Kuantum Mekaniği

Kuvantum teorisi (veya Kuvantum mekaniği), atomik olaylardaki enerjiyi açıklamaya yarayan bir fizik teorisidir. Kuvantum kelimesi yalnız başına kullanıldığında bir sistemin değiştirebileceği enerjinin küçük bir kısmı anlamına gelir. Mesela foton, elektromanyetik radyasyon kuvantumudur. Kuvantum teorisi enerjinin devamlı olmadığını ve seviyelere sahip olduğunu, bu seviyelerin küçük kademeler halinde değişebileceğini matematik ifadelerle açıklar. Mesela; bir atomda elektronların çekirdek etrafında kendi yörüngelerindeki hareketleri, siyah cismin küçük miktarlar halinde ısı yayması(Max Planck'ın siyah cismin radyasyonunu buluşu), fotonun elektromanyetik radyasyonu (Bohr teorisi), fotoelektrik olayı, atom spektrumu (tayfı) kuvantum teorisi ile izah edilebilir. Kuvantum 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 benzeterek, cisme ait en küçük parçalarının titreşimler yaparak yaydığı enerjisine benzetmiş ve matematik olarak bunu ifade etmiştir. Yaptığı hesaplardan, bu titreşimlerin genliklerinin sınırlı olması gerektiğini anladı. Mesela bir salınımın veya titreşimin genliği 1 m veya 2 m olabilmekteydi, arada bir değer alamamaktaydı. Bunun sonucu olarak, sadece belirli genlikteki salınımlara müsaade edildiğinden dolayı, enerji artık düzgün bir şekilde alınamamaktaydı veya yayılamamaktaydı. Böylece işlem sarsıntılı olarak, müsaade edilen bir genlikten diğer genliğe sıçrayarak ortaya çıkacaktı. Böyle bir sıçramayı ortaya çıkarmak için gerekli olan enerji miktarını bir kuvantumluk enerji olarak isimlendirdi. Ayrıca bir kuvantumluk enerjinin, salınımın frekansı ile, Planck sabiti denen sabit bir sayının çarpımına eşit olduğunu kabul etti. Bu sabite h=6,62·10-27 erg. saniye şeklinde çok küçük bir değer olduğu için sıçramalar da çok düşüktür.Bu kabuller o kadar değişiktir ki, Planck bile geçerliliğinden şüpheye düştü. Ancak 1905'te Albert Einstein, önemli bir adım atarak, bunları ciddi bir şekilde inceledi. Işığın kendisinin kuvantumların birleşmesinden meydana gelen taneciklerden ibaret olduğunun kabul edilmesi gerektiğine işaret etti. Yoksa, teoride bir dengesizlik ortaya çıkmaktaydı. Şimdi bu taneciklere foton denilmektedir ve bunların enerjileri, frekansları ile Planck sabitinin çarpımına eşittir. E=h·f. Bu kabul, metalik bir yüzeye ışığın çarpmasıyla bu yüzeyden elektronların koparılması olayını açıklayarak pekiştirdi. Buna fotoelektrik olayı denilir.

Dalga ve parçacık teorisi

On yedinci yüzyılda Isaac Newton, ışığın parçacıklardan meydana geldiğini kabul etmiş ve bir geometrik optik geliştirmişti. Ancak daha sonra meydana gelen gelişmeler ve ışığın hızının diğer şeffaf cisimlerde ölçülmesi, James Clerk Maxwell'in geliştirdiği elektromağnetik dalga teorisinin kabulünü zorlamıştı. Ancak Einstein'in çalışmasıyla parçacık teorisi canlanmış ve dalga teorisiyle rekabet eder duruma gelmiş oldu.

Atom spektrumu (tayfı)

1993'te Danimarkalı Niels Bohr kuvantum fikrini, klasik teorilerin o zamana kadar açıklayamadığı, atom spektrumu teorisine tatbik ederek önemli bir adım attı. İngiliz Ernest Rutherford'un yaptığı deneylerden, atomun minyatür güneş sistemi gibi, ortasında pozitif yüklü bir çekirdek etrafından dönen elektronlardan ibaret olduğu kabulünü getirdi. Ancak atomu tutan elektriksel kuvvetlerin, kütle çekim kuvvetlerinden farklı olduğunu iddia eden Maxwell, elektronların yörüngelerinde kararlı olmayacağını bildirdi. Buna göre elektronlar enerjilerini sürekli frekansa sahib olan ışık şeklinde yayacaklardı. Bu ise atom spektrumunda görülen ayrık frekansları açıklamaktan uzaktı. Hatta atomların kararlı durumu bile açıklanamıyordu.
Bohr klasik teorinin kabullerinden ayrılarak bazan eskiye taban tabana zıt yeni kabuller yaparak işe başladı:

Elektronlar kararlı yörüngeye sahiptirler.
Yörüngelerinde bulundukça enerji yaymamaktaydılar.
Sadece belirli yörüngeler mümkündür. (Aynen Planek belirli salınım genliklerine izin verdiği gibi.)
Elektronlar bir yörüngeden diğer yörüngeye sıçrayabilmektedirler. Ancak bu halde meydana gelen enerji farkı, foton yaymak veya almakla karşılanacaktır. Bu fotonun f frekansı da E enerji farkının h Planck sabitine bölünmesiyle elde edilecekti: f = E / h

Bu kabuller şaşırtıcı sonuçlar çıkardı. Bohr, yüksek bir yaklaşımla hidrojen atomunun spektrum frekanslarını hesapladı. Eski ve yeni kabullerin karışımı olan bu teorinin sonuçları artık herkesin dikkatini çekmekteydi.

Bir elektronun hareketinin kuvantum sayıları denilen belirli sayılara bağlı olduğu anlaşılmıştı. Kuvantum sayıları tam sayılar veya tek sayıların yarılarından ibaretti. Bu sayılar Bohr teorisindeki müsaade edilen yörüngelerle ilgiliydi. Bohr'un teorisiyle atomun içine nüfuz edilmekte olduğu için, bu teorinin önemi büyüktür. Ancak seneler sonra bilim adamları, bunun da açıklayamayacağı olaylarla karşılaştılar. Bunun sonucu olarak iki farklı yönden gelinerek bir modern teori geliştirildi.

Dalga mekaniği

1923'te Fransız Louis de Broglie, ışığın dalgalar tarafından iletilen fotonlardan ibaret olduğunu iddia etti. Ona göre elektron ve diğer atomik parçacıklar da dalgalarla hareket etmekteydi. Ayrıca iddiasının Bohr'un müsaade edilen yörüngeler kabulüyle de uyuştuğunu gösterdiyse de pek dikkati çekmedi.
Erwin Schrödinger 1925'de bu iddianın dalga kısmını alarak, Newton'un mekaniğine tatbik etti. Bu yeni ortaya çıkan Dalga mekaniği'ne göre elektronlar parçacıklar olarak değil, farazi bir matematiksel uzayda yayılı dalgalar olarak belirmekteydi. Bu kabuller, Planck'ın salınımlarının kuvantum davranışlarını, hidrojen atomunun spektrumunu açıklaması ve çok önemli kuvantum sayılarını doğrudan doğruya ortaya çıkarması yönünden, ciddiye alındı. Daha sonra yapılan deneyler De Broglie'nin madde dalgalarının mevcudiyetini de göstermiştir.

Matris mekaniği

Werner Heisenberg de 1925'de 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 (kütlesiyle hızının çarpımı) q ve p ile gösterdiğinde p kere q'nün, q kere p olmadığını ve aradaki farkının Planck sabitiyle ilgili olduğunu keşfetti. Bu, günümüzde modern atom teorisinin temel taşlarından birini teşkil etmektedir. Heisenberg'in teorisi görünüşte çok farklı zannedilen Schrödinger'inkiyle aynı sonuçları vermekteydi. Paul Dirac ise, her ikisinin klasik mekaniğe çok benzeyen kuvantum mekaniğinin özel bir şekli olduğunu gösterdi.

Belirsizlik prensibi

Yukarıdaki gelişmeleri anlatan kuvantum teorisi bir başarıdan diğerine gitmekteydi. Ancak temelinin fiziksel bakımdan tutarlı olduğunda hala şüpheler mevcuttur. Mesela p momentum ile q koordinatlarının çarpımında eğer q·p çarpımı, p·q çarpımına eşit değilse bu büyüklükler alışılagelen değerler alamamaktaydılar. 1927'de Heisenberg, belirsizlik prensibini ortaya koyarak bu konuda rahatlık sağladı.