Louis Victor de Broglie (1892-1987).

1923'te Broglie, eğer elektronlar gerзek dalgalar gibi kırınım gцsterebiliyorsa, kendi dьşьncesinin deneysel olarak doğrulanabileceğini belirtti. Bir okyanus dalgasının kıyıya зarpması gibi, bir engel etrafında dalgaların kırınımı, keskin gцlgeler veren bir parзacık ışınının tersine, bir engel arkasında bьkьlьşьnь gцsterirdi. Ses, bir dalgadır, bu nedenle kцşelerden geзen sesleri işitiriz, dolayısıyla ses kцşeler etrafında bьkьlьyordu. Bu makaleler, Broglie’nin doktora tezleri oldu. Onları inceleyen Fransız bilimci Paul Langevin, bu tezlerin birer kopyasını Einstein’e gцnderdi. Einstein, bu fikirlere зok цnem verdi ve diğer fizikзilerin dikkatini Broglie’nin yeni fikirlerine зekmeye зalıştı. Onun kullandığı matematik, son derece basitti. Planck eşitliği ile Einstein eşitliğini birleştirdi. Dalga boyu =idi. Elektronların dalga doğasını keşfettiği iзin bu зalışmasından dolayı 1929'da Nobel цdьlьnь aldı. "Kuantum kuramının temel dьşьncesinin, ayrık bir enerji miktarını, ona belirli bir frekans bağlamadan dьşьnmenin olanaksız gцrьlmesi ilkesine dayandığını" sцylemişti. De Broglie'ye gцre, elektronlar hem tanecik hem de dalga olarak ikili (Duality) bir doğaya sahiptiler. Her elektrona, uzay-zamanda "eşlik eden" bir dalga (bir elektromanyetik dalga değil!) eşlik ediyordu. Bu savının kaynağını 1929 Nobel цdьlь konuşmasında şцyle aзıkladı:

"Bir yanda, bir ışık taneciğinin enerjisi f frekansını iзeren E=hf eşitliğiyle belirlendiği iзin, ışığın kuantum kuramı tahmin edici bir şekilde gцz цnьne alınamaz. Şimdi salt bir tanecik kuramı bir frekansı belirlemek iзin bize hiзbir olanak vermez. Yalnız bir sebepten dolayı, ışık halinde, bir tanecik ve aynı anda periyodiklik dьşьncesini işe sokmaya mecburuz. Diğer yanda, atomda elektronların kararlı hareketinin belirlenmesi tam sayıları işe sokar ve bu noktaya kadar fizikte tam sayıları işe sokan yalnız girişim ve titreşimin normal kipleri olaylarıdır. Bu gerзek bana elektronların sadece tanecik olarak gцz цnьne alınamayacağını, fakat onlara periyodikliğin de eklenmesi gerektiği fikrini цne sьrdьrdь."

 

Elektronun Dalga Цzellİğİ:

Davİsson-Germer Deneyİ

1927'de ABD'den C. Davisson ve L. H. Germer elektronun, tıpkı x- ışınları gibi, kristalde kırınıma uğradığını gцsterdiler ve elektronların dalga boylarını цlзmeyi başardılar. Onların цnemli buluşu, Louis de Broglie'nin цnerdiği madde dalgalarının ilk deneysel doğrulanması oldu. Davisson-Germer deneyinin amacı, De Broglie'nin цnerisini doğrulamak değildi. Bilimde зok sık gцrьldьğь gibi onların buluşu, tesadьfen (rastlantı sonucu) yapıldı. Deney, dьşьk enerjili (yaklaşık 54 eV) elektronların boşlukta, nikel (Ni) bir hedeften saзılmasıyla ilgiliydi. Bir deney sьresince nikel yьzey, vakum sisteminde kaza ile meydana gelen bir kırık yьzьnden oksitlendi. Oksit tabakasını yok etmek iзin nikel hedef bir hidrojen buharı iзinde ısıtıldıktan sonra yapılan deneyler, saзılan elektronların belli цzel aзılarda yoğun olarak en bьyьk ve en kьзьk şiddet sergilediklerini gцsterdi. Sonuзta deneyciler, ısıtma sonucu nikelin bьyьk kristal bцlgeleri oluşturduğunu, bu kristal bцlgelerinde dьzgьn aralıklı atom dьzlemlerinin elektron madde dalgaları iзin, birer kırınım ağı gibi işlev yaptıklarını anladılar. Bundan kısa sьre sonra Davisson ve Germer tek-kristal hedeflerden saзılan elektronlar ьzerinde daha yoğun kırınım цlзьmleri yaptılar. Sonuз olarak onların bulguları, elektronların dalga doğasını ve De Broglie bağıntısını doğrulamış oldu. Aynı yıl iзinde, İskoзya'lı G. P. Thomson da зok ince bir altın plakadan elektron geзirerek elektron girişim desenini gцzlemledi. Aynı girişim desenleri helyum atomları, hidrojen atomları ve nцtronlar iзin de gцzlendi. Bцylece madde dalgalarının evrensel doğası farklı deneylerle ortaya konmuş oldu.

Maddenin dalga ve ışığın hem dalga hem parзacık цzelliği gцstermesi, bu ikili doğanın anlaşılması iзin цnemli bir yol gцsterici oldu. Зьnkь bu iki model, temelde birbirine tьmьyle zıt gцrьnьyordu. Niels Bohr, tamamlayıcılık ilkesiyle bu problemi зцzmeye yardım etti. Bu ilkeye gцre, madde ve ışınımın dalga veya parзacık modelleri birbirini tamamlarlar. Hiзbir model, ayrı ayrı madde veya ışınım olarak tasvir edilemez. Dolayısıyla bu iki model birbirini tamamlayıcı bir bьtьndьr. Bu da, doğanın dualiteye bağlı herşeyin зift olarak yaratılma цzelliğine ve bu yaratılış ilkesine uygun bir fiziksel davranış şekli olması anlamına gelmektedir. Peki tanecikler dalga цzelliği gцsterdiğine gцre bunu gьndelik yaşamda niзin gцzlemlemiyoruz? Belki "benim dalgam nerede, onu gцrebilir miyim?" diye soruyorsunuz. Bunun yanıtı maddelerdeki dalga boyunun зok зok bьyьk olmasıdır. Цrneğin, saniyede 27 m hızla giden bir tenis topunun (0.145 g) dalga boyu yaklaşık 10³⁴ metredir.

Broglie’nin elektron dalga mekaniği tezini duyan fizikзilerden biri de Avusturyalı Erwin Schrцdinger idi. Schrцdinger, dalga fikrinin цnemi ьzerinde dьşьndь ve bir hidrojen atomunun uyması gereken kuralları belirleyen bir denklem geliştirdi. Bu denklemi kullanarak, hidrojenin ışık tayfını зıkardı. Elde ettiği sonuзlar ilginзti, зьnkь bu yıllarca цnce Bohr’un bulduğu sonuзlar ile aynı idi. Elektronun bir dalga olduğu şeklindeki ilginз dьşьnce niceliksel olarak gцsterilmişti. Schrodinger’in makalesi 1926'da yayımlandığında bu makale, atomun yeni mekaniğini formьle etmenin bir başka yoluydu. Bцylece tьmьyle genel bir yцntem bulunmuş oluyor ve kuantum dalga mekaniğinin temeli atılmış oluyordu. “Schrцdinger denklemi”, bьtьn kuantum problemlerine uygulandı. Bir dizi deney, Schrцdinger’in ve Broglie’nin elektronların kırımın gцsterdikleri цngцrьsьnь destekledi ve sцz konusu olan dalgaların gerзek dalgalar olduğu konusunda hiз şьphe kalmadı. Fakat Broglie-Schrцdinger dalgalarının yorumlanması sorunu, yeni dalga mekaniğinin merkezi sorunu oldu.

Girişim ve kırınım olayları sadece dalga yorumunda mevcuttu. Hangi model doğruydu? Işık bir dalga mıydı, yoksa bir parзacık mıydı? Bu sorunun yanıtı, gцzlemlere ve deneylere daha зok bağımlı bir hale geldi. Bazı deneyler, foton kavramı temeline dayalı olarak daha iyi aзıklanabildi, bazıları ise dalga modeliyle daha iyi aзıklanabiliyordu. Sonuз olarak, her iki modeli de gцz цnьne almak ve ışığın gerзek doğasının tekil klasik gцrьntь iзinde betimlenemediğini kabul etmek zorundayız. Bununla birlikte, bir metalden foto elektronlar зıkarabilen aynı ışık demetinin bir ağ tarafından kırınıma uğratılabileceğini de kabul etmek gerekir.

Başka bir deyişle, ışığın foton ve dalga kuramı birbirinin tamamlayıcısıdır. Fotoelektrik ve Compton olaylarının aзıklanmasında ışığın tanecik modelinin başarısı birзok başka soruyu da beraberinde getirdi. Eğer foton bir tanecik ise enerjisini ve momentumunu belirleyen taneciğin "frekansı" ve "dalga boyu"nun anlamı nedir? Işık aynı anda bir dalga ve bir tanecik midir? Fotonların durgun halde hiзbir kьtlesi olmamasına karşın "hareketli" bir fotonun kьtlesi iзin basit bir ifade var mıdır? Eğer bir "hareketli" fotonun kьtlesi varsa, fotonlar kьtle зekimi uygular mı? Bir fotonun uzayı nedir ve bir elektron bir fotonu nasıl soğurur veya saзar? Bu soruların bazılarına yanıt vermek mьmkьnse de bazıları gerзeğin kavranmasına yцnelik atomik sьreзlerin daha iyi anlaşılabilmesine bağlıdır. Dahası, bu soruların зoğuna зarpışan bilardo topları ve sahile vuran su dalgaları gibi klasik benzetmelerle yanıt verilebilir. Kuantum mekaniği, ışığın dalga ve tanecik modellerinin her ikisini de gerekli gцrьr ve birbirinin tamamlayıcısı olarak alır, ışığa зok daha akıcı ve esnek bir doğa verilmesini sağlar. Hiзbir model tek başına ışığın bьtьn цzelliklerini belirlemede kullanılamaz. Compton olayında olduğu gibi, ancak iki model birbirinin tamamlayıcısı olarak birleştirilirse gцzlemlenen ışık davranışlarının tamamını anlamak mьmkьn olur. Fotonların elektromanyetik dalgalarla nasıl uygunluk gцsterdikleri belki şцyle anlaşılabilir: Uzun dalga boylu radyo dalgalarının tanecik цzelliği gцstermediklerinden kuşkulanabiliriz. Цrneğin, 3 MHz frekanslı radyo dalgalarını gцz цnьne alalım. Bu frekansa sahip bir fotonun enerjisi зok kьзьktьr. Зok duyarlı bir radyo alıcısı, gцzlemlenebilir bir işaret oluşturmak iзin bu fotonlardan 10 milyar tane kadar foton ister. Bu kadar зok sayıda foton ortalama olarak, sьrekli bir dalga gibi gцrьlecektir. Her saniye sayaca ulaşan bu kadar зok sayıda fotonla sayaз sinyalinde herhangi bir tanecikli yapının ortaya зıkması beklenemez. Dolayısıyla antenlere зarpan fotonlar tek tek gцzlemlenemez. Peki daha yьksek frekanslara, yani kısa dalga boylarına gidildiğinde ne olur? Gцrьnьr bцlgede ışığın hem foton, hem de dalga цzelliklerini gцzlemek olasıdır. Daha цnce belirttiğimiz gibi ışık demeti girişim olayları gцsterir ve aynı zamanda foto elektronlar ьretebilir. Fotoelektronlar, Einstein'in foton kavramını kullanarak en iyi şekilde anlaşılabilir. Daha yьksek frekanslarda ve onlara karşılık gelen daha kısa dalga boylarında fotonun enerjisi ve momentumu artar. Dolayısıyla ışığın foton (tanecik) doğası dalga doğasından daha aзık olarak ortaya зıkar. Цrneğin, bir x-ışını fotonunun soğurulması, bir tek olay olarak kolayca gцzlemlenebilir. Bununla birlikte, dalga boyu kьзьldьkзe girişim ve kırınım gibi dalga olaylarının gцzlenmesi daha gьз olur. Gama ışınlarında olduğu gibi зok yьksek frekanslı ışınımların dalga doğasını ortaya зıkarmak зok daha karmaşık ve dolaylı yцntemler gerektirir. Elektromanyetik ışınımların tьm biзimleri iki gцrьş aзısından ele alınabilir:

Birincisi; Elektromanyetik dalgalar зok sayıda fotonun oluşturduğu ayrıntılı girişim desenleri tasvir ederler.

İkincisi; Зok kısa dalga boylu ve oldukзa yьksek enerjili fotonlarla uğraşıldığı zaman foton tasviri doğal olmaktadır. O halde ışık ikili bir doğaya sahiptir: ışık, hem foton hem de dalga цzellikleri gцsterir.

TEMEL FİZİKSEL BЬYЬKLЬKLER:

ATOM, MOLEKЬL, NЬKLEER FİSYON (ZİNCİRLEME BOZUNMA) VE NЬKLEER FЬSYON (ZİNCİRLEME REAKSİYON)

Atom:Bir elementin kimyasal цzelliklerini taşıyan en kьзьk parзasına atom denilmektedir. Evrende bilinen bьtьn maddeler (kozmik madde, yьksek enerjili madde ve anti madde hariз), pozitif yьklь bir зekirdek ve etrafında dцnen negatif yьklь elektronlardan oluşan yaklaşık 124 ELEMENTTEN oluşan farklı atomlardan meydana gelmektedirler. Buna gцre, doğada bulunan toplam partikьl sayısı ise, 4’lь simetriden dolayı 4Ч124=496 adet olmalıdır. Atomun зekirdeği ise nьkleon olarak adlandırılan ve yaklaşık elektronlara gцre 2000 kat daha ağır olan, artı yьklь proton ve yьksьz nцtronlardan oluşmaktadır. Manyetik Monopolleri oluşturan Manyetonlar ise, atomun en kьзьk цlзeğinde, yani Planck цlзeğindeki tekillik noktasında yer alırlar ve atomun kьtleзekim merkezini oluştururlar. Dolayısıyla bu ьз temel parзacık, etrafımızdaki sonsuz зeşitlilikteki maddenin temel yapı taşlarını oluştururlar. Şu andaki bilgilerimize gцre elektronlar, kendilerini oluşturan alt parзacıklar olmadığından temel parзacık olarak kabul edilirler, nьkleonlar ise, elektronun "-1" yьklь olduğu varsayıldığında, "+2/3" veya "-1/3" elektrik yьkьnde olan quark adı verilen ьз alt parзacıkdan oluşmuşlardır.

Molekьl:Doğada atomlar genellikle yцrьngelerinde bulunan elektronları paylaşarak daha kararlı enerji seviyelerinde bulunmak amacıyla başka atomlarla birlikte bulunurlar. Atomların bir araya gelmesi ile molekьller oluşur. Bir elementte aynı cins atomlar tek olarak veya molekьller halinde bir aradadırlar.

Kimyasal Tepkime:İki veya daha fazla sayıda maddenin bir araya gelmesiyle, molekьllerdeki atomların aralarında yeniden dьzenlenmesine kimyasal tepkime denir. Bu sırada elektronların paylaşılması da değişir. Kimyasal tepkimelerin bir цzelliği, ilgili atomların зekirdeklerinde bulunan parзacık sayısının tepkime sırasında değişmemesidir.

Зekirdek Tepkimesi: Kimyasal reaksiyonların aksine atomların зekirdeklerinde bulunan parзacıların kendi aralarında oluşan veya dışardan gelen bir etki (ısı veya radyoaktivite gibi) sonucunda değişimleri sonucunda зekirdek tepkimeleri oluşur. Зekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir atom oluşmuş olur.

Fisyon (Зekirdek Parзalanması): Bir nцtronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun зekirdeğine зarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha kьзьk iki ayrı зekirdeğe bцlьnmesi reaksiyonudur. Dolayısıyla Fisyon, bir зekirdek tepkimesidir. Parзalanma sonucunda ortaya зıkan atomlara fisyon ьrьnleri denir. Bunların bazıları radyoaktiftir. Bir nцtron yutulması ile başlayan fisyon tepkimesi sonucunda, bьyьk miktarda enerji ile birlikte, birden fazla nцtron ortaya зıkar. Зekirdek tepkimeleri sonucunda aзığa зıkan enerjiler, kimyasal tepkimelere gцre yaklaşık milyon kat dьzeyinde daha fazladır.

Zincirleme Reaksiyon (Nьkleer Fьsyon): Fisyon sonucunda ortaya зıkan nцtronların, ortamda bulunan diğer fisyon yapabilen atomların зekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanmasıdır. Kontrolsuz bir zincirleme reaksiyon, зok kısa bir sьre iзinde зok bьyьk bir enerjinin ortaya зıkmasına neden olur; atom bombasının patlaması bu şekildedir. Nьkleer santrallarda ise zincirleme reaksiyon kontrollu bir şekilde yapılır. Bu kontrolun kaybedilerek nьkleer yakıtın bir bomba haline dцnьşmesi fiziksel olarak olanaksızdır.