İçeriğe atla

Dalga-parçacık ikiliği

Dalga-parçacık ikililiği teorisi tüm maddelerin yalnızca kütlesi olan bir parçacık değil aynı zamanda da enerji transferi yapan bir dalga olduğunu gösterir. Kuantum mekaniğinin temel konsepti, kuantum düzeyindeki objelerin davranışlarında ‘’parçaçık’’ ve ‘’dalga’’ gibi klasik konseptlerin yetersiz kalmasından dolayı bu teoriyi işaret eder. Standart kuantum yorumları bu paradoksu evrenin temel özelliği olarak açıklarken, alternatif yorumlar bu ikililiği gelişmekte olan, gözlemci üzerinde bulunan çeşitli sınırlamalardan dolayı kaynaklanan ikinci dereceden bir sonuç olarak açıklar. Bu yargı sıkça kullanılan, dalga-parçacık ikililiğinin tamamlayıcılık görüşüne hizmet ettiğini, birinin bu fenomeni bir veya başka bir yoldan görebileceğini ama ikisinin de aynı anda olamayacağını söyleyen Kopenhag yorumu ile açıklamayı hedefler.

Teorinin kökeni

İkililik fikrinin temeli 17. Yüzyılda Christiaan Huygens ve Isaac Newton arasında ışık ve maddenin doğası hakkındaki ışım hem dalgadan(Huygens) hem de parçacıktan(Newton) oluşur tartışmalarına dayanır. Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Neils Bohr ve diğer birçok bilim insanının çalışmaları sayesinde şu andaki bilimsel teori olan ışığın hem parçacık hem de dalga (ya da tam tersi) olduğu teorisi geçerli. Bu olgu yalnız orta boyuttaki parçacıklar için değil ayrıca atom ve moleküllerin temel bileşenleri içinde geçerlidir. Gözle görülebilir parçacıklar için ise aşırı derecede kısa dalga boylarından dolayı dalga özelliği saptanamıyor.

Dalga ve Parçacık Görüşlerinin Kısa Tarihi

Aristoteles ışığın doğası hakkında hipotez kuran ilk kişilerden biriydi ve ışığı havadaki elementlerin ayrışması olarak düşünüyordu (dalga teorisi). Diğer bir yanda ise Demokritos ışık da dahil olmak üzere evrendeki her şeyin daha küçük ayrılamaz parçalardan oluşması yargısına karşı geldi. 11. Yüzyılın başlarında, Arap bilim insanı İbn-i Heysem optik üzerine; kırılma, yansıma ve ufak boyuttaki mercekleri kullanarak ışınların çıkış noktasından göze gelene kadarki yolunu anlatan konular hakkındaki ilk kapsamlı tezi yazdı. Bu ışınların birleşik ışığı oluşturduğu iddiasında bulundu. 1630’da René Descartes’ın Işık Üzerine yazdığı tezindeki ters dalga tanımı, ışığın davranışının dalga dağılımı modellemesiyle ışığın tekrar yaratılabileceğini gösterdi. 1670’in başlarında ve 30 yıllın üzerindeki çalışmayla Isaac Newton parçacık hipotezini sunarak ışığın yansımasının gösterdiği düz çizgiyle sadece parçacıkların böyle bir düz çizgi üzerinde gidebileceğini savundu. Işığın kırılmasını ise daha yoğun bir ortama geçen ışığın hızlandığını varsayarak açıkladı. Yaklaşık olarak aynı zamanda, Newton’un çağdaşları Robert Hooke ve Christiaan Huygens ve sonrasında Augustin-Jean Fresnel matematiksel olarak dalga görüşünü farklı ortamlarda farklı hızlarla giden ışığın kırılmasının ortama bağlı olduğunu gösterdi. Huygens-Fresnel prensibinin sonuçları ışığın davranışını belirlemede oldukça başarılıydı ve sonradan Thomas Young’un çift gişirim deneyiyle ise ışığın parçacık olduğu görüşünün sonu başlamış oldu.

Thomas Young'ın çift yarık deneyine dair çizimi, 1803

Parçacık teorisini son darbe James Clerk Maxwell’ın daha önceden bulunmuş olan titreşen elektrik dalgaları ve manyetik alanlarla ilgili dört basit denklemi birleştirdiğinde vurulmuş oldu. Titreşen bu elektromanyetik dalgaların yayılma hızı hesaplandığında ışık hızı açığa çıkmış oldu. Görünür ışık, morötesi ışık ve kızıl ötesi ışığın çeşitli dalga boylarındaki elektromanyetik dalgalar olduğu açığa kavuşmuş oldu. Dalga teorisi galip geldi ya da öyle olduğu düşünüldü.

19. yuzyılın başlarındaki dalga teorisinin ışığı tanımlamasındaki başarıları sırasında maddeyi tanımlayan atomic teori ortaya çıkmaya başladı. 1789 yılında Antoine Lavoisier kimyayı simyadan kesin ve tutarlı yöntemlerle ayırarak maddenin korunumunu ve birçok kimyasal element ve bileşik buldu. Ancak bu temel kimyasal elementlerin doğası bilinmezliğini korudu. 1799 yılında Joseph Louis Proust elementlerin sabit oranlarla birleştiğini göstererek kimyayı atomik düzeyde ilerletmiş oldu. Bu gelişmeler Jhon Dalton’u Democritus’un atom hakkındaki görüşlerini tekrar ortaya çıkardı, elementleri görünmez bileşenler olarak tanımlaması  oksijenin neden metal oksitlerin 1:2 oranında başka bir oksijenle birleştiğini açıkladı. Ancak Dalton ve o zamanın diğer kimyacıların göz önünde bulundurmadığı şey, bazı elementlerin tek atomlu (Helyum gibi) ve diğerlerinin çift atomlu (Hidrojen gibi) ya da su gibi H2O yerine daha basit ve sezgisel HO bu yüzden atomik ağırlık değişken ve çoğunlukla yanlış olarak gösterildiğiydi. Ek olarak HO oluşumu iki parça hidrojen gazı ve bir parça oksijen gazının ikiye bölünmesini gerektirmektedir. Bu problem reaksiyona giren gazların hacimlerinin üzerinde sıvı ve katı gibi çalışan Amedeo Avogadro tarafından çözüldü. Eşit hacimde element gazının eşit hacimde atom içerdiğini öne sürerek H2O nun iki parça H2 ve bir parça O2 den meydana geldiğini gösterdi. Çiftatomlu gazları bularak temel atom teorisini tamamlayan Avogadro çokça bilinen bileşiklerin doğru moleküler formüllerini ortaya koyarak daha düzenli bir şekilde olmasını sağladı. Klasik atom teorisine son darbe Dimitri Mendeleyev elementleri gösteren sıralı ve simetrik bir tablo oluşturmasıyla geldi. Ancak Mendeleyev'in tablosunda hiçbir elemental doldurulamayacak boşluklarda vardı. Ancak bu boşluklar zamanla yeni elementlerin oluşturulmasıyla giderildi. Periyodik tablodaki başarı atom teorisine karşı olanlara yanıt olmuştu, ancak laboratuvarda herhangi bir tek atom gözlemlenmemesine rağmen kimya bir atom bilimiydi.

Dalga-parçacık ikiliğinin çift yarıkta girişim deneyiyle ve gözlemcinin etkisiyle animasyon olarak gösterilmesi
Parçaların çarpması görülebilir dalga çizgileri oluşturuyor.
Dalga paketiyle gösterilen bir kuantum parçası
Kuantum parçacığının kendisiyle girişimi
Animasyon için görüntülere tıklayın.


20. yüzyılın bitmesiyle birlikte gelen paradigma değişimi

Elektrik parçacıkları

19. yüzyılın bitiminde, fizik yoluyla atomun doğasına ve kimyasal reaksiyonların işleyişine karar vermek atom teorisinde indirgemeciliğin atomun kendi içine ilerlemesini sağladı. İlk başta akışkan sanan elektrik daha sonradan elektron ismi verilen parçacıklardan oluştuğu anlaşıldı. İlk defa J. J. Thomson tarafından 1897 yılında katot ışın tüpü kullanarak vakumlu ortamda elektrik yüklerinin hareketi gözlemlendi. Vakum elektrik akışkanına hareket için ortam sağlamadığından dolayı bu buluş sadece negatif yüklü parçacığın vakumlu ortamda hareketi sayesinde açıklanabilir. Elektronlar yıllardır elektriği akışkan olarak gören klasik elektrodinamikle karşı karşıya geldi. Daha da önemlisi, elektrik yükü ve elektromanyetizma arasındaki yakın ilişki Michiael Faraday ve James Clerk Maxwell tarafından belgelenmiş oldu. Elektromanyetizmanın değişen bir elektrik veya manyetik alan tarafından oluşturulan bir dalga olarak bilinmesinden beri elektrik ve yükün atomik/parçacık tanımı yersizdi. Dahası, klasik elektrodinamik tamamlanmayan tek klasik teori değildi.

Radyasyon niceleme

Bir objenin sıcaklığından dolayı kaynaklanan elektro manyetik bir enerji yayılımı olan kara-cisim ışıması klasik yargılar tarafından tek başına açıklanamazdı. Tüm klasik termodinamik teorilerin temeli olan klasik mekaniğin eşbölüşümü teoremi, bir nesnenin enerjisinin nesnenin titreşim modları arasında eşit olarak paylaştırıldığını belirtir. Bu teori titreşim modlarını oluşturan atomların hızları olarak tanımlarken ve hız dağıtımının  eşitlikçi olarak dağıtarak deneysel sonuçlarla eşleşti ve işe  yaradı. Kinetik enerjinin ikinci dereceden bir denklem olmasından dolayı hız ortalama hızdan daha büyüktür ancak yüksek enerjili atomların sayısı düştüğünde aynı zamanda düşüşte o kadar çok olacaktır ve hız atomlar arasında eşit olarak dağıtılacaktır. Yavaş hız modlarında görünürde hız dağıtımı eşit olacaktır, yavaş hız modları daha az enerji istediğinden 0 hız modu hiç enerji harcamayacaktır ver sonsuz sayıda atoma dağıtılabilir. Ancak bu durum atomlar arasındaki etkileşimin yokluğunda meydana gelebilir; atomlar arası çarpışması olduğunda yavaş hız modu devreye girecektir. Ayrıca denge durumu hızın sıcaklığa oranıyla da sağlanabilir.

Ama bu durumu elektromanyetik yayılımda olaylar termal nesnelerde olduğu gibi değildir. Termal nesnelerin ışık yayılımı yaptığı uzun süredir bilinmektedir. Sıcak metaller kırmızı renkte parlar ve eğer daha fazla ısı alırlarsa renkleri beyaza döner. Işığın bir elektromanyetik dalga olarak bilinmesinden dolayı fizikçiler bu ışımayı klasik yasalarla açıklamaya çalışmıştır. Bu durum kara-cisim problem olarak bilinmektedir. Eşitdağılım teorisi termal objelerin titreşim modları için kullanıldığından beri bu durumun eşit olarak ışıması varsaymak önemsiz olacaktır. Ancak bu çıkarım ışığın titreşim modları için kullanıldığında çabucak bir sorun ortaya çıktı. Bu sorunu basitleştirmek için olabilecek en uzun dalgaboyu termal nesenin oyukları olarak tanımlandı. Herhangi bir dengedeki elektromanyetik mod yalnızda bu oyuklarının duvarlarını boğum noktası olarak kullanarak var olabilirdi. Böylece dalga boyu oyuğun(L) iki katından büyük bir dalga olamadı.

Oyukta duran dalgalar.

İlk birkaç mod uygulanabilir olduğundan  dalga boyları 2L, L, 2L/3, L/2 vs. Dalga boyunda kısalma limiti olamamasına rağmen 2L uzunluğunu asla geçememektedir darken kısadalga boyları dağıtımda üstünlük sağladı ve oyuk neredeyse tamamıyla kısa dalga boylarıyla dolmaya başladı. Eğer her mod eşit enerji dağılımı almış olsaydı kısa dalgaboy modları bu enerjinin hepsini özümserdi. Rayleigh-Jeans yasasından sonra uzun dalgayı boyu ışımalarının yoğunluğu doğru olarak öngörülürken, sonsuz enerjinin sonsuz sayıdaki kısa dalgaboylarıyla mümkün olacağı düşünüldü. Bu durum morötesi felaketi olarak bilinmektedir.

Çözüm 1900 yılında Max Planck’ın kara cismin tarafından yapılan ışık yayılımının frekansı bu yayılımı yapan osilatörün frekansına bağlı olduğu ve  bu osilatörün enerjisinin ışıkla düz orantılı olarak arttığı hipoteziyle bulunmuştur(E =hv). Görülebilir osilatörlerin aynı mantıkla çalışıtığı düşünülerek bu hipotezin yanlış olduğu çıkarılamaz ; aynı genlik ve farklı frekanstaki beş farklı harmonik osilatör kullanılarak en fazla frekansa sahip olanın en çok enerjiyede sahip olan olduğu görülmüştür. Buna dayanarak yüksek frekanslı ışık eşit frekanstaki osilatörden yayılmış olmalıdır ve buna dayanarak bu osilatör düşük frekanslılara göre daha fazla enerjiye sahiptir, böylece Plank herhangi bir felakti önlemiş oldu, böylece eşit dağılıma göre yüksek frekanslı osilatörler daha düşük frekanslı osilatörlerin birleşimiyle oluşabilir. Maxwell-Boltzmann dağılımında olduğu gibi yüksek  enerjili ve yüksek frekanslı osilatörlerin baskısı altında kalan düşük frekanslı ve düşük enerjili osilatörlerinde frekansı ve enerjisi artar. Planck’ın kara-cisim ile ilgili yargısındaki en devrimsel parça termal dengedeki osilatörlerle elektromanyetik alanların doğasının aynı tam sayıya dayanıyor olması. Bu osilatörler tüm enerjilerini elektromanyetik alana verir ve elektromanyetik alan tarafından uyarıldığı kadar bir ışık kuantumu oluşturur ve bu ışık kuantumunun özümseyerek aynı frekansta osilasyona başlar. Planck istemli olarak kara-cismin atomik teorisini oluşturmasına rağmen oluşturduğu ışığın atomik teorisi istemsizdi.

Fotoelektrik olay aydınlanması

Planck’ın morötesi felaketini atom ve kuantize elektromanyetik alan kullanılarak çözmesinden sonra çoğu fizikçi çabukça Plank’ın ‘’ışık kuantumu’’ teorisinin kaçınılmaz açıkları olduğunu fark etti. Kara-cisim ışıması için daha tamamlayıcı bilgi kuantizasyonsuz tamamen sürekli, tamamen dalgasal elektromanyetik alan kullanılarak oluşturuldu. 1905 yılında Albert Einstein Planck’ın kara-cisim modelini kullanarak o zamanın çözülemeyen sorularından biri olan, enerji alan atomların elektron yaymasıyla oluşan fotoelektrik olaya çözüm buldu.

1902 yılında Philipp Lenard atomdan çıkan elektronların enerjisinin ışın yoğunluğu yerine frekansına bağlı olduğunu buldu. Böylece bir atoma düşük frekanslı az parlaklıkta bir ışık tutulmasıyla yine aynı frekanstaki parlak bir ışığın tutalmasında kopan elektronun enerjisi eşik olduğu görüldü. Daha yüksek enerjiye sahip elektronlar için daha yüksek frekanslı ışık tutulmalıdır. Ne kadar fazla ışık olursa o kadar elektron koparılmış olur. Kara-cisim ışımasında olduğu gibi ışıma ve madde arasındaki enerji transferinin başlaması teoride şanstı. Ancak maddenin kuantum mekaniği doğasına rağmen hâlâ ışığın klasilik tanımı kullanılarak açıklanabilir.

Planck'ın kuantum enerjisini kullanan ve verilen frekansta elektromanyetik radyasyon isteyen, sadece kuantum hv sinin tam katları kadar enerjiyi maddeye transfer edebilir. Bundan sonra fotoelektrik etki daha kolay açıklanabilir. Düşük frekanstaki ışık yalnızca düşük enerjili elektronları koparır çünkü her bir elektron fotonların emilimiyle uyarılır. Düşük frekanslı ışığın yoğunluğunun arttırılması, enerjileri yerine yalnızca uyarılan atomların sayısını arttırır çünkü her bir fotonun enerjisi yine aynı kalır. Yalnızca ışığın frekansı arttırılarak ve böylece fotonların enerjisini yükselterek daha yüksek enerjili elektron koparılabilir. Planck sabiti h I kullanarak fotonların frekansına bağlı olarak enerjisi bulunabilir, ayrıca koparılan atomun enerjisi de frekansa bağlı olarak lineer artış gösterir; doğrunun eğimi ise Planck sabitini gösterir. Bu sonuçlar Robert Andrews Milikan’ın 1915’te elektron yükünü Einstein’ın tahminlerinin deneysel sonuçlarını kullanarak bulmasına kadar onaylanmadı. Koparılan elektronun enerjisinin Planck sabitini göstermesine rağmen fotonların varlığı foton antigruplaşması efektinin bulunmasına kadar kesinleşmemişti. Bu fenomen yalnızca fotonlarla açıklanabilirdi. Einstein 1921 yılında Nobel Ödülünü aldığında özel ve genel görelelik teorisi matematiksel olarak zor olmamasına rağmen tamamen devrimci ve ışığın kuantizasyonundan bahsediyordu. Einstein’ın ışık kuantası 1925 yılına kadar foton olarak isimlendirilmedi ancak 1905 te bile mükemmel bir şekilde dalga-parçacık ikililiğini örnekler nitelikteydi. Elektro manyetik ışımı linear dalga denklemleri sağlamaktadır ancak yalnızca soyuk elementler tarafından yayılabilir ya da emilebilir böylece hem dalga hem de parçacık özelliği gösterir.

Kilometre taşlarındaki değişim

Huygens ve Newton

İlk kapsamlı ışık teorilerinden biri ışığın dalga teorisini öne sürüp dalgaların nasıl düzgün bir hat üzerinde girişim yaptığını gösteren Christiaan Huygens’ten gelmişti. Ancak bu teori Isaac Newton’un ışığın parçacık teorisi ile birlikte geride bırakılmış oldu. Newton bu teorisinde ışığın ufak parçacıklardan oluştuğunu öne sürerek yansıma olgusunu kolayca açıklayabilmişti. Oldukça zor olsa da ayrıca ışığın lensten kırılmasını ve güneş ışığından gökkuşağı oluşumunu da açıklamıştı. Newton’un parçacı görüşüne yüzyıldan uzun süre kimse meydan okuyamadı.

Young, Fresnel ve Maxwell

19.yüzyılın başlarında Young ve Fresnel’in çift yarık deneyi Huygens’in dalga teorisi için kaynak sağlar nitelikteydi. Çift yarık deneyinde sisteme gönderilen ışıktan su dalgalarındakine benzer gibi karakteristik bir girişim kalıbı gözlendi ve dalga boyu bu kalıplar kullanılarak ölçüldü. Dalga görüşü parçacık ve ışın görüşlerinin yerini hemen alamamasına rağmen 19. yüzyılın ortalarına doğru polarizasyon olgusuyla birlikte bilimsel düşüncelerde baskınlık kurmaya başladı.

19.yüzyılın sonlarına doğru James Clerk Maxwell, Maxwell denklemlerine göre ışığın elektromanyetik dalga yayılması olduğunu açıkladı. Bu denklemler 1887’de Heinrich Hertz’in denklemleri tarafından doğrulandı ve dalga teorisi Kabul edilmeye başlandı.

Planck’ın kara-cisim ışıması formülü

1901 yılında Max Planck parlayan bir cismin yaydığı ışığın gözlemlenen spektrumlarını yeniden oluşturmayı başaran analizini yayınladı. Bunu başarmak için Plank radyasyon yayılımı yapan osilatörün kuantize enerjisini ad hoc matematiksel varsayımını kullanarak buldu. Einstein daha sonradan elektromanyetik radyasyonun kendisinin kuantize olduğunu ve yayılan atomların enerjisi olmadığını öne sürdü.

Einstein’in fotoelektrik olay açıklaması

Fotoelektrik efekt. Soldan gelen fotonlar metal levhaya vuruyor ve elektron söküyor.

1905 yılında Albert Einstein dalga teorisinin eksik yönlerine fotoelektrik efekt deneyiyle açıklık getirdi. Bunu fotonun varlığını ve ışık enerjisinin kuantasının parçacık özelliklerini varsayarak yaptı. Fotoelektrik olayda bir metal üzerine düşürülen parlayan bir ışığın devrede elektrik akımı oluşturduğu gözlemlendi. Bunun sebebinin ışığın elektronları sökerek devrede bir akım oluşturduğundan dolayı olduğu düşünüldü. Örnek olarak potasyumu kullanırken loş mavi ışığın yeterli akımı oluşturmasına rağmen en güçlü ve en parlak kırmızı ışığın akım oluşturmadığı gözlemlenmiştir. Işık ve maddenin klasik teorisine bakılarak, bir ışık dalgasının gücü ve büyüklüğü parlaklığıyla orantılıdır: parlak ışık kolaylıkla yeterli akımı oluşturmalıdır. Ancak o bilinenin aksine öyle değildi.

Einstein bu karışıklığı elektronların yalnızca elektromanyetik alanlarla enerji alabilceğini var sayarak giderdi: enerjinin miktarı E is ışığın frekansı f ile bağlantılıdır.

h Planck sabiti(6.626 × 10−34 J saniye). Yalnızca yeterince yüksek frekansa sahip fotonlar elektrik koparabilirler. Örnek olarak mavi ışık fotonları elektron koparmak için yeterli enerjiye sahipken kırmızı ışık fotonları bu enerjiye sahip değildir. Gereken frekans eşiğini geçtikten sonra ışık şiddetinin arttırılması koparılan elektron sayısını arttırır. Bu yasayı çürütmek için henüz üretilmemiş yüksek yoğunluklu lazerler gerekli.yoğunluğa bağımlılık fenomeni bu sıralar detaylı bir şekilde araştırılıyor.

De Broglie’nin dalgaboyu

Propagation of de Broglie waves

1924 yılında, Louis-Victor de Broglie de Broglie hipotezini formülleştirerek sadece ışık değil diğer tüm maddelerin dalga yapısında olduğunu ve bir dalgaboyuyla(λ ile gösterilir),  momentum(p şeklinde gösterilir) sahip olduğunu gösterdi.

Einstein’ın denkleminin yukarıdaki genellenmiş hali fotonun momentumunu p = ve dalgaboyunu (vakumlu ortamda) λ = , şeklinde vakumlu ortamdaki ışık hızına c diyerek göstermiştir. De Broglie’ in formülü elektronlar için üç yıl sonra elektron kırınımının iki bağımsız deneyde gözlemlenmesiyle onaylanmış oldu. Aberdeen Üniversitesinden George Paget Thomson ince metal film içerisinden elektron geçirerek öngörülen girişim kalıplarını gözlemdi. Bell Laboratuvarında Clinton Davisson ve Lester Germer ışınlarını kristal bir düzenek bir düzenek boyunca ilerletti. De Broglie 1929 yılında tezinden dolayı Nobel Fizik Ödülünü kazanmıştır. Thomson ve Davisson ise 1937 yılında deneysel çalışmaları sonucunda Nobel Fizik Ödülünü paylaşmışlardır.

Heisenberg’ün belirsizlik ilkesi

Wener Heisenberg’in kuantum mekaniğini formülleştirmek için varsaydığı belirsizlik prensibinde

standard sapmayı, yayılımı ya da belirsizliği;

x ve p parçacığın konumunu ve lineer momentumunu.

düşürülmüş Planck sabiti (Planck sabitinin 2' bölümü)

Heisenberg temel olarak konumun ve momentumun aynı anda tutarlı olarak ölçülemeyeceğini savunarak de Broglie hipotezine bağlı örneklerle bu durumu açıklamıştır.

De Broglie-Bohm teorisi

De Broglie dalga-parçacık ikililiğini gözlemlemek için pilot dalga inşa etmiştir. Böylece her bir parçacık iyi tanımlanmış bir konum ve momentuma sahip olmuştur, ancak Schrödinger’in denkleminden yaptığı çıkarımla doğru sonuca ulaşmıştır. Pilot dalga teorisi ilk başlarda birden çok parçacık içeren sistemlere uygulandığında yersiz sonuçlar ortaya çıkardığından dolayı reddedilmişti. Yersizlik kısa süre sonra kuantum teorisinin integrali kullanılarak giderildi ve Dovid Bohm, de Broglie modelini genişleterek dahil etti. De Broglie-Bohm teorisi ya da Bohmian mekaniği, dalga-parçacık ikililiğini maddenin özelliği olarak değil, parçacığın hareketinden dolayı kuantum potansiyelinden kaynaklandığını göstermiştir.

Büyük nesnelerdeki dalga davranışı

Foton ve elektronların dalga-parçacık özelliği göstermesi üzerine aynı deneyler nötron ve protonlar üzerinde de uygulandı. Bu deneyler arasında en ünlüleri 1929’da yapılan Estermann ve Otto Stern dir. Birbirine benzer bu iki atom ve molekül kullanılarak yapılan deneylerin yazarları bu büyük parçacıklarında dalga özelliği gösterdiğini tanımlamıştır.

Yer çekiminin dalga-parçacık ikililiği üzerindeki etkisinde karar kılmak için nötron girişim sayacı kullanılarak bir dizi deneyler yapılmıştır. Atom çekirdeğinin parçalarından biri olan nötron, çekirdeğin kütlesinin büyük kısmını oluşturduğundan dolayı sıradan madde olarak kullanılmıştır. Nötron girişimölçerde, yerçekimi kuvvetinden etkilenen kuantum mekaniksel dalgalar gibi hareket ederler. Sonuçlar yerçekiminin her şey üzerinde etki ettiği bilindiğinden dolayı şaşırtıcı değildi, Yerçekimsel alandaki büyük çaptaki kuantum mekaniksel ferminyon dalgalarının kendi aralarındaki girişimi daha önceden deneysel olarak onaylanmamıştı.

1999 yılında C60 fullreneleri Vienna Üniversitesinde bulunan araştırmacılar tarafından raporlandı. Oldukça büyük ve ağır bir nesne olan fullreneler yaklaşık 720 u atomik kütlesine sahiptir. 2.5pm olan De Broglie dalga boyu 1 nm olan molekülün yarı çapından yaklaşık kat 400 küçüktür.

Modern kuantum mekaniğindeki işleyişi

Dalga-parçacık ikililiği kuantum mekaniğinin yapı taşlarından birini oluşturur. Teorinin formülleştirilmesinde, parçacık hakkındaki tüm bilgi dalga fonksiyonunda şifrelenmiştir, karmaşık değerli bir fonksiyonun değeri yaklaşık olarak uzaydaki her bir noktadaki dalgaların büyüklüğü kadardır. Bu fonksiyon diferansiyel denklemler sayesinde ortaya çıkar.  Kütlesi olan parçacıklar için bu çözüm dalga denklemi kullanılarak yapılabilir. Böyle dalgaların yayılımı dalga fenomenindeki girişim ve kırınımlarla olur. Foton gibi kütlesiz parçacıkların Schrödinger denkleminde çözümü yoktur.

Parçacık davranışı kuantum mekaniğindeki ölçümlemelerde en çok karşımıza çıkar. Parçacığın konumunu ölçerken belirsizlik ilkesinden dolayı parçacığın daha kesin bir konumu olmasına zorlar. Kütleli parçalar için parçacığın yerini belirli bir noktada saptamak için dalga fonksiyonunun o noktadaki büyüklüğünün karesinin alınması yeterlidir.

Günümüzdeki gelişmeler sayesinde kuantum alan teorisindeki belirsizlikler ortadan kalkmış oldu. Alan dalga fonksiyonlarının dalga denklemleriyle çözülmesine olanak sağlamıştır. Parçacık terimi Lorentz grubunun parçalanamaz oluşunu tanımlamaktadır.

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetik radyasyon</span>

Elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik ışınım, elektromanyetik dalga ya da elektromıknatıssal ışın bir vakum veya maddede kendi kendine yayılan dalgalar formunu alan bir olgudur. Elektromanyetik dalgalar, yüklü bir parçacığın ivmeli hareketi sonucu oluşan, birbirine dik elektrik ve manyetik alan bileşeni bulunan ve bu iki alanın oluşturduğu düzleme dik doğrultuda yayılan, yayılmaları için ortam gerekmeyen, boşlukta c ile yayılan enine dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar, frekansına göre değişik tiplerde sınıflandırılmıştır. Bu tipler sırasıyla :

<span class="mw-page-title-main">Foton</span>

Foton, Modern Fizik'te ışık, radyo dalgaları gibi elektromanyetik radyasyonu içeren Elektromanyetik Alan kuantumu yani ışığın temel birimidir. Ayrıca, Elektromanyetik Kuvvet'lerde kuvvet taşıyan, kütlesiz temel parçacıktır. Parçacık terimi; genelde kütlesi olan veya ne kadar küçük olursa olsun bir cismi var olan anlamıyla kullanılır. Ancak, fotonlar için kullanılırken "en küçük enerji yumağı"nı temsil eden bir birimi ifade eder. Fotonlar Bozon sınıfına aittir. Kütlesiz oldukları için boşluktaki hızı 299.792.458 m/s dir.

<span class="mw-page-title-main">Işık</span> elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanabilen kısmı içindeki elektromanyetik radyasyon

Işık veya görünür ışık, elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanabilen kısmı içindeki elektromanyetik radyasyon. Görünür ışık genellikle 400-700 nanometre (nm) aralığında ya da kızılötesi ve morötesi arasında 4.00 × 10−7 ile 7.00 × 10−7 m dalga boyları olarak tanımlanır. Bu dalga boyu yaklaşık 430-750 terahertz (THz) frekans aralığı anlamına gelir.

Fotoelektrik etki ya da fotoemisyon, ışık bir maddeyi aydınlattığında elektronların ya da diğer serbest taşıyıcıların ortaya çıkmasıdır. Bu bağlamda ortaya çıkan elektronlar, fotoelektronlar olarak adlandırılır. Bu olay genellikle elektronik fiziğinde hatta kuantum kimyası ya da elektrokimya gibi alanlarda çalışılır.

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetizma</span> elektrikle yüklü parçacıklar arasındaki etkileşime neden olan fiziksel kuvvet

Elektromanyetizma, elektrikle yüklü parçacıklar arasındaki etkileşime neden olan fiziksel kuvvet'tir. Bu etkileşimin gerçekleştiği alanlar, elektromanyetik alan olarak tanımlanır. Doğadaki dört temel kuvvetten biri, elektromanyetizmadır. Diğer üçü; güçlü etkileşim, zayıf etkileşim ve kütleçekim kuvvetidir.

<span class="mw-page-title-main">Bohr modeli</span> bir atom modeli

Bohr atom modeli, Niels Henrik Bohr tarafından 1913 yılında, Rutherford atom modelinden yararlanılarak öne sürülmüştür.

Madde dalgaları veya de Broglie dalgaları, maddenin dalga-parçacık ikiliğini yansıtan kavramdır. Kuram 1924'te, Louis de Broglie tarafından doktora tezinde önerilmiştir. De Broglie denklemleri dalga boyunun parçacığın momentumuyla ters orantılı olduğunu gösterir ve ayrıca de Broglie dalga boyu diye isimlendirilir. Ayrıca madde dalgalarının tekrarsıklığı, de Broglie tarafından türetildiği gibi, parçacığın toplam enerjisi E'ye – kinetik enerjisinin ve potansiyel enerjisinin toplamı – doğru orantılıdır.

<span class="mw-page-title-main">Kuantum mekaniği</span> atom altı seviyede çalışmalar yapan bilim dalı

Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği, moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik ışınımlarla olan etkileşimlerini de kapsar.

<span class="mw-page-title-main">Louis de Broglie</span> Fransız fizikçi (1892-1987)

Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie, Nobel Ödülü sahibi Fransız fizikçi. De Broglie ayrıca Académie des sciences'ın daimi sekreteriydi.

<span class="mw-page-title-main">Radyasyon</span> Uzayda hareket eden dalgalar veya parçacıklar

Radyasyon veya ışınım, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır. "Radyoaktif maddelerin alfa, beta, gama gibi ışınları yaymasına" veya "Uzayda yayılan herhangi bir elektromanyetik ışını meydana getiren unsurların tamamına" da radyasyon denir. Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre oldukça fazla veya oldukça az ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar alfa, beta, gama gibi çeşitli ışınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde ışın saçarak parçalanan maddelere radyoaktif madde denir.

de Broglie hipotezini doğrulayan fizik deneyi, Davisson-Germer deneyi, Amerikalı fizikçi olan Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından 1923-1927 yılları arasında yapıldı. Bu hipotez Louis de Broglie tarafından 1924 yılında ortaya konulmuştur ve hipoteze göre elektron gibi maddenin parçacıklarında dalga tipi bir özellik vardır. Bu deney ise sadece de Broglie hipotezini onaylama ve dalga-parçacık ikilisini sunmakla kalmayıp aynı zamanda kuantum mekaniğine ve Schrödinger denklemi için önemli bir tarihi gelişmedir.

<span class="mw-page-title-main">Işık hızı</span> elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızı

Işığın boşluktaki hızı, fiziğin birçok alanında kullanılan önemli bir fiziksel sabittir. Genellikle c sembolüyle gösterilir. Tam değeri saniyede 299.792.458 metredir. Metrenin uzunluğu bu sabitten ve uluslararası zaman standardından hesaplanmıştır. Özel göreliliğe göre c, evrendeki bütün madde ve bilgilerin hareket edebileceği maksimum hızdır. Bütün kütlesiz parçacıkların ve ilgili alanlardaki değişimlerin boşluktaki hareket hızıdır. Bu parçacıklar ve dalgalar gözlemcinin eylemsiz referans çerçevesi ya da kaynağın hareketi ne olursa olsun c'de hareket ederler. Görelilik teorisi'nde c, uzay-zaman arasındaki ilişkiyi kurar; aynı zamanda meşhur kütle-enerji eşdeğerliliği formülünde de gözükür E = mc2. Işığın hava veya cam gibi şeffaf maddelerdeki ilerleyiş hızı c'den azdır. Benzer şekilde radyo dalgalarının tel kablolardaki ilerleyişi de c'den yavaştır. Işığın madde içindeki hızı v ile c arasındaki orana o maddenin kırılma endeksi denir. Örneğin, görülebilir ışık için camın kırılma endeksi genellikle 1,5 civarındadır. Yani ışık camın içinde c / 1,5 ≈ 200.000 km/s ile hareket eder. Hangi açıdan bakılırsa bakılsın ışık ve öteki elektromanyetik dalgalar anında yayılıyormuş gibi gözükür ancak, ölçülebilir hızlarının uzun mesafeler ve hassas ölçümlerle ölçülebilir sonuçları vardır. Uzaydaki keşif araçlarıyla iletişim kurarken mesajların Dünya'dan uzay aracına ya da uzay aracından Dünya'ya ulaşması dakikalar ya da saatler alabilir. Yıldızlardan gelen ışık onları yıllar önce terk etmiştir ve bu sayede uzaktaki nesnelere bakarak evrenin tarihini çalışma şansı verir. Işığın ölçülebilir hızı aynı zamanda bilgisayardaki bilgilerin çipler arasında aktarılması gerektiği için bilgisayarların teorik hızını da sınırlar. Işık hızı, uzak mesafeleri yüksek isabetle ölçebilmek için uçuş zamanı ölçümlerinde de kullanılır.

Kuantum mekaniği madde ve atomların ve atom içindeki parçacıklar ölçeğinde enerji ile etkileşimlerinin davranışını açıklayan bilimsel ilkeler organıdır: Bu makaleye teknik olmayan konuların tanıtımında ulaşabilirsiniz.

Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum kimyası tarihi ile iç içe olan kuantum mekaniği tarihi özünde birkaç farklı bilimsel keşif ile başlar; 1838’de Michael Faraday tarafından elektron demetlerinin keşfi, Gustav Kirchhoff tarafından 1859-60 kışı siyah cisim ışıması problemi beyanı, Ludwig Boltzmann’ın 1877 yılındaki fiziksel bir sistemin enerji seviyelerinin ayrıklardan olabileceği önerisi, 1887 yılında Heinrich Hertz’in fotoelektrik etkiyi keşfetmesi ve Max Planck’ın 1900 yılında ileri sürdüğü, herhangi bir enerji yayan atomik sisteminin teorik olarak birkaç farklı “enerji elementi” ε (epsilon) ne bölünebilmesi, bu enerji elementlerinden her birinin frekansına ν orantılı olması ve ayrı ayrı enerji üretebilmesi hipotezi, aşağıdaki formülle gösterilmiştir;

Kimyasal elementlerin ya da kimyasal bileşiklerin emisyon spektrumu atom ya da moleküllerin yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçişinden elde edilen elektromanyetik radyasyonun frekans spektrumudur. Yayılmış fotonun enerjisi iki enerji düzeyi arasındaki farka eşittir. Her atom için birçok mümkün geçişler vardır ve enerji düzeyleri arasındaki her geçiş spesifik enerji farkına sahiptir. Bu farklı geçişlerin toplamı, farklı ışınlar halinde gönderilmiş dalga boylarına ve emisyon spektrumunun düzenlenmesine neden olur. Her elementin emisyon spektrumu özeldir. Dahası, spektroskopi elementlerin madde içindeki bilinmeyen kompozisyonunu tespit etmek için kullanılabilir. Buna benzer olarak, moleküllerin emisyon spektrumları maddelerin kimyasal analizlerinde kullanılabilir.

<span class="mw-page-title-main">Bohr-Einstein tartışmaları</span> Bohr-Einsitein arası diyaloglar

Bohr–Einstein tartışmaları, kuantum mekaniği hakkında Albert Einstein ile Niels Bohr arasında süregelen tartışmadır.

Kuantum optiği yarı klasik ve kuantum mekaniği fiziğini kullanarak ışığı içeren olayları ve onun mikroskobik seviyelerdeki maddelerle etkileşimini inceler.

Atomik, moleküler ve optik fizik, bir ya da birkaç atomun ölçeğinde, madde-madde ve ışık-madde etkileşimi çalışmadır ve enerji, birkaç elektron voltları etrafında ölçeklenir. Üç alanla yakından ilişkilidir. AMO teorisi, klasik, yarı klasik ve kuantum işlemlerini kapsar. Tipik olarak, teori ve emisyon uygulamaları, elektromanyetik yayılım ve emilme, spektroskopi analizi, lazer ve mazerlerin kuşağı ve genel olarak maddenin optik özellikleri, uyarılmış atom ve moleküllerden, bu kategorilere ayrılır.

Parçacık fiziğinde, kuantum alan teorisinin tarihi, 1920’lerin sonlarında elektromanyetik alanın kuantizesiyle çalışan Paul Dirac tarafından oluşturulması ile başlar. Teorideki başlıca gelişmeler 1950’lerde gerçekleşti ve bu gelişmeler kuantum elektrodinamiğinin (KED) başlangıcına neden oldu. KED çok başarılıydı ve “doğaldı”, çünkü aynı temel kavramları doğanın diğer kuvvetlerinde kullanılabilmek için yapılan denemeleri içeriyordu. Bu denemeler, parçacık fiziğinin modern standart modelini üreten güçlü ve zayıf nükleer kuvvetleri ayar kuramının uygulamasında başarılı olmuştu.

<span class="mw-page-title-main">Debye modeli</span>

Termodinamik ve katı hal fiziğinde Debye modeli; Peter Debye tarafından 1912 yılında geliştirilen, katılarda özgül ısıya (ısı kapasitesi) olan fonon katkısını tahmin etmek için kullanılan metottur. Atomik kristal yapının salınımlarını, bir kutu içerisindeki fononlar gibi düşünerek ele alır. Bu; katıya ayrı ayrı kuantum harmonik osilatörlerden oluşmuş olarak davranan Einstein modelinin tam tersidir. Debye modeli;  – Debye T3 yasası - ısı kapasitesini düşük sıcaklıklarda doğru bir şekilde tahmin eder., düşük sıcaklıklarda olan. Tıpkı Einstein modeli gibi, yüksek sıcaklıklarda Dulong–Petit Yasasını da doğru bir şekilde kapsar. Ama, ara sıcaklıklarda basitleştirmek için yapılan varsayımlar nedeniyle doğruluğu kusurludur.