” ….

cümlesi nasıl anlaşılır?


• Varılan sonuçların çerçevesi,

1. sağlayacağı veya sağladığı yarar açısından,

2. bilimsel yapısı açısından ve

3. teknik kullanışlılık ve verimlilik açısından

verilmelidir.


• Yapılan çalışmalar, yalın ve mümkün olduğunca açıklayıcı olmalıdır.

• Çalışmaya götüren etmenler ve ön bilgiler açık ve anlaşılır, tarihsel gelişimi net ve durum değerlendirmesi olması gerekir.

• Çalışmanın kendisi elde edileni anlatmada en uygun dil seçilerek (pasif veya aktif cümleler) yazılmalıdır.

• Sonuçlar; bilimsel, teknik ve sosyal sonuçları ve yararları ile birlikte uygun bir dil, grafik, animasyon ile verilmelidir.

Spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim (bir miktar

madde) tarafından; saçılması, yansıtılması, soğrulması veya salınması ile

ilgilenen fen bilimi dalıdır.

Elektromanyetik ışıma:

Radyo dalgaları (Gamma) ışınları

Parçacıklar:

Nötronlar, elektronlar, protonlar, pozitronlar, .......

Spektroskopi: (Latince) ruhtaki resim, ruhun resmi.

Bu terimi ilk kullanan kişi: Arthur Schuster, 1882

SPEKTROSKOPİ : Tanım


Türkçe sözcük önerisi: Renkserim


Saleh B.E.A.,Teich M.C.Fundamentals of Photonics (Wiley, 2e)

Spektroskopi sürekli gelişmekte olan bir daldır. Hem var olan tekniklerin

iyileştirilmesi ve geliştirilmesi, hem de yeni yöntemlerin önerilmesi bu alanı şimdiye

dek hep canlı tutmuştur.

Günümüzde spektroskopi kavramı içine pek çok teknik girmesine rağmen başlangıçta

sadece optik spektroskopi olarak gelişmiştir.


R e n k s e r i m

SPEKTROSKOPİ : Tarihçe

Newton 1666

Herschel: Infrared 1800

Ritter: UV 18001

Fraunhofer 1814

Bunsen ve Kırchhoff 1859

Rayleigh 1871

Hallwachs 1887 ve Einstein 1905

Rydberg 1890

Röntgen 1895

J. J. Thomson 1897

Aston 1912

J. Franck ve G. Hertz 1914

Raman ve Smekal 1928

Townes ve Basov 1954

Maiman 1960

Turner, Terenin ve Siegbahn 1962

Herzberg 1971

Bloembergen ve Shawlow 1981

Spektroskopinin başlangıcı, 17.

yy. da Newton’un güneş ışığının

çeşitli renklerden oluştuğunu

gösteren meşhur prizma deneyidir.

19. yüzyılın başında

görünmeyen elektromanyetik

ışımanın (IR ve UV) varlığının

anlaşılması ile Newton spektrumu

genişlemiştir.

SPEKTROSKOPİ : Tarihçe

SPEKTROSKOPİSPEKTROSKOPİ : Temel Düzenek

SPEKTROSKOPİSPEKTROSKOPİ : Temel gösterim

SPEKTROSKOPİ : Hidrojen Atomunun Spektrum Serileri

SPEKTROSKOPİ : Kutuplanırlık spektrumu

SPEKTROSKOPİ : Molekül hareketleri

SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektrometreleri

Kütle spektrometresinde, iyonlaşma bölgesinde elde edilen hareketli iyonlar,elektrikle yüklü plakalara doğru çekilerek hızlandırılır. Kütle ayırıcısına gönderilir vekütle ayırıcısında kütle/yük (m/z) oranlarına göre hızlıca ayrılır. İyonların çoğu tekyüklü olduğundan, oran basitçe iyonun kütlesine eşittir. Çeşitli tipte kütlespektrometreler kullanılmaktadır. Bunlar,

• Kuadrupol kütle spektrometre,

• Uçuşzamanlı kütle spektrometre

• Çiftodaklamalı kütle spektrometredir.

(http://74.125.77.132/search?q=cache:nNWyBVn63l8J:w3.gazi.edu.tr/~mkaracan/enstrumental/Atomik%2520Kutle%2520Spektroskopisi.ppt+k%C3%BCtle+spektroskopisi&cd=2&hl=tr&ct=clnk&gl=tr).

SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi



SPEKTROSKOPİ : Manyetik Rezonans

SPEKTROSKOPİ : Manyetik Rezonans

SPEKTROSKOPİ : Nükleer Manyetik Rezonans

SPEKTROSKOPİ : Zeeman olayı

OPTİK SPEKTROSKOPİ

SOĞURMA YANSIMA SAÇILMA IŞIMA

Molekül Soğurulması

AtomSoğurulması

OptikDikroizm

DöngüselDikroizm

RayleighFraunhofer

Raman Floresans Fosforesans FotoakustikSpektroskopisi

Atom EmisyonSpektroskopisi

Gecikmeli Ani

IsılIşımalı

KimyasalIşımalı

FotoIşımalı

UyarıEmisyonSpektroskopisi

BiyoIşımalı

TriboIşımalı

PolarizasyonSpektroskopi

Zaman AyrışımlıSpektroskopi

EnerjiAktarımlıSpektroskopi

SPEKTROSKOPİ : Optik Spektroskopi

ELEKTROMANYETİK DALGALAR

Elektrik ve Manyetizma kanunları Maxwell denklemleri ile

özetlenebilirler:

İntegral Biçiminde:

1.

2.

3.

4.

s içn QdAE1

s n dAB 0

c s n dAB

dtddlE

c s n dAE

dtdIdlB

Gauss Kanunu

Manyetizma için Gauss Kanunu

Faraday İndüksiyon Kanunu

Ampere Kanunu

Diferansiyel Biçimde:

1.

2.

3.

4.

QE

0

B

tBE

tEJB

E : Elektrik alan

: Manyetik alan

: Akım yoğunluğu

: Dielektrik sabiti

: Manyetik geçirgenlik

B

J

Soğurma ve Dağıtkanlık

yay

)(202

2

tEmQx

dtdx

dtxd

Sönümlü harmonik salınıcı

tieEtE 0)( tiextx 0)(

)(1)( 220

tEmQ

itx

)()()()( tEtxQtp

Atomik polarizasyon

Düşük yoğunluklar için geçerli)()()( txQNtrQNtP

EP

0 : karmaşık

Polarizasyon tepkisi modeliHareket denklemi

IIOD 0log

Optik yoğunluk

Soğurma ve Dağıtkanlık

)exp()exp( zzikI )exp(0 zII

Lambert- Beer - Kanunu

I

0I

I

0 z

ortamGelen

ışık

Geçen ışık

00

Güçlendirici ortam

Soğurucu ortam

IIOD 0log

Optik yoğunluk

)exp()exp( zzikI )exp(0 zII

Örnek: Bir optik fiber kablosunun absopsiyon katsayısı 0,001 m-1 dir. 1 km uzunluğunda böyle bir kabloya gelen I0 yeğinliğindeki ışığın çıkış yeğinliği ne olur?

Örnek: Laboratuarlarda kullanılan bir Gri filtre (Örn. HC-3) yaklaşık olarak 1 mm-1 soğurma katsayısına sahiptir. Kalınlığı 2 mm olan böyle bir filtre üzerine düşen ışığın ne kadarını geçirir? Optik yoğunluğu ne olur?

I

0I

I

0

ortam

Gelen

ışık

Geçen ışık

z

Soğurma

Soğurma

Bazı kavramlar

Absorptans (a): Gelen ışığın ne kadarının azaldığını veren birimsiz büyüklüktür. Genelde % olarak verilir.

Transmitans (T): Gelen ışığın ne kadarının ölçülen ortamdan çıktığını veren birimsiz büyüklüktür. Genelde % olarak verilir.

Absorbans (A): Optik yoğunluk: Lambert-Beer yasasında verilen z büyüklüğünü veren niceliktir.

Absorpsiyon katsayısı (): bririm uzunluk başına absorbans büyüklüğüdür ve cm-1

veya m-1 boyutunda verilir.

Absorpsiyon etki kesiti (): Molekülllerin yada atomların soğurma özelliklerini belirlemeye yarayan büyüklüktür. Birimi cm2 veya m2 olarak verilir.

Molar absorpsiyon katsayısı (): bir çözeltide mol başına soğurma katsayısını veren büyüklüktür. cm-1/Mol olarak verilir.

zeII 0

Soğurma

)()()( NN

N

N’

Et

Eu

()

Bir madde ortamında bir soğurma frekansı için ölçülen

soğurma o ortamda bulunan soğurma yapabilecek

atomların yada moleküllerin soğurmalarının toplamıdır.

Soğurma yapan kuantum mekaniksel sistem: Atom/iyon, Molekül

Geçiş tesir kesiti: )()( is Hf

hEE tu

Soğurma

İki seviyeye sahip bir atomsal dizge için ideal soğurma

Bir atomsal sistemin doğal genişlemesi: Lorentz fonksiyonu biçimi (homojen)

Bir atomsal sistemin doğal genişlemesi: Gauss fonksiyonu biçimi

220 )2/()(

2/)(

g

hEE tu

2ln

2/exp2ln2)( 0

g

An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, J. Garc´ıa Solé, L.E. Bausá and D. Jaque, Wiley, 2005

Frekansta belirsizlik, enerjide belirsizlik doğurur.

Bir frekansa bağlı (spektral) çizgi genel olarak ile verilir

Geçiş Çizgilerinin Genişlemesi

)(g1)(

0

dg max0 )( gg

:0 Rezonans frekansı

Çizgi genişlemesine neden olan pek çok etken vardır:

A) Homojen genişleme

B) Homojen olmayan genişleme• Doğal genişleme

• Basınçtan dolayı genişleme

• Enerji yutan (elastik olmayan) çarpışmalar

• Doppler olayından dolayı genişleme

• Elastik çarpışmalar

Soğurma Spektrumu alma düzeneği

An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, J. Garc´ıa Solé, L.E. Bausá and D. Jaque, Wiley, 2005

Lazer: Madde ve ışık etkileşiminin bir sonucu

• Işık → Madde → Işık• Zorlamalı salınım• Lazer• Lazer türleri• Lazer ışığının özellikleri• Lazerlerin uygulamaları • Lazer ışığının tehlikeleri ve

korunma

Zorlamalı ışık salması, h =E yada h >E

h

h1,2,..

E

E+ ters dolum

(örn. Bir rezonatörde)

Işık → Madde → Işık

Zorlamalı ışık salması (emisyon)

http://www.physics.otago.ac.nz/Physics100/simulations/Gamelan/java/laser/index.html

h

I1›

I2›

Soğurma (Absorpsiyon)

Atomlar kendiliğinde soğurma yapamazlar.

Işık alanı + Temel durum (temel enerji seviyesi) Soğurma: uyarılmış durum (uyarılmış enerji seviyesi).

Einstein-Katsayıları: B12

kendiliğinden

h

zorlamalı

2h

Uyarılmış bir durumda bulunan atomlar kendiliğinden ışık salabilirler.

Uyarılmış durum uyarılmış durum + ışık alanıTemel durum (: Emission) temel durum (:Emission)

h

Işık salması (Emisyon)

A21 B21

Lazer Işığı

x

E

L

Rezonator uzunluğu

Lazer

nsssm

mcL 33,010344,3

/1099,21,0 10

8

L=10 cm, R=95% için

nsnsRc

Lt 6,6)95,01(

33,0)1(0

S1 S2

Lazer

E1

E2

E

W

N1

N

2

E1

E2

E

W‘ : kendiliğinden

W : zorlamalı

N1

N

2

0221 t

nNWWnNWnNdtdn

Soğurma

zorlamalıEmisyon

kendiliğindenEmisyon

Kayıplar

Lazer içindeki foton sayısı hesap eşitlikleri

n : Dikkate alınan foton sayısı

W: Geçiş olasılığı

N1: Temel durumda bulunan atomların sayısı

N2: Uyarılmış durumda bulunan atomların

sayısı

t0 : Lazer içerisinde bulunan bir fotonun

yaşam süresi

İlk başta lazer eylemini gerçekleştiren fotonlar (rezonatör ekseni boyunca) dikkate alınırsa

Lazer

0)(0

12 tnnNNW

dtdn

)(1

DVW

V: Lazer ortamının hacmi : Uyarılmış seviyenin yaşam süresi

D()d : …+d frekans aralığının birim

hacminde bulunan olası duran dalgalar

3

2

8)(c

D

Kendiliğinden salınımın lazer olayına katkısı yok.

Lazer şartı için n den bağımsız olan WŃ2 terimi ihmal edilebilir.

Bir sistemin lazer etkinliği gösterebilmesi için fotonların üretilme debisi 0 dan büyük olmalıdır:

n ≠ 0 şartı ise şunu verir:

Örnek Hesaplama: yakut lazeri için verilen şu verilere göre W yi hesaplayınız

V= 62,8 cm3, = 4,32·1014 Hz, =2,49 ·1011 Hz

c= 2,9979 ·1010 cm/s, = 3,0 ms

W = 1,224 ·10-12 s-1

Haken

03

212 8

tcVNN

Lazer içerisindeki fotonların yaşam süresi t0 mümkün olduğunca uzun olmalı Lazer ortamının hacminin mümkün olduğunca küçük olması gerekir. Emisyonun yaşam süresi mümkün olduğunca kısa olmalı Mümkün olduğunca yüksek enerji seviyelerin büyük dolum imkanı N2-N1

Frekans de mümkün olduğunca küçük olmalı.

Lazer şartı

cRLt

)1(0

Lazer malzemesi ile ilgili kriterler

Yapı ile ilgili kriterler

Bunlara ek olarak daha başka faktörler de bir lazerin yapılmasında rol oynarlar.

örneğin.: pompa kaynağı, güç kaynağı, boyutlar …

Hesaplama örneği:

Farklı rezonatör uzunlukları

ve yansıma yeğinlikleri için t0

ın hesaplanması

L = 1cm L = 10 cm L = 100 cm

R = 99%, 3,336·10-9 s, 3,336·10-8 s, 3,336·10-7 s,

R = 90%, 3,336·10-10 s, 3,336·10-9 s, 3,336·10-8 s,

R = 10%. 3,706·10-11 s, 3,706 6·10-10 s, 3,706·10-9 s,

Haken / Wolf

Lazer tarihinden bazı önemli gelişmeler

1917 Einstein‘in zorlamalı emisyonu teorik olarak açıklaması.1928 R Ladenberg et al. Gas deşarjında zorlamalı salınımın deneysel gözlemlenmesi1951 Maserin C.H. Townes tarafından geliştirilmesi

Maser lazer ile aynı temel düşünceye dayanıyor; ancak sadece mikrodalga bölgesinde çalışıyor.

1958 C.H. Townesand A.L. Schawlow tarafından maser prensibinin optik frekanslaradauygulanabilirliğinin önerilmesi.

1960 T.H. Maimanat Hughes Laboratuvarda atmalı yakut lazeri gerçekleştirdiklerini bildirdiler.1961 İlk sürekli dalga lazeri rapor edildi (Helium Neon lazeri).1962 İlk yarı iletken lazeri (R Hall)1964 Nicolay Basov, Charlie Townesand A leksandrProkhorovget Lazer ve maser prensibini

açıkladıkları için Nobel Ödülü aldılar.1976 J M J Madey et al. Serbest Elektron lazeri1981 Art Schalowand Nicolaas Bloembergenget lazer spektroskopisini gelişimine katkılarından

dolayı Nobel ödülü aldılar1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ve William D. Phillips

atomları lazer ile soğutup tuzaklama yöntemini geliştirdikleri için Nobel Ödülü aldılar.

2

Pompa

1

Lazer geçişi

Lazer türleri, enerji şemasına göre

• İki seviyeli lazer sistemi

• Üç seviyeli lazer sistemi



1

Lazergeçişi

2

3

Pompe

Işımasız geçiş





0

Lazergeçişi

1

2

Pompa Işımasız geçiş






0

Lazergeçişi

1

2

Pompa

Işımasız geçiş

Işımasız geçiş

3• Üç seviyeli lazer sistemi


4F2

4F1

2E

4A2

Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam)

Atomlardaki elektronik geçişleri

Katıhal lazerleri (z.B. Rubin,Nd-YAG, …)

Gaz lazerleri (z.B.Argon-Ion, Krypton, He-Ne, ...)

Moleküllerdeki elektronik geçişler

Excimer Lazer (HeN, XeBr, XeCl,… )

Kimyasal Lazer (F+H2 → HF*+H, etc.)

Renk malzemesi lazerleri (z.B. Rodamin 6G, Stilbene, Pyridin, ...)


Auf molekularen Schwingungen beruhende Laser ( Örneğin CO2)

Yarı iletkenlerdeki elektronik geçişler

Serbest elektron lazerleri

Röntgen lazeri


Lazer ışığı özellikleri

• yüksek yeğinlik

• çok kısa salmalar (pulslar) üretebilme imkanı

Işın özelliği(uzaysal Koherentlik)

Tek renklilik (monokromatiklik) (zamansal Koherentlil), l =c·t =c/

Lazer uygulamaları (Malzeme işleme)

Yüzey işlemeKesme

Kaynak yapma yazma / işaretleme

Bir aralıktan açılma alanının ölçülmesi

Hareketli ölçüm cisimlerinde kısa ölçüm süresi

Parlak yüzeylerde bile kararlı ölçüm

Robotların konumlarının kontrolü

Bir iş makinasındaki titreşimleri ölçme

Paslanmış bir metal milin kontrolü

Lazer uygulamaları (Malzeme işleme / otomasyon)

Lazer uygulamaları (Günlük hayatta)

Lazer uygulamaları (Tıpta)

Lazer uygulamaları (Tıpta)

• 1) Deri ve plastik cerrahi• 2) Göz• 3) Sindirim sistemi• 4) Kadın hastalıkları• 5) Üroloji• 6) Kardiyoloji• 7) Diş hekimliği• 8) Beyin cerrahisi• 9) K.B.B. • 10)Ortopedi.

Lazer uygulamaları (çekirdek birleşimi girişimleri)

Lazer ışığının tehlikeleri ve korunma

İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması

Sınıf 1 Sözkonusu lazer ışığı yeğinliği öngörülebilen şartların altında. Zararsızdır.

Sınıf 1MSözkonusu lazer ışığı 302,5 nm - 4 000 nm spektral aralığındadır.Lazer ışığı eğer başka optik araçlar (mercek, teleskop, büyüteç) aracılığı ile sahip olduğuğu genişlikten daha fazla daraltılmazsa göz için zararsızdır.

Sınıf 2Sözkonusu lazer ışığı 400 nm ile 700 nm spektral bölgesindedir. Kısa süreli etki için (≤ 0,25s) göze zararlı değil. Bu dalgaboyu dışındaki ek ışık kısımları 1. sınıf şartlarındadır.

İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması

Sınıf 3A

Sözkonusu lazer ışını optik araçlarla (büyüteç mercek, teleskop) daraltıldığında göz için tehlikelidir. Eğer optik araçlarla ışın genişliği daraltılmazsa göz için tehlikeli değildir! Herhangi bir optik araç ile ışın daraltılması yoksa görünür bölge için ( 400 nm - 700 nm) kısa süreli etkilerde (≤ 0,25s), ve diğer spektral bölgeler için daha uzun etkiler için de tehlikeli değildir.

Sınıf 3B

Sözkonusu lazer ışını göz için ve genellikle deri için de tehlikelidir. Doğrudan 3B sınıfı lazer ışığına bakmak tehlikelidir.Ancak bir dağıtıcı bir yansıtıcıdan en az 13 cm uzakta ve 10s den daha kısa bir süre bakılması ve eğer aynı zamanda hiç bir doğrultulmuş ışın kısmı olmaması durumundan ışına bakılabilinir

Sınıf 4Sözkonusu lazer ışını göz için çok tehlikeli ve deri için tehlikelidir. Dağıtkan olarak saçılan ışık da tehlikelidir. Bu tür lazerlerin ışıkları yangın ve patlama nedeni olabilirler.

Lazeler ve Işın yolları için kurallar

Lazer bölgelerinin genellik sözkonusu tüm odanın (Laboratuarın) lazer ışınları için işaretlenmeli,

lazerlelrin çalışması durumunda laboratuara girişler sınırlandırılmalıdır.

Laboratuarda hemen ulaşılabilir yerlerde acil durum anahtarları olmalıdır.

Işın yolları genellikle göz hizasında olmamalıdır! (oturma durumu da dikkate alınmalı)

Mümkün olduğunca ışın yollar saydam olmayan borularla çevrelenmelidir.

Optik araçların yerleştirilmesinde olası yansımalar dikkate alınmalı düşük yeğinlikli lazer ışını ile test

ilgili düzenek (deney düzeneği ) test edilmelidir.

Dağınık yansımalar dahi bazen yüksek doğrultulu ışınlara sahip olabilir ve 4. sınıf lazerleri

durumunda zaralı olabilirler.

Optik araçların kullanılmayan kısımları siyahlaştırılmalıdır.

Optik araçlar serbest şekilde (tutucusuz ve kapaksız) hiç bir zaman ışın yollarında bırakılmamalıdır.

Işın yakalayıcı ve perdelemeler kullanılmalıdır. Ustaca seçimlerle ışın yolu takip edilebilir durumda ve

güvenli olacaktır.

Yeni çalışmaya başlayanlar tecrübeli çalışanlar tarafından bilgilendirilmelidir. Aynı şekilde misafirler tehlikeler

hakkında bilgilendirilmelidir.

Araştırma laboratuarlarında dikkat edilmesi gerekenler

Herkes kendi bölgesindeki güvenlikten sorumludur.

Her eylem öncesinden etkileri hakkında iyice düşünülmelidir!

Lazerlerden korunma ve ayar gözlükleri kullanılmalıdır. Ortamın aydınlatılması yapılmalıdır.

Laboratuar içinde Yollar serbest bırakılmalı ve çalışma yerleri her zaman toplanmış bırakılmalıdır.

Optik araçlar yerleştirilir veya düzeneklerden kaldırılırken önceseinde lazer ışığı boloke edilmelidir.

Eğer birden fazla kişi aynı deney düzeneğinde çalışıyorsa lazer ışını uyarıdan sonra serbest

bırakılmalıdır!

Eğilme durumunda gözler kapatılmalıdır ve ışık kaynağına bakılmayacak şekilde yüz

çevrilmelidir..

Saatler, takılar ve kemer başlıkları yansımlara yansımalara neden olurlar

Bakım ve onarım araçları kullanılırken dikkat edilmelidir. Onlardan da yansımalar olabilir.

Fizik Nedir? Proje nedir nasıl hazırlanmalıdır?maycalistaylari.comu.edu.tr/calistay2010_1/sunumlar/danisman/riza... · Koordinatör: Prof. Mehmet Ay (ÇOMÜ) TÜSSİDE –24-31

Documents