Fizik

Kuantumun Tuhaf Dünyasına Neden İhtiyaç Duyduk?

Galileo Pisa Kulesi’nde deneyler yaparken, Newton hareket kanunlarını hesaplarken nasıl oldu da klasik dünyadan, kuantumun tuhaf dünyasına geçiş yaptık. Bu yazımız, kuantum fiziğinin tarihsel gelişimini aktarmayı ve bu dünyanın oyuncularını yakından tanımayı hedeflemektedir.

Klasik fiziğin zirvede olduğu 1890’lı yıllarda Newton mekaniği hem dünya üzerindeki cisimlerin hareketini hem de gezegenlerin yörüngelerini ayrıntılı astronomik gözlemlerle ifade ediyordu. Termodinamik, sanayi devriminde, ısı olgusu ve ısının mekanik olarak faydalı harekete dönüşme süreci hakkında ayrıntılı çalışmalar ortaya çıkarıyordu. Fakat klasik fikir, hali hazırda yeni yapılmış bazı deneylere cevap üretemiyordu: Isıtılmış cisimlerin verdiği ışık frekansları. Bu sorulara verilen geçici cevaplar da ‘Kuantum Dünyasının’ temel taşlarını oluşturmaya başlamıştı.

Siyah Cisim Işıması

Kuantum mekaniğini tarihsel başlangıcı ‘Siyah Cisim Işımasıdır’.  Katı cisimler ısıtıldığında, katı içindeki elektronların titreşmesinin sonucu olarak görünür bir parıltı yaymaktadır ve bu durum siyah cisim ışıması olarak adlandırılmaktadır. Örneğin metal fırın başlıklarının ısıtılması ile bir parlaklık görmek mümkündür.

Bu çıkan parıltıyı klasik fizikle hesapladığımızda metal fırın başlıklarının sonsuz miktarda ışıma enerjisi ile yayılması sonucuna ulaşırız. Bu sonsuz yayılmanın mümkün olmadığını bilen Max Planck bu durumu yorumladı: Elektromanyetik ışımadaki ışının frekanslarının sadece belirli değerleri alabilmesi gerektiğini ileri sürdü (1900). Bu ifade maddelerin dalga özelliği taşıması ve ‘Kuantumlu’ olması demekti.

Fotoelektrik deney

1905 yılında Albert Einstein, Planck’ın fikirlerini ve 1877 yılında Hertz tarafından yapılan fotoelektrik etki olayını ele alarak ışığın parçacık özelliği gösterdiğini ileri sürmüştü. Fotoelektrik deney klasik fiziğin açıklayamadığı diğer bir olaydır. Bu deneyde metal kara cisim ışımasında olduğu gibi ısıtılmaz, metalin üzerine ışık düşürülür. Hertz, bu deneyde metalin üzerine ışık düştüğünde aralarındaki akımın (elektron hareketinin) güçlendiğini ampermetre aracılığıyla keşfetmiştir.

Kaynak: https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/fotoelektrik-olay

Diğer bir deyişle, ışık bir metalin üzerinden yansıdığında metalden elektron kopuyordu. Fakat her ışık metalden elektron koparamıyor yani metalden ışın çıkaramıyordu. Işığın metalden elektron koparabilmesi için bazı şartların olması gerektiği sonucuna ulaştırdı. Bu şartlar ışık frekansının metalin eşik frekansından yüksek olmasıydı. Aynı zamanda bu durumun en önemli anlamı; ışığın dalgasal özelliği göstermesi değil parçacıksal özellik göstermesidir. Einstein’ın ulaştığı bu temel sonuç Nobel Ödülü’nü getirdi.

Maddenin parçacık mı? yoksa dalga mı? olduğu tartışmaları sürerken kuantum fiziğine önemli katkılar sağlayan Louis de Broglie, ortaya konan deneyleri ve öne sürülen fikirleri doktora tezinde ışığın ikili karakteri ile açıklamaya çalıştı. Işığın, kara cisim ışımasında dalga özelliği göstermesi, fotoelektrik yayılım da ise bir parçacık özelliği göstermesi ‘belki de maddenin her türlü şekli bu iki özelliğe sahiptir’ öngörüsünde bulunmaya itmişti.

Kuantum mekaniği kara cisim ışıması ve fotoelektrik dışında atom boyutunda başka bir uygulama henüz bulamamıştı. Niels Bohr ise olayı sıkı bir şekilde takip ediyordu. Ayrıca Robert Darwin’in torunu fizikçi Charles Darwin’in çalışmalarını da yakından inceliyordu. Fakat Darwin’in öne sürdüğü elektronları serbest olması fikrini doğru bulmuyordu.

O dönemde ise durum şu şekildeydi: Fizikçi Johann Balmer hidrojenin spektrumunu (çeşitlilik) açıklayan ve hiçbir fizik kurama dayanmayan bir formül ortaya atmıştı. Fakat formülün temel fizik kurallarından, yani o zamanki mekanik ve elektromanyetik kuramlarından çıkarılabilmesi beklense de bu mümkün değildi.

Okuma Önerisi: Günlük Hayatta Kuantum Fiziğini Görebileceğimiz 3 Örnek

Bohr Atom Modeli

Bohr bu yüzden kendi atom modelini önerdi. Bu modelde atomun ortadaki bir çekirdeğin etrafında dönen elektronlar şeklinde hayal etti. Ayrıca, bu durumu küçük bir Güneş Sistemi modeline benzeterek 1913 yılında yayınladığı makalede ortaya koydu. Böylece, kuantumun köklerini fiziğe bırakıyordu. Bohr ise bu esnada klasik fizikle uyuşmayan birkaç kabul yaparak yola başladı.

Birinci kabul: Elektronlar çekirdek etrafında her yörüngede değil sadece belli yörüngelerde dönebilir ve bu yörüngeler “durağan” yörüngelerdir.

İkinci kabul: Atomun yörüngelerinin belli bir enerji değeri vardır ve bu yörüngelerde elektronlar bulunur. Elektronlar yörüngeler arasında sıçrayınca, yörüngelerin enerji farkı kadar enerjiye sahip radyasyon (ışık) yayarlar.

Üçüncü kabul: En düşük enerjiye sahip bir yörünge vardır.

Dördüncü kabul: Durağan yörüngedeki elektronun açısal momentumu kesikli değerler alır.

Bohr’un yaptığı bu dört kabul sayesinde Balmer’in formülünü fizik kurallarına uygun bir temelle çıkardı. Hidrojen atomunun ve bir elektronunu kaybetmiş helyum atomunun o zaman bilinen spektrumunu ifade etti. Bu başarı, klasik fiziğin atom içinde geçerli olmadığı düşüncesini başlattı. Ancak Bohr’un kabullerinde de bazı  “temelsizler” görünüyordu. Örneğin, çok elektronlu bir atomun bütün elektronları niye en düşük enerjiye sahip aynı yörünge üzerinde durmuyordu?

1926 yılında Heisenberg ve Schrödinger kuantum mekaniğini geliştirdi ve atomun “çalışma” prensibi büyük ölçüde anlaşılır oldu. 1928’de Paul Dirac, özel görelilik kuramı ile kuantum fiziğini birleştirdi. Böylece deneylerle daha uyumlu bir elektron ve dolayısıyla atom kuramını ortaya çıktı. Artık hidrojen atomunun ölçülen spektrumu ile hesap edilen spektrumu arasında fark kalmamıştı.

1947 yılında spektrumda milyonda dörtlük bir hatayla karşılaşan Dirac Kuramı, hidrojenden çıkan 28 santimetre dalga boyundaki radyasyonu açıklayamıyordu. Fakat, Bethe, Feynman, Schwinger, Tomonaga ve Dyson gibi önemli fizikçiler uğraşıp problemi çözmeyi başardı. Bugün deneylerle mükemmel uyum gösteren kuantum elektrodinamiğini buldular.

Bohr, bütün bu gelişmeleri uzaktan seyrederken 35 yaşında Kopenhag’da önemli bir kuramsal fizik enstitüsü kurdu. Bu enstitü uzun süre kuramsal fiziğin merkezlerinden biriydi. Bu merkezin kuantum fiziğine güçlü katkıları olmuştur ve kuantum mekaniğinin yaygın olarak kabul edilen yorumu olan Kopenhag yorumu burada ortaya çıkmıştır. Bu enstitü ile kuantum fiziğine ve bilime katkı yapmaya devam ediyor.

Yaklaşık 30 yıl süren bu gelişmelerden sonra Kuantum Mekaniğinin temelleri atıldı. Böylece Kuantum Mekaniği kimyada, fizikte son derece önemli bir anlayışa ve felsefeye sahip oldu.

Matematiksel

Şefika Çokcoşkun

İstanbul Üniversitesi 'Nükleer Fizik' anabilim dalında yüksek lisans mezuniyetim sonrası yazarlık serüvenim başladı. Bilimin hayatın parçalarından biri olduğunu aktarmak her bilim insanı gibi benim de görevim... Okumak, dinlemek, merak etmek, araştırmak hep bir adım daha atmamı sağlıyor. Paylaştıkça çoğalacağımız günler yakındır...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.