Kuantum Devrimi,Foto-Elektrik Etki

Kuanta!

Temel sorun şuydu; ışımaya klasik fiziğin yaklaşımını kullanarak, yani yayılan ışığı bir elektromanyetik dalga olarak düşünüp çözüm getirilmeye çalışıldığında, denklemler çuvallıyordu Yüksek frekanslara doğru gidildikçe ışımanın enerjisi sonsuz oluyordu ki, bu imkânsızdı; çünkü ısınan bir metalden yayılan enerjinin sonsuz olmadığı açıktı! (Bu duruma, ‘mor ötesi felâket’ adı verilir)



Planck, sorunun cevabını matematikle oynarken buldu Getirdiği açıklamanın bir devrimi başlattığını henüz bilmiyordu…

Cevap, devrime de adını veren ‘Kuanta’ idi, yani ‘kesikli dilimler’
Planck, kara cisim ışıması deneylerinden ortaya çıkan grafikleri inceledi, olayda etkili nicelikleri düşündü ve nasıl bir denklemin böyle bir grafik verebileceği üzerinde çalıştı Ve denklemi de buldu, ama çalışmasının bilimsellik niteliği kazanabilmesi için o denklemi veren mekanizmayı da bulmalıydı Ondan öncekiler şimdiye dek, ışığın klasik dalga kuramını kullanarak mekanizmayı açıklamaya çalışmışlardı ama sonuç hep mor ötesi felaketle sonuçlanıyordu

Planck soruna devrimsel bir öneriyle yanıt aradı Işığı, dalga olarak değil de kuantalardan oluşmuş bir parçacık gibi düşünecekti Her bir ışık parçacığı (foton), bir enerji paketi halinde uzayda ilerliyordu Her bir paketin enerjisi, bir sabit (h Planck sabiti) çarpı frekanstı Garip bir yaklaşım olduğu açıktı, zira frekans aslen dalgalara has bir özellikti Planck’ın çözümü, hem ışığı parçacık olarak modelliyordu, hem de bu parçacık modellemesinde ışığı dalgaymış gibi düşünüp frekansını kullanıyordu

Ama tuttu! Her şey matematiksel bazda eksiksizdi Fakat teori deneysel bazda güvenilir değildi Planck’ın yaklaşımının kabul görebilmesi için deneysel gözlemlerle de desteklenmesi gerekiyordu Bunu da Einstein yapacaktı:

Foto-Elektrik Etki
Klasik fiziğin ışık dalga kuramına göre, ışığın şiddeti arttıkça, fırlayan elektronların da enerjisi artmalıydı Fakat metal plakanın üzerine düşen ışığın şiddeti arttırıldığında sadece metalden fırlayan elektronların sayısı artıyordu, ama her bir elektronun enerjisi aynı kalıyordu Çok garip bir şekilde, şiddeti değil de ancak frekansı arttırdıkça fırlayan elektronların enerjisi artmış oluyordu Düşük frekanslı ışıkta, şiddet ne kadar artırılırsa artırılsın hiç elektron yayımı olmuyordu, ancak her bir metal için farklı bir değerde olmak üzere, belli bir frekansın üzerinde elektron yayımı başlıyordu



Bu etki ancak Planck’ın, ışığı her biri hxf (h Planck sabiti çarpı frekans) enerjili paketçikler olarak gören yaklaşımıyla açıklanabiliyordu Einstein, Nobel ödülünü de bu buluşuyla almıştır

Işık: Tanecik? Dalga?
Fakat bu yeni devrimsel bulgu, ışığın ‘ne’ olduğuna dair büyük bir açmaz getiriyordu Çünkü mesela girişim gibi, ancak ışığın dalga kuramıyla açıklanabilen özellikler de bir vakaydı Bilim adamları artık şaka yollu Pazartesi, Çarşamba ve Cumaları ışığın dalga kuramını; Salı, Perşembe ve Cumartesileri ise parçacık kuramını kullandıklarını söylüyorlardı!

Ben bir X ışını fotonu muyum? Veya radyo dalgası fotonu? Ya da görünür ışık fotonu?!? Ya, neden tüm bunlar için endişeleniyorum ki; henüz bir dalga mıyım yoksa parçacık mı bundan bile emin değilim!
Devrim Devam Ediyor…
O zamanki mevcut atom modelindeki sorunsalı hatırlayalım Atomun pozitif ve negatif parçacıklardan oluştuğu kesindi (dikkat, henüz nötron ortada yok!) fakat bilinemeyen, bu parçacıkların atom içinde nasıl bir konumda olduklarıydı Rutherford deneyleri, merkezde kütlece yoğun pozitif yüklü bir kitlenin olduğunu göstermişti, o halde elektronlar çeperlerdeydi Ama bu durumda eğer hareketsiz duruyorlarsa elektriksel çekim nedeniyle merkeze düşmeleri gerekirdi Yok, eğer bir yörüngede dönüyorlarsa, yaydıkları radyasyon nedeniyle solukları tükenip yine merkeze düşmeleri gerekirdi –üstelik hesaplamalara göre saniyenin milyonda biri bir sürede!- Ama böyle olmadığı da açıktı; atomlar, maddeler kâinatın başlangıcından beri vardı ve elektronlar çekirdeğe düşmüyorlardı

Bu fenomeni açıklayan öneri Bohr’dan geldi:

Bohr Atom Modeli
Elektronların merkeze doğru yörüngeler arası atlayışları esnasında –çünkü artık yörüngeler arasında süreklilik olmadığından elektron, aradaki yasaklı yörüngeleri es geçerek doğrudan öbür ‘yasal’ alana sıçrıyor!- iki yörünge arasındaki enerji farkına bağlı olarak bir foton yayımlanır (fotonun enerjisi=hxf) Elektronun uygun frekansta bir foton emmesi durumunda ise, emdiği fotonun enerjisine bağlı olarak üstteki bir yörüngeye sıçramaktadır



Bohr’un modelini klasik yaklaşımdan farklı kılan en önemli özellik, elektronların yörüngelerinde süreklilik yerine ‘kesikliliği’ önermesi Klasik yaklaşıma göre, her bir yörüngenin yasal olabilmesi gerekmekte ama deney sonuçları bunun böyle olmadığını, hakikaten de elektronun sadece bazı yasal alanlarda dolanabildiğini, bunun dışındaki alanlarda bulunamadığını gösteriyor Neden böyle bir sınırlama vardı peki? Bu sorunun cevabını De Broglie verecekti

Broglie ‘Madde Dalgaları’
De Broglie, ışığın bu ikili doğasından yola çıkarak, acaba bunun tersi de olabilir mi diye sordu Yani, nasıl ki ışık bir dalga olarak biliniyordu ama kuantum bulguları onun parçacık gibi de davrandığını ortaya koymuştu; acaba parçacık olarak bilinen şeyler de dalga özelliği gösterebilir miydi? Tahmin edeceğiniz üzere kuantum dünyasında bu tür ‘absürd’ soruların cevabı genelde ‘Evet’ oluyor!
De Broglie, henüz Thomson tarafından yeni keşfedilen ve bir parçacık olduğu elektriksel etkilerden anlaşılan elektronun dalga özelliğinin de olduğunu önerdi Önerisine göre, elektronun dalga boyu h / mv; yani h Planck sabitinin elektronun kütle ile hızının çarpımına bölümüydü Tabi bu da ilginç, neden, çünkü bu eşitliğe göre dalga boyu, aslen parçacıklara has bir özellik olan kütleye bağlı Ama dedik ya, burası kuantum dünyası…
Fakat Broglie’nin önerisi, salt bu haliyle teorik bir çalışmaydı ve doğrulanması için deneysel kanıt gerekiyordu Bu da, elektronların, ancak bir dalganın gösterebileceği bir özellik olan’ kırınım’ (*) etkileri göstermesiyle ispatlandı
(*)Kırınım için bir çeşit girişim etkisi denebilir Elektronların bu etkisi için Çift Yarık Deneyi’nin anlatıldığı yere tekrar müracaat edilebilinir

Elektron kırınım desenleri

Elektron mikroskobunu duymuşsunuzdur; normalde mikroskopla görülemeyecek küçüklükteki mesafeleri bile ayırt edebilen çok güçlü bir mikroskoptur İşte bir elektron mikroskobunun çalışma prensibi ilhamını De Broglie’nin bu önerisinden almaktadır Elektron mikroskoplarında, diğer mikroskoplar gibi görünür ışıkla gözlem yapılmaz, onun yerine dalga boyu çok daha ufak olduğundan çözünürlüğü çok daha kuvvetli olacak olan elektronlar kullanılır, yani elektronların dalga özelliğinden faydalanılmaktadır

Broglie’nin bu buluşuyla, Bohr modelinde cevaplanmayan, neden bazı yasaklı alanlar olduğu sorusu da cevap bulmuş oldu Hata, elektronu parçacık gibi düşünmekten kaynaklanıyordu Oysa dalga yapısındaki bir elektron için, elbette her yörünge yasal olmayacaktı Bir dalga olan elektronun kararlı olabilmesi, sönmemesi, ancak frekansıyla uyumlu belli yarıçaplardaki yörüngelerde yer almasıyla mümkündü
Böylece, dalgaların parçacık özelliği gösterebilmesinin şoku henüz atlatılmamışken parçacıkların da dalga özelliği gösterdikleri görülmüştü

Bahsi geçen dalga özelliği gösteren bu parçacıklar (elektron, daha sonraları proton ve nötronlar ve atomik boyuttaki tüm parçacıklar) kâinatın yapı taşlarıydı ve eğer bu yapı taşı hükmündeki parçacıklar dalga iseler, karşımızda duran kâinattaki tüm maddelerin ‘maddî’ hali nasıl mümkün olabiliyordu?

Öyle görünüyordu ki, her şey iç içe geçmiş şekilde hem birer dalga idi hem de parçacık…

*
İsmail Yiğit