Atomdan Daha Küçük Parçalar


ATOMDAN DAHA KÜÇÜK PARÇALAR
Kuantum teorisi bir atomun içinde bulunan, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkları inceler. Teorinin fikir babası olan Max Planck bir atomun içindeki parçacıklardan her birinin kendine ait özelliklere ve kuanta denilen enerjilere sahip olduğunu ortaya attı. Planck ile başlayan ve sonraki yıllarda geliştirilen kuantum teorisi, bilim tarihinin en başarılı buluşlarından biri olarak, doğadaki olayların çoğunun anlaşılmasına yardımcı olmuştur.
1600'lerin ortalarında Isaac Newton ışığın çok küçük parçacıklardan oluşmuş bir yağmur şeklinde ilerlediğini belirtmişti. 1807 yılında Thomas Young bunun doğru olmadığını ve ışığın dalgalar halinde yayıldığını ileri sürdü ve bu durumu meşhur çift yarık deneyi ile ispat etti. Birbirine yakın iki dar yarığın içinden geçen bir ışık demetinin arkadaki bir ekran üzerinde çıkardığı girişim şeklinden, ışığın dalgalar halinde ilerlediği anlaşılıyordu. Bu durum, Einstein'ın ışığın parçacıklar halinde yol aldığını ispatlamasına kadar devam etti. 1905 yılında Einstein'ın fotoelektrik etkiyi bulması ile ışığın hem dalgalar halinde hem parçacıklar halinde yayıldığı anlaşılmış oldu.
Evrendeki bütün cisimler, dalga boyları sıcaklıklarına bağlı olmak üzere, elektromanyetik radyasyon çıkarırlar. Çok sıcak cisimlerin çıkardığı radyasyonun dalga boyları spektrumun görünen ışık bölgesinde olup çok kısa dalga uzunluklarındadır. Soğuk cisimlerin çıkardıkları dalgaların boyları ise daha uzundur. En uzun dalga boyuna sahip dalgalar ise en soğuk bölgelerden geçen mikrodalga ve radyo dalgalarıdır.
Klasik fiziğe göre, dalga boyu kısaldıkça daha büyük enerji ortaya çıkar. Bunun sebebi, sabit olan ışık hızında dalga boyu ve frekansın birbiri ile ters orantılı olmasıdır. Yani dalga boyu büyüdükçe frekans azalır veya tersi olur. Dolayısıyla, enerji ile frekans orantılıdır. Bu teoriye göre, morötesi ışınımın enerjisinin çok yoğun ve büyük, dalga boyunun da çok kısa olması gerekirdi. Halbuki durum böyle değildir. Nitekim, çok kısa dalga boylu x-ışınları insanları yakıp kavurmaktadır. Teoride bir yanlışlık olmalıydı. Problemin çözümünü 1900 yılında Max Planck yaptı.
Planck, ışık dahil bütün elektromanyetik radyasyonun sadece durmadan yayılan dalgalar olmadığını, aynı zamanda, kuanta adını verdiği çok küçük enerji paketleri seli olduğunu ve çıkan bu enerji paketçiklerinin belli bir minimum ölçünün üzerinde bir boyutta bulunduklarını ileri sürdü ve bu paketlerin enerjisi ile frekansları arasındaki ilişkinin E=hf (E=enerji, f=frekans, h=6.6262x10-34 Joule x saniye) formülü ile ifade edilebileceğini gösterdi.
Bilim tarihinin en önemli formüllerinden biri olan bu eşitlik birçok olayı açıklığa kavuşturmuştur. Elektronların atom çekirdeğinin etrafında sadece belli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde yer alabilecekleri, bir yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine sıçradıklarında bir radyasyon neşredecekleri, yüksek sıcaklık ve frekanslarda bir radyasyon çıkarabilmek için büyük enerjinin gerektiği vs. bu formülle izah edilmiştir.
Planck'ın çalışmasından etkilenen Einstein 1905 yılında fotoelektrik etkiyi buldu. Buna göre, ışık veya bir elektromanyetik radyasyon bazı metal cisimlerin üzerine düştüğünde metalden elektron çıkarıp fırlatır. Einstein bu olayın sadece Planck'ın teorisinin doğru olması halinde, yani ışığın kuanta denilen küçük enerji paketleri ve belli enerji seviyelerinde ve dalga boylarında olması durumunda, geçerli olabileceğini ileri sürdü. Böylece ışığın, dalga karakterinin yanında belli enerji seviyesinde ve belli dalga boyunda paketçikler halinde yayıldığı ispat edilmiş oldu. Einstein, bu ışık paketçiklerine foton ismini verdi.
Louis de Broglie, Einstein'ın buluşunu elektronlara uyguladı ve elektronların da ışık gibi, hem dalgalar hem de parçacıklar halinde hareket ettiklerini ispat etti. De Broglie, bir parçacığın dalga uzunluğunun, Planck sabitinin parçacığın momentumuna bölümüne eşit olduğunu gösterdi. Planck sabiti 6,6262x10-34 gibi son derece küçük bir değer olduğundan, büyük momentumlara sahip günlük yaşamdaki cisimler çok küçük dalga boyuna sahip olup, onların dalgasal hareketleri fark edilememektedir. Momentumu küçük olan atomdan daha ufak parçacıklar ise, bu formüle göre, uzun dalga boylarındadır.
Maddenin günlük yaşamdaki halinde gözlenemeyen dalga-parçacık ikiliği, atomik boyutlardaki her davranışta görülür. Sonuçta, doğadaki maddeyi oluşturan bütün nesnelerin hem dalgalar hem de parçacıklar halinde davrandıkları açıklığa kavuşmuş oldu.
1927 yılında Werner Heisenberg, atomik boyutlarda maddenin ölçüm ve gözlem hassasiyetlerinin farklı olduğunu, bir parçacığın pozisyonunu hassas olarak ölçmek için yapılacak bir uğraşın onun hızını etkileyip değiştireceğini ve keza hızının ölçülmesinin pozisyonunu etkileyeceğini ileri sürdü. 1600'lerden beri kullanılan klasik fizik cisimlerin belli bir andaki pozisyon ve hızlarının hesaplanabileceğini öngörüyordu. Ve bu durum Dünya üzerindeki elle tutulur büyüklükteki cisimler için geçerliydi. Atom boyutlarındaki küçük nesneler için ise durum tamamen farklıydı. Heisenberg ise, çok küçük parçacıkların hız ve yerlerinin, aynı bir an içinde, hassas olarak ölçülemeyeceğini, birinin ölçülmesinin diğerini bozacağını belirterek, teorisine belirsizlik ilkesi adını verdi. Pozisyondaki belirsizlik miktarı ile momentumdaki belirsizlik miktarının çarpımının, 6.6262x10-34 olan Planck sabitine eşit veya ondan büyük olduğunu hesapladı.
Böylece Newton'un kurduğu klasik fizik son buldu ve yepyeni bir fizik olan kuantum mekaniği ortaya çıktı. Atomu yani maddeyi meydana getiren, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkların hiçbir kaideye uymayan tuhaf davranışlarını açıklayan kuantum mekaniği bilimde bir çığır açtı. Bir atomun içindeki dünyalar anlaşıldı, parçacık fiziği, nükleer fizik ortaya çıktı, elektronik gelişti, maser ve laser, bilgisayar, hesap makineleri gibi binlerce cihaz onun sonucu olarak, daha küçük boyutlarda daha hızlı ve verimli olarak üretildi.