Kuantum Mekaniğinde Atomlar Neye Benziyor?

Kuantum-mekaniğinde-atomlar-neye-benziyorOkul kitaplarında öğretilenlerin tersine elektronlar atom çekirdeği çevresinde gezegen gibi dönmüyor. Peki kuantum mekaniğinde gerçek atomlar neye benziyor ve atomları dünya gözüyle görüp fotoğrafını çekebilir miyiz?

Klasik atomlar ve kuantum atomları

Maddenin yapıtaşı olan bölünmez atom kavramını 2400 yıl önce filozof Demokritos geliştirdi ama yanılıyordu; çünkü bugün atomu parçalayarak nükleer enerji üretebiliyoruz. Peki en ünlü sicim kuramcılarından biri olan Brian Greene’in söylediği gibi atomların yüzde 99’u gerçekten boşluk mu ve atomların içi boşsa biz neden asfaltta yürürken yolun içine hayalet gibi batmıyoruz?

Oysa Eski Yunan filozofu Demokritos’tan esinlenen ve Ernest Rutherfod tarafından 1911’de geliştirilen gezegen atom modeli doğru olamaz. Doğru olsa atomların yörüngesindeki eksi yüklü elektronlar çekirdekteki artı yüklü protonlarla hemen çarpışırdı; çünkü zıt yükler birbirini çeker.

Dahası elektronlar atom çevresinde dönerken sürekli ışık saçarak (foton yayınlayarak) enerji kaybederdi. Enerji kaybederken yörüngede gittikçe daralan sarmallar çizen elektronlar en sonunda protonlardan oluşan atom çekirdeğine çarpardı. Bu da bütün elektronlarla protonların nötrona dönüşmesini sağlardı. Böylece atomlar yok olur, kısacası bizi, gezegenleri ve yıldızları oluşturan elementler ortaya çıkmazdı. Öyleyse atomlar neden var ve kuantum mekaniğinde neye benziyor?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kuantum mekaniği nasıl keşfedildi?

Her şey 1900’lerin başında İngiliz fizikçi Ernest Rutherfod’un modern atom teorisinin öncülü olan modeli geliştirmesiyle başladı. Atomları açıklamaya yönelik nükleer fizik kuantum mekaniğinin de temelini atacaktı. Nitekim Max Planck kuantum fiziğinin temellerini 1905’te atmış ve Einstein da aynı yıl güneş ışığından elektrik üretmemizi sağlayan fotoelektrik etkiyi açıklamıştı ama elimizde gerçekçi bir atom teorisi yoktu. Rutherford, John Dalton’un 1805’te geliştirdiği atom modelini güncellemek istiyordu ve bunun fizikte devrim yaratacağının farkında değildi.

Nitekim büyük fizikçiler doğada başka kimsenin göremediği bağıntıları görür ve gerçekliğe bakışımızı kökten değiştiren teoriler geliştirirler. Kuantum mekaniğinin geliştirilmesi de böyle bir devrimdir ve bu da Newton Mekaniğinin bilim tarihinde oynadığı role benzer. Newton yere düşen elmayı ve top güllesini kontrol eden hareket yasalarının gezegenlerin Güneş çevresindeki devinimini de yönettiğini anlamıştı. Böylece göklerle yeri birleştiren en büyük bilim insanı oldu.

Rutherford’un atom modeli ise yanlıştı ama onu düzeltmek isteyen Niels Bohr gibi fizikçiler kuantum mekaniğini geliştirdiler. Buna rağmen yakın zamana dek ilköğretimde öğrencilere Rutherford’un atom modelini öğretiyorduk. Dolayısıyla okul kitaplarındaki atom modelinin beni yanlış yönlendirdiğini ve kuantum fiziğini öğrenmemi çok zorlaştırdığını söyleyebilirim. Bu yazıda gerçek atomları ve kuantum mekaniğinin temellerini daha kolay bir dille anlatacağım. Böylece eski müfredeta denk gelenlere de yardımcı olabilirim.

Ne duruyoruz öyleyse?

Rutherford hem Newton mekaniği hem de Maxwell’in elektromanyetizma denklemlerinden esinlenerek gezegen modelli atom teorisini geliştirdi. Buna göre elektronlar atom çekirdeğinin çevresinde gezegenler gibi dönüyor, çekirdeği oluşturan protonlar da bir nevi güneş oluyordu. Gezegenleri Güneş’e çeken şey yerçekimi ve elektronları çekirdeğe çeken şey de elektromanyetik çekimdi. Bu mantıklı görünüyordu; çünkü Newton’ın evrensel yerçekimi yasası ile Coulomb’un elektrik kuvveti yasası birbirine çok benziyordu. Oysa güneş sistemine benzeyen atom modeli bize çok sorun çıkardı:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

Büyütmek için tıklayın.

 

Gerçek atomlar ve rengarenk elektronlar

Coulomb ve Newton yasaları arasında pek zarif bir simetri vardı ama bu gerçek olamayacak kadar kusursuzdu. Örneğin atom çekirdeği çevresinde dönen elektronları görmek için onlara ışık tutarsanız elektronlar enerji kazanarak hızlanacak ve çekirdek çevresindeki dairesel yörüngesinde tilt makinesi topu gibi sürekli yön değiştirip hızla ileri geri devinecekti. Atomik tilt oynamak istiyorsanız bu güzel olabilir ama gerçekte elektronlar elektromanyetik dalgalar yayarak sürekli enerji kaybedecekti.

Maxwell denklemlerine göre yaşanan süreç neticesinde elektronlar enerji kaybederek çekirdeğe yaklaşacaktı. Kepler’in cisimler eşit zamanda eşit alanları tarar yasası uyarınca çekirdeğin yakınında gittikçe hızlı dönerken daha yüksek frekanslı ve kısa dalga boylu fotonlar yayacak, böylelikle elektronların ışığı gökkuşağının tüm renklerini girdikten sonra morötesine kayacaktı. Sonunda çekirdekle çarpışıp nötronlar üretecekti.

Oysa gerçek hayattalambayı yaktığımız zaman duvardaki atomların birden disko topu gibi türlü renk saçmaya başlayıp nötrona dönüştüğünü görmüyoruz. Bunu açıklamak için fizikte yeni bir gelişme gerekiyordu ki Max Planck bu cesur adımı 1900’de atmış ve 1905’te elektronun enerjisini kuantumlaştırmıştı. Buna göre elektronlar tıpkı tırtıklı çizgi çeker gibi ancak kesikli enerji yayabilirdi. Bu da E=hf olarak yazılıyordu, yani Enerji, Planck sabiti x frekansa eşitti (E=hf).

Sonra kuantum fiziğinin kurucularından Niels Bohr geldi ve Rutherford’un güneş sistemi modeliyle Planck denklemini birleştirerek elektronların sürekli radyasyon yaymadan sadece belirli yörüngelerde dönebileceğini gösterdi. İşte atomların çöküp nötronlara dönüşmesini bu engelliyordu. Elektronlar kararlı yörüngelerde foton yayıp enerji kaybederek çekirdeğe düşmeden dönebiliyordu ama sadece belli bazı yörüngelerde! Peki neden belli yörüngeler?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

Büyütmek için tıklayın.

 

Atomlar ve açısal momentum

Bohr, Planck sabitinin açısal momentuma uygulanabileceğini gösterdi. Bu da elektronların çekirdek çevresindeki dönüşünü merkezkaç kuvvetiyle açıklayabilmek demekti. Bohr gördü ki elektronlar ancak Planck sabitinin tam sayı katlarındaki yörüngelerde kararlı olarak dönebilirdi. Diğer yörüngelerde, ara yörüngelerde ise tıpkı Rutherford’un öngördüğü gibi sürekli ışık yayarak enerji kaybedecek ve düşük enerjili bir alt kararlı yörüngeye inecekti.

Bohr, Planck sabitini açısal momentumla birleştirdi. Böylece yörüngelerin enerjisini h/2pi olarak yazdı. Öyle ki ilk kararlı yörüngenin enerjisi h/2pi ise sonraki yörünge 2 x h/2pi ve sonraki de 3 x h/2pi olacaktı. Bu böyle sürüp gidecekti ama sonsuza dek değil; çünkü elektromanyetik kuvvetin menzili sınırlıdır. Dolayısıyla bir elektron atom çekirdeği çevresinde 1 km uzaktan dönemezdi (Bu arada 2pi de çember matematiğinden geliyor. Çemberin çevre uzunluğu 2 pi x çemberin yarıçapına eşittir 😊).Bohr elektronların çekirge gibi yörüngeden yörüngeye sıçrayacağını da öngördü.

Bu da kuantum mekaniğinin ilk atom modeliydi! Bohr modelin çalışması için elektronların her seferinde bir alt veya üst yörüngeye geçebileceğini söyledi. Ayrıca elektronlar sadece yörünge değiştirirken foton yayınlıyordu. Neden öyle derseniz 1910’larda Bohr da bilmiyordu ki! Ancak, Planck sabitini aldığı zaman en küçük elektron yörüngesinin 5,29 x 10-9 metre olduğunu gördü, yani 5,29 metrenin milyarda biri! 😮

Artık geçerli elektron yörüngelerini tahmin eden Bohr hemen yörünge değiştiren elektronların yayacağı enerjiyi hesapladı ve bunu gerçek atom gözlemleriyle karşılaştırdığı zaman doğru olduğunu gördü! Kuantum mekaniği atom modeli çalışıyordu. Elektronların yörünge değiştirirken neden enerji yaydığını da Fransız fizikçi Louis de Broglie gösterdi:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

Kuantum-mekaniğinde-atomlar-neye-benziyor

Büyütmek için tıklayın.

 

Elektronlar hem parçacık hem dalgadır

Muhteşem Bohr bile evrendeki parçacıkların hem parçacık hem dalga olduğunu bilememişti. Bunu Louis de Broglie başardı ve dedi ki “Arkadaşlar, mademki elektronun açısal momentumu var ve mademki yörüngesini hesaplamak için bunu Planck sabitiyle birlikte kullanıyoruz öyleyse elektron aslında bir dalgadır. Enerji kaybederken de elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olan foton dalgalarını yayar. Üstelik foton ve elektron tabancasıyla yapılan deneylerde bunların parçacık olarak davrandığını da görüyoruz. Demek ki elektron hem parçacık hem dalgadır.

Böylece de Broglie modern kuantum fiziğinin temelini attı. Sağduyuya aykırı bir şekilde parçacıkların aynı zamanda dalga olduğunu söylemek de insan zihninde devrim yapmaktı. Daha önce yazdığım belirsizlik ilkesi, kuantum silgisiyle geçmişi silme ve çift yarık deneyleri hep de Broglie’nin aklına gelen bu müthiş fikirden çıktı. Artık Pandora’nın kutusu açılmıştı ama elektronlara geri dönersek de Broglie neden sadece belirli yörüngelerde döndüklerini şöyle açıkladı:

Elektronlar birer dalga olarak yalnızca dalganın yapıcı girişim yaptığı, yani dalga tepelerinin üst üste binerek birbirini pekiştirdiği yörüngelerde bulunabilir. İşte bunlar Planck sabitinin tam sayı katlarıyla belirlenir; yani elektron yörüngelerinin çevresi elektron dalga boyunun tam sayı katlarına eşittir. Buradan da yörüngelerin yarıçapını hesaplayabiliriz.

Peki elektron nasıl bir dalgaydı? Deniz dalgası gibi mekanik dalga mı? Işık gibi elektromanyetik dalga mı? Yoksa bambaşka bir şey mi? Bunun cevabını Erwin Schrödinger, pardon Schrödinger’in kedisi verdi.

İlgili yazı: Karanlık Toz ve Yeni Değişken Yerçekimi Teorisi

Büyütmek için tıklayın.

 

Atomlar ve dalga fonksiyonu

Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger dedi ki “Bakın arkadaşlar, elektron dalgaysa üç boyutlu uzayda herhangi bir yerde olabilir ve dalgalanabilir. Böylece bu dalgaları yöneten kuralların denklemini yazarak kuantum mekaniğinin en önemli parçası olan Schrödinger denklemini ortaya koydu. Fizikçiler bunu hidrojen atomuna uyguladıkları zaman Schrödinger denkleminin hidrojeni Bohr modelinden daha doğru açıkladığını gördüler. Üstelik Bohr modelinin tersine diğer atomları da açıklıyordu.

Kuantum mekaniği artık salt atom modeli değil, kapsamlı bir kuantum teorisiydi ve atomları Newton mekaniğiyle değil kuantum dünyasıyla açıklayabileceğimizi gösteriyordu. Schrödinger denklemi de atomların nasıl davranacağına dair olasılıkları hesaplamamızı sağlıyordu. Örneğin bir elektronun sağdan mı soldan mı gideceğini önceden bilemezdik ama yüzde 70 olasılıkla sağdan gideceğini Schrödinger denklemiyle hesaplayabilirdik. Peki neden olasılıkları biliyoruz da gerçeği bilemiyoruz?

Bunun nedeni Heisbenberg’in belirsizlik ilkesidir:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

Büyütmek için tıklayın.

 

Atomlar ve belirsizlik ilkesi

Kuantum fiziği yerine klasik fiziğe göre düşünürseniz atomların nasıl davranacağını öngörmek yerine kesin olarak bilmek için onları ışıkla aydınlatmanız gerekir; yani atomları dünya gözüyle göreceksiniz. Işık atomdan mikroskopa yansıyacak ve oradan gözünüze ulaşacak. Ancak, ışık da dalgadır ama en büyük atom bile görülür ışığın dalga boyundan 1000 kat küçüktür. Atomlara ışık tutarsanız aydınlatamazsınız. Işık atomların çevresinden akıp gider.

Atomları görmek için daha kısa dalga boyları ve yüksek frekanslar kullanmalısınız. Örneğin X-ışınları… Oysa X-ışınları çok enerjiktir ve atoma bakayım derken onu itip yerini değiştirmenize, hatta uyarıp elektronlarının yörüngesini değiştirmenize neden olur. Kısacası atomları hiç değiştirmeden, olduğu gibi göremezsiniz. Werner Heisenberg işte bunu belirsizlik ilkesiyle gösterdi. Elektronlar hem parçacık hem dalgadır (Schrödinger olasılık dalgası) ve çevresinde döndüğü atomları görüntülemeye çalıştığınızda elektronları da etkileyerek belirsizliğe yol açmış olursunuz.

Peki kuantum belirsizlik nedir ve aşılabilir mi? Belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumu ve momentumu (vektörel hızı diyelim) aynı anda kesin olarak bilemezsiniz. Konumunu kesin bildiğinizde momentumu belirsiz olur ve parçacık rastgele titreşerek kuantum tünelleme ile atom mesafesinde herhangi bir yere ışınlanabilir. Oysa elektron aynı zamanda dalga. Belirsizliği dalgayla nasıl açıklayacağız?

Heisbenberg dedi ki “Arkadaşlar elektronun belirli bir mesafede-aralıkta bulunabileceği konumlara konum genliği diyelim. Elektronun sahip olabileceği momentum değerlerinin toplamına da momentum genliği diyelim. Elektronun konum ve momentum genliğini çarparsanız elde edeceğiniz değer h/4pi’den küçük olamaz. Bu da elektron yörüngelerinde belirsizliğe yol açar; çünkü yörüngenin çevresi Planck sabiti (h) ve pi sayısıyla ilişkilidir. Hani elektronlar sadece BELİRLİ yörüngelerde olabilirdi?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Atomlar ve yörüngemsiler

Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre elektronlar atom çekirdeğinin çevresindeki belirli yörüngelerde değil, sadece kısmen belirli olan yörüngemsilerde olabilir. Elbette elektronların bulunabileceği 2pi x r gibi yörüngeler vardır ama elektronlar bu yörüngelerin az aşağısı veya az yukarısında olabilir. Elektronların aşağı yukarı 2pi x r yörüngesinde olması beklenir fakat düşük olasılıkla ve anlık olarak bu yörüngelerin çok altında veya üstünde olabilirler.

Bu atomun yapısını değiştirmez; çünkü 1) Schrödinger denklemindeki olasılıkların toplamı ve dolayısıyla elektronun yörünge olasılıklarının toplamı her zaman 1’e eşittir. 2) Bir atoma bakarken elektronları da etkileyip değiştirirsiniz. Dolayısıyla elektron mikroskobuyla veya başka bir yöntemle görüntülediğiniz atomlardaki yörüngeler her zaman 2pi x r gibi belirli yörüngelerde olacaktır. Atomu görmek, elektronların anlık olarak yörüngelere uzak olduğu düşük olasılıkları silecektir.

Peki atomlar neye benziyor? Kesinlikle elektronların atom çekirdeği çevresinde gezegen gibi döndüğü güneş sistemi modeline benzemiyor. Bir atoma BAKMADIĞINZ zaman elektronlar çekirdek çevresinde bir tür olasılık bulutu oluşturarak dönecektir. Kısacası bir atomu değiştirmeden ona bakmak mümkün olsaydı atomu saran elektronların sahip olabileceği bütün olası konumlarda anlık olarak bulunduğunu ve atom çevresinde sürekli titreyip değişen bir sinek bulutu gibi döndüğünü görecektiniz (resme bakın).

Elektronların olabileceği bütün yörüngemsilerde aynı anda bulunduğu bu duruma süperpozisyon diyoruz ama süperpozisyonu atoma doğrudan bakarken göremezsiniz. Yine de bakmadığınız zaman süperpozisyon geçerlidir. Kuantum mekaniğindeki atom modelinde elektron yörüngeleri yoktur ama atomları elektronların olasılık bulutundan oluşan yörünge kabukları sarar. Peki atomların içi boş mu?

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

Kuantum-mekaniğinde-atomlar-neye-benziyor

Büyütmek için tıklayın.

 

Atomlar oldukça doludur

Klasik fizikten türeyen gezegen modelinde elektron yörüngeleri ile atom çekirdeği arasında büyük mesafe olduğunu görürüz. Öyle ki oksijen atomunu Güneş Sistemi’ne ölçeklesek en yakın elektronun çekirdeğe uzaklığı 450 milyon km olurdu (3 astronomik birim, Dünya-Güneş uzaklığının 3 katı).

Artık gördüğünüz gibi gerçek atomlar Güneş Sistemi’ne hiç benzemez ama bu örnek çekirdekle elektronlar arasındaki uzaklığı karşılaştırmanızı sağlar. Yine de sanıldığı gibi gerçek atomların içi yüzde 99 boş değildir. Elektronlar belirsizlik ilkesi uyarınca ve bakmadığınız atomların çevresinde rastgele sıçrayarak yasal yörüngeler arasındaki bütün boşlukları GEÇİCİ olarak doldurur.

Örneğin hidrojen atomundaki yasal yörüngeye karşılık gelen elektron kabuğunun şeklini Schrödinger denklemiyle hesapladığımız zaman (hidrojen atomunda bir proton vardır ve çevresinde sadece bir elektron döner) en olası yörüngenin 5,29 x 10-9 metre olduğunu görürsünüz. İşte bu yasal yörüngedir; çünkü Niels Bohr’un hesapladığı değere eşittir. Peki bu 8 elektron içeren bir oksijenin atomundaki elektronların çekirdeği iç içe geçmiş kürelere benzeyen kabuklar halinde sardığı anlamına mı geliyor?

Hayır. Aşağıdaki mavi resimde gördüğünüz elektron bulutu temsili resimdir. Gerçek atomları saran elektron kabukları portakal kabuğuna benzeyecek diye bir kural yoktur (neden kabuk derseniz atomlar üç boyutludur 😊).  Hidrojen atomunun mikroskopla çekilen görüntüsüne bakarsanız elektron kabuklarının farklı enerji değerlerinde farklı şekillere girdiğini göreceksiniz (fiyonk makarna gibi). Peki ya elektron spini? Gerçek atomlar için elektronların kendi çevresinde nasıl döndüğüne de bakalım.

İlgili yazı: Oklo 2 Milyar Yıllık Doğal Nükleer Reaktör

Büyütmek için tıklayın,

 

Pauli dışarlama ilkesi

Elektronlar kendi çevresinde topaç gibi döner. Böylece hem atom çekirdeği çevresine ilişkin açısal momentumu hem kendi çevresinde dönüşüne ilişkin (spin, fırıl) açısal momentumu vardır. Üstelik elektron spini ½’dir. Elektron spin artı ve spin eksi konumunda olabilir ki saat yönünde veya saatin ters yönünde dönebilir. Spin yönü elektronun uzayda aldığı yöne göre saat yönü veya saatin ters yönü olarak belirlenir.

Ancak, elektronlar kuantum fiziğine tabidir. Nasıl ki sadece kesikli enerjiye sahip olabilir ve yörüngeler arasında ancak sıçrayarak geçiş yapabilirler, aynı zamanda kendi çevresinde de kesikli olarak dönerler. Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli kuantum fiziğine dayalı kesikli açısal momentumu elektron yörüngelerine uyguladığı zaman ve bir yörüngede iki elektrona yer varsa bunların yarım spinli olacağını, sadece toplam spinin 1’e eşit olacağını gördü.

Öyle ki bir yörüngede iki elektron varsa ikisi de aynı spin durumunda olamazdı. Biri spin aşağı ve diğeri spin yukarı durumda olacaktı. Buna Pauli Dışarlama İlkesi diyoruz ve bu ilke atomların elektronları yörünge kabuklarında nasıl paylaşabileceğini gösteriyor. Dolayısıyla da atomların elektron bağlarıyla birbirine nasıl bağlanacağını belirliyor (dışarlama ilkesi kuantum kimyanın temelidir). Dışarlama aynı zamanda elektriği direnç göstermeden ileten süper iletkenleri ve direnmeden akan süper sıvıları mümkün kılar ki bunu karanlık madde süper sıvısına bağlarsanız kozmolojiye kadar uzanırsınız! 😮

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

Kuantum-mekaniğinde-atomlar-neye-benziyor

Elektronların enerjisi değişince yörüngesi ve elektron kabuğunun şekli, dolayısıyla da atomların şekli değişir. Büyütmek için tıklayın. .

 

Atomlar ve proton bulutu

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, hidrojen atomu çekirdeğinde tek bir proton var ve diğer atom çekirdeklerinde protonlarla nötronlar yapışık ikiz gibi kümeleniyor. Bunlar nasıl bulut olabilir?” Bu yanlış bir soru. Lütfen klasik fizikteki gibi düşünmeyi bırakın. Kuantum mekaniğinde elektron bulutu derken her zaman birden fazla elektronun atom çevresinde vızır vızır dönmesini kastetmiyoruz. Elektron bulutu süperpozisyondaki elektronun alabileceği bütün olası konumlardır. Elektron bulutu her şeyden önce olasılık bulutu olup atom yörüngesindeki tek bir elektronun bile olasılık bulutu olabilir.

Keza uzayda serbest giden tek bir protonun bile momentum belirsizliğinden dolayı rastgele titreyeceğine dikkat edin. Serbest elektron ve protonların da momentum belirsizliğinden kaynaklanan olasılık bulutları olacaktır. Bunlar Heisenberg’in belirsizlik ilkesindeki momentum genliğine karşılık gelir. Demek ki gerçek atomların çekirdeği de şekil değiştirmeyen sabit bir yapı değildir.

Atom çekirdekleri bile olasılık bulutu oluşturur. Sadece çekirdeği oluşturan proton ve nötronları güçlü nükleer kuvvet sıkıca bir arada tutar. Ayrıca güçlü kuvvet protonları oluşturan kuarkları da sıkıca bir arada tutar. Bu yüzden atom çekirdekleri ile onları oluşturan proton ve nötronlar elektronlar kadar şiddetli titremez. Yörüngeler arasında sıçrayan elektronların tersine, bir anda çekirdekten dışarı çıkıp çekirdeğe geri dönmez. Deyim yerindeyse çekirdek bulutu elektron bulutundan çok daha belirlidir.

Günlük hayattan bir örnek verirsek Fenerbahçe stadı hidrojen atomu olsaydı proton bulutu santra noktası kadar küçük olurdu. 😉 Öyle ki elektron bulutu proton bulutundan 100 bin kat büyüktür. Peki internette gördüğünüz atom fotoğrafları gerçek mi? Gerçekten atomların fotoğrafını çekip onları dünya gözüyle görebilir miyiz?

İlgili yazı: Yıldız Madenciliği: Güneşten Nasıl Maden Çıkarırız?

Kuantum-mekaniğinde-atomlar-neye-benziyor

Büyütmek için tıklayın.

 

Atomların fotoğrafı

Belirsizlik ilkesi yüzünden bir atomun detaylı fotoğrafını çekemezsiniz. Hidrojen atomlarındaki her bir elektron atımlı lazer ışınlarına maruz kaldığında farklı yörüngelere geçerek farklı ışık saçacaktır. Resimdeki hidrojen atomu görselleri yüzlerce hidrojen atomunun elektron kabuklarının kompozit görüntüsüdür. Kompozit görüntüler belirsizlikten kaynaklanan bulanıklığı büyük ölçüde gidererek atomları oldukça net görmenizi sağlar ama tek atomu net göremezsiniz.

Son olarak yazının başında belirttiğim gibi elektronların protonların üzerine düşmesi imkansızdır; çünkü bu kuantum mekaniğinde yasaklı yörüngedir: Elektronların çekirdeğe düşeceği yörünge çözümü yoktur. Bu da hem atom çekirdeklerini nötron topuna dönüşmekten korur (ki nötronlar protonlar olmadan kısa sürede bozunacağı için bu maddeyi yok eden bir felaket olurdu) hem de asfaltın üzerinde yürümenizi sağlar.

1) Pauli dışarlama ilkesi, 2) vücudunuzdaki atomların elektronlarının asfalt atomlarının elektronlarını itmesi (eş yükler birbirini iter) ve 3) sıkı yörünge kuralları asfaltın içine hayalet gibi batmanızı önler. Kısacası dokunma hissini ve keyfini de kuantum mekaniğine borçlusunuz. Aksi halde taş taş üstüne koyamaz, hiçbir şey inşa, monte ve imal edemezdiniz. Peki elektron yörüngelerini belirleyen Planck sabiti nedir? Onu da şimdi okuyabilir, atom görüntüleyen taramalı tünel mikroskobuna bakabilir ve maddeye kütle kazandıran Higgs parçacığını hemen görebilirsiniz. Yüzmeli, gezmeli, havalı bir tatil olsun. 😊

Elektron kabukları neye benzer?


1Early Atomic Models –From Mechanical toQuantum(1904-1913) (PDF)
2The many faces of the Bohr atom
3Schrodinger’s original quantum-mechanical solution for hydrogen
4Pauli Exclusion Principle and its theoretical foundation
5Circumventing Heisenberg’s uncertainty principle in atom interferometry tests of the equivalence principle

7 Comments

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir