kuantum teorisi - Fizik Okulunuz

KUANTUM TEORİSİ
Atomik olaylardaki enerjiyi açıklamaya yarayan bir fizik teorisidir. Kuantum kelimesi, bir
sistemin değiştirebileceği enerjinin küçük bir kısmı anlamına gelir. Mesela foton, elektroman
yetik radyasyon kuantumudur. Kuantum teorisi, enerjinin sürekli olmadığını ve seviyelere sa
hip olduğunu ve bu seviyelerin küçük kademeler halinde değişebileceğini açıklar. Mesela; bir
atomda elektronların çekirdek etrafında kendi yörüngelerindeki hareketleri, siyah cismin kü
çük miktarlar halinde ısı yayması(Max Plank’ın siyah cismin radyasyonu buluşu),fotonun
elektromanyetik radyasyonu(Bohr teorisi),fotoelektrik olayı, atom spektrumu(tayfı),kuantum
teorisi ile izah edilebilir. Kuantum teorisi üzerine yapılan çalışmalar şunlardır:
Plank’ın Radyasyon Teorisi:1901 senesinde Alman fizikçisi bir cismin ufak bir oyuğundan
yaydığı ısı enerjisinin frekans dağılımını(radyasyonunu),ışığın elektromanyetik teorisine ben
zeterek, cisme ait en küçük parçalarının titreşimler yaparak yaydığı enerjisine benzetmiş ve
matematiksel olarak bunu ifade etmiştir. Yaptığı hesaplardan, bu titreşimlerinin genliklerinin
sınırlı olması gerektiğini anlamıştır. Mesela bir salınımın ya da titreşimin genliği 1m veya 2m
olabilmekteydi, yani arada bir değer alamamaktaydı. Bunun sonucu olarak, sadece belirli gen
likteki salınımlara müsaade edildiğinden dolayı, enerji artık düzgün bir şekilde alınamamak
taydı veya yayılamamaktaydı. Böylece işlem sarsıntılı olarak, izin verilen bir genlikten diğer
genliğe sıçrayarak ortaya çıkacaktı. Böyle bir sıçramayı ortaya çıkarmak için gerekli olan ener
ji miktarını bir kuantumluk enerji olarak isimlendirdi ve bir kuantumluk enerjinin, salınım
frekansıyla plank sabiti denen bir sayının çarpımına eşit olduğunu kabul etti. Bu sabit te
h=6,62.10-34 j.s şeklinde çok küçük bir değer olduğundan sıçramalarda düşüktür.
Bu kabuller o kadar değişiktir ki,Plank bile geçerliliğinden şüpheye düşmüştür.Ancak 1905’te
Albert Einstein, önemli bir adım atarak,bunları ciddi bir şekilde inceledi.Işığın,kuantumların
birleşmesinden meydana gelen taneciklerden ibaret olduğunun kabul edilmesi gerektiğine
işaret etti.Aksi halde teoride bir dengesizlik ortaya çıkmaktaydı.Şimdi bu taneciklere foton
deniliyor ve bunların enerjileri,Plank sabiti h ile frekansları f nin çarpımına eşittir(E=h.f).Bu
kabul,metalik bir yüzeye ışığın çarpmasıyla bu yüzeyden elektronların koparılması olayını
yani fotoelektrik olayı açıklayarak pekiştirmiştir.
Dalga ve Parçacık Teorisi:17.y.y. da Isaac Newton, ışığın parçacıklardan meydana geldiğini
kabul etmiş ve bir geometrik optik geliştirmiştir. Ancak daha sonra meydana gelen gelişmeler
ve ışığın hızının diğer şeffaf cisimlerde ölçülmesi, James Clerk Maxwell’in geliştirdiği elektro
manyetik kabulünü zorlamıştır. Ancak Albert Einstein’in çalışmasıyla parçacık teorisi canlan
mış ve dalga teorisi ile rekabet eder duruma gelmiştir.
Atom Spektrumu(Tayfı):1913’te Danimarkalı Niels Bohr, kuantum fikrini,klasik teorilerin o
zamana kadar açıklayamadığı,atom spektrumu teorisine uygulayarak önemli bir adım attı.İngi
liz Ernest Rutherford’un yaptığı deneylerden,atomun minyatür güneş sistemi gibi,ortasında
pozitif yüklü bir çekirdek etrafında dönen elektronlardan ibaret olduğu kabulünü getirdi.An
cak atomu tutan elektriksel kuvvetlerin,kütle çekim kuvvetlerinden farklı olduğunu iddia eden
Maxwell,elektronların yörüngelerinde kararlı olmayacağını bildirdi.Buna göre elektronlar
enerjilerini sürekli frekansa sahip olan ışık şeklinde yayacaklardı.Bu ise,atom spektrumunda
görülen ayrık frekansları açıklamaktan uzaktı.Hatta atomların kararlı durumu bile açıklana
mıyordu.
Bohr klasik teorinin kabullerinden ayrılarak, bazen eskiyle taban tabana zıt yeni kabuller
yaparak işe başladı:
a-)Elektronlar kararlı yörüngeye sahiptirler.
b-)Yörüngelerinde bulundukça enerji yaymamaktadırlar.
UNIWEBSITY 2006-KUANTUM TEORİSİ-MURAT TÜREMİŞ
c-)Sadece belirli yörüngeler mümkündür(Aynen Plank belirli salınım genliklerine izin verdiği
gibi).
d-)Elektronlar bir yörüngeden diğerine sıçrayabilmektedirler. Ancak bu halde meydana gelen
enerji farkı, foton yaymak ve almakla karşılanacaktır. Bu fotonun f frekansı da, E enerji farkı
nın h plank sabitine bölünmesiyle elde edilecekti(f=E/h).
Bu kabuller şaşırtıcı sonuçlar ortaya çıkarmıştır. Bohr, yüksek bir yaklaşımla hidrojen(H) ato
munun spektrum frekanslarını hesapladı. Bir elektronun hareketinin kuantum sayıları denilen
belirli sayılara bağlı olduğu anlaşılmıştı. Bu kuantum sayıları tam sayılardan ibarettir.Bohr’un
teorisiyle atomun içine nüfuz edildiğinden bu teorinin önemi büyüktür.Ancak seneler sonra
bilim adamları,bununda açıklayamayacağı olaylarla karşılaştılar.Bunun sonucu olarak iki
farklı yönden gelinerek bir modern teori geliştirildi.
Kuantum Mekaniği
Dalga Mekaniği:1923’te Fransız Louis de Broglie,ışığın dalgalar tarafından iletilen fotonlar
dan ibaret olduğunu iddia etmiştir.O na göre elektronlar ve diğer atomik parçacıklar da
dalgalarla hareket etmekteydi.Ayrıca iddiasının Bohr’un müsaade edilen yörüngeler kabulü
ile de uyuştuğunu gösterdiyse de pek dikkat çekmedi.
Erwin Schrödinger,1925’te bu iddianın dalga kısmını alarak,Newton’un mekaniğine uyguladı.
Ortaya çıkan dalga mekaniğine göre elektronlar, parçacıklar olarak değil, hayali bir matematik
sel uzayda yayılı dalgalar olarak belirmekteydi.Bu kabuller,Plank’ın salınımlarının kuantum
davranışlarını,H atomunun spektrumunu açıklaması ve çok önemli kuantum sayılarını doğru
dan doğruya ortaya çıkarması yönünden, ciddiye alındı.Daha sonra yapılan deneyler De Brog
lie’nin madde dalgalarının varlığını da göstermiştir.
Matris Mekaniği: Werner Heisenberg de 1925’te tamamen farklı bir yol takip ederek, temel
fiziksel büyüklükleri düzenli bir şekilde tablolar halinde yazdı. Bunlara matris denildiği için,
teorisi de matris mekaniği olarak isimlendirildi. Bir parçacığın koordinatını ve momentumunu
q ve p ile gösterdiğinde p.q nun q.p ye eşit olmadığını ve aradaki farkın plank sabiti ile ilgili
olduğunu keşfetti. Bu, günümüzde modern atom teorisinin temel taşlarından birini oluşturmak
tadır. Heisenberg’in teorisi, görünüşte çok farklı zannedilen Schrödinger’inkiyle aynı sonuç
ları vermekteydi. P.A.M. Dirac ise, her ikisinin klasik mekaniğe çok benzeyen kuantum meka
niğinin özel bir şekli olduğunu gösterdi.
Belirsizlik İlkesi: Kuantum teorisi temelinin, fiziksel bakımdan tutarlı olduğunda hala şüphe
ler vardı. Mesela p momentumu ile q koordinatlarının çarpımında q.p,p.q ya eşit değil ise bu
büyüklükler alışılagelen değerler alamamaktadırlar.1927’de Heisenberg, belirsizlik ilkesini
ortaya koyarak bu konuda rahatlık sağladı. Bir elektronun yerinin belirlenmek istenildiğinde,
onun aydınlandırılması yani foton gönderilmesi lazım geldiğine işaret etti. Ancak fotonun
elektrona çarpması onun hızını değiştireceğinden momentumu değişecektir. Yapılacak bir
hesap, elektronun yeni ölçüldüğünde momentumunun kesin bir şekilde ölçülemeyeceğini gös
terdi. Bu ilke, yerin belirlenmesinde yapılacak hata ile momentumunkindeki hatanın çarpımı h
plank sabitine eşittir.Yani yeri iyi bilinirse momentumu(mesela hızı) bilinmez veya tersi.Bu
ilke eşlenik sayılan, mesela zaman ile enerji gibi,büyüklükler için de geçerlidir.Sonuç olarak,
atomik dünyadaki elektron, nötron ve çekirdek gibi büyüklüklerin, günlük hayattaki büyük
lüklerden çok farklı olduğunu bilmek gerekir.
UNIWEBSITY 2006-KUANTUM TEORİSİ-MURAT TÜREMİŞ