Bilim Nedir Son Makaleler

KLASİK FİZİKTEN KUANTUM KURAMINA

Tarafından yazılmıştır admin

Bilim adamlarının atom ve molekülleri anlamaya yönelik ilk çabaları, kısmi bir başarı ile sınırlı kalmıştır. O günlerde moleküllerin zıplayan toplar gibi davrandıklarını var­sayan fizikçiler, bu yaklaşımla moleküllere ilişkin bazı makroskopik olguları açıklayabilmekteydiler. Bu model moleküllerin kararlılıklarını, yani atomlarını bir arada tutan kuvvetleri açıklayabilmekte yetersiz kalmaktaydı. Atom ve molekül gibi küçük taneciklerin özelliklerinin, büyük cisimler için önerilen yasalarla açıklanamayacağını kavramak uzun süre almıştır. Bu durumun kabullenilmesi ise, oldukça daha uzun bir süre gerektirmiştir.

Fizikte, 1900 de Max Planck adlı genç bir Alman Fizikçi tarafından yeni bir dönem başlatılmıştır. Değişik sıcaklıklara ısıtılan katıların yayınladığı ışımaya ilişkin verilen inceleyen Planck, atom ve moleküllerin sadece enerji paketcikleri (kuant) adı verilen belirli miktarlardaki enerjiyi yayınladıklarını keşfetmiştir. O zamana kadar fizikçiler, enerjinin daima sürekli olduğunu yani ışımanın yayılmasında herhangi bir enerjinin açığa çıkamayacağını kabul etmektedirler. Halbuki Planck’ın kuantum kuramı, tüm fiziği altüst etmiştir. Bu durumun yarattığı yoğun araştırma heyecanı, doğa kavraman yönelik fikirleri bütünüyle değiştirmiştir.

Kuantum kuramını anlamak için, dalgalar hakkında bazı temel kavramların bilinmek gereklidir. Dalga, titreşmeyle enerjiyi aktaran bir olgu olarak düşünülebilir. Bir dalga­nın hızı, dalganın türüne ve yol aldığı ortama (örneğin hava, su, veya vakum) bağlıdır. Ardışık dalgalarda, eş noktalar arasındaki mesafeye, dalgaboyu λ (lamda) denir. Bir dalganın frekansı ν (nü) ise, belirli bir noktadan bir saniyede geçen dalga sayısıdır. Diğer taraftan bir dalgaya ilişkin genlik (veya yükseklik), dalganın orta çizgisinden tepesine veya çukuruna olan dik mesafe olarak tanımlanır. Aşağıdaki şekilde genlikleri aynı, ancak dalgaboyları ve frekansları farklı iki dalga görülmektedir.

Uzayda yol alan bir dalganın önemli özelliklerinden biri de hızıdır (u). Dalgaboyu ile frekansının çarpımı, dalga hızını verir.

uλ.ν

Dalgaboyu (λ), dalganın uzunluğunu ya da tek bir dalga için mesafeyi gösterir (uzaklık/dalga). Frekans (v) ise bir referans noktasından birim zamanda geçen dalga sayısını ya da birim zamandaki dalga sayısını (dalga/zaman) gösterir. Bu iki terimin çarpımı, (mesafe/zaman) yani hızı verir:

uzaklık /zaman  = (uzaklık / dalga)  X  (dalga /zaman)

Dalgaboyu genellikle metre, santimetre veya nanometre birimleriyle ifade edilir. Fre­kans ise hertz (Hz) birimindedir.

1 Hz  = 1  çevrim/s

Frekansı ifade ederken “çevrim” sözcüğü pek kullanılmaz. Onun yerine örneğin, 25/s denir. Bunun anlamı saniyede 25 çevrimdir ve “saniyede 25” olarak okunur.

Elektromanyetik Işıma

Dalgalar, su dalgaları, ses dalgaları, ışık dalgaları gibi birçok farklı türde olabi­lirler. 1873’de James Clerk Maxwell görünür ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu öne sürer. Maxwell kuramına göre, bir elektromanyetik dalganın, bir elektrik alan bileşeni, bir de manyetik alan bileşeni bulunur. Bu iki bileşen aynı dalgaboyu, aynı frekans ve dolayısıyla aynı hıza sahip olmasına karşın, birbirlerine dik iki düzlemde yol alırlar.

Maxwell kuramı, ışığın genel davranışının matematiksel olarak açıklanabilmesi bakımından çok önemlidir. Maxwell modeli, ışıma halindeki enerjinin, uzayda titreşen elektrik ve manyetik alanlar olarak nasıl ilerlediğini tam olarak açıklayabilmektedir. Enerjinin, elektromanyetik dalgalar halinde yayınlanma ve iletilmesi, elektromanyetik ışıma olarak adlandırılır.

Elektromanyetik dalgalar vakumda yaklaşık 3,00 X 108 m/s ya da 186,000 mil/s hızla yol alırlar. Bu hız, bir ortamdan bir diğer ortama (vakum ile hava gibi) farklılık göstermesine karşın, söz konusu fark hesaplamaları etkileyecek kadar önemli değildir. Elektromanyetik ışımanın hızı ya da daha yaygın şekilde anıldığı gibi ışık hızı, c sem­bolü ile ifade edilir. Elektromanyetik ışımanın dalgaboyu ise, genellikle nanometre (nm) cinsinden verilir.

Yukarıdaki şekilde dalgaboyu ve frekans birbirinden farklı, çeşitli elektromanyetik ışıma türleri görülmektedir. Uzun radyo dalgaları, radyo yayın istasyonlarında bulunan büyük antenler ile yayınlanırlar. Daha kısa olan görünür ışık dalgaları, atom ve mole­küllerdeki elektron hareketleri nedeniyle oluşurlar. En kısa ve aynı zamanda en yüksek frekansa sahip dalgalar, atom çekirdeğindeki değişiklikler sonucunda ortaya çıkan γ (gamma) ışınlandır . Göreceğimiz gibi, elektromanyetik ışıma­nın frekansı ne kadar yüksekse, enerjisi de o kadar yüksek olur. Buna göre, morötesi ışınlar, X-ışınları ve γ -ışınları yüksek enerjili ışımalardır.

Planck Kuantum Kuramı

Katılar ısıtıldıklarında, geniş bir dalgaboyu aralığında elektromanyetik ışıma yayın­larlar. Elektrikli ısıtıcıların mat kırmızı ışığı ve tungsten lambanın parlak beyaz ışığı, ısıtılan katıların ışımasına ilişkin örneklerdendir.

Ondokuzuncu yüzyılın ikinci yansında yapılan çalışmalar, cisimlerin belirli bir sıcaklıkta yayınladıkları ışıma enerjisi miktarının, ışımanın dalgaboyuna bağlı oldu­ğunu göstermiştir. Bu bağlılığın dalga kuramı ve termodinamik yasalar çerçevesinde açıklanması çabalan ise kısmen başarılı olabilmiştir. Bir kuram kısa dalgaboyu için enerji- dalgaboyu ilişkisini açıklayabilmekte başarılı olurken; uzun dalgaboyu için açıklama getirememiştir. Bir başka kuram ise, uzun dalgaboyundaki ışımalara açık­lama getirmesine karşın, kısa dalgaboyu için başarısız olmuştur. Bu durum, klasik fizik yasalarında temel bir eksikliğin var olduğu kuşkusunu doğurmuştur.

Planck, bu problemi alışılagelmiş kavramlardan çok farklı bir varsayım yardımıyla çözebilmiştir. Klasik fizik, atom ve moleküllerin herhangi bir miktardaki enerjiyi yayınlayabileceklerini (veya soğurabileceklerini) varsaymaktadır. Planck ise atomların ve moleküllerin enerjiyi, küçük paketler veya demetler gibi belirli miktarlarda yayınla­yıp soğurabileceklerini savunmuştur. Planck, enerjinin elektromanyetik ışıma şeklinde yayınlanabilen (veya soğurulabilen) en küçük miktarına kuantum adını vermiştir. Tek bir kuantumun enerjisi E ise,

E = hv

eşitliği ile ifade edilmiştir.

Yukarıda verilen eşitlikte h, Planck sabiti diye adlandırılan sabiti ve v ise ışımanın frekansını belirtmektedir. Planck sabitinin değeri, 6,63 X 10 -34 J . s dir. Frekans (v)   v = c/λ  olduğundan, 

E = h(c /λ)

Kuantum kuramına göre, enerji daima hv ın katları olarak yayınlanır. Ancak asla 1,67 hv veya 4,98 hv gibi değerlerde olamaz. Planck, kuramını ilk ortaya koyduğu günlerde enerjinin neden sabit ya da bu şekilde kesikli paketcikler halinde (kuantlı) olduğunu açıklayamamıştı. Ancak ortaya koyduğu bu hipotezle ısıtılan katıların yayınladıkları ışımaya ilişkin deneysel veriler, elektromanyetik ışıma bölgesinin tamamı için açıklanabilmekte ve kuantum kuramını destekler doğrultudaydı.

Enerjinin kuantlı ya da “demetlenmiş” halde bulunması fikri, ilk bakışta biraz garip gelse de, kuantlaşma kavramının pek çok benzerleri mevcuttur, örneğin, elek­trik yükü de kuantlıdır. Çünkü, elektrik yükü bir elektron yükü olan e nin sadece tam katları değerinde olabilir. Maddenin kendisi de kuantlıdır. Çünkü bir maddede yer alan elektron, proton, nötron ve atomların sayıları, daima tam sayılarla ifade edilir.

Para sistemimiz de kuruş adı verilen ‘’kuantum” benzeri bir temele dayanır. Hatta canlılardaki bazı süreçlerin bile kuantlı olgular oldukları söylenebilir, örneğin, tavu­ğun yumurtaları kuantlıdır. Aynı şekilde hamile bir kedi yarım veya dörtte üç yavru doğurmaz, tam sayılarda yavrular doğurur.

 

Yazar Hakkında

admin

%d blogcu bunu beğendi: