Kuantum
 

Kuantum,
Lord Kelvin, XIX.yy.'in sonuna doğru fiziğin hemen hemen tamamlandığı görüşündedir. O'na göre yalnızca ısı ve ışık kuramı üzerine bazı bilinmeyenler vardı. Fakat H. Hertz'in 1887'de keşfettiği "fotoelektrik etki ve ısı kuramı" ile, gerçekleştirilen deneyler arasında garip uyumsuzluklar baş gösteriyordu. İşin ilginç yanı, bilim adamlarının; pek önemsemediği bir konunun, tüm detaylarının önceden açıklandığı bir kuramın başlarına çorap örmeye başlamasıydı.

Alman Ağırlıklar ve Ölçüler Enstitüsü, yeni elektrik lambaları için bir ölçek ararken, fizikçi W. Wien'den bir "kara cisim'in sıcaklığıyla, onun yaydığı ışınlar arasındaki bağıntıyı belirlemesini istedi. Bilindiği üzere ısıtılan cisimler ısırdı. Sözgelimi bir bakır parçası morötesi ışınları yaymadan önce İlkin kızaracak, sonra akkor hale gelecektir. Bu aşamada cismin yaydığı maksirnurn ışınlar mora kayacaktır.

1900'da Berlin Üniversitesi profesörlerinden M. Planck bu problemi kuram yoluyla çözmeye çalışırken olanlar oldu. Planck'a göre kara cisim füzerine gelen bütün ışık, elektromagnetik dalgaları yutarak büyük enerjilere sahip olabilen cisim) ışıması-soğurması denen bu problem, gözlem ve deneylerle ancak şu şartta uyuşuyordu: Kara cisme ulaşan ya da ondan yayılan ışınların sürekli değil; aralıklı, kesik kesik enerji paketleri şeklinde olması gerekir.

Bu ifade açıkçası, klasik fizikte hep sürekli bir büyüklük olarak algılanan ve böylece işlemlere sokulan enerjinin aslında parçalı da olabileceğini söylüyordu. Bundan dolayı yeni bulguya "miktar parça" anlamında "kuantum1' denildi.

Doğrusunu söylemek gerekirse, bunu kabul etmek için klasik bilim anlayışını bir tarafa bırakmak gerekliydi.' Bu nedenle, Planck bu varsayımı gönülsüz olarak ortaya koydu ve hesap hatasının söz konusu olabileceğini vurguladı.

Teorinin tarihsel gelişimi

Planck'ın bulgusundan 5 yıl sonra A.Einstein fotoelektrik etki olarak bilinen fizik olayını açıkladı ve Nobel ödülünü almaya da hak kazandı. Einstein'e göre ışıklı parçacıklar, frekanslarıyla orantılı olarak enerji taşır ve bu enerji metallerin elektronlarına aktarılabilirdi. Böylece vakum ortamda, ışık yoluyla metalden kolayca elektron sökülebilir, elektrik akımı iletilebilirdi. Işığın C.Huygens'den beri bilinen dalga yapısı bu olayı açıklayamazdı. Çünkü çok kısa bir sürede, ışığın frekansının büyüklüğüne bağlı olarak metalden elektron sökülmesi ancak ışığın tanecik şeklinde düşünülmesiyle mümkündü. Planck haklı çıkmıştı, kesikli büyüklükler (kuantlar) görüşü anlam kazanıyor, bilim adamları mikroskobik olayları düşünürken bu çözüm ihtimalini de göz önünde tutuyorlardı.

1906'da, E.Rutherford atomun yapısının araştırılması amacıyla yaptığı deneylerde, atomun Güneş Sistemi benzeri bir yapıda olduğunu ve merkezde (+) artı yüklü bir çekirdekle bu çekirdeği çevreleyen (-) eksi yüklü elektronlardan oluştuğunu ortaya koydu. Fakat bu şekilde açıklanmış bir atomda elektronların hareketi, klasik hareket denklemleriyle incelendiğinde ortaya çelişki çıkıyordu. Çünkü, bu durumda çekirdeğin çevresinde dolanan bir elektron, eninde sonunda çekirdeğe düşmeliydi. Bu doğruysa ne dünyanın ne de evrenin varolmaması gerekiyordu. Ortada, atom kalmıyordu. Bu sorunun üstesinden Danimarkalı genç bilim adamı N.Bohr geldi.Bohr elektronlar için atom çekirdeği etrafında belirli çembersel yörüngeler öngörüyordu. Bundan hareketle, açısal momentumun kuantalı, büyüklük olduğunu belirtiyor; Planck sabitinin (h), 2n'ye bölümünün tam katları şeklinde yörüngeler düşünüyordu. Kararlı yörüngedeki elektron bu yörüngeyi ancak enerji vererek ya da enerji alarak terkedebirdi. Bu geçişlerde enerjisi "hf" ile verilen fotonlar ısınıyor ya da soğuruluyordu. Bu ifade de fotoelektrik olaydaki gibi kuantalı enerjiyi Ön görüyordu, (h: panck sabiti; f: ışığın frekansı) Okullarımızda, geçerli atom teorisi olarak işlenen, Bohr'un bu bulgusu da kuantumluluk tezini destekliyordu.

Bohr'un atom teorisinin sonraları hidrojen ve hidrojen benzeri (son yörüngesinde bir elektron taşıyan) sistemler için geçerli olduğu gözlendi. Fizikçiler artık atomik düzeydeki yapılan açıklayabilmek için tek çıkar yol olarak kuantum teorisini kullanmaya devam ettiler. Dolayısıyla teorinin ana çatısı atomik yapıların gün ışığına çıkmasıyla oluşuyordu.

Atom teorisiyle alakalı bu gelişmeler sürerken 1922'de Amerikalı fizikçi H.Comptom, X ışınları üzerine yaptığı incelemelerde; "hf" enerjili olarak düşünülen fotonların serbest elektronlara çarptırılmasıyla bu ışınların "hf/c momentumlu olarak elektronlarla etkileştiğini gözlemledi. Bununla da kalmayarak, çarpışmadan sonra açığa çıkan ışının frekansının daha küçük olduğunu tesbit etti. Bu deney şunu kesin bir şekilde belirtiyordu ki mikroskobik sistemlerde kesikli paketçik yapıda çizgisel momentum öngörülebiliyordu. Bu da kuantumluluk hipotezine bir doğrulama getirmiş, teorinin tanımı genişlemiştir.

Almanya'da Göttingen Üniversitesi'nde araştırmacı olan W. Heissenberg, hocası M.Born ve arkadaşı P. Jordan ile birlikte çok elektronlu atomların açıklanması bağlamında "matris mekaniği" teorisini ortaya attı. Yine, 1923'de Paris Üniversitesi'ne verdiği doktora teziyle L. de Broglie, Heissenberg'in fikirlerini de destekleyerek yeni bir atom anlayışı gündeme getirdi: Elektronlar bir tanecik olarak değil fakat dalga olarak yorumlanmalıydı. Böylece, çekirdeğin çevresinde dolanan her tam dalga ancak belli bir yörüngeye rastgeliyor ve neden elektronların belirli yörüngelerde dolandığı bütünüyle açığa çıkıyordu. Bohr'un farkında olmadan, sezgisiyle teorisinde söz ettiği belirli yörüngeler çıkarımı böylece doğrulanmış oluyordu. Bu durumda enerjinin kuantumlu olmasına ek olarak çizgisel momentum gibi açısal momentumun da kuantumlu bir büyüklük olabileceği resmen ispatlanıyordu.


1926'da E.Schrödinger, de Broglie tarafından yorumlanan dalga teorisini tanımlayan dalga denklemini makaleler halinde açıkladı. Fizikte, bir kuramın anlaşılabilirliği, gözlenebilirliği ve uygulanabilirliği çok önemlidir. Bu nitelikleri taşıyan dalga denklemi ve dalga görüşü fizikçiler arasında çok çabuk kabul gördü. Fakat bir yandan da nasıl olup bu dalgaların tanecik gibi, Geiger sayacında tıklamalar oluşturduğu bir sorundu. Bohr, bu problemi elektronların dalga şeklinde nitelendirilmesinin ancak soyut olarak geçerli olabileceği fikrini ortaya atarak, çalışmalarda gerektiğinde dalga Özelliğinin gerektiğinde de tanecik özelliğinin kullanılması gerektiğinin altını çizerek çözümledi.