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 ve bu dünyanın bilim oyuncularını yakından tanıtmayı planlamaktadır.
Klasik fiziğin zirvede olduğu 1890’larda 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 tam bu noktada klasik dünya, 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...
Kuantum mekaniğini tarihsel başlangıcı ‘Siyah Cisim Işıması’ olarak isimlendirilen deneydir. Katı cisimler ısıtıldığında, katı içindeki elektronların titreşmesinin sonucu olarak görünür bir parıltı yaymasına siyah cisim ışıması diyoruz. 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 elektromanyetik ışımadaki ışının frekanslarının sadece belirli değerleri alabilmesi gerektiğini ileri sürdü (1900). Bu ifade dalga frekansının ‘Kuantumlu’, diğer bir deyişle kesikli değerde olması demekti.
1905 yılında Albert Einstein, Planck'ın fikirlerini ve 1877 yılında Hertz tarafından yapılan fotoelektrik etki olayını ele alarak ışığın parçacık özelliğini de gösterdiğini ileri sürmüştü. Fotoelektrik deneyde klasik fiziğin açıklayamadığı diğer bir durumdur. Bu deneyde metal kara cisim ışımasında olduğu gibi ısıtılmadan metalin üzerine ışık düşürülür. Metalin üzerine ışık düştüğünde aralarındaki akımın (elektron hareketinin) güçlendiğini ampermetre aracılığıyla keşfetmiştir. Işık bir metalin üzerinden yansıdığında metalden elektron kopması meydana gelmiştir. Fakat her ışık metalden elektron koparamıyor yani metalden ışın çıkaramıyordu. Işığın metalden elektron yayabilmesi için ışık frekansının metalin eşik frekansından yüksek olması gerekir sonucuna ulaştırdı. Aynı zamanda bu durumun önemli anlamı ışık dalgasal özellik değil parçacık özellik gösterir. Bu ulaşılan temel sonuç ise Einstein’e Nobel ödülü getirdi.
Kuantum fiziğine önemli katkılar sağlayan bir bilim insanı olan Broglie ortaya konan deneyleri ve öne sürülen fikirleri maddenin ikili karakteri ile açıklamaya çalıştı. Işığın kırınım olayında dalga özelliği, fotoelektrik yayılım da ise bir parçacık özelliği taşıması göstermesini bu şekilde öne sürdü. Bir ışıma alanındaki enerjinin; sadece frekansa veya dalga boyuna bağlı olan temel bir birimde bulunabileceğini ifade ederek tartışmaya yeni boyut getirdi.
Kuantum mekaniği kara cisim ışıması ve fotoelektrik dışında atom boyutunda başka bir uygulama henüz bulamamıştı. Niels Bohr bu iki önemli sonucu yakından 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. Bu yüzden kendi atom modelini, atomun ortadaki bir çekirdeğin etrafında dönen elektronlar şeklinde hayal ederek, küçük bir Güneş Sistemi modeline benzeterek 1913 yılında yayınladığı makalede ortaya koydu. Kuantum köklerini fiziğe bırakıyordu.
Bohr kendi atom modelini önerdiğinde durum şu şekildeydi: Fizikçi Johann Balmer hidrojenin spektrumunu (çeşitlilik ) açıklayan ve hiç bir kuramsal temele dayanmayan bir formül ortaya atmıştı. Formülün temel fizik kurallarından, yani o zamanki mekanik ve elektromanyetik kuramlarından çıkarılabilmesi beklese de bu mümkün değildi.
Bohr ise bu esnada klasik fizikle uyuşmayan bir kaç kabul yaparak yola başladı.
Birinci kabul: Elektronlar çekirdek etrafında her yörüngede değil sadece belli yörüngelerde dönebilir ve bu yörüngeleri “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 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 yıllarında Heisenberg ve Schrödinger kuantum mekaniğini geliştirince atomun “çalışma” prensibi büyük ölçüde anlaşılır oldu. 1928’de Paul Dirac, özel görelilik kuramı ile kuantum fiziğini birleştirerek deneylerle daha uyumlu bir elektron ve dolayısıyla atom kuramını ileri sürdü. Artık hidrojen atomunun ölçülen spektrumu ile hesap edilen spektrumu aynıydı. 1947’de spektrumda gözlenen bir detay, Dirac’ın kuramında milyonda dörtlük bir hata ortaya çıkardı. Dirac’ın kuramı hidrojenden çıkan 28 santimetre dalga boyundaki radyasyonu açıklayamıyordu. Bethe, Feynman, Schwinger, Tomonaga ve Dyson gibi fizikçiler uğraşıp problemi çözdü ve bugün deneylerle mükemmel uyum gösteren kuantum elektrodinamiğini buldu.
Bohr bütün bu gelişmeleri biraz uzaktan seyrederken 35 yaşında Kopenhag’da önemli bir kuramsal fizik enstitüsü kurdu. Bu enstitü uzun süre kuramsal fiziğin merkezlerinden biri oldu. Kuantum mekaniğinin yaygın olarak kabul edilen yorumu olan Kopenhag yorumu burada çıktı. Enstitüde bir kısım deneysel çalışmalar da yapılıyordu; hafniyum atomu burada bulundu. Aradan 100 yıl geçmişken Bohr ve Rutherford’un Güneş Sistemi’ne benzeyen atom modelinin modern fizikte sadece tarihsel açıdan önemli olduğunu düşünebiliriz, ama bu düşünce pek de doğru değil. Günümüz teknolojisi sayesinde elektron atom çekirdeğinden çok uzak yörüngelere sıçratılabiliyor ve nokta (.) büyüklüğünde atomlar oluşturuluyor. Bu atomlar Bohr’un hayal ettiği atomlara çok benziyor
Yaklaşık 30 yıl süren bu gelişmelerden sonra Kuantum Mekaniğinin temelleri atılmış oldu. Böylece Kuantum Mekaniği kimyada son derece önemli bir anlayışa, felsefeye sahip oldu.
Atomun içindeki elektronların dağılımı,oldukça küçük şeylerin davranışlarını anlatan modern bilimin fiziğin bir dalı olarak kullandığı kuantum mekaniği ile açıklanır. Bir atomun kuantum-mekanik modeli periyodik tablonun yapısını,biçimini açıklar ve kimyasal bağların yapısının nasıl olacağının belirlenmesinde bu model anlayışı temel alınır.
1923 yılında, genç ve heyecanlı fizikçi Louis de Broglie, doktora tezinde: “Fotonlar hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahipler. Belki maddenin her türlü şekli bu iki özelliğe sahiptir” öngörüsünde bulundu.
Kaynakça:
https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/fotoelektrik-olay
http://www.physics.metu.edu.tr/~btekin/bohr_atom.pdf