Süper İletkenlik

Elektronun kesfinin ortaya çikardigi en önemli sonuçlardan birisi süper iletkenligin bulunmasidir. Elektron , 19. yüzyilin ortalarinda, Ingiltere’nin degisik yerlerini gezerek bilimsel konferanslar veren bazi kisiler, bugünkü neon lambalarinin atasi sayilabilecek bir tür tüp ile dinleyicileri eglendiriyorlardi. Ellerindeki cam tüplerin içindeki havanin büyük kismi bosaltilmis, iki ucuna elektrodlar yerlestirilmis ve bunlarin uçlarina da teller baglanmisti. Bu tellere yüksek gerilim verildiginde tüpün içinde harika renk desenleri olusuyordu. Aslinda bu ilginç tüplerle ilgili çalismalarin baslangici 19. yüzyilin baslarinda Michael Faraday’in çalismalarina kadar uzaniyor. Faraday bu garip tüplerle, gazlarda elektriksel yük bosalimini incelerken bir isima gözlemis ve bundan, tüpteki havanin bosaltilmasinin bir pariltiya neden oldugu sonucunu çikarmisti.
Tüpün yakinina bir miknatis getirip yük bosalimi sirasinda ne olacagina bakmayi ilk kez 1858’de Julius Plücker (1801-1868) akil etmisti. Miknatis, yük bosaliminda sapma olusturuyordu. Daha sonra yaptigi çalismalarda tüpün katodu yakinlarinda parlak yesil bir isinim görmüs ve miknatis kullanarak bu isik lekelerinin yerini degistirmeyi basarmisti. Fakat tüpün havasini yeterince bosaltamadigi için daha ileri gidememisti. 1869’da Plücker’in ögrencisi Johann Hittorf (1824-1914) daha basarili oldu. Çünkü aradaki yillar civali pompalarin kullanilmasina olanak saglayacak ve tüp böylece daha iyi bosaltilabilecekti. Hittorf, katotun karsisina yerlestirilen bir nesnenin gölgesini elde etmis ve bundan da yük bosaliminin katottan kaynaklandigi sonucunu çikarmisti. “Kathodenstrahlen” yani “katot isinlari” adi 1876’da E. Goldstein (1859-1930) tarafindan kondu. 1879’da William Crookes, kendi buldugu daha gelismis bir pompa ile bosalttigi tüplerdeki katot isinlarinin sistematik incelemesini yapti.
Tüm bu çalismalar sonucunda ortaya çikan; katot isinlarinin havasi iyice alinmis bir tüpün katodundan geldigi, tüpün karsi duvarina çarpip orayi isittigi, önlerine çikan nesnelerin keskin gölgeler vermesinden açikca düz dogrultuda ilerledigi ve kimse emin olmasa da, miknatis tarafindan saptirildigiydi...
Peki bu isinlar ne olabilirdi? O zaman yaygin olan bir görüse göre, bu isinlar isigin hareket etmesi için gerekli ortam olarak kabul edilen ve “eter” adi verilen görünmez akiskanda hareket ediyordu; dolayisiyla bu isinlar isik dalgalariyla benzer olabilirdi. Diger olasilik ise bunlarin isik gibi dalga degil, parçacik olduklariydi. Bu konu fizikçileri “dalga mi parçacik mi” tartismasina sürüklemisti. Ilginç olan bu tartismanin ulusal sinirlarla kamplara ayrilmis gibi görünmesiydi. 1892’de Heinrich Hertz, deneysel kanitlariyla, katot isinlarinin parçacik olamayacaklarini, dalga olmalari gerektigini savundu. Gustav Heinrich Wiedemann (1826-1899), Goldstein ve tüm Alman fizikçilerinin görüsü de bu yöndeydi. Ancak Ingiltere’de Crookes, bu isinlarin elektrik yüklü parçaciklar oldugunda israr ediyordu. Kelvin, J.J. Thomson ve diger tüm Ingiliz fizikçiler de bu görüsü desteklediler. Kisacasi Alman fizikçiler “dalga”, Ingiliz fizikçiler ise “parçacik” diyorlardi.
Bu belirsizligi çözmek için daha güvenilir deneylere gereksinim vardi. Camin kenarina miknatis yaklastirildiginda isinlarin saptigi biliniyordu; yani isinlar manyetik alandan etkileniyordu. Ancak, Heinrich Hertz, katot isinlari tüpünün içinde metal plakalar yardimiyla olusturdugu elektrik alandan bu isinlari geçirdiginde bir sapma gözlememisti, yani elektrik alandan etkilenmiyor ve elektriksel olarak yüksüz gibi davraniyorlardi. Hertz ve ögrencisi Philip Lennard, bu isinlarin yolu üzerine ince bir metal folyo yerlestirdiler ve camin hâlâ parildadigini gözlediler; isinlar folyodan geçiyorlardi! Bu da isinlarin dalga olmasi gerektigi savini dogruluyordu. Fakat baska bazi deneyler bunlarin parçacik oldugu yönündeki süpheleri destekliyordu. Örnegin Fransa’da Jean Perrin katot isinlarini eksi yüklü olduklarinin deneysel olarak kanitlamisti. Perrin, iyi bosaltilmis bir tüpte ürettigi katot isinlarini Faraday kafesine gönderdi ve eksi yük tasidiklarini gösterdi. Bir miknatisla saptirilabiliyor ve miknatisin hareketine bagli olarak yönlendirilebiliyordu. 1897 yilinin ocak ayinda, Almanya’da Emil Wiechert, sasirtici bir ölçüm yapti. Bu isinlarin yüklerinin kütlelerine oranini ölçtü ve bu oranin en küçük yüklü atomunkinden binlerce kat daha az oldugunu belirledi. Bu sonucu degerlendiren Lennard’a göre bu isinlar eger parçaciksa kütleleri çok küçük olmaliydi. Iste tam bu siralarda, Thomson da Cavendish’te bu garip isinlarla ugrasmaktaydi... Katot isinlari ile ilgili tüm çalismalari dikkatle izleyen Thomson, bazi eski deneyleri daha dikkatli olarak tekrar yapti. Ancak verileri biraraya getirdiginde çarpici bir sonuç onu bekliyordu: Katot isinlari yalnizca siradan parçaciklar degil, aslinda o zamana dek bölünemez oldugu düsünülen atomun yapi taslariydi, yani evrendeki tüm maddenin uzun süredir aranan temel birimi...
Thomson’a göre atom, maddenin temel yapitasi degildi; atomun kendisi de küçük temel ögelerden olusuyordu. Thomson, katot isinlarinin, atomlarin bu çok küçük parçaciklarinin akisi gibi düsünülebilecegini iddia ediyordu. Yaptigi üç önemli deney onu bu sonuca götürmüstü.
Bu deneylerden ilkinde Thomson, Perrin’in 1895 yilinda yaptigi deneyi biraz farkli olarak yineledi. Thomson, uçlarinda, birer çift yariga sahip metal silindirler bulunan bir katot isinlari tüpü yapti. Bu silindirler, elektrik yüklerini yakalayip ölçmeye yarayan bir elektrometreye baglanmislardi. Thomson, isinlari bir miknatis yardimiyla saptirarak yükü bu isinlardan ayirabilecegini görmek istiyordu. Isinlar, silindirlerdeki yariga girdiklerinde elektrometre çok büyük miktarda eksi elektrik yükü ölçüyor, fakat miknatis tarafindan saptirildiktan sonra, diger uçtaki silindirde elektrometre hiç eletrik yükü ölçmüyordu, yani hiç bir yük bu uçtaki yariga ulasmiyordu. Her nasilsa, eksi elektrik yükleri ve katot isinlari birbirlerine yapisiyor ve bunlari birbirlerinden ayirmak mümkün olmuyordu.
Daha önce yapilan deneylerde, elektrik alaninda katot isinlari saptirilamamisti. Fakat Thomson simdi yeni bir yaklasim öne sürüyordu. Normalde, yüklü bir parçacik elektrik alaninin içinde hareket ederse sapar, fakat etrafi bir iletkenle çevriliyse bu olmaz. Thomson bundan hareketle, tüpte kalan az miktardaki gazin katot isinlari tarafindan elektriksel iletkene dönüstürüldügünü, yüklerin bu nedenle elektrik alanda sapmadigini düsündü. Bunu denemek için, tüpteki gazin tamamini bosaltmaya çalisti ve böylece katot isinlarinin elektrik alanda da saptiklarini gözledi.
Thomson bu iki deneyinin sonuçlarini söyle bildiriyordu: “Katot isinlarinin madde parçaciklar tarafindan tasinan eksi elektrik yükleri oldugunu kabul etmekten kaçis olmadigini gördüm”. Ve onu sonuca götürecek sorularla devam ediyordu: “Bu parçaciklar neydi? Atom mu, molekül mü yoksa maddenin daha küçük birer parçasi mi?” Thomson’un üçüncü deneyi, bu parçaciklarin temel özelliklerini belirlemenin yolunu bulmak içindi. Herhangi bir parçacigin dogrudan kütlesini ya da elektriksel yükünü ölçemese de, manyetik alanda isinlarin ne kadarinin saptigini ve ne kadar enerji tasidiklarini ölçebiliyordu. Iste bu veriler yardimiyla bir parçacigin yükünün kütlesine oranini hesapladi. Bunu farkli gazlarin kullanildigi çok sayida tüp kullanarak tekrarladi.

Sonuçlar son derece sasirticiydi. Bir yil önce Emil Wiechert’in söyledigi gibi, katot isinlarinin yük/kütle orani, yüklü bir hidrojen atomunun yük/kütle oranindan birkaç bin kez daha küçüktü. Buna göre, ya katot isinlarinin yükü yüklü bir atoma oranla çok fazlaydi ya da bu isinlar yüküne göre sasirtici derecede hafifti.

Bu olasiliklardan hangisinin dogru oldugu Philip Lennard tarafindan açikliga kavusturuldu. Lennard, katot isinlarinin gaza nasil nüfuz ettigini denerken, herhangi bir atomun kütlesinden çok daha küçük kütleye sahip parçaciklar olduklarini gösterdi. Kanit o siralar kesinlikten uzakti, ancak daha sonralari yapilan deneyler bu sonucu kesinlestirdi.
Thomson varsayimini açik olarak söyle ifade ediyordu: “Katot isinlari sözkonusu oldugunda, maddenin yeni bir haliyle karsi karsiya kaliyoruz. Öyle bir hal ki, madde, siradan gaz haline göre çok daha ileri asamalarina kadar alt bilesenlerine indirgenebiliyor. Böylece, tüm kimyasal elementlerin yapilmis olduklari, tek tip bir alt bilesenle yüz yüze kaliyoruz
Thomson, 1897 yilinda yaptigi bu deneylere dayanarak katot isinlari ile ilgili 3 önemli varsayim ileri sürdü:
1. Katot isinlari yüklü parçaciklardir. (Bu parçaciklara “korpüskül” diyordu)
2. Bu korpüsküller atomun yapitaslaridir.
3. Bu korpüsküller yalnizca atomun yapitaslaridir.
Thomson’un bu varsayimlarina ilk basta süpheyle yaklasildi. Özellikle ikinci ve üçüncü varsayimlar çok tartismaliydi. Bunu yillar sonra Thomson söyle anlatiyordu: “Baslarda, atomlardan daha küçük bu gibi cisimlerin varligina inanan pek az insan vardi. Hatta, verdigim bir konferansin izleyicileri arasinda bulunan ünlü bir fizikçi sonradan bana ‘Bizimle dalga geçiyormussunuz gibi geldi’ demisti”.
Bu ‘korpüsküller’e kisa bir süre sonra yeni bir isim yakistirildi: “Elektron”. Bu sözcük ilk kez 1891 yilinda G. Johnstone Stoney tarafindan kullanilmisti. Stoney “elektron”u, bazi kimyasal maddelerden elektrik akimi geçirdigi deneylerinde buldugu yük birimine isim olarak yakistirmisti. Terimi bu anlamda ilk kez Thomson’un Cambridge’deki sinif arkadasi Joseph Larmor kullanmisti. Larmor, elektronu eter içinde bir olgu olarak tanimladigi bir de teori ortaya atmisti. Fakat teorisi, elektronu atomun bir parçasi olarak tanimlamiyordu. 1897 yilinda ise Irlandali fizikçi George Francis FitzGerald, Thomson’un parçaciklarinin (korpüsküllerinin) gerçekten “serbest elektronlar” oldugunu öneriyor, fakat bunu Thomson’un degil Larmor’un teorisiyle açikliyordu.
Daha sonralari anlamlarindaki ufak tefek degisiklerle birlikte, Thomson’un ikinci ve üçüncü varsayimlari da kabul gördü. Thomson, Lennard ve baskalarinin 1897 yili boyunca yaptigi deneyler bazi belirsizlikleri ortadan kaldirmaya yeterli olmadi. Fakat izleyen yillar boyunca yapilan baska deneyler tam olarak her seyi açikliyordu. Ve atom fiilen olmasa da teorik olarak bölünüyordu!..
Atomun maddenin temel yapitasi olmayip onu olusturan daha temel birimlerin ortaya çikmasi, atom hakkinda yeni teoriler gelistirmeyi gerekli kiliyordu. Thomson’un dedigi gibi atomlar yalnizca elektronlardan olusuyorsa, bu parçaciklar atomu nasil olusturuyordu? Thomson bunun için bir atom modeli öne sürdü: Thomson’a göre atom, binlerce minik eksi elektrik yüklü parçacigin, kütlesiz bir arti yük bulutunun içinde kümelendigi bir yapiydi. Bu modele “üzümlü kek” adini vermisti. Bir süre sonra bu teorinin yanlis oldugu kendi ögrencisi olan Ernest Rutherford tarafindan gösterildi. Rutherford, farkli parçacik demetleri kullanarak, atomun küçük bir çekirdege sahip olduguna iliskin kanitlar buldu. Rutherford, atomun Günes Sistemi’nin küçük bir benzeri oldugunu, yani ortada arti yüklü çekirdek ve etrafini çevreleyen birkaç elektrondan olustugunu öne sürdü. Bu çekirdegin proton ve nötron adi verilen ve elektronlardan çok daha agir olan parçaciklardan olustugu sonradan ortaya çikti

Süperiletkenlik

Elektronun kesfinin ortaya çikardigi en önemli sonuçlardan birisi süperiletkenligin bulunmasidir. Elektrik akimi, yani elektronlarin akisi, iletken kablolar yardimiyla saglanir. Fakat bu metal kablolarin elektriksel dirençleri vardir ve akimin telden akmasi sirasinda bu direnç nedeniyle enerjilerinin bir kismi atik isiya dönüsür. Süperiletken malzemelerde ise neredeyse hiç elektriksel direnç yoktur. Dolayisiyla elektrik akimi bir süperiletkenden hiç enerji kaybina ugramadan akabilir.

Süperiletkenligin kesfi yüzyilimizin baslarinda oldu. Danimarkali fizikçi Kamerlingh Onnes 1908 yilinda mutlak sifirin birkaç derece üstündeki sicakliklarda civanin elektriksel direncini ölçerken 4,2 °K’de direncin aniden sifira gittigini gözledi. Daha sonralari, bu mükemmel iletkenlige keskin geçisin baska metal ve alasimlarda da oldugu bulundu ve bu olguya süperiletkenlik adi verildi.

Bir metal, özelliklerine bagli olarak degisen ve geçis sicakligi adi verilen belli bir sicaklikta süperiletken hale gelir. Örnegin çinko için bu sicaklik 0,88 °K iken kursun için 7,2 °K dir.
Süperiletkenlik olgusu elektronlarin davranisiyla belirlenir: Süperiletken bir metalin kristal örgüsündeki serbest elektronlarin, civarlarindaki pozitif iyonlarla etkilesmeleri örgüde kusurlara neden olur. Bunun sonucunda, normalde birbirlerini itmesi gereken elektronlar arasinda dolayli bir çekim kuvveti, dolayisiyla metal içinde elektron çiftleri olusur. “Cooper Çftleri” adi verilen bu elektron çiftlerinin saçilma ile birbirlerinden ayrilmalari zordur. Üstelik bu çiftlerin saçilmayi önleyici kuantum özellikleri de vardir. Bu çiftler süperiletkenligin sorumlusudur. Çünkü metallerde elektriksel iletkenlik temelde saçilmaya baglidir; ne kadar az sayida saçilma olursa metal elektriksel olarak o kadar iyi iletken hale gelir.
Süperiletkenlik olgusunun kuramsal olarak açiklanmasi yüzyilimizin ortalarinda John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer isimli üç Amerikali fizikçi tarafindan yapildi ve bu çalismalari onlara Nobel ödülü kazandirdi.

CAM-SERAMIK SÜPERILETKEN SISTEMINE KÜÇÜK YARIÇAPLI IYONLARIN KATILMASI VE SISTEMIN FIZIKSEL VE ELEKTRIKSEL ÖZELLIKLERINE ETKILERININ INCELENMESI

Süperiletkenlikte temel amaç geçis sicakligi Tc yi yukariya çekmektir. Bu nedenle Süperiletken sistemlere farkli elementler ilave edilmekte veya daha degisik kompozisyonlar hazirlanmaktadir.
Bu çalismada, cam-seramik yöntemi kullanilarak nominal kompozisyonu
Bi2-xGaxSr2Ca2Cu3O10+y ve Bi2-xZnxSr2Ca2Cu3O10+y (x=0.2, 0.4, 0.6, 0.8 ve 1.0) olan numuneler hazirlandi. Elde edilen amorf örnekler farkli periyotlarda ve sicaklikta isil isleme tabi tutuldu. Isil islem süresince meydana gelen mikroyapisal degisiklikler diferansiyel termal analiz (DTA), X-isinlari analizi (XRD), taramali elektron mikroskobu (SEM) ve direnç-sicaklik ölçümleri (R-T) ile analiz edildi. Analiz sonuçlari galyum katilan sistemin kristal yapisinda bir degisim oldugunu ve buna paralel olarak ta Süperiletken özelliginin azaldigini ortaya koymustur. Çinko katilan sistemde ise kristal yapida önemli bir degisiklik olmamakla birlikte Süperiletkenlik özelliginde azda olsa bir degisme ortaya koymustur.
Her iki katilma için BiSrCaCuO sisteminin üç fazi da, n=1, n=2 ve n=3, elde edilmistir. Özellikle katki miktari arttikça n=1 fazina dogru degisim olmustur.
Cam olarak elde edilen her iki sistemin kristallesme aktivasyon enerjileri de hesaplanmis ve degerler 260 ile 336 kJ/mol. olarak bulunmustur.
Sonuç olarak Bi iyonundan daha küçük yariçapli Ga ve Zn iyonlarinin
BiSrCaCuO sistemine katilmasi sistemin Süperiletkenlikgini olumsuz etkilemistir.
Suan bilimdeki son gelismeler olarak

Süperiletken plastik :

Elektrik iletebilen ilk plastigi gelistiren Bell Laboratuari mühendisleri yeni bir süper iletken yaratti ASSOCIATED PRESS9 Mart Amerikali bilim adamlarinin, hiçbir dirençle karsilasmadan elektrik iletebilen ilk plastigi yarattigi belirtildi. Bell Laboratuarlari’nda gerçeklestirilen çalisma, bagimsiz uzmanlarca saskinlik verici bir gelisme olarak nitelendirildi. Yeni çalismalara isik tutmasi beklenen arastirma, uzun vadede, kuantum mekanigi tabanli ultra hizli bilesenler için, plastik bilesenlerin üretilmesine yol açabilir. Süperiletken özelligine sahip plastik, Bell Laboratuarlari’nda Bertram Batlogg ve ekibi tarafindan gelistirildi. Ancak, plastigin süperiletken özelligini sadece - 455 Fahrenheit ya da yaklasik - 270 santigrad dereceye sogutuldugu zaman kazandigina dikkat çeken arastirmacilar, plastigin pratik kullaniminin halen uzak bir ihtimal olarak gözüktügünü söyledi.
Bilim adamlarinin bundan önceki karbon tabanli polimerleri Süperiletkenlere çevirme girisimleri basarisizlikla sonuçlanmisti. Polimerlerinin çogu daginik bir atom yapisina sahip oldugu için direnç olusturarak, elektronlarin akisini engelliyor.
Bell Laboratuarlari’ndaki deneyde ise arastirmacilar, politiopen (polythiophene) adi verilen bir plastik kullandi.
Bu polimeri içeren bir çözelti hazirlanarak, alüminyum oksit ve altindan olusan katmanin üzerine ince bir film tabakasi halinde püskürtüldü. Metal ve plastikten olusan bu katmanlar tarafindan yaratilan elektrik alani, hiç bozulmadan elektronlari çekti.