Schrödinger'in Kedisi

            

           Erwin Schrödinger (1887-1961), oluşturduğu dalga denklemiyle tanınan ve kuantum mekaniğine yaptığı katkılarıyla Nobel Ödülünü almış Avustralyalı fizikçidir.

            Schrödinger’in kedisi, yine kuantum fiziği ile ilgili ve hakkında pek çok tartışma yapılmış bir düşünce deneyidir.

           

             Deneye göre sağlıklı bir kedi hava alabilen kapalı bir kutuya yerleştirilir. Kutunun içerisinin hiçbir şekilde gözlemlenmemesi ise deneyde kilit bir rol oynar. Kutunun içerisinde bir düzenek vardır.  Bu düzeneğe göre kutuda bozunma olasılığı %50 olan radyoaktif bir parçacık vardır. Parçacığın bozunma olasılığın %50 olması sayesinde parçacığın bozunup bozunmayacağı önceden kestirilemez. Eğer bu parçacık bozunursa ortama ölümcül zehirli bir gaz yayılacak ve kedi ölecek, parçacık bozunmaz ise kedi yaşayacaktır. Böylelikle makroskobik bir sistemdeki kedinin kaderi mikroskobik bir parçacığın davranışına bağlanmıştır.

            Fakat asıl nokta deneyin sonucunda kedinin öldüğü veya yaşadığı değil, deneyin gözlemlenemeyen kısmında kutunun içinde neler olduğudur. Dalga fonksiyonun anlamı “ya bozunma oldu ve kedi öldü ya da bozunma olmadı ve kedi hayatta” gidi uç noktalarda iki olasılığı anlatmaktan ibaret değildir. Eğer Schrödinger’in analizi doğru ise kuantum kuramı, gözlemlenmediği sürece kedinin kutunun içinde iki durumunun da yan yana bulunduğunu söylüyor. Yani kedi hem ölü hem de diridir.

             Kutu açıldığı anda gözlemci de katılımcı olur. Kuantum dilinde bu duruma dalga işlevinin çöküşü denir. Yani birkaç olasılıktan bir tanesine indirgenen durumda gözlemci de evrene dahil olur.

Kuantum Fiziği - Çift Yarıklı Girişim Deneyi

  

Einstein, kuantum dünyası ile ilgili bir düşüncesinde şunları belirtmiştir: Eğer bir tabancadan bir kurşun ateşlerseniz, kurşun Dünya'da ki yerçekimi kanunlarına göre hareket edecektir.  Ancak eğer tabancadan bir elektron ateşlerseniz, elektron yerçekimi kanununa göre değil kuantum dünyasına göre hareket edecektir.

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.

Standart Model ve Atom Altı Parçacıklar

            Bir elementin, bütün özellikleri taşıyan en küçük yapı taşını atom olarak adlandırıyoruz. Atom ise oluşumuna katkı sağlayan daha küçük parçacıkları barındırır bünyesinde: elektron, proton ve nötron. Peki, bu parçacıkların da oluştuğu daha temel parçacıklar var mıdır?

            Tam da bu sırada standart modelden bahsetmekte fayda var. Standart modele göre evrende temel parçacık olarak 6 çeşit kuark ve karşıt parçacıkları, 6 çeşit lepton ve karşıt parçacıkları, foton, 8 çeşit gluon ve 3 çeşit vektör bozonu vardır. Bu parçacıkların nasıl bir araya geldiklerini, birbirleriyle nasıl etkileştiklerini de 3 kuvvet ile açıklayabilmektedir: şiddetli kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvet.

Temel Parçacıklar

            Kuarklar ve leptonlar, kuvvet taşıyıcı parçacıklar olan bozonlarla etkileşime girerek, evrendeki görünür maddeleri şekillendiriyor. Bu parçacıklar standart modelde temel madde kabul edilip başka alt parçacıkları yoktur.

            Altı çeşit olan kuarklar; yukarı (u) ve aşağı (d), tılsım (c ) ve garip (s) , üst (t) ve alt (b) kuark ikililerinden oluşuyorlar. Bunları karşıtları ise “yukarı karşıt” şeklinde adlandırılıyor.

            Standart modele göre ise kuarklar, proton ve nötronların temel parçacıklarıdır. Proton 2 yukarı kuark (yükü=2/3) ve bir aşağı kuarktan (yükü=-1/3) oluşur. Bu nedenle protonun yükü de 2.2/3-1/3= +1’dir. Nötron ise 1 yukarı kuark ve 2 aşağı kuarktan oluştuğu için de yükü 2/3-2/3= 0’dır.

            Leptonlarda temel parçacıklardan birisidir. İki gruba ayrılır. Elektronun da bulunduğu ilk 3’lü grubun diğer iki üyesi muon ve tau parçacıklarıdır. Diğer 3’lü grup ise nötr leptonlar yani nötrinolardır. Toplamda 6 tane olan leptonların bir de karşıtları bulunmaktadır.

            Kuarklar ve leptonlar, kütleleri bakımından üç sınıfa ayrılmaktadır. Yükleri ise +2/3, -1/3, 0 veya -1 olabiliyor. Bu yüklere sahip parçacıklar olası dört farklı bir yük bir araya getirilince üç grup elde edilir. Bu gruplar;

I. Yukarı kuark (+2/3), aşağı kuark (-1/3), elektron nötrinosu (0) ve elektron (-1).
II. Tılsım kuark (+2/3), garip kuark (-1/3), muon nötrinosu (0) ve muon (-1).
III. Üst kuark (+2/3), alt kuark (-1/3), tau nötrinosu (0) ve tau (-1).

             Bu üç gruba “parçacık nesiller” denilmektedir. Bu nesillerin en hafifi olan 1.neslin üyeleri ise evrendeki görünür maddeleri oluşturuyor. Çünkü diğer nesil parçacıkları, oluştukları takdirde hızla bozunarak, bir alt neslin parçacıklarına dönüşünüyor. Sonuç olarak bakıldığında I. nesile ulaştıklarında kararlılığa da ulaşıyorlar.

            Bu durumda, üst iki nesil, evrenin ilk aşamasında büyük miktarda oluşmuştur. Ancak geçen zamanda da bozunarak  I. nesil parçacıklara dönüşmüş olmaları gerekiyor. Laboratuarlarda ise evrenin oluşumuna ilişkin yapılan deneylerde yüksek enerjili parçacık çarpışmaları oluşturulabiliniyor.

           Leptonlardan farklı olarak kuarkların bir de “renk yükü” vardır. Kuarkların elektrik yükü iki farklı (+2/3, -1/3) değer alabilirken, renk yükleri üç farklı değer alabiliyor. Bu farklı renk yükü değerlerine ise kırmızı, yeşil ve mavi renk yükü deniyor. Karşıt parçacıklar renk yükü olarak; karşıtı oldukları parçacığın renk yükünün karşıtını taşıyor. Yani 'karşıt kırmızı', 'karşıt yeşil' veya 'karşıt mavi' gibi...

            Bu renk yükü isimlendirmesinin tabi ki, bildiğimiz ışık veya renklerle hiçbir ilgisi yoktur. Bu isimlendirmeye yol açmış olan benzerlik şudur: Farklı renk yüklerine sahip üç kuark bir araya geldiklerinde, ortaya nötr renk yükü çıkıyor. Tıpkı; mavi, yeşil ve kırmızı temel renklerin bir araya gelmesi halinde, renksiz veya “nötr” sayılan beyaz ışığın oluşması gibi. 

            Kuarklarla leptonlar, boyutları kesin olarak bilinmemekletir. Ancak bir lepton olan elektron ve kuarkların hepsini yarıcapı ise, kesinlikle 10^-18 metrenin altındadır. Bilindiği kadarıyla hepsi de, iç yapıları olmayan temel parçacıklardır. 

Kuvvet/ Etkileşim

            Standart Model ile ifade edilen kuvvetler şiddetli kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvettir.

            Elektromanyetik kuvvet, elektrik yükü olan bütün kuvvetler tarafından hissedilir. Foton, elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır. Ancak kendisi elektrik yükü taşımadığı için elektromanyetik kuvveti hissetmezler. Nötronların, gluonların ve Z bozonunun elektrik yükü olmadığı için elektormanyetik kuvveti hissetmezler.

            Bütün kuarklar ve leptonlar ise zayıf kuvveti hissederler, yani zayıf etkileşim yükleri vardır. Zayıf etkileşimler, W bozonları ve Z bozonun alaışverişi sonucu da ortaya çıkarlar.

            Protonun elektrik yükünün 2/3 katı elektrik yüküne sahip u, c ve t kuarkları, artı yüklü bir W+bozonu yayabilir veya eksi yüklü bir W-bozonu ile birleşebilir. Bu durumda protonun elektrik yükünün -1/3 katındaki elektrik yüküne sahip d, s veya b kuarklardan birine donüşebilir. Yine  d, s veya b kuarkları da  bir W-bozonu yayıp veya bir W+ bozonu ile birleşip bir u, c veya t kuarklarına dönüşebilirler. Bu dönüşümlerin aynı kuark ailesi içinde olması ise farklı aileler arasında olmasından daha olasıdır. 

            Eğer zayıf etkileşim Z bozonu alışverişi sonucu ortaya çıkarsa da parçacık türünde bir değişim olmaz.

            Standart Model oluşturulana kadar kadar yapılan gözlemler, bir kuarkın aynı yükü taşıyan bir başka kuarka dönüşmediğini gösteriyordu. “Fakat daha gelişmiş hızlandırıcılarda yapılan daha hassas deneyler Standart Model’in bu tahminini doğruladı. 

            Ayrıca zayıf kuvveti elektromanyetik kuvvetten ayıran bir diğer özelliğiyse, zayıf kuvveti ortaya çıkaran Z ve W bozonları zayııf kuvveti hissederler ve zayıf yük taşıyan başka parçacıklar ile W ve Z bozon alışverişinde bulunabilirler.

           Standart Model'in açıkladığı üçüncü      kuvvet/etkileşim ise, şiddetli kuvvettir. Bu kuvveti sadece kuarklar ve gluonlar hissederler. Bu kuvvet kuarkları birbirine bağlayarak (yapıştırarak) proton, nötron ve diğer hadronların oluşmasını sağlarlar.

            Standart modeldeki bu noktadaki temel eksik görüldüğü gibi dördüncü bir kuvvet olan kütle çekimi kuvvetinin yer almamasıdır. Standart Model'in, kütle çekimini de kapsayacak şekilde geliştirilmiş halinde bir de, parçacıklarla etkileşime girerek onlara kütle kazandıran Higgs bozonu var. Higgs bozonu için yapılan deneyler devam etmektedir.

Modern Atom Teorisine Gelirken..

           

            Madde bugün sadece günümüzün değil, geçmişin hatta çokta geçmişin merak uyandıran konularından biriydi. Empedocles, Aristoteles gibi düşünürler varlığın ateş, hava, su, toprak olmak üzerine değişmez dört ana maddeden oluştuğunu söylerken, Harekleitos “ana varlık ateştir” demiştir. Democritos ise maddelerin gözle görülemeyecek kadar küçük olan bölünemeyen atomlardan oluştuğunu ileri sürmüştü.

            Aradan geçen yüzyıllar içerisinde bilimde deneye dayalı araştırmalar atomun varlığını destekler nitelikteydi. Onunla ilgili John Dalton, J.J. Thomson, E.Rutherford, N. Bohr gibi bilim insanları isimlerini tarihe yazdıran çalışmalar yaptı. Elbetteki bu çalışmalarda eksik ve düzetilmesi gereken yerler çoktu, fakat onlar hem kendi zamanlarındaki hem de kendilerinden sonraki bilim insanlarına ışık tutmuşlardı. Bilim zaten böyle bir niteliktedir. Bilgiler elde edildiği gibi ebediyen kalmaz. Yeni veriler elde edildikçe, yanlış bilgiler ayıklanır, eksikler düzeltilir ve bu bilimin ilerlemesini sağlar.

            Bohr, günümüzdeki modern atom teorisine yakın bir model öne sürmüştü. Fakat onun enerji seviyeleri ile ilgili açıklamaları çok elektronlu atomları açıklamada yetersiz kalıyordu.

            Ancak ardından Louis de-Broglie, Heisenberg ve Schrödinger gibi bilim adamlarının yaptığı çalışmalar modern atom teorisinin gelişmesine büyük katkıda bulundu. Broglie, maddenin küçük taneciklerinin bazen tanecik bazen dalga özelliği gösterebildiği tezini ortaya koydu (Ancak ikisi de aynı anda değil) (1924).

            Heisenberg 1920’li yıllarda atomdan küçük taneciklerin davranışını inceleyerek, belirsizlik ilkesini ortaya attı : “Bir taneciğin nerede olduğu kesin olarak biliniyorsa aynı anda taneciğin nereden geldiği veya nereye gittiğini kesin olarak bilemeyiz. Benzer şekilde taneciğin nasıl hareket ettiğini biliyorsak onun yerini kesin olarak bilemeyiz”. Yani bir elektronun yerini ve hızını aynı anda belirleyemeyiz. Bunu yapabilmek için taneciği görmek gereklidir. Taneciğin görülmesi için gönderilen ışık dalgası da elektronun yerini ve hızını değiştirir. Bu nedenle de atomda elektronların çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngeler de döndüğü söylenemez.

            Son desteği de Heisenberg’in çalışmalarını destekler nitelikte Avustralyalı fizikçi Erwin Schrödinger yapacaktı. Onun açıklamalarına göre: “Atom içindeki elektronların doğru konumundan söz etmek mümkün değildir. Ancak elektronların bulunma ihtimallerinin yüksek olduğu yerler tespit edilebilir.”

            Nobel ödüllü İngiliz fizikçi Sör James Chadwick’in 1932'de nötronun yapısını keşfetmesi ile de artık modern atom teorisi oluşturulmaya hazırdı.

            Modern atom teorine geldiğimizde artık günümüzde atomun bölünebileceğini, atomun maddenin en küçük yapı taşı değil de, kimyasal bir elementin bütün özelliklerini taşıyan en küçük yapı taşı olduğunu biliyoruz. Atom taneciklerinden pozitif yüklü proton ve yüksüz nötron birlikte atomun merkezinde yani çekirdekte bulunmaktadır. Bulundukları bu yer atomun o kadar küçük bir yerini işgal eder ki, bir futbol sahasının ortasında duran küçük bir bilye gibidir.

            Elektronlar ise atomdaki çok hızlı taneciklerdir. Proton ve nötronun kütleleri birbirine yakınken, elektronun kütlesi o kadar küçüktür ki atomun kütlesini hesaplamada bile ihmal edilir. Ancak atomun çekirdek dışında kalan bütün hacmi elektronların faaliyet sahasıdır. Bunun için diyebiliriz ki elektronlar atomun hacmini oluşturan taneciklerdir.

                                                                                    

            Peki nerede bulunur bu elektronlar ? Kesin yerlerini tespit etmek mümkün değildir. Ancak dediğimiz gibi bulunma olasılığı olan yer tespit edilebilir. O da şöyledir ki Shörödinger’e göre hidrojen atomunun elektronu çekirdekten sonsuz uzaklıkta bulunabilirler. Elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu yerler ise elektron bulutu adını alır.

            Modern atom teorisine göre atom içinde elektronların davranışını belirlemek için sayı ve semboller kullanılır. Elektronun durumunu açıklayan bu sayılara kuantum sayıları denilir.

            Kuantum sayıları ;

1. Baş kuantum sayısı (n),
2. Orbital (yörüngesel) kuantum sayısı (l),
3. Manyetik kuantum sayısı (m_l),
4. Spin manyetik kuantum sayısı (m_s)

            Bu basamaklar sırayla takip edildiğinde ise bir atomun elektronun bulunma olasılığının en fazla olduğu yer yani orbitaller tespit edilebilir.

Adım Adım Atom'a..

            Democritos M.Ö. 400’lü yıllarda atomu şu sözlerle ifade etmişti; bir elmayı alın ve bir bıçakla ikiye bölün, böldüğünüz yarımlardan birisini alın ve tekrar ikiye bölün. Bölme işlemine bu şekilde devam ederken en sonunda o kadar küçük bir parçaya ulaşacaksınız ki bu parça bölünemeyecektir.  İşte bu bölünemeyen parçaya atom demiştir Democritos.

            Tabiî ki bilinen bu dönemde atom hızlıca kabul görmüş bir kavram değildi. İnsanlar atomun varlığına inanmak için 2000 yıldan biraz daha fazla bir süre bekleyecekti. Ardından 1800’lü yıllarda John Dalton yaptığı deneylerle atoma ilişkin ilk verileri elde edecekti. Tabi bunlar sadece atomun varlığına ilişkin değil aynı zaman da elementler ve bileşiklerde atomların nasıl olduğu ile de ilgiliydi (örn: Bir elementin bütün atomları aynı proton sayısına sahiptir.).

            Artık atomla ilgili verilerin gerisi gelecekti tabiî ki. Hatta Democrritos’tan o zamana kadar gelen atomun bölünemeyeceği yargısı da değişmeye başlayacaktı. Çünkü John Joseph Thomson atomun bir alt parçacağı olan elektronu keşfedecekti (1887). O, atomu küre şeklinde ve pozitif yüklü olarak nitelendirirken, elektronları da bu küreye gömülü negatif tanecikler olarak belirtti. Bu düşüncesini ise üzümlü kek ile örneklendirdi. Keki pozitif yüklü atoma ve üzümleri de negatif yüklü elektronlara benzetti.

            Henüz fazla bir zaman geçmedi ki Ernest Rutherford, 1911’de güneş sistemine benzeyen atom modelini öne sürdü. Bu model ise atom içindeki elektronların hareketini açıklayan bir modeldi. Tıpkı Güneş sistemimizde olduğu gibi Güneş’i atomun merkezine ve elektronların hareketini de Güneş in etrafında dönen gezegenlerin hareketlerine benzeterek açıkladı. Burada atomun merkezinin (çekirdek) pozitif yüklü protonlardan oluştuğunu ve çok küçük bir hacim kapladığını ifade etti. Atomun hacmininse büyük bir kısmını elektronlar oluşturuyordu.

            1913 yılında Niels Bohr kendi atom modeli ile ilgili görüşlerini öne sürerken bir şeyin farkındaydı: o da Ernest Rutherford’un çekirdek etrafında dönen elektronların hareketine ilişkin eksik olan kısımlar. En çok göze çarpan eksikliklerden biri ise Rutherford’un ifade ettiği modelde, elektronlar ivmeli hareket yapmaktadır. Bohr yaptığı hesaplarda ivmeli hareket ile elektronların enerji kaybedeceklerini ve en sonunda çekirdeğe düşeceğini görmüştü. Fakat gerçekte durum böyle değildir elbette, atom kararlılığını koruyan bir yapıya sahiptir.

            Bu nedenle Rutherford’un atom modeline bazı eklemeler yaptı. Elektronların çekirdek etrafında rastgele dairesel yörüngelerde değil belirli enerji seviyelerine sahip dairesel yörüngelerde bulunabileceğini açıkladı ve bahsettiği bu enerji seviyeleri ile ilgili açıklamalarda bulundu.

            Bohr’ a göre çekirdeğe en yakın enerji seviyesinde dairesel harekette bulunan elektron kararlıdır ve ışık yaymaz. Elektrona yeterli enerji verilirse, elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine sıçrar. Fakat sonuçta bu durumda atom kararsız yapıya ulaşıcaktır. Bu nedenle atom kararlı hale gelmez yani eski haline dönmek işin de almış olduğu enerji kadar enerjiyi ışın taneciği  (foton) şeklinde fırlatır. Atom bu şekilde ışıma yapar.

          

            Ancak de-Broglie’ye göre bu da eksikleri olan bir açıklamaydı. Çünkü bilinen zamanda ışığın artık sadece dalga değil aynı zamanda parçacık yapısına da sahip olduğu da biliniyordu. De-Broglie’de parçacık olarak değerlendirilen elektronlara bir sanal dalganın eşlik edebileceğini düşündü. Buna ek olarak da farklı elektron yörüngelerinin çekirdeğin etrafında kapalı dalga halkaları oluşturduğu ifade etti.

            Günümüz modern atom modeline yaklaşırken bir bilim insanına daha değinmeden olmaz. Born Heisenberg; Almanya’lı kuramsal fizikçi. Yaptığı belirsizlik, olasılık ve istatistiki hesaplar sonucunda bir elektronun uzaydaki yerinin yaklaşık olarak hesaplamanın mümkün olacağını dile getirdi. Böylece elektronun uzayın bir noktasında bulunma ihtimalinin hesaplanabileceğini göstermiş oldu (1927).