XIX. yüzyılın sonlarına doğru bilim adamları, kurallarını oluşturdukları fiziği tutarlı buluyorlardı. Özellikle, ELEKTROMAGNETİK iŞINIM'ın yapısı ve oluşumu konusundaki kuramların çok doyurucu olduğu düşünülüyordu. James Clerk MAXWELL, kısa bir süre önce, böyle bir ışınım kaynağının, hızlandırılmış elektrik yükleri olduğunu göstermişti. Ne var ki, «siyah cisimler» adı verilen ve üstlerine düşen bütün ışınımları soğuran maddeler tarafından yayımlanan ışınımlar incelenmeye başlanınca, çeşitli sorunlar belirdi. Siyah cisimlerin saldığı ışınım, birçok araştırmacı tarafından ölçüldü ve değişik dalgalardaki dağılımın matematiksel olarak açıklanması için, çeşitli çalışmalar yapıldı. Ancak, bunların hiç biri tam anlamıyla başarılı olamadı.
Kuvantum: Gerekli yanıtı, 1900 yılında, genç Alman fizikçisi Max PLANCK buldu. Yeni bir kuram ortaya atan Planck, enerjinin sürekli bir akış halinde değil, «kuvanta» (kuvantumun çoğulu) adı verilen enerji paketleri biçiminde yayımlandığını öne sürdü. Her kuvantumun taşıdığı enerji, ışınımın frekansıyla orantılıydı:

Enerji = frekans x değişmez (h'yla belirtilen bu değişmeze, «Planck değişmezi» denir).

Işınımın dalga yapısını açıklayabilmek için Planck, kuvantumların kaynaktan çıktıktan sonra, durgun su yüzeyindeki dalgalar gibi yayıldığını öne sürdü.
Fotoelektrik olayı: Çok geçmeden deneylerin, ışınımın, özellikle de ışığın, kuvantumlaşmış yapısını desteklediği görüldü. Hallwachs, bazı metallerin, görünür ışıktan daha yüksek frekanslı (dolayısıyle daha yüksek enerjili) bir ışın olan morötesi ışığa tutulduklarında, eksi yüklü tanecikler (daha sonra bunların ELEKTRON'lar olduğu anlaşılmıştır) yitirdiklerini ortaya koydu. Işığın yoğunluğu arttıkça, metalden ayrılan elektronların sayısı da artmaktaydı. Ancak, gelen ışığın belirli bir «eşik frekansı»nın üstünde olması gerekiyor ve bu frekansın altında hiç bir elektron salınmıyordu.
Söz konusu olguların, ışığın klasik dalga kuramıyla açıklanması çok zordur. 1905 yılında EİNSTE^N bunları, yeni geliştirilen kuvantum kuramıyla açıkladı. Planck'ın düşüncelerini geliştirerek, ışınım paketçiklerinin, kaynaktan çıktıktan sonra da dalga gibi yayılmadıklarını, kesikli enerji paketleri biçimindeki yapılarını koruduklarını öne sürdü. Morötesi ışığın yüksek enerji /ozonları, metal yüzeyini bombardıman ederek, elektron koparmaktaydı. Işık yoğunluğundaki artma, daha çok fotonun yüzeye çarptığını ve daha çok elektron kopardığını gösteriyordu Kuşkuşuz, bunun gerçekleşmesi, fotonların enerjisinin yeterli olmasına bağlıydı. Işığın frekansı, eşik frekansının altına düşerse, fotonlar elektron koparamazdı.
Bohr atomu: Kuvantumlaşmış ışınım kavramı, Güneş tayfında gözlenen siyah çizgilerin yorumlanabilmesini de sağladı. Bu çizgiler, Güneş atmosferinde bulunan hidrojen ve demir gibi belirli elementler nedeniyle ortaya çıkmaktaydı. Yüzyılı aşkın bir süre önce Fraunhofer ve başka araştırmacılar tarafından görülmüş olmalarına karşılık, söz konusu çizgilerin nedenleri o zamana kadar açıklanamamıştı. Cambridge' de çalışan Danimarka'lı fizikçi Niels BOHR, 1911'de RUTHERFORD tarafından önerilen atom modeli ile PlanckEinstein kuvantum kuramını birleştirdi ve 1913'te, hidrojen atomunun tayf çizgilerini açıkladı. Bohr'un modeli, Rutherford kuramının yoğun, artı yüklü çekirdek ve elektron bulutu kavramlarını koruyordu.
Bohr'un kuramına göre elektronlar, ÇEKİRDEK çevresinde belirli yörüngelerde dolaşıyor, bu yörüngeler de belirli enerjiler içeriyordu (bunlara «enerji düzeyleri» ya da «enerji durumları» denir). Bohr ayrıca, elektronların, bu enerji düzeylerinin birinden ötekine geçmedikçe hiç bir biçimde enerji salmayacağını ya da soğurmayacağını da öne sürüyordu. Foton halinde salınan ışının enerjisi, iki düzeyin enerjileri arasındaki farka eşitti. Bu kuramla Bohr, klasik fiziğin önemli bir sorununu ortadan kaldırmış oluyordu. Maxwell yasalarına göre, bir yörüngede dolaşan elektronlar, bir ışınım yapmak ve enerji yitirerek çekirdeğe düşmek zorundaydı. Bohr, tayf çizgilerini de, elektronların enerji düzeyi değiştirmesinden oluşan ışınım olarak açıkladı.
Bohr'un kuramı, elektron yörüngelerinin elips biçiminde olduğunu öne süren Sommerfeld tarafından geliştirildi. Ne var ki, bu durumda bile kuramın, hidrojenden daha karmaşık olan atomlara uygulanması oldukça zordu. Ama Bohr, on yıl sonra kuvantum kuramının sağlam matematik temellere oturmasını sağlayacak yolda, ilk adımı atmıştı.
Kuvantum mekaniği: 1924' te Prens Louisde Broglie, kuvantum kuramının önermelerinden yola çıkarak, maddenin de dalga özellikleri gösterdiğini ve Bohr'un atom modelinin, elektronun bir dalga olarak düşünülmesiyle çok daha kolay açıklanabileceğini öne sürdü. Ertesi yıl, Schrödinger, Zürich'te bu kuramı geliştirerek, dalga mekaniğim matematiksel biçime uıdirgedi ve enerjinin kuvantumlaşmasmın doğal olduğunu, bunu göstermek için bir takım yapay kabullere gerek olmadığını kanıtladı. Bunun ardından Göttingen'de Heisenberg, enerjinin kuvantumlaşmasını kabul ederek, kuvantum mekaniği tekniğini ortaya attı ve maddenin dalga özelliğinin, doğal bir sonuç olduğunu ortaya çıkardı. Birbirlerinden bağımsız çalışan bu iki bilim adamının, karşıt yaklaşımlarla birbirlerinin tamamlayıcısı olan çözümlere varabilmeleri, dalgatanecik eşdeğerliliği kuramının doğruluğunu göstermekteydi.
Heisenberg, 1926 yılında, belirsizlik ilkesini formülleştirdi. Bu ilkeye göre, bir cismin hem momentumunun, hem konumunun aynı anda ve tam bir kesinlikle ölçülmesi, maddenin dalgatanecik yapısından ötürü olanaksızdır. Ölçme üstündeki bu sınırlama, bilimsel olduğu kadar, felsefi bakımdan da önem taşımaktadır. Belirsizlik ilkesinin etkileri, ancak atomsal boyutlarda gözlenebilir. Sözgelimi, momentumu ve konumu hiç bir zaman aynı anda bilinmeyen elektronla ilgili başka bir olgu da tünel olayıdır. Buna göre elektronlar, 100 atom kalınlığındaki engellerden geçebilirler. Oysa, klasik kurama göre, bu elektronların söz konusu engellerce durdurulması gerekir. Bu özellik, çok hızlı açıp kapama sağlama amacıyla geliştirilmiş tünel DİYOT'larınm yapımında kullanılır.
' Schrödinger ve Heisenberg'in kuvantum mekaniği, P.A.M. Dirac tarafından geliştirilmiş ve kuvantum elektrodinamiği biçimini almıştır. Dirac'ın 1920'lerin sonlarındaki çalışmaları, günümüzün araştırmalarının temelini oluşturur. Öteki başarılarının yanında Dirac,
1932 yılında, özellikleri elektrona benzeyen, ama artı yüklü olan bir taneciği, yani pozitronn bulmuştur.
Günümüzde pek çok fizikçi, doğanın dört temel kuvvetinin (Bk. ALAN VE KUVVETLER) kaynaklarının, kuvantum etkileşimlerine dayandığına inanmaktadır. Bir kuvvetin, bir «değişim taneciği», bir atomaltı tanecik tarafından salınıp başka biri tarafından soğurulduğu zaman ortaya çıktığı düşünülmektedir. Elektromagnetik kuvvet halinde, virtüel fotonlar değiş tokuşa uğrarken, pi mezonlar çekirdek kuvvetleri oluştururlar. Yerçekiminin, gravitonl&rm (henüz saptanmamış olmalarına karşılık) etkilerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Sayıları gittikçe artan deneysel kanıtlar, zayıf çekirdek kuvvetlerine yolaçan ve «ara vektör oozonu» denen bir taneciğin varlığını desteklemektedir.


Kaynak:4-cilt: 4

Nüve Forum » kütüphane » Bilim ve Teknoloji » Araçlar ve Gereçler »