Klasik Fizikten Kuantum Kuramına

            Bilim insanlarının atom ve molekülleri anlamaya yönelik ilk çabaları, kısmi bir başarı ile sınırlı kalmıştır. O günlerde fizikçiler moleküllerin zıplayan toplar gibi davrandıklarını varsayıyordu. Bu yaklaşımla moleküllere ilişkin bazı makroskopik olguları, örneğin gazların basıncını açıklayabilmekteydiler. Bu model atomları bir arada tutan kuvvetleri açıklamakta yetersiz kalmaktaydı. Atom ve molekül gibi küçük taneciklerin özelliklerinin, büyük cisimler için önerilen yasalarla açıklanamayacağını kavramak ve kabullenmek uzun süre almıştır.

            Kuantum kuramı Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schröedinger, Heisengberg gibi bilim adamlarının katkılarıyla oluşmuş ve bu onlara Nobel Ödülü’nü kazandırmıştır.

            Bu konudaki ilk başlangıcı 1900 yılında kuant konusundaki açıklamalarıyla fizikte yeni bir dönem başlatan Alman Fizikçi Max Plank (1858-1947) yapmıştır. Plank, değişik sıcaklıklarda ısıtılan katıların yayınladığı ışımaya ilişkin verileri incelemiş ve atom ve moleküllerin sadece enerji paketçikleri (kuant) adı verilen belirli miktardaki enerjiyi yayınladıklarını keşfetmiştir.

            O zamana kadar fizikçiler, enerjinin daima sürekli olduğunu kabul etmektedirler. Hâlbuki Plank’ın kuantum kuramı, tüm fiziği alt üst etmiştir. Bu durumun yarattığı yoğun araştırma heyecanı, doğa kavramına yönelik fikirleri de bütünüyle değiştirmiştir.

            19. yüzyılın ikinci yarısında yapılan çalışmalar, cisimlerin belirli sıcaklıkta yayınladıkları ışıma enerjisi miktarının, ışımanın dalga boyuna bağlı olduğunu göstermiştir. Bu bağlılığın dalga kuramı ve termodinamik yasalar çerçevesinde açıklanması çabaları kısmen başarılı olabilmiştir. Bir kuram kısa dalga boyu için enerji- dalga boyu ilişkisini açıklamada başarılı olurken; uzun dalga boyundaki ışımalara açıklama getirememiştir. Bu durum, klasik fizik yasalarında temel bir eksikliğin var olduğu kuşkusunu doğurmuştur.

            Plank, bu problemi alışılagelmiş kavramlardan çok farklı bir varsayım yardımıyla çözebilmiştir. Klasik fizik, atom ve moleküllerin herhangi bir miktardaki enerjiyi yayınlayabileceklerini (veya soğurabileceklerini) varsaymaktadır. Plank ise atomların ve moleküllerin enerjiyi, küçük paketler veya demetler gibi belirli miktarda yayınlayıp soğurabileceğini savunmuştur. Plank, enerjinin elektromanyetik ışıma şeklinde yayınlayabilen veya soğurabilen en küçük miktarına kuantum adını vermiştir. Tek bir kuantumun enerjisi E ise, E=hv (v=dalga frekansı, h=plank sabiti) eşitliği ile ifade edilmiştir.

            Kuantum kuramına göre, enerji daima hv’nın katları olarak yayınlanır. Örneğin enerji hv, 2 hv, 3 hv değerlerinde olabilir. Ancak asla 1,67 hv veya 4,89 hv gibi değerlerde olamaz. Plank, kuramını ilk ortaya koyduğu günlerde enerjinin neden sabit ya da bu şekilde kesikli paketcikler halinde (kuantlı) olduğunu açıklayamadı. Ancak ortaya koyduğu bu hipotezle ısıtılan katıların yayınladıkları ışımaya ilişkin deneysel veriler, elektromanyetik ışıma bölgesinin tamamı için açıklanabilmekte ve kuantum kuramını destekler doğrultudaydı.

            Plank’ın kuantum kuramını ortaya atmasından sadece beş yıl sonra 1905’te Albert Einstein (1879-1955), kuantum kuramının gizemini kullanarak fotoelektrik olayını çözdü. Fotoelektrik olayda metal bir yüzeye düşürülen ışık, yüzeyden elektron koparır. Koparılan elektron, devrede bir akım meydana getirir. Ancak eşik frekansının altında uyarma ışığı ne kadar şiddetli olursa olsun, elektron çıkışına neden olmaz. Bu nedenle de fotoelektrik olay ışık-dalga kuramı ile açıklanamamıştır. Ancak Einstein sıra dışı bir yaklaşımla ışık demetinin gerçekte bir parçacık seli olduğunu öne sürmüştür. Günümüzde bu ışık parçacıkları foton olarak adlandırılmaktadır.

            Einstein’in, Plank’ın kuantum kuramından yola çıkarak ışığın aslında dalga olmayıp fotonlardan, yani kuantum paketçiklerinden oluştuğunu öne sürerek sonuca açıklama getirdi. Buna göre elektronların metalden ayrılarak serbest hale geçmeleri için, frekansı yeterince yüksek bir ışık gereklidir. Metal yüzeyine ışık demetinin uygulanması, metal atomlarına bir foton ya da parçacık tabancası ile ateş etmeye benzer. Eğer bu fotonları hv değeri, elektronları metale bağlayan enerjiye tam olarak eşit ise, ışık enerjisi (foton) metalden elektron koparmak için yeterli olacaktır.

 

              Ancak ışığın parçacık gibi davranabileceğinin kesin kanıtı, Arthur Holly Compton (1892-1962) tarafından 1922’de bulundu. Compton, yüksek enerjili X ışınlarının fotonu ile karbon atomunun serbest elektronun çarpıştırılması sonucu, fotonun momentumu varmış gibi davrandığını gözlemledi.

            Newton zamanından beri ışığın davranışını anlamaya yönelik olarak yapılan girişim ve kırınım deneyleri ışığın dalga karakterinde olması gerektiğini söylerken, bu deneyler henüz ışığın parçacık yapısıyla açıklanamamıştı.

            Bu da ışığın davranışına yönelik bir dalga-parçacık ikilemi oluşturmuştu. Fakat aslında her iki varsayımda doğrudur. Işık bazı olaylarda dalga, bazı olaylarda parçaçık gibi davranırken her iki özelliği de aynı anda göstermez. Yani aynı anda hem parçacık gibi hem de dalga gibi davranamaz.

            Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr (1885-1962) ise günümüzde de kabul edilen teorisini 1913’te oluşturdu. Bohr’un varsayımları şöyleydi:

1)      Elektronlar, protonların etrafında coulomb çekim kuvvetleri etkisi altında ( + yükün – yükü çekmesi) , dairesel bir yörüngede hareket eder.

2)      Elektronlar çekirdeğin etrafında belirli enerji seviyelerindeki yörüngelerde dolanırlar. Bir üst yörüngeye geçmek için enerji alırken, bir alt yörüngeye geçerken de enerji salarlar.

3)      Elektron ancak, enerjisi E1 olan kararlı bir durumdan, daha düşük enerjili bir E2 durumuna geçiş yaptığında enerji farkıyla orantılı bir enerji yayınlar.

            Bohr yaklaşımı ile helyum ve lityum gibi birden fazla elektron içeren atomların yayılma spektrumlarını açıklayamıyordu. Ayrıca Bohr atom modeline göre elektonlar çekirdeğin etrafında sadece belirli uzaklıklardaki yörüngelerde dolanıyordu. Ve neden bu kısıtlamanın olduğuna dair bir açıklama da yapılamıyordu.

            Ancak 1924 yılında Fransız fizikçisi Louis de Broglie ışık dalgalarının parçacık seli (foton) gibi davranabilmesinden yola çıkarak: elektron gibi parçacıkların da dalga özelliği gösterebileceğini öne sürdü. De broglie bulguları, dalgaların tanecik, taneciklerin de dalga benzeri özellik sergileyebilecekleri sonucuna ulaşmasını sağlamıştır. Broglie ye göre elektronlar, hem tanecik hem de dalga olarak ikili bir doğaya sahiptirler.

            1926 yılında bu sefer Avustralyalı fizikçi Erwin Schrödinger (1887-1961) dalga fonksiyonunun uzaya ve zamana bağlı değişimini gösteren denklemi bulmuştur. Schrödinger elektronların bir durumdan başka bir duruma ani değişimlerini bir keman telinin titreşimleri gibi, bir notadan diğerine geçiş olarak yorumlamıştır.

            1928’de Paul Adrian Maurica Dirac (1902-1984) özel rölavite teorisini kuantum mekaniği ile uyuşturmuştur.

            Elektronların dalga özelliklerinin keşfi, bir dalganın konumunu belirleme problemini de beraberin de getirdi. Dalganın uzayda yayılması, konumunun tam olarak belirlenememesi sorununu ortaya çıkarmıştı.

            Elektronun olağan üstü küçük bir kütleye sahip olması, ikili doğasını anlamayı daha da sorunlu hale getirmektedir. Bir dalga gibi davranabilen atom boyutunda taneciklerin konumunun belirlenmesine yönelik olarak, Alman fizikçi Werner Heisenberg (1901-1976), adı ile anılan ünlü “Heisenberg belirsizlik ilkesini (1927)”  ortaya attı: Bir taneciğe ilişkin hem konum hem de momentum (kütle * hız) aynı anda tam olarak bilinemez. Başka bir deyişle, bir taneciğin momentumunun kesin bir şekilde ölçülebilmesi, o taneciğin konumunun daha az kesinlikle bilinmesi demektir. Elektronun da momentumu ve konumu aynı anda kesin olarak ölçülemeyeceğine göre, elektronun tam olarak tanımlanmış yörüngelerde dönen bir tanecik olarak tasarlanması da mümkün değildir.