Kuantum Nasıl Belirdi?
Doç. Dr. Haluk Berkmen
Yirminci yüzyılın başında fizikçilerin çözmeye uğraştıkları, fakat bir türlü çözemedikleri önemli bir problem “Karacisim Işıması” olarak adlandırılmış olan, ısınan nesnelerin renklerini açıklamaktı. Hepimizin bildiği gibi, odun alevi turuncu sarı, gaz alevi mavi ve kaynak yaparken kullanılan ark alevi beyazdır. O dönemde ışığın tayfı açıklanmıştı ve kırmızı ışığın mavi ışıktan daha uzun dalgalı olduğu biliniyordu. Işığın enerjisi ile dalga boyu arasındaki ilişki bir türlü açıklanamıyordu. Mavi ışığın enerjisi kırmızı ışığın enerjisinden fazladır. Dolayısıyla, ışığın dalga boyu küçülüp frekansı arttığında enerjisi de artmalıdır. Bu yüzden evlerimizde kullandığımız doğalgaz alevinin verdiği enerji veya ısı, odun alevinin yaydığı ısıdan (enerjiden) fazladır. Işığın frekansı, yani saniyedeki titreşim sayısı, arttıkça yaydığı enerji arttığına göre bu titreşim sonsuza yaklaştıkça yaydığı enerjinin de sonsuza yaklaşması gerekir. Işık hızı sabit olup, Işık hızı = Işığın dalgaboyu x Işığın frekansı denklemiyle tanımlanır. Işığın frekansı ile dalgaboyu ters orantılı oluyor. Işık hızı sabit olduğuna göre, Işığın frekansı = Sabit bir sayı / Işığın dalgaboyu olmaktadır. Şu halde ışığın dalgaboyu sıfıra yaklaştıkça ışığın frekansının sonsuza yaklaşması gerekir. Fakat gözlem bu durumu onaylamıyor.
Alttaki grafikte “karacisim” ışımasını görüyoruz. Işığın dalgaboyu ile ışığın yaydığı enerji arasında doğrusal bir ilişki yok. Dalgaboyu arttıkça ışığın enerjisi (akısı) artıyor ama bir noktadan sonra azalmaya başlıyor. Yıldızların nasıl ışık saldıklarını dünkü yazımda anlattım. Bu yazıda yıldızların sıcaklıklarından söz etmek istiyorum. Yıldızların renkleri ile sıcaklıkları arasındaki ilişkiyi alttaki grafikte görüyoruz. 6000 derece Kelvin sıcaklığında olanlar daha çok sarı, 5000 derece Kelvin sıcaklığında olanlar daha çok kırmızı görünüyorlar. Fakat görünen ışığın ötesindeki ışık söz konusu olduğunda sonsuza doğru bir artış yok. Bu grafiği klasik fizik yasalarıyla açıklamak mümkün değil. Klasik fizikçi olan Rayleigh ve Jeans adlı iki İngiliz fizikçisinin ileri sürdükleri yasa, ışığın bu grafiğini sağlamıyor. Altta sağda görülen grafikte Raleigh-Jean yasasına göre sonsuza doğru bir artış olduğundan, bu yasanın verdiği sonuca “morötesi felaketi” dendi.
Işığın enerjisi ile dalgaboyu arasındaki ilişkiyi çözmeyi başaran Alman fizikçisi Max Planck (1858- 1947) oldu. Planck, her nesnenin küçük yaylardan oluştuğunu ve bu yayların belli frekanslarda titreştiklerini varsaydı. Enerjinin sonlu adımlarla yayılmasına Planck “Kuantum” adını verdi. Sonlu adımlarla (frekanslarda) titreşen yayın (osilatörün) enerjisi yayın frekansıyla doğru orantılı olmalıydı. Aradaki ilişkiyi sabit bir sayı oluşturdu ve bu sayıya “Planck sabiti“ adını verdi. h harfiyle tanımlanan Planck sabiti h = 6.626x 10 üzeri eksi 34 J.s olarak saptanmış olan, son derece küçük bir sayıdır. Yani ışığın enerjisi için E = h.f denklemini ileri sürdü. Fakat bununla yetinmedi ve ışığın enerji grafiğini açıklamak için tüm yayların enerjilerini topladı. Görülen enerji bu toplamın ortalaması olmalıydı.
Planck formülünü altta sağda görüyoruz. Bu formül deney ve gözlemlerle mükemmel bir uyum içindedir. Altta ortada görülen mavi noktalar deneysel sonuçları ve kırmızı çizgi Planck formülünün sonucunu gösteriyor. Kuramın verdiği sonuçla deney sonuçlarının tam bir uyum içinde olduğunu görüyoruz. Bu formül nesnelerin titreşen küçük yaylardan oluştuğunu onaylıyor. Bu formülü Planck 1900 yılında ileri sürdüğünde atomun varlığı henüz deneysel olarak kanıtlanmamıştı. Atomun varlığını Ernest Rutherford (1871 -1937) deneysel olarak 1905 yılında kanıtladı. Planck’a formülünün anlamını kendisine sorduklarında “Gerçekle ilgisi yok, sadece matematik bir yaklaşımdır” dedi. Oysaki 1905 yılında Einstein E = h.f formülünü fotoelektrik olaya uygulayarak ışığın kuantum özelliğini kanıtladı.
Haluk Berkmen
