Katalog

Kuantum fiziâi f biliminin b i l i i i temel tası niteliginde. K l i l i i d Kuantum ıiziği, iii örelilik kuramından daha fazla pratiğe yönelıktir; imya ve moleküler biyolojinin de temelıdir. Fakat, bu kuram o kadar tuhaf bır kavram üzerine kurulu ki kimse anlayamıyor!... f• •w • Yazan: John Gribbin Çeviren: Murat Ann uantum fiziği, birçok alanda günlük yaşamımıza da giren pratik bir kuramdır. Bilgisayar, telekomünikasyon ve genetik mühendislik alanlanndaki son gelişmelerin temelini oluşturuyor. Buna karsın, kuantum fiziğınde günlük terimlerle anlaşılması olanaksız bir dizi kavram vardır. Kuantum mekaniği, şans ve belirsizlikle, parçacıkların dalga, dalgaların parçacık olduğu bir dünyayla uğraşır ve sistemi gözleme eylemi bile içinde bulunduğu durumu değiştirir. Kuantum gizemi, kuantum fiziği öncülerinden Amerikah fizikçi Richard Feynman'a "hiç kimse anlamıyor" dedırtmiştir. Ancak en azından, bu gızemi tüm görkemıyle sunmak mümkündür. No:4 melerin sağlanmasına yardımcı olmustur. Bir atom, artı yüklü bir çekirdek ve bunu çevreleyen eksi yüklü elektronlardan oluşur. Karşıt yükler birbirlerini çektiğine göre niçin eksı yüklü elektronlar artı yüklü çekirdeğin üstüne düşmesinler? Eğer bu gerçekleşseydi, düştükleri sürece sürekli enerji ışırlardı. Kuantum kuramına göre elektronlar çekirdeğin çevresinde ancak çok iyi tammlanmış enerji düzeylerini işgal ederler. Bir elektron, uygun düzeyde enerji kuantumu salarak ya da emerek bir enerji düzeyinden ötekine atlayabilir. Fakat, ara bir duruma atlayamaz, çünkü ara bir durum yoktur. Elektronlar, her enerji düzeyinde izin verilmiş sınırlı bir sayıyla birbirlerinden ayrı dururlar ve çekirdeğin üstüne düşmezler. Tüm bunlar, enerjinin kendisi ışık ya da başka bir elektromanyetik ışınım kuantalaşmadan herhangi bir enerji miktarıyla gelse bile açıklanabilirdi. Fakat Albert Einstein daha farklı bir sav ortaya attı. 1905'te, elektronların ışınım tarafından metal yüzeyden çıkartılma sı (fotoelektrik etki), ancak ışığın kendisi kuantalaştıysa (bugün fotonlar olarak bilinen parçacıklar akışı biçiminde) açıklanabileceğini belirtti. Fotoelektrik etkiyi açıklamak için gerekli olan foton özellikleri, kara cisim eğrisini açıklamak için gerekli olan özelliklerle aynıydı: Elektromanyetik enerjinin varolması yalnızca ayrık yığınlarda mümkündü; tıpkı, paranın 10 bının katları dışında var olmadığı gibi (10 bin, 30 bin, 120 bin TL para çekebilirsiiiz, ancak 123 bin TL çekmeniz mümkün değildir). Her ışın "yığınf'nın büyüklüeü, dalgaboyuna oağlıdır; fakat belli bir dalgaboyu için her foton tarafından taşınan enerji aynıdır. Bu çalışma, Einstein'a 1921'de NobeJ Ödülü'nü kazandırdı. Fakat fizik alanında bir karışıklık yarattı, çünkü ışığın elektromanyetik ışınım bir dalga olayı olduğuna dair çok zengin bulgular vardı. Ozellikle iki dar yarığa bir ışık kaynağı yönetilmesi deneyiyle, İngiliz Thomas Young ve Fransız Augustin Fresnel, 19. yüzyılın başlarında ışık dalgalarının havuz yüzeyinde hareket eden iki dizi dalgacığın ürettiğine benzer bir girişim modeli ürettiklerini gösterdiler. 1920'lerde, fotoelektrik etki, ışığın parçacıklardan oluştuğunu ortaya koyarken, iki yarık deneyi ışığın bir dalga olduğunu kanıtlıyordu.* (R.Ö. Akyüz "Işık 2" Bilim Teknik. Sayı: 59 K Dalga kuramı 20. yüzyılın başında, Alman fizikçi Max Planck, sıcak bir nesne tarafından yayılan ışınım tayfına ait, özelliklerin, ışınımın da tıpkı maddenin atomlardan oluştuğu gibi küçük birimlerden oluştuğu kabul edilirse açıklanabileceğini fark etti. Planck bu birimleri kuantumlar olarak adlandırdı. Adı geçen tayfa "kara cisim tayfı" denildi. Sıcak bir nesneden yayılan ışınımın her zaman karakteristik kara cisim biçimi vardır. Uzun dalgaboylarında ve kısa dalga, boylarında çok az ışınım vardır; bu ikisinin arasında şiddet en yüksek bir noktaya ulaşır. Bu doruk noktası, cisim ısındıkça kısa dalga boylarına kayar (kızılötesinden kızıla, maviye, morötesine ve...). Keman tellerinin titreşimlerindeki gibi elektromanyetik dalgalarla uğrasan "klasik" dalga kuramı, 19. yüzyıl fizikçilenne, çok kısa dalgaboyları bölgesinde yayılan çok büyük mıktarda ışınım olması gerektiğinı söyler. Fakat doğada böyle olmaz. Klasik kurama göre herhangi bir dalgaboyunda yayılan enerji, frekans ile doğru, dalgaboyu ile ters orantılıdır. Dalgaboyu sıfıra giderken enerji sonsuza doğru eğilim gösterir. Bu bilmece, "morötesi felaketi" olarak bilinmektedir. Bu "felaket", Planck'ın, ışık gibiDosya 4 Temmuz 1990 bir ısınımın belli bir ölçüden büyük paketler içinde yayılabileceğini ileri sürmesiyle çözüldü. Klasik kuramın dedıği gibi mevcut enerji sürekli dışarı yayılacağına (gerçekte, enerji sonsuz sayıda küçük parçadan oluşmaktadır), Planck ın yeni kuramı, elektromanyetik enerjinin istatistiği sonlu sayıda parçaya bölünmüş olarak betimledı. Bu istatistiksel betimleme, kesin olarak gözlemlenen kara cisim eğrisiyle uyumluydu. Her ışınım parçasının E enerjisinin f frenkansıyla bağlantıh olduğunu Ehf denklemiyle ortaya koyuyordu. Denklemdeki h, bugün Planck sabiti olarak bilinmektedir. Bunun, morötesi felaketini nasıl çözdüğünü görmek çok kolaydır. Çok yüksek frekanslar için ısınımın bir kuantumunu salmak için gerekli enerji büyüktür, çünkü f büyüktür ve ancak az sayıda salıcı bu kadar enerjiye sahip olabilir. Çok düşük frekanslarda, uygun düşük enerjili kuantumu salmak için yeterli enerjiye sahip birçok elektron bulunmaktadır, fakat bunların hepsi o kadar az enerji tasır ki birbirlerine eklendikleri zaman bile fazla bir sey tutmazlar. Yalnızca, her biri ona büyiiklükte kuantum salmak için yeterli enerjiye sahip orta sayıda elektronun bulunduğu kara cisim eğrisinin ortasında ışınım doruk noktasına ulaşır. Einsteln'ın savı Ayrıntılı istatistikler, gözlemleri mükemmel olarak anlatmaktadır. 20. yüzyılın başında her fizikçinin elektromanyetik ısınımın bir dalga olayı olduğuna inanmasından dolayı, kuantlaşmanın, elektromanyetik dalgaların doğasından çok, atomların yapısıyla ilgili olduğu düşünüldü. Atomların yalnızca belirli ışınım miktarlarını yaydıkları ancak "aradaki" miktarların da var oldukları kabul edildi. Benzer bir durum, otomatik makineden para çekeceğiniz zaman geçerlidir: Örneğin, gerçek hayatta 29 bin gibi bir değer olmasına karşın, makineden yalnız 10 binin katlarında para çekebilirsiniz. Kuantum kuramı, bu ilk biçiminde bile 1920 başlarına dek atomların yapısının anlaşılmasında geliş Glzem artıyor: Elektron dalgaları i^;., '• • • Hidrojen gibi basit bir atomdaki enerji düzeyleri, farklı derinlikleri olan bir dizi basamağa benzetilebilir. Farklı basamaklar üstüne yerlestirilmis bir top, farklı enerji düzeylerindeki Dİr elektronu temsil eder. Bir basamaktan ötekine asağı inmek, kesin miktarda bir enerjiyi serbest bırakır. Işınım miktarlarının " a r a değerleri"nde enerji serbest kalmaz, çünkü elektronun yerleşebiieceği " a r a " basamak yoktur. 1897'de, ingiliz fızikçi J.J. Thomson, kütleleri hidrojen atomununkinin 1/1837'sine eşit negatif yüklü parçacıklar buldu. Bu, elektronun keşfiydi ve Thomson bunu atomu oluşturan bir öğe olarak tanımladı. Bu çalışması, Thomson'a 1906'da Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı. 1920'lerde, Fransız Louis de Broglie, Einstein'ın ışığın fotonlu tanımını elektronlara uydurdu. Işık "dalgaları"nın "parçacıklar" gibi davrandıklarını gösteren denklemler, elektron "parçacıklar"ının "dalgalar" gibi davrandıklarını betimlemek için kullanılabilirdi. De Broglie, her elektronun bir anlamda ona bağlı ve hareketini yönlendiren bir dalgası olduğunu söyledi. Bir atomdaki bir elektron için izin verilmiş enerji düzeyleri, belli ve kesin sayıda dalgaboylunun çekirdeğin çevresinde tam sığacagı yörüngelere karşılık geliyordu. Birkaç yıl sonra araştırmacılar, kristal örgüsündeki (bir kristalin vapısal biriminde karşı karşıya gelen atom ya da molekül merkezlerinin göreli konumunu gösteren noktaların dizilişi) atomların elektron demetlerini nasıl saptırdıklarını incelediler. Bu konuda çalışan birçok araştırmacının arasında J.J. Thomson'un oğlu George Thomson da