Kuvanta Nedir? Kuramın Kökeni Çeşitleri ve özellikleri

Fizik alanında, sonlu enerji miktarla­rının belirtilmesinde kullanılan ve Latince quantum (ne kadar?) sözcüğü­nün çoğulu quanta’dan kaynaklanan terim.

Kuvanta Kuramının Kökeni

XIX. yy. sonuna doğru fizikçiler, ışı­nımla iletilen enerji ve bu enerjinin maddesel cisimlerle karşılıklı ilişkisi üstünde durdular. Kirchhoff, belirli bir sıcaklık için, eşsıcaklıklı kapalı bir hacim içinde yayınlanan ışınımın tayf bileşiminin kara cisminkiyle aynı ol­duğunu gösterdi. Stefan ve Wien, sı­caklık, ışınımın şiddeti ve frekansı arasmda bağıntılar belirlemeyi başar­dılar. Ama olayın genel yasasını be­lirtmek için ışınımların yayınlanma bi­çimiyle ilgili bir varsayım oluşturmak gerekiyordu. Thomson, bu yayınlan­manın atomların içerdiği elektronla­rın titreşimlerinden ileri geldiğini öne sürdü ve bu enerji alışverişlerinin sü­rekli biçimde yapıldığım kabul ederek, uzun dalga boyları için deneyle çok iyi uyuşan, ama kısa dalga boyları için (yani yüksek frekanslı ışınımlar için) yanlış sonuçlar veren, matematiksel bir anlatım buldu. 1900’de, elektromagnetik kuramın doğruluğundan hiç kimsenin kuşku duymadığı sıralarda, Planck, ışınım enerjisinin, ancak tit­reşimli bir elektron tarafından kesik­li bir biçimde yayınlanabileceğini ve buna bağlı olarak, ışınımın enerji kü­meleri, yani kuvantalar taşıdığını dü­şündü. Planck, deneysel sonuçlarla son derece iyi uyuşan bir ışınım yasası buldu. Ama Planck’ın varsayımı ışı­ğın dalga kuramına ters düşüyordu. Bu nedenle Planck bu kuramı tümüy­le bir yana atmayıp kendi varsayımıy­la bağdaştırmayı denedi. Daha sonra da şöyle bir açıklama yaptı: “Biz is­ter istemez, bu ışık kuvantalarının hiç değilse oluştukları anda, gerçek bir varlıkları olduğunu kabul etmek zo­rundayız.”

Kuvanta Kuramı

Kuvanta kuramına göre, enerji ileti­mi sürekli bir biçimde gerçekleşmez; ama kuvanta adı verilen sınırlı enerji miktarlarını, yani enerji tanecikleri­ni işin içine katar. Işınım bu enerji ta­nelerini taşır ve her tanenin içerdiği enerji, bu ışınımın f frekansıyla oran­tılıdır; enerji kuvantası E = hf değerin­dedir, aksiyon (etki) kuvantumu ya da Planck değişmezi olarak adlandırılan h değişmezi, fizikte önemli bir rol oy­nar; bu değişmez çok çeşitli gözlem­ler ve deneylerden hareketle saptan­mıştır ve sonuçlar kuramın geçerliği­ni kesin bir biçimde doğrular. H de­ğişmezinin değeri, h = 6,6252.IO-³⁴ j. sn. olur.

Sözgelimi i = 0,5 um dalga boyunda­ki bir ışık için(frekansı f = 6.10¹⁴Hz), enerji kuvantasınm değeri E = 6,6252.10^_34x6.10¹⁴ =4.10-¹⁹j olur.

Kuvanta kuramı da, bağıllık kuramı gibi fizikle ilgili kavramlarda karışık­lığa yol açtı. Mutlak gerekirciliği yok eden bu kuram, bizim ölçeğimizdeki olayların betimlenmesine uyan sürekli uzam ve zaman çerçevesinin yalın olayların belirlenmesine uygun düş­mediğini göstermektedir. Bu kuram­daki gelişmeler ve sonuçlar, çağdaş fi­zikteki ilerlemelerin temelini oluştu­rur.

Sonuçlar

FOTOELEKTRİK YAYINIM. 1905’te Einstein, dalga kuramıyla bağdaşma­yan fotoelektrik yayınımın yasalarım buldu. Işık ışınları boşluk içine yerleş­tirilen alkali metallere çarptıklarında, bu metaller elektron yayınlarlar. Fre­kans belirli bir f₀ sınırının altında kaldıkça hiçbir elektron yayımı olmaz; daha büyük f frekansları için, yayın­lanan elektronların enerjisi, (f-f„) ile orantılıdır ve orantı değişmezi, kesin olarak Planc değişmezine eşittir. Böy­lece Einstein, ışığın, enerjisi hf’ye eşit olan ışık kuvantalarından, yani foton- lardan oluştuğunu kabul etti; bir fo­ton bir metale çarptığı zaman, hf enerjisi hf o ‘dan büyükse, bir elektron koparır, enerjinin hfo bölümü, kesin olarak, elektronu metalden ayırmaya yarar; öbür h (f-f_D) bölümüyse kinetik enerji haline dönüşür ve elektron be­lirli bir hız kazanır.

AKSİYON (ETKİ) KUVANTUMU. Ku­vanta kuramı, ilk biçimiyle sınırlı ola­rak atom elektronlarının titreşimlerine uygulanıyordu. Ama Planck, h de­ğişmezinin bir zaman’la çarpılmış bir enerji {)ou\e x saniye)boyutunda oldu­ğunu belirledi. Bu mekanik büyüklük bir aksiyon olarak adlandırılır. Titre­şen bir sistemde enerjinin hf kuvan tasıyla değişmesi demek, aksiyonun, değeri h olan kuvantayla değişmesi demektir. Kuramın aksiyon kuvantumu adı verilen bu yeni biçimi, daha genel kapsamlıdır ve cisimlerin kütle­sel ısılarının sıcaklıkla değişimlerinin açıklanabilmesini sağlar.

BOHR ATOMU. Çizgi tayflarının, özellikle hidrojen tayfının, deneysel verilerini açıklamak için, klasik meka­niğin yeterli olmadığını kabul etmek gerekiyordu. 1913’te, Niels Bohr, Planck’ın çalışmalarına dayanarak, çevresinde elektronların dolaştığı bir çekirdekten oluşan bir atom modeli önerdi. Bohr, belirli sayıda, hesaplanabilen,kararlı yörüngelerin varlığı­nı ve bu yörüngeler için aksiyonun belli bir kuvanta sayısına denk düştü­ğünü kabul etti. Bu yörüngeler üstün­deki elektronlar ışm yayınlamaz. Elek­tron ancak belli bir enerjiye denk dü­şen bir yörüngeden daha düşük ener­jili bir başka enerji yörüngesine geç­tiği zaman, enerjisi, iki yörüngenin enerji farkına eşit olan bir ışınım ya­yınlar. Sommerfeld ve onu izleyenle­rin tam olarak belirledikleri Bohr var­sayımı, optik tayfların kesin bir biçim­de açıklanmasını sağladı. Bu varsa­yım özellikle, atomun,her elektron yö­rüngesini dört kuvanta sayısıyla belir­leyen değerlerle, çok kesin olarak be­timlenmesini sağladı: Asal, ikincü, magnetik ve spin (dönüş) kuvanta sa­yılan.

KUVANTA MEKANİĞİ. Bohr varsa­yımlarının uygulanmasında, 1920’den başlayarak bazı zorluklar ortaya çık­tı. Gerçekten de, başından beri, ku­vanta varsayımıyla, Nevvton mekani­ğinin bir denkleminden hareketle yü­rütülen enerji hesaplan arasında çe­lişki vardı. İşte bu nedenle, Kopenhag okulunun bir başka fizikçisi olan Heisenberg, bizim uzay ve zaman çerçe­vemizin, özellikle de süreklilik kavra­mımızın tek başına ele alman bir ta­neciğin durumunu tam anlamıyla be­timlemeye yetmediğini göstermeyi ba­şardı.

Sözgelimi, yörüngeyle ilgili ola­rak,parçacıkların ancak birbirinden farklı, art arda konumları biliniyor ve hiçbir şey bu yörüngenin sürekliliği­ni gerçekleştiren ara konumların va­rolup olmadığını kamtlayamıyordu; enerjininse sıçramalarla sınırlı olarak değiştiği zaten biliniyordu. Heisenberg, bu durumların belli bir değeri aşan bir belirlilikle ölçülemeyeceğini gösterdi. Bir parçacığın doğru konu­munun bulunması istendiğinde ener­jisinin bilinmesinden vazgeçilmelidir; bunun tersi de geçerlidir; 1924’te, Broglie dalga mekaniği üstündeki te­zini yayımlayarak, hareketli parçacık­lar mekaniğinin temelim attı; Broglie çalışmasında, parçacıklar kuramıyla ışığın titreşim kuramının ustaca bire­şimim gerçekleştirip, sonuçlarım ha­reketli her taneciğe uyguladı. 1925’ten başlayarak, Heisenberg,ku­vanta kuramıyla, titreşim fiziğinin bir­birine sıkı sıkıya bağlı bulunduğu ku­vanta mekaniğinin temellerim attı. İs­tatistik matematik kuramlarıyla bağıl­lık kuramına dayanan,Schrödinger ta­rafından geliştirilen kuvanta mekani­ği özellikle nükleer fizik alanında bü­yük gelişmelere yol açtı.

Hadi Paylaş!