Kuantum Kuramı, atom ve atomaltı ölçeklerde meydana gelen olayları açıklama yolunda oluşturulmuş kapsamlı bir bilimsel bilgi birikimidir. Bu birikim, insanlık tarihinde bilimsel ortak aklın ürettiği belki de en önemli, en kapsamlı doğa kavrayışıdır.

Bu yazımızda bu doğa kavrayışının gelişimini tarihsel akışı içerisinde ele alacak, bu kuramı ilk kez okuyacaklar veya konuyla orta düzeyde ilgili olan okurlar için anlaşılır olmaya çalışacak, tabii bunu yaparken konuyu asıl bağlamından koparmamaya da gayret edeceğiz.

Kuantum kuramını anlatabilmek ve anlayabilmek esaslı bir iştir. Ancak gerek bilim tarihinin önemli kilometre taşlarından biri olması, gerekse modern fiziğin –hatta giderek diğer bilim dallarının– üzerinde yükseldiği önemli sac ayaklarından biri olması nedeniyle herkesin bu konuda belli bir seviyede okuryazarlığının olmasının önemli olduğunu düşünüyoruz.

En sıradan bir konuyu anlayabilmek için bile bazı kavramları tanımak ve o konuya dair bazı temel bilgilere sahip olmak gerekir. Kaldı ki konu kuantum teorisi gibi zorlu bir konu olunca, haliyle çok daha özenli ve disiplinli olmamız, temeli daha sağlam atmamız gerekiyor. Bu yazımızın ilk bölümü kısaca bazı temel kavramların tanıtılması ile ışık ve atom fikrinin tarihsel gelişimine ayrılacaktır.

1.Bölüm: Dalgalar, Işık ve Atomlar

Şimdi biraz ışığın doğası üzerine konuşarak başlayabiliriz. Arada temel kavramları da tanıyacağız. Işığın davranışı üzerine yapılan çalışmalar çok eskilere dayanır. Optiğin temelleri üzerine neredeyse bin yıllık külliyat vardır. Ancak konu ışığın çok iyi bilinen bazı davranışlarından ziyade "doğası" olunca, işler sarpa sarmaya başladı. Işık neydi? Nasıl yayılırdı? Sorular, sorular...
Işığın doğası –ve optik– üzerine kafa patlatan en önemli isim Isaac Newton idi. Newton, karanlık bir odaya sızan gün ışığını prizmadan geçirerek onu bileşenlerine ayırdı. Beyaz ışığın sanıldığı gibi tek renk olmadığını, aksine birçok farklı renkteki ışığın bir karışımı olduğunu ortaya çıkardı. Çok geçmeden bunun sadece “görünen ışığın renkleriyle” sınırlı olmadığı anlaşılacaktı. Sonrasında yapılan çalışamalarla kırmızı ve mor ışığın "ötesinde" gözle görünmeyen başka ışınların da var olduğu deneysel olarak ortaya kondu.

Anlaşılan beyaz ışık dediğimiz şey çok sayıda görünen ve görünmeyen "ışının" bir karışımıydı. Peki bu ışık nasıl yayılmaktaydı? Bir mermi gibi gibi mi; yoksa bir su dalgası gibi mi? Anlaşılması pek uzun sürmedi. İngiliz Thomas Young ışığı çift yarıktan geçirerek onun bir dalga gibi girişim yaptığını gösterdi. Ekranda birbirini takip eden aydınlık ve karanlık çizgiler oluşmuştu. (Bu deney yazımızın içerisinde daha detaylı ele alınacaktır.)

Peki nedir bu dalga? Dalgaların temel özelliklerine kısaca bir göz atalım.
İki dalga tepesi ya da çukuru arasındaki mesafeye (bir tam devir) dalgaboyu denir. Bir saniyede üretilen dalga sayısı ise frekanstır. Dalganın tepe yüksekliği (veya çukur derinliği) ise şiddeti, gücü veya genliğidir.

Yine çok geçmeden büyük bilim insanı James Clerk Maxwell, kendisinden önce Michael Faraday’ın yapmış olduğu çalışmaları da kapsayacak şekilde dalgaların bir elektrik ve manyetik karakteri olduğunu, hatta bu iki karakterin aslında tek bir olgu olarak betimlenebileceğini oldukça şık bir kuramsal temele dayandırarak ortaya koydu.

Yani ışık için artık "Elektromanyetik Dalga" demek mümkündü. İşte size elektromanyetik dalgaların yani ışığın tayfı, spektrumu ya da başka bir deyişle izgesi! ("Yelpaze" de denebilir.)
Gözünüzün görebildiği aralığın izge içinde ne kadar küçük bir kesre denk geldiğini fark ettiniz mi? Peki ışığın enerjisi arttıkça dalga boyunun azaldığını fark ettiniz mi? Ayrıca enerjisi en yüksek (yani dalgaboyu en kısa) ışınların gama, enerjisi en düşük (yani dalgaboyu en uzun) olanlarınsa radyo dalgaları olduğuna dikkat edin.

Dalgaboyu ve frekans birbiriyle ters orantılıdır. Dolayısıyla radyo dalgaları en uzun dalgaboyuna yani en düşük frekansa sahip ışınlardır da diyebiliriz. İleride göreceğiz, bir ışın demetinin enerjisi sadece frekansı (dolayısıyla dalgaboyu) ile orantılıdır.

Şimdi de atom modellerinin tarihsel gelişimine sırayla ve hızlıca bir göz atalım. Atom kelimesi yunanca "a-tomos" yani "bölünemez" kelimesinden türetilmiştir. Ancak zaman Yunan filozoflarını haksız çıkarsa da ismi ironik bir biçimde aynı kalmıştır. Bilimsel anlamda ilk atom modelini John Dalton ortaya attı. Atom yekpare bir küre şeklinde ve yine "bölünemez" olmalıydı.

Ancak atomun aslında yekpare bir parçacık olmadığının, onun da daha küçük parçacıklardan oluşuyor olabileceğinin ilk bilimsel kanıtları William Crookes'un kendi adını taşıyan tüp ile yaptığı çalışmalarla ortaya kondu.

İşte size Crookes tüpü; diğer adıyla "Katot ışınları tüpü":
Bu tüp içerisinde yüksek voltaj altında oluşan ve elektriksel ve manyetik alanlardan etkilenen bir ışın türü keşfedildi: katot ışınları. Bu ışınlar üzerine detaylı çalışmalar yapan John Joseph Thomson, bu ışınların aslında bildiğimiz “ışık” olmadığı, aksine negatif yüke sahip ve belli bir kütlesi olan parçacıklar olduğunu oraya koydu. George Stoney bu parçacıklara "elektron" adının verilmesini önerdi.

Elektrona "hoşgeldin" dedikten sonra, geriye içinde elektronun olduğu bir atom modeli resmetmek kalıyordu. Thomson bunu yaptı. Tabii, atomda negatif elektron dışında henüz bilinmeyen bir de pozitif yük olmalıydı; aksi halde atom nötr olamazdı. Thomson şöyle bir model önerdi:

Thomson'un "üzümlü kekinin" (bu modele öyle deniyor☺) ömrü fazla uzun sürmedi.
Yeni Zelanda asıllı bir İngiliz çıktı ortaya. Ernst Rutherford yaptığı altın levha deneyi ile pozitif ve negatif yüklerin atomda homojen dağılmadığını, aksine pozitif yüklerin atomun tam merkezinde (çekirdek) küçücük bir hacimde toplandığını, atomun kendisinin ise çok büyük oranda boşluktan ibaret olduğunu gösterdi.

Atomun çekirdeği protonlardan oluşmalıydı. Bu modelde elektronlar çekirdeğin çevresinde dönmek zorundaydılar, aksi halde çekirdeğin çekim kuvvetine kapılır, protonlarla çarpışır ve atomun parçalanmasına neden olurlardı. Ancak bu modelin de bazı sıkıntılarının olduğunun anlaşılması uzun sürmedi. Bohr atom modeline geçmeden önce tekrar ışık konusuna dönmeliyiz.

Joseph von Frauenhofer: Kendisinden çok kısa bir süre önce güneşten gelen ışığın tayfında karanlık çizgiler keşfedilmişti. Frauenhofer bu karanlık (siyah) çizgileri detaylı bir şekilde inceledi. Bu nasıl olabilirdi? Bir şeyler ışığın izgesindeki belli bölgeleri "soğuruyordu". Bunlara bundan sonra absorpsiyon veya soğurma izgesi diyeceğiz.

Yeri gelmişken söyleyelim, bu çizgilere “Frauenhofer çizgileri” de denmektedir. Bir süre sonra başka yerlerden ayrı ayrı ama aynı şeyi gösteren keşifler geldi. Anlaşılan ışık ile atomlar arasında tuhaf bir bağ vardı.

Gustav Kirchoff ve Robert Bunsen ısıtılan elementlerin kendilerine özgü renklerde ışın çeşnileri yaydıklarını fark ettiler. Ancak yine her şey için çok erkendi. Buna bir anlam verecek kuramsal altyapı yoktu. Elektron bile daha yeni keşfedilmişti. Kirchoff ve Bunsen ne bulmuş bir bakalım.

Aşağıda ışığın görünen aralıktaki sürekli izgesini (tayfını) görüyoruz.

Burada ise Frauenhofer'in daha önceden keşfettiği karanlık çizgilerin olduğu "Soğurma İzgesi"nin basit bir modelini görüyoruz.

Bakın burada da Kirchoff ve Bunsen'in keşfettikleri atomlardan yayılan "Yayılım (emisyon) İzgesi" var. Bir şey fark ettiniz, değil mi?

Yayılım izgesindeki ayrık renkli çizgilerin soğurma izgesindeki karanlık bölgelere tam oturabildiklerini fark ettiniz mi? Demek ki her ne hikmetse atomlar ışığın belli frekanstaki bölgelerini emiyor yani soğuruyor ve bir şekilde soğurdukları bu ışığı, ısıtıldıklarında (bazen de kendiliklerinden) geri yayınlıyorlardı. İlginç, değil mi?

Bakın aşağıda (Bunsen'in kendi adıyla anılan) alevde ısıtılan bazı elementlerden yayılan özgün ışımaları görüyorsunuz.

Burada ise yine bazı elementlerin yaydıkları ve görünür bölgeye denk gelen bazı ışımaları görmektesiniz.

Rutherford'un atom modeli bu durum karşısında kilitlenip kalmıştı. Bir atom nasıl olurdu da ışığı soğurur ve bir süre sonra geri yayınlardı? (Elbette modelin daha başka eksiklikleri de vardı, ancak biz burada bizi ilgilendiren kısımları inceliyoruz.)

İmdada Danimarkalı bir deha yetişti: Niels Bohr. Ona göre yapılması gereken, elektronları, enerji seviyeleri birbirinden farklı katmanlara yerleştirmekti. Bu modelde elektronların enerjileri farklı katmanlara yerleşirler. Şayet ışık gelir de bir elektrona "belli büyüklükteki" enerjisini aktarırsa, elektron daha yüksek enerjili üst katmanlara sıçrar. İşte burada, ışığın spektrumundaki karanlık çizgiler, elektron tarafından “emilen” bölgeleri temsil eder. Elektron sıçradığı yüksek enerjili katmanda fazla duramaz, tabiri caizse "ben köyümü özledim" der ve daha düşük enerjili bir katmana “düşer”. Bu esnada ne mi olur? Aldığı enerjiyi ışık olarak hem de çoğunlukla aynı miktarda olmak üzere geri yayınlar. İşte bu durum yukarıda gördüğünüz renkli birkaç çizgiden oluşan emisyon spektrumunun oluşumunu açıklamaktadır.

2. Bölüm: Klasik Fiziğin ufkunda toplanmaya başlayan kara bulutlar: Fırtına yaklaşıyor...

19. yy başlarından itibaren (1800'lü yıllar boyunca) fizikçiler ve kimyacılar anlamlandıramadıkları bir dolu keşfe imza attılar. Neredeyse her buluşa "ufo gören masum köylü" havasıyla bakıyorlardı desek çok da abartmış olmayız. Çünkü kuramsal zeminleri zayıftı. Bunlardan ilkini görmüştük: Frauenhofer, Kirchoff ve Bunsen'in gözlemledikleri garip çizgiler. Bu bölümde ise klasik fiziğin kâbusu olan 3 olayı daha ele alacağız;

a) Fotoelektrik (Fotovoltaik) efekt
b) Radyoaktivite
c) Kara Cisim problemi

Bu olayları –ya da keşifleri– bilmeden, kuantum fikrinin nasıl doğduğunu anlayamayız.

Yıl 1839. Alexandre Edmond Becquerel 19 yaşında. Babasının laboratuvarında çalışırken ilk fotovoltaik düzeneği kuruyor. İyi de fotovoltaik ne demek? Şöyle ki, üzerine ışık düşen (ya da bir çözeltiye daldırılmış) metal bir levhada elektrik akımı oluşur. Becquerel bu fenomeni elbette açıklayamadı ancak tarihe not düşülmüş oldu.

Ardından 1887'de Heinrich Rudolf Hertz aynı etkiyi bu kez morötesi (ultraviyole - UV) ışık altında inceledi. Hertz de duruma açıklama getiremese de konuyu Annalen der Physik'e (o zamanların en önemli bilimsel yayın dergisi) taşıdı. Madem Hertz'den konuyu açtık, onun elektromanyetik dalgalar üzerine çalışmaları olduğunu da söyleyelim. Kendisi Radyo dalgalarını keşfetmiştir (frekansı en düşük, dalgaboyu en uzun olan ışınlar olduğunu hatırlamışsınızdır). Bir derste kendisine, "Başka tür elektromanyetik dalgalar var mıdır?" şeklinde bir soru soran öğrencisine Hertz'in, "Yok, sanıyorum..." dediği söylenir. Ama Hertz yanılıyordu...

8 Kasım 1895. Laboratuvarında deli gibi çalışan bir adam: Wilhelm Conrad Röntgen. Hani şu Crookes tüpleri vardı ya (unutmadınız, değil mi?☺), işte o tüplerle deneyler yaparken bir gün tuhaf bir şey oldu. Girişim gücü oldukça yüksek yeni bir ışın elde etmişti. Wilhelm Röntgen bu ışınlara "X ışınları" adını verdi. Çünkü ne olduğu hakkında en ufak bir fikri yoktu. Burada komik bir anekdot girelim: Karısı Anna Bertha bu keşiften yaklaşık iki hafta sonra bu ışınların önüne geçince ekranda parmak kemiklerinin iskeletini görüp korkarak, "Ölümümü gördüm!" diye çığlık atmıştır.

Antoine Henri Becquerel.
Soyadı tanıdık mı geldi? Az önce tanıdığınız Edmond Becquerel'in oğludur kendisi. Oğul Becquerel, Röntgen'in X ışınlarını keşfetmesinden sadece 1 yıl kadar sonra bu ışınların doğasını araştırırken bambaşka bir şey bulacağını nereden bilebilirdi? Becquerel bazı tuz bileşiklerini güneş ışığına maruz bırakıp sonra da bunların yaydıkları ışınları fotoğraf filmlerine alıyordu.

Bir gün babasından emanet kalan bir uranyum tuzunu hava yağmurlu olduğu için çekmecesine koydu ve birkaç gün sonra çıkarıp banyo ettirdi.

Sonra böyle bir manzara ile karşılaştı:

İlk defa böyle bir şey görüyordu. Bu nasıl olabilirdi? Kendi kendine ışın yayabilen tuhaf bir madde? Becquerel bu gizemli ışınlara "Becquerel ışınları" adını verdi. Ancak aradan çok fazla zaman geçmeden biri bu ismi değiştirecekti.

Marie Skłodowska Curie. Becquerel'in doktora öğrencisi. Curie, Becquerel'in keşfettiği bu gizemli ışınları "radyoaktif ışınlar" bu ışınları yayabilen maddeleriyse "radyoaktif maddeler" olarak adlandırdı. Aşağıdaki fotoğrafta, Curie’nin radyoaktivite üzerine çalışmalarında tuttuğu notlar görülüyor. Hâlâ radyoaktiftir bu defter; koruyucu kıyafet giymeden inceletmezler, kurşun bir muhafazada saklanır.

Şimdi de klasik fiziğin kâbusu olan bir diğer problemi ele alacağız: Kara Cisim problemi. Bir sıcaklığa sahip olan tüm nesneler ışıma yaparlar. Yeter ki mutlak sıfır noktasından (-273.15 °C ya da 0 Kelvin) sıcak olsunlar. Peki biz niye görmüyoruz bu ışınları? Çünkü cisimler yeterince sıcak oldukları vakit "görünür ışık" formunda termal radyasyon yayınlarlar. Soğuk cisimlerden yayılan termal radyasyonu göremeyiz. Şayet gözlerimiz oda sıcaklığından düşük sıcaklıklarda yayılan ışınları da (yani kızılötesi ışınlar) görebilseydi devekuşlarını belki de böyle görebilirdik.

İdeal bir kara cisim, üzerine düşen ışığı mükemmel bir şekilde soğurur. Bu yüzden siyah görünür. Peki ısıtılırsa ne olur? Isıtılan bir kara cisim giderek daha yüksek frekanslarda ışınım yapmaya başlar. Yukarıdaki örneklerde görüldüğü gibi cismin sıcaklığına bağlı olarak bu ışınların dille frekansı değişebilir. Çok yüksek veya çok düşük frekanslarda yapılan ışımaları göremiyoruz. Ancak biliyoruz ki, kara cismin yaptığı ışıma belli bir frekansta yayınlanan ışınım değil, aksine çok geniş bir frekans aralığında yayınlanan bir “ışın çeşnisi"dir.

Peki burada "problem" nedir? Problem şu: Klasik elektromanyetik dalga yaklaşımı formülleri, sıcaklık arttıkça yayılan ışınımın enerjisi de doğrusal olarak sürekli artar, diyor. Buna bir limit, sınırlama getirmiyor. Ne kadar sıcaksa o kadar yüksek enerjili ışınlar salınacağını öngörüyor. Bu durumda neden yanan bir şömineden yayılan toplam ısı enerjisinin tamamı en yüksek enerjili (frekanslı) ışınlar yoluyla yayınlanmıyor ve bizi anında kızarmış tavuğa çevirmiyor?

Aksine biz biliyoruz ki, şöminenin önünde keyifle oturup kahvemizi içiyor ve kitabımızı okuyabiliyoruz. Neler oluyor?

O zamanın klasik fizikçileri bu çıkmaza "morötesi felaket" adını vermişlerdi. Morötesi denmesi tesadüf değil elbet. Morötesi ışınlar yüksek enerjili ışınlardır. Şömine anlaşılmaz bir biçimde enerji salımının çoğunu morötesi frekanslarda yapıp tüketmek yerine bir şekilde orta frekanslarda en fazla, düşük (kızılötesi) ve yüksek enerjili (morötesi) frekanslarda ise daha az ışınım yapıyordu.

Şimdi tam burada, çözüme ulaşma noktasında daha önce yapılmış olan önemli bir çalışmadan bahsetmeliyiz.

Ludwig Boltzmann. Maxwell ile birlikte gazların kinetik teorisi üzerine çalıştı. Kapalı bir kapta uçuşan gaz moleküllerinin enerjisinin sıcaklığa bağlı olarak değiştiğini gösterdi. Ancak moleküllerin her birinin enerjisini kestirmek imkansızdı. Bunun yerine "ortalama kinetik enerji" kavramından bahsetmek daha doğru olurdu. Yani herhangi bir sıcaklıkta moleküllerin kapta sağa sola uçuşma hızlarının en fazla yığılma gösterdiği yer (aşağıdaki grafiğin tepe noktası) gazın ortalama kinetik enerjisi üzerinde büyük oranda belirleyici etkiye sahiptir.

Grafiği incelediğimizde gaz moleküllerinin büyük bir kesrinin 1000-1500 hız değerleri aralığında yığıldıklarını görüyoruz. Yani gazın ortalama kinetik enerjisini büyük oranda belirleyen, bu moleküllerin sahip oldukları kinetik enerjidir.

Grafikte hızı 500'den az veya 2500'den fazla moleküller de var, ama sayıları çok az, değil mi? Hatta o kadar ki bu moleküllerin enerjilerinin gazın ortalama kinetik enerjisine katkıları yok denecek kadar azdır. Şimdi bu istatistiksel dağılımla konumuzun ne ilgisi var diyorsanız şömineden yayılan ışınım enerjisi konusunu tekrar hatırlamalısınız: Yayılan enerjinin büyük bir kesri orta frekanslı ışınlar yoluyla, pek azı ise çok yüksek veya çok düşük frekanslı ışınlar aracılığıyla salınmaktadır. Tıpkı Boltzmann'ın kapalı kapta hareket eden moleküllerinin uyduğu istatistiğe benzer şekilde! İşte buradan Max Planck, kuantum teorisinin doğumunu gerçekleştirecekti.

 

3. Bölüm: Kuantum Kuramının Doğuşu ve Yükselişi

Hepimiz doğayı bir süreklilik algısı ile deneyimliyoruz. Etrafınıza bir bakın; her şey kesintisiz akıyor, değil mi? Ancak iş doğayı en küçük ölçeklerde incelemeye gelince hiçbir şey sürekli değildi. Her şey kesikli, ayrık, öbekli yapıdaydı.

Enerji bile!

Bu kavrayışı bir Alman dehası olan Max Planck'a borçluyuz. Tarihler 1900 yılını gösterirken, hiçbir şey artık eskisi gibi olmayacaktı. Planck ortaya koydu ki, enerjinin bir kaynaktan sürekli akış göstererek yayılan bir fenomen olmadığını, tıpkı Boltzmann'ın gaz molekülleri gibi ayrı, bağımsız birimler halinde yayınlandığını düşünürsek, o zaman şöminenin neden bizi kavurmadığı anlaşılacaktı!☺

Evet! Bu muazzam bir fikirdir: enerjinin minik, miniminnacık parçacıklar, "kuanta"lar halinde yayıldığını varsaymak.

Şayet enerji bir süreklilik, yani devamlı bir akış gösteren fenomen olsaydı klasik fiziğin tahminine göre şömine bizi kızarmış tavuğa çevirmeliydi; çünkü şöminenin sıcaklığı arttıkça yayınlanan ışınımın frekansı da doğrusal olarak artmak zorundaydı. Yüksek enerjili (morötesi bölge) ışınım doğası gereği oldukça girişken ve zarar vericidir.

Ancak enerjinin Boltzmann'ın gaz molekülleri gibi ayrık birimler halinde yayınlandığını düşünürsek, o zaman şöminenin toplam enerjisinin çoğunluğu yüksek frekanstaki ışınlar yoluyla değil, aksine orta frekanstaki (enerjili) ışınlar yoluyla yayınlanacaktı ve biz de güvenle şöminemizin önüne oturup kahve & kitap keyfi yapabilecektik!

Planck'ın formülü ve eğrisi. Boltzmann'ın moleküllerinin istatistiksel dağılım grafiği ile ne kadar da uyumlu değil mi?

Siyah cisim probleminin çözümüyle kuantum “fikri” doğmuştur diyebiliriz aslında. Bu fikrin bir klasik fizikçinin (Boltzmann) klasik bir fizik problemine (gazlar) bakış açısının ayrı bir olaya (siyah cisim problemi) uyarlanmasıyla doğması ise gözden kaçırılmaması gereken güzel bir ironidir.

Hayal edin şimdi lütfen... Şu anda üzerinize güneşten gelen saniyede trilyon x trilyon x trilyon… tane parçacık çarpmakta: kuantalar! Güneş batmış olabilir, sorun değil; bu yazıyı okuduğunuz ekrandan size doğru fırlayıp gelen sayısız kuanta olduğunu söylememize artık gerek olmadığını düşünüyoruz. ☺

Kısaca aslında sürekli olarak bir kuanta yağmuruyla “ıslanmaktayız”. Enerjinin "yağmur damlaları" olan kuantalarla… Her bir kuantanın enerjisi, sadece frekansı (dolayısıyla dalgaboyu) ile orantılıdır. "h" (Planck sabiti) ise frekansı enerjiye çeviren "sabit kur'dur". Kuanta kavramı ile birlikte kuantum teorisinin temeline ilk taş konmuş oldu.

Şimdi, kara cisim problemini “kuanta devrimi” ile çözdük. Peki, fotoelektrik olayın gizemli perdesini kaldırmak için kuanta fikri bize yardımcı olabilecek mi? Planck'ın kuanta devriminden yaklaşık 5 yıl sonra dünyanın gördüğü en büyük dehalardan biri işte bu sorunun cevabını hayranlık uyandıracak bir mertebede verdi bilim dünyasına.

Albert Einstein...

Yıl 1905. Einstein, Max Planck'ın editörlüğünü yaptığı Alman Annalen der Physik dergisine üç makale gönderir. Makalelerden biri özel görelilik, diğeri Brown hareketleri (atom-moleküller üzerine), bizi en çok ilgilendiren üçüncüsü ise fotoelektrik olayın çözümü üzerine idi. Max Planck eline geçen makaleleri okudu ve dehşet içinde kaldı. Artık klasik fiziğin dolduramadığı büyük boşlukların yepyeni bir fizik anlayışıyla doldurulmaya başlandığını anlamıştı.

Einstein’in fotoelektrik olaya getirdiği çözüm nasıl olmuş kısaca bir bakalım.

Fotoelektrik etki bir ışık demetinin metal bir yüzeyden elektron sökmesi olayıdır. Klasik fiziğin bakış açısına göre durum şuydu: Işık madem bir dalgadır, o halde metali de kumsal gibi düşünürsek, kumsala vuran dalgalar nasıl ki kum tanelerini (elektron) az veya çok söküp denize sürüklüyor ise, enerjisi ister az ister çok olsun ışık da illa ki metalden elektron koparabilmeliydi. Ama işler hiç de öyle değildi. Bu dalga ne hikmetse sadece belli bir enerjinin üzerindeyse elektron sökebiliyordu. Bu eşik enerji değerinin altında ise dalga ne kadar şiddetli (yoğun) olursa olsun tek bir elektron bile sökülmüyordu! Bela!

Genç bir adam, bir patent bürosu memuru henüz 26 yaşındayken duruma el koydu. Einstein, Max Planck'ın kovuk ışıması üzerine yaptığı çalışmaları yakından takip etmişti. Konuyu nasıl ele almak gerektiğini iyi kestirdi.

Fotoelektrik etki şu şekilde işliyordu: Metal yüzeyine düşen ışığın enerjisi belli bir eşik değerin altındaysa (bu değer karakteristiktir, kullanılan metale göre değişir) ışık ne kadar şiddetli olursa olsun tek bir elektron bile sökülmüyordu. Eşik değerin üzerine çıkıldığında ise elektronlar bir bir fırlamaya başlıyordu. Işık demetinin enerjisi (eşik değerin üzerinde olmak kaydıyla) sabit tutulurken, şiddeti artırılırsa sökülen elektronların sayısı artıyordu. Işığın şiddetini sabit tutup enerjisini artırdığımızda ise sökülen elektronların hızı artıyordu. Bu, ışığın elektronlara enerji transferini belli büyüklükte “enerji paketleri” yani “kuanta”lar halinde sunduğu takdirde anlam kazanan bir durumdu. Daha açıklayıcı bir benzetim kuralım: Hesabınızda 233,65 TL olsun (gönderilen fotonun enerjisi). Şayet kredi borcunuzun taksidi (elektronun sökülebilmesi için gereken enerji) hesabınızdaki paradan 1 kuruş bile fazla olsa (233,66 TL) taksit ödenemez (elektron sökülmez). Halbuki klasik fiziğin dalga modeli yaklaşımına göre hesabınızdaki parayla her şekilde borcunuzun en azından hesabınızdaki meblağ kadarlık kısmının ödenmesi gerekmekteydi; yani ışık, enerjisine bağlı olarak muhakkak sökebileceği kadar elektron sökmeliydi.

Ancak maalesef doğa bu konuda otomatik ödeme talimatı almış bir banka bilgisayarı kadar soğuk davranıyor; ya hesabınızda en az borcunuz kadar paranız olmak zorunda ya da 1 kuruş bile eksik olsa borcunuz ödenmemekteydi. İşte Einstein'in yaptığı şey doğanın enerji ticaretini belli büyüklükte paketler halinde yaptığını ortaya koymak oldu. Bir elektrona çarpan bir ışık “kuanta”sının (ki artık bunlara “foton” diyeceğiz) enerjisi yeteri kadar büyükse, elektronu bağlı olduğu metalik örgüden sökebilir. Bu olay, ışığın tanecik karakteri taşıdığının en bariz örneklerindendir. Einstein ileride bu çalışmasıyla Nobel Fizik Ödülü`nü (1921) almıştır.

Bu kısımdan itibaren yazımızın sonuna dek okuyacaklarınız Alice'in harikalar diyarına değil, kuantum dünyasına ait şeyler olacaktır. Bazı şeyler mantığınızı fazlasıyla zorlayacaktır, bazı şeylerse aşırı fantastik gelebilir; küçüklerin dünyasında gerçek olan şeyler! Elimizden geldiğince sağduyunuza hitap etmeye çalışacağız. Bazı yerlerde konu felsefenin kapsamına girebilir, hatta bazı yerlerde mistisizme ait ögeleri bile çağrıştırabilir.

Einstein’ın fotoelektrik olaya getirdiği çözüm bizim ışığın dalga modelini (Young'ın çift yarık deneyiyle bize dalga olduğunu ispatladığı ışık) bir kenara fırlatıp onun foton adı verilen taneciklerden oluştuğunu kabul etmemizi gerektiriyor. Nasıl yani? Bir dakika, çift yarık deneyi ışığın dalga olduğunu ispatlıyorken nasıl bir başka deney onun tanecik olduğunu ispatlar? Dalga başka bir şey, tanecik başka. Ya odur ya da bu, değil mi? Değil... Doğa bize ışığın hem dalga hem tanecik olduğunu söylüyor. Yani "hem elmayım hem de uzaktan kumanda" gibi bir şey. İkisi birden. Dalga-Parçacık ikiliğini ileride tekrar ele alacağız. Kara cisim ve fotoelektrik sorunlarını çözdük. Şimdi sırada tayf çizgileri var.

Hatırlarsanız Bohr atom modelinde kısaca üzerinden geçmiştik. Şimdi biraz daha detaylı bakmaya ne dersiniz? Bohr, elektronları enerjisi birbirinden farklı katmanlara (n) yerleştirmeyi seçti. Çekirdeğe en yakın ve enerjisi en düşük katman n=1' dir. Bu "n" sayısının aynı zamanda elektronun ilk “kuantum sayısı” olduğunu belirtmemiz gerek. ("n", baş kuantum sayısı olarak tanımlanmıştır.) Dikkat ettiyseniz burada atomdaki enerji seviyelerinin “ayrıklığı” kuanta fikrinin özüyle yakından ilişkilidir. Yani bu ayrık enerji seviyeleri için ayrı birer kuantum sayısı (n=1,2,3…) verilmesi tesadüf değildir: Bu, enerjinin atomik ölçekte kuantumlanması ya da diğer bir deyişle kuantize olmasıdır.

Şimdi size soru: n=1 katmanındaki bir elektron n=2 (veya 3, 4...) seviyesine çıkabilir mi? Cevap tahmin ettiğiniz gibi: Evet, çıkabilir; elektrona dışarıdan “geçiş yapılan katmanlar arasındaki enerji farkı kadar” enerji vermek şartıyla! Peki bu enerjiyi nereden bulacak elektron? Elbette "kuanta"dan, yani “foton”dan... yani ışıktan!

Diyelim ki n=1 seviyesindeki elektrona bir foton çarptı. Foton taşıdığı enerjiyi elektrona aktarır ve onun yüksek enerjili bir katmana sıçramasına neden olur. Elektronun ne kadar enerjik bir katmana çıkacağı ise fotondan aldığı enerjinin miktarına bağlıdır. Öyle ki bu enerji yeterince yüksekse elektron tamamen atomdan kopup serbest hale bile geçebilir. Işığın tayfındaki karanlık çizgilerin (soğurma spektrumu) bu yüzden oluştuğunu daha önce söylemiştik.

Bu olaya tersten de bakabiliriz. Yüksek enerjiye sıçrayan elektron tekrar düşük enerjili bir katmana da dönebilir. Bu durumda da geçiş yapılan katmanlar arasındaki enerji farkı kadar kuanta yani ışık fotonu yayınlanır. Aşağıdaki görselde elektron, n=3'ten n=1'e düşerken yeşil renge karşılık gelen enerjide (frekansta) kuanta salarken, n=2'den n=1'e düşen bir elektron kırmızı renge karşılık gelen bir frekansta foton salar. Elektron n=4'ten n=1'e düşerken salınan fotonun frekansı ise daha da yüksek, yani enerjisi çok daha büyüktür. Buradan mavi ışığın enerjisinin yeşil ışıktan, yeşil ışığınkinin de kırmızı ışıktan daha büyük olduğu çıkarımını yapabiliriz.

Aşağıda, elektronları yüksek enerji katmanlarından düşük enerjili katmanlara "düşen" atomlardan (bu aynı zamanda bir kuantum sıçramasıdır) yayınlanan ve "görünür bölgeye" ait olan emisyon tayflarını görüyorsunuz.

Peki, ya elektronlar çok daha yüksek enerjili katmanlardan düşük enerjili katmanlara düşerse yayınlanan ışınların frekansı nasıl olur? Wilhelm Röntgen'in karısının parmak kemiklerini hatırladınız mı? Peki nasıl olmuştu bu, onu hatırladınız mı? X ışınları çok yüksek enerjili elektron geçişleri sonucu oluşur. Bu ışınların frekansı oldukça yüksek olduğundan girişim gücü yüksektir ve bu yüzden kalın materyallerin içinden kolaylıkla geçip gidebilirler. İşte tam da bu yüzden bu ışınlar Anna Bertha’nın elinin dokusundan rahatlıkla geçip duvardaki ekranda el iskeletinin görüntüsünü oluşturmuştur.