KUANTUM FİZİĞİ

Yüzyılımızın başında ortaya atılan iki teori, fizik ve felsefe dünyamızı çok derinden etkiledi. Bunlar kuantum ve rölativite teorileriydi. Rölativite, tek başına kendi yolunda yürüyen bir adamın ürünüyken, kuantum teorisi birçok kişinin  katkılarıyla oluşmuştu: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schroedinger, Heisenberg, Dirac ve Pauli  gibi... Ve  her birine bu katkılarından dolayı Nobel ödülü verilmişti.
Otuz yıl kadar süren bir arayışın sonunda da kuantum mekaniği denilen yeni bir bilim felsefesi doğdu. Kısaca tanımlamak gerekirse, atom altı parçacıklarının fizksel yapılarını    ( Konum, momentum,...gibi), matematiksel bazı denklemlerle açıklama sistematiğidir.

Klasik Fiziğin Çözemedikleri:

Kuantum kuramının doğuşunu kavrayabilmek için biraz gerilere gitmemiz gerekiyor. 19. yy sonlarına. Üç önemli problem,klasik görüşlerle açıklanamıyordu:

1. Siyah cisim ışımasının enerji dağılımı (morötesi felaket!)

2. Fotoelektrik olay

3. Atomların kararlılığı

Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli başarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E) , enerjinin eşit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eşit olarak dağılmıştır. Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler değil, ancak ortalama değerler elde edilebilir. Lord Rayleigh ve Sir James Jeans, gazların kinetik kuramına başarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiş "ışık" dalgalarına uygulamaya çalıştılar. Ama burada temel bir zorlukla karşılaştılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama "sonlu" ydu,oysa ışığın hapsolduğu ideal bir ayna cidarlı kutuda farklı titreşim tiplerinin sayısı "sonsuz"du. İşi basitleştirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca sağ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bu dalgalar, duvarlarda zamanla genliğin kaybolacağını söyleyen sınır koşullarına uymalıdır... Bunu üç boyutta düşündüğümüzde "sonsuzluk" sayısının daha da artacağı açıktır.   Titreşim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreşim modu başına düşen enerji = E/ sonsuz = tanımsız. Bu, kuşkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doğasına ilişkin bilgilerimizle çelişmekteydi.  Atomik ölçekte,maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziğin uygulama denemeleri tamamen başarısız oldu.

Siyah cisim ışıması,fotoelektrik olay ve bir gaz deşarjında atomların yaydığı keskin çizgiler klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı. George Gamow 'un dediği gibi:" Bir kuram, cisimlerin doğası ile ilgili bilgilerimizle çeliştiği zaman, cisimlerin yapısı değil kuram yanlış olmalıdır". Doğaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleşti. Kuantum Mekaniği denen   bu yeni yaklaşım atom,molekül ve çekirdeklerin davranışını başarıyla açıkladı.

KUANTUM FİZİĞİNİN ÖYKÜSÜ

Belki de  hiçbir kuram ,kuantum fiziği kadar bir yüzyıla böylesine belirgin bir damga vurmamıştır .1900 yılında Max Planck’ın  kara cisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımıyla açıklamasının fizikte yarattığı devrim ,temposundan hiç yitirmeden  20. yüzyıl boyunca yeni  kuşak bilim adamlarının olağanüstü düşünce ürünleriyle zenginleşerek sürdü . Bugün eriştiğimiz bilgi düzeyi farkında olalım ya da olmayalım yaşamımızı etkileyen , kolaylaştıran pek çok uygulamayı ,işte bu bilimin öncülerine borçluyuz. Geçtiğimiz yüzyılın en önemli düşünsel başarılarından biri de , atomaltı  ölçekteki evreni inceleyen kuantum mekaniğinin tersine .kozmos ölçeğinde  etkili kütle çekimi betimleyen genel görelilik .birbiriyle uyuşmamalarına karşın bu iki kuram birbirlerine tamamlayarak geliştiler . Belki de önümüzdeki yıllarda bu kuramları özdeşleştirmek için sürdürülen çabalar meyvelerini verecek ve insanlık doğanın evrenin işleyişi konusunda  yepyeni bir anlayışa kavuşacak..

1897:PİETER ZEEMAN & JOSEPH THOMSON  ; Zeeman ışığın bir atom içindeki yüklü parçacıkların hareketi  sonucu yayımlandığını buldu .Thomson’da elektronu keşfetti .

1900:MAX PLANCK;Kara cisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımıyla açıkladı; kuantum kuramı böylece doğmuş oldu.

1905:ALBERT EİNSTEİN ;Dalga özellikleri olan ışığın aynı zamanda daha sonra foton diye adlandırılacak olan belirli büyüklükte enerji paketlerinden oluştuğu düşüncesini ortaya attı.                          

1911-1913:ERNEST RUTHERFORD& NIELS BOHR ;Rutherford atomun çekirdek modelini oluşturdu . Bohr ise ,atomu bir gezegen sistemi gibi belirledi .Ayrıca durağan enerji durumlar kavramını ortaya attı. Hidrojenin tayfını  açıkladı.

1914:JAMES FRANK & GUSTAV HERTZ ;Bir elektron saçılım deneyiyle durağan durumların varlığını doğruladılar

1923:ARTHUR COMPTON; X-ışınlarının elektronlarla etkileşimlerinde minyatür bilardo topları gibi davrandıklarını gözlemledi .Böylece ışığın parçacık davranışı hakkında yeni kanıtlar ortaya  koydu.

1923:LOUIS DE BROGLIE ; Madde parçacıklarının da dalga davranışı yaptığını  öne sürerek dalga-parçacık ikiliğini genelleştirdi.

1924:SATYENDRA NATH BOSE &ALBERT EINSTEIN ; Kuantum parçacıklarını saymak için ,daha sonra BOHR- EINSTEIN diye adlandırılacak olan ,yeni bir yöntem buldular.Ayrıca uç derecelerde soğutulmuş atomların tek bir kuantum durumuna yoğuşacaklarını önerdiler . “BOSE- EINSTEIN YOĞUŞMASI” 1990’lı yıllarda deneysel olarak gerçekleştirildi.

1925:WOLFGANG PAULİ ;Aynı özelliklere sahip fermiyon türü iki parçacığın aynı enerji düzeyinde bulunamayacağını söyleyen “dışlama ilkesi” ni açıkladı .

1925:WERNER HEISENBERG & MAX BORN & PASCUAL JORDAN ;Kuantum  mekaniğinin ilk biçimi olan matris mekaniğinin geliştirdiler ve kuantum  alan kuramı yolunda ilk adımı attılar .

1926:ERWİN SCHRÖDİNGER; Kuantum fiziğinin “dalga mekaniği” diye adlandırılan yeni bir betimlemisini geliştirdi.yeni kavram daha sonra “Schrödinger denklemi ” diye adlandırılan ,bilimin en önemli formüllerinden birini de kapsıyordu.

1926: ENRICO FERMİ &PAUL A.M.DIRAC; İki bilim adamı ,kuantum mekaniğinin parçacıkları saymak için yeni bir yola gereksinme duyduğunu belirlediler “Fermi Dirac istatistiği”,katı hal fiziğine kapıyı araladı.

1926:DIRAC;Işığın kuantum kuramı üzerine çok önemli bir makale yayımladı

1927:WERNER HEISENBERG; Bir  parçacığın aynı zamanda hem konumunu hem de hızını ölçmenin olanaksız olduğunu gösteren ünlü “belirsizlik ilkesi”ni açıkladı.

1928:DIRAC;Elektronun karşı maddenin varlığını da öngören relativistik bir kuramını ortaya koydu .

1932:CARL DAVID ANDERSON; Karşı maddeyi keşfetti . Bu parçacık ,pozitron adı verilen bir antielektrondu.

1934:HIDEKI YUKAWA; Çekirdek kuvvetlerinin ,mezon denen ağır parçacıklarca iletildiği  düşüncesini ortaya attı.Bunların elektromanyetik kuvvete aracılık eden fotonlarla benzer işlev yaptığını öne sürdü.

1946-48:ISIDOR RABI & WILLIS LAMB&POLYKARP KUSCH; Dirac kuramında tutarsızlıklar keşfettiler.

 1948:RICHARD FEYNMAN & JULLIAN SCHWINGER & SIN ILTRO TOMONAGA ; Kuantum elektro dinamik denen ve fotonlarla elektronların etkileşimini anlatan ilk eksiksiz kuramı geliştirdiler .Kuram ,Dirac kuramındaki tutarsızlıkları açıkladı.

1957:JOHN BARDEEN & LEON COOPER & ROBERT SCHRIEFFER ; Elektronların,kuantum  özellikleri dirençsiz hareket olanağı veren çiftler oluşturabildiklerini gösterdiler.Bu süperiletkenlerin sıfır elektrik direncini açıkladı.

1959:YAKIR AHARONOV & DAVID BOHM ;Bir manyetik alanın ,elektronun kuantum özelliklerini klasik fiziğin yasakladığı bir biçimde etkilediğini  öne sürdüler “Aharov –Bohm etkisi”,1960 yılında gözlendi ve akla gelmedik pek çok makroskopik etkinin gizli işaretlerini verdi.

1960:THEODORE MAİMAN ;Charles Townes ,Arthur Schawlow ve diğerlerinin daha önce yapmış oldukları çalışmaları ileri götürerek pratik kullanımlı ilk lazeri geliştirdi.

1964:JOHN S. BELL; “Bell eşitsizlikleri ” denen deneysel bir testle , kuantum mekaniğinin bir sistem için en eksiksiz tanımı verip vermediğinin sınanabileceğini söyledi.

1964: MURRAY  GELL & MANN; Madde parçacıklarını oluşturan ve kuark adı verilen temel parçacıklarla ilgili bir model geliştirdi.Kuarkların varlığı 1969 yılında deneysel olarak kanıtlandı.

1970’LER: Parçacık fiziğinin maddenin dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşen kuark ve leptonlardan oluştuğunu söyleyen Standart Model’in temelleri atıldı.Kuark modeli temelinde şiddetli çekirdek etkileşimlerini betimlemeyen “Kuantum renk dinamiği” kuramı geliştirildi.

1982: ALLAIN ASPECT; Bell eşitsizliklerinin deneysel bir sınavıyla kuantum mekaniğinin eksiksiz bir anlatım olduğunu gösterdi.

1995: ERIC CORNELL & CARL WİEMAN & WOLFGANG KETTERLE ; Mutlak sıfırın (-273 C) yalnızca milyonda bir derece üzerine kadar soğutulmuş metalik atom  bulutlarını tek bir kuantum durumuna hapsederek ,70 yıl önce kuramsal varlığı öne sürülen BOSE & EİNSTEIN yoğuşmasını oluşturdular . Bu başarı atom lazeri ve süper akışkan gazlar gibi pratik uygulamalar için yolu açtı.

Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri

Üstüste Gelme

Kuantum fiziğinin belki de en garip (ve en çok itiraz alan) yönü bir sistemin aynı anda birkaç farklı durumda bulunabilmesi. Parçacıklar doğal olarak böyle durumlara giriyorlar. Örneğin bir elektron tek bir noktada değil de değişik noktalarda bulunabilir. Max Born 1926 yılında de Broglie dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak yorumlanması gerektiği düşüncesini ortaya attı. Buna göre parçacıklar de Broglie dalgasının bulunduğu her yerde bulunur, bunlar dalganın güçlü olduğu yerlerde yüksek olasılıkla, zayıf olduğu yerlerde de düşük olasılıkla bulunuyor. Böylece parçacığın konumu doğal bir belirsizlik taşır. Max Born bu çalışmasından dolayı 1954 yılında Nobel ödülünü kazandı. Erwin Schrödinger, üstüste gelme ilkesinin yarattığı gariplikleri en açık biçimde ortaya koyan bir düşünce deneyi tasarladı. Schrödinger’in kedisi olarak bilinen bu deneyde bir kedi aynı anda hem diri hem de ölü olduğu bir duruma sokulabiliyordu. Hem mikroskobik ölçekte hem de bazı makroskobik cisimlerde var olduğu bilinen üstüste gelme olgusunun yorumu sürekli tartışma konusu olagelmiştir.

Tünelleme

Klasik fiziğe göre herhangi bir cismin kinetik enerjisi negatif olamaz. Dolayısıyla duvara attığım bir top duvarı delmeden öteki tarafa geçemez; çünkü duvarın getirmiş olduğu enerji engelini aşabilmek için klasik fiziğe göre duvarın içinden duvarı delmeden geçmek için negatif kinetik enerjiye sahip olmalıdır. Bu da klasik fiziğe aykırıdır. Kuantum kuramına göreyse, bir enerji engelini aşmak için yeterli enerjisi olmayan bir kuantum parçacığı , yine de bu engeli aşabilir. Yani engelin öteki tarafında bulunma olasılığı sıfır değildir. Kuramın tahmin ettiği ve doğruluğu deneylerle kanıtlanmış olan ve radyoaktivite gibi olguları açıklayan bu etkiye tünelleme adı verilir.

Schrödinger Denklemi

Bir kuantum sistemi hakkında bize her bilgiyi veren araç dalga fonksiyonu adı verilen bir fonksiyondur. Dalga fonksiyonunun uzaya ve zamana bağlı değişimini veren denklemi ilk bulan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’dir. Bu yüzden denklem Schrödinger denklemi adıyla anılır. Schrödinger denklemine göre dalga fonksiyonunun zamana göre değişimini Hamiltonian adı verilen bir operatör kontrol eder. Hamiltonian operatörü (bazen enerji operatörü adıyla da anılır) sistemin enerjisi ile yakından ilgilidir. Kuantum sisteminin sahip olabileceği enerji değerlerini Hamiltonian operatörü belirler. Bunu veren denkleme de zamandan bağımsız Schrödinger denklemi adı verilir. Schrödinger denkleminin çözümü olan dalga fonksiyonunun karesi kuantum sistemi ile ilgili olasılıkları verir.

De Broglie Dalgası

1923 yılında aristokrat bir aileden gelen Fransız fizikçi Louis de Broglie ışığın bazen dalga bazen de parçacık gibi davranmasından esinlenerek, diğer parçacıkların da dalga yönleri olabileceği savını ortaya attı. Buna göre momentumu p olan bir parçacığa dalgaboyu =h/p olan bir dalga eşlik ediyor ve parçacığın özelliklerini tamamlıyordu. Nasıl bir gitar teli uzunluğuna bağlı olarak sadece belli frekanslarda titreşiyorsa, atomun çevresinde dolanan bir elektronun de Broglie dalgası da sadece belli dalgaboylarına sahip olmalıydı. Bu çeşit bir dalga 1913 yılında Bohr’un hidrojen atomundaki elektronların enerji seviyelerini bulduğunda yaptığı varsayımları açıklıyordu. Makroskobik cisimlerin momentumları çok daha büyük olduğundan, de Broglie dalgasının dalgaboyu ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bu nedenle makroskobik cisimlerin dalga özellikleri gözlemlenemez. De Broglie’nin bu çalışması, kendisinin 1929 yılında aldığı dışında iki Nobel ödülü daha üretti. 1926’da Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, de Broglie’nin çalışmasını genişleterek kuantum kuramının temel denklemini elde etti ve 1933’te Nobel ödülünü aldı. 1927 yılında birbirlerinden bağımsız olarak ABD’de Davisson ve Germer, İngiltere’de de Thomson, bir kristale gönderilen elektronların tıpkı dalgalar gibi kırınıma uğradıklarını gösterdiler. Davisson ve Thomson’da 1937 yılında Nobel aldılar.

Belirsizlik İlkesi

Kuantum kuramının belirsizlik ilkesi, bir parçacığın bazı farklı özelliklerinin ikisinin de kesin olarak belirlenemeyeceğini söyler. Örneğin bir parçacığın konumuyla momentumu (momentum bir cismin kütlesiyle hızının çarpımıdır) aynı anda tam olarak ölçülemez. Kuantum kuramına göre parçacığın bu iki özelliğindeki belirsizliklerin çarpımı en az Planck sabiti   h=6,626x10^-34 J.s kadardır. Konumu belli bir anda kesin olarak bilinen bir parçacığın momentumu sonsuz belirsizliktedir ve bu yüzden parçacık kısa sürede o noktadan ayrılır ve uzaya dağılır. Benzer şekilde momentumu kesin olarak bilinen bir parçacığın konumu sonsuz belirsizliktedir, yani böyle bir parçacık uzayın her köşesinde bulunabilir. Bu nedenle doğada rastlanan parçacıkların bulunduğu kuantum durumlarında parçacıkların hem konum hem de momentumu bir miktar belirsiz olmak zorunda. Alman fizikçi Werner Heisenberg, ünlü mikroskop örneğini bu ilkeyi açıklamak için geliştirdi. Bir parçacığın yerini "görerek" ölçmeye çalıştığınızı düşünün. Böyle bir ölçümde parçacığın üzerine ışık göndermek, dolayısıyla parçacıkla etkileşmek gerekir. Bu bile parçacığın konumunu tam olarak belirlemeye yetmez. Bu ölçümde en azından kullanılan ışığın dalgaboyu  kadar bir hata yapılır. Bunun yanı sıra ışık parçacıkla etkileştiği için ölçüm, parçacığın hızında bir değişmeye de neden olur. ışık parçacığa çarpıp yansıdığı için en az bir fotonun momentumu parçacığa aktarılır. Parçacığın momentumu ölçümden önce tam olarak bilinse bile, konumun ölçülmesi parçacığın momentumunu h/ kadar değiştirir. Bu nedenle, parçacığın yerini daha iyi belirlemek için daha kısa dalga boylu ışık kullansak bile, ölçümümüz momentumdaki belirsizliği arttıracak, ama her durumda ikisinin belirsizlikleri çarpımı en az h kadar olacaktır.

Spin

Parçacıkların uzaydaki doğrusal hareketleri dışında kendi iç dinamikleriyle ilgili hareketleri de vardır. Bu parçacıkları doğrusal değil de küçük kürecikler şeklinde düşünürsek, bu kürelerin kendi çevrelerinde dönmeleri de etkileri gözlemlenebilen bir hareket şeklidir. Bu hareket için İngilizce’de kendi etrafında dönmek demek olan "spin" kullanılır. Spin de bir açısal momentum türüdür. Fakat kuantum kuramı bazı parçacıkların (elektronlar gibi) spinlerinin gerçekten böyle bir dönme sonucu oluşmayacağını söylüyor. Bu rağmen dönme benzetmesi bir çok açıdan iyi bir açıklama biçimi gibi görünüyor. Kuantum kuramına göre spini "s" olan bir parçacığın spin durumu sadece (2s+1) değişik değer alabilir yada bu (2s+1) durumun üst üste gelmesiyle oluşabilir. Elektron, proton ve nötronların spinleri s=1/2 dir. Yani bu parçacıkları uzaydaki hareketlerinin dışında 2 değişik durumda da bulunabilirler. Zayıf etkileşimi ileten W ve Z parçacıklarının spini 1’dir. Bunlar da 3 değişik durumda bulunabilirler. Fotonlarsa ışık hızında hareket ettikleri için spinleri 1 olmasına karşın sadece iki farklı spin durumunda bulunabilirler. Bunların dışında bir kaç parçacıktan oluşmuş birleşik sistemlerin spinide hesaplanabilir. Örneğin helyum-4 atomunun spini 0 olarak hesaplanabiliyor. Spini olan bir çok parçacık spinlerinin yönüne bağlı olarak uzayda manyetik alan oluştururlar. Bu anlamda bu tip parçacıkları küçük birer mıknatıs olarak da düşünmek mümkün. Eğer elektronlar bir manyetik alandan geçirilirse, kendi mıktanatıslıklarının yönüne bağlı olarak değişik yönlere sapmaları gerekir. 1921 yılında Stern ve Gerlach bu deneyi yaparak elektronların sadece iki değişik yöne saptıklarını, böylece bu parçacıkların sadece iki farklı spin durumunda bulunabildiklerini göstererek kuantum fiziğinin en güçlü kanıtlarından birini elde ettiler.

Enerji Tablosu

Tablo elektromanyetik spektrumdaki değişik bölgelere ait fotonların dalgaboyu, frekans ve enerji kıyaslamalarını yapmaktadır.

 Fotonun Bölgesi                  Dalgaboyu                  Frekans(Hz)              Foton Enerjisi

 Radyodalgası                        1km                             3x10⁵                      1 neV

 Mikrodalga                           1cm                             3x10¹⁰                    120 meV

 Kızılötesi                              10mm                           3x10¹³                   120 meV
 Ultraviyole                           100nm                          3x10¹⁵                   12 eV
 X Işını                                  0,05nm                        6x10¹⁸                    25 keV

Fotonlar

Bilim adamları, ışığın bir tür elektromanyetik dalga olduğunu düşünüyorlardı ve içleri rahattı; ta ki Max Planck bazı deneylerinde ışığın tanecikmiş gibi davrandığını farkedinceye dek. Işık sanki devamlı dalgalar değil de, enerji paketcikleri gibi geliyordu. Einstein ve Planck bu enerji paketlerini ışık quantumu veya foton olarak adlandırdılar. Fotonlar sanki birer parçacıklarmış gibi davranıyordu. Relativite teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında gidebilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu! Demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi; kütlesinden kaynaklanan hiçbir enerjisi yoktu. Einstein o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla açıkladıktan sonra, bilim adamlarının ağızında yeniden 'ışık nedir?' sorusu gündeme gelmişti.

Işığın bazı özellikleri sadece dalga konsepti ile açıklanırken (girişim veya kırınım gibi), bazı özellikleri ise sadece foton konsepti ile açıklanabiliyor (Fotoelektrik olay veya atomların enerji soğurması ve salması gibi).

Kozmik Işınlar

Dış uzaydan gelen radyasyonlardır. Elektromanyetik Spektrumdaki en kısa dalga boyuna sahiptirler.

Gama Işınları

Bunlar atom çekirdeğinden gelen radyasyonlardır ve genelde çekirdekteki anlık değişimlerden sonra yayılırlar (radyoaktivite). Bir atom çekirdeğinin çapından daha küçük dalga boylu dalgalar içerirler.

X-Işınları

Kaynaklar: lambalar, x ısını tüpleri ve metal bir hedefe çarpan hızlı elektronlardır. X ısınları yumuşak maddelerin içine nüfuz ederler.

Ultraviyole Işınlar

Kaynaklar; lambalar, gaz deşarjları ve de yıldızlardır. Kısa dalga boylu morötesi ışınlar zararlı olabilirler.

Görünen Işık

Işık diye hitap edilen elektromanyetik spektrumun bu küçük bölümünü insan görebilir. Bu bölümde mor ile başlayan ve kırmızıyla biten renkler vardır.

Kızılötesi Işınlar

Bütün sıcak ve soğuk maddeler tarafından oluşturulurlar. Atomlar tarafından emildiklerinde maddeyi ısıtırlar, onun için de ısı radyasyonu da denir.

Mikrodalgalar

Radarlarda kullanılan çok kısa dalgaboyuna sahip radyo dalgalarıdır. Aynı zamanda mikrodalga fırınlarda ve kablo gerektirmeyen uzak mesafe iletişimlerde kullanılır.

Radyo Dalgaları

Bunların kaynakları elektrik osilasyonlarıdır. Telefon, televizyon ve radyoda bağlantı kablosu gerektirmeden kullanılır.

nsanlar ışığın doğasını anlamak için birçok çaba gösterdi, ama bu kolay olmadı. 1864 yılında James Clerk Maxwell ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu farketti. Işığın değişen bir elektrik alanı (E) ve yine değişen ve elektrik alana dik olan bir manyetik alan (B)'den oluştuğu önermesinde bulundu. E ve B'nin oranı her noktada aynı idi. Ama bunlar diğer bildiğimiz su dalgası veya ip üzerindeki bir dalgaya hiç benzemiyorlardı; çünkü ilerleyebilmeleri için bir ortam gerekmiyordu ve Maxwell bu elektromanyetik dalgaların uzay boşluğunda 2.998 x 108 m/s 'lik bir hızla ilerlediklerini gösterebildi. Her dalga gibi bu dalgalar da devamlı dalgalar idi. Yani parça parça değillerdi. İki dalga tepesi arasında kalan uzaklık dalgaboyu olarak adlandırılır. Saniyedeki titreşim sayısı ise frekans olarak isimlendirilir. Bir dalga için, dalgaboyu ve frekans arasındaki bağıntı: V = l.f şeklinde gösterilir. Burada V: dalganın hızı, l: dalgaboyu ve f ise frekanstır. Elektromanyetik dalgalar söz konusu olduğunda ' V ' ışık hızı anlamına gelen ' c ' harfine eşit olur... Formülümüz ise, şu hale gelir:

F=C/

Dalgaboyu: Metre cinsinden ve frekans ise 1/saniye veya Hz (hertz) cinsindendir.

Fotonların Enerjisi

1900 yılında Max Planck isimli bir bilim adamı bir sabit sayı keşfetti. Bu sayı ‘Planck Sabiti (h)’ olarak ismlendirildi. Bunun ardından birçok yeni fikirler üretilmeye başlandı. Planck, ışığı enerji paketcikleri olarak tanımladı ve bu paketciklerin her birinin enerjisini şu şekilde tanımladı.  

             E=h.f

Burada 'f' ışığın frekansı ve 'h' ise Planck sabitidir. Planck sabitinin değerleri aşağıda belirtildiği gibidir. Bunların hepsi birbirinin aynısıdır, aralarındaki tek fark birimlerdir:

h = 6,63 x 10-34 J.s (Joule x Saniye)
= 4,14 x 10-15 eV.s (Elektronvolt x Saniye)
= 1,58 x 10-34 cal.s (Kalori x Saniye)

Fotonların Kanıtı

Arthur Holly Compton (1892-1962), bir foton ve bir de elektron alarak, onlarla bilardo toplarının çarpışmasına benzer bir deney gerçekleştirdi. Bir dizi deneyler yapıyordu. Compton'un kullandığı foton; bir x-ışını fotonu idi. Bu fotonu, bir karbon grafitindeki atomların aralarında neredeyse serbest olarak duran bir elektronun üzerine gönderdi. Elektron başlangıçta hareketsiz olduğu için momentum <2y.htm>u sıfırdı.

Girişim ve Kırınım

Işık parçacıklardan oluşmuş gibi dursa da, sadece dalgaların gösterebileceği girişim ve kırınım özellikleri göstermektedir.

Girişim: Aynı doğaya ait olan, iki veya daha çok dalga (burada sözkonusu dalga ışık) aynı noktadan aynı anda geçtiklerinde, anlık dalga yüksekliği, birleşen iki veya daha çok dalganın anlık dalga yüksekliklerinin toplamı olur... Yeni bir dalga üretilmiş olur.

Kırınım: Sol taraftaki resimlerde gösterildiği gibi, bir delikten geçtiğinde ışığın yoluna düz olarak devam edeceğini düşünürüz. Oysa deneysel verilere göre, bu iş malesef böyle değildir. Işık da su dalgalarına benzer bir biçimde kırınıma uğrar (sağdaki şekilde). Kırınım, deliğin büyüklüğü ile orantılıdır. Deliğin büyüklüğü elimizdeki ışığın dalgaboyu ile mukayese edilebilir büyüklükte ise saçınım gerçekleşmektedir. Ama, eğer deliğin büyüklüğü elimizdeki ışığın dalgaboyundan çok büyükse saçınım görülemez. Belki de hesaplanamayacak kadar küçük olur.

Fotoelektrik Olayı

Bu operasyon x-ışını yaratmanın tam tersi gibi de görülebilir. Fotoelektrik tüpün içi elektronların geçişinin kolay olması amacıyla vakumlanmıştır. Işık tüpe girip metale çarpınca plaka elektron yayar. Sonra bu elektronlar küçük bir potansiyel fark sayesinde toplayıcı çubuğa atlar ve akım oluşmuş olur. Yayılan elektronlara fotoelektronlar denir. Aslında bu olay tipik bir foton emme durumu gibi de görülebilir.

Bir fotosel devresinde gelen elektronlar metal plakanın elektronları tarafından emilir ve eğer gelen elektronların metal plakadaki elektronları koparacak kadar enerjisi varsa fotoelektrik olayı olur.

Bir Atomu Nasıl Uyarırız

Bu arada elektronların metallerden koparılması için ufak enerjiler yeterlidir. Metaller iletkendir ve elektronların hareketine izin verirler. Metallerin elektriği nasıl ilettiğini açıklayan, serbest elektronlar teorisine göre elektronları metalden koparmak fazla enerji gerektirmez.