ModernFiziğe GirişDoç. Dr. Mehmet Altan KURNAZ • Yrd. Doç. Dr. Aslı KURNAZ

Yaşam Temell� • Problem Çözümlü

Fen Bilimleri Öğretmenleri ve Öğretmen Adayları İçin

Doç. Dr. Mehmet Altan KURNAZ | Yrd. Doç. Dr. Aslı KURNAZ

Fen Bilimleri Öğretmenleri ve Öğretmen Adayları İçin MODERN FİZİĞE GİRİŞ

Yaşam Temelli – Problem Çözümlü

ISBN: 978-605-318-632-8DOİ 10.14527/9786053186328

Kitap içeriğinin tüm sorumluluğu yazarlarına aittir.

© 2016, Pegem AkademiBu kitabın basım, yayım ve satış hakları

Pegem Akademi Yay. Eğt. Dan. Hizm. Tic. Ltd. Şti.’ye aittir.Anılan kuruluşun izni alınmadan kitabın tümü ya da bölümleri,kapak tasarımı; mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik, kayıtya da başka yöntemlerle çoğaltılamaz, basılamaz, dağıtılamaz.

Bu kitap T.C. Kültür Bakanlığı bandrolü ile satılmaktadır.Okuyucularımızın bandrolü olmayan kitaplar hakkında

yayınevimize bilgi vermesini ve bandrolsüz yayınlarısatın almamasını diliyoruz.

1. Baskı: Aralık 2016, Ankara

Yayın-Proje: Şafak TangıçDizgi-Grafik Tasarım: Pegem Akademi

Kapak Tasarımı: Pegem Akademi

Baskı: Ay-bay Kırtasiye İnşaat Gıda Pazarlama ve Ticaret Limited Şirketi

Çetinemeç bulvarı 1314.Cadde No:37A-B

Yayıncı Sertifika No: 14749 Matbaa Sertifika No: 33365

İletişim

Karanfil 2 Sokak No: 45 Kızılay / ANKARAYayınevi 0312 430 67 50 - 430 67 51

Yayınevi Belgeç: 0312 435 44 60Dağıtım: 0312 434 54 24 - 434 54 08

Dağıtım Belgeç: 0312 431 37 38Hazırlık Kursları: 0312 419 05 60

İnternet: www.pegem.netE-ileti: pegem@pegem.net

Oğullarımız Türker ve Türkay İçin…

ÖN SÖZ

İnsanlığın teknolojik gelişiminde temel bilimlerin ve bunlar içinde fiziğin büyük bir yeri olduğu açıktır. Özellikle on yedinci ve yirminci yüzyıllar arası dö-nemde fizikte görülen gelişmelerle yeni buluşların ortaya koyulduğu ve o dönem buluşlarıyla birlikte insanlığın düşünce tarzının ve sosyal yaşamının yeniden şe-killendiği ifade edilebilir. O dönemde yürütülen çalışmalarla başta madde, elektrik ve ışığın doğası olmak üzere pek çok olguya/kavrama açıklık getirilmeye çalışıl-mış ve o süreçte edinilen bilgilerle ısınma, haberleşme, ulaşım gibi alanlarda ha-len kullanılabilen teknolojilerin temelleri atılmıştır. Kısa bir dönem olarak kabul edilebilecek on yedinci ve yirminci yüzyıllar arası süreçte fizik biliminde oldukça hızlı gelişmelerin olduğu ve bir bireyin makro dünyasına ilişkin bilinmeyenlerin pek çoğunun anlaşılır kılındığı ortadadır.

Fiziğin yirminci yüzyılın başlarında mağrur bir duruş sergilemesinin yanı sıra açıklık getiremediği mikro dünyaya dair gelişmeler karşısındaki yetersizliği merak dolu yeni araştırmalara ve bakış açılarına zemin oluşturmuştur. Çok geç-meden yeni bir bakış açısı ileri sürülmüş ve fizik yirminci yüzyılın başlarından günümüze, mikro dünya da dâhil, bilgilerini daha hızlı ve derinlemesine ilerlet-miştir. Elde edilen yeni bilgilerle birlikte fiziğin sosyal yaşamımızdaki etkinliği daha da artmıştır. Hatta yeni fizik bilgileri, düşünce tarzımızı bir kez daha geniş-letmemizi sağlamıştır.

Fizik, günümüzde temel kabulleri, yansımaları ve ilerleme dönemlerini içere-cek şekilde ‘klasik fizik’ ve ‘modern fizik’ olarak kategorize edilir. Böylelikle fizikte ulaşılan bilgilere anlam yükleme kolaylaşır. Hazırlanan bu ders kitabında, fen bi-limleri ile fizik öğretmen ve öğretmen adayları için klasik fizikten modern fiziğe geçiş, aralarındaki ilişki ve modern fiziğin temel bazı konuları sunulmuştur. Kita-bın hazırlanmasında yaşam temelli yaklaşım ve çözümlü problemlere yer verme esas alınmıştır.

Yaşam temelli yaklaşımla, öğrencilerin bu ders kitabında incelenen konula-rın, dolayısıyla fiziğin, günlük yaşamımızın içindeki yerini fark etmeleri, ‘Bu ko-nuları niçin öğreniyoruz? Bu bilgiler ne işimize yarayacak?’ vb. şeklindeki sorulara cevap bulmaları (hatta gerektiğinde ilişkilendirmeler yaparak cevaplayabilmeleri) ve fiziğe karşı olumlu tutum geliştirmeleri hedeflenmiştir. Bu anlamda kitabın bölümleri, öğrenenlerin günlük yaşamlarında ismini duydukları bir bilim insanı-nın veya karşılaşabilecekleri teknolojik bir cihazın betimlenmesini içeren okuma metinleriyle başlamaktadır. Böylelikle öğrenenlerin bölüm konularının içeriğine odaklanmaları ve okuma metninde incelenen kişinin söylemlerine veya incelen

cihazın çalışma prensibiyle ilişkili fizik bilgilerini edinmeleri, yani kavramsal öğrenmelerini derinlemesine gerçekleştirmeleri, düşünülmüştür. Ayrıca bölüm içerisinde günlük yaşamdan farklı örneklerle konular bir kez daha yaşam temelli olarak desteklenmiştir.

Kitabın yazılmasında planlanan diğer bir yaklaşımsa konuların çok sayıda çözümlü örnek sorularla desteklenmiş olmasıdır. Bu şekilde öğrenenlerin incele-nen konuların özellikle işlemsel bilgilerinin pekiştirilmesi düşünülmüştür. Bölüm sonu sorularındaysa tamamlayıcı nitelikte ölçme-değerlendirme sorularına yer verilmiştir.

Alan yazına yeni bir heyecan getirmesi dileklerimizle…

ARALIK-2016 KASTAMONU

İÇİNDEKİLER

1. BÖLÜM KLASİK FİZİK - MODERN FİZİK AYRIMI .................................................................. 1

ISAAC NEWTON ........................................................................................................... 2HAZIRLIK SORULARI .................................................................................................. 31.1. Giriş ........................................................................................................................... 41.2. Klasik ve Modern Fizik Sını�andırması ............................................................... 6BÖLÜM SONU SORULARI .......................................................................................... 9

2. BÖLÜM ÖZEL GÖRELİLİK TEORİSİ .......................................................................................... 11

KÜRESEL YER BELİRLEME SİSTEMİ ..................................................................... 12HAZIRLIK SORULARI ................................................................................................ 142.1. Giriş ......................................................................................................................... 162.2. Galileo’nun Görelilik İlkesi ................................................................................... 172.3. Einstein’ın Görelilik İlkesi ..................................................................................... 242.4. Zaman Genleşmesi ................................................................................................ 282.5. Uzunluk Büzülmesi................................................................................................ 342.6. Lorentz Dönüşümleri ............................................................................................ 38POZİTRON EMİSYON TOMOGRAFİSİ ................................................................. 44HAZIRLIK SORULARI ................................................................................................ 462.7. Göreli Momentum ve Enerji ................................................................................. 47BÖLÜM SONU SORULARI ........................................................................................ 54

3. BÖLÜM MODERN FİZİĞE DOĞRU ............................................................................................ 63

KIZIL ÖTESİ ATEŞ ÖLÇER ........................................................................................ 64HAZIRLIK SORULARI ................................................................................................ 653.1. Giriş ..................................................................................................................... 673.2. Madde, Elektrik ve Işık ......................................................................................... 67 3.2.1. Dalton Atom Modeli ................................................................................... 67 3.2.2. Maddenin Temel Bileşenleri ve Elektroliz Deneyi .................................. 68 3.2.3. Elektronun Keşfi .......................................................................................... 71 3.2.4. �omson Atom Modeli ............................................................................. 71

3.2.5. Yağ Damlası Deneyi ................................................................................... 72 3.2.6. Çekirdeğin Keşfi .......................................................................................... 73 3.2.7. Rutherford Atom Modeli ........................................................................... 74 3.2.8. Siyah Cisim Işıması ..................................................................................... 77 3.2.9. Fotoelektrik Olayı ....................................................................................... 80BÖLÜM SONU SORULARI ........................................................................................ 90

4. BÖLÜM MODERN FİZİĞE GİRİŞ ................................................................................................. 97

UZAKTAN KUMANDALAR ..................................................................................... 98HAZIRLIK SORULARI ..............................................................................................1004.1. Giriş .......................................................................................................................1024.2. Kuant Kavramı .....................................................................................................1024.3. Fotoelektrik Olayına İlişkin Einstein’ın Açıklaması ........................................1034.4. Bohr Atom Modeli ..............................................................................................1124.5. Compton Olayı ....................................................................................................1214.6. de Broglie Hipotezi (Parçacığın Dalga Özelliği) .............................................1244.7. Belirsizlik İlkesi ....................................................................................................1264.8. Modern Atom Teorisi .........................................................................................129 4.8.1. Baş Kuantum Sayısı (n) ............................................................................130 4.8.2. Orbital Kuantum Sayısı (l) .......................................................................131 4.8.3. Manyetik Kuantum Sayısı (ml) ...............................................................132 4.8.4. Spin Kuantum Sayısı (ms) ........................................................................133 4.8.5. Elektron Dizilişi .........................................................................................134BÖLÜM SONU SORULARI ......................................................................................137

5. BÖLÜM MODERN FİZİKTE BAZI TEMEL KONULAR ........................................................143

TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU .............................................................144HAZIRLIK SORULARI ..............................................................................................1465.1. Giriş .......................................................................................................................1475.2. Atomun Uyarılması .............................................................................................1475.3. Uyarılan Atomun Işıması ....................................................................................1515.4. Floresans ve Fosforesans ....................................................................................1535.5. Lazerler ..................................................................................................................154

viii M F

5.6. Çekirdeğin Özellikleri .........................................................................................1615.7. Radyoaktivite ........................................................................................................165 5.7.1. Alfa (a) Bozunumu ...................................................................................166 5.7.2. Beta (b) Bozunumu ..................................................................................167 5.7.3. Gamma (g) Bozunumu .............................................................................1695.8. Radyoaktif Bozunma Kanunu ............................................................................1725.9. Çekirdek Reaksiyonları .......................................................................................176 5.9.1. Fisyon (Çekirdek Parçalanması/Bölünmesi) .........................................176 5.9.2. Füzyon (Çekirdek Kaynaşması) ...............................................................178BÖLÜM SONU SORULARI ......................................................................................180

KAYNAKLAR ..............................................................................................................185EKLER ..........................................................................................................................190ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................191İLETİŞİM BİLGİLERİ ................................................................................................192

indekiler ix

Bu bölüm kapsamında genelde klasik fizik ve modern fizik sınıflandırmasını, özelde ise fiziğin uğraş alanı, son beş asırdaki

gelişimi ve alt branşları hakkında bilgiler edinmeniz hedeflenmektedir. Edineceğiniz bilgiler, ilerleyen bölümlerle ilgili temel bir bakış açısı

geliştirmenizi sağlaması açısından önemlidir.

1. BÖLÜM

Klasik Fizik - Modern Fizik Ayrımı

ISAAC NEWTON

Isaac Newton (1642 –1727) İngiliz bilim insanıdır. 1667'de Trinity Kollej’inde öğretim üyeliğine, 1669'da (27 yaşında) Cambridge üniversitesinde matema-tik profesörlüğüne getirilmiştir. Diferansiyel ve integral hesabı, beyaz ışığın renklerine ayrıştırılması, hareket ilk çalışma konularını oluşturdu. Önemli bir bilim insanı olarak kabul edilen Newton, matematik ve fizikte çok önemli buluşlar ortaya koydu. Hareket üzerine yaptığı çalışmalarıyla fiziğe önem-li katkılar sundu. Merkezkaç kuvvetiyle Kepler yasalarını birleştirerek kütle çekim yasasını, eylemsizlik yasasını, kuvvet-kütle-ivme arasındaki ilişkiyi or-taya koyduğu temel hareket yasasını ve etki ile tepki kuvvetlerinin eşitliğini ortaya koyması fiziğe en önemli katkılarıdır. 1687’de Doğa Felsefesinin Mate-matiksel İlkeleri (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) adlı kitabı-nı yayınlayarak klasik mekaniğin temelini oluşturdu. Kitabında Galileo’nun deneylerine dair görüşlerini, Keppler kanunlarının matematiksel ispatını, hareket yasalarını ve akışkan içindeki hareketleri inceledi. Bu kitap bilinen en önemli bilimsel kitaplardan biridir. Bu çalışmasında sunduğu görüşleriyle 17-19. yüzyıllarda bilim dünyasına egemen oldu. Optik (The Optics) (1704) adlı kitabında yansıma-kırınım hesapları, gökkuşağının renkleri, beyaz ışığın tayfın renklerine ayrılması, merceklerle görüntü oluşumu, gözün çalışması, teleskop yapımı gibi konuları çalışmıştır.

2 M F

HAZIRLIK SORULARI

1. Klasik ve modern kelimelerinin anlamlarını açıklayınız.

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

2. Nedensellik ilkesini açıklayınız.

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

3. Determinizm nedir? Tartışınız.

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

4. Fizik bilgisi ne demektir? Açıklayınız.

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

5. Fiziğin alt bilim dalları nelerdir?

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

Klasik Fizik - Modern Fizik Ayrımı 3

1.1. Giriş

Bilim, yakın ve/veya uzak çevrenin sistematik bir şekilde incelenmesi ve so-nuçta ortaya konan ürünleri de kapsayan entelektüel ve pratik çalışmaların bütü-nüdür. Bilim felsefe, astronomi, kimya, fizik gibi farklı bilim dallarından oluşur. Fizik, maddenin uzay-zamandaki hareketini ve madde-enerji etkileşimlerini sis-tematik şekilde inceleyen bilim dalıdır. Fizik bilgisiyse, maddenin uzay-zamanda-ki hareketini ve madde-enerji etkileşimlerini anlama ve evrenin geleceğine ilişkin öngörülerde bulunma gayretleri kapsamında ortaya konan teorileri, modelleri ve kavramları ve bunların aralarındaki ilişkiyi ifade eder. Fizik ve fizik bilgisiyle ilgili Şekil 1.1’de sunulan kavram haritasını inceleyiniz.

Madde-enerjietkileşimini

Kavramları

Modelleri

Teorileri

Fizik bilgisi

Fizik

Evrenin geleceğiyleilgili görüşleri

Maddenin uzayzamandaki hareketini

inceler

üretir açıklar / içerir / kapsaraçıklar / içerir / kapsar

Şekil 1.1. Fizik-fizik bilgisi ilişkisine ait kavram haritası

Fizikle ilgili ilk yazılı-sistematik bilgilerimizi I. Newton’un 1687 yılında ya-yınladığı Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri (Philosophiæ Naturalis Prin-cipia Mathematica) adlı eserine dayandırabiliriz. G. Galileo ve J. Kepler’in çalış-malarının temel alındığı bu kitapta Newton kendi adıyla bilinen hareketin temel ilkelerini ve kütle çekim yasasını tanımlamıştır. Newton aslında bu çalışmasıyla yeryüzündeki ve gökyüzündeki fizik yasalarının aynı olduğunu göstermiştir. 19. yüzyıl sonlarına kadar olan süreçte Newton’un ortaya koyduğu bilgiler, fiziğin te-mel direklerinden biri olarak görülmüştür. Bu dönem kapsamında, M. Faraday’ın manyetizma ile ilgili çalışmaları ve J. C. Maxwell birbirleriyle ilişkisiz olarak bili-nen elektrik ve manyetizmayı matematiksel olarak birleştiren denklemleri ortaya konulmuştur. Maxwell’in ortaya koyduğu denklemlerle, bilinen denklem ve ya-salar birleştirilmiş ve bu bilgilerle Newton’un ortaya koydukları fiziğin iki temel direği olarak algılanmıştır.

4 M F