Modern Atom Kuramının Temel

Louis de Broglie (1924), birbirinden ayrıymış gibi duran iki eşitliği, Planck eşitliği(E=hf) ile Einstein eşitliğini (E=mc2), birleştirerek her parçacığın bir dalga özelliği taşıması gerektiğini açıklamıştır.

Dalga denklemine göre, hidrojen atomunda elektronun konumu kuantalı değildir. Bu sebeple; elektronun çekirdek civarında, birim hacim başına belli bir bulunma olasılığının düşünülmesi gerekir. Fakat öngörülebilen hiçbir konumda, hatta klasik anlamda yörünge söz konusu değildir. Bu olasılıkçı söylem, hidrojen atomu üzerinde yapılan deneylerin, atomun bir bütün elektron içermekte olduğunu göstermesi gerçeği ile çelişmez. Olasılık, elektronun bulunması ile ilgilidir ve her ne kadar bu olasılık uzayda dağılmış ise de elektronun kendisi dağılmış demek değildir. Madde dalgalarının gerçek dalgalar değil, dalga genliğinin karesiyle belirlenen olasılıkçı yorumunu Max Born yapmıştır. Ancak Schrödinger (1926) ve Einstein bu yoruma katılmamıştır. Geçen zaman Bohr’u haklı çıkarmıştır (Wessels, 1989).

Elektronun atom içindeki yerini ışık kullanarak belirleyebiliriz. Belli dalga boyu olan bir ışıkla aydınlattığımız zaman, o dalga boyundan daha küçük ayrıntıları seçemeyiz. Bu iyi bilinen bir olgudur. Elektronun yerini “görmek” istediğimizde “gördüğümüz yer”, onun gerçek yeri değil de “fotonla itildiği yer” olacaktır. Burada kullanılan ışığın dalga boyu düzeyinde bir belirsizlik vardır. Bu belirsizlik, hiçbir zaman sıfıra indirilemeyecektir. Benzer sorun elektronun hızını ve ona bağlı olan momentumunu belirlemede de karşımıza çıkmaktadır. Elektronun yeri ve momentumu asla tam bir kesinlikle belirlenemez. Bu konuda olasılık düzeyinde konuşulabilir. Elektronun çekirdek çevresinde bulunabileceği olası bölgeler bilinebilir. Elektronun olası ve ortalama hızı ve dolaysıyla momentumu bilinebilir.

Orbital, matematiksel bir fonksiyon olmakla birlikte, fiziksel bir anlama da sahiptir. Elektronu tanecik olarak düşünürsek orbital, atom içerisinde elektronun “bulunma olasılığı yüksek bir bölgeyi” simgeler. Elektron bir maddesel dalga olarak düşünülürse, orbital elektron yük yoğunluğu yüksek olan bölgeyi gösterir. Elektron “tanecik” olarak kabul edildiğinde, elektronun belirli noktalarda bulunma olasılığından; elektron “dalga” olarak kabul edildiğinde ise, elektron yük yoğunluğundan söz edilebilir.

Max Planck’ın 1900 yılında, radyasyonun, ‘kuanta’ dediği paketler halinde yayıldığını veya emildiğini göstermesi kuantum teorisine giden yolda ilk adım olarak kabul edilir (Achinstein, , 2001). Kuantum teorisine giden yolda ikinci önemli adımı Einstein atmıştır. 1905 yılında Einstein, Planck’ın çalışmasından yola çıkarak ışıktaki enerjinin ‘kuanta’ veya ‘foton’ denilen paketler halinde taşındığını ileri sürmüştür (Aktaş, 2001). Planck’ ın bulgusundan 5 yıl sonra A.Einstein fotoelektrik etki olarak bilinen fizik olayını açıklamıştır. Einstein’ e göre ışıklı parçacıklar, frekanslarıyla orantılı olarak enerji taşır ve bu enerji metallerin elektronlarına aktarılabilir. Böylece vakum ortamda, ışık yoluyla metalden kolayca elektron alınabilir, elektrik akımı iletilebilir. Işığın frekansının büyüklüğüne bağlı olarak metalden elektron sökülmesi ancak ışığın tanecik şeklinde düşünülmesiyle mümkündür (Ellis, 2001).

Sonuç olarak, şu ana kadar ortaya konan atom modelleri özetlenecek olursa, 1906’da, Rutherford atomun yapısının araştırmak amacıyla yaptığı deneylerde, atomun Güneş Sistemi benzeri bir yapıda olduğunu ve merkezde (+) artı yüklü bir çekirdekle bu çekirdeği çevreleyen (-) eksi yüklü elektronlardan oluştuğunu gözlemiştir. Fakat bu şekilde açıklanmış bir atomda elektronların hareketi, klasik hareket denklemleriyle çelişmektedir. Çünkü bu durumda çekirdeğin çevresinde dolanan bir elektron, eninde sonunda çekirdeğe düşmelidir. Bu sorunu araştıran Bohr elektronlar için atom çekirdeği etrafında belirli çembersel yörüngeler olduğunu öngörmüştür. Bundan hareketle, açısal momentumun kuantalı büyüklük olduğunu, Planck sabitinin (h), 2n’ye bölümünün tam katları şeklinde yörüngeler düşünmüştür. Kararlı yörüngedeki elektron bu yörüngeyi ancak enerji vererek ya da enerji alarak terk edebilir. Bu geçişlerde enerjisi "hf" ile verilen fotonlar ışımakta ya da soğurulmaktadır. Bu ifade de fotoelektrik olaydaki gibi kuantalı enerjiyi ön görür (h: panck sabiti; f: ışığın frekansı) (Pais, 1991). Okullarda, geçerli atom teorisi olarak işlenen, Bohr’un bu bulgusu da kuantumluluk tezini desteklemektedir. Bohr’ un atom teorisinin sonraları hidrojen ve hidrojen benzeri (son yörüngesinde bir elektron taşıyan) sistemler için geçerli olduğu gözlenmiştir.

Atom teorisiyle ilgili bu gelişmeler sürerken 1922’de Amerikalı fizikçi Compton, x ışınları üzerine yaptığı incelemelerde; "hf" enerjili olarak düşünülen fotonların serbest elektronlara çarptırılmasıyla bu ışınların "hf/c momentumlu olarak elektronlarla etkileştiğini, çarpışmadan sonra açığa çıkan ışının frekansının daha küçük olduğunu tespit etmiştir. Bu da kuantumluluk hipotezine bir doğrulama getirmiş, teorinin tanımı genişlemiştir.

W. Heissenberg, M.Born ve P. Jordan ile birlikte çok elektronlu atomların açıklanması bağlamında "matris mekaniği" teorisini ortaya atmıştır. Yine, L. de Broglie, Heissenberg’ in fikirlerini de destekleyerek yeni bir atom anlayışı gündeme getirmiştir: Elektronlar bir tanecik olarak değil fakat dalga olarak yorumlanmalıdır. Böylece, çekirdeğin çevresinde dolanan her tam dalga ancak belli bir yörüngeye denk gelmekte ve neden elektronların belirli yörüngelerde dolandığı bütünüyle açığa çıkmaktadır. Bohr’ un farkında olmadan teorisinde söz ettiği belirli yörüngeler çıkarımı böylece doğrulanmıştır. Bu durumda enerjinin kuantumlu olmasına ek

olarak çizgisel momentum gibi açısal momentumun da kuantumlu bir büyüklük olabileceği resmen ispatlanmıştır.

1926’da E.Schrödinger, de Broglie tarafından yorumlanan dalga teorisini tanımlayan dalga denklemini makaleler halinde açıklamıştır. Fizikte, bir kuramın anlaşılabilirliği, gözlenebilirliği ve uygulanabilirliği çok önemlidir. Bu nitelikleri taşıyan dalga denklemi ve dalga görüşü fizikçiler arasında çabuk kabul görmüştür. Öte yandan, nasıl olup bu dalgaların tanecik gibi, Geiger sayacında tıklamalar oluşturduğu bir sorun teşkil etmektedir. Bohr, bu problemi elektronların dalga şeklinde nitelendirilmesinin ancak soyut olarak geçerli olabileceği fikrini ortaya atarak, çalışmalarda gerektiğinde dalga özelliğinin gerektiğinde de tanecik özelliğinin kullanılması gerektiğinin altını çizerek çözümlemiştir.