Fizik, maddeyi, maddenin uzay-zaman içinde hareketini, enerji ve kuvvetleri inceleyen doğa bilimi. Fizik, Temel Bilimler'den biridir. Temel amacı evrenin işleyişini araştırmaktır. Fizik en eski bilim dallarından biridir. 16. yüzyıldan bu yana kendi sınırlarını çizmiş modern bir bilim olmasına karşın, Bilimsel Devrim'den önce iki bin sene boyunca felsefe, kimya, matematik ve biyolojinin belirli alt dalları ile eş anlamlı olarak kullanılmıştır. Buna karşın, matematiksel fizik ve kuantum kimyası gibi alanlardan dolayı fiziğin sınırlarını net olarak belirlemek güçtür.
Hidrojen, sembolü H, atom numarası 1 olan kimyasal bir element. Standart sıcaklık ve basınç altında renksiz, kokusuz, metalik olmayan, tatsız, oldukça yanıcı ve H2 olarak bulunan bir diatomik gazdır. 1,00794 g/mol'lük atomik kütlesi ile tüm elementler arasında en hafif olanıdır. Periyodik cetvelin sol üst köşesinde yer alır. Hidrojenin adı, Yunancada "su oluşturan" anlamına gelen ὑδρογόνο'dan (idrogono) kelimesinden gelir.
Radyoaktivite, radyoaktiflik, ışınetkinlik veya nükleer bozunma; atom çekirdeğinin, daha küçük çekirdekler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasıdır. Çekirdek tepkimesi sırasında veya çekirdeğin bozunması ile ortaya çıkar. En yaygın ışımalar alfa(α), beta(β) ve gamma(γ) ışımalarıdır. Bir maddenin radyoaktivitesi bekerel veya curie ile ölçülür.
Fizik mühendisliğinin konusu, doğadaki maddelerin yapısını ve aralarındaki etkileşimi inceleyen fizik bilimi bulgularının uygulama alanına dönüştürülmesi ile ilgilidir.
Fisyon, kütle numarası çok büyük bir atom çekirdeğinin parçalanarak kütle numarası küçük iki veya daha fazla çekirdeğe dönüşmesi olayıdır. Fisyon reaksiyonlarında radyoaktif elementler kullanılır ve tepkimeler için bir ilk enerjiye ihtiyaç vardır. Reaksiyon sonucunda kararsız çekirdekler ve nötron oluşur. Oluşan nötronların her biri yeni bir uranyum atomu ile tepkimeye girer. Bu esnada açığa çıkan nötronlar ortamdan uzaklaştırılmazsa tepkime zincirleme olarak devam eder.
Nükleer enerji mühendisliği, nükleer fizik ve radyasyonun madde ile etkileşimi ilkelerine dayalı olarak atomun çekirdeği üzerine pratik uygulamalar yapan bir bilim dalıdır. Bu mühendislik alanında çalışmalar genel olarak nükleer santrallerin ve reaktörlerin, kısacası nükleer fisyon sistemlerinin ve alt elemanlarının tasarımı, analizi, geliştirilmesi, bakımı, test edilmesi, modellenmesi, inşaatı, işletmeye alınması ve sökülmesi gibi konular üzerinde yoğunlaşmıştır. Nükleer enerji mühendisliği kapsamında aynı zamanda nükleer füzyon, radyasyonun tıbbi uygulamaları, nükleer güvenlik, ısı transferi, nükleer yakıt teknolojisi, nükleer verimlilik, radyoaktif atıklar, atom bombaları ve radyoaktivitenin çevreye olan etkileri üzerine çalışmalar çok yaygın bir şekilde bulunmaktadır. Türkiye'de nükleer enerji mühendisliği dalında lisans eğitimi veren kuruluşlar Hacettepe Üniversitesi ve Sinop Üniversitesi'dir.
Nötron, sembolü n veya n⁰ olan, bir atomaltı ve nötr bir parçacıktır. Proton ile birlikte, atomun çekirdeğini meydana getirir. Bir yukarı ve iki aşağı kuark ve bunların arasındaki güçlü etkileşim sayesinde oluşur. Proton ve nötron yaklaşık olarak aynı kütleye sahiptir fakat nötron daha fazla kütleye sahiptir. Nötron ve protonun her ikisi nükleon olarak isimlendirilir. Nükleonların etkileşimleri ve özellikleri nükleer fizik tarafından açıklanır. Nötr hidrojen atomu dışında bütün atomların çekirdeklerinde nötron bulunur. Her atom farklı sayıda nötron bulundurabilir. Proton ve nötronlar, kuarklardan oluştukları için temel parçacık değildirler.
Nükleer reaksiyon veya çekirdek tepkimesi, iki atom çekirdeğinin veya bir atom çekirdeğiyle atom dışından bir atomaltı parçacığın çarpışarak bir veya daha fazla yeni nüklide dönüşmeleri. Bu gibi reaksiyonlarda yer alan atomaltı parçacıklar proton, nötron veya yüksek enerjili elektron olabilir. Kimyasal reaksiyondan farkı, kimyasal reaksiyonların atomların elektronları arasında gerçekleşmesidir. Çekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir tanecik oluşmuş olur. Bir reaksiyonun nükleer reaksiyon sayılabilmesi için en az bir nüklidin başka bir nüklide dönüşmesi gerekir; böyle bir dönüşüm gerçekleşmezse yaşanan çarpışma sürecine saçılma adı verilir. Spontane olarak gerçekleşen radyoaktif bozunma, nüklit değişimine yol açsa da nükleer reaksiyon olarak kabul edilmez.
Atom çekirdeği, atomun merkezinde yer alan, proton ve nötronlardan oluşan küçük ve yoğun bir bölgedir. Atom çekirdeği 1911 yılında Ernest Rutherford tarafından keşfedildi. Bu keşif, 1909 yılında gerçekleştirilen Geiger-Marsden deneyine dayanmaktadır. Nötronun James Chadwick aracılığıyla 1932 yılında keşfinden sonra, çekirdeğin proton ve nötronlardan oluştuğu modeli Dmitri Ivanenko ve Werner Heisenberg tarafından çabucak geliştirildi. Atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdek içerisindedir, elektron bulutunun atom kütlesine katkısı oldukça azdır. Proton ve nötronlar çekirdek kuvveti tarafından çekirdeği oluşturmak için birbirlerine bağlanmıştır.
Alfa parçacığı (alfa, Yunan alfabesindeki ilk harf ile gösterilir, α) parçacık ışınları arasında yüksek derecede iyonlaştırıcı bir ışın formudur. İki proton ve iki nötronun helyum çekirdeğindekine benzer bağları sebebiyle He2+ olarak da gösterilir. Alfa parçacığının kütlesi 6.644656×10−27 kg olup, 3.72738 GeV enerjiye denktir.
Nükleer fizik veya çekirdek fiziği, atom çekirdeklerinin etkileşimlerini ve parçalarını inceleyen bir fizik alanıdır. Nükleer enerji üretimi ve nükleer silah teknolojisi nükleer fiziğin en çok bilinen uygulamalarıdır fakat nükleer tıp, manyetik rezonans görüntüleme, malzeme mühendisliğinde iyon implantasyonu, jeoloji ve arkeolojide radyo karbon tarihleme gibi birçok araştırma da nükleer fiziğin uygulama alanıdır.
Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği, moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik ışınımlarla olan etkileşimlerini de kapsar.
Atom fiziği, atomu bir bütün olarak atomların etkileşimlerini, atomun ve moleküllerin yapısı, enerji düzeyleri, dalga fonksiyonlari ve elektromanyetik geçişleri, atomlar arası bağlar, moleküler 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, titreşim ve elektronik geçiş spektrumu, lazer gibi bölümleri- inceleyen fiziğin alt dallarından ikincisidir.
Kuantum Kimyası diğer adıyla Yeni Nicem, Kuantum mekaniğinin atom ve moleküllere uygulanması ile ilgilenen Kimya altdalıdır. Temel bir dal, yani saf Kimya olan Kuantum Mekaniği'nin bir uygulaması olduğundan uygulamalı Kimya dalı olarak değerlendirilebilir. Kuantum Kimyası'nda Schrödinger, Dirac, vb dalga denklemlerinin çözümüyle ilgilenilir. Ancak genellikle en çok tercih edilen, EM alan yokluğunda, spinsiz ve rölativistik olmayan Schrödinger denkleminin çözümüdür. Tek elektronlu sistemler dışında Schrödinger denklemi analitik olarak çözülemediğinden, çok elektronlu sistemler için nümerik çözümler yapılır. Kuantum Kimyası'nda bu nümerik çözümleri yapmak üzere çeşitli yöntemler vardır. Bunlar;
- Sıfırdan teorik yöntemler
- Yarı-ampirik yöntemler
- Yoğunluk fonksiyoneli yöntemleri
George Gamow, Ukrayna asıllı Amerikalı fizikçi ve kozmolog.
En basit çekirdek olan hidrojen çekirdeği hariç bütün çekirdeklerde nötron ve proton bulunur. Nötronların protonlara oranı hafif izotoplarda birebir oranındayken periyodik tablonun sonundaki ağır elementlere doğru bu oran gittikçe artmaktadır. Bu oran daha da artarak nüklitin artık kararlı olmadığı bir noktaya gelir. Daha ağır nüklitler, dışarıya verecekleri fazla enerjileri olduğundan kararsızlardır. Bunlara radyonüklit denir. Bu süreçte radyonüklid radyoaktif bozunmaya uğrar ve bu esnada gama ışını ve/veya atom altı parçacıklar yayabilir. Bu parçacıklar iyonlaştırıcı radyasyonu oluştur. Radyonüklidler doğada bulunabildikleri gibi yapay yollarla da üretilebilirler.
Nükleer bağlanma enerjisi, atomun çekirdeğini bileşenlerine ayırmak için gereken enerjidir. Bu bileşenler nötron, proton ve nükleondur. Bağ enerjisi genelde pozitif işaretlidir çünkü çoğu çekirdek parçalara ayrılmak için net bir enerjiye ihtiyacı vardır. Bu yüzden, genelde bir atomun çekirdeğinin kütlesi ayrı ayrı ölçüldüğünde daha azdır. Bu fark nükleer bağlanma enerjisidir ki bu enerji birbirini tutan bileşenlerin uyguladığı kuvvet tarafından sağlanır. Çekirdeği bileşenlerine ayırırken, kütlenin bir kısmı büyük bir enerjiye dönüştürülür bu yüzden bir kısım kütle eksilir, eksik kütlede bir fark yaratır çekirdekte. Bu eksik kütle, kütle eksiği diye bilinir ve çekirdek oluşurken çıkan enerjiye takabül eder.
Atomik, moleküler ve optik fizik, bir ya da birkaç atomun ölçeğinde, madde-madde ve ışık-madde etkileşimi çalışmadır ve enerji, birkaç elektron voltları etrafında ölçeklenir. Üç alanla yakından ilişkilidir. AMO teorisi, klasik, yarı klasik ve kuantum işlemlerini kapsar. Tipik olarak, teori ve emisyon uygulamaları, elektromanyetik yayılım ve emilme, spektroskopi analizi, lazer ve mazerlerin kuşağı ve genel olarak maddenin optik özellikleri, uyarılmış atom ve moleküllerden, bu kategorilere ayrılır.
Hesaplamalı kimya, kimya problemlerini çözmeye yardımcı olmak için bilgisayar simülasyonunu kullanan bir kimya dalıdır. Moleküllerin, katıların yapı ve özelliklerini hesaplamak için verimli bilgisayar programlarına dahil edilmiş teorik kimya yöntemlerini kullanır. Bu yöntemlerin kullanılmasının nedeni, hidrojen moleküler iyonu ile ilgili nispeten yeni sonuçlar dışında, kuantum çok-gövdeli(many-body) problemlerin analitik olarak çözülemez oluşudur. Hesaplama sonuçları normal olarak kimyasal deneylerle elde edilen bilgileri tamamlarken, bazı durumlarda gözlemlenmeyen kimyasal olayları da tahmin edebilmektedir. Yeni ilaç ve materyallerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kimya ve fizik, birbirine benzer konuları inceleyen iki önemli bilim dalıdır. İkisi arasındaki ayrım kapsam ve yaklaşımlarında yatmaktadır. Kimyagerler ve fizikçiler farklı biçimde eğitilirler ve bir takım halinde çalışırken bile farklı meslekî rollere sahiptirler. Kimya ve fizik, fiziksel kimya, kimyasal fizik, kuantum mekaniği, nükleer fizik / kimya, malzeme bilimi, spektroskopi, katı hal fiziği, katı hal kimyası, kristalografi, nanoteknoloji gibi alanlarda birbiriyle çakışır.
