Fizik

Kuantum Atom Modelleri ve Erwin Schrödinger

Bilim insanları evrendeki tüm maddelerin atomlardan oluştuğunu Schrödinger öncesinden buyana bilmelerine rağmen, atomun içinin neye benzediğine ve neyden oluştuğuna dair kesin bir bilgileri söz konusu değildi, atom hakkında sadece kabaca fikirlere sahiptiler. Albert Einstein fotoelektrik etki sayesinde kurulan deney düzeneğine ve incelenen özelliğe bağlı olarak bir ışık demetinin, tıpkı küçük bilyeler gibi birbiri ardınca atılan parçacıklar ya da su yüzeyinde yayılan dalgalar gibi davranması gerektiğini açıklamıştı; Einstein elektromanyetik ışınımın parçacık özelliklerine sahip bir olay olduğuna dikkatleri çekmişti. Fizikçiler bir şekilde açıklayabildikleri doğa olaylarını gözlemlemeden ileri sürdükleri savların kabul edilebilirlikleri hakkında kesin konuşmayı pek tercih etmezler. Nitekim bu konuya bakışları da öyle oldu ve doğa olaylarını gözlemlemeye hız kesmeden devam ettiler. İlerleyen yıllarda dikkate değer başka bir şey fark edildi. Eğer elektromanyetik ışınımın dalga boyu ne kadar kısaysa, kuantumun enerji miktarı da o kadar fazla oluyordu ve böylelikle parçacık özelliği daha da çok ön plana çıkıyordu. Elbette bu özellikleri apaçık şekilde deneysel olarak gösterebilecekleri X ışınlarıyla çalışmak onlara iyi bir fikir gibi görünmeye başladı.

Tarihler 1923’ü gösterdiğinde Amerikalı fizikçi Arthur Compton ( 1892- 1962), 1927 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmasında pay sahibi olacak olan X ışınlarına dair kendi adıyla anılan (Compton etkisi) yeni bir özellik keşfetti. Compton’a göre maddenin yaydığı X ışınları dalgalarını uzunlaştırma eğilimindeydi ve X ışınları bir elektrona çarptığında, elektronun küçük miktarda enerji çekip, dalga boyunu artırmış bir şekilde geri teptiğini açıklamayı başardı. Böylelikle Compton yukarıda belirttiğimiz gibi Einstein’ın bir ışık dalgasının parçacık gibi davranabileceği fikrini kanıtlamış olmuştu. Şimdi gözler diğer öngörüye dair kanıtı bulmaya çevrilmişti. Beklenen açıklama kısa süre içerisinde Fransa’dan geldi. Aynı yıl içerisinde Fransız fizikçi Louis de Broglie (1892-1 987), kuramsal açıdan düşünülecek olursa her parçacığın aynı zamanda dalga özelliği göstermesi ve bu tür dalgaların dalga boyları, parçacığın momentumuyla (yani kütle ile hızının çarpımıyla) ters orantılı olması gerektiğini ileri sürdü. Ağır bir parçacık örneğin artı yüke sahip bir proton, kısa dalga boyunda belirtilen dalgalara sahip olmasına karşın bunların belirlenmesi zor ya da imkânsızdır. Ancak elektron gibi protona nazaran hayli küçük olan eksi yüklü parçacıkların X ışınlarınkine benzeyen dalga boylarında yukarıda belirtilen dalga özelliklerini göstermesi mümkündü. Yapılan çalışmalar gösterdi ki enerji düşükse dalga özelliği, enerji yüksekse parçacık özelliği hâkim oluyordu. Compton ve de Broglie’nin çalışmaları sonrası, bütün cisimlerin hem dalga hem de parçacık gibi davranması görüşüne haklı olarak fizikçiler kendilerini daha yakın hissetmeye başladılar.

Üç yıl sonra 1926’da Avusturyalı Fizikçi Erwin Schrödinger (1887- 1961), yeni bir fikirle ortaya çıktı. Schrödinger, bir elektronun parçacıktan çok dalga olarak görülmesi durumunda Danimarkalı fizikçi Niels Bohr’un elektron yörüngelerinin daha bir anlam kazanacağına inanıyordu. Bilindiği üzere Ernst Rutherford’un ortaya koyduğu atom modeli sayesinde bilim insanları, artık hidrojen atomunu artı yük taşıyan bir çekirdek ve çekirdeğin etrafında dönen eksi yüklü tek bir elektrondan müteşekkil olduğu genel kabul görmeye başlamıştı. Böyle düşününce elektronları, Güneş benzeri yoğun kütleçekime sahip bir yıldız etrafında dönen gezegenler gibi hayal edebilirsiniz ama öylesi şüphesiz yanıltıcı olur. Fizikçiler zeki insanlardır ayrıca isim koymada da teori oluşturmadaki maharetlerini sergilediklerinden emin olun. Bu yüzden elektronların atomun çekirdeği etrafında izlediği yolu, hayal gücümüzün gezegen yörüngelerine dair benzetmesinden ayırt etmek için orbital olarak isimlendirdiler. Elektron çekirdeğin orbitalinde dönerken bir taraftan diğerine salınım yapıyordu ve Maxwell denklemlerine göre bu salınımın elektromanyetik bir ışınımla sonuçlanması gerekiyordu. Fizikçiler burada bir sorunla karşılaştılar; şayet bu doğruysa, elektronun giderek enerji kaybetmesi ve kısa süre sonra vurulan bir uçak gibi çekirdeğin etrafında helezon çizerek ateşe dalan pervaneler misali çekirdeğin içine doğru keskin bir dalış gerçekleştirmesi gerekirdi. Tam bu noktada Danimarkalı fizikçi Niels Bohr ( l885- 1962), kuantum kuramını atom modelleri üzerine uygulayarak bu problemi çözmeye çalıştı. Bohr elektronun sadece tam kuantumlarla enerji verebileceğini öne sürdü; bunların her biri atomik ölçekte büyük bir enerji miktarına karşılık geliyordu, bundan dolayı ışınım yaydığında elektron büyük bir miktarda enerji kaybediyor ve yavaş yavaş çekirdeğin içine doğru bir helezon çizeceğine, aniden çekirdeğe daha yakın bir başka orbitale iniyordu. Elektron her enerji yaydığında bu tekrarlanıyordu ve en sonunda, artık daha fazla inemeyeceği en yakın orbitalde yerini alıyor ve nihayetinde hiç enerji vermiyordu. Tersi bir durumda atom enerji soğurursa, elektron aniden daha yüksek bir orbitale çıkıyor ve sonunda tümüyle atomu terk edene dek enerjinin daha fazla soğurulmasıyla bu durum· devam ediyordu. Elektronlar daha yüksek orbitallere inip çıktıklarında, sadece belirli dalga boylarını ışıma yapıyorlar ve farklı koşullarda da aynı dalga boylarını soğurabiliyorlardı. Tüm bunlara rağmen Bohr’un düşüncesi mükemmel değildi zira atomun yörüngelerinde birçok elektronun varlığı işleri karıştırabilirdi; fakat tek elektronuyla hidrojen daha kolay bir örnekti. Ayrıca Bohr’un hidrojenin tayfında (birleşik bir ışık demetinin bir biçmeden geçtikten sonra ayrıldığı basit renklerden oluşmuş görüntü) hesaba katmadığı birtakım ayrıntılar vardı. Aynı zamanda elektron belirli bir yörüngede ileri geri salınırken neden enerji kaybetmediğine dair herhangi bir açıklaması da yoktu, hal böyleyken neden salınımı durmuyordu? İleriki yıllarda hatalar zamanla düzeltildi ve bu çalışmasıyla Bohr, 1922 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.

Şimdi sahneye çıkma sırası Erwin Schrödinger’deydi. 1926 yılının Ocak ayının sonuna doğru Schrödinger, o meşhur denkleminde içinde yer aldığı “Özdeğer Sorunu Olarak Kuantizasyon” isimli makalesini yayımladı. Schrödinger denklemi, elektronları atomun içerisinde ve dışarısında madde dalgalarının sürekli hareketini öngören bir model tasarlamıştı. Kinetik enerjinin (hareket enerjisi) klasik ifadesini potansiyel enerjinin (konum enerjisi) klasik ifadesine ekleyerek, bunları takdire şayan bir şekilde Hamilton işlemcisi isimli matematiksel fonksiyon olarak yeniden türetti. Schrödinger, günümüzde de ünlü denkleminde Hamilton işlemcisini dalga fonksiyonu isimli (aynı zamanda psi fonksiyonu olarak bilinen) varlığa uygulayarak işlemcinin fonksiyonu nasıl dönüştürdüğünü gösterdi.[1] Onun kuantum kuramına göre açıklık kazandırmaya çalıştığı atom modeline göre orbital üzerinde yer alan elektronun konumu bulanık ve bilinemez olmaktan ziyade, atom çekirdeğinin etrafını kuşatan bir enerji dalgasına benziyordu. Bir dalga fonksiyonu, bir parçacığın ve bu parçacığın yükünün uzayda nasıl dağıldığını ifade eder. Schrödinger’e göre bunun bir durağan dalga oluşturması gerekiyordu ve bundan dolayı salınım yapan bir elektrik yükünü temsil etmemekle birlikte bu tür bir orbitalde kaldığı müddetçe elektronun ışık yaymasına gerek yoktu. Denklemi sağlayan herhangi bir sayı, o sayıya tekabül eden enerji seviyesini belirtiyordu ve her psi fonksiyonu, o enerji halindeki sabit bir durumu temsil ediyordu. Böylece Schrödinger’in bu görüşü Maxwell denklemlerinin getirdiği koşulları da bozmuyordu. Zaman içerisinde fizikçiler Schrödinger’in bu görüşüne dalga mekaniği adı verdiler.

Schrödinger’in dalga mekaniğiyle ortaya koyduğu yeni görüşü bilim insanları tarafından bir yıl önce ileri süren Alman fizikçi ve kuantumun kurucularından Werner Heisenberg’in matriks mekaniğinin matematiksel dengi olduğu ileri sürüldü. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi olarak bilinen matriks mekaniğinde ise durum biraz farklıydı zira Schrödinger’in bağıntısına nazaran Heisenberg’in sunduğu olgu algılarımızla çatışmaktaydı. Eğer dikkatli bir gözlemci veya iyi bir matematik hesabı yapamıyorsanız belirsizlik ilkesi hiç kuşkusuz algılarınızı altüst edebilir. Atomların kendilerine özgü dünyalarında sergiledikleri garip davranışlarını matematik denklemleriyle açıklamak bir hayli zor olabilir fakat ortaya çıkan denklemler birçok yönden zarif ve güzeldir. Fakat ne yazık ki bilimsel kuramlar, ancak algılarımızla kavrayabildiğimiz gerçek dünyaya ilişkin yaptıkları isabetli tahminler ve bu tahminleri test etmek için yaptığımız deneylerin sonuçları ölçüsünde değer kazanır. Bilim insanları makul düzeyde sabır ve kılı kırk yararcasına dikkat gösterirlerse ve dönemin bilimsel teknolojisine uygun deney aletleri ellerinde mevcutsa uygun deney düzeneği kurarak, gözlemlenebilen her şeyin tüm özelliklerinin kesin bir şekilde ölçüp ortaya çıkarılabileceklerini savunurlar. Bu, kendi içinde tutarlı gözükebilir fakat kuantum mekaniği dikkatli bir şekilde ele alındığında, bunun yanlış olduğu veya biraz farklı olduğu görülecektir ki Heisenberg’in belirsizlik ilkesi tam olarak bizlere bunu gösterdi. Heisenberg’e göre atom altı bir parçacığın momentumu ve konumu kesin bir şekilde belirlenebilirdi, fakat ikisini birden aynı anda aynı kesinlikle belirlemek mümkün değildir. Parçacığın momentumunu belirlerseniz, konumunu hakkında aynı şeyi söylemek mümkün değildi. Ortaya çıkan denkleme göre Heisenberg, momentumun bilinmesindeki belirsizliğin, konumun bilinmesindeki belirsizlikle çarpımından Planck sabitini elde etmişti. Elbette ki bu yaklaşım çoğu yönden haklıydı ancak ikisinin arasında Erwin Schrödinger’inki atomun resmini zihnimizin anlayabileceği şekilde sunması dolayısıyla daha kullanışlı ve çekici görünüyordu. Dalga mekaniği üzerinde yaptığı çalışmayla (Dirac ile birlikte) Schrödinger, 1933 Nobel Fizik Ödülü’nde pay sahibi oldu.

Sonuç olarak kuantum teorisi atomu anlamamızda büyük bir başarı sağladı. Ortaya konan görüşler birbiri üzerine eklenerek modern atom teorisine kadar uzanan yolda bizlere rehber oldu. İlk başlarda masif bir küre olarak düşlediğimiz atoma, sonrasında çekirdek (proton ve nötrondan oluştuğunu da bu süreçte keşfettik) etrafındaki orbital üzerinde dönen eksi yüklü bir parçacık ekledik ve ardından bu parçacığın belli bir yerde olmadığını eğer konumunu bilirsek momentumunu belirleyemeyeceğimiz ortaya çıktı. Schrödinger ile birlikte çekirdeğin etrafında elektronun dalgalar şeklinde bulutumsu yapısını gördük.

Günümüzde bundan daha fazlasını bilmekteyiz ancak bu başka bir konu ve bu bahsi burada sonlandırmamızda fayda var.

[1]Paul Halpern, Einstein’ın Zarı ve Schrödinger’in Kedisi, Çeviren: Serhat Atay, Kırmızı Kedi Yayınları, Nisan 2017, s:137

Reklamlar