Kuantum Mekaniği Nedir?

03.09.2017 - 09:35

Kuantum mekaniği çok küçük boyutlarla ilgilenen fizik dalıdır. Kuantum fiziği yaşamla ilgili çok ilginç sonuçlara şahit olmamızı sağlar.

Atomların ve elektronların ölçüsünde, işlerin günlük boyut ve hızlarda nasıl hareket ettiğini anlatan klasik mekanik denklemlerinden birçoğu yararlı olmaz. Klasik fizikte nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Ancak kuantum fiziğinde nesneler bunun yerine bulunma olasılıklarını içermektedir.

Daha açık bir anlatımda A noktasında olmak, aynı zamanda B noktasında olmak için bir engel değildir. Basit bir anlatım ile bunu anlamak güç olabilir. Bilmemiz gereken şey klasik mekaniğin kurallarının kuantum fiziğinde geçerli olmadığıdır.

20. yüzyılın ilk yarısında fizikte devrim niteliğinde buluşlar oldu. Bu buluşları açıklamak için fizikçiler klasik mekaniği geliştirme yoluna gittiler ancak enerji ve ışığı anlatmada klasik fizik yetersiz kalıyordu.

Kuantum Mekaniğinin Temel İlkeleri

Kuantum felsefesi, klasik mekanik fiziğin açıklayamayacağı deneylerin matematiksel açıklamalarını yapmak için ortaya kondu ve on yıllarca gelişme gösterdi.

Albert Einstein geliştirdiği görelilik teorisi ile 20. yüzyılın başlarında, fizikte yüksek hızlarda hareketi açıklayın yeni bir matematiksel devrim başlattı. Bununla birlikte, göreliliğin aksine, kuantum mekaniğinin kökenleri herhangi bir bilim adamına atfedilemez. Daha ziyade, birden fazla bilim insanı, 1900-1930 yılları arasında kademeli olarak çalışmalarda yeni veriler ortaya koymuş ve kuantum mekaniğinin ilkelerini ortaya koymuştur.

Kuantum mekaniğinin ilkeleri şöyledir:

Kuantumlanmış özellikler: Konum, hız ve renk gibi bazı özellikler farklı koşullarda farklı değerler alır. Bir grafikteki sıçrama noktaları şeklinde özellikler değişkenlik göstermektedir. Bu durum, klasik mekaniğin temel varsayımına ters düşmekteydi. Bu özelliklerin sürekli bir spektrumda var olması gerekiyordu. Bazı özelliklerin anlık olarak görülmesini açıklamak için bilim insanları ”kuantumlanmış” “nicelenmiş” veya “miktarlanmış” kavramını ortaya koymuştur.

Işık parçacıkları: Işık bazen parçacık gibi davranır. 18. Yüzyıldan itibaren yapılan deneyler ışığın dalga modeline uyduğunu söylemekteydi. Ancak kuantum mekaniğindeki bulgular gösterdi ki ışık parçacık olarak da özellik göstermektedir. Işığın dalga modeli tek başına foton özelliklerini açıklayamıyordu.

Madde Dalgaları: Maddenin dalga gibi davrandığı durumlar vardır. Bu, maddenin (elektron gibi) parçacıklar halinde var olduğunu gösteren yaklaşık 30 yıllık deneylere karşı geliyordu. Ancak kuantum teorisinin ilkelerinden biriydi.

Şimdi kuantum teorisin bu üç ilkesine daha detaylı bakalım.

Kuantumlanmış Özellikler

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck kızgın çizimlerin yaydığı ışığı spektrumdan geçirerek yayılan renklerin özelliklerini araştırıyordu. Işığın dalga modeli bilinmesine rağmen Planck spektrumla ilgili daha kesin bilgiler elde etmek istiyordu.

Her nasılsa, renkler nicelleştirildi. Işık bir dalga gibi hareket ettiği düşünüldüğünden bu beklenmedik bir şeydi. Dalga modeline göre renk değerlerinin sürekli bir spektrum olması gerektiği anlamına geliyordu.

Atomların bu tam sayı katları arasında renk üretmesini engelleyen ne olabilir? Bu çok garip görünüyordu ki, Planck nicelemeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmedi. 1900 yılında fizikte gerçekleşen bu devrimi Max Planck dahil kimse keşfetmemişti.

Planck'ın denklemi, daha sonra kuantum mekaniğinin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı içeriyordu; bugün, "Planck sabiti" olarak bilinir.

Kuantumlama, diğer fizik gizemlerini açıklamaya yardımcı oldu. Einstein, 1907'de, aynı miktarda ısıyı bir maddeye koyduğunuzda eğer farklı başlangıç sıcaklıklarını alırsanız sıcaklık değişiminin farklı olmasını Planck’ın kuantumlama hipotezini kullanarak açıkladı.

1800'lerin başından bu yana, spektroskopi bilimi, farklı elementlerin "spektral çizgiler" olarak adlandırılan belirli ışık renklerinin emisyonunu gösteriyordu. Spektroskopi, uzak yıldızlar gibi objelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir metot olsa da, bilim adamları her bir elementin ilk önce bu spesifik çizgileri neden verdiğini anlamak istiyordu.

1888'de Johannes Rydberg, hidrojenin yaydığı spektral çizgileri tanımlayan bir denklem elde etti, ancak denklemin neden çalıştığını kimse açıklayamadı. 1913’te bu durum değişti. Niels Bohr, atomun Ernest Rutherford tarafından 1911 yılında ortaya koyulan güneş sistemi modeline Planck’ın niceleme (kuantumlama) hipotezini uyguladı. Güneş sistemi modeli gezegenlerin güneş etrafında dönmesi gibi elektronların çekirdek etrafında yörüngelerde hareket ettiğini ileri sürüyordu. model Fizik 2000'e (Colorado Üniversitesi'nden bir site) göre Bohr, elektronların bir atom çekirdeğinin etrafındaki "özel" yörüngelerle sınırlandırıldığını ileri sürdü.

Sonuç olarak kuantumlama fizikteki birçok boşluğu dolduruyordu. Bu nedenle kuantum mekaniğinin temel ilkesi haline geldi.

Işık Parçacıkları

1905 yılında Einstein, ışığın dalga olarak değil de "enerji kuantumu" şeklinde hareket ettiğini öngören bir makaleyi "Işığın Emilimine ve Dönüşümüne Doğru Sezgisel Bir Bakış Açısı” adıyla yayımladı. Buna göre Einstein ışığın sadece bir dalga olmadığını, bunun yanında “enerji paketi” olduğunu öne sürdü. Einstein enerji paketinin kuantumlanmış yörüngeler arasında atlama yaptığı sırada yalnızca bir bütün olarak emilebilir veya üretilebilir diyordu.

Birkaç yıl sonra, bir elektronun kuantum yörüngeleri arasında atlamasının da bu modele uygun olduğu keşfedildi. Bu modelde, Einstein'ın enerji paketinde yörüngeler arasında atlamada enerji farkı vardır. Bu fark Planck sabitine bölündüğünde bu enerji farkı kuantum tarafından taşınan ışığın rengini belirledi.

Einstein, ortaya koyduğu bu ışık modeliyle, Planck'ın açıklanan kızgın ateşle yaptığı ışık deneyindeki renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı fenomenin davranışına dair fikirler sundu.

Ayrıca, belirli ışık renklerinin metal yüzeylerdeki nasıl elektron kopardıklarını da açıkladı. Bu durum “fotoelektrik olay” olarak bilinecekti. Buna rağmen Einstein tam olarak tatmin olamamıştı. Çünkü ortaya koyduğu ilkeler aynı zamanda ılığın dalga modeline de uyuyordu. Bu nedenle 1921’de kazandığı Nobel ödülü açıkladıklarından sadece fotoelektrik olayı içeriyordu.

Bir süre sonra 1923 yılında Artur Compton’un çalışmasıyla “Compton olayı” saçılmayı daha iyi anlamamıza fırsat verdi ve “foton” kavramı literatürdeki yerini aldı.

Bu, ışık parçacıkları (fotonlar) aslında madde parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını gösterdi ve böylece Einstein'ın hipotezini teyit etti. Işığın bir dalga ve bir parçacık gibi davranabileceği ve ışığın "dalga-parçacık ikiliğini" kuantum mekaniğinin temeline yerleştiği kesinleşti.

Madde Dalgaları

1896'da elektronun bulunmasından bu yana, maddenin parçacıklar şeklinde var olduğuna dair kanıt yavaş yavaş gelişiyordu. Yine de, ışığın dalga parçacık ikiliği göstermesi, bilim insanlarını, maddenin yalnızca parçacıklar olarak hareket etmeyle kısıtlı olup olmadığını sorgulamasına neden oldu.

Dalga parçacıklarının ikiliği de madde için geçerli olabilir mi? Bu akıl yürütme ile önemli ilerleme kaydeden ilk bilim insanı, Louis de Broglie adında bir Fransız fizikçiydi. 1924'de De Broglie, Einstein'ın özel görelilik teorisini kullanarak parçacıkların dalga benzeri özelliklere sahip olduğunu ve dalgaların partikül benzeri özelliklere sahip olduğunu göstermek istedi.

1 yıl sonra 1925'de, bağımsız olarak çalışan ve ayrı matematiksel düşünme satırları kullanan iki bilim adamı, elektronların atomlarda nasıl dolaştıklarını açıklamak için Broglie'nin mantığını uyguladılar (klasik mekanik denklemlerini kullanarak açıklanamayan bir olgu). Almanya'da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte) "matris mekaniği" geliştirerek bunu başarmıştı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger "dalga mekaniği" adlı benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger, 1926'da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi (İsviçre fizikçi Wolfgang Pauli, matris mekaniklerinin daha eksiksiz olduğunu gösteren Ürdün'e yayınlanmamış bir sonuç gönderdi).

Her bir elektronun bir atomun çekirdeği çevresinde bir dalga gibi hareket ettiği Heisenberg-Schrödinger atom modeli Rutherford-Bohr modelinin yerini almıştır. Yeni modelin bir şartı, bir elektron oluşturan dalganın uçlarının bir araya gelmesi idi.

Bu şartın bir sonucu olarak, sadece tam sayılardaki tepe ve çukur noktaları şartı sağlamaktadır. Bu da bazı özelliklerin kuantumlanmasının nedenini açıklar. Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde, elektronlar bir "dalga fonksiyonuna" uyarlar ve yörüngeler yerine "orbitaller" işgal eder. Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinin aksine, atomik orbitallerin şekilleri küreye benzemektedir.

1927'de Walter Heitler ve Fritz London, atomik orbitallerin moleküler orbitaller oluşturmak için nasıl bir araya getireceğini göstermek için dalga mekaniği geliştirdiler, böylece atomların moleküler oluşturmak için atomların birbirlerine nasıl bağlandığını gerçekten gösterdiler. Bu, klasik mekaniğin matematiği kullanılarak çözümlenemeyen bir diğer problemdi. Bu bilgiler, "kuantum kimyası" alanının doğmasına neden oldu.

Özet Olarak

Kuantum mekaniği ışığın özelliklerini inceleyerek atom dahil olmak üzere birçok konuda fizikte köklü bir değişime yol açmıştır. Bu süreç 20. Yüzyılın ilk yarısında art arda birçok bilim adamının katkılarıyla gerçekleşmiştir.

Kuantum mekaniğini anlamak için klasik mekaniğin yanında ışık dalgaları ve özel görelilik konularını iyi bilmek gerekir. Kuantum felsefesi fiziği baştan ele almamızı sağlamıştır. Bunun temelinde de Einstein gibi ender bulunan bir dahi vardır.

Fizikteki yeni yaklaşımla atom hakkındaki paradigmamız değişmiş ve atom modelinin modern hale gelmesine katkıda bulunulmuştur. Ayrıca ışığın dalga parçacık ikiliği fizikte devrim oluşturmuştur.

Etiketler:

fizik

bilim

Yorumlar

Yorum Yap