Temel düzeyde, hem radyasyon hem de madde parçacıkların ve dalgaların özelliklerini gösterirler. Bilim insanları tarafından radyasyonun parçacık benzeri özelliklere sahip olduğu ve maddenin dalga benzeri özelliklere sahip olduğunun kademeli olarak tanınması, kuantum mekaniğinin gelişmesine ivme kazandırmıştır. Newton’dan etkilenen, 18. yüzyılın çoğu fizikçisi, ışığın korpüsküler olarak adlandırdıkları parçacıklardan oluştuğuna inanmaktadır. 1800’lü yıllardan itibaren, bir ışık dalgası teorisi için kanıtlar birikmeye ve oturaklı olmaya başlamıştır. Thomas Young’ın meşhur çift yarık deneyi, monokromatik ışığın bir çift yarıktan geçmesi durumunda, ortaya çıkan iki ışının birbirine karıştığını, böylece ekranda parlak ve karanlık bantların bir saçak deseninin ortaya çıktığını göstermesi kuantum mekaniğinin (kuantum fiziğinin) teorilerileştirmesine giden yol için oldukça önemli bir adımdır.

Bantlar, bir ışık dalgası teorisi ile kolayca açıklanabilmektedir: teoriye göre, çift yarıktan gelen dalgaların tepeleri (ve olukları) ekrana geldiğinde parlak bir bant üretilir; bir dalganın tepesi diğerinin oluğu ile aynı anda geldiğinde koyu bir bant üretilir ve iki ışık demetinin etkisi iptal edilir. 1815’ten başlayarak, Fransa’dan Augustin-Jean Fresnel ve diğerleri tarafından yapılan bir dizi deney, paralel bir ışık demeti tek bir yarıktan geçtiğinde, ortaya çıkan ışının artık paralel olmadığını ancak ayrılmaya başladığını gözler önüne sermiştir; bu fenomen kırınım olarak bilinir. Işığın dalga boyu ve aparatın geometrisi (yani, yarıkların ayrılması ve genişlikleri ve yarıklardan ekrana olan mesafe) göz önüne alındığında, her durumda beklenen deseni hesaplamak için dalga teorisi kullanılabilir; teori, deneysel verilerle kesin olarak aynıdır.

Erken Temeller

1. Planck’ın radyasyon yasası

19. yüzyılın sonunda, fizikçiler neredeyse evrensel olarak ışık dalgası teorisini kabul etmişlerdi. Bununla birlikte, klasik fizik fikirleri ışığın yayılmasıyla ilgili girişim ve kırınım olaylarını açıklasa da, ışığın soğurulmasını ve yayılmasını açıklayamıyordu.

Ardından klasik fikirler kullanarak bir kara cisimden gelen radyasyonun enerji dağılımını hesaplama girişimleri başarısız oldu. (Bir kara cisim, üzerine düşen tüm radyant enerjiyi emen ve hatırlayan varsayımsal bir ideal beden veya yüzeydir.) Almanya’dan Wilhelm Wien tarafından önerilen bir formül, uzun dalga boylarındaki gözlemleri doğrulamıyordu.

1900’de Alman teorik fizikçi Max Planck cesur bir öneride bulundu. Radyasyon enerjisinin sürekli değil, daha çok kuanta adı verilen ayrı paketlerde yayıldığını varsaydı. Kuantumun E = hν ile ilişkili olduğunu sundu. Artık Planck sabiti olarak bilinen h miktarı, yaklaşık 6.62607 × 10−34 joule ∙ saniye değerine sahip evrensel bir sabittir. Planck, hesaplanan enerji spektrumunun daha sonra tüm dalga boyu aralığında gözlemle uyuştuğunu göstererek bir devrime imza atmıştır.

2. Einstein ve fotoelektrik etki

1905’te Einstein, elektronların metal bir yüzey tarafından emisyonu olan fotoelektrik etkisini açıklamak için hipotezini genişletti. Bu durumda yayılan elektronların kinetik enerjisi, yoğunluğuna değil radyasyonun frekansına bağlıdır; belirli bir metal için, altında hiçbir elektron yayılmayan bir eşik frekansı v0 vardır. Ayrıca, ışık yüzeyde parlar, yayılmaz emisyon meydana gelir; saptanabilir bir gecikme yoktur. Einstein, bu sonuçların iki varsayımla açıklanabileceğini göstermiştir:

  • Işığın, Planck’ın ilişkisi tarafından verilen enerjiyi doğrular ve fotonlardan oluştuğunu gösterir.
  • Metal içindeki bir atomun ya bütün bir fotonu emebileceği birşey olmadığını gösterir.

Emilen foton enerjisinin bir kısmı, metalin çalışma fonksiyonu olarak bilinen sabit bir enerji W gerektiren bir elektronu serbest bırakır; geri kalanı yayılan elektronun kinetik enerji meu2 / 2’sine dönüştürülür.

Bu nedenle, enerji ilişkisi “Kuantum Mekaniği” için özel bir bileşimdir. Ν ν0’dan küçükse, burada hν0 = W ise, elektron yayılmaz. Yukarıda bahsedilen deneysel sonuçların tümü 1905’te gözlemlenmemiştir, ancak Einstein’ın tüm tahminleri o zamandan beri doğrulanmıştır.

3. Bohr atom teorisi

Kuantum mekaniğinin oluşumuna giden temelleri sunmada, büyük bir katkı olarak değerlendirilebilecek, kuantum hipotezini atom spektrumlarına uygulayan gelişme Danimarka’lı Niels Bohr tarafından yapılmıştır. Gaz atomları tarafından yayılan ışığın spektrumu 19. yüzyılın ortalarından beri yoğun bir şekilde incelenmiştir. Düşük basınçta gaz atomlarından radyasyonun bir dizi farklı dalga boyundan oluştuğu bulunmuştur. Bu, sürekli bir dalga boyu aralığına dağıtılan bir katıdan gelen radyasyondan oldukça farklıdır. Gaz halindeki atomlardan ayrı dalga boyları kümesi çizgi spektrumu olarak bilinir, çünkü yayılan radyasyon (ışık) bir dizi keskin çizgiden oluşur. Çizgilerin dalga boyları elemanın karakteristiğidir ve son derece karmaşık desenler oluşturabilir. En basit spektrumlar atomik hidrojen ve alkali atomlardır (örneğin, lityum, sodyum ve potasyum).

Hidrojen için, dalga boyları λ ile ampirik formüller tarafından verilir. “Kuantum Mekaniği”  için m ve n, Rydberg sabiti olarak bilinen n > m ve R∞ ile pozitif tam sayılardır ve metre başına 1.097373157 × 107 değerine sahiptir. Belirli bir m değeri için, değişen n çizgileri bir seri oluşturur.

M = 1, Lyman serisi için çizgileridir. Spektrumun ultraviyole kısmında bulunur

M = 2, Balmer serisidir. Görünür spektrumda bulunur.

M= 3, Paschen serisidir. Kızılötesi spektrumda bulunur.

Bohr, Yeni Zelanda doğumlu İngiliz fizikçi Ernest Rutherford tarafından önerilen bir modelle yola çıkmıştır. Model, 1909’da altın atomlarını büyük, hızlı hareket eden alfa parçacıklarıyla bombalayan Hans Geiger ve Ernest Marsden’in deneylerine dayanmaktaydı; bu parçacıkların bazıları geriye doğru saptırıldığında Rutherford, atomun büyük, yüklü bir çekirdeğe sahip olduğu sonucuna vardı. Rutherford’un modelinde atom, çekirdeği güneşe ve elektronları gezegenlere benzetti. Burdan hareket ederek minyatür bir güneş sistemi modeline sahip bir atom teorisi olabileceğini düşündü.

Rutherford’un bu tahminlerine yönelik Bohr üç varsayımda bulundu. Birincisi, sonsuz sayıda yörüngenin mümkün olduğu klasik mekaniğin aksine, bir elektronun sabit durumlar olarak adlandırdığı ayrı bir yörünge kümesinden sadece birinde olabileceğini varsayıyordu. İkincisi, izin verilen tek yörüngelerin elektronun açısal momentumunun n (ℏ = h / 2π) tam sayı olduğu varsayılmıştır. Üçüncüsü, Bohr, Newton’un hareket yasalarının Güneş çevresindeki gezegenlerin yollarını hesaplamada çok başarılı olduğunu ve çekirdeğin etrafında dönen elektronlara da uygulandığını varsayıyordu. Elektron üzerindeki kuvvet (Güneş ve bir gezegen arasındaki yerçekimi kuvvetinin analogu), pozitif yüklü çekirdek ve negatif yüklü elektron arasındaki elektrostatik çekimdir.

Bu basit varsayımlarla, yörüngenin enerjisinin “Kuantum Mekaniği” için özel bileşime sahip olduğunu gösterdi;

burada E0, bilinen sabit e, kombinasyon birleşimi ile ifade edilebilecek bir sabittir. Hareketsiz bir durumdayken, atom ışık olarak enerji vermez; bununla birlikte, bir elektron, En En enerjisi olan bir durumdan daha düşük enerjili Em olan bir duruma geçiş yaptığında, “Kuantum Mekaniği” için özel bileşim tarafından verilen denklem tarafından verilen bir kuantum enerji frekansı ν ile yayılır. Ve λν = c ilişkisini kullanarak, burada c ışık hızıdır, Bohr hidrojen spektrumundaki çizgilerin dalga boyları için gerekli formülünü, Rydberg sabitinin doğru değeri ile türetmiştir.

Bohr’un teorisi ileriye doğru parlak bir adımdır. En önemli iki özelliği günümüz kuantum mekaniğinde değin korunmuştur. Bunlar, (1) durağan, yayılmayan durumların varlığı ve (2) bir geçişteki radyasyon frekansının başlangıç ve nihai durumlar arasındaki enerji farkıyla ilişkisi.

Bohr’dan önce fizikçiler radyasyon frekansının elektronun yörüngedeki dönme sıklığı ile aynı olacağını düşünmektedirler.

4. X-Işınlarının Saçılması

Daha sonralarda bilim insanları, başka bir radyasyon biçimi olan X-ışınlarının hem dalga hem de parçacık özellikleri sergilediği gerçeğiyle karşı karşıya kaldılar. Almanya’dan Max von Laue 1912’de kristallerin X-ışınları için üç boyutlu kırınım ızgaraları olarak kullanılabileceğini göstermiştir; tekniği X-ışınlarının dalga benzeri doğası için temel kanıtlar oluşturmuştur. Düzenli bir kafes içinde düzenlenmiş bir kristalin atomları X-ışınlarını saçar. Belirli saçılma yönleri için, X-ışınlarının tüm tepeleri çakışır. (Dağınık X-ışınlarının fazda olduğu ve yapıcı parazit verdiği söylenir.) Bu yönler için, dağınık X-ışını ışını çok yoğundur. Açıkçası, bu fenomen dalga davranışını gösterir. Aslında, kristal içindeki atomlar arası mesafeler ve yapıcı girişim yönleri göz önüne alındığında, dalgaların dalga boyu hesaplanabilir.

1922’de Amerikalı fizikçi Arthur Holly Compton, X-ışınlarının elektronlardan parçacıklar gibi saçıldığını gösterdi. Compton, monokromatik, yüksek enerjili X-ışınlarının grafitle saçılması üzerine bir dizi deney gerçekleştirdi. Dağınık radyasyonun bir kısmının olay X-ışınlarıyla aynı dalga boyuna λ0 sahip olduğunu, ancak daha uzun dalga boyuna λ sahip ek bir bileşen olduğunu buldu. Sonuçlarını yorumlamak için Compton, X-ışını fotonunu, sanki foton ve elektron bir çift (farklı olmayan) bilardo topu gibi grafit hedefte bir elektronu toplayan ve zıplayan bir parçacık olarak kabul etti. Enerjinin korunumu yasalarının ve momentumun çarpışmaya uygulanması, elektrona aktarılan enerji miktarı ile saçılma açısı arasında belirli bir ilişkiye yol açar.

Angle açısıyla dağılmış X-ışınları için, λ ve λ0 dalga boyları “Kuantum Mekaniği” makalesi için özel bileşim ile ilişkilidir. Compton’un formülünün deneysel doğruluğu radyasyonun davranışı için doğrudan kanıttır.

5. De Broglie’nin dalga hipotezi

Elektromanyetik radyasyonun hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahip olduğuna dair kanıtlarla karşılaşan Fransız Louis-Victor de Broglie, 1924’te büyük bir birleştirici hipotez önermiştir. De Broglie, maddenin hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olduğunu öne sürmüştür. Parçacıkların dalga gibi davranabileceğini ve dalga boylarının, λ’nın parçacığın λ = h/p ile doğrusal momentumu p ile ilişkili olduğunu öne sürmüştür.

1927’de Amerika Birleşik Devletleri’nden Clinton Davisson ve Lester Germer, de Broglie’nin elektron hipotezini doğrulamıştır. Bir nikel kristali kullanarak, bir monoenerjetik elektron demetini kırınıma uğratarak dalgaların dalga boyunun de Broglie denklemi ile elektronların momentumu ile ilişkili olduğunu göstermişlerdir. Davisson ve Germer’in araştırmasından sonra, atomlar, moleküller, nötronlar, protonlar ve diğer birçok parçacık ile benzer deneyler yapılmıştır. Hepsinin aynı dalga boyu-momentum ilişkisine sahip dalgalar gibi davrandığı gözlemlenmiştir.

Bütün bu erken safha gelişmeler kuantum mekaniği ya da kuantum fiziğinin kurulumuna, oluşmasına giden yola büyük katkı sunmuştur.

Eğer kuantum mekaniğinin oluşumunun kronolojisini tam olarak incelemek isterseniz buradan keşfedebilirsiniz. 🙂

Bu içeriği paylaş
QTurkey
QTurkey, Türkiye’deki kuantum teknolojileriyle ilgili faaliyetler için bir iletişim ve işbirliği ağıdır. “Kuantum Programlamaya Giriş” çalıştayları düzenliyor, ilgili konulardaki ilgili öğrenciler için çalışma grupları ve toplantılar organize ediyoruz ve ülke düzeyinde kuantum meraklıları için bir buluşma alanı oluşturabilme amacıyla hareket ediyoruz.

Bunları da beğenebilirsiniz

Yorum Yap

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir